機械設(shè)計制造的數(shù)字化與智能化發(fā)展趨勢和前景探析

林振平

（惠東縣技工學校，廣東 惠東 516300）

在經(jīng)濟快速發(fā)展的時代，我國的傳統(tǒng)制造行業(yè)必然迎來一次新的技術(shù)革命和研發(fā)創(chuàng)新。特別是“中國制造2025”等戰(zhàn)略出現(xiàn)之后，傳統(tǒng)機械設(shè)計制造行業(yè)也將面臨轉(zhuǎn)型和升級，將機械設(shè)計制造推向智能化、數(shù)字化是今后社會發(fā)展的必然趨勢。因此，智能設(shè)計的理論、方法和技術(shù)研究工作非常關(guān)鍵，這也是今后企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品獲得發(fā)展空間的關(guān)鍵點。

1.機械設(shè)計制造的設(shè)計方法與設(shè)計內(nèi)容

1.1 數(shù)字化的核心特色

計算機技術(shù)的快速發(fā)展使得數(shù)字化對現(xiàn)代社會的發(fā)展起到了關(guān)鍵的支持作用，在機械設(shè)計層面可以通過數(shù)字化技術(shù)進行支持和幫助，在展開設(shè)計工作之前也可以先進行設(shè)計建模，借助計算機技術(shù)來進行內(nèi)容模擬，保障設(shè)計質(zhì)量。未來的機械設(shè)計制造工作將變得更加復雜，智能化必然會成為迫切要求。例如自動化技術(shù)的深度應用之后，機械設(shè)備的制動化程度將對設(shè)計進程產(chǎn)生更加顯著的影響，設(shè)計人員也能利用智能技術(shù)展開體系設(shè)計。

1.2 有限元與最優(yōu)化設(shè)計

有限元設(shè)計在很多范圍內(nèi)都得到了廣泛應用，在機械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)部，有限元設(shè)計也可以采取結(jié)構(gòu)離散方法將有限數(shù)量單元進行規(guī)劃，通過處理之后，在計算階段利用近似思想將問題解決的難度控制在一個標準的合理化范圍之內(nèi)。這種技術(shù)措施在目前的使用環(huán)節(jié)效果突出，可以將過程工作量和實際需求進行聯(lián)動。

而最優(yōu)化設(shè)計雖然產(chǎn)生時間比較晚，但可以充分利用工作模型確定工作方向，使得整個階段的工作內(nèi)容與工作難度下降。傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造方法多針對設(shè)計對象進行綜合研究，然而未來的系統(tǒng)工程學理念應用后，可以將機械設(shè)計制造過程視作是一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，以系統(tǒng)作為研究對象之后，就可以將系統(tǒng)的各個部分進行關(guān)聯(lián)性分析，因此具有良好的發(fā)展前景。機械設(shè)計制造發(fā)展的最終方向是最優(yōu)化和市場化，在設(shè)計之初就應確定最優(yōu)的產(chǎn)品設(shè)計模式，讓設(shè)計成果比市場內(nèi)的同類型產(chǎn)品更加具有競爭力，滿足市場發(fā)展要求，從而創(chuàng)造出更加穩(wěn)定的社會效益、經(jīng)濟效益，為現(xiàn)代機械設(shè)計制造行業(yè)的深層次推進提供支持。

2.機械設(shè)計制造的發(fā)展趨勢

2.1 并行化工作模式

并行化工作模式的出現(xiàn)原因在于工業(yè)化水平的穩(wěn)步提高，機械產(chǎn)品無論是在外觀還是在性能上都有著新的要求。因為機械設(shè)計制造工作所需要完成的內(nèi)容難度差異較大，很多比較繁瑣的工作需要大量的人員支持，很多情況下我們需要竭力避免多人在同一空間內(nèi)部進行工作的情況。特別是計算機網(wǎng)絡(luò)的高度發(fā)達，在網(wǎng)絡(luò)層面進行的資源信息共享機制更加完善，不僅能讓傳統(tǒng)的信息傳遞方式不受時間和空間的束縛，讓不同位面空間的設(shè)計者們共同完成工作，還可以實現(xiàn)資源的共享和并行化，工作效率得到穩(wěn)定提高。總而言之，自動化和并行化工作模式的應用讓對應的機械自動化程度水準增加，機械設(shè)計工作人員也會考慮到整個大局設(shè)計的細節(jié)要求，制定出智能化和全面化的設(shè)計體系，然后逐一研究子系統(tǒng)要求。在必要時機械設(shè)計制造的工作人員也應該將更多的時間和精力放在開發(fā)創(chuàng)造方面，特別是在技術(shù)層面的發(fā)展和創(chuàng)新。因為這一領(lǐng)域內(nèi)部本身具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ赞r(nóng)業(yè)為例，農(nóng)業(yè)數(shù)控技術(shù)的并行化工作模式能夠借助智能CAD 完成參數(shù)設(shè)計，不同空間內(nèi)部的工作人員可以圍繞裝配模型的要求來設(shè)計智能框架，以實例分析和參數(shù)設(shè)計的結(jié)果來保障農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2 復雜機械產(chǎn)品的分解設(shè)計

很多機械產(chǎn)品本身由零部件所組成，其功能結(jié)構(gòu)具有可分解性和模塊性。將整個生產(chǎn)過程看作是標準化和系列化的單元模塊之后，就能夠支持復雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)重組。同一層次上也具備相同功能的部件，部分部件下還包含著子部件，零件數(shù)據(jù)多樣化。在建立過程當中還會涉及到對于零部件和機械產(chǎn)品的屬性知識描述[1]。如數(shù)控車床生產(chǎn)環(huán)節(jié)，涉及的功能參數(shù)就較多，包括定位精度、重復定位精度、換刀時間、結(jié)構(gòu)屬性等，這些涵蓋著生產(chǎn)的全過程，而車床的主軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等也包含了產(chǎn)品智能化生產(chǎn)過程的實例信息、操作流程、模塊化功能描述，負責對整個生產(chǎn)流程進行管控。

2.3 云制造技術(shù)

工程機械是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要組成部分，而“云計算”理念提出之后，利用軟件技術(shù)對機械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)部進行改革，促進電子信息和傳統(tǒng)制造業(yè)的深度融合，能夠出現(xiàn)新時期的數(shù)字化、智能化概念，即云制造技術(shù)。云制造技術(shù)的核心在于將智能化的數(shù)字手段應用在傳統(tǒng)制造業(yè)內(nèi)部，讓制造業(yè)在提供產(chǎn)品的同時以更加低成本的方式提供比較高附加值的產(chǎn)品服務[2]。這種制造模式可以根據(jù)不同用戶提出的要求來實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的資源配置和全配套服務工作。

整個云制造體系結(jié)構(gòu)可以被劃分為資源層、支撐層和服務層。

資源層負責將現(xiàn)有的機械設(shè)計制造資源進行整合，而支撐層負責將資源展開“云化”處理，定位用戶的需求和解決方案，將其全部展示在平臺之上完成監(jiān)控管理工作。而服務層則主要面向產(chǎn)品的生產(chǎn)者和使用者，其中使用者可以通過平臺說明自己對于產(chǎn)品設(shè)計的具體要求，例如制造參數(shù)、產(chǎn)品功能能、產(chǎn)品定位等，生產(chǎn)方通過平臺獲取這些信息之后，就能夠按照需求為使用方提供相應的設(shè)計服務。整體來看，云制造技術(shù)實現(xiàn)了資源內(nèi)部的行業(yè)共享機制，最大程度地利用了現(xiàn)有的資源完成了配置和服務優(yōu)化，且整個產(chǎn)品的生命周期從提出需求開始直到最后的投入應用都實現(xiàn)了整合，打造了全新的開放服務模式。我國的機械設(shè)計制造行業(yè)已經(jīng)從生產(chǎn)型朝著服務型的方向轉(zhuǎn)變，分散的設(shè)計制造資源在系統(tǒng)化的管理之后也能實現(xiàn)資源共享，大幅度地提升了管理工作的效率。

2.4 CBR

CBR 的全稱為Case Based Reasoning，即基于實例推理，按照已有的知識結(jié)構(gòu)展開推理和設(shè)計過程，在現(xiàn)代人工智能領(lǐng)域得到了廣泛應用。在明確機械設(shè)計制造的設(shè)計要求之后，可以先從案例庫內(nèi)部尋找相似的問題解決方案，然后根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品需求展開內(nèi)容的調(diào)整和改進，重新確定最佳的設(shè)計模式[3]。CBR 在國外的應用比較廣泛，無論是建筑、電氣還是其他領(lǐng)域內(nèi)都實現(xiàn)了深度應用。而我國的CBR 的應用實踐周期相對比較晚。實際上模塊設(shè)計和CBR 在設(shè)計思想上存在著一定的共同點，在進行研究時可以通過模塊設(shè)計的某些內(nèi)容進行參考和借鑒[4]。例如兩者都使用了過去的實例經(jīng)驗來解決新的問題，且檢索信息對應的系統(tǒng)都具備著更新的功能，在某一個新的問題解決之后，可以將解決時獲取的經(jīng)驗信息存儲在實例庫當中，一方面保留了原有的設(shè)計經(jīng)驗，另一方面擴充了系統(tǒng)知識的深度和廣度。參數(shù)化的模塊可以根據(jù)需求實現(xiàn)模塊的實例化，機械設(shè)計制造的工作人員可以設(shè)計出不同的功能模塊，以模塊的排列組合構(gòu)成不同功能的產(chǎn)品，滿足市場環(huán)境內(nèi)的不同需求[5]。

2.5 云平臺

云平臺來源于前文提到的云制造技術(shù)，機械設(shè)計制造和關(guān)鍵零部件的云平臺設(shè)計可以借助先進的智能化、數(shù)字化理論打造出更加效率的設(shè)計平臺，一方面縮短產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)周期，另一方面保障設(shè)計效率。工程機械和零部件云平臺設(shè)計的核心內(nèi)容在于智能化，設(shè)計人員獲取需求后可以采用系統(tǒng)展開智能匹配，完成內(nèi)容的仿真模擬和測試工作，通過層次分析的方式確定基本的工作流程[6]。整個制造狀態(tài)之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 整個制造狀態(tài)之間的關(guān)系

具體來看，在確定不同的特征項參數(shù)之后，利用德爾菲法可以獲取專家對于不同類型參數(shù)的重要程度數(shù)據(jù)，以矩陣判斷權(quán)重是否滿足工作要求，完成參數(shù)化的建模設(shè)計。在當前的云平臺內(nèi)部，參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)方法可以通過程序參數(shù)化和變量幾何法兩種方式進行，前者借助某些三維軟件二次開發(fā)工具進行編程獲取結(jié)果，例如確定某些機械零件尺寸之間的約束關(guān)系并獲取設(shè)計模型，實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)建模過程的程序化；而后者則根據(jù)幾何約束代數(shù)方法將幾何約束視為不同的特征點，以特征點坐標為基礎(chǔ)獲取線性數(shù)據(jù)，滿足更大范圍內(nèi)的約束類型計算要求[7]。系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)計算相似程度給出匹配結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可以按照產(chǎn)品的需求對匹配的案例信息和參數(shù)信息進行查閱和篩選，最終將確定后的內(nèi)容添加至案例庫當中，借助云平臺完成輔助設(shè)計流程[8-20]。

3.結(jié)語

在工業(yè)改革發(fā)展的時代，機械設(shè)計制造需要深化數(shù)字化和智能化的發(fā)展進程，將人工智能、云計算等技術(shù)應用至機械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)部，完成生產(chǎn)過程的規(guī)劃和設(shè)計，一方面實現(xiàn)設(shè)計制造環(huán)節(jié)的集成化和精確化，另一方面可以提升勞動效率減少勞動強度。在市場需求不斷擴大的時代背景下，機械設(shè)計制造也應該具備更加完善的功能以及對復雜環(huán)境的適應能力。