1引言
在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)已獲得普及。對于大多數(shù)企業(yè)來說，甩圖板工作，即是二維繪圖軟件應(yīng)用。這種應(yīng)用要求設(shè)計(jì)者先將經(jīng)過思考得到的產(chǎn)品，通過手工方式用工程草圖表達(dá)，或在大腦中轉(zhuǎn)換成工程圖格式，通過計(jì)算機(jī)鍵盤等方式輸入計(jì)算機(jī)，用顯示器輸出得以與大腦交換信息，用于后續(xù)修改、交流、存儲、繼承、重用等。
隨著軟件產(chǎn)品水平的提升，機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)入了三維軟件的應(yīng)用。而目前的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，在設(shè)計(jì)方面的核心均是基于特征的，在圖形處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面是基于集合論、矩陣論。在設(shè)計(jì)流程上為自下而上，從零件的設(shè)計(jì)開始，經(jīng)過裝配成為整個產(chǎn)品，最后進(jìn)行整機(jī)性能評價和仿真。這些都要求設(shè)計(jì)者先將產(chǎn)品的總體方案通過大腦思考，并用手工方式表達(dá)出來，經(jīng)過分解獲得組成零件，通過計(jì)算機(jī)鍵盤等方式輸入計(jì)算機(jī)，由顯示器交互的和設(shè)計(jì)者進(jìn)行信息交換、修改、交流、存儲、繼承、重用等。按照傳統(tǒng)習(xí)慣和機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，這些軟件還不能滿足產(chǎn)品的全程設(shè)計(jì)，尤其是系列化設(shè)計(jì)的要求。
隨著制造業(yè)水平的提升，尤其是建設(shè)創(chuàng)新型國家，需要大量接受過高等教育的設(shè)計(jì)者具有自主創(chuàng)新和原始創(chuàng)新的能力。而產(chǎn)品的創(chuàng)新關(guān)鍵在于概念或方案設(shè)計(jì)時期。如何本著市場決定技術(shù)的原則，讓計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的作用，如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)，而不僅是甩圖板，意義重大。

2產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)化中的問題
當(dāng)前機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自動化、軟件化是機(jī)械行業(yè)技術(shù)升級換代，滿足產(chǎn)品的市場需求和適應(yīng)個性化產(chǎn)品特點(diǎn)的必由之路。但相當(dāng)多的設(shè)計(jì)者和中小型機(jī)械企業(yè)在將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合中，存在一定困惑：如何充分利用計(jì)算機(jī)及其已經(jīng)商品化的軟件，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行創(chuàng)新，將思維結(jié)果轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)表達(dá)的形式，使得產(chǎn)品構(gòu)造、動力性能、力學(xué)性能、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等可以順暢的通過計(jì)算機(jī)技術(shù)植入設(shè)計(jì)過程。為此，可以先考察現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)應(yīng)用狀況?？疾鞆能浖膽?yīng)用與開發(fā)這2個方面著手。其中關(guān)鍵是軟件開發(fā)，捷徑是軟件的2次開發(fā)。國內(nèi)外的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中涉及到的軟件有如下特點(diǎn)。
(1)具有通用性和專用功能的大型軟件，如AUTOCAD，CAXA等可用于機(jī)械產(chǎn)品的工程圖繪制；ANSYS等可用于產(chǎn)品或零部件的力學(xué)性能分析；Solidworks、Pre／E等可用于機(jī)械產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，價格昂貴，而已有功能卻不能充分發(fā)揮作用，所需功能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能具備是其明顯特征。
(2)軟件業(yè)在追逐大而全、大投入、大風(fēng)險、大回報的軟件。使得軟件開發(fā)成為一項(xiàng)需要大量知識、技術(shù)、人力、物力、財力、時間等投入的工程項(xiàng)目?；ù罅繒r間和精力研究高深的軟件研發(fā)技術(shù)和知識成為學(xué)術(shù)潮流，而忽視或脫離實(shí)際應(yīng)用對知識、技術(shù)、方法的具體需求，即市場決定技術(shù)原則。
(3)大型的、專有化程度高的機(jī)械企業(yè)(主要是飛機(jī)、汽車、船舶等)使用了功能齊全、自動化程度高的設(shè)計(jì)軟件，這是巨額投資得來的。對于中小型企業(yè)則不可企及。
(4)軟件開發(fā)是由專業(yè)化的軟件開發(fā)公司進(jìn)行的，其人員組成以計(jì)算機(jī)專業(yè)人才為主。專業(yè)化的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，因種種原因難以面世。以機(jī)械工程人員為主的軟件開發(fā)存在知識缺陷，中小企業(yè)存在人員與資金困難等。

3產(chǎn)品設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)的特點(diǎn)
3．1機(jī)械產(chǎn)品、設(shè)計(jì)過程及表達(dá)
機(jī)械產(chǎn)品和軟件產(chǎn)品都是人造物。作為人造物的機(jī)械產(chǎn)品的形成過程是人的大腦思維的連續(xù)變化過程，是對人造物需求的認(rèn)知過程，是抽象概念的具體化過程，是人對設(shè)計(jì)資源的運(yùn)用過程。而思維的連續(xù)性受制于大腦的短時記憶特性，這樣，分段和腦外記載的輔助方式成為必然，而這種記載受制于人的認(rèn)知方式及其專業(yè)訓(xùn)練。其次，思維的層次性通過短時記憶而能抓住本質(zhì)，人們解決問題會將其逐級分解，從抽象到具體，從大概念到小概念(內(nèi)涵、外延)，同層次概念按等級在相應(yīng)的層次予以考慮和解決等?；诖竽X思維與產(chǎn)品概念表達(dá)的層次性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程是從市場需求、概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)到施工設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)活動，通常都會有形象思維與邏輯思維相伴，有概念、參數(shù)、圖形、圖像相隨?？梢杂谜Z言、文字、圖形與圖像、各種符號等來表達(dá)。由于設(shè)計(jì)過程中的各個階段要利用不同學(xué)科的知識，設(shè)計(jì)不同的階段則要使用恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)形式構(gòu)成相應(yīng)的機(jī)械產(chǎn)品模型。由各個不同階段組成設(shè)計(jì)過程模型，以利于人的思考和相互溝通。人的思維取決于對問題的認(rèn)知、對需求的理解，包括機(jī)械產(chǎn)品的工作原理、基本構(gòu)造、系統(tǒng)的動態(tài)特性、加工制造、形態(tài)與美學(xué)、環(huán)境與應(yīng)用等。思維的結(jié)果是創(chuàng)造一個更符合當(dāng)前或未來的需求的新東西。就機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)而言，要將概念具體化為功能、性能、構(gòu)造、機(jī)構(gòu)、加工制造要求等具體參數(shù)。
人們在思考問題時，由于短時記憶的特點(diǎn)，通常會關(guān)注最有價值、信息量最大、最熟悉、已經(jīng)證明是成功的東西。就是通常說的，為了能使問題的解決抓住本質(zhì)，分級建立模型是必要的。首先應(yīng)該建立機(jī)械產(chǎn)品從雛形到實(shí)體的全局模型，也就是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程模型或說設(shè)計(jì)規(guī)劃，以便弄清楚機(jī)械產(chǎn)品實(shí)體如何在腦內(nèi)產(chǎn)生，如何從抽象到具體，這就是設(shè)計(jì)流程。

3．2機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
(1)藝術(shù)性機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程是一個形象思維與抽象思維共同創(chuàng)造的過程。同樣的產(chǎn)品，不同的人會有不同的設(shè)計(jì)過程，會獲得不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。這是不同的人因不同的經(jīng)歷和知識積累對需求的不同理解造成的。而在大腦中抽象概念是由形象思維，也就是由圖像、及其包含特征的圖形簡化形式來表達(dá)的。
(2)工藝性大量的機(jī)械產(chǎn)品都是為特定的工藝過程及其各階段的功能要求而設(shè)計(jì)的，這使得特定的、優(yōu)良的機(jī)械產(chǎn)品必須具有滿足給定工藝要求的功能，它決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個性特征。另一方面還涉及機(jī)制工藝問題。
(3)個性與優(yōu)化隨著需求的個性化張揚(yáng)，機(jī)械產(chǎn)品更趨于含有特殊元素、異化特征的個性化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。市場使得個性化與人性化的產(chǎn)品必須經(jīng)過優(yōu)化而獲得高性價比的產(chǎn)品。優(yōu)化是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上的。
(4)適應(yīng)與更新大量的中小型機(jī)械企業(yè)設(shè)計(jì)更新能力差，很難適應(yīng)時刻變化的市場需求。這些特點(diǎn)與當(dāng)今流行的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的特點(diǎn)之間存在著很大的鴻溝。使得大量的中小型企業(yè)對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用難以深入進(jìn)行。同時由于產(chǎn)品的更新能力差，市場競爭力降低，造成計(jì)算機(jī)應(yīng)用人員匱乏，加劇了企業(yè)的生存困難程度。
3．3機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件化的特點(diǎn)
(1)軟件設(shè)計(jì)的藝術(shù)性軟件開發(fā)實(shí)質(zhì)上是軟件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，也是一個創(chuàng)造性的過程。同樣的軟件產(chǎn)品，不同的人會有不同的設(shè)計(jì)過程，獲得不同的解決方案。
(2)專業(yè)化機(jī)械產(chǎn)品都是為特定的工藝過程而設(shè)計(jì)的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程軟件化必然具有專有功能，使得軟件開發(fā)帶有典型的專用特征。
(3)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)保密軟件化需要大量的計(jì)算機(jī)專業(yè)人員參與，這使得機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)保密成為難題，使得機(jī)械設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)與靈感的應(yīng)用成為障礙。
(4)專業(yè)計(jì)算機(jī)知識與技術(shù)軟件化對計(jì)算機(jī)軟硬件方面的知識與技術(shù)的需求使得設(shè)計(jì)者望而卻步。人力、財力、時間與精力的投入使得中小型機(jī)械企業(yè)想要獲得軟件開發(fā)更是異想天開?？蓪C(jī)械產(chǎn)品與軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)的2種藝術(shù)結(jié)合在一起，解決人力、財力、時間與精力的投入問題。按照總體規(guī)劃將機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程參數(shù)化，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)、交互技術(shù)等轉(zhuǎn)化為軟件化的設(shè)計(jì)過程。
3．4機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件化方法
本文以機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求為目標(biāo)，以機(jī)械行業(yè)的軟件需求為宗旨，以設(shè)計(jì)者的知識為基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，融合軟件設(shè)計(jì)的最基本知識體系，使設(shè)計(jì)者在較短的時間內(nèi)(1年)，經(jīng)過必要的自修或培訓(xùn)，獲得自主進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟件化工作，最大限度的保護(hù)技術(shù)秘密和知識產(chǎn)權(quán)，發(fā)揮設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造性，降低軟件開發(fā)門檻。使設(shè)計(jì)者在最少時間和知識投入下，獲得機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件化的能力，使中小型機(jī)械制造企業(yè)獲得機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。
通過多年來對若干機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、開發(fā)過程的分析總結(jié)，對軟件開發(fā)方法及其計(jì)算機(jī)語言的研究總結(jié)，獲得了一些基本的解決方法。
機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是1個逐步逼近的過程，相當(dāng)于數(shù)學(xué)中求解超越方程的過程。這對有著鮮明時序特點(diǎn)和以嚴(yán)格的邏輯進(jìn)程為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的計(jì)算機(jī)來說，是1個突出的矛盾。解決這個矛盾的方法是可以利用機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程，用流程中的局部逼近，獲得流程整體的時序與邏輯進(jìn)程。

4塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)流程與軟件實(shí)現(xiàn)
機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品特點(diǎn)、個人設(shè)計(jì)習(xí)慣密切相關(guān)，其設(shè)計(jì)方法與過程因涉及團(tuán)隊(duì)的經(jīng)歷、知識儲備、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等而異，其流程也具有多樣性，但基本原則和規(guī)律還是有章可循的，即可以找到一些共性的東西。如按照機(jī)械產(chǎn)品的功能、動力學(xué)特性、工作原理、系統(tǒng)特性等分析其設(shè)計(jì)流程。按照產(chǎn)品的力學(xué)原理，比如起重機(jī)械，其共性是提升機(jī)構(gòu)有共性，設(shè)計(jì)基本過程基本相同，而支撐構(gòu)造與產(chǎn)品的用途和工作環(huán)境有關(guān)。據(jù)此可獲得圖1所示基本流程。流程的軟件化實(shí)現(xiàn)涉及到如下問題。
(1)模型化將起重機(jī)械及設(shè)計(jì)過程用簡約符號表示。這些符號是物理、力學(xué)、機(jī)械原理與零件等學(xué)科中約定的符號。并由物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，即用數(shù)學(xué)學(xué)科中的符號(字母和算法符號)表達(dá)數(shù)學(xué)模型。將物理和數(shù)學(xué)模型用軟件模型中的符號(主要是邏輯關(guān)聯(lián)符號，如框圖或流程圖)表達(dá)設(shè)計(jì)過程(見圖2)，最終翻譯為用計(jì)算機(jī)高級語言描述的指令序列。

圖2起重機(jī)械子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

(2)工具選擇根據(jù)現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)者的實(shí)際情況，以VisualBASIC為開發(fā)工具有許多優(yōu)點(diǎn)。語言易學(xué)易用，Visula BASIC可輕易獲得友好的界面，有部分的面向?qū)ο蠊δ?，易于后續(xù)擴(kuò)展和重用，可通過ActiveX Automation技術(shù)，在零件的特征數(shù)據(jù)庫中獲取零件數(shù)據(jù)，可操縱CAXA或Auto CAD以便由數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)自動完成機(jī)械零件各圖元的繪制。
(3)保密與經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)品的技術(shù)保密問題與設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是機(jī)械產(chǎn)品軟件化的一大障礙。在以設(shè)計(jì)者為主導(dǎo)的軟件化方法中，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件將設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品的技術(shù)保密設(shè)置在運(yùn)行的軟件以外，通過人機(jī)交互方式，經(jīng)設(shè)計(jì)界面對話得以完成。也可使軟件開發(fā)的組成單元的擴(kuò)充。在代碼編寫階段由大量掌握設(shè)計(jì)知識較少的計(jì)算機(jī)專業(yè)或其他人員來處理，可提高保密性，增強(qiáng)軟件開發(fā)效果。
(4)計(jì)算與構(gòu)造構(gòu)造問題主要涉及到幾何造型，這部分工作變化大、創(chuàng)造性多、形象思維的成分占主導(dǎo)地位，可在軟件以外進(jìn)行。對產(chǎn)品性能影響巨大的、大量的繁瑣計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化則完全通過計(jì)算機(jī)軟件完成，這方面有許多成功的實(shí)例借鑒。無論是局部優(yōu)化與整機(jī)優(yōu)化，核心是參數(shù)化問題，在流程中進(jìn)行逐步逼近主要是這方面的工作。它可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的特長。

5結(jié)論
面對所有的設(shè)計(jì)者和中小型機(jī)械制造企業(yè)，不是簡單的甩圖板和2次開發(fā)。通過該方法的研究，獲得簡便可行、實(shí)用高效、具有極強(qiáng)的可操作性的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)方法，以提高設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)過程的重用性，降低勞動強(qiáng)度。該方法對那些進(jìn)行改進(jìn)、變形、系列化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)尤為有用。