石 鵬 ， 鄧嫄媛 ， 周黎明 ， 宮霞霞

（成都大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610000）

我國進入新發(fā)展階段，加快建設(shè)制造強國，大力發(fā)展先進制造業(yè)成為我國社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要戰(zhàn)略。面對競爭日益激烈的市場環(huán)境，我國機械制造要以智能制造為主要方向，推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革升級，推動制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和企業(yè)形態(tài)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變?；诖髷?shù)據(jù)、云計算及機器人等技術(shù)的發(fā)展，將現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)融入機械制造領(lǐng)域具有重要意義。因此，為了推動智能機械制造高質(zhì)量發(fā)展，我國要發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的優(yōu)勢，打造個性化、柔性化、低能耗的機械設(shè)備產(chǎn)品。

1 現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)概述

現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)主要是將互聯(lián)網(wǎng)、云計算、區(qū)塊鏈以及機器人等技術(shù)與機械設(shè)計制造技術(shù)相融合，根據(jù)客戶需求和工作特點對機械產(chǎn)品進行仿真建模，以此生產(chǎn)符合用戶需求的機械產(chǎn)品。智能制造的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計與制造。相比傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造技術(shù)，現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)突出了“數(shù)字化”的優(yōu)勢，具有以下特點：1）建模仿真。傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造技術(shù)往往需要按照機械產(chǎn)品的模型進行相應(yīng)的設(shè)計，需要進行實物建模，這樣不僅浪費設(shè)計費用，而且還增加了設(shè)計周期，導(dǎo)致所生產(chǎn)的機械產(chǎn)品滯后于市場發(fā)展速度。而現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)則通過利用大數(shù)據(jù)技術(shù)的海量分析功能、預(yù)算功能對機械產(chǎn)品參數(shù)進行綜合分析并且建模，這樣可以有效地提升機械產(chǎn)品的設(shè)計效率，避免重復(fù)實物建模的弊端，大大節(jié)約了機械產(chǎn)品的設(shè)計成本。例如在汽車渦輪盤設(shè)計上，傳統(tǒng)的設(shè)計制造需要多次建模實驗才能大量生產(chǎn)，但是使用現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)則可以通過仿真實驗的方式對設(shè)計汽車渦輪盤進行實驗，有效壓縮了產(chǎn)品的投產(chǎn)時間，提升了我國機械制造的研發(fā)能力。2）實現(xiàn)面向可裝配的設(shè)計。傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造技術(shù)需要根據(jù)不同產(chǎn)品的規(guī)格而構(gòu)建模型，但是數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)則實現(xiàn)了面向裝配的集中化管理[1]。眾所周知，數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)面對的是數(shù)學(xué)模型，其通過仿真界面進入仿真服務(wù)器和生產(chǎn)管理模型后，會形成產(chǎn)品設(shè)計模型、生產(chǎn)過程模型以及虛擬設(shè)備模型等，最終得到相應(yīng)的硬件資源，從而最終構(gòu)建針對不同類型機械產(chǎn)品的生產(chǎn)信息模型，有效提升了機械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。例如通過現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)構(gòu)建可調(diào)整的參數(shù)模型，能夠圍繞客戶的要求優(yōu)化調(diào)整機械生產(chǎn)參數(shù)，從而實現(xiàn)對整個機械制造設(shè)計生產(chǎn)過程的追蹤監(jiān)督，提升產(chǎn)品的內(nèi)在品質(zhì)。3）集成化特點。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)涉及多個領(lǐng)域，尤其是在智能制造背景下，在機械產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)中都會應(yīng)用到現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，利用該技術(shù)優(yōu)化機械產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)流程。同時為了實現(xiàn)機械設(shè)備的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，需要融合多種數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，以此提升產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與融合，產(chǎn)業(yè)邊界越來越模糊。

2 我國機械設(shè)計制造現(xiàn)狀分析

近年來，雖然我國機械設(shè)計制造水平不斷提升，在某些領(lǐng)域領(lǐng)先于世界水平，但是不可否認我國機械設(shè)計制造水平與歐美的先進國家相比仍然存在較大的差距。1）我國機械產(chǎn)品數(shù)字設(shè)計制造技術(shù)水平不高，對于數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用層次還不夠深入。目前，我國機械設(shè)計制造技術(shù)更多依賴于仿制，而自主創(chuàng)新能力不高。2）我國機械設(shè)計制造核心技術(shù)匱乏，缺乏知識產(chǎn)權(quán)保護意識?；趥鹘y(tǒng)觀念的影響，我國機械設(shè)計制造缺乏對核心技術(shù)的保護，導(dǎo)致機械制造企業(yè)缺乏市場核心競爭力。3）缺少對機械產(chǎn)品功能的創(chuàng)新。目前，我國將精力放在機械產(chǎn)品的性能設(shè)計上，卻忽視了對產(chǎn)品功能的創(chuàng)新設(shè)計，導(dǎo)致機械產(chǎn)品在使用過程中由于缺乏相應(yīng)的功能而難以滿足實際生產(chǎn)要求。例如，在汽車組裝方面，雖然我國構(gòu)建了機器人組裝生產(chǎn)線，但是在關(guān)鍵部位的組裝上仍然是以傳統(tǒng)的人工組裝為主，剖析原因主要是由于缺乏對組裝機器人運行功能的創(chuàng)新設(shè)計，導(dǎo)致諸多功能難以在生產(chǎn)線中發(fā)揮作用[2]。4）我國高端機械設(shè)計制造人才短缺。推動智能機械制造發(fā)展離不開高端人才的支撐，目前我國高校所培養(yǎng)的人才具有“眼高手低”的問題，高端機械設(shè)計制造人才匱乏問題較為突出。分析原因主要是由于我國高等教育仍然是以培養(yǎng)學(xué)術(shù)型人才為主，而缺乏與區(qū)域制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對接，使得高校所培養(yǎng)的人才難以滿足實際要求。

隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的持續(xù)推進，未來機械設(shè)計制造將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。1）產(chǎn)品升級，驅(qū)動機械自動化。我國機械制造業(yè)不斷發(fā)展，智能化將成為機械制造發(fā)展的主要方向。通過打造機械制造智能化體系促進機械設(shè)備的整體性能，帶動機械設(shè)備的生產(chǎn)能力。由于我國裝備制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)粗放型、低端技術(shù)的發(fā)展模式難以滿足當(dāng)前發(fā)展要求，因此發(fā)揮數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的優(yōu)勢，提升裝備制造的智能化、數(shù)字化水平成為助力我國經(jīng)濟快速發(fā)展的重要舉措。2）環(huán)保趨嚴(yán)，促使機械設(shè)備更新。節(jié)能降耗成為工業(yè)制造的主旋律，為了提升工作效率，打造高端供應(yīng)鏈，我國近年來加大了對現(xiàn)代制造業(yè)的監(jiān)管力度。例如，為了推動智能化機械設(shè)備的應(yīng)用，工信部專門出臺了技改資金支持政策，對淘汰落后機械設(shè)備、購買新型節(jié)能機械設(shè)備給予財政補貼。3）加快機械制造智能化。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，尤其是社會生產(chǎn)力的提升，大力推進機械制造智能化成為維護國家安全、助力經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。比如我國芯片短缺問題較為突出，嚴(yán)重阻礙了我國經(jīng)濟的發(fā)展。因此，要發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的優(yōu)勢，提升裝備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化能力。

3 現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用方法

現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)所包含的內(nèi)容比較豐富。具體包括：1）計算機技術(shù)。計算機設(shè)計技術(shù)主要是利用計算機技術(shù)對機械產(chǎn)品進行設(shè)計，例如計算機輔助設(shè)計（CAD）為機械產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計等進行優(yōu)化，實現(xiàn)了機械設(shè)計的無紙化操作。2）虛擬設(shè)計與制造。虛擬技術(shù)是機械設(shè)計制造中使用最廣泛的技術(shù)，其主要是通過構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境為機械產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)提供試驗操作平臺，以此達到網(wǎng)絡(luò)化的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的目的。3）異地協(xié)同設(shè)計。異地協(xié)同設(shè)計主要是從流程、協(xié)作管理等方面入手，實現(xiàn)對機械設(shè)計制造的集約化、全面化管理。4）概念與工業(yè)設(shè)計。概念設(shè)計是圍繞客戶的需求而設(shè)計，其主要是將設(shè)計概念融入機械產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的全過程。工業(yè)設(shè)計則是對機械的布局、形態(tài)以及人際工程等進行設(shè)計，以此使產(chǎn)品與用戶具有良好的親和性與匹配度[3]。當(dāng)然除了上述技術(shù)外，數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)還包括機器人技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。結(jié)合多年實踐調(diào)查，現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用方法體現(xiàn)在以下方面。

3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的重要組成部分，其在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用最為普遍，主要作用就是構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，為機械設(shè)計制造提供虛擬實驗平臺，以此達到最優(yōu)化的設(shè)計。例如機械齒輪是機械產(chǎn)品的重要組成部分，但是傳統(tǒng)的齒輪設(shè)計制造技術(shù)缺乏精細化管理，導(dǎo)致齒輪的穩(wěn)定性不高，因此在齒輪設(shè)計時需要結(jié)合虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建齒輪設(shè)計環(huán)境。具體操作流程就是，齒輪設(shè)計人員首先利用三維建模軟件將機械齒輪的相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入到計算機系統(tǒng)中，再利用虛擬仿真技術(shù)將導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成特定的模擬環(huán)境，將齒輪的具體構(gòu)造、參數(shù)等信息展現(xiàn)出來，然后利用虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計的齒輪要求借助虛擬仿真實驗平臺對其圓弧針齒運動軌跡進行計算，從而提高齒輪與機械設(shè)備精密結(jié)合的程度，達到高品質(zhì)的生產(chǎn)模式。

3.2 設(shè)計與制造協(xié)同在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

基于智能制造業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)機械設(shè)計制造一體化是現(xiàn)代智能制造發(fā)展的主要趨勢。實踐證明，機械產(chǎn)品設(shè)計與制造協(xié)同發(fā)展能夠有效提升機械產(chǎn)品的設(shè)計效率，提升其內(nèi)在功能。協(xié)同技術(shù)能夠使產(chǎn)品在設(shè)計時達到信息的共享，讓產(chǎn)品的全部工作者參與到設(shè)計中，幫助設(shè)計者開拓思路，并且能夠使產(chǎn)品更加適應(yīng)實際應(yīng)用，可根據(jù)不同的設(shè)計任務(wù)與設(shè)計問題對信息進行處理分析，讓設(shè)計工作更為高效，提升農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計制造水平，為企業(yè)節(jié)約設(shè)計制造成本。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是機械制造設(shè)計中經(jīng)常會使用的技術(shù)，其具有非線性、適用性以及存儲性等特點。在智能機械制造生產(chǎn)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用價值越來越突出，其不僅可以實現(xiàn)機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的整理功能，選擇出最有價值的數(shù)據(jù)信息并存儲，以便于后期的維護保養(yǎng)工作，而且還具有記憶功能，能夠及時針對機械設(shè)備在運行中的表現(xiàn)作出診斷，以此實現(xiàn)對機械設(shè)備故障的自動診斷，提升故障的維修效率[4]。

4 面向智能制造的機械設(shè)計制造技術(shù)應(yīng)用分析

1）構(gòu)建數(shù)字化技術(shù)架構(gòu)。面向智能制造的數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)計數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化以及裝備制造數(shù)字化等。在構(gòu)建智能制造的機械設(shè)計制造產(chǎn)品時需要搭建數(shù)字化架構(gòu)：①基礎(chǔ)技術(shù)，主要包括企業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用和制造過程數(shù)控設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用等。②單元技術(shù)，主要是指數(shù)字化設(shè)計過程中三維CAD產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用，產(chǎn)品模塊化和零部件標(biāo)準(zhǔn)化模型的搭建，基于成組技術(shù)的產(chǎn)品族、數(shù)字化車間管控過程的MES系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用，管理數(shù)字化過程中的ERP產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用，全生命周期的信息化管理。③集成技術(shù)，是企業(yè)實施數(shù)字化過程中的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用，企業(yè)集成系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞與共享[5]。

2）數(shù)字化設(shè)計技術(shù)。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)主要是對設(shè)計過程進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，其主要包括：①建立裝備制造產(chǎn)品三維參數(shù)化實例庫。其主要是構(gòu)建裝備制造產(chǎn)品模塊體系，標(biāo)準(zhǔn)化接口數(shù)字化設(shè)計技術(shù)等。三維參數(shù)化零件實例庫主要是根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似性、通用性產(chǎn)品模塊，針對裝備制造產(chǎn)品的特性、分類以及工藝柔性等防范分析裝備制造產(chǎn)品的功能和物理特性[6]。②設(shè)計信息交互技術(shù)。設(shè)計信息交互技術(shù)主要是建立在裝備制造產(chǎn)品族模型所需要質(zhì)量功能配置、BOM表以及實物特性表等技術(shù)基礎(chǔ)上的，向產(chǎn)品需求者與設(shè)計人員提供信息交流的平臺。設(shè)計信息交互技術(shù)包括云端自動儲存、自適應(yīng)數(shù)據(jù)對接以及設(shè)計信息快速拆解等功能[7]。

3）數(shù)字化制造技術(shù)。裝備制造設(shè)備數(shù)字化制造技術(shù)主要是對機械設(shè)備制造過程進行自動信息采集、流轉(zhuǎn)、信息追蹤以及追溯的技術(shù)[8]。自動信息采集和流轉(zhuǎn)技術(shù)主要是解決排產(chǎn)問題，利用技術(shù)集成方法，分析制造工藝規(guī)劃系統(tǒng)，并且對生產(chǎn)工藝流程進行統(tǒng)計分析，以此實現(xiàn)生產(chǎn)線所有執(zhí)行機構(gòu)、檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)等協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)集約化、流水化作業(yè)[9]。信息追蹤和追溯技術(shù)則是通過計劃管理和車間管理數(shù)據(jù)，結(jié)合二維碼技術(shù)等對裝備制造產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行流程數(shù)據(jù)化管理，將數(shù)據(jù)信息與架構(gòu)設(shè)備等進行信息共享，從而實現(xiàn)對整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有效管理[10]。

5 結(jié)論

綜上所述，基于機械強國戰(zhàn)略的實施，我國要充分發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的優(yōu)勢，利用先進的科學(xué)技術(shù)，跟上時代發(fā)展的重要趨勢，進而提升我國機械設(shè)計制造以及自動化水平，促進我國社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。