摘 要：本文先闡述了機(jī)械設(shè)計(jì)在智能制造中的核心作用，隨后分析了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法在智能制造背景下面臨的挑戰(zhàn)，包括設(shè)計(jì)周期長、人為因素影響大、信息獲取不及時(shí)以及資源浪費(fèi)等問題。針對這些問題，本文提出了基于智能制造的機(jī)械設(shè)計(jì)策略，包括利用數(shù)字化工具提高設(shè)計(jì)效率、應(yīng)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程、實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)信息以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的協(xié)同，以及通過智能化和自動(dòng)化手段提高資源利用率。

關(guān)鍵詞：智能制造；機(jī)械設(shè)計(jì)；數(shù)字化工具

1 前言

智能制造其核心是通過整合先進(jìn)信息技術(shù)，如自動(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化的生產(chǎn)過程。機(jī)械設(shè)計(jì)作為智能制造基石，創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對提高制造業(yè)競爭力有著決定性影響。但是以智能制造為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)卻面臨著很多困難。所以，對以智能制造為基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，并探討如何運(yùn)用數(shù)字化、智能化手段來提升設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，對促進(jìn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展有一定的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。

2機(jī)械設(shè)計(jì)在智能制造中的重要性

機(jī)械設(shè)計(jì)處于智能制造的核心位置，是產(chǎn)品高效、高質(zhì)量生產(chǎn)的根本。在智能制造大行其道的今天，機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)揮著越來越重要的作用，其不但影響著產(chǎn)品性能與成本，而且與生產(chǎn)靈活性與響應(yīng)速度也有著直接聯(lián)系。智能制造將先進(jìn)數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)融合在一起，給機(jī)械設(shè)計(jì)提供了空前的契機(jī)，使得設(shè)計(jì)過程變得更加智能與高效。這一轉(zhuǎn)變需要機(jī)械設(shè)計(jì)師擁有較高水平的專業(yè)知識與技能，并能利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具與技術(shù)來適應(yīng)市場多變的需求與個(gè)性化定制潮流。

3基于智能制造的機(jī)械設(shè)計(jì)難題

3.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法耗時(shí)耗力，無法滿足快速響應(yīng)市場需求

在市場需求不斷變化以及顧客對于產(chǎn)品個(gè)性化要求越來越高的情況下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程已很難適應(yīng)市場對于產(chǎn)品的快速響應(yīng)要求。設(shè)計(jì)師通常要耗費(fèi)很多時(shí)間與精力于人工畫圖與重復(fù)實(shí)驗(yàn)，此種低效率工作模式不但耗費(fèi)珍貴人力資源，也造成產(chǎn)品開發(fā)周期拉長，使其很難及時(shí)推向市場而錯(cuò)過占領(lǐng)市場的機(jī)會(huì)。另外，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對于信息傳遞與交流有明顯缺陷。設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理各環(huán)節(jié)間信息交流往往不暢通，不僅易造成對設(shè)計(jì)方案的錯(cuò)誤理解與偏離，而且會(huì)影響整個(gè)設(shè)計(jì)過程的效率與最終產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)信息傳遞不順暢時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)很難得到及時(shí)的反饋與引導(dǎo)，從而進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)過程的不確定與風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在技術(shù)上也越來越顯示出其局限性。隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)高性能、高復(fù)雜度要求的日益增加，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具與技術(shù)手段已很難滿足上述需要。設(shè)計(jì)師對創(chuàng)新性與復(fù)雜性的探究受到限制，不僅會(huì)影響到產(chǎn)品創(chuàng)新與競爭力，還會(huì)制約整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.2設(shè)計(jì)過程中的人為因素可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量波動(dòng)

在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)與技能水平的高低對于設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞具有直接影響。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對設(shè)計(jì)師個(gè)人能力依賴性太強(qiáng)，這種人為因素造成設(shè)計(jì)質(zhì)量不確定且波動(dòng)較大。設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)知識水平良莠不齊，各設(shè)計(jì)師間設(shè)計(jì)方案也會(huì)有很大差別，很難確保設(shè)計(jì)質(zhì)量一致可靠。主觀判斷與決策在設(shè)計(jì)過程中易受設(shè)計(jì)師個(gè)體情緒與狀態(tài)影響，從而使設(shè)計(jì)方案不穩(wěn)定。另外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作效率與溝通質(zhì)量對于設(shè)計(jì)結(jié)果同樣具有顯著影響。團(tuán)隊(duì)成員交流不暢及信息傳遞不夠及時(shí)等問題，易造成設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)偏差與失誤，從而影響最終產(chǎn)品性能與品質(zhì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難對復(fù)雜設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)計(jì)過程中各種變量及不確定因素進(jìn)行有效的管理與控制，致使設(shè)計(jì)質(zhì)量很難達(dá)到期望標(biāo)準(zhǔn)。

3.3傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)信息，導(dǎo)致設(shè)計(jì)優(yōu)化不足

設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)依賴歷史數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，這類信息通常存在滯后性。生產(chǎn)中由于沒有實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，設(shè)計(jì)師很難及時(shí)掌握產(chǎn)品在生產(chǎn)線上所遭遇的各種問題及瓶頸。這種不對稱的信息使設(shè)計(jì)脫離了生產(chǎn)，設(shè)計(jì)師不能根據(jù)生產(chǎn)的真實(shí)情況及時(shí)地調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。其后果就是設(shè)計(jì)方案通常要進(jìn)行多次修改與迭代，而這樣既延長設(shè)計(jì)周期又提高設(shè)計(jì)成本。由于生產(chǎn)的實(shí)時(shí)信息不足，設(shè)計(jì)師對設(shè)計(jì)的優(yōu)化通常只依靠理論分析及假設(shè)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果偏離實(shí)際生產(chǎn)情況。這一偏差既影響制造效率又使產(chǎn)品質(zhì)量下降。有些時(shí)候因?yàn)樵O(shè)計(jì)和生產(chǎn)不配套，甚至?xí)巩a(chǎn)品在制造過程中產(chǎn)生嚴(yán)重質(zhì)量問題，影響到企業(yè)品牌形象以及市場競爭力。

3.4傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法缺乏智能化、自動(dòng)化手段，導(dǎo)致人力、物力資源浪費(fèi)

大量重復(fù)且效率較低的設(shè)計(jì)工作都要靠人工來進(jìn)行，這不僅會(huì)加重設(shè)計(jì)師的工作量，同時(shí)也會(huì)造成設(shè)計(jì)效率不高。比如圖紙的測繪、修改與管理，常常要花費(fèi)很多時(shí)間與精力，而這些任務(wù)完全可由智能化的工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與使用時(shí)也有明顯的缺陷。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索以人工操作為主，數(shù)據(jù)利用效率不高，很難實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識的積累與分享。沒有智能化工具的幫助，設(shè)計(jì)師很難對復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題做出分析與優(yōu)化，需花費(fèi)很多時(shí)間與精力去反復(fù)測試與調(diào)整，設(shè)計(jì)成本與時(shí)間也隨之提高。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對資源的利用也有明顯的浪費(fèi)現(xiàn)象。因其設(shè)計(jì)過程具有不確定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，常需制備大量備份材料及樣本，從而加大物料成本及資源浪費(fèi)。

4基于智能制造的機(jī)械設(shè)計(jì)策略

4.1利用數(shù)字化工具提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期

像計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）這樣的數(shù)字化設(shè)計(jì)工具，能夠顯著地增強(qiáng)設(shè)計(jì)的精確度和工作效率。設(shè)計(jì)師可借助數(shù)字化工具迅速建立并修改設(shè)計(jì)模型、模擬仿真、性能分析等，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期。數(shù)字化工具的使用使設(shè)計(jì)過程更直觀、更形象，設(shè)計(jì)師可在虛擬環(huán)境下完成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，從而減少物理樣品生產(chǎn)與測試的數(shù)量，降低設(shè)計(jì)成本。另外，數(shù)字化設(shè)計(jì)工具能夠?qū)υO(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理與分享。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可在數(shù)字平臺中存儲(chǔ)、檢索與使用，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間可實(shí)時(shí)協(xié)作與信息共享以提高設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。利用數(shù)字化工具也能使設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化、智能化。通過參數(shù)化設(shè)計(jì)與生成式設(shè)計(jì)的引入，設(shè)計(jì)師能夠迅速地產(chǎn)生各種設(shè)計(jì)方案并加以優(yōu)化與篩選，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性與靈活性。使用數(shù)字化工具也能提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)協(xié)同效率。設(shè)計(jì)師可在數(shù)字化平臺上實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)信息并對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證設(shè)計(jì)方案與生產(chǎn)實(shí)際情況高度一致。

例如，以知名汽車制造企業(yè)為例，其通過數(shù)字化設(shè)計(jì)工具的推出，成功地縮短新車型研發(fā)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。在開始進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)之前，新車型的研發(fā)通常需要18個(gè)月的時(shí)間。但是，通過使用CAD、CAE等數(shù)字化工具，研發(fā)周期可以縮短到12個(gè)月，從而提高了33%的效率。具體實(shí)例中，企業(yè)采用CAD軟件建立三維模型，并借助CAE軟件從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱力學(xué)性能幾個(gè)方面仿真分析，以保證設(shè)計(jì)可靠。在設(shè)計(jì)階段，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)師能夠快速地產(chǎn)生各種設(shè)計(jì)方案，并且通過優(yōu)化算法對最優(yōu)方案進(jìn)行自動(dòng)篩選，以增強(qiáng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性與靈活性。舉例來說，在開發(fā)一款創(chuàng)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，通過參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)師在僅僅一周的時(shí)間里就創(chuàng)造了超過100種不同的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，并通過CAE軟件進(jìn)行了仿真分析，經(jīng)過深思熟慮，確定了最佳的解決方案，該方案不僅在性能方面實(shí)現(xiàn)了10%的提升，還成功地降低了20%的材料成本。

另外，使用數(shù)字化工具也有利于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間的合作。通過數(shù)字化平臺，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崟r(shí)得到生產(chǎn)線反饋情況，并及時(shí)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，保證了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一致性。比如，在一個(gè)新變速箱的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)通過數(shù)字化平臺密切配合，使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)無縫銜接，最后，變速箱的制造效率提升了25%，同時(shí)生產(chǎn)成本也降低了15%。通過使用數(shù)字化工具，企業(yè)在提升設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量的同時(shí)，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也做到了高效協(xié)同，從而為智能制造提供強(qiáng)大技術(shù)支撐。

4.2利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

在智能制造的大背景下，運(yùn)用人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等前沿技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)流程和提升設(shè)計(jì)品質(zhì)，已成為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)核心策略。AI與ML技術(shù)可應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)分析與決策支持。通過對歷史設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，AI系統(tǒng)能夠在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)潛在的問題與優(yōu)化機(jī)會(huì)，并提供科學(xué)決策支持，以改善設(shè)計(jì)質(zhì)量。AI技術(shù)可應(yīng)用于設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、智能化。

通過智能設(shè)計(jì)助手的推出，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)能夠得到實(shí)時(shí)技術(shù)支持與推薦，降低了人為因素對于設(shè)計(jì)質(zhì)量的干擾，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與一致性。

另外，利用ML技術(shù)還可對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化與完善。在研究分析了大量設(shè)計(jì)方案后，ML算法能夠找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案及參數(shù)組合，并給出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，以改善設(shè)計(jì)效果及效率。AI與ML技術(shù)也可應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中來進(jìn)行預(yù)測與報(bào)警。通過設(shè)計(jì)過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測，AI系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)測可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題，并給出預(yù)警與解決方案，從而避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與質(zhì)量問題。AI與ML技術(shù)也可應(yīng)用于設(shè)計(jì)知識的累積與分享。通過構(gòu)建智能設(shè)計(jì)知識庫，設(shè)計(jì)師能夠便捷地獲取并使用設(shè)計(jì)知識與經(jīng)驗(yàn)，從而提高設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。

4.3實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和生產(chǎn)協(xié)同

生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)采集是現(xiàn)今設(shè)計(jì)及生產(chǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵一環(huán)，不但可以幫助設(shè)計(jì)師掌握生產(chǎn)過程中存在的各種問題及瓶頸，達(dá)到了設(shè)計(jì)上的優(yōu)化和生產(chǎn)上的配合，更加促進(jìn)了整體生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。通過對生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)計(jì)師能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案存在的缺陷，并對其加以完善與優(yōu)化。這一密切的反饋循環(huán)能夠使設(shè)計(jì)更有針對性、更有效，保證設(shè)計(jì)方案和實(shí)際生產(chǎn)情況高度一致。舉例來說，在生產(chǎn)線發(fā)生異常的情況下，設(shè)計(jì)師能夠馬上收到相應(yīng)的信息并且做出調(diào)整，以避免問題的進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。獲取實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，有利于促進(jìn)設(shè)計(jì)決策科學(xué)、準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出科學(xué)的分析與決策，能夠避免主觀判斷與人為因素的干擾，以提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量與穩(wěn)定性。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)師可以開發(fā)出更可靠的設(shè)計(jì)策略來保證產(chǎn)品性能與效果處于最佳。

另外，獲取實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息也有利于對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。設(shè)計(jì)師可依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來優(yōu)化與調(diào)整設(shè)計(jì)方案，并在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)地解決存在的問題與缺陷，以保證產(chǎn)品發(fā)揮出最佳性能與作用。該靈活性使設(shè)計(jì)過程具有更好的適應(yīng)性與響應(yīng)性，利于提升設(shè)計(jì)方案質(zhì)量與市場競爭力。獲取實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息能夠促進(jìn)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同效率。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享與信息傳遞，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與管理各環(huán)節(jié)能夠達(dá)到高效協(xié)同的目的，縮短信息傳遞過程中的耗時(shí)與錯(cuò)誤，提升整體設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

4.4利用智能化、自動(dòng)化手段，提高人力、物力資源的利用率

智能化工具與技術(shù)能夠顯著降低設(shè)計(jì)過程中重復(fù)與效率低下的勞動(dòng)，從而提升設(shè)計(jì)效率與資源利用率。比如，通過自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具的推出，設(shè)計(jì)師能夠迅速地產(chǎn)生并修改設(shè)計(jì)方案、減少手工操作及重復(fù)性的勞動(dòng)、提高設(shè)計(jì)效率等。智能化、自動(dòng)化手段能夠提升設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理與利用效率。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可在智能化平臺中存儲(chǔ)、管理與共享，設(shè)計(jì)師可便捷地獲取與使用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以提高設(shè)計(jì)的效率與品質(zhì)。

另外，智能化、自動(dòng)化手段也能夠提升設(shè)計(jì)過程的智能化與優(yōu)化水平。通過智能算法與優(yōu)化工具的引入，設(shè)計(jì)師能夠?qū)?fù)雜的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析與優(yōu)化，以改善設(shè)計(jì)效果與資源利用率。智能化、自動(dòng)化手段也能提升設(shè)計(jì)過程中的協(xié)同效率。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過智能化平臺實(shí)現(xiàn)協(xié)同與信息共享，從而提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。智能化、自動(dòng)化手段也能減少設(shè)計(jì)過程中資源的浪費(fèi)。借助智能化工具，使設(shè)計(jì)師能夠準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案，減少材料與資源浪費(fèi)，提升資源利用率。

5結(jié)論

智能制造的蓬勃發(fā)展，給機(jī)械設(shè)計(jì)提供了全新的契機(jī)和挑戰(zhàn)。通過運(yùn)用數(shù)字化工具，融合人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，獲取實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)智能化與自動(dòng)化手段，使機(jī)械設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)走向智能。這樣不但可以顯著提升設(shè)計(jì)效率及品質(zhì)，而且可以有效減少資源消耗，達(dá)到設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的無縫銜接。

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作者簡介：1.于洪杰（1975.06-），女，漢，山東煙臺人，本科，中級，研究方向：機(jī)械。

2.魏原芳（1971.05-），女，漢，山東煙臺人，本科，高級工程師，副教授，研究方向：機(jī)械。

3.劉艷萍（1980.06-），女，漢，山東煙臺人，碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械。