机械产品数字化设计及关键技术应用与研究

吴敏娇，蒲为国

（1.兰州资源环境职业技术学院；2.甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730000）

数字化设计随着科学技术的发展快速发展、创新，而数字化设计的发展、完善，会反过来推动相关科学的进步。相比传统机械产品，基于数字化设计的机械产品，已迅速占领农业、汽车等行业。数字化设计在设计、生产机械产品的应用，能降低设计的时间，提升设计的精确性，使机械产品能更快地被生产从而产生工业价值；数字化设计推动机械产品向更现代化、自动化、智能化的方向发展，使产品拥有了更好的性能、更多元且充足的生产力，能满足生活、生产中多元的需求。因此，应当积极探索、设计机械制造的数字化设计技术，应用其设计出更科学、高性能的现代机械产品。

1 机械产品的数字化设计技术及技术综述

机械产品的数字化设计，多采用CAD、UG 等软件实现，并以CAD、UG 软件操作技术为基础，集合其他软件技术操作以实现机械产品设计、生产等过程，随着相关技术、软件的创新发展，数字化机械设计技术也出现了更多元的分支技术。

1.1 二维CAD 技术

二维平面设计是CAD 技术的基本功能，也是进行数字化机械品设设计最初采用的技术。相比传统手绘设计技术，二维CAD 技术首次实现了机械产品的数字化设计，因其操作方便，设计师只需用电脑、软件及其使用技术，结合机械产品的设计方法、设计知识，就能根据设计需求快速设计出机械的二维结构和相关参数，制造机械产品时根据详细、直观的二维设计图和参数，即可快速、精确进行生产。

1.2 UG 曲面拟合造型技术

二维设计技术能反映产品不同视角下的尺寸、造型等具体参数和情况，但使用者无法看到实体的三维效果，需要通过其他三维建模软件或实体建模等方式，才能展现产品的整体效果，这降低了产品生产等环节的效率。此后，UG 等软件实现了曲面造型技术，不再局限于基本的曲线设计，还能实现更灵活的造型设计和调整，设计时根据CAD 等二维图纸线条，在UG 软件中将各视图进行三维转换，变换到相应的空间位置，然后，针对各曲面机械零件的类型、参数，利用不同视图轮廓线，完成曲面造型，最后，根据曲面间关系进行倒角、裁剪等细节处理，以实现更灵活、精度较高的机械产品设计。

1.3 UG 三维实体造型技术

曲面造型无法展示产品的质量、重心等特性，而实体造型技术不仅具备三位技术多角度、全方位设计、观察产品造型的功能，还能反映产品的质量、重心等性能，使设计者可以研究机械产品更为复杂的质量等特性问题，使数字化机械设计不再局限于实现产品的造型、基础属性，使设计师能更灵活的观察和调整机械产品的整体质量、零件属性。设计时，常利用UG 软件强大的三维造型功能，首先，将产品构思付诸于初步的三维模型，为产品外部、内部结构提供可视化界面，然后，通过不同界面对结构、零件等方面进行逐步深入的设计、修改，创建、装配和整合具体的部件，最后，进行结构尺寸、设计参数和运行情况等方面的合理性检验，保证产品符合设计要求，并保证其在实际的运行环境下保持较高的使用寿命和优秀的可靠性。

1.4 虚拟仿真技术

在产品三维原型设计基础上，结合先进的计算机成像技术，将图像转为数字模型，进而结合具体设计数据实现虚拟的产品仿真模型。虚拟仿真不仅能展示机械产品结构和尺寸、质量等参数，还能利用仿真技术观察、测试机械产品的各种性，减少设计中的技术等误差，降低产品投入生产、运行时的故障率。另外，虚拟仿真模型不同于一般的三维模型，可以动态演示虚拟产品。虚拟仿真应用于产品设计，也应用于产品制造过程，制造中通过虚拟仿真可实现动态观测、控制生产过程，而设计中可以虚拟呈现产品的具体内容，缩短了产品开发的周期，虚拟仿真技术在产品设计、制造过程中的综合应用，将提高产品的生产效率和质量。

1.5 参数化技术

参数化技术加快了数字化产品设计的发展，该技术实现了从某一特征出发，将所有数据相关联、全尺约束的技术，设计者可利用这一技术修改尺寸驱动设计的零件参数等方面，大大提高了产品设计、生产效率。设计时常用UG 等软件进行参数化设计，利用UG 参数化草图、WAVE 技术，以产品的形状、尺寸等基本特征参数为依据构建参数化建模，设计师可以对各部件参数及其数据关联进行调整，如泵体设计、螺栓设计中，能十分灵活、快速地进行参数调整，以完善产品的性能，使其于设计要求、造价等需求较好平衡，具体的实现方法有尺寸约束、电子表格、表达式驱动等。

1.6 变量化技术

变量化技术是一种更复杂的技术创新，却进一步提升了产品设计的便捷性和效率，该技术在参数化技术基础上，结合二维、曲面、实体等设计技术，可以设计出参数更全面、数据关联性更强的复合模型，其集成性可以使设计严格按照产品实际要求，通过变量化处理准确、便捷修改机械产品的各种尺寸信息。

2 机械产品数字化设计的应用实例研究

本节以纵向轴流收割机为实例，探究数字化设计技术。为应对现代化农业生产的工作需求，需要更多地考虑收割机等机械的体积、重量及效能，纵向轴流收割机结构对称、紧凑，脱净率高、分离面积大，能收割稻、麦、玉米等多种作物，因此，广泛应用于农业生产中，其部件包括拨禾轮、切割器、分离装置等。

2.1 拨禾轮的数字化设计

收割机前进时，收割台推开作物，拨禾装置帮助其切割茎秆，拨禾轮的具体作用为：（1）将作物引入切割器；（2）支撑切割；（3）将切割的作物铺排整齐，放在割台上，并清理切割器上残留作物。目前，常用拨禾轮有板式、偏心式两种拨禾轮，适用于倒伏度不同的作物，数字化设计时，多通过实体模型技术，对其不同视图进行设计、观察、和调整。

2.2 切割器的数字化设计

切割器是收割机最重要的部件，其性能好坏直接影响收割机的收割质量。切割器应具有将密植作物顺利、快速切割的性能，考虑作物根茎尺寸、硬度等工作情况，设计时，需要用虚拟仿真等技术，检查切割器在运行时是否会产生堵塞、负荷过重等问题，且要考虑其动力损耗、振动等因素，保证其工作的可靠性。常用的切割器有回转、往复转两种形式，多用于谷物收获，切割能力强、切割平稳且功率消耗小，设计中通过实体模型来设计机器的具体割幅、往复运动等工作特性，保证设计的切割器复合工作要求。

2.3 倾斜喂入室数字化设计

喂入室是收割时，将作物从收割台推入脱谷部分的结构，作用为推运器作物，并拉薄、均匀地送至机械脱谷部分，倾斜喂入室输送装置有链耙、喂入轮两种结构，设计时，多利用实体模型技术观察、调整喂入室的结构、细节和零部件。

2.4 脱粒装置的数字化设计

脱粒装置是收割机实现作物脱离的部件，其性能与脱粒质量直接相关，且对其他工作的分离、清选等工作影响较大，脱粒装置对谷物进行脱粒，将已脱谷粒通过凹板筛分离，脱粒装置有全喂入型、半喂入型两大类，设计全喂入型装置时，根据作物运动的流向进行切流、轴流等不同类型的设计，利用虚拟仿真技术进行检测，保证作物喂入后，可以快速沿滚筒流动、完成脱粒，脱粒时间一般长于滚筒装置许多，因此，需要考虑滚筒的速度，保证各设备间能协调的工作。

2.5 谷物推运器、升运器及整机装配

谷物推运器、升运器一般联成一体，结构较为简单，可利用实体模型等技术设计和调整。整机装配是机械设计的最后环节，通过虚拟仿真、变量化技术，对模型的整体性能、细节参数进行描述、分析、评价和调整，保证收割机产品一次开发成功，缩短产品开发周期。

3 结语

综上，现代机械产品设计广泛应用数字化设计技术，不仅提高了产品设计的效率、质量，还缩短了设计周期，节约了开发成本，推动了相关企业和行业快速发展。本文探究了机械产品数字化设计中的曲面、实体、虚拟模型、变量化等先进技术，并以农业机械为实例，浅析数字化技术在机械产品设计中的实际应用，希望能为相关人员、企业提供有价值的参考。