當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的探討

徐東兵

摘 要：機(jī)械作為制造依據(jù)的過程，其主要目標(biāo)是：在各種各樣的限制條件下設(shè)計(jì)出較好的機(jī)械。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是按具體情況權(quán)衡輕重、統(tǒng)籌兼顧，使設(shè)計(jì)的機(jī)械具有最優(yōu)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，以滿足人們的各種需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；原理；方法；原則

隨著科技的進(jìn)步，新興學(xué)科和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，原來的一些機(jī)械設(shè)計(jì)方法已適應(yīng)不了當(dāng)今的時(shí)代潮流。特別是方案設(shè)計(jì)是目前智能化CAD的瓶頸之一，已成為各國設(shè)計(jì)學(xué)者研究和探討的熱點(diǎn)。本文從以下幾個(gè)方面淺談一下機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和方法。

1 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的概念和地位

機(jī)械設(shè)計(jì)是指根據(jù)對機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)成果，通過設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維，經(jīng)過反復(fù)調(diào)查、分析、論證、判斷做出決策，并采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)模型使之量化，最終將輸入的物料（毛坯、半成品等）、能量（機(jī)械能、電能、熱能等）或信號(hào)（測量值、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)等）轉(zhuǎn)化為功能完善、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合算、造型優(yōu)美、深受用戶歡迎的技術(shù)裝置或機(jī)械的過程。

機(jī)械設(shè)計(jì)是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一步，是決定機(jī)械產(chǎn)品性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，70%由設(shè)計(jì)階段決定。所以必須把好設(shè)計(jì)關(guān)。

2 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

隨著科技的進(jìn)步，設(shè)計(jì)水平發(fā)展很快。首先，機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和各種專業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)理的研究得到進(jìn)一步加強(qiáng)；其次，關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)研究得到加強(qiáng)。

2.1 通過設(shè)計(jì)來完善產(chǎn)品的功能及原理

任何一種機(jī)器的更新?lián)Q代都有三個(gè)途徑：一是改革工作原理；二是通過改進(jìn)工藝結(jié)構(gòu)和材料，提高技術(shù)性能；三是加強(qiáng)輔助功能，使其更適應(yīng)使用者的心理。特別是第二步、第三步，目前發(fā)展迅猛，開發(fā)得比較成熟。

2.2 通過設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品質(zhì)量

（1）基本性能方面。隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)一系列的新工藝、新材料，如硬質(zhì)合金材料的出現(xiàn)，使普通車刀在高速切削下的壽命大大提高。

（2）適應(yīng)能力方面。機(jī)械設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足產(chǎn)品的基本性能外，還要考慮工作情況發(fā)生變化時(shí)的產(chǎn)品適應(yīng)能力。如采用齒輪傳動(dòng)的自行車代替鏈傳動(dòng)，更能適應(yīng)在惡劣環(huán)境下的使用。

3 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)原則

機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

1.實(shí)用性原則 市場需求是設(shè)計(jì)動(dòng)力的源泉。機(jī)械設(shè)計(jì)首先要滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的基本功能和必要的輔助功能要求。

2.經(jīng)濟(jì)性原則 所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)盡量降低成本，提高附加值，提高經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。

3.安全性原則 所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)在技術(shù)上采取必需的、可靠的安全防護(hù)措施，保證操作者、管理者的人身安全和機(jī)器的安全。

4.優(yōu)化原則 所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到當(dāng)代科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平，產(chǎn)品制造和使用達(dá)到最佳水平，多種原理方案和設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到“最優(yōu)解”。

5. 可靠性原則 所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能，即不發(fā)生失效。

4 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法

設(shè)計(jì)理論是對產(chǎn)品原理和機(jī)理的科學(xué)總結(jié)，設(shè)計(jì)方法是使產(chǎn)品滿足以及判斷產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)原則的依據(jù)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是基于設(shè)計(jì)理論形成的，因而更具科學(xué)性和邏輯性。

4.1 利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的設(shè)計(jì)方法

在產(chǎn)品開發(fā)初期借助于設(shè)計(jì)方法學(xué)，利用多媒體工具進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)這一指導(dǎo)思想，利用數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論，同時(shí)考慮系統(tǒng)工程理論產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā)方法學(xué)，研制出適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件。根據(jù)這一設(shè)計(jì)方法，往往把產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程概括為產(chǎn)品規(guī)劃、開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)劃三個(gè)階段，并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

（1）產(chǎn)品規(guī)劃——構(gòu)思產(chǎn)品。其任務(wù)是確定產(chǎn)品的外部特征，如色彩、形狀、表面質(zhì)量、人機(jī)工程等，并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表示出來，建立能夠體現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品外形的簡裝模型。

（2）開發(fā)——設(shè)計(jì)產(chǎn)品。該階段主要根據(jù)系統(tǒng)合成原理，在立體模型上配置和集成解元素，把實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產(chǎn)品的配置進(jìn)行分析。產(chǎn)品配置分析是綜合產(chǎn)品規(guī)劃和開發(fā)結(jié)果的重要手段。

（3）生產(chǎn)規(guī)劃——加工和裝配產(chǎn)品。在這一階段中運(yùn)用CAD技術(shù)，用計(jì)算機(jī)圖案顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造型和裝配間的關(guān)系，由此發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)和問題，并找出解決問題的方法。借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，通過三維圖形軟件、多媒體和超媒體技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 積極開發(fā)發(fā)展綠色設(shè)計(jì)、制造

（1）綠色設(shè)計(jì)制造是現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造的可持續(xù)發(fā)展模式。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到環(huán)境與發(fā)展是密不可分的。要從根本上解決環(huán)境問題，必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式和消費(fèi)模式，即為資源型發(fā)展模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)型發(fā)展模式，依靠科技進(jìn)步，節(jié)約資源和能源，提高效益，減少廢物排放，實(shí)施清潔生產(chǎn)和文明消費(fèi)，建立資源與環(huán)境相聯(lián)系的新的發(fā)展模式。這是人類探索了幾個(gè)世紀(jì)終于領(lǐng)悟到的發(fā)展觀——可持續(xù)發(fā)展。

（2）發(fā)展綠色設(shè)計(jì)制造將為企業(yè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。開發(fā)綠色設(shè)計(jì)制造是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是每個(gè)企業(yè)家必須考慮的企業(yè)行為，但是不少企業(yè)認(rèn)為綠色制造投入大，見效慢，經(jīng)濟(jì)效益不如直接抓成本、抓產(chǎn)量、抓品種等見效快，因而無視對環(huán)境的污染，甚至寧愿被罰款，也不愿采取措施。

實(shí)際上，環(huán)境全面改善，一方面可改善員工的健康狀況和提高工作安全性，減少不必要的開支；另一方面在綠色制造環(huán)境下工作的員工心情舒暢，有助于提高員工的主觀能動(dòng)性和工作效率，以創(chuàng)造出最大的利潤，使企業(yè)具有更好社會(huì)形象，為企業(yè)增加無形資產(chǎn)。

（3）發(fā)展綠色制造將推動(dòng)新一輪技術(shù)創(chuàng)新。在全球性競爭日趨激烈的背景下，利用高新技術(shù)和現(xiàn)代化管理來提高生產(chǎn)率，節(jié)約自然資源投入，以及節(jié)約勞動(dòng)和各種形式的資本，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長與發(fā)展的主要源泉。事實(shí)上，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造技術(shù)，從企業(yè)組織到營銷策略的制定，一批綠色制造技術(shù)與概念已經(jīng)在發(fā)展之中。

5 機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與展望

目前，機(jī)械設(shè)計(jì)還仍處于半理論半經(jīng)驗(yàn)的階段。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，近30多年來機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)生了較大變化，設(shè)計(jì)理論更新穎，設(shè)計(jì)方法更科學(xué)、更完善，計(jì)算精密度更高，計(jì)算速度更快了。

從某種意義上說，機(jī)械設(shè)計(jì)是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的現(xiàn)代化。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)給機(jī)械工程界帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益，隨著技術(shù)更新和產(chǎn)品競爭的加劇，優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展前景非常的廣闊。但我們?nèi)孕桕P(guān)注的是，在優(yōu)化技術(shù)水平得到了提高的同時(shí)，國內(nèi)機(jī)械加工或工藝水平、加工手段和制造技術(shù)也應(yīng)配套提升才行。

參考文獻(xiàn)

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