機械設計制造的數字化與智能化探析

摘" 要：近些年，隨著數字技術、云計算技術及人工智能技術與機械制造業的深度融合，一個嶄新的工業智能化時代正悄然來臨。機械設計制造產業是我國的支柱性產業，在國民經濟建設與發展過程中占據關鍵位置，在計算機技術、信息技術的加持下，加快推動新技術與機械制造產業的有機結合，促進機械制造業的智能化發展，實現轉型升級，具有重要的現實意義。該文立足機械設計制造業實際情況，分析現代數字化、智能化設計系統關鍵技術，闡述數字化與智能化技術在機械設計制造中的具體應用，最后通過實際案例介紹數字化與智能化技術的應用效果，旨在為我國機械設計制造業的智能化發展提供理論借鑒。

關鍵詞：機械設計制造；數字化技術；智能化發展；應用；有限元分析

中圖分類號：TH122" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0193-04

Abstract： In recent years， with the deep integration of digital technology， cloud computing technology and artificial intelligence technology and machinery manufacturing industry， a new era of industrial intelligence is quietly coming. Machinery design and manufacturing industry is the mainstay industry of our country， therebyoccupies a key position in national economic construction and development. Under the control of computer technology and information technology， it is of great practical significance to accelerate the organic combination of new technology and machinery manufacturing industry， promote the intelligent development of machinery manufacturing industry， and realize transformation and upgrading. Based on the actual conditions of the machinery design manufacturing industry， the key technologies of modern digital and intelligent design system are analyzed， and the application of digital and intelligent technology in machinery design and manufacturing is expounded. Finally， the application effect of digital and intelligent technology is introduced through practical cases， aiming at providing a theoretical reference for the development of intelligent machinery design manufacturing industry in our country.

Keywords： mechanical design and manufacturing; digital technology; intelligent development; application; finite element analysis

近些年，以大數據、物聯網、云計算及人工智能等為代表的新技術正與傳統機械制造產業融合創新發展，為傳統機械制造業帶來了新生機。新時代，新征程，加快推進國產裝備智能制造，建設制造強國，是落實工業化與信息化深度融合的重要舉措[1]。

機械設計制造產業在國民經濟發展中發揮了關鍵作用，是實現各領域、各行業和各產業轉型升級的重要基礎保障，同時機械設計制造業也是國家軍事穩定與國家安全的重要保證。我國進入新發展階段，在國際上的地位逐漸提升，著重發展先進制造業儼然已成為我國社會經濟穩步發展的重要戰略。隨著《中國制造2025》戰略的逐步實施，通過將智能化技術、數字化技術與機械設計制造業完美結合，實現機械制造領域智能化升級，在提高企業核心競爭力的基礎上促進整個機械設計制造行業的健康發展，具有重要的時代意義。隨著市場競爭的不斷升級，我國機械制造產業要理念創新、技術革新，以智能制造為重要發展方向，推動產業技術的升級。近幾年，基于各項高新技術的快速發展，將現代數字化設計制造技術融入機械制造領域勢在必行。因此，我國要充分發揮大數據、機器人等新技術的優勢，打造個性化、柔性化和低能耗的機械設備產品，推動智能機械制造產業的高質量發展。

1" 數字化、智能化機械設計制造技術的相關概述

數字化設計制造是將云計算、大數據和人工智能等技術與機械設計制造技術深度融合，對機械產品進行仿真建模，由此生產出高質量、高性能的機械產品。智能制造的核心是對產品進行數字化設計與制作，結合大數據技術的海量信息分析功能對機械產品參數進行分析、建模，不僅提升了機械產品設計效率，還有效節約了研發成本，體現出了良好的經濟性和時效性。另外，數字化設計制造技術還體現出了可裝配的設計和集成化的特點，真正地實現了面向裝配的集中化管理。同時，通過結合硬件資源，利用仿真技術可實現產品設計及生產過程的模擬，進而構建多種類型的產品和生產信息模型，保證了機械產品的生產質量。

2" 我國機械設計制造現狀分析

近幾年，我國機械設計制造水平在產品開發能力及生產制造能力方面都取得了重大突破與進步，產品創新能力也有所提升，但與國外發達國家相比仍有諸多不足之處。當下我國機械制造產業現狀特點大體體現在以下幾方面：一是數字化設計制造技術水平不足，機械產品設計與數字化技術未能深度融合，并且還缺乏自主創新能力；二是機械設計產品功能缺乏創新性，導致在實際應用過程中表現乏力。隨著智能化產業轉型升級發展的不斷推進，今后機械設計制造需要進一步加強產品設計，優化產品功能，相信智能化、數字化技術將會是機械制造產業發展的重要方向，充分利用數字化、智能化技術引領機械產業的快速發展，著力發揮數字化技術的優勢，為我國社會經濟發展保駕護航。歷史經驗教訓已告訴我們，傳統粗放型、低端技術的發展模式不適用于現代化機械制造產業實際需求，為此，要全面發揮現代數字化設計制造技術的優勢，確保國產機械產品向著智能化方向發展[2]。

3" 機械設計制造中應用的數字化、智能化關鍵技術

3.1" 計算機輔助設計技術

計算機輔助設計技術是依托計算機技術對機械產品進行結構、功能方面的設計。在機械產品生產制造過程中，通常需要依靠精確的設計圖紙來保障機械產品設計與加工的進行，傳統的手繪圖紙方式存在工作量大、易出錯和效率低等問題，影響了機械產品設計階段的工作時效性，在應用CAD、CAM等繪圖軟件后，顯著提升了繪制的質量與效率，保障了產品加工的精準度，還有利于設計人員清晰掌握產品內部構造及尺寸參數信息等，方便技術人員及時發現產品內部缺陷并進行方案優化，保證了機械產品的質量可靠性。

近幾年，在人工智能技術的快速發展下，專家系統技術推動了CAD技術朝著人工智能和知識工程方向發展，即所謂的ICAD（Intelligent CAD）。ICAD技術主要包含3方面內容，即知識利用、相關設計知識的表示、建模方法及ICAD體系的整體構建。而支持變型設計及概念設計是ICAD中的關鍵技術，在機械產品設計與制造中引入ICAD技術，可有效解決企業設計開發人員在設計過程當中面臨的信息資源整體利用不高、重復性設計等問題，可有效縮短產品設計周期，具有良好的經濟性。

3.2" 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術是機械設計制造中普遍應用的數字技術之一，是通過建設虛擬環境來為機械產品設計與生產提供實驗平臺。一直以來，仿真技術在機械產品制造中作出了巨大貢獻，利用仿真技術可搭建三維實體模型，便于將機械產品內部構造、尺寸及質量等參數更加直觀、系統和準確地展示在設計人員面前，減少了設計過程中的出錯率，節約了機械產品的設計開發經費。同時，仿真技術還能夠通過建立模型，將機械設備的數據信息進行處理、分析和存儲，同時也能夠為后期的設計及修改提供數據支撐，從而保證機械產品制造過程中的精準度。另外，相比于普通的三維模型，虛擬仿真模型具有不可比擬的優勢，可以對設計的虛擬產品進行動態效果展示，具有良好的靈活性。可見，將虛擬仿真技術合理運用到機械產品的各個階段，可對機械產品生產制造過程動態觀測，控制生產進度，保證生產安全，最終達到提高產品生產效率和質量的目的。

以齒輪產品加工生產為例，傳統的齒輪設計制造技術缺乏精細化、標準化管理，在產品設計開發及制造階段應用虛擬仿真技術后，設計人員可先將齒輪產品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型，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。

3.3" 神經網絡技術

神經網絡系統與人類大腦中神經系統處理信息十分相似，具有非線性、適用性及存儲性等特點。近些年，神經網絡技術在智能制造領域體現出重要的應用價值，一是充分利用神經網絡系統中的神經元，在多種渠道分享數據資源，實現資源共享及對機械產品數據信息的系統化管理，并且可以優選高價值的數據信息并存儲，推動整個機械制造自動化的健康發展；二是神經網絡還具有一定的記憶功能，一旦機械設備運轉出現異常時立即做出診斷，達到對設備故障自動診斷的目的；三是可高效處理動態數據，將機械設計制造中涉及的數據進行深度分析，結合數據分析結果來發出指令，完成制造。例如，在機械產品加工制造過程中，設備誤差補償、安全管理及熱變形控制是企業中的常見問題，針對這類問題都可以應用神經網絡技術，利用神經網絡技術來對機械產品加工工藝、參數設定進行評定，有效預測加工中產生的誤差，為制造企業自動化生產提供重要的技術支持[3]。

3.4" KBE技術

隨著CAX與專家系統技術研究的不斷深入，KBE技術逐步發展起來。KBE技術在機械產品設計與制造中的應用越來越廣泛，KBE技術特點主要包括知識性、領域性和智能性。近幾年，國內外大型公司和研究機構對KBE技術開展了大量研究工作來全面提升產品開發的創新能力。例如，Jaguar汽車公司運用KBE技術來對某車型的發動機蓋進行設計開發，與常規CAD軟件相比，應用KBE技術后顯著提升了工作效率，縮短了產品設計周期，該機蓋產品由之前的2個月設計時長縮短為2 h，體現出了良好的實用性。國內方面，上海交大CAD國家工程中心與大型汽車制造企業合作，開發模具設計KBE系統，已取得了階段性的進展，但目前KBE技術還基本處于起步研發階段，一些理論體系與技術方法還缺乏系統性和精準性，對于機械制造業而言，KBE技術已經給機械設計產業數字化、智能化發展提供新方向，勢必會為制造產業帶來更多的方便[4]。

3.5" 三維數字化技術

三維數字化技術為機械產品設計工作帶來了極大的便利，傳統的二維設計技術智能構造產品零部件的平面效果，直觀性不強，利用UG等三維建模軟件可構建機械產品的三維立體效果圖，可展示出產品的實際整體效果，有利于提升工作效率。UG軟件是目前應用較廣泛的一款三維建模軟件，其中曲面擬合造型與三維實體造型技術不再局限于基本的曲線設計，可對產品的造型及尺寸靈活調整，針對各曲面機械零件利用不同視圖輪廓線，完成曲面造型，最后，再進行細節方面的精細化處理，具有高度的靈活性和自主性。另外，實體造型技術還能夠全方位、多角度地觀察產品的造型，并反映出機械產品的特性，可輔助技術人員進行更復雜、系統化的機械產品設計，并且還能夠幫助設計人員更細致地觀察和調整設計產品的功能、質量與零件屬性。

國內研究者吳昊等[5]對三維數字化工藝設計系統在機械制造中的應用進行了系統研究，論文中提出了一種全新模式，構建了面向三維數字化工藝設計模型，有效解決了以往設計過程中二維向三維模型轉換時的失真問題，確保了數據傳輸的準確性、可靠性和唯一性，對機械設計制造的數字化、智能化發展具有重大實際應用價值。該研究以工序MBD模型驅動為核心，簡化數字化工藝設計層級，并將加工、檢測等多種工序融入到了機械產品加工設計中，通過對工藝過程的調整與優化，實現了數字化設計、數字化生產和數字化管理，為構建機械設計制造的數字化管理體系奠定了堅實基礎[5]，該工藝路線示意圖如圖1所示。

4" 機械產品數字化設計的應用實例研究

三維數字化技術是機械產品設計中應用的關鍵技術，近些年，該項技術逐漸成為機械設計人員的必備技能，在機械產品設計與開發階段起到重要作用[6]。本節以三維數字化技術在礦山機械（阻車器）中的應用為例，探討了三維數字化技術如何更好地融入機械產品設計加工中，進而保證產品質量，提升企業效益。

4.1" 基本工作原理

在煤礦安全生產過程中，斜巷運輸是關鍵環節，肩負著提升煤、下放設備等重要任務，因此對于斜井運輸過程必須安裝安全裝置。礦用阻車器又稱穩車器，是煤礦運輸系統應用的重要基礎設施之一。阻車器安裝在井口底部，通常與翻車機、推車機等配套使用，該設施主要作用是限制礦車停留位置和防止跑車行為，避免礦車因失控而打滑，能有效防止跑車打滑，避免重大事故發生。

4.2" 設計思想

本文設計的阻車器可采用自動和手動雙重控制方式，具有減速和扎胎2種功能。同時，考慮到實際礦車運行過程中會有一些不平整路面，會導致阻車器上的礦車受重力、慣性力的作用易發生碰撞引發事故，為此本文設計的阻車器又增加了一種防撞保護裝置。阻車器主體結構包括連接部件、阻車部件、防撞裝置和緩沖盒，防撞裝置內包含滑槽、滑塊、防撞塊、防撞磨層、活動槽、連接桿和反彈塊等多種部件。阻車器制造中主要采用的材料是鋼材質，通過利用UG三維軟件設計阻車器的三維零部件效果圖，再進行3D模型仿真運行，并通過仿真模擬探究阻車器在實際運動中的影響因素。本文利用數字化設計技術，通過利用三維軟件UG NX6.0不僅能設計出三維模型，還能夠對重要部分進行多元分析研究，設計人員經過大量反復的修改、驗證、調試與優化研究后，確定產品的最終裝配造型，并通過AutoCAD打印出標準的工程圖紙，作為后續生產階段的生產樣版圖。

4.3" 對關鍵零件進行有限元分析

設計人員采用ANSYS 10.0對關鍵零部件進行分析，劃分網格，對各種零件的應變、應力進行系統研究，將在UG NX6.0軟件中建立的三維模型導入ANSYS 10.0軟件中，顯著提升了工作效率。但事實上， UG NX6.0與ANSYS 10.0軟件在交換數據時，很容易出現數據混合的現象，因此在UG NX6.0文件導出后，可以采用Parasolid 轉換為xmt.xt的文件格式，再將xmt.xt格式的文件導入到ANSYS 10.0軟件中，保證了傳輸數據的可靠性，還避免了重要數據文件的丟失，最后在ANSYS 10.0軟件中對導入的實體結構進行有限元分析[7]。

在阻車器外形結構設計階段，首先，需要對產品的外形、結構特征和尺寸等多方面因素結合在一起進行多方面考量，最終確定最佳設計方案。其次，在確保產品外形結構及尺寸滿足標準設計要求下，還應基于美觀性、經濟性、耐用性和可靠性等原則對設計方案不斷進行調整與優化，保證各零部件設計的科學性、合理性和實用性，通過應用ANSYS軟件具有的工程數據分析功能實現UG NX6.0在CAE方面的優勢。

可以見得，在實際設計開發階段，設計人員應將多種三維軟件聯合應用，彌補單一軟件功能方面的不足，并且在使用三維軟件時，還要防止數據丟失，以免因數據丟失而影響產品開發進度，保證設計工作的高效性和合理性。

5" 結束語

綜上所述，隨著數字化設計技術在機械領域的深度應用，有利于推動機械設計制造產業的高質量、智能化發展。今后，隨著機械設備結構、功能需求類型的多樣化與復雜化，企業要進一步縮短機械產品設計周期、節約開發成本和保證產品質量可靠性，充分發揮現代數字化設計制造技術的先天優勢，樹立先進的制造理念，全面提升我國機械設計制造的智能化水平，為我國社會經濟高質量發展貢獻綿薄之力。

參考文獻：

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[6] 吳敏嬌，蒲為國.機械產品數字化設計及關鍵技術應用與研究[J].中國設備工程，2020（12）：201-202.

[7] 夏應開.三維數字化技術在礦山機械設計中的應用[J].科技與企業，2015（13）：86.