淺析大數(shù)據(jù)時代的機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

王磊

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)的日漸成熟，各行各業(yè)都能從新技術(shù)的應(yīng)用中獲益。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)更多地依賴于機(jī)械設(shè)計(jì)師個人的知識、經(jīng)驗(yàn)和技能。而在大數(shù)據(jù)時代，機(jī)械設(shè)計(jì)師可以逐漸利用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等高新技術(shù)加快設(shè)計(jì)的速度和提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，更好地滿足日益激烈的市場競爭需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1與人工智能結(jié)合發(fā)展的機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（Expert System）實(shí)際上是一個計(jì)算機(jī)程序，是現(xiàn)在人工智能的一個主要應(yīng)用。專家系統(tǒng)也被稱為“基于知識的系統(tǒng)”，它是人類專家的智能助手，或者是無法接觸專家的人的資源。專家系統(tǒng)使用推理從存儲的信息中得出結(jié)論。這種人工智能應(yīng)用的目的不是取代我們的人類專家，而是讓他們的知識和經(jīng)驗(yàn)更廣泛地得到應(yīng)用。專家系統(tǒng)由知識庫、推理機(jī)和用戶界面三部分組成。知識庫在一個非常狹窄的領(lǐng)域中包含聲明性（事實(shí)性）和程序性（使用規(guī)則）知識。推理引擎通過確定要訪問哪些過程性知識以獲得適當(dāng)?shù)穆暶餍灾R來運(yùn)行系統(tǒng)，然后得出結(jié)論并決定何時找到適用的解決方案。利用專家系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)勢，比如一致性、可用性、不知疲倦等特性。

1.2生成式機(jī)械設(shè)計(jì)

生成性設(shè)計(jì)模仿了自然進(jìn)化的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)師或工程師將設(shè)計(jì)目標(biāo)連同材料、制造方法和成本約束等參數(shù)輸入生成設(shè)計(jì)軟件。與拓?fù)鋬?yōu)化有區(qū)別的是，該軟件探求處理方案的所有可能性，快速生成設(shè)計(jì)備選方案。它測試并從每次迭代中學(xué)習(xí)什么可行，什么不可行。生成式機(jī)械設(shè)計(jì)具有三大優(yōu)點(diǎn)：（1）探索更廣泛的設(shè)計(jì)方案。在你能想出一個點(diǎn)子的時間里，一臺電腦就能產(chǎn)生上千個點(diǎn)子，同時還能產(chǎn)生數(shù)據(jù)來證明哪種設(shè)計(jì)效果最好。（2）使不可能的設(shè)計(jì)成為可能。生成式設(shè)計(jì)允許您創(chuàng)建優(yōu)化的復(fù)雜形狀和內(nèi)部網(wǎng)格。其中有些形式是傳統(tǒng)制造方法無法做到的，然而，采用3D打印制造方法可以輕易實(shí)現(xiàn)。（3）優(yōu)化材料和制造方法。設(shè)置目標(biāo)和參數(shù)，生成式軟件將根據(jù)這些約束創(chuàng)建高性能的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。該軟件解決了相互沖突的設(shè)計(jì)約束，因此設(shè)計(jì)師可以專注于創(chuàng)新。實(shí)際上，生成式設(shè)計(jì)目前已取得很大發(fā)展。據(jù)外國媒體稱，設(shè)計(jì)軟件公司Autodesk與美國宇航局合作，利用人工智能設(shè)計(jì)了用于太空探索的衛(wèi)星航天器，并取得了超越預(yù)期的效果。

2基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1模塊劃分

模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，劃分時應(yīng)盡量利用少的模塊組成功能更完善的機(jī)械產(chǎn)品，并滿足機(jī)械產(chǎn)品的精度要求、可靠性要求等內(nèi)容。現(xiàn)階段，模塊化劃分主要根據(jù)功能模塊劃分，基于結(jié)構(gòu)模型的模塊劃分等幾個原則。在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)綜合考慮模塊劃分原則的通用性、可操作執(zhí)行性、模塊繼承性以及生命周期性等多個評價指標(biāo)，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同選取相關(guān)的模塊劃分原則，從而保證設(shè)計(jì)的有效性。針對于復(fù)雜的情況，模塊劃分也可采取不同的劃分原則進(jìn)行結(jié)合。

2.2基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)方法

①機(jī)械結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品的性能起到了至關(guān)重要的作用，通過分析結(jié)構(gòu)特征的方法對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一步先要對零部件的特征進(jìn)行分析，對零件進(jìn)行歸類劃分，通過分析各類零件的功能，在保證機(jī)械功能不變的基礎(chǔ)上用盡可能少的零件完成產(chǎn)品，盡可能的減少加工中心步驟，減少困難工藝所占的比例，但又盡可能的不影響產(chǎn)品質(zhì)量。然后根據(jù)幾何形狀找到相似的零件族，然后基于零件功能要求和幾何約束要求，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊，為模塊化產(chǎn)品能夠適用于各類機(jī)械產(chǎn)品提供基礎(chǔ)，為模塊化產(chǎn)品接下來的設(shè)計(jì)內(nèi)容提供約束和方案。②根據(jù)國家和行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在不影響該模塊功能的前提下，更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)滿足應(yīng)用的要求。③設(shè)計(jì)模塊產(chǎn)品模型。模型的建立是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一步，主要是通過合理設(shè)計(jì)產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品間關(guān)聯(lián)關(guān)系從而達(dá)到目的。在以后的修改中，可根據(jù)各個尺寸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在基本模塊中輸入某一組數(shù)值即可得到模塊的改進(jìn)版本。

2.3側(cè)重功能分解的設(shè)計(jì)方法

功能分解設(shè)計(jì)方法是另外一種設(shè)計(jì)模塊化產(chǎn)品的重要方法，主要包括顧客需求分析，產(chǎn)品要求分析，產(chǎn)品概念分解，概念集成以及方案評估等幾個方面的內(nèi)容。模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)是服務(wù)于用戶的，以顧客為中心完成的，分析時根據(jù)與顧客溝通，結(jié)合全球貿(mào)易環(huán)境和行業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)模塊化機(jī)械產(chǎn)品。

2.4快速設(shè)計(jì)

為了快速迎合市場的需求，快速設(shè)計(jì)這種新的設(shè)計(jì)理念開始出現(xiàn)，使用這種理念的目的在于保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，大大減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。和計(jì)算機(jī)集成、并行工程、敏捷工程和精良工程相比，這種方式的優(yōu)越性在于，將各個功能模塊可以提前設(shè)計(jì)好，然后根據(jù)客戶需求進(jìn)行組合連接，可以實(shí)現(xiàn)快速投入生產(chǎn)。目前國內(nèi)的機(jī)械產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)模式起步較晚，生產(chǎn)水平和其他發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距，而且，我國的模塊化設(shè)計(jì)內(nèi)容多還停留在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)階段，還達(dá)不到智能化設(shè)計(jì)的要求。除此之外，從機(jī)械產(chǎn)品更新速度和要求來看，模塊化設(shè)計(jì)朝著快速設(shè)計(jì)的方向發(fā)展是必然趨勢。

3基于數(shù)字孿生（DigitalTwin）應(yīng)用發(fā)展的機(jī)械設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生指的是集成了各種用途的物理資產(chǎn)（物理孿生）、流程、人員、位置、系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)字副本。利用產(chǎn)品模型、傳感器等，它可以正確地映射實(shí)體產(chǎn)品在整個生命周期的各種實(shí)際數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和軟件分析與空間網(wǎng)絡(luò)圖相結(jié)合，創(chuàng)建實(shí)時的數(shù)字仿真模型，隨著物理模型的變化而不斷更新和變化。數(shù)字孿生體不斷地從多個來源學(xué)習(xí)和更新自己，以表示其接近實(shí)時的狀態(tài)、工作條件或位置。基于數(shù)字孿生（Digital twin）驅(qū)動的機(jī)械設(shè)計(jì)不但能夠進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，也能夠進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證，將極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

4基于增材制造（AdditiveManufacturing）技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械制造多采用的是去除材料的加工方法，一個復(fù)雜零件的生產(chǎn)，需要由多種不同的機(jī)床完成，固定資產(chǎn)投入大，制造成本高。而且，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)師必須充分考慮“面向制造的機(jī)械設(shè)計(jì)”和“面向裝配的機(jī)械設(shè)計(jì)”，否則，最終的成品極有可能成為廢品。增材制造（AM），是一種通過連續(xù)添加層來生產(chǎn)零件的過程，這與傳統(tǒng)的減法制造相反。增材制造工藝的實(shí)施方式多種多樣，其中3D打印是一種越來越受歡迎的方法。另一種方法包括熔化連續(xù)的材料層來制造產(chǎn)品。增材制造的主要好處是它可以在不浪費(fèi)多余材料的情況下制造出幾何形狀復(fù)雜的物體。這個過程的另一個好處是它不需要很多工具，而且是一個成本較低的制造過程。 以往的能實(shí)現(xiàn)某一功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能由幾百個零件組成，而基于3D打印技術(shù)的零件數(shù)量可以只需要幾個。以2015年NASA工程師向公眾展示的3d打印火箭燃料噴射器為例，這種傳統(tǒng)方法制作的噴射器一般由200多個部件組成，而3D打印的噴射器只有兩個部件。這種改變也給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來一定的變化，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時可以不考慮舊的設(shè)計(jì)規(guī)則。當(dāng)然設(shè)計(jì)時選擇最好的材料和工藝，這一原則也適用于AM，是必須在設(shè)計(jì)的早期階段考慮的。近年來，隨著國際上對增材制造的廣泛關(guān)注和大量投入，增材制造技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。

結(jié)束語

在大數(shù)據(jù)時代，機(jī)械設(shè)計(jì)將變得更加智能化、模塊化，機(jī)械產(chǎn)品將更加輕量化、綠色化，機(jī)械設(shè)計(jì)師移動辦公的可能性將大大提高。未來機(jī)械設(shè)計(jì)師可以不必端坐在電腦前，打開專業(yè)的三維建模軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。綜上所述，以上內(nèi)容就是對大數(shù)據(jù)時代的機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢的論述。

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（作者單位：無錫市慶源激光科技有限公司）