淺談現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

范麗娜

唐山冶金礦山機(jī)械廠，河北 唐山 063000

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械系統(tǒng)引入的新材料、新工藝、新方法越來越多，實(shí)現(xiàn)同一種技術(shù)功能所具有的功能載體和技術(shù)手段也很多，因此，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作者若使自己設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能立足市場，除要求機(jī)械系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能外，還應(yīng)使設(shè)計(jì)出的機(jī)械系統(tǒng)滿足物美價(jià)廉、運(yùn)行可靠、操作方便、對環(huán)境污染小等一系列要求。設(shè)計(jì)者只有通曉機(jī)、電、液等各種綜合技術(shù)，才能設(shè)計(jì)出性能價(jià)格比優(yōu)良的機(jī)械系統(tǒng)。

1 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

現(xiàn)代機(jī)械種類很多，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。但從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的角度上看，它主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱及控制系統(tǒng)等，每個(gè)系統(tǒng)又可根據(jù)需要繼續(xù)分解為更小的子系統(tǒng)?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)有其鮮明的特點(diǎn)，即不但要求設(shè)計(jì)對機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、物流技術(shù)、各零部件的材料、形狀、尺寸、潤滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析、計(jì)算，而且還需融通多門科學(xué)知識(shí)，如創(chuàng)造性工程、美學(xué)、仿生學(xué)、控制論、機(jī)械電子學(xué)、價(jià)值工程等，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品在市場中具有競爭力。

2 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)方法

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，簡稱CAD）技術(shù)是電子信息技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。這一新興學(xué)科能充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算和快速繪圖的強(qiáng)大功能為工程設(shè)計(jì)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)，徹底改變了傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)繪圖方式，極大地提高了產(chǎn)品開發(fā)的速度和精度，使得科技人員的智慧和能力得到了延伸。它把計(jì)算機(jī)所具有的運(yùn)算快、計(jì)算精度高、有記憶、邏輯判斷、圖形顯示以及繪圖等特殊功能與人們的經(jīng)驗(yàn)、智慧和創(chuàng)造力結(jié)合起來，從而減輕設(shè)計(jì)人員的體力勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。

CAD系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)；軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，它決定了系統(tǒng)所具有的功能。硬件和軟件的組合形成了CAD系統(tǒng)：1）軟件可分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件3個(gè)層次；2）系統(tǒng)軟件對計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行自動(dòng)管理和控制，它處于整個(gè)軟件的核心內(nèi)層，主要包括操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等；3）支撐軟件是幫助人們高效率開發(fā)應(yīng)用軟件的軟件工具系統(tǒng)，亦稱為軟件開發(fā)工具；4）應(yīng)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)以及它所提供的各種系統(tǒng)軟件和支撐軟件，自行編制的用于解決各種實(shí)際問題的程序。

計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程包括：1）建立數(shù)學(xué)模型：一般機(jī)械零件基本都有現(xiàn)成的數(shù)學(xué)模型，但對沒有數(shù)學(xué)模型的則首先要建立正確的數(shù)學(xué)模型；2）設(shè)計(jì)程序框圖：程序框圖根據(jù)手工計(jì)算的步驟來設(shè)計(jì)；3）用高級語言編制程序：根據(jù)程序框圖來編程；4）程序調(diào)試：程序編好后，先仔細(xì)檢查源程序，然后將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行試算，再對程序適用范圍的邊界、轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行試算，要求與手算結(jié)果完全吻合。

3 系統(tǒng)化機(jī)械設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)已突破傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)只注重機(jī)械產(chǎn)品單純能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的要求，使機(jī)械設(shè)計(jì)向自系統(tǒng)化、信息化、柔性化和智能化的方向發(fā)展。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)把原有機(jī)械產(chǎn)品的性能、功能以及制造技術(shù)提高到一個(gè)嶄新的水平，甚至使原有的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是巨大的。所以機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是用新興技術(shù)改造傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)的有力措施。

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)械產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)手段，則顯得力不從心，跟不上時(shí)代發(fā)展的需要。目前，計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)繪圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初期方案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的需要。

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)任務(wù)由抽象到具體(由設(shè)計(jì)的任務(wù)要求到實(shí)現(xiàn)該任務(wù)的方案或結(jié)構(gòu))進(jìn)行層次劃分，擬定出每一層欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機(jī)地聯(lián)系在一起，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化，使設(shè)計(jì)有規(guī)律可循，有方法可依，易于設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。

在系統(tǒng)化機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，為使設(shè)計(jì)工作更為科學(xué)合理，常把一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)分解為若干個(gè)相聯(lián)系的比較簡單的子系統(tǒng)，可使設(shè)計(jì)和分析比較簡便。根據(jù)需要和可能，各子系統(tǒng)還可再分解為更小的子系統(tǒng)，依次分解，直至能進(jìn)行適宜的設(shè)計(jì)和分析。系統(tǒng)分解時(shí)就注意以下幾點(diǎn)：1）分解數(shù)和層次應(yīng)適宜。分解數(shù)太少，子系統(tǒng)仍很復(fù)雜，不便于模型化和優(yōu)化工作，分解數(shù)和層次太多又會(huì)給總體系統(tǒng)的綜合造成困難；2）避免過于復(fù)雜的分界面。應(yīng)盡可能選擇在要素間結(jié)合枝數(shù)（聯(lián)系數(shù)）較少和作用較弱的地方；3）保持能量流、物料流和信息流的合理流動(dòng)途徑。通常機(jī)械系統(tǒng)工作時(shí)都存在著能量、物料和信息3種轉(zhuǎn)換，它們從系統(tǒng)輸入到系統(tǒng)輸出的過程中，按一定的方向和途徑流動(dòng)，既不可中斷，也不可紊流，即使分解成各個(gè)子系統(tǒng)，它們的流動(dòng)途徑仍應(yīng)明確和暢通；4）了解分系統(tǒng)分解與功能分解的關(guān)系與不同。系統(tǒng)分解時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)仍是一個(gè)系統(tǒng)，它把具有比較密切結(jié)合關(guān)系的要素結(jié)合在一起，其結(jié)構(gòu)組成雖稍微簡單，但其功能往往還有多項(xiàng)。而功能分解時(shí)，是按功能體系進(jìn)行逐級分解，直至不能再分解的單元功能。

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計(jì)與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求、設(shè)計(jì)、加工、裝配、成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中初露鋒芒。目前，機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢是綜合運(yùn)用系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí)，以產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)為方向。

[1]丁繼斌，封士彩.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，3.

[2]魏玉新.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法研究[J].裝備制造，2009(5).