機械產品數字化設計及關鍵技術研究與應用

張彪

摘 要：隨著時代的發展，隨著科技的進步，機械產品的數字化越來越普及，二機械產品的設計優勢制造業的靈魂。傳統的機械產品設計在現代數字化的大潮流下逐漸被現代先進的設計方法所取代。進過多年的更迭發展，機械設計慢慢包含了最潮流的技術，也有了又稱為了成為了現代機械設計的前提。我們很有必要對機械設計進行研究，我國可以生產的機械有很多種，但是在產品的跨度，深度還有真給產業鏈的科學程度上還是不如西方發達國家，為什么呢，說到底還是在機械產品的設計上有著差距，現如今數字化浪潮下我們可以將數字化融入機械設計行業，額昂機械設計煥發新生，接下來筆者將對機械設計數字化關鍵技術的研究與應用進行論述。

關鍵詞：機械產品設計；研究；應用；數字化

一、現代制造企業遇到的挑戰及解決方法

隨著經濟全球化與科技發展，產品的更新換代速度越來越快，產品的生命周期變短了，設計、生產，銷售的整個周期變短越來越快，整個的環境成為了開放式環境，網絡的發展讓人們有了更多的選擇，并且用戶越來越追求個性化，小眾產品的銷路越來越好，企業的壓力越來越大。所以前期的機械設計占據了越來越重要的地位。現在公認的可以提高企業的設計效率的方法就是數字化的設計。數字化的設計是企業向網絡化制造發展的基礎、是企業整個計算機集成網絡中的重要組成環節，可以讓原來的純粹制造型企業轉變為智力環保型企業，企業所競爭的也變成了以創新為主要發展點。

二、機械產品數字化設計的歷史

機械產品的形成過程是：產品的規劃、概念的設計、詳細設計、生產準備。通過上次的整個流程可以發展到這次，再繼而發展到下次，產品的周期越來越短，生產的效率也在一次次磨合中越來越高。設計的技術從手繪設計發展到CAD制圖，到現在的虛擬現實，這一步步的跨越不只是技術上的改變，也是設計思想上從局部到整體，從粗略到細微之處，從設計效果到整體環境效果的改變，產品的設計是貫穿整個設計生產流程的。

三、機械產品數字化設計的技術

（一）二維CAD技術的發展

在手繪設計漸漸退出設計主流舞臺的時候，走進設計的技術是二維的CAD技術，CAD技術代替了傳統的手繪，大大節省了人工，并且人們可以直觀的看到產品的各種參數。

（二）三維CAD技術中的曲面造型技術用來設計

基礎的二維CAD只能表達機械的尺寸，大小，看不到整體的設計效果，機械零件之間的關系也不好表達出來。所以三維的CAD技術也發展了起來。其中的曲面造型技術是以表面模型為特點的造型系統CAT，數字化的輔助設計技術從一開始的二維CAD技術，也就是最基礎的三視圖器械，曲面造型技術的出現讓3D建模成為了現實，曲面造型技術讓人們第一次可以用數字化的技術看到產品設計的整體形象，計算機從此可以360度的讓人們看到零件的信息。

（三）實體造型技術與三維CAD技術這項數字化技術對設計的幫助

曲面造型技術中人們可以看到物體的形狀，角度，但是卻無法看到機械的其他重要特性，比如零件的質量，復雜器械的重心等等，而實體造型技術的出現就可以準確的表現零件的各種屬性，設計圖中有了更加完備的屬性，機械的設計通過數字化也取得了更大的發展。

（四）參數化技術與CAD技術帶來的器械設計的數字化進程的加快

參數化技術帶來的CAD技術的改變是很大的，它創造了一個從特征出發，所有的數據都互相關聯，全尺約束，還可以進行尺寸驅動設計修改，這項技術可以進行尺寸驅動零件設計修改，參數化技術可以為企業帶來很大的方便，其中最方便的就在通用型零件的設計和部件的設計上。這也是數字化進入設計行業帶來的福利。

（五）變量化技術和三維CAD的發展帶來的數字化設計

復合建模技術就是包含了線框模型，曲面模型和實體模型，不能很好的運用參數化模型，這就引起了很大的不便，所以在參數化模型的基礎上發展出來了變量化模型，其帶動了CAD技術的集成發展。變量化模型有著從特征出發，全尺寸約束，所有的數據都互相關聯，尺寸驅動設計修改的強大應用便利。這項數字化技術在機械設計中占有重要的地位。

（六）數字化技術中的數字原型和虛擬現實

虛擬原型：使用一系列的計算機圖像或者二維三維的CAD圖像來表示，并且表現形式用數字模型，用聯動的圖案或者靜圖用數字化的技術放在計算機中。在設計完成以后就可以用三維的CAD圖像來向人們展示所設計出的機械樣式，無論是尺寸還是質量，運行狀態，運行效果，還可以輸入數據來對設計出的機械進行測試，分析。這大大減少了后期可能出現的問題，為設計人員減少了工作量，為企業提高了效率，這就是一個整機的動態演示，虛擬的機械，虛擬的運行過程，虛擬的事故狀態。對設計開發的周期來說大大減少，對于做設計產品可能產生的故障提前改進或者采取措施，對于產品的性能潛力進行充分挖掘，對于產品的質量優良巨大的提升，對于設計的產品進入市場也有了充分的預案。虛擬技術的研究范圍主要在機械系統運動學和動力學進行檢測分析，與虛擬設計相關的虛擬樣機可以研究的還有CAD的幾何建模，FEA的結構分析、建模來進行驅動分析、還有具體的模型分析、機械控制系統的設計、各種方面的最優化。這項數字化技術的實現還要依靠其他的技術，要結合其他的大型分析軟件，通過數據接口來完成他們之間的合作。

四、器械設計數字化技術的發展趨勢

先進科技的制造技術發展方向就是高精尖，虛擬性強，智能化，簡便化，數字化的設計也是要靠攏這個方向，其中有很多的技術就在進一步完善中。

（1）單獨的單項技術更加完善，更加智能化。現在的曲面建模技術，實體建模技術，大型的組件設計技術都在慢慢完善。

（2）CAD的各種技術將慢慢向封裝，接口和集成技術發展。

（3）數字化設計技術與虛擬制造技術的融合。隨著數字化技術的發展，虛擬的不只是設計，還有虛擬的生產，虛擬的成品，虛擬的企業，還有虛擬的使用，虛擬的運行。這就是一個完整的周期，在虛擬技術上把握好了進行實際的流程就會減少很多麻煩。

（4）數字化設計的大網絡協同合作。信息化技術的發達可以使得不同的人們合作進行一項機械的數字化設計，這將會把整個流程更加縮短，加強企業的效率。

我國是世界的制造大國，而數字化的設計過程將會是我國進入智造大國中，促進企業的規模化，大大降低企業的成本，提高企業的效率。這在經濟全球化中競爭日益激烈，個性化的消費越來越多，追求生產產品的效率化的今天有著非同凡響的影響，我們必須加強企業的數字化設計技術的手段。

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