浅谈机械产品的数字化设计

孙卫星

【摘要】介绍了数字化设计的基本概念和特点，阐述了在机械产品领域数字化设计的一般过程和主要技术，分析了机械产品数字化设计的现状和发展前景，以及智能CAD技术在机械产品设计中的应用。

【关键词】数字化设计；机械设计；机械产品；CAD技术

1引言

随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造业环境发生了重大的变化。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企业中全面推行数字设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术，系统及集成技术的应用，促进传统机械产业在各方面的技术革新，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，在全球市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。

2 数字化设计的概念

“数字化”是指信息（计算机）领域的数字（二进制）技术向人类生活各个领域全面推进的过程。“数字化设计与制造技术”是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造不仅贯穿企业生产的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高农业机械产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源共同开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。

3 机械产品领域的数字化设计

3.1机械产品数字化设计的一般过程

机械产品的数字化设计形象直观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观及色彩设计等采用数字样机实现，设计错误少，设计周期短、成本低。

（1）总体方案设计是根据希望达到的目的或应实现的功能，考虑已知约束，进行机械产品的全局设计，构思形成比较完善的设计方案。

（2）建立参数化运动模型是指进行机械各部分的具体设计，首先确定各零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行参数化建模。

（3）虚拟装配是通过装配模块完成各零件的组装，形成整机。装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副。确定好各构件及各构件之间的运动副之后，即可通过选择构件和运动副组成机构，最后由各机构组成整机，并为仿真做准备。

3.2机械产品数字化设计的主要技术

机械产品的数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术。其核心技术主要有：

（1）CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM。CAD/CAE/CAPP/CAM分别是计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造的英文缩写，它们是制造业信息化中数字化设计与制造技术的核心，是实现计算机辅助产品开发的主要工具。PDM技术集成是管理与产品有关的信息、过程及人与组织，实现分布环境中的数据共享，为异构计算机环境提供了集成应用平台，从而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系统过程的实现。

（2）異地、协同设计。在因特网和企业内部网的环境中，进行产品定义与建模、产品分析与设计、产品数据管理及产品数据交换等，异地、协同设计系统在网络设计环境下为多人、异地实施产品协同开发提供支持工具。

（3）基于知识的设计。将产品设计过程中需要用到的各类知识、资源和工具融到基于知识的设计系统之中，支持产品的设计过程，是实现产品创新开发的重要工具。

（4）虚拟设计、虚拟制造。综合利用建模、分析、仿真以及虚拟现实等技术和工具，在网络支持下，采用群组协同工作，实现产品设计、制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制等。

（5）绿色设计。是面向环保的设计，包括支持资源和能源的优化利用、污染的防止和处理、资源的回收再利用和废弃物处理等诸多环节的设计。

4机械产品数字化设计的应用现状及发展趋势

机械产品门类广，种类多，市场需求潜力巨大。目前，我国机械领域的数字化程度在具体行业中存在较大差距。如农机企业普遍采用传统设计方法，在应用现代设计方法上远远落后于航天、汽车等其他行业，农机企业之间重复型设计多，企业信息资源利用率低。

同时，在同一行业的不同企业中，产品的数字化也有一定程度差别。虽然有些企业具备一般制造业运用CAD技术的能力，且已达到一定的水平，但由于技术储备、装备水平以及新产品的研发能力等方面相对落后，三维CAD软件在机械制造企业中的应用还不够普遍。尽管有些领先的企业已经探讨“数字样机”、“并行工程”、“虚拟仿真”等前沿课题，但总体来说离大规模推广应用还有很大距离。再次，机械产品的整体技术水平、质量、生产规模、企业素质与发达国家相比差距也很大，特别是新产品品种不多，发展滞后，可靠性、使用寿命满足不了用户要求。

5 结语

目前，数字化设计与制造技术已经成为制造企业提高产品竞争力的重要手段。在计算机上完成产品的开发，通过对产品模型的分析，改进产品设计方案，在数字状态下进行产品 的虚拟试验和制造，然后再对设计进行改进或完善的数字化产品开发技术变得越来越重要。加快科技进步，提高技术创新能力，将数字化设计技术引入机械行业是改变传统机械产品生产方式，用新技术改造传统制造业，支持新兴技术，提高中国机械产品竞争力的重要手段。它将会对传统的机械行业的设计水平、机械产品制造业的水平起到重要的推动作用，将会使传统的机械设计、制造技术发生革命性的变化。

参考文献：

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