機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念及方法探討

宋傳超 門(mén)連秀

1.山東捷科采油設(shè)備有限公司 山東東營(yíng) 257100；2.東營(yíng)區(qū)城市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 山東東營(yíng) 257100

機(jī)械機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。從機(jī)械產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈條觀察，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中包括諸多構(gòu)成要素。比如，產(chǎn)品尺寸、構(gòu)思原理、結(jié)構(gòu)形狀、性能等。這些構(gòu)成要素或標(biāo)準(zhǔn)要求與機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型關(guān)系密切，具體可以關(guān)聯(lián)到構(gòu)型設(shè)計(jì)的基本原理、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法[1]。

1 機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念

1.1 組合對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)理念

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)性是基礎(chǔ)，但是在設(shè)計(jì)當(dāng)中不能僅考慮單個(gè)部件上的對(duì)稱(chēng)性，需要針對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)整體上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在組合對(duì)稱(chēng)部件當(dāng)中，通常都是表現(xiàn)為多基準(zhǔn)組合形式，也就是螺旋線直齒齒輪副還是一個(gè)單個(gè)主體組合的元器件，通過(guò)對(duì)齒輪和中點(diǎn)進(jìn)行垂直、平行、旋轉(zhuǎn)處理即可得出中心軸，并以這個(gè)中心軸為基準(zhǔn)展開(kāi)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。多個(gè)對(duì)稱(chēng)主體組合就可以分為兩類(lèi)，一是對(duì)稱(chēng)零件與多個(gè)零件對(duì)稱(chēng)要素組合，例如齒輪條設(shè)計(jì)當(dāng)中，要求旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)齒輪與平移對(duì)稱(chēng)齒輪條嚙合，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、平面直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換；二是在機(jī)械機(jī)構(gòu)當(dāng)中的跨件對(duì)稱(chēng)，也就是跨件之間的對(duì)稱(chēng)組合。若要實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中各個(gè)組件之間的對(duì)稱(chēng)性，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械的順暢、平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 機(jī)械組合

組合也是機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要元素，而優(yōu)化設(shè)計(jì)更多是加強(qiáng)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行的順暢度，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須要做好機(jī)械機(jī)構(gòu)內(nèi)部的優(yōu)良組合。機(jī)械組合大體可以分為單層組合和多層組合兩種形式。在單層組合當(dāng)中，通常是多個(gè)零部件之間組合成的整體，如蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就是蝸桿和蝸輪串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)直線的運(yùn)動(dòng)形式。同時(shí)拉鏈兩側(cè)多對(duì)嚙齒是單層并聯(lián)組合，也就是機(jī)械結(jié)構(gòu)的合并，通常是呈現(xiàn)為Y軸對(duì)稱(chēng)形式。多層組合當(dāng)中，可以分為多種組合形式。多層組合通常是3個(gè)或3個(gè)以上的單層組合聯(lián)合體，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為整體的滑移對(duì)稱(chēng)，在低層次當(dāng)中，轉(zhuǎn)輪之間也要實(shí)現(xiàn)嚙合，最終形成嵌套形式。

2 系統(tǒng)模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)優(yōu)化指的是，設(shè)計(jì)人員先將機(jī)械機(jī)構(gòu)視作一個(gè)整體，將優(yōu)化流程看作是完整的結(jié)構(gòu)。將每一個(gè)優(yōu)化元素視作單獨(dú)的部件，明確這些單獨(dú)部件存在密切聯(lián)系的關(guān)系。這樣的層次化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)元素既是單獨(dú)的個(gè)體，又是共同的整體，能夠達(dá)成整體優(yōu)化的目的。目前來(lái)看，機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)模式一般是按照德國(guó)VDI2221設(shè)計(jì)方式。當(dāng)然也有一些機(jī)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)采用的是我國(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)設(shè)想。根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，質(zhì)量功能分部位首先根據(jù)用戶(hù)需求明確機(jī)械結(jié)構(gòu)基本功能和特征，之后根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能特征確定各個(gè)零部件的特征。將零部件特征作為核心，在討論和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中明確零件工藝特征。最后按照工藝特征分析，得出系統(tǒng)優(yōu)化作業(yè)特征，決定最后的系統(tǒng)優(yōu)化方法。系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)建立在將產(chǎn)品視作整體系統(tǒng)，通過(guò)不同區(qū)域和不同特征的規(guī)劃與明確，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的整體性設(shè)計(jì)，最終得出產(chǎn)品成品的設(shè)計(jì)結(jié)果。代表性設(shè)計(jì)方法包括鍵合圖法、舉證設(shè)計(jì)法、構(gòu)思設(shè)計(jì)法、圖形建模法、設(shè)計(jì)元素法等。每一種方法都需要結(jié)合系統(tǒng)完成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與方案的制定[2]。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的進(jìn)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用展望

3.1 進(jìn)化設(shè)計(jì)方法及在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中應(yīng)用進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，主要可以借助進(jìn)化算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施優(yōu)化處理。從結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面分析，可以借助當(dāng)前的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，使組合原理下的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)各個(gè)機(jī)構(gòu)要素在組合中的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)計(jì)、分析，優(yōu)化計(jì)算后得到更為合理的優(yōu)化參數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)、完善。

3.2 進(jìn)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用展望

由于進(jìn)化設(shè)計(jì)問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜，在空間結(jié)構(gòu)解構(gòu)、過(guò)程求解運(yùn)算、設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面均有顯著特征。因而需要對(duì)其原理與研究?jī)?nèi)容進(jìn)行一些具體分析，并完成它向機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方面的轉(zhuǎn)用。在進(jìn)化設(shè)計(jì)方法中先要弄清楚相關(guān)術(shù)語(yǔ)、表達(dá)方式；相對(duì)而言這種進(jìn)化設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜，也不易實(shí)踐。還需要在未來(lái)增加機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方面的信息化水平、自動(dòng)化水平，從而逐步實(shí)現(xiàn)向更為智能的進(jìn)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型。

3.3 以產(chǎn)品特征為基礎(chǔ)開(kāi)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

①基于實(shí)例開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)法。采用框架結(jié)構(gòu)構(gòu)建工程實(shí)例、概念體，對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行描述，以實(shí)例為基礎(chǔ)來(lái)推理對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行分析，配比實(shí)例標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。②編碼法。編碼法的核心理念是“運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行整理和分類(lèi)。通過(guò)組建機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)信息（知識(shí)庫(kù)）數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)加入智能化技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容與編碼設(shè)置有關(guān)。③知識(shí)混合型表達(dá)法。也就是把過(guò)程、規(guī)則、框架、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行整合，從而得出綜合性非常強(qiáng)的知識(shí)方法，能夠確保不同機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。在機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中適應(yīng)性非常強(qiáng)。④目錄優(yōu)化。采用三級(jí)遞進(jìn)法，機(jī)構(gòu)組件→功能塊→功能元解，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并利用利用優(yōu)化設(shè)計(jì)輔助方案完成設(shè)計(jì)[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化必然會(huì)在發(fā)展的過(guò)程中，受到先進(jìn)技術(shù)影響?，F(xiàn)如今我國(guó)也將機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)優(yōu)化，朝向計(jì)算機(jī)結(jié)合方向前進(jìn)。如今機(jī)械機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法在國(guó)內(nèi)外均已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注，并取得了一些成效。我國(guó)設(shè)計(jì)學(xué)者也意識(shí)到了CAD制圖的應(yīng)用價(jià)值，廣泛的使用CAD制圖實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化?？梢哉f(shuō)未來(lái)的機(jī)械行業(yè)發(fā)展，是一定離不開(kāi)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的。