機械設計發展趨勢的幾個特點

[摘 要] 從面向信息社會的角度，探討了機械設計發展趨勢的幾個特點，如采用短梯升級結構、關注早期設計、按生命周期進行設計、技術構成日益綜合化、CAD向概念設計階段延伸、CAD與設計方法學融合等。

[關 鍵 詞] 生命周期；概念設計；智能CAD；設計方法學

[中圖分類號] TH122 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）17-0142-02

在信息社會，世界成為一個緊密的信息整體，現實生活中的時間和空間距離大為縮小，人類具有了前所未有的活動范圍和創新能力。

一、機械設計理念的若干變化

（一）使用現成技術

信息時代的機械設計，最顯著的變化是用于創造一個成功產品的時間大大縮短。過去認為，要加速產品的開發就必須做大量的研究工作，而現在的情況就不同了，實際需要的研究工作減少了，因為縮短了的產品開發周期鼓勵設計師使用現成技術，發達的互聯網絡或其他信息系統為使用這些技術提供了便利條件。

（二）采用短梯升級結構，使設計柔性化

完全摒棄原有設計，另起爐灶，重辟蹊徑，要耗費巨大的人力物力，用戶還要從頭學習和掌握，而且還要做大量的再開發工作，這是有風險的。而采用短梯升級結構，使設計逐步升級實現柔性化，以適應市場不斷增長的需求，這種辦法更穩妥，也更有效。一些聰明的設計者，懂得保護用戶投資的重要性，對已有產品進行不斷改進和提高，并且保護原有用戶的產品能隨之升級，這樣，既保住了自身的經營優勢，又可以把一批新老用戶吸引在公司的周圍。這樣做，成本一般較低。既保住了市場，又降低了開發成本，國外有些企業提出“產品賣不出去就是設計的失敗”，認為保證產品的市場競爭力是設計師的首要職責，工業品的競爭歸根到底是產品設計質量的競爭。

（三）關注產品的早期設計階段

由于產品設計的早期構思（或稱為概念設計）階段決定產品質量、成本的70%或更多，所以，解決問題的最好時刻是在產品的構思階段。此時的設計是柔性的，對設計方案的修改或變動，付出的代價比較少。不要把改進產品的重點放在以后的制造和裝配階段去。如果等到樣機或產品制造出來以后，發現重大問題再來修改，工程上的返工所付出的代價是巨大的。

（四）按產品的生命周期進行設計

拓寬和更新設計觀念，最重要的轉變是按產品的生命周期進行設計。即從產品概念設計階段開始就要考慮設計、制造、供貨、使用、維修、直到廢棄或再生等生命周期中的所有環節。在傳統設計中，主要是針對產品的一組技術規格，而沒有對產品的供貨、使用、維修、報廢處理或再生等環節予以足夠重視，企業只管把生產的產品投向市場，而使用是用戶的事，報廢后的處理或再生則是社會的事。按產品生命周期進行設計，符合“可持續發展”的戰略要求，可以使產品設計從一開始就全面地考慮多方面的問題，避免設計中的全面性，防止重大的失誤和返工。對產品的理解不應再是一系列零部件的組合體，而應看成是生命周期中的各個環節的所有作業或勞務的總和。一個產品是一系列相互關聯的作業或勞務的結果，它們從設計活動開始，直到生命周期終點最后處理為止。這從根本上保證了產品的質量、成本和效益。

二、機械設計的技術構成日益綜合化

隨著現代科學技術的高速發展，學科之間的界限越來越模糊，學科之間的影響和滲透越來越強烈，社會和經濟的因素日益滲入設計過程，改變了機械設計是單一技術內容的面貌，使設計過程納入了人—機—環境的系統工程中。現代機械設計越來越需要高新技術群體的支持，其產品的技術構成日益綜合化，對產品的綜合性能要求越來越高。

現代機械設計應使產品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同時又能省材料、省能源，并使產品向輕、薄、細、小、巧的方向發展，以不斷滿足人們生活多樣化、高品位的要求和生產的省力化、自動化需求。現代機械設計通過綜合利用各種高新技術的優勢、揚長補短、有機結合，實現產品內部各組成部分的合理匹配和外部整體效能最佳。

現代機械產品的突出特點在于注入了過去所沒有的新技術，越來越多地把電子器件的信息處理和自動控制等功能“柔和”到機械裝置中，從而獲得了過去單靠機械技術無法實現的功能和效果。在現代機械產品中，單純機械技術的附加值含量越來越少，而微電子技術的附加值含量卻越來越高。

由于現代高新技術的迅速發展，實現產品功能的方法和手段越來越豐富，只要技術上和經濟上能更合理地實現規定的功能，不論來自何種理論體系的何種理論，不論來自何種產品門類的何種經驗，都可以取之所用，這極大地拓展了設計空間。同一功能的實現有多種可行的技術方案，必須對各種技術方案進行分析和評價，在充分考慮同其他功能單元的連接與匹配的條件下，選擇最優的技術方案。

在某些情況下，產品的功能必須通過多種技術的配合才能實現，這時各種技術是相互關聯、相互補充的，即具有互補性。如，機械手的運動及其控制，僅靠電子裝置或機構都無法實現，只有兩者結合起來，并充分考慮機構的動力學特性與控制裝置硬、軟件控制性能之間的相互影響和相互補充，才能獲得最佳的實現方案。當多種可行的技術方案同時存在時，說明在實現具體功能上它們具有等效性，如，在機床上加工螺紋或齒輪，工件與刀具之間的內聯系可以通過機械方案實現，也可以通過電氣方案實現。然而等效并非等價，誰優誰劣，需要通過評價才能知道。由于不同的技術方案往往具有不同的參量，評價時需選擇具有相同量綱的性能指標（如成本、可靠性、精度等），以保證各種技術方案之間具有可比性。

三、CAD系統的日益智能化

（一）CAD向機械設計的早期階段延伸

21世紀將是計算機技術、信息技術、自動化技術等和機械設計融為一體的時代，自動化+智能化成為機械科學發展的重要特征。普及CAD技術，擺脫手工計算，甩掉繪圖板，提高設計工作的效率和質量，成為今后我國機械設計現代化的重要目標。

傳統的CAD著眼于以計算機代替手工繪圖，提高繪圖的速度，現代的CAD研究重點已轉向從根本上改善設計水平和產品質量，其標志就是CAD的工作領域越來越向機械設計的早期階段，即向概念設計階段延伸，成為智能CAD。所謂智能CAD系統，主要反映在CAD系統參與產品規劃及概念設計的能力上。在概念設計階段，主要由設計師根據豐富的經驗、定性的信息進行直接推斷，此時，信息量少，加之難以用算法語言描述，因此，一般的CAD系統難以參與概念設計。在草圖階段，有些問題已可以用算法語言解決，但在評價決策等問題上還必須靠設計師的直觀推斷。目前的CAD在概念設計階段還不成熟，在草圖階段的作用亦還有限。智能CAD系統區別于一般CAD系統的重要標志就在于它能夠完成概念設計階段的工作及草圖階段的大部分工作。可以設想，隨著智能CAD系統的日益完善，在未來可以取代相當一批設計師。為了使計算機能夠進行簡單的分析、推理、判斷，應把一切設計對象的使用目的歸結為有限的基本功能單元，建立模型。模型的產生是一個綜合的過程，分別用圖形、符號、數字、邏輯關系及物理過程的數學表達式進行描述。這樣，整個概念設計過程就是把設計對象的特性與模型特性進行比較、分析和綜合的過程。

（二）CAD與設計方法學的融合

CAD系統的發展，需要設計方法學的指導，設計方法描述的設計過程，為CAD系統提供了體系的框架，按設計方法學建立的各個工作步驟的設計目錄、專用及通用知識模塊，為智能CAD系統提供了實用的知識庫基礎。因為計算機缺乏系統規劃和綜合的能力，更沒有創造能力，而設計方法學提供了解決設計問題的一般思路，設計目錄歸納、概括了每一設計工作步驟所需要的數據、信息和知識，可以認為，建立智能CAD系統的主要任務就是把這些知識進行適當描述，使之成為計算機能理解、辨識和運用的知識。計算機在能夠學習和接受人的推理、邏輯分析、判斷能力之后，就能使CAD系統不依賴或少依賴人而自動完成設計。用設計方法學的觀點建立現代CAD系統是設計方法學工作者和CAD工作者不約而同的具有遠大發展前景的重要課題。

參考文獻：

北京機械工程學會設計方法學研究會.設計方法學：原理·方法·應用[M].北京機械工程學會設計方法學研究會，1989.