机械设计制造的数字化与智能化分析与研究

机械设计制造的数字化与智能化分析与研究

翁炼淋

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摘要：机械设计制造产业在国民经济发展中发挥了关键作用，是实现各领域、各行业和各产业转型升级的重要基础保障。近几年，基于各项高新技术的快速发展，将现代数字化设计制造技术融入机械制造领域势在必行。因此，我国要充分发挥大数据、机器人等新技术的优势，打造个性化、柔性化和低能耗的机械设备产品，推动智能机械制造产业的高质量发展。本文阐述了数字化、智能化机械设计制造技术，研究分析了机械设计制造中应用的数字化、智能化关键技术。

关键词：机械设计制造、数字化、智能化

一、数字化、智能化机械设计制造技术的相关概述

数字化设计制造是将云计算、大数据和人工智能等技术与机械设计制造技术深度融合，对机械产品进行仿真建模，由此生产出高质量、高性能的机械产品。智能制造的核心是对产品进行数字化设计与制作，结合大数据技术的海量信息分析功能对机械产品参数进行分析、建模，不仅提升了机械产品设计效率，还有效节约了研发成本，体现出了良好的经济性和时效性。另外，数字化设计制造技术还体现出了可装配的设计和集成化的特点，真正地实现了面向装配的集中化管理。同时，通过结合硬件资源，利用仿真技术可实现产品设计及生产过程的模拟，进而构建多种类型的产品和生产信息模型，保证了机械产品的生产质量。

二、机械设计制造中应用的数字化、智能化关键技术

（一）计算机辅助设计技术

计算机辅助设计技术是依托计算机技术对机械产品进行结构、功能方面的设计。在机械产品生产制造过程中，通常需要依靠精确的设计图纸来保障机械产品设计与加工的进行，传统的手绘图纸方式存在工作量大、易出错和效率低等问题，影响了机械产品设计阶段的工作时效性，在应用CAD、CAM等绘图软件后，显著提升了绘制的质量与效率，保障了产品加工的精准度，还有利于设计人员清晰掌握产品内部构造及尺寸参数信息等，方便技术人员及时发现产品内部缺陷并进行方案优化，保证了机械产品的质量可靠性。近几年，在人工智能技术的快速发展下，专家系统技术推动了CAD技术朝着人工智能和知识工程方向发展，即所谓的ICAD（IntelligentCAD）。ICAD技术主要包含3方面内容，即知识利用、相关设计知识的表示、建模方法及ICAD体系的整体构建。而支持变型设计及概念设计是ICAD中的关键技术，在机械产品设计与制造中引入ICAD技术，可有效解决企业设计开发人员在设计过程当中面临的信息资源整体利用不高、重复性设计等问题，可有效缩短产品设计周期，具有良好的经济性。

（二）虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是机械设计制造中普遍应用的数字技术之一，是通过建设虚拟环境来为机械产品设计与生产提供实验平台。一直以来，仿真技术在机械产品制造中作出了巨大贡献，利用仿真技术可搭建三维实体模型，便于将机械产品内部构造、尺寸及质量等参数更加直观、系统和准确地展示在设计人员面前，减少了设计过程中的出错率，节约了机械产品的设计开发经费。同时，仿真技术还能够通过建立模型，将机械设备的数据信息进行处理、分析和存储，同时也能够为后期的设计及修改提供数据支撑，从而保证机械产品制造过程中的精准度。另外，相比于普通的三维模型，虚拟仿真模型具有不可比拟的优势，可以对设计的虚拟产品进行动态效果展示，具有良好的灵活性。可见，将虚拟仿真技术合理运用到机械产品的各个阶段，可对机械产品生产制造过程动态观测，控制生产进度，保证生产安全，最终达到提高产品生产效率和质量的目的。以齿轮产品加工生产为例，传统的齿轮设计制造技术缺乏精细化、标准化管理，在产品设计开发及制造阶段应用虚拟仿真技术后，设计人员可先将齿轮产品参数导入到计算机系统中，再利用虚拟仿真技术将导入数据生成特定的模型，将齿轮的具体构造、参数等信息展现出来，然后利用虚拟仿真系统设计的齿轮要求借助虚拟仿真实验平台对其圆弧针齿运动轨迹进行计算，从而提高齿轮与机械设备精密结合的程度，达到高品质的生产模式。

（三）神经网络技术

神经网络系统与人类大脑中神经系统处理信息十分相似，具有非线性、适用性及存储性等特点。近些年，神经网络技术在智能制造领域体现出重要的应用价值，一是充分利用神经网络系统中的神经元，在多种渠道分享数据资源，实现资源共享及对机械产品数据信息的系统化管理，并且可以优选高价值的数据信息并存储，推动整个机械制造自动化的健康发展；二是神经网络还具有一定的记忆功能，一旦机械设备运转出现异常时立即做出诊断，达到对设备故障自动诊断的目的；三是可高效处理动态数据，将机械设计制造中涉及的数据进行深度分析，结合数据分析结果来发出指令，完成制造。例如，在机械产品加工制造过程中，设备误差补偿、安全管理及热变形控制是企业中的常见问题，针对这类问题都可以应用神经网络技术，利用神经网络技术来对机械产品加工工艺、参数设定进行评定，有效预测加工中产生的误差，为制造企业自动化生产提供重要的技术支持。

（四）KBE技术

随着CAX与专家系统技术研究的不断深入，KBE技术逐步发展起来。KBE技术在机械产品设计与制造中的应用越来越广泛，KBE技术特点主要包括知识性、领域性和智能性。近几年，国内外大型公司和研究机构对KBE技术开展了大量研究工作来全面提升产品开发的创新能力。例如，Jaguar汽车公司运用KBE技术来对某车型的发动机盖进行设计开发，与常规CAD软件相比，应用KBE技术后显著提升了工作效率，缩短了产品设计周期，该机盖产品由之前的2个月设计时长缩短为2h，体现出了良好的实用性。国内方面，上海交大CAD国家工程中心与大型汽车制造企业合作，开发模具设计KBE系统，已取得了阶段性的进展，但目前KBE技术还基本处于起步研发阶段，一些理论体系与技术方法还缺乏系统性和精准性，对于机械制造业而言，KBE技术已经给机械设计产业数字化、智能化发展提供新方向，势必会为制造产业带来更多的方便。

（五）三维数字化技术

三维数字化技术为机械产品设计工作带来了极大的便利，传统的二维设计技术智能构造产品零部件的平面效果，直观性不强，利用UG等三维建模软件可构建机械产品的三维立体效果图，可展示出产品的实际整体效果，有利于提升工作效率。UG软件是目前应用较广泛的一款三维建模软件，其中曲面拟合造型与三维实体造型技术不再局限于基本的曲线设计，可对产品的造型及尺寸灵活调整，针对各曲面机械零件利用不同视图轮廓线，完成曲面造型，最后，再进行细节方面的精细化处理，具有高度的灵活性和自主性。另外，实体造型技术还能够全方位、多角度地观察产品的造型，并反映出机械产品的特性，可辅助技术人员进行更复杂、系统化的机械产品设计，并且还能够帮助设计人员更细致地观察和调整设计产品的功能、质量与零件属性。国内研究者吴昊等对三维数字化工艺设计系统在机械制造中的应用进行了系统研究，论文中提出了一种全新模式，构建了面向三维数字化工艺设计模型，有效解决了以往设计过程中二维向三维模型转换时的失真问题，确保了数据传输的准确性、可靠性和唯一性，对机械设计制造的数字化、智能化发展具有重大实际应用价值。该研究以工序MBD模型驱动为核心，简化数字化工艺设计层级，并将加工、检测等多种工序融入到了机械产品加工设计中，通过对工艺过程的调整与优化，实现了数字化设计、数字化生产和数字化管理，为构建机械设计制造的数字化管理体系奠定了坚实基础。

参考文献：

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[2]石鹏，邓嫄媛，周黎明，等.现代数字化设计制造技术在机械设计制造上的应用[J].农业装备研发，2022（7）：146-148.

[3]姚宇轩.基于人工智能的机械设计制造及其自动化实践[J].科技资讯，2020，18（5）：31-32.