林振平

（惠東縣技工學(xué)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)理念應(yīng)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(yīng)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?？偠灾詣踊筒⑿谢ぷ髂Ｊ降膽?yīng)用讓對應(yīng)的機械自動化程度水準(zhǔn)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(xì)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(yīng)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?。以農(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(fù)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(biāo)準(zhǔn)化和系列化的單元模塊之后，就能夠支持復(fù)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(dāng)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(fù)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(fù)責(zé)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(yīng)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(wù)[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(wù)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(wù)層。

資源層負(fù)責(zé)將現(xiàn)有的機械設(shè)計制造資源進行整合，而支撐層負(fù)責(zé)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(wù)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(yīng)的設(shè)計服務(wù)。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(wù)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(yīng)用都實現(xiàn)了整合，打造了全新的開放服務(wù)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(wù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。而我國的CBR 的應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(yīng)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(yīng)該具備更加完善的功能以及對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。