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)計更多地依賴于機(jī)械設(shè)計師個人的知識、經(jīng)驗和技能。而在大數(shù)據(jù)時代，機(jī)械設(shè)計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)計的速度和提高設(shè)計的質(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；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

1.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（Expert System）實際上是一個計算機(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

生成性設(shè)計模仿了自然進(jìn)化的設(shè)計方法。設(shè)計師或工程師將設(shè)計目標(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)計具有三大優(yōu)點：（1）探索更廣泛的設(shè)計方案。在你能想出一個點子的時間里，一臺電腦就能產(chǎn)生上千個點子，同時還能產(chǎn)生數(shù)據(jù)來證明哪種設(shè)計效果最好。（2）使不可能的設(shè)計成為可能。生成式設(shè)計允許您創(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)計選項。該軟件解決了相互沖突的設(shè)計約束，因此設(shè)計師可以專注于創(chuàng)新。實際上，生成式設(shè)計目前已取得很大發(fā)展。據(jù)外國媒體稱，設(shè)計軟件公司Autodesk與美國宇航局合作，利用人工智能設(shè)計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

2.1模塊劃分

模塊劃分是模塊化設(shè)計的基礎(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)重點不同選取相關(guān)的模塊劃分原則，從而保證設(shè)計的有效性。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，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)計參數(shù)滿足應(yīng)用的要求。③設(shè)計模塊產(chǎn)品模型。模型的建立是產(chǎn)品設(shè)計中最關(guān)鍵的一步，主要是通過合理設(shè)計產(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)計方法

功能分解設(shè)計方法是另外一種設(shè)計模塊化產(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)計模塊化機(jī)械產(chǎn)品。

2.4快速設(shè)計

為了快速迎合市場的需求，快速設(shè)計這種新的設(shè)計理念開始出現(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)計的開發(fā)周期。和計算機(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)計好，然后根據(jù)客戶需求進(jìn)行組合連接，可以實現(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)計內(nèi)容多還停留在計算機(jī)輔助設(shè)計和制造的基礎(chǔ)階段，還達(dá)不到智能化設(shè)計的要求。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)計朝著快速設(shè)計的方向發(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

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體產(chǎn)品在整個生命周期的各種實際數(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，以表示其接近實時的狀態(tài)、工作條件或位置?；跀?shù)字孿生（Digital twin）驅(qū)動的機(jī)械設(shè)計不但能夠進(jìn)行概念設(shè)計，也能夠進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和虛擬驗證，將極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。

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

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)計時，設(shè)計師必須充分考慮“面向制造的機(jī)械設(shè)計”和“面向裝配的機(jī)械設(shè)計”，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)計帶來一定的變化，設(shè)計師在設(shè)計時可以不考慮舊的設(shè)計規(guī)則。當(dāng)然設(shè)計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)計師移動辦公的可能性將大大提高。未來機(jī)械設(shè)計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。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)計發(fā)展趨勢的論述。

參考文獻(xiàn)

[1]李懷華，于小晴.機(jī)械設(shè)計與機(jī)械制造的技術(shù)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（03）：47.

[2]呂正東.機(jī)械設(shè)計制造及其自動化的設(shè)計原則及發(fā)展趨勢[J].建材與裝飾，2017（49）：169.

[3]朱忠廣.探討機(jī)械設(shè)計及其自動化的發(fā)展與趨勢[J].信息記錄材料，2017，18（12）：16-17.

[4]郭少華，姜雪松.機(jī)械設(shè)計技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（20）：28.

（作者單位：無錫市慶源激光科技有限公司）