王靈珠

（湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

在“中國制造2025”背景下，機械制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，促使機械制造企業(yè)發(fā)展速度加快，并在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟。機械設(shè)計為機械制造中最重要的環(huán)節(jié)，機械制造設(shè)計質(zhì)量對機械制造高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生直觀影響，為提高機械制造設(shè)計質(zhì)量，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)機械設(shè)計方法，可采用計算機輔助設(shè)計，即CAD 設(shè)計。計算機輔助機械設(shè)計可提升機械設(shè)計的工作效率，對降低機械設(shè)計難度、減輕設(shè)計人員的工作壓力有積極影響。相較于傳統(tǒng)手繪設(shè)計，計算機輔助機械設(shè)計可實現(xiàn)大量設(shè)計參數(shù)的保存與計算，為機械制造提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時，利用計算機輔助機械設(shè)計，能完成機械零件的多樣化處理，避免出現(xiàn)設(shè)計誤差及影響機械制造零部件的精準(zhǔn)性，從而提高機械制造的質(zhì)量。因此，在“中國制造2025”中應(yīng)積極運用計算機技術(shù)，不斷加強對計算機輔助機械設(shè)計的研究力度，深化計算機輔助，確保機械設(shè)計與實際需求相符合，進而提高機械制造企業(yè)的市場競爭力，并對機械制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 機械設(shè)計技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)形式的機械設(shè)計技術(shù)十分單一，僅僅通過人工手繪的方式來完成。在此情況下，機械設(shè)計技術(shù)就難免存在著諸多缺陷，如設(shè)計周期長、各機構(gòu)協(xié)調(diào)性差等，進而影響到機械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械制造領(lǐng)域也開始不斷進行新的機械設(shè)計技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。尤其是在計算機技術(shù)以及相關(guān)制圖設(shè)備、軟件等的輔助作用下，機械設(shè)計技術(shù)更是實現(xiàn)了突飛猛進的發(fā)展[1]。

2 機械設(shè)計技術(shù)在機械制造中的具體應(yīng)用分析

在當(dāng)今的機械制造領(lǐng)域中，機械設(shè)計技術(shù)均借助于相應(yīng)的計算機輔助設(shè)計軟件來實現(xiàn)，從而促進設(shè)計效率與精準(zhǔn)度的顯著提升。目前，應(yīng)用到機械設(shè)計中的技術(shù)主要包括4 個方面：一是二維圖樣設(shè)計技術(shù)；二是三維建模設(shè)計技術(shù)；三是二次開發(fā)設(shè)計技術(shù)；四是逆向工程設(shè)計技術(shù)。以下對這4 種機械設(shè)計技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用進行分析。

2.1 二維圖樣設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

機械設(shè)計涉及內(nèi)容較多，需進行圖樣設(shè)計，因此二維圖樣設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。而在該設(shè)計技術(shù)的具體應(yīng)用中，AutoCAD 是其常用設(shè)計軟件，其主要功能包括：文本設(shè)定、標(biāo)注、中心線與圓心標(biāo)記、表格、修訂云、視圖、布局、字段、數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)提取、動態(tài)塊、陣列和參數(shù)化約束。該軟件的交互界面所具備的功能較為全面，對設(shè)計人員的操作技術(shù)要求不高，可在多種文檔形式的設(shè)計環(huán)境中廣泛應(yīng)用。因此，要重視二維圖樣設(shè)計技術(shù)的優(yōu)化，并以此提升機械圖樣設(shè)計的質(zhì)量，為機械零件的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

在機械設(shè)計中，二維圖樣的繪制所涉及的關(guān)鍵要素較多，且重復(fù)性較高。以表示零件表面粗糙度的符號、表示零件質(zhì)量的符號為例，其在機械設(shè)計中大量存在。機械設(shè)計人員在利用AutoCAD 軟件繪制圖樣時，設(shè)計人員為了提升工作效率，應(yīng)將常用符號、常用零件的圖形進行規(guī)范化設(shè)計，以通用符號為準(zhǔn)，保證二維圖樣設(shè)計的準(zhǔn)確性。在對二維圖樣進行實際繪制的過程中，如果需要進行圖形和符號的重復(fù)應(yīng)用，設(shè)計人員可借助AutoCAD 軟件對其中的相應(yīng)圖塊直接進行調(diào)用，不需要重新進行繪制，直接插入圖紙中即可。在將相應(yīng)的圖塊插入到圖紙的過程中，設(shè)計人員也可以按照實際的設(shè)計要求來進行圖塊的合理調(diào)整，這樣就提升了二維圖樣繪制中的便捷性，提高其繪制效率。

通過AutoCAD 軟件設(shè)計機械二維圖樣，既能實現(xiàn)對機械圖樣設(shè)計工作可靠性的高效判斷，又能確保機械零件型號滿足機械實際所需。設(shè)計人員需要不斷完善模型，從而實現(xiàn)對機械零件的完美繪制與制造，且機械零件需要進行承載試驗，以確保其質(zhì)量[2]。通過此方式，可有效確保機械設(shè)計的可靠性。另外，借助于AutoCAD 軟件中所具備的網(wǎng)絡(luò)功能，設(shè)計人員也可以對機械零件的設(shè)計數(shù)據(jù)進行共享，以此來加強設(shè)計與制造部門的協(xié)調(diào)溝通，從而提升機械設(shè)計效果，優(yōu)化部門與部門之間的溝通，并保障了機械制造的質(zhì)量性。

2.2 三維建模設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

目前，機械制造領(lǐng)域正在不斷發(fā)展，在此情況下，市場對于產(chǎn)品設(shè)計也有了高質(zhì)量與精細化等要求。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，滿足市場需求，機械產(chǎn)品也開始逐漸朝著更加復(fù)雜、精細的方向發(fā)展。在此過程中，如果僅僅采用二維圖樣設(shè)計技術(shù)來進行機械零件的設(shè)計，那么機械設(shè)計與制造方面的實際需求也就難以得到有效滿足。基于此，三維建模機械設(shè)計技術(shù)便開始在機械制造領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。使用該技術(shù)進行機械設(shè)計的過程中，通常不能通過一次性的設(shè)計來達到機械設(shè)計與制造的實際要求，因此，其三維模型需要通過設(shè)計、仿真以及再設(shè)計3 個階段來進行構(gòu)建，這樣才能有效地確保機械設(shè)計的可靠性，為后續(xù)的機械制造奠定良好基礎(chǔ)。

在對機械零件進行三維建模設(shè)計的過程中，計算機輔助技術(shù)被廣泛運用，以CAD 建模、CAE 仿真為常用技術(shù)。在設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)實際情況與設(shè)計需求進行機械零件的建模設(shè)計，且需要對機械零件進行虛擬裝配，以保障實現(xiàn)機械零件的組裝，確保零件的精準(zhǔn)度，保證機械質(zhì)量。這樣才能有效保障機械產(chǎn)品的科學(xué)、合理設(shè)計，并確保其實用性。

CAD 具有三維建模功能，且種類豐富，可在機械零件建模設(shè)計中廣泛運用，筆者根據(jù)實際情況，結(jié)合實際需求選擇相應(yīng)的模型類型。圖1 為通過AutoCAD 軟件進行機械零件三維模型構(gòu)建圖。從左到右分別是三維線框模型、三維實體模型、三維曲面模型以及三維網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 機械零件三維模型構(gòu)建圖

其中，三維線框模型主要在初始化設(shè)計迭代中使用，它具備較好的透視性效果，可用作幾何參照圖形，進而為后續(xù)的模型構(gòu)建與修改提供幫助。三維實體模型的主要功能是對機械設(shè)計產(chǎn)品中的實際情況進行展示，它的效用非常高，可在實際的機械零件設(shè)計中達到良好的輪廓拉伸以及圖元合并效果。此外，通過該模型，還可以對機械零件中的截面及相應(yīng)的質(zhì)量特征加以直觀展示[3]。三維曲面模型的主要功能是幫助設(shè)計人員對機械零件的曲面設(shè)計進行全面分析，并對其進行精準(zhǔn)控制。三維網(wǎng)絡(luò)模型的主要功能是對機械零件進行多樣化處理，（即自由雕刻、銳化以及平滑處理）。該模型可有效滿足機械零件設(shè)計中的需求，保障機械零件的質(zhì)量。另外，借助于CAD 軟件，可將二維圖形轉(zhuǎn)化為三維模型，進一步滿足機械零件的實際設(shè)計需求，對機械零件的生產(chǎn)有積極意義。

CAE 仿真技術(shù)能夠?qū)C械零件模型進行虛擬裝配，設(shè)計人員可從機械零件虛擬裝配的整個環(huán)節(jié)直觀地了解情況，明確各個機械零件間的關(guān)系，并以此為依據(jù)進一步完善機械設(shè)計，通過該方式可進一步確保機械制造領(lǐng)域中的設(shè)計效果與設(shè)計質(zhì)量。在此過程中，為進一步確保機械設(shè)計效果與質(zhì)量，技術(shù)人員需確保建模及仿真過程中的計算機輔助效果，以此來滿足實際的機械零件設(shè)計與制造需求。

2.3 二次開發(fā)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

隨著機械制造行業(yè)的發(fā)展與進步，各種機械產(chǎn)品的功能也需要不斷優(yōu)化，這樣才能滿足實際應(yīng)用與發(fā)展需求。在此過程中，為實現(xiàn)機械產(chǎn)品功能的進一步優(yōu)化，在滿足實際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)機械零件設(shè)計成本和生產(chǎn)成本縮減，需對機械零件進行二次開發(fā)，即在機械零件原有的機械設(shè)計上做出相應(yīng)的定制化修改，以此來改進和優(yōu)化其原有的功能，并實現(xiàn)設(shè)計時間與設(shè)計成本良好節(jié)約的一種機械設(shè)計方法。一般情況下，在對機械產(chǎn)品進行二次開發(fā)設(shè)計的過程中，并不會對其原有的作用、功能等內(nèi)核造成改變，僅是在原有的基礎(chǔ)上使其得到進一步的優(yōu)化。

目前，在機械制造領(lǐng)域，計算機輔助形式的設(shè)計技術(shù)是最為關(guān)鍵和常用的設(shè)計技術(shù)，同時也是機械零件二次開發(fā)設(shè)計過程中最為主要的設(shè)計技術(shù)。在具體的二次改造設(shè)計中，常用VAB 及AttoLISP等軟件，此類軟件具有共同的特性，即操作簡單便捷，各種數(shù)據(jù)信息保存完整快速（圖紙及數(shù)據(jù)等），對提升機械零件設(shè)計成效有積極作用。因此，上述軟件被廣泛運用在機械零件的二次開發(fā)中，大大提升了機械零件的設(shè)計效率。使用該類軟件對機械零件進行二次開發(fā)設(shè)計時，應(yīng)全面了解機械零件的設(shè)計需求，不同的設(shè)計需求，其所需要的計算機輔助系統(tǒng)功能也不盡相同，應(yīng)在了解設(shè)計需求的基礎(chǔ)上選擇合適的計算機輔助系統(tǒng)功能。特別是在CAE仿真系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，更是存在很多的不同點?；诖?，在二次開發(fā)設(shè)計與仿真操作中，設(shè)計人員一定要明確設(shè)計需求，結(jié)合實際情況，對相應(yīng)的設(shè)計工具和仿真類型進行合理選擇。通過此方式才可以讓機械零件的二次開發(fā)設(shè)計效果及其設(shè)計質(zhì)量得以良好保障，滿足其實際應(yīng)用與發(fā)展需求。

2.4 逆向工程設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

逆向工程設(shè)計技術(shù)可實現(xiàn)對機械產(chǎn)品的具體設(shè)計。通常需確定目標(biāo)機械產(chǎn)品，并作出合理的逆向分析工作，進而獲取機械產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，即機械產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格、功能、結(jié)構(gòu)等，并依據(jù)機械產(chǎn)品設(shè)計的相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)對機械產(chǎn)品的再設(shè)計。在機械產(chǎn)品逆向分析中，需借助計算機輔助軟件完成逆向分析工作，獲取全面數(shù)據(jù)。CAD 軟件、CAE 軟件及CAM 軟件等計算機輔助軟件，則是機械產(chǎn)品逆向分析工作中所需要的軟件[4]。借助于這些軟件，可對目標(biāo)產(chǎn)品進行虛擬模型，然后借助目標(biāo)產(chǎn)品的實際測量掃描來確定其尺寸信息，并逐步對其進行分解與分析。圖2 為機械產(chǎn)品逆向工程設(shè)計流程圖。

圖2 機械產(chǎn)品逆向工程設(shè)計流程圖

在當(dāng)今的機械制造領(lǐng)域中，Imageware 是最為著名的一個逆向工程設(shè)計軟件。通過該軟件進行機械零件的逆向設(shè)計，一是對機械零件中的點陣數(shù)據(jù)進行采集，并將其導(dǎo)入該軟件中；二是將點陣數(shù)據(jù)作為依據(jù)，確定機械零件的曲線類型；三是創(chuàng)建機械零件的曲線，并對其進行合理的修改和優(yōu)化；四是根據(jù)實際需求，結(jié)合實際情況，對需構(gòu)建的機械零件曲面類型加以明確，并對構(gòu)建出的曲面進行合理優(yōu)化；五是實現(xiàn)機械零件模型的科學(xué)構(gòu)建。

3 結(jié)束語

在機械制造過程中，機械設(shè)計是一項最為基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)，它會對后續(xù)的機械制造工作順利進行以及機械零件生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，同時也會影響到機械零件后續(xù)的應(yīng)用效果。因此在具體的機械制造過程中，制造企業(yè)和設(shè)計人員一定要注重機械設(shè)計技術(shù)的合理應(yīng)用，將相應(yīng)的計算機設(shè)計軟件作為輔助工具，替換傳統(tǒng)的人工手繪設(shè)計模式，讓信息化、數(shù)字化與智能化的設(shè)計技術(shù)在機械零件的設(shè)計過程中得以科學(xué)應(yīng)用。通過這樣的方式，才能有效提升機械零件的設(shè)計效率與質(zhì)量，避免傳統(tǒng)設(shè)計中人為因素所導(dǎo)致的不利影響，為機械制造領(lǐng)域的進一步發(fā)展提供充分的技術(shù)支撐。