农机装备数字化与智能化设计

第1章　绪论 1.1　基本概念 1)设计 设计是人类为了达到某种特定目的而进行的一项创造性活动，是把头脑中的一种规划、设想以视觉的形式传达出来的人类智力运用过程。随着人类社会的逐渐发展，设计在不同领域细化出不同的内涵。在机械领域，设计是根据使用要求对机械装备的工作原理、结构组成、形状尺寸、运动方式、力和能量传递、零件材料、润滑形式等进行构思、分析、计算，并将其转化为具体的技术描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的**步，是决定机械装备性能的*主要因素。 2)数字化设计 数字化设计的概念与实际应用是在计算机技术发展到一定阶段后出现的，它借助PLM平台以数字模型及其相关信息数据贯穿产品研发的设计、分析、制造，乃至管理的整个环节。数字化设计从属性上来讲是多种计算机辅助技术——?CAX的集成或链式应用，以三维模型为信息载体，数据高度共享、关联，能有效提高企业运行及团队协作的效率。 3)智能化设计 在相关科学技术发展到一定高度和水平并具备广泛集成可能性的前提下，工程设计从传统的数据资源密集型向知识信息密集型转化，由此促成了智能化设计的产生。理想的智能化设计系统无须设计者全面了解设计开发系统底层的全部细节，支持缺省检索与模糊推理，通过人机交互的方式，由计算机智能地根据用户需求调动系统资源进行设计，高效获得满意的产品。目前，智能化设计整体上处于理论研究和实际应用的探索与试验阶段。 计算机辅助设计、资源重用与产品重构设计、数字化设计、智能化设计等不同概念有各自不同的内涵和外延，但界线并非截然分开，是一种渐进与交叉融合的关系，其中智能化设计是*高级形式。现阶段相关技术体现为一种多样化的形态与方法，但本质上所有方法的共同特点都是以资源的共享与重用为核心，只是程度与方式不同而已。 1.2　设计技术与方法的演变 为高度概括人类几千年文明史中机械设计的发展历程，根据其在时代轴上的宏观特征，可以划分为以下三个阶段：①17世纪前，人类创造和使用机械为古代机械设计阶段；②17世纪至第二次世界大战，机械设计在世界范围内飞速发展为近代机械设计阶段；③第二次世界大战结束至今，计算机的出现，代表并主导着设计的变革进入现代机械设计阶段。 机械设计发展史如图1-1所示。 图1-1　机械设计发展史 1.2.1　机械设计起源和古代机械设计 通过考古和文献记载发现，公元前?3000?年以前，人类已经广泛使用石制的和骨制的精致工具，中国的河姆渡遗址和古巴比伦苏美尔遗址中均发现了精致的农具。在古经书中，对此也有许多文献记载。例如，《周易 系辞下传》中“刳木为舟”“服牛乘马”就是对机械设计及其产品在当时生活中应用的描述。在农耕文明社会中，机械设计主要应用在农业方面，以此来满足人们生活*基本的衣食需求。 我国古代在纺织机械、船舶等方面有许多创造性的设计成果，以四大发明为代表，科学技术水平处于世界领先地位。从国外来看，14～16世纪文艺复兴时期，以意大利学者、艺术家列昂纳多 达 芬奇(Leonardo Di Ser Piero Da Vinci)的活跃创造活动为代表，欧洲达到当时机械设计的顶峰。这个时期，机械设计基础知识尚未成熟，设计者全凭个人经验、直觉和手艺进行制作，缺乏必要的理论分析与计算，设计方法也未能得到有效的保留与记录。 1.2.2　近代机械设计 17世纪欧洲的航海、纺织等工业的兴起，对机械设计提出了许多技术需求。17世纪60年代出现了各种科学学会，英国率先成立了皇家学会，法国成立了巴黎皇家科学院，德国随后成立柏林科学院，这些机构开展的大量活动极大地促进了设计水平的进步。1687年，英国科学家牛顿(Newton)在《自然哲学的数学原理》一书中提出的运动三大定律和万有引力定律，为经典力学奠定了基础，也为机械技术革命和发展提供了理论指导。1738年，瑞典科学家伯努利(Bernoulli)在《流体动力学》中提出流体运动定律。1755年，瑞士科学家欧拉(Euler)确立黏性流体运动微分方程，在经典力学的基础上建立和发展了近代机械设计理论。1785年，英国科学家瓦特(Watt)改良蒸汽机并投入使用，为工业革命和机械设计的发展提供了强大动力。机械化使生产力迅速提高，社会发展进入了产业革命时代。1795年，巴黎理工学校专门开设数学、物理等课程，随后开设专业课程。这一时期，数学、力学的发展为机械设计提供了新的理论和计算方法，物理的发展为机械制造提供了新的技术手段，横断科学为机械系统的分析、控制提供了思想和方法论。 1841?年，英国机械学家威利斯(Willis)在其所著的《机构学原理》中给出“机械”的定义。1847年，英国成立了机械工程师学会，标志着机械工程作为独立学科得到认可。1854年，德国科学家劳莱克斯(Reuleaux)发表了《机械制造中的设计学》，将机械设计从力学中独立出来，建立了以力学和制造为基础的新的科学体系，由此形成的“机构设计学”成为机械设计中的基本内容。以此为基础，机械设计得到了迅速发展，机械设计理论也取得了大量的成果。 在近代设计中，设计在工业革命后蓬勃发展，设计方法也随之多样化。工业革命带来了先进的批量化生产方式，伴随着机器被用于各个生产领域，引发了一系列的重大变革，人类从此步入机器时代。工业化大生产所带来的劳动分工的精细化和生产过程的复杂化，使得设计从制造业中分离出来，成为一门独立的专业。这个时期，设计技术和方法的概念被明确界定并进入产品研发过程，其根本原因是手工艺生产制作水平已经满足不了人们的物质需求，是需求刺激了技术的产生和发展。 1.2.3　现代机械设计 第二次世界大战后，和平与竞争的国际环境更有利于经济和科技的进步。此时，作为机械设计理论基础的机械学以更快的速度发展，动态设计、精度设计、优化设计、人机设计、绿色设计、专家系统等，尤其是计算机辅助设计，均在机械设计中迅速得到推广，使机械设计更加专业化，也使设计方法呈现出多样化的特点。在机械工程领域中广泛应用的计算机技术和集成自动化技术都是现代机械设计的重要特征。 由于市场的激烈竞争，世界各国逐渐认识到产品的市场竞争力对经济发展的重要作用，德国率先将机械设计的新理论与新方法融入产品中，其后日本迅速赶超，并取得了巨大的经济效益，美国和英国逐渐认识到产品设计的重要性，也加入这个属于设计的世纪。机械行业在这一时期获得了空前的发展，机械设计方法日趋完善，“创新设计”“变型设计”“组合设计”等新方法层出不穷，进入21世纪后，先进技术更是日新月异，传统设计向以数字化设计为代表的先进技术快速发展。 1.3　计算机辅助设计 计算机辅助设计(computer aided design，CAD)是利用计算机快速的数值计算和强大的图文处理功能，辅助工程技术人员进行产品设计、工程绘图和数据管理的一门计算机应用技术，是计算机科学技术发展和应用中的一个重要领域。计算机辅助设计用于辅助图形的生成与设计的表达，以单纯地提高速度为其主要任务，并通过提供一些标准的图形和图例而兼顾规范性与美观性。随着科技的进步，CAD的外延不断扩大，逐渐囊括了为设计结构而由计算机辅助进行的分析、计算及虚拟仿真。 1.3.1　发展过程 CAD技术的发展阶段如图1-2所示。 1)CAD技术的萌芽时期 1946年，美国研制了世界上**台电子计算机，开启了信息时代。由于计算机具有高速运算和大容量信息存储功能，所以数值计算能在早期的计算机上初步实现，这也标志着计算机可应用于工程和产品设计计算。 图1-2　CAD技术的发展阶段 1950年，美国麻省理工学院在它研制的名为“旋风1号”的计算机中采用了阴极射线管(cathode ray tube，CRT)图形显示器，使得计算机可以显示一些简单的图形；20世纪50年代后期，在这一研发基础上，又出现了光笔图形输入装置、滚筒式绘图仪和平板绘图仪。这些图形输入输出设备的诞生，标志着CAD技术的萌芽。 2)CAD技术的起步时期 20世纪60年代是CAD技术的起步时期。1962年，美国麻省理工学院的Sutherland博士成功研制了世界上**个计算机图形系统——Sketch Pad系统，这标志着CAD技术的诞生。60年代中期，CAD的概念逐渐被接受，已经不仅仅局限于计算机绘图领域，而是扩展为以计算机为工具进行辅助设计。 随后，相继出现了许多具有代表性的商品化?CAD?系统，这在工业方面尤为突出。1964年，美国通用汽车公司研制出了DAC-1系统，该系统可用于汽车前窗玻璃型线设计；1965年，美国IBM公司与洛克希德飞机制造公司联合开发出了基于大型机的商用CAD/CAM系统，该系统具有三维线框建模、三维结构分析和数控编程等功能，使CAD在飞机工业领域进入了实用阶段；1966年，贝尔公司开发了价格低廉的实用型交互式图形显示系统——GRAPHIC。由于成本较低，许多与计算机辅助设计相关的系统从试验研究走向了实际应用，在提升效益的同时，极大地促进了计算机辅助设计技术和计算机图形学的迅速发展。 3)CAD技术的发展时期 20世纪70年代，由于计算机的迅猛发展，计算机辅助设计技术随之进入了快速发展时期。计算机硬件从集成电路发展为大规模集成电路，存储器、光栅扫描显示器、图形输入板等不同形式的图形输入输出设备等图形交互设备已经商品化。1973年诞生了**个实体造型(solid modeling)试验系统，于1978年推出了**代实体造型建模软件，此后的20年中实体造型技术成为CAD技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的计算机辅助设计软件系统，同时涌现了针对中小企业的商品化软件。70年代末，形成了各种计算机辅助设计系统功能模块，建模方法及理论得到了深入研究，CAD技术已经开始应用于更多工业领域。 4)CAD技术的普及时期 20世纪80年代，由于超大规模集成电路的出现，计算机硬件的成本显著降低，这极大地推动了计算机辅助设计技术的发展。在随后出现的基于PC和微机工作站的CAD/CAM系统被广泛应用，技术得到了突飞猛进的发展，在许多中小型企业也得到了普及。从装机容量来看，截至1986年，美国拥有大、中、小型机108万台，微机1466万台。 5)CAD技术的成熟时期 20世纪90年代以来，CAD技术的发展趋于成熟，不再停留在单一模式、单一功能、单一领域的水平，而是向开放性、标准化、集成化的方向发展。CAD结合企业管理平台的并行工程和协同工作的组织架构，支持更多的计算机辅助功能，为其技术的发展和应用提供了更为广阔的空间。近年来，以计算机辅助设计为基础的新方法与新技术受到越来越多的关注，并在实际设计活动中应用，不断提升着设计过程的自动化水平。 1.3.2　CAD技术的优势、影响与意义 1)优势 计算机可根据人的意图迅速做出反应，对于定制化产品，可利用专门的软件或程序提高设计速度。在计算机上进行修改设计工作比在图纸上进行修改简便易行，而且计算机可提供复制、查询、存储等功能，并能够直观地将设计结果展示出来，设计者根据计算机的显示可以做出快速反应，节省了大量的开发时间。 由于计算精度高和便于优化设计，设计人员在具备专业知识的基础上，利用CAD手段可以完成更高质量的设计。设计人员利用实体造型可以直观地在计算机中将产品绘制出来，采用先进的参数化设计、全相关数据库技术可以*大限度地提高产品的设计质量。 CAD系统所生成的设计结果以数据形式呈现，存储和检索都比较容易。在已经建立企业内部网络的前提下，采用产品数据管理技术易于实现全局性的管理，提高企业的管理水平。 2)影响