現代數字化設計制造技術在機械設計制造上的應用

石 鵬 ， 鄧嫄媛 ， 周黎明 ， 宮霞霞

（成都大學機械工程學院，四川 成都 610000）

我國進入新發展階段，加快建設制造強國，大力發展先進制造業成為我國社會經濟高質量發展的重要戰略。面對競爭日益激烈的市場環境，我國機械制造要以智能制造為主要方向，推動產業技術變革升級，推動制造業產業模式和企業形態發生根本性轉變?；诖髷祿?、云計算及機器人等技術的發展，將現代數字化設計制造技術融入機械制造領域具有重要意義。因此，為了推動智能機械制造高質量發展，我國要發揮現代數字化設計制造技術的優勢，打造個性化、柔性化、低能耗的機械設備產品。

1 現代數字化設計制造技術概述

現代數字化設計制造技術主要是將互聯網、云計算、區塊鏈以及機器人等技術與機械設計制造技術相融合，根據客戶需求和工作特點對機械產品進行仿真建模，以此生產符合用戶需求的機械產品。智能制造的關鍵技術是數字化設計與制造。相比傳統的機械設計制造技術，現代數字化設計制造技術突出了“數字化”的優勢，具有以下特點：1）建模仿真。傳統的機械設計制造技術往往需要按照機械產品的模型進行相應的設計，需要進行實物建模，這樣不僅浪費設計費用，而且還增加了設計周期，導致所生產的機械產品滯后于市場發展速度。而現代數字化設計制造技術則通過利用大數據技術的海量分析功能、預算功能對機械產品參數進行綜合分析并且建模，這樣可以有效地提升機械產品的設計效率，避免重復實物建模的弊端，大大節約了機械產品的設計成本。例如在汽車渦輪盤設計上，傳統的設計制造需要多次建模實驗才能大量生產，但是使用現代數字化設計制造技術則可以通過仿真實驗的方式對設計汽車渦輪盤進行實驗，有效壓縮了產品的投產時間，提升了我國機械制造的研發能力。2）實現面向可裝配的設計。傳統的機械設計制造技術需要根據不同產品的規格而構建模型，但是數字化設計制造技術則實現了面向裝配的集中化管理[1]。眾所周知，數字化設計制造技術面對的是數學模型，其通過仿真界面進入仿真服務器和生產管理模型后，會形成產品設計模型、生產過程模型以及虛擬設備模型等，最終得到相應的硬件資源，從而最終構建針對不同類型機械產品的生產信息模型，有效提升了機械產品的生產質量。例如通過現代數字化設計制造技術構建可調整的參數模型，能夠圍繞客戶的要求優化調整機械生產參數，從而實現對整個機械制造設計生產過程的追蹤監督，提升產品的內在品質。3）集成化特點。隨著大數據技術的發展，現代數字化設計制造技術涉及多個領域，尤其是在智能制造背景下，在機械產品設計生產中都會應用到現代數字化設計制造技術，利用該技術優化機械產品的設計生產流程。同時為了實現機械設備的自動化、智能化、網絡化發展，需要融合多種數字化設計制造技術，以此提升產品的質量。因此，隨著數字化技術的發展與融合，產業邊界越來越模糊。

2 我國機械設計制造現狀分析

近年來，雖然我國機械設計制造水平不斷提升，在某些領域領先于世界水平，但是不可否認我國機械設計制造水平與歐美的先進國家相比仍然存在較大的差距。1）我國機械產品數字設計制造技術水平不高，對于數字化設計技術的應用層次還不夠深入。目前，我國機械設計制造技術更多依賴于仿制，而自主創新能力不高。2）我國機械設計制造核心技術匱乏，缺乏知識產權保護意識。基于傳統觀念的影響，我國機械設計制造缺乏對核心技術的保護，導致機械制造企業缺乏市場核心競爭力。3）缺少對機械產品功能的創新。目前，我國將精力放在機械產品的性能設計上，卻忽視了對產品功能的創新設計，導致機械產品在使用過程中由于缺乏相應的功能而難以滿足實際生產要求。例如，在汽車組裝方面，雖然我國構建了機器人組裝生產線，但是在關鍵部位的組裝上仍然是以傳統的人工組裝為主，剖析原因主要是由于缺乏對組裝機器人運行功能的創新設計，導致諸多功能難以在生產線中發揮作用[2]。4）我國高端機械設計制造人才短缺。推動智能機械制造發展離不開高端人才的支撐，目前我國高校所培養的人才具有“眼高手低”的問題，高端機械設計制造人才匱乏問題較為突出。分析原因主要是由于我國高等教育仍然是以培養學術型人才為主，而缺乏與區域制造產業發展的對接，使得高校所培養的人才難以滿足實際要求。

隨著產業轉型升級發展的持續推進，未來機械設計制造將呈現以下發展趨勢。1）產品升級，驅動機械自動化。我國機械制造業不斷發展，智能化將成為機械制造發展的主要方向。通過打造機械制造智能化體系促進機械設備的整體性能，帶動機械設備的生產能力。由于我國裝備制造產業的快速發展，傳統粗放型、低端技術的發展模式難以滿足當前發展要求，因此發揮數字化設計制造技術的優勢，提升裝備制造的智能化、數字化水平成為助力我國經濟快速發展的重要舉措。2）環保趨嚴，促使機械設備更新。節能降耗成為工業制造的主旋律，為了提升工作效率，打造高端供應鏈，我國近年來加大了對現代制造業的監管力度。例如，為了推動智能化機械設備的應用，工信部專門出臺了技改資金支持政策，對淘汰落后機械設備、購買新型節能機械設備給予財政補貼。3）加快機械制造智能化。隨著社會經濟的發展，尤其是社會生產力的提升，大力推進機械制造智能化成為維護國家安全、助力經濟高質量發展的重要舉措。比如我國芯片短缺問題較為突出，嚴重阻礙了我國經濟的發展。因此，要發揮現代數字化設計制造技術的優勢，提升裝備數字化、網絡化、智能化能力。

3 現代數字化設計制造技術在機械設計制造中的應用方法

現代數字化設計制造技術所包含的內容比較豐富。具體包括：1）計算機技術。計算機設計技術主要是利用計算機技術對機械產品進行設計，例如計算機輔助設計（CAD）為機械產品的構思、功能設計等進行優化，實現了機械設計的無紙化操作。2）虛擬設計與制造。虛擬技術是機械設計制造中使用最廣泛的技術，其主要是通過構建虛擬仿真環境為機械產品設計與生產提供試驗操作平臺，以此達到網絡化的參數優化調整的目的。3）異地協同設計。異地協同設計主要是從流程、協作管理等方面入手，實現對機械設計制造的集約化、全面化管理。4）概念與工業設計。概念設計是圍繞客戶的需求而設計，其主要是將設計概念融入機械產品設計生產的全過程。工業設計則是對機械的布局、形態以及人際工程等進行設計，以此使產品與用戶具有良好的親和性與匹配度[3]。當然除了上述技術外，數字化設計制造技術還包括機器人技術、神經網絡技術等。結合多年實踐調查，現代數字化設計制造技術在機械設計制造中的應用方法體現在以下方面。

3.1 虛擬現實技術在機械設計制造中的應用

虛擬現實技術是現代數字化設計制造技術的重要組成部分，其在機械設計制造中的應用最為普遍，主要作用就是構建虛擬仿真環境，為機械設計制造提供虛擬實驗平臺，以此達到最優化的設計。例如機械齒輪是機械產品的重要組成部分，但是傳統的齒輪設計制造技術缺乏精細化管理，導致齒輪的穩定性不高，因此在齒輪設計時需要結合虛擬仿真技術構建齒輪設計環境。具體操作流程就是，齒輪設計人員首先利用三維建模軟件將機械齒輪的相關參數導入到計算機系統中，再利用虛擬仿真技術將導入數據生成特定的模擬環境，將齒輪的具體構造、參數等信息展現出來，然后利用虛擬仿真系統設計的齒輪要求借助虛擬仿真實驗平臺對其圓弧針齒運動軌跡進行計算，從而提高齒輪與機械設備精密結合的程度，達到高品質的生產模式。

3.2 設計與制造協同在機械設計制造中的應用

基于智能制造業的發展，實現機械設計制造一體化是現代智能制造發展的主要趨勢。實踐證明，機械產品設計與制造協同發展能夠有效提升機械產品的設計效率，提升其內在功能。協同技術能夠使產品在設計時達到信息的共享，讓產品的全部工作者參與到設計中，幫助設計者開拓思路，并且能夠使產品更加適應實際應用，可根據不同的設計任務與設計問題對信息進行處理分析，讓設計工作更為高效，提升農業機械的設計制造水平，為企業節約設計制造成本。

3.3 神經網絡技術在機械制造中的應用

神經網絡技術是機械制造設計中經常會使用的技術，其具有非線性、適用性以及存儲性等特點。在智能機械制造生產中神經網絡技術的應用價值越來越突出，其不僅可以實現機械產品數據信息的整理功能，選擇出最有價值的數據信息并存儲，以便于后期的維護保養工作，而且還具有記憶功能，能夠及時針對機械設備在運行中的表現作出診斷，以此實現對機械設備故障的自動診斷，提升故障的維修效率[4]。

4 面向智能制造的機械設計制造技術應用分析

1）構建數字化技術架構。面向智能制造的數字化制造關鍵技術包括設計數字化、生產過程數字化以及裝備制造數字化等。在構建智能制造的機械設計制造產品時需要搭建數字化架構：①基礎技術，主要包括企業數據庫管理系統研發及應用和制造過程數控設備研發及應用等。②單元技術，主要是指數字化設計過程中三維CAD產品的研發及應用，產品模塊化和零部件標準化模型的搭建，基于成組技術的產品族、數字化車間管控過程的MES系統研發及應用，管理數字化過程中的ERP產品研發及應用，全生命周期的信息化管理。③集成技術，是企業實施數字化過程中的網絡制造系統的研發及應用，企業集成系統的研發及應用，最終實現數據的傳遞與共享[5]。

2）數字化設計技術。數字化設計技術主要是對設計過程進行數字化轉型，其主要包括：①建立裝備制造產品三維參數化實例庫。其主要是構建裝備制造產品模塊體系，標準化接口數字化設計技術等。三維參數化零件實例庫主要是根據相關產品結構相似性、通用性產品模塊，針對裝備制造產品的特性、分類以及工藝柔性等防范分析裝備制造產品的功能和物理特性[6]。②設計信息交互技術。設計信息交互技術主要是建立在裝備制造產品族模型所需要質量功能配置、BOM表以及實物特性表等技術基礎上的，向產品需求者與設計人員提供信息交流的平臺。設計信息交互技術包括云端自動儲存、自適應數據對接以及設計信息快速拆解等功能[7]。

3）數字化制造技術。裝備制造設備數字化制造技術主要是對機械設備制造過程進行自動信息采集、流轉、信息追蹤以及追溯的技術[8]。自動信息采集和流轉技術主要是解決排產問題，利用技術集成方法，分析制造工藝規劃系統，并且對生產工藝流程進行統計分析，以此實現生產線所有執行機構、檢測系統數據等協同優化，實現集約化、流水化作業[9]。信息追蹤和追溯技術則是通過計劃管理和車間管理數據，結合二維碼技術等對裝備制造產品的生產過程進行流程數據化管理，將數據信息與架構設備等進行信息共享，從而實現對整個生產環節的有效管理[10]。

5 結論

綜上所述，基于機械強國戰略的實施，我國要充分發揮現代數字化設計制造技術的優勢，利用先進的科學技術，跟上時代發展的重要趨勢，進而提升我國機械設計制造以及自動化水平，促進我國社會經濟高質量發展。