機械結(jié)構(gòu)設計中的創(chuàng)新設計應用研究

林振生

（三贏科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

機械產(chǎn)品設計可以幫助產(chǎn)品進行功能創(chuàng)新與多樣的提高，從而滿足人們的實際使用需求。所以，設計人員在進行機械結(jié)構(gòu)設計時需要時刻創(chuàng)新，確保機械結(jié)構(gòu)除了高精準的特色之外，還有足夠的創(chuàng)新性，進而才能在機械設備市場中站穩(wěn)腳跟。機械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中結(jié)構(gòu)的設計十分重要，結(jié)構(gòu)設計的好壞決定了機械設備的性能，因此，設計時需要在材料、尺寸與多方面因素的基礎上，進行設計質(zhì)量的保障。

1 機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計概述與重要性

機械結(jié)構(gòu)決定了機械性能的質(zhì)量，機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可以在原理、形狀與性能等方面進行研究，在進行機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新時不能對機械的實用性產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的機械的使用模式已經(jīng)十分固定，而創(chuàng)新設計則可以將這種固定打破，進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大膽嘗試。在進行機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計時，設計人員應當在傳統(tǒng)設計的技術(shù)上進行經(jīng)驗的總結(jié)，然后再進行創(chuàng)新型的改變，保證創(chuàng)新后的機械機構(gòu)還是可以正常使用的。因此，需要設計人員進行創(chuàng)新意識的提高，摒棄傳統(tǒng)設計理念，使用新工藝、新材料、新技術(shù)等方式進行機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，從而進行機械制造領域生命力的提高，完善機械設備的穩(wěn)定性與安全性。

2 機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計方式

2.1 材料變元法

機械產(chǎn)品中的每個不同零件的原材料也是不同的。形狀一致、材料卻不同的零件在相同的機械結(jié)構(gòu)中的作用也是不一樣的，現(xiàn)在已經(jīng)在機械創(chuàng)新設計構(gòu)成中大量使用材料變元法。材料變元十分科學，可以將各個模塊進行優(yōu)化，再進行合理的組合，最終成為全新的產(chǎn)品。

2.2 數(shù)量變元法

每個機械產(chǎn)品設備都是整體的機械系統(tǒng)，設備的作用與零件都各不相同。在進行計算與設計時，研究人員需要針對各個不同的結(jié)構(gòu)尺寸進行仔細的研究，最后再選擇最適合的組合排列方法。

有些設備中的零件較多，研究人員需要耐心的進行數(shù)據(jù)的盤查，也可以在保障產(chǎn)品性能與設計的前提下，尋找功能一致的零件進行替換。

2.3 位置變元法

零件的位置若發(fā)生變化，那么同樣數(shù)量與零件的機械產(chǎn)品也會發(fā)生功能與特性的改變，因此，設計人員需要進行機械結(jié)構(gòu)設計過程中尺寸變元的保證，尋找最合適的零件尺寸，從而優(yōu)化零件應用方案。除此之外，還需要進行零件性能的重視，對零件的尺寸與樣式進行合理的改變，確保機械結(jié)構(gòu)的正常運轉(zhuǎn)。設計人員在設計機械結(jié)構(gòu)時，需要盡可能的將零件尺寸進行縮小，再將機械結(jié)構(gòu)設計進行模式化，讓內(nèi)部零件可以持續(xù)的協(xié)調(diào)與運行后，再將機械結(jié)構(gòu)的外形進行縮小。

2.4 聯(lián)通變元

機械結(jié)構(gòu)的聯(lián)接方式包括了盈聯(lián)接、螺紋聯(lián)接與鉚接等，不一樣的聯(lián)接方式都有不一樣的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。將聯(lián)接結(jié)構(gòu)與聯(lián)接方式進行改變，就會將結(jié)構(gòu)方案進行改變。

2.5 尺寸變元

尺寸變元可以幫助部分元器件從形狀發(fā)生，從而促進其優(yōu)化目的。主要可以針對長、寬且高的元器件進行尺寸變元。部分機械生產(chǎn)技術(shù)在進行材料彈性的改變時，可以針對這些材料進行嚴格的計算與核查后再進行改變，減少因為材料不合格而引發(fā)的整體設計扭曲與變形情況。

2.6 工藝變元

結(jié)構(gòu)設計與工藝的聯(lián)系十分緊密，因為零件的制造工藝各不相同，所以，零件與機械的制造成本、性能與質(zhì)量也有很大的區(qū)別，也因此對機械設備的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

3 機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計的應用

3.1 結(jié)構(gòu)變異化設計

使用變異化設計來進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，獨立設計方案時需要滿足技術(shù)要素的支持。正常情況下，材料、聯(lián)結(jié)點與零件形狀等要素都屬于結(jié)構(gòu)技術(shù)，下面就從功能面、材料種類與聯(lián)接點進行分析。

（1）功能面。利用零件間的關(guān)系與位置進行功能作用的發(fā)揮。零件的表面控制了零件的形狀，為了確保其作用的有效發(fā)揮，零件中的功能面會偏多。機械的實際運行過程中，零件的表面、零件與加工物體之間會頻繁的進行接觸摩擦，而這些接觸摩擦的零件表面就屬于功能面。功能面會對機械性能產(chǎn)生本質(zhì)的影響，利用變異化設計進行各種方案的呈現(xiàn)，從而帶來不同的效果。順序、尺寸、位置、數(shù)量與形狀等參數(shù)會對功能表面帶來影響，各個參數(shù)在變異的情況下都會產(chǎn)生不一樣的功能面效果。

（2）材料的種類。在加工工藝各不相同時，首先需要進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的確認，再進行材料的科學選擇，按照不同的材料進行工藝的明確，并在工藝確定結(jié)構(gòu)的基礎上，進行創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的發(fā)揮。材料選擇時需要考慮其成本高低、質(zhì)量好壞與性能強弱等情況。在設計機械結(jié)構(gòu)時，首先要確認材料的性能，例如鑄鐵材料，其抗壓性能強，抗拉性能卻很弱，所以，在使用鑄鐵材料進行結(jié)構(gòu)設計時，需要保持其抗壓狀態(tài)。

（3）聯(lián)接點。零件在互相不接觸的前提下會包含六個自由度，當零件進行互相聯(lián)接時，會對自由度產(chǎn)生多少不等的局限性，保留有需要的自由度，讓其維持原有運動關(guān)系工作，再針對其他的自由度展開創(chuàng)新與改變。聯(lián)接指的是零件之間在摩擦接觸時，方法的不同會導致零件功能面產(chǎn)生不一樣的功能面形態(tài)，而零件之間不同的緊固力也會造成自由度的不同。

3.2 結(jié)構(gòu)性能化設計

（1）提高剛、強度。機械在運轉(zhuǎn)的過程中，局部會產(chǎn)生受力偏大的情況，為了避免此情況的發(fā)生，可以在進行結(jié)構(gòu)設計的時候，合理的分散荷載力，與此同時再將結(jié)構(gòu)分擔里提高，在使用機械設備時，將支撐套加在集中受力的區(qū)域，也可以進行荷載的有效分擔。機械在傳動作業(yè)過程中，不做功的力無法將物體進行有效的轉(zhuǎn)移，因此，需要進行零件與其他荷載間平衡力的保持，從而保證整體的平衡，結(jié)構(gòu)的承受力也得到了有效的提高。為了確保零件的剛度，除了進行材料的優(yōu)選之外，還要進行應力集中的避免，減少結(jié)構(gòu)承載出現(xiàn)問題的概率。

（2）提升工藝性。切削類的機床需要利用夾持面來進行裝卡的輔助工作，所以，需要確保夾持面剛度足夠，為了提高工作效率，還可以減少加工物裝卡的頻率。若可以同時進行多個產(chǎn)品的加工操作，就能有效的減少工作時間，提升切削效率。

（3）提高精度。在機械結(jié)構(gòu)建筑的設計與制造過程中，會產(chǎn)生誤差，從而對機械帶來多少不等的影響。因此，需要從結(jié)構(gòu)設計這個源頭進行因為結(jié)構(gòu)變形、材料較差或溫度變化原因?qū)е碌恼`差的減少，提高機械的精度。除此之外，還需要進行對誤差敏感度的提升，在減少創(chuàng)新結(jié)構(gòu)誤差的同時，進行產(chǎn)品質(zhì)量的保證。另外，機械內(nèi)部構(gòu)件中連接處過多，也會對產(chǎn)品的精度造成影響。

3.3 結(jié)構(gòu)宜人化設計

（1）減少疲累感。大多工作人員會長時間使用同樣的姿勢進行機械設備的操作，所以，在設計機械結(jié)構(gòu)時，要降低操作壓力，避免操作人員因為過分疲累而影響工作質(zhì)量。在創(chuàng)新設計機械結(jié)構(gòu)時，要注重機械外形的柔和性，滿足工作人員的需求，在進行長時間操作后也不會感覺十分疲累，保證設計的宜人化。

（2）確保操作性。工作人員在進行機械操作時，會因為位置、方向與力度的不同而產(chǎn)生不一樣的操作感。正常情況下，右手的力度更大，力度大小也會因為身體姿勢的區(qū)別而產(chǎn)生不同，工作人員在坐著的時候，腳部的力度是最大的，因此，當設備需要很大的力度才能操作時，操作人員可以使用腳力來取代手動。在進行結(jié)構(gòu)設計時，需要注意手柄、手輪與杠桿宜人化的設計，在使用時確保不會產(chǎn)生移動的情況。在使用腳部發(fā)力時，需要有合適的座椅，踏板放在中間，還要安排靠背做后部力量的支撐。

（3）預防錯誤使用。設計零件時以形狀簡單、易辨認為主。在使用機械設備時，工作人員需要有足夠的操作區(qū)域，在工作人員可視范圍之內(nèi)進行儀器儀表的放置，在實際操作過程中可以進行設備的管理與控制，防止因為工作人員的錯誤使用對產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響。

3.4 結(jié)構(gòu)便捷化設計

（1）加工結(jié)構(gòu)構(gòu)型。在設計機械零件過程中，需要進行裝卡工序、測量工序與加工工序效率的提升，從而進行成本的降低。加工面的外形設計成簡單實用的樣式，才能方便裝卡和拆卸道具，避免發(fā)生斜面鉆孔的情況。因此，可以使用零件組合的方法，在提高使用效果的同時，還能進行時間與成本的節(jié)約。

（2）簡化結(jié)構(gòu)。機械設計的目的是為了可以簡化零件結(jié)構(gòu)，滿足了設備去修之后，再進行結(jié)構(gòu)簡化，可以加快拆卸設備與維修設備的速度，提高工作效率，防止在設備運行時間產(chǎn)生對經(jīng)濟利益造成影響的故障。例如有著強度較小、柔性較大特點的塑料結(jié)構(gòu)，如果使用螺紋進行零件間的聯(lián)接，則會導致其承受不住外力而引發(fā)斷裂情況，而且還有著繁瑣的加工與裝卸工序，所以，在結(jié)構(gòu)設計時，應該有效利用塑料的優(yōu)勢，利用搭鉤凹槽進行聯(lián)接，以提高裝配與拆卸過程的便捷性與效率性。

4 結(jié)語

綜上所述，機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是機械發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)，其可以保證零件的有效組合與使用，進行機械質(zhì)量與效率的提升，從而推動我國國民經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。設計人員在進行結(jié)構(gòu)設計時，需要將專業(yè)的理論知識與實踐經(jīng)驗進行有效的結(jié)合，激發(fā)其強大的創(chuàng)新能力，從變異化、性能化、宜人化與便捷化等方面進行結(jié)構(gòu)矛盾的解決，將機械設備的安全性與可靠性提升，從而推動機械設備的不斷發(fā)展與企業(yè)經(jīng)濟效益的有效提高。