機(jī)械制造中的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)分析

王靈珠

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

在“中國(guó)制造2025”背景下，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，促使機(jī)械制造企業(yè)發(fā)展速度加快，并在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟。機(jī)械設(shè)計(jì)為機(jī)械制造中最重要的環(huán)節(jié)，機(jī)械制造設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)機(jī)械制造高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生直觀(guān)影響，為提高機(jī)械制造設(shè)計(jì)質(zhì)量，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法，可采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即CAD 設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)可提升機(jī)械設(shè)計(jì)的工作效率，對(duì)降低機(jī)械設(shè)計(jì)難度、減輕設(shè)計(jì)人員的工作壓力有積極影響。相較于傳統(tǒng)手繪設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)大量設(shè)計(jì)參數(shù)的保存與計(jì)算，為機(jī)械制造提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)，能完成機(jī)械零件的多樣化處理，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)誤差及影響機(jī)械制造零部件的精準(zhǔn)性，從而提高機(jī)械制造的質(zhì)量。因此，在“中國(guó)制造2025”中應(yīng)積極運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，不斷加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的研究力度，深化計(jì)算機(jī)輔助，確保機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)際需求相符合，進(jìn)而提高機(jī)械制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)形式的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)十分單一，僅僅通過(guò)人工手繪的方式來(lái)完成。在此情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)就難免存在著諸多缺陷，如設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)性差等，進(jìn)而影響到機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械制造領(lǐng)域也開(kāi)始不斷進(jìn)行新的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。尤其是在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)制圖設(shè)備、軟件等的輔助作用下，機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)更是實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械制造中的具體應(yīng)用分析

在當(dāng)今的機(jī)械制造領(lǐng)域中，機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)均借助于相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)效率與精準(zhǔn)度的顯著提升。目前，應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中的技術(shù)主要包括4 個(gè)方面：一是二維圖樣設(shè)計(jì)技術(shù)；二是三維建模設(shè)計(jì)技術(shù)；三是二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)；四是逆向工程設(shè)計(jì)技術(shù)。以下對(duì)這4 種機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1 二維圖樣設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容較多，需進(jìn)行圖樣設(shè)計(jì)，因此二維圖樣設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。而在該設(shè)計(jì)技術(shù)的具體應(yīng)用中，AutoCAD 是其常用設(shè)計(jì)軟件，其主要功能包括：文本設(shè)定、標(biāo)注、中心線(xiàn)與圓心標(biāo)記、表格、修訂云、視圖、布局、字段、數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)提取、動(dòng)態(tài)塊、陣列和參數(shù)化約束。該軟件的交互界面所具備的功能較為全面，對(duì)設(shè)計(jì)人員的操作技術(shù)要求不高，可在多種文檔形式的設(shè)計(jì)環(huán)境中廣泛應(yīng)用。因此，要重視二維圖樣設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)化，并以此提升機(jī)械圖樣設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為機(jī)械零件的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，二維圖樣的繪制所涉及的關(guān)鍵要素較多，且重復(fù)性較高。以表示零件表面粗糙度的符號(hào)、表示零件質(zhì)量的符號(hào)為例，其在機(jī)械設(shè)計(jì)中大量存在。機(jī)械設(shè)計(jì)人員在利用AutoCAD 軟件繪制圖樣時(shí)，設(shè)計(jì)人員為了提升工作效率，應(yīng)將常用符號(hào)、常用零件的圖形進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，以通用符號(hào)為準(zhǔn)，保證二維圖樣設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。在對(duì)二維圖樣進(jìn)行實(shí)際繪制的過(guò)程中，如果需要進(jìn)行圖形和符號(hào)的重復(fù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可借助AutoCAD 軟件對(duì)其中的相應(yīng)圖塊直接進(jìn)行調(diào)用，不需要重新進(jìn)行繪制，直接插入圖紙中即可。在將相應(yīng)的圖塊插入到圖紙的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員也可以按照實(shí)際的設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行圖塊的合理調(diào)整，這樣就提升了二維圖樣繪制中的便捷性，提高其繪制效率。

通過(guò)AutoCAD 軟件設(shè)計(jì)機(jī)械二維圖樣，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械圖樣設(shè)計(jì)工作可靠性的高效判斷，又能確保機(jī)械零件型號(hào)滿(mǎn)足機(jī)械實(shí)際所需。設(shè)計(jì)人員需要不斷完善模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械零件的完美繪制與制造，且機(jī)械零件需要進(jìn)行承載試驗(yàn)，以確保其質(zhì)量[2]。通過(guò)此方式，可有效確保機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性。另外，借助于A(yíng)utoCAD 軟件中所具備的網(wǎng)絡(luò)功能，設(shè)計(jì)人員也可以對(duì)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，以此來(lái)加強(qiáng)設(shè)計(jì)與制造部門(mén)的協(xié)調(diào)溝通，從而提升機(jī)械設(shè)計(jì)效果，優(yōu)化部門(mén)與部門(mén)之間的溝通，并保障了機(jī)械制造的質(zhì)量性。

2.2 三維建模設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

目前，機(jī)械制造領(lǐng)域正在不斷發(fā)展，在此情況下，市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)也有了高質(zhì)量與精細(xì)化等要求。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，機(jī)械產(chǎn)品也開(kāi)始逐漸朝著更加復(fù)雜、精細(xì)的方向發(fā)展。在此過(guò)程中，如果僅僅采用二維圖樣設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)進(jìn)行機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，那么機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的實(shí)際需求也就難以得到有效滿(mǎn)足。基于此，三維建模機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)便開(kāi)始在機(jī)械制造領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。使用該技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通常不能通過(guò)一次性的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際要求，因此，其三維模型需要通過(guò)設(shè)計(jì)、仿真以及再設(shè)計(jì)3 個(gè)階段來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，這樣才能有效地確保機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性，為后續(xù)的機(jī)械制造奠定良好基礎(chǔ)。

在對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)被廣泛運(yùn)用，以CAD 建模、CAE 仿真為常用技術(shù)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況與設(shè)計(jì)需求進(jìn)行機(jī)械零件的建模設(shè)計(jì)，且需要對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行虛擬裝配，以保障實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的組裝，確保零件的精準(zhǔn)度，保證機(jī)械質(zhì)量。這樣才能有效保障機(jī)械產(chǎn)品的科學(xué)、合理設(shè)計(jì)，并確保其實(shí)用性。

CAD 具有三維建模功能，且種類(lèi)豐富，可在機(jī)械零件建模設(shè)計(jì)中廣泛運(yùn)用，筆者根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)際需求選擇相應(yīng)的模型類(lèi)型。圖1 為通過(guò)AutoCAD 軟件進(jìn)行機(jī)械零件三維模型構(gòu)建圖。從左到右分別是三維線(xiàn)框模型、三維實(shí)體模型、三維曲面模型以及三維網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 機(jī)械零件三維模型構(gòu)建圖

其中，三維線(xiàn)框模型主要在初始化設(shè)計(jì)迭代中使用，它具備較好的透視性效果，可用作幾何參照?qǐng)D形，進(jìn)而為后續(xù)的模型構(gòu)建與修改提供幫助。三維實(shí)體模型的主要功能是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品中的實(shí)際情況進(jìn)行展示，它的效用非常高，可在實(shí)際的機(jī)械零件設(shè)計(jì)中達(dá)到良好的輪廓拉伸以及圖元合并效果。此外，通過(guò)該模型，還可以對(duì)機(jī)械零件中的截面及相應(yīng)的質(zhì)量特征加以直觀(guān)展示[3]。三維曲面模型的主要功能是幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)機(jī)械零件的曲面設(shè)計(jì)進(jìn)行全面分析，并對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制。三維網(wǎng)絡(luò)模型的主要功能是對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行多樣化處理，（即自由雕刻、銳化以及平滑處理）。該模型可有效滿(mǎn)足機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的需求，保障機(jī)械零件的質(zhì)量。另外，借助于CAD 軟件，可將二維圖形轉(zhuǎn)化為三維模型，進(jìn)一步滿(mǎn)足機(jī)械零件的實(shí)際設(shè)計(jì)需求，對(duì)機(jī)械零件的生產(chǎn)有積極意義。

CAE 仿真技術(shù)能夠?qū)C(jī)械零件模型進(jìn)行虛擬裝配，設(shè)計(jì)人員可從機(jī)械零件虛擬裝配的整個(gè)環(huán)節(jié)直觀(guān)地了解情況，明確各個(gè)機(jī)械零件間的關(guān)系，并以此為依據(jù)進(jìn)一步完善機(jī)械設(shè)計(jì)，通過(guò)該方式可進(jìn)一步確保機(jī)械制造領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)效果與設(shè)計(jì)質(zhì)量。在此過(guò)程中，為進(jìn)一步確保機(jī)械設(shè)計(jì)效果與質(zhì)量，技術(shù)人員需確保建模及仿真過(guò)程中的計(jì)算機(jī)輔助效果，以此來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際的機(jī)械零件設(shè)計(jì)與制造需求。

2.3 二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

隨著機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，各種機(jī)械產(chǎn)品的功能也需要不斷優(yōu)化，這樣才能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展需求。在此過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品功能的進(jìn)一步優(yōu)化，在滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本縮減，需對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，即在機(jī)械零件原有的機(jī)械設(shè)計(jì)上做出相應(yīng)的定制化修改，以此來(lái)改進(jìn)和優(yōu)化其原有的功能，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)間與設(shè)計(jì)成本良好節(jié)約的一種機(jī)械設(shè)計(jì)方法。一般情況下，在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，并不會(huì)對(duì)其原有的作用、功能等內(nèi)核造成改變，僅是在原有的基礎(chǔ)上使其得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

目前，在機(jī)械制造領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助形式的設(shè)計(jì)技術(shù)是最為關(guān)鍵和常用的設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)也是機(jī)械零件二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中最為主要的設(shè)計(jì)技術(shù)。在具體的二次改造設(shè)計(jì)中，常用VAB 及AttoLISP等軟件，此類(lèi)軟件具有共同的特性，即操作簡(jiǎn)單便捷，各種數(shù)據(jù)信息保存完整快速（圖紙及數(shù)據(jù)等），對(duì)提升機(jī)械零件設(shè)計(jì)成效有積極作用。因此，上述軟件被廣泛運(yùn)用在機(jī)械零件的二次開(kāi)發(fā)中，大大提升了機(jī)械零件的設(shè)計(jì)效率。使用該類(lèi)軟件對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面了解機(jī)械零件的設(shè)計(jì)需求，不同的設(shè)計(jì)需求，其所需要的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)功能也不盡相同，應(yīng)在了解設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上選擇合適的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)功能。特別是在CAE仿真系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，更是存在很多的不同點(diǎn)。基于此，在二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與仿真操作中，設(shè)計(jì)人員一定要明確設(shè)計(jì)需求，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具和仿真類(lèi)型進(jìn)行合理選擇。通過(guò)此方式才可以讓機(jī)械零件的二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效果及其設(shè)計(jì)質(zhì)量得以良好保障，滿(mǎn)足其實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展需求。

2.4 逆向工程設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

逆向工程設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)。通常需確定目標(biāo)機(jī)械產(chǎn)品，并作出合理的逆向分析工作，進(jìn)而獲取機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，即機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格、功能、結(jié)構(gòu)等，并依據(jù)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。在機(jī)械產(chǎn)品逆向分析中，需借助計(jì)算機(jī)輔助軟件完成逆向分析工作，獲取全面數(shù)據(jù)。CAD 軟件、CAE 軟件及CAM 軟件等計(jì)算機(jī)輔助軟件，則是機(jī)械產(chǎn)品逆向分析工作中所需要的軟件[4]。借助于這些軟件，可對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬模型，然后借助目標(biāo)產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)量掃描來(lái)確定其尺寸信息，并逐步對(duì)其進(jìn)行分解與分析。圖2 為機(jī)械產(chǎn)品逆向工程設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 機(jī)械產(chǎn)品逆向工程設(shè)計(jì)流程圖

在當(dāng)今的機(jī)械制造領(lǐng)域中，Imageware 是最為著名的一個(gè)逆向工程設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)該軟件進(jìn)行機(jī)械零件的逆向設(shè)計(jì)，一是對(duì)機(jī)械零件中的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將其導(dǎo)入該軟件中；二是將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)作為依據(jù)，確定機(jī)械零件的曲線(xiàn)類(lèi)型；三是創(chuàng)建機(jī)械零件的曲線(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行合理的修改和優(yōu)化；四是根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)需構(gòu)建的機(jī)械零件曲面類(lèi)型加以明確，并對(duì)構(gòu)建出的曲面進(jìn)行合理優(yōu)化；五是實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件模型的科學(xué)構(gòu)建。

3 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)械制造過(guò)程中，機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)最為基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)，它會(huì)對(duì)后續(xù)的機(jī)械制造工作順利進(jìn)行以及機(jī)械零件生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)也會(huì)影響到機(jī)械零件后續(xù)的應(yīng)用效果。因此在具體的機(jī)械制造過(guò)程中，制造企業(yè)和設(shè)計(jì)人員一定要注重機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的合理應(yīng)用，將相應(yīng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件作為輔助工具，替換傳統(tǒng)的人工手繪設(shè)計(jì)模式，讓信息化、數(shù)字化與智能化的設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中得以科學(xué)應(yīng)用。通過(guò)這樣的方式，才能有效提升機(jī)械零件的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中人為因素所導(dǎo)致的不利影響，為機(jī)械制造領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供充分的技術(shù)支撐。