现代机械设计方法研究(共12篇)
现代机械设计方法研究 篇1
伴随技术水平的提升, 有越来越多的方法和工艺被应用到机械系统当中。使得技术的种类以及功能变得越来越强大, 但是, 竞争力的要求也在进一步提升, 如果想让自己的产品能够在市场上获得销路, 除了达到此产品的基本功能之外还应当注意一些细小因素, 例如价格低廉, 性能稳定, 便于操作, 环保, 感官和谐等因素。这要求设计人员能够灵活运用多种技术和措施, 找到技术的最佳结合点, 形成性能与收益之间的最好配比。
1 现代机械设计的特点
现代机械能够分成很多种类, 制造工艺上也很复杂。从功能的分类角度来看, 包括能动, 传输, 运转, 操作以及最终的控制等方面, 每一个子系统又能分成更为细小复杂的小小系统。现代机械设计比起其他系统也有自己的个性。不仅仅是对于机械本身的结构, 性能原理等了如指掌。更了解与之相关的各类学科。包括传播学, 机械学, 甚至包括美学, 生物学, 经济学等等, 使得自己的技术有较为全面的竞争能力。能够立于不败之地。
2 计算机辅助机械设计方法
计算机辅助设计 (Computer Aided Design, 简称CAD) 技术是电子信息技术的一个重要组成部分。这一新的方式方法利用了最先进的计算机手段, 能够快速而高效地完成工程设计方案, 使手动工作的低效率低准确率的弊病得到解决。使构图工艺得到进一步提升。将人的智慧与计算机的高运转能力相结合。计算机作为人的能力的延伸, 主要包括计算能力强, 精准度高, 程序化自动化强大, 这与人的能动性和创造性相互配合, 有利于在发挥人的能力的基础上降低人的劳动强度和时间, CAD系统想要运行必须将硬件与软件相互结合。
硬件系统承载着计算机技术的基础部分, 属于辅助技术, 但是必不可少。而软件是核心, 它是人们想要利用的主要对象。CAD也由这两部分组成。1) 软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件3个层次;2) 系统软件对计算机资源进行自动管理和控制, 它处于整个软件的核心内层, 主要包括操作系统和数据通信系统等;3) 支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统, 亦称为软件开发工具;4) 应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件, 自行编制的用于解决各种实际问题的程序。计算机辅助机械设计的一般过程包括:1) 建立数学模型:一般机械零件基本都有现成的数学模型, 但对没有数学模型的则首先要建立正确的数学模型;2) 设计程序框图:程序框图根据手工计算的步骤来设计;3) 用高级语言编制程序:根据程序框图来编程;4) 程序调试:程序编好后, 先仔细检查源程序, 然后将其输入计算机进行试算, 再对程序适用范围的边界、转折点进行试算, 要求与手算结果完全吻合。
3 系统化机械设计方法
现代机械设计已突破传统的机械设计只注重机械产品单纯能实现预期功能的要求, 使机械设计向自系统化、信息化、柔性化和智能化的方向发展。从系统的观点出发, 机械系统设计及其控制技术把原有机械产品的性能、功能以及制造技术提高到一个崭新的水平, 甚至使原有的机械产品结构发生变化, 所带来的经济效益和社会效益是巨大的。所以机构产品的系统化设计及其控制技术是机械工业发展的必然趋势, 也是用新兴技术改造传统机械工业的有力措施。科学技术发展的速度很快, 产品的属性进一步提升, 而使用周期缩短, 更换的频率越来越高, 在产品的设计中, 特别是在机械工艺方面, 设计者的思路开始赶不上人民不断发展的需要, 现在, 计算机设计应当注意计算与规范等的进一步探究。而且有了一定的效果, 而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。系统化设计方法将设计任务由抽象到具体 (由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构) 进行层次划分, 拟定出每一层欲实现的目标和方法, 由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起, 使整个设计过程系统化, 使设计有规律可循, 有方法可依, 易于设计过程的计算机辅助实现。系统化设计方法的主要特点是:将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统, 每个设计要素具有独立性, 各个要素间存在着有机的联系, 并具有层次性, 所有的设计要素结合后, 即可实现设计系统所需完成的任务。在系统化机械设计过程中, 为使设计工作更为科学合理, 常把一个机械系统分解为若干个相联系的比较简单的子系统, 可使设计和分析比较简便。根据需要和可能, 各子系统还可再分解为更小的子系统, 依次分解, 直至能进行适宜的设计和分析。系统分解时就注意以下几点:1) 分解数量和层次应当相互配合, 如果分的不够, 系统仍不够简单, 不能达到简便工作的目的。分解太多, 每个子系统相对容易解决, 而综合起来难以应用。2) 分界面也应当简单。选择的重点应当放在最简单, 最容易处理的地方。3) 保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。通常机械系统工作时都存在着能量、物料和信息3种转换, 它们从系统输入到系统输出的过程中, 按一定的方向和途径流动, 既不可中断, 也不可紊流, 即使分解成各个子系统, 它们的流动途径仍应明确和畅通;4) 了解分系统分解与功能分解的关系与不同。系统分解时, 每个系统仍是一个系统, 它把具有比较密切结合关系的要素结合在一起, 其结构组成虽稍微简单, 但其功能往往还有多项。而功能分解时, 是按功能体系进行逐级分解, 直至不能再分解的单元功能。
4 结论
网络手段的快速发展, 可以保证两地以上的地点之间相互交流, 达成构造和生产的目的。并使得产品完成的效果能够达到消费者的需求, 不过, 能使这一方式有效实现的一个前提就是完善三维可视效果。这要求相关的软件得到落实。尤其在构图设计方面能够有效得到普及。除了三维可视软件以及智能软件以外更要包括媒体技术的应用。它在计算机技术中的效果也不能忽视, 现在, 机器的设计方案向着辅助功能, 自动化智能化, 两地同步设计等角度发展, 因为产品设计的电脑化方式刚开始, 不算成熟, 其内部方案标准以及相应的软件也不能被充分开发利用, 所以, 应当充分调动人员对于智能, 系统工程, 软件, 硬件等的充分扩展理解。调动各方面的因素, 为最终设计出完整出色的规划方案服务。
摘要:本文说明了机械设计当中一些特性, 并说明了计算机技术在当中所起的效果, 现代机械设计将过去过分看重对于结果的要求, 而在手段上给予了充分的重视, 使机器的科学自动化水平得以提升, 并向着智能程序化方向前进。
关键词:现代机械设计,系统化机械设计,计算机辅助机械设计
参考文献
[1]丁继斌, 封士彩.机械系统设计及其控制技术[M].北京:化学工业出版社, 2007, 3.[1]丁继斌, 封士彩.机械系统设计及其控制技术[M].北京:化学工业出版社, 2007, 3.
[2]魏玉新.现代机械设计的创新方法研究[J].装备制造, 2009 (5) .[2]魏玉新.现代机械设计的创新方法研究[J].装备制造, 2009 (5) .
现代机械设计方法研究 篇2
摘要:我国有十分丰富的矿产资源,而矿产资源的开采需要大量的机械设备,和传统的矿山生产设备相比,现代化机械设备本身具备较强的性能,能够提供多元化的井下作业服务。文章以矿山机械设备作为主要分析对象,以理论分析法及技术分析法为主要方式,结合现代设计技术在机械设备设计和管理中的实际应用展开分析。矿山机械设备需要应对较复杂的井下作业环境,其结构、系统、性能与井下作业的质量有直接关联,现代设计技术可以为矿山机械设备赋能,可以实现结构优化、性能提升、系统升级。
关键词:现代设计技术;矿山机械;智慧矿山;结构设计;有限元分析;结构模糊优化技术;动力优化
1矿山机械设计中现代设计技术的应用背景
现代设计技术主要以新时期的数字化技术、计算机技术,以及新型机械结构分析等理论为基础,综合不同领域的生产需求打造具有针对性的设计方法。和传统的设计方法相比,现代设计技术具有较强的自动化特点及智能化优势,往往依托现代工程理论及逻辑分析理论,是大量学科知识整合之后的核心成果。现代设计技术能够为我国生产行业的发展提供更加先进的技术保障,在增强产品质量和效益的同时,也可以更好地为社会发展服务[1]。矿山开采是我国能源行业发展的主要工程,而矿山开采行业面临的环境较为恶劣,井下复杂的环境极有可能导致设备损坏,需要设备具备较强的功能,可以应对复杂的作业环境。在矿山机械设备设计中,必须确保结构具备合理性、可靠性、智能性、灵活性。矿山机械设备必须具备良好的结构,符合地下生产作业需求;需要及时进行机械设备的性能优化,提升设备应用效率,确保系统具备拓展性和可升级空间。
2应用于机械结构优化的现代设计技术
2.1可靠性概率设计
可靠性概率主要应用在工业生产中,是一种全面提升系统结构稳定性及可靠性的现代化设计理念,将其引入矿山机械结构设计具备可行性。具体而言,在矿山机械设备原有结构的基础上,确保在规定时间内能够完成预定功能的概率,就是可靠性概率。这是衡量机械设备应用可行性的核心指标,可以直接通过一次二阶矩概率设计理论来完成设计,可靠性概率能够全面提升机械设备结构的安全度,同时增强结构合理性[2]。
2.2结构模糊优化技术
井下作业环境较复杂,在进行机械设备设计的过程中,有部分细节较模糊,如以目标函数、约束条件为基础进行的结构设计,本身具有较强的模糊性,需要通过反复的验证和调整才可以增强设计的精准性。因此针对不同的工况需要利用结构模糊优化技术进行设计,主要目的是,选择不同设计方案得出的最优值,通过系统对比及工况分析来确定最终的实际参数及结构性能。如在尺寸和形状的最后调整中,可以直接依托模糊理论来解决[3]。2.3CAD设计技术CAD设计渠道是当前机械设备结构设计的核心渠道,利用计算机作为主要的辅助软件,不仅能够快速地分析初始方案及改进方案之间的差异性,进行结构分析及强校核,还可以通过单位目标优化的方式,对整体设备的材料应用量、结构强度、结构,性能进行模拟分析。例如,在当前的矿山开采领域已经有了用于微型机的大型多功能mas程序系统,能够直接在前期结构设计中将相关参数导入CAD软件,可以提供合理的结构设计方案,节省材料及成本;能够全面提升最终机械成本的设计水平;可以有效定位机械设计过程中出现结构损坏的原因及有害影响因素,也可以对机器系统进行多目标的优化设计。可以依托结构静动分析、结构静动优化、计算机绘图等技术,完善机械结构各项细节,CAD设计渠道主要应用于矿山机械设备的多单元结构设计,如杆、梁、板、壳等的设计[4]。
3应用于机械性能优化的现代设计技术
3.1有限元分析技术
有限元分析技术是应用于机械设备性能优化的核心方法,最初应用于工程分析领域,可以直接分析几何复杂、边界不规则等受力对象,也可以分析机械设备所用材料的非线性、几何非线性复杂问题。该技术主要用于矿山机械设备的受力分析领域,如电动挖掘机的动臂和斗杆。由于动臂和斗杆的结构和受载的复杂性,在传统设计过程中,通常采取工程计算法,但是这种方式较复杂且精准性不高。当前已有学者通过有限元分析技术对动臂和斗杆进行应力分析,用SAP5程序在动臂和斗杆处于最大受力状态时进行计算,最终可以得出机械结构每一块钢板的具体应力分布情况,不仅能够解决受力分析等问题,更可以提升机械整体结构的稳定性[5]。
3.2可靠性设计技术
可靠性设计技术与上文的可靠性概率有本质上的区别,其针对矿山机械设备的性能可靠性进行优化,需要将重点放在强度、载荷、结构尺寸等参数领域,同时要考虑随机因素对性能产生的影响,这样才可以全面提升矿山机械设备的使用寿命,也可以确保井下作业安全。当前已有学者综合可靠性设计技术对矿井提升机的整体性能进行了优化,并且取得了良好的效果。主要的设计对象是矿井提升钢丝绳的安全系数,针对其安全系数进行全方位评估,并且依托可靠性设计技术,对回采工作面单体液压支柱的支护可靠性设计进行了研究,不仅增强了矿井提升机的整体性能,更为安全作业奠定了良好的基础[6]。
3.3动态模拟设计技术
矿井机械设备需要在复杂的环境中运作,在这个过程中涉及大量信号的接收及传递,同时需要和整体智慧矿井系统进行对接,信息的传递及指令的下达需要通过前期的动态模拟进行试验,这样才可以确保设备跟随整体系统正常运转。目前,我国在大型矿井采掘机械动态模拟设计方面的系统研究还很少,致使大型采掘机械新机型的设计和老机型的结构改进举步维艰。但是已经有部分系统可以利用动态模拟设计技术进行优化,如矿井提升容器在进入楔形箱道、紧急制动和切换电阻启动等工作状态下的外载荷与时间的关系问题,可以通过动态模拟设计技术来解决。
3.4摩擦学设计技术
井下作业内容较复杂,涉及既有煤矿的井下井上运输,也涉及人员及相关资源的传递,其中的传送设备性能是多方关注的重点。分析传送设备性能,需要重点关注接触、滚动、滑动时的摩擦、磨损与润滑。由于井下作业环境较恶劣,大部分的传输设备在长时间运作过程中会产生较严重的摩擦及损耗,如钢丝绳、减速器、提升机、刮板运输机和综采机等。以摩擦学为基础打造的摩擦学设计技术主要将重点放在了提升传输设备稳定性方面。我国早在20世纪80年代末期已经开展了摩擦学设计理论与应用的相关研究,并且针对矿山掘进机主减速器的摩擦学进行了分析,研发出了煤矿电机车车轮的增摩延寿材料,在投入使用之后,能够有效提升设备的运行寿命。
4应用于机械系统优化的现代设计技术
4.1智能化技术
优化矿山机械设备系统的主要目的是确保设备自身的系统和整体智慧矿山的运维系统相关联,及时地进行自主优化及智能化监督。智能化技术是现代设计技术中的重要组成部分,也是全面提升矿山机械设备系统质量的主要技术。智能化技术立足智能传感器及信息接收设备,打造集成的传感网络,通过控制器和执行器,能够结合井下运行环境进行全方位的自适应检测及损伤自愈和操作,本身具备一定的生命特征。智能化技术也是新时期矿山机械设计领域最受欢迎的技术,是实现智能采矿及构建自动化系统平台的主要依据。如依托机器人技术及红外技术,能够实现矿井的安全生产监管及紧急救灾。智能化的矿山系统可以依托终端设备及安装于机械设备的智能传感器,打造多元化的传输网络,实现远程设备遥控及指挥。例如,某矿山打造了一种智能化矿山系统,实现从采矿点到货运车站、端到端的矿山机械无人化智能管理,其具体的结构如图1所示。该系统中的无人矿山管控中心对无人矿山全面实时监控与综合调度。无人矿卡运输平台接收来自无人矿山管控中心发来的指令,控制无人矿卡以指令规定的速度按照目标路线运行,并根据搭载在无人矿卡上的传感器发来的信息,实现无人矿卡的自动行驶,完成装载、运输、卸载的循环操作。
4.2并行设计技术
并行设计技术是以计算机及通信技术为核心的现代设计技术,主要应用在矿山机械设备的设计、制造、支持过程,能够打造并联的一体化设计方案。当前,绝大部分煤矿设备都安装了故障监测系统,这些故障监测系统是后续进行加装的,和原设备之间往往存在着部分不协调的细节,而并行设计技术可以通过分析各种类型、参数的煤矿机械设备,打造具有针对性的故障监测系统及监测方案,确保不同设备有交互路径,全面提升不同设备之间的适配程度,也可以为矿山机械设备的安全运行奠定良好基础。
4.3虚拟技术
虚拟技术是建立在矿山机械设备前期设计及实验基础上的新型技术。矿山机械设备规模较大,结构较复杂,前期制造成本较高,为了确保设备充分满足井下作业的实际需求,并且与整体的矿山运转系统相对接,还需要通过反复实验来进行检测。若进行常规的实体试验,必然会浪费大量的人力、物力及成本,而虚拟技术可以打造三维立体可视化模型,模拟矿山机械设备运行过程中的变量参数,如可以模拟环境中的噪声、温变、力变、磨损、振动等参数,分析机械设备系统的运行状态;观察不同设备配合运转过程中的运动受力情况,结合实际情况提出修正意见。虚拟技术在矿山机械设备的系统优化及匹配安装中有着极强应用价值,能够提升设备的运转质量。
5矿山机械设计的未来发展方向及设计重点
(1)需要大力推广利用结构优化设计的方式进行矿产机械设备创新的方式。结合我国生产领域的发展现状来看,航空、国防等领域纷纷开展了结构优化设计的学术交流会议,而土建部门也举办了结构优化设计的专门讲座。这也代表结构优化设计是当前工业及相关领域发展的重点。我国能源开采行业的繁荣发展离不开优秀的机械设备,大量的矿山机械设备必须进行结构优化,才可以逐步满足未来的能源开采需求。因此矿山机械设备的设计师及研究人员要注意逐步推广和应用结构优化设计相关的现代设计技术,并且及时地开展相关讲座及培训,并且设定研究课题,这样才可以确保结构优化成为未来发展的主要任务,同时能够提升现代设计技术的应用价值。(2)需要将重点放在机械结构动力优化方面。传统的矿山机械设备的结构优化以静力优化为主,而在未来需要将这种优化逐渐过渡到动力优化。但是不应该完全摒弃传统的设计优势,需要以借鉴优势技术的方法,在结构静力优化的基础上,对矿机结构进行动力优化设入计。传统设计过程中的固有频率、动态响应等特性对于矿山的结构优化有极为重要的作用。动力优化是建立在原有静力优化的基础上打造的新型频率约束体系,包括动强度约束、动刚度约束等。(3)需要打造一体化的结构体系,这样能够全面提升机械设备设计的整体性,避免资源和成本浪费。例如,底盘、车架、机架等结构件的优化程序,需要按照结构的通用性、统一性、组合性原则建立程序包。这有助于系统结构升级及统一整合,更可以改善传统人工设计的各项差异,通过结构包能够实现自动化设计及调整。
6结束语
探讨现代机械设计方法 篇3
【关键词】机械 计算机 设计 探索
机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算,并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程,其目标是在各种限定的条件下设计出最好的机械,即做出优化设计。随着科技的进步,特别是计算机科学、系统科学的发展,机械设计水平发展得很快。多种设计技术和理论交叉融合,使得机械设计方法进一步拓展,设计手段也更加精确化和智能化。
1现代机械设计概述
1.1现代机械设计的内涵
在20世纪60年代初期,人们将机械设计方案的过程分为不同的设计阶段,如用户体验阶段、设计方案阶段、技术设计与工艺设计阶段等。但是随着科技的不断发展,产品技术的发展不再单纯依赖于设计者的思想灵感或经验技术,而是逐渐发展成为一门科学,并且是以知识为基础,具有科学设计手段的现代机械设计技术。随后,现代机械设计又引进了多种不同的设计方法理念,例如系统科学、信息科学、计算机技术等,这些都为我国的机械设计理念增色不少。
1.2现代机械设计的特点
现代机械设计种类繁多,其结构也越来越复杂。现代机械设计可以从实现功能的角度来考查,其中包括系统功能、传统功能、执行功能和操作功能等,这些功能都可以用来协助机械的运作,每一种功能都有其自身的特点。现代机械设计方法一般都是凭借计算机网络或其他一些现代化机械设备,引进先进的现代化设计理念及方法,创造出具有现代化机械设计特点的作品。现代机械设计的主要工具也是计算机,如利用计算机计算、分析、绘图等,可以大大提高现代机械设计的效率。
2现代机械设计方法
2.1现代机械设计的优化
设计的优化就是通过不同的方式进行方式的优化,在机械设计的过程中对产品的结构以及性能进行优化设计,这样的优化是为了保证设计出的机械产品一方而具有外在的品质保证,另一方面是保证产品的内在的质量。优化设计一般分为两种方式。
2.1.1数学规划实现的设计优化
我们说的数学规划法,就是把数学规划的理论作为基础,是一种严格意义上的优化方法。这种算法对理论依据有很高的要求,同时对设计流程的规格也有着严格的标准。因为这种规划方法在计算的过程中要进行很多的迭代,并对数学模型要求高性态。所以这样的优化方式的适用范围很小,适用于目标明确,容易建立数学模型或者结构不复杂的机械设计中。
2.1.2人工智能实现的设计优化
现代机械设计是我国人民创造型劳动中的一种,机械设计的过程需要进行以下四个步骤,任务的明确,设计方案,设计技术以及设计施工,并且每个环节都要及时地对建立的模型进行仔细分析,对设计的模型进行修改与合理性评价。人工智能优化设计活动有下面两种,一直对设计数值的计算,内容主要是大量的绘图与计算分析;二是对设计方案进行设计以及推理,内容主要是方案的提出,方案的优化以及设计结构等方面。因为思考和推理是这种优化活动的基础,所以这就要求设计人员要有丰富的专业知识和设计经验。
作为机械设计重要的内容,设计方案的设计以及推理设计的结果对产品的质量起养关键性的作用,在这种情况下使用人工智能技术能为设计中的非数值计算工作提供保障。
2.2现代机械设计的并行设计
我们说的机械设计的并行设计就是在对机械产品进行设计的时候,通过应用IT技术中的CAM或者CAD技术,以集成或者并成的方式对产品设计出合适的生产步骤。这种设计方法要求机械设计人员,从设计的最初阶段就要对机械产品的整个生产过程,包括生产周期内的设计,测试,工艺规划以及配置进行细致的考虑和规划,将产品的概念设计到产品的报废等一切可能发生的问题进行分析,最大限度地对用户的需求进行把握。根据设计的效果,通过对并行设计进行全面的评价,对产品的设计进行改进,能有效地保证产品生产过程中的一次成功率,还能够增强企业的自身管理以及提高资源的利用率,减少生产成本,提高生产效益。
2.3现代机械的网络协同设计
一般来说,所谓的网络协同设计,就是通过利用现代的网络机制,将分布在不同地方的设计资源以及设计任务进行统一,以协同工作中的机制以及平而支撑工具为基础对信息进行有效的管理,进而完成对机械产品的研发以及设计工作。随着现代IT技术的不断发展与成熟,网络时代中的宽带也得到了很大程度上的提高,所以利用现代化中多媒体实时数据的传输特性,一方面能够对机械设计中的相关数据进行了解,另一方面还能建立起数据平台,这个数据平台是以web为基础的,进而解决web中数据的修改、访问以及传输工作,从而进一步实现数据的共享,进一步满足现代机械设计过程中的技术要求。
结语
总之,我们在未来的工作中,首先要进一步分析市场需求、国家的发展方向,居民对机械设备的具体诉求,之后采用有效的方式进行系统优化,保证现代机械设计方法可以长久地被应用,最后再应用到实际的生产和加工工作中。相信在日后的相关工作中,现代机械设计方法能够取得更大的经济效益和社会效益。
【参考文献】
[1]开依沙尔?热合曼 买买提明?艾尼.基于骨骼重建机理的连续体结构仿生拓扑优化方法[J].农业机械学报.2014(05)
[2]尤芳,陈建军,曹鸿钧,谢永强.随机变量下的热传导结构拓扑优化设计[J].西安电子科技大学学报.2014(06)
现代机械设计的创新方法研究 篇4
第三次工业革命带来的巨大冲击使机械行业发展飞速, 相应地, 对于机械设计的要求也必定越来越高。创新是机械设计领域的一次机遇, 将大胆创新的设计理念应用到机械领域必定会推动其发展。机械设计具有时代性, 也就是说设计理念是随时代发展而变革的, 中国当下需要的是设计与创新相结合, 紧跟时代发展的步伐。本文接下来将探讨机械设计的具体创新方法以及对于这些方法的评估。
1 机械设计人员应当树立创新的理念
要突破传统模式而有所创新, 首先要求机械设计人员具有大胆创新的理念并将其运用到实践中去。创新意味着突破传统的思维方式, 运用现代的超前的理念来想问题。创新对于一个民族、一个国家来说是不可缺少的, 而对于一个设计者来说, 如果没有创新的能力, 他的工作就无法被肯定。一个优秀而专业的机械设计者必然时刻谨记创新理念, 运用独特的创新思维来深入思考问题, 然后不断运用自己的专业知识来促成设计的变革。
现在我们来具体探讨一下创新的理念。
(1) 创新具有独创性, 即敢于突破一切传统理念, 打破常规, 寻找更加合理的新原理、新机构、新功能等等。独创性能使设计方案在理念上脱颖而出, 不断追求更高层次的创新。
(2) 创新具有实用性, 它体现在对市场的适应性和可生产性2方面。
(3) 创新具有突破性, 它要求设计人员敢于突破思维惯性, 从定向思维中走出来, 善于从新的技术领域中接受有用的事物, 提出新的原理, 为机械设计打开新的局面。
(4) 创新还具有联动性。创造性思维就是一种联动思维, 包括横向、纵向及逆向思维, 这三种思维要求我们从不同的角度去思考问题, 进而得出最合理有效的设计方案。
2 关于机械设计的优化设计
现代的优化设计是以数学规划为理论基础, 以电子计算机为工具, 在充分考虑各种相关约束的前提下, 寻求满足某些预定目标的最优方案的设计方法。优化设计是现代机械设计创新方法中较为先进的一种, 它建立在最优化数学理论和现代计算机技术基础之上, 运用数学函数和计算机来计算出最优、最有效率的设计方案, 其核心的设计理念适应了时代发展的需求。
我国在优化设计的研究方面已经有了很大突破, 开发了一些先进的优化设计程序并在设计行业引起了很大反响, 但在应用方面优化设计方法尚未普及到每一个设计领域, 对于机械设计领域来说, 优化设计是机械创新设计的一个前进方向。优化设计方法无疑是科学的, 它不仅要求设计者具有较高的专业技能, 更要求他们具备大胆的创新理念, 有创造性、革新性, 在原来的基础上不停追求新的高度, 由此设计出满足大家需要并且引领一个时代发展的产品。
采用优化设计方法, 可以使我们综合考虑到方方面面的因素, 更全面更系统地分析问题、解决问题;可以使我们获得更加精确的设计所需数据, 缩短设计周期。它是新时期CAD设计不可缺少的一部分, 它将设计最优的原则注入了设计中, 总是寻求最优的设计方案, 大大提高了机械设计的质量, 使机械设计彻底摆脱了古老的设计模式。
3 关于机械设计的变型设计
机械设计的变型设计是指在原产品的基础上进行新的开发, 使机械零件的规格更加标准、产品部件通用化、产品系列化, 从而能够更好地满足广大使用者需求的设计方法。
我们将产品功能、原理和结构都相同, 而尺寸和性能参数不同的设计称为纵系列产品的设计变型;将在基础型产品的基础上扩展功能的设计称为横系列产品的设计变型;另外, 设计具有先进动力参数的不同类型产品我们称之为跨系列产品的设计变型。由此可见, 机械设计的变型设计可以在保证产品原有基本功能和原理不变的情况下, 随时根据使用者的需要, 调整其他参数, 从而设计出更加完善的产品。
机械产品三维参数化变型设计是以拓扑约束、尺寸约束、工程约束驱动为技术基础的变型设计方法中的一种。传统参数化设计对部分特征驱动尺寸做出修改, 使其他关联尺寸得到相应调整, 从而得到结构相同但尺寸不同的系列零件三维模型;三维参数化变型设计不仅包括这些, 而且涵盖了三维参数化模型驱动后与之相关联的工程图的视图位置、比例、尺寸、注释、BOM表等相关信息的自动更新, 生产制造的下游工装夹具、工艺规程规划、NC代码等的参数化关联设计, 乃至整个产品生命周期的参数化设计。
机械设计是一门博大精深的学科, 包含了很多方面, 所以机械设计的方法也相应有很多种。作为这些设计方法中的一种, 变型设计理念的先进性、科学性让机械设计突破了以往的设计模式, 走向了更加成熟、精确、理想的路线。
4 关于机械设计的反求设计
对于反求工程的研究, 应解决以下关键技术问题:
(1) 研究更加实用的测量方法和设备, 提高测量精度, 减小测量误差Δ测。
(2) 研究更加实用的三维重构方法和软件系统, 提高计算精度, 减小计算误差Δ计。
(3) 将人工智能技术、数理统计理论、精度设计等多学科技术合理融合运用, 形成一种独特的设计参数还原技术, 有效地解决原始设计参数还原问题。
(4) 研究能满足反求工程Ⅱ要求的产品主模型技术, 形成描述产品装配关系的建模体系, 以利于原始设计参数的还原。
(5) 开发具备原型产品设计精度分析功能, 可实现原始设计参数还原的软件。
现阶段国内外反求工程所构造的CAD模型, 基本上仅为几何形状重构, 谈不上满足一定要求的“精度设计”和“精度制造”。为说明这一点, 以下引入反求工程所独有的3个参数的概念:重构参数、实物原型参数和原始设计参数。反求工程Ⅱ设计阶段的结果是重构的CAD三维模型, 这种CAD模型自然具有各种参数 (主要是几何形状参数) 。这些参数是反求工程依据测量点数据经拟合运算得到的, 体现在重构的CAD模型上, 故被称为重构参数。一般地讲, 反求工程并不去直接测量实物原型参数, 故实物原型参数是未知的, 自然, 原始设计参数也是未知的。
目前, 反求工程均使用重构后的模型参数作为制造产品的原始参数, 即用重构参数去制造产品。这里我们来比较一下重构参数 (制造产品的原始参数) 与原始设计参数 (制造原型的原始参数) 之间的误差:在重构的计算中, 不可避免地会产生误差, 记其为计算误差Δ计;在对零件或原型进行测量时, 会产生测量误差Δ测;零件或原型本身也带有误差, 包括制造原型时产生的制造误差Δ制和原型在使用中的磨损和破损误差Δ损。原型是用原始设计参数制造的, 现有产品是用重构参数制造的, 所以这2个参数之间存在重构误差Δ构。因此, 用重构参数作为原始参数制造的产品若被置于原型的环境下工作, 在某些情况下会达不到要求。
5 现代机械设计与计算机
5.1 CAD软件的应用
现代机械设计是信息时代的产物, 它离不开计算机技术的应用与发展, 通过计算机来分析计算可以缩短设计时间, 并且更好地改进设计。计算机储存量大、运算速度快、集合分析信息能力强, 可以综合分析各种数据进而得出最佳答案, 这是人脑所不能比拟的。基于这些优势, 我们在机械设计中广泛运用计算机技术可以说是大势所趋。
需求分析与可行性研究这个部分较少用到计算机, 但是其他设计步骤都可以运用计算机来完成, 例如画图、计算、设计等等, 再加上我们自己创新的设计理念, 设计质量必然得到提高。CAD就是这样应运而生的。
CAD软件主要分为3个部分:系统软件、支撑软件及应用软件。系统软件与应用软件密切相关, 主要用来管理系统资源。而支撑软件在CAD设计软件中占了大部分, 我们目前进行CAD设计 (包括画图、分析、计算等) 时应用的软件大都属于此列。
现代机械设计的目标是完全自动化, 但是在这之前我们还有很长的一段路要走, 目前的科技尚不能做到这一点;同时, 我们在前文提过, 设计需要有创造性, 所以现在最佳的设计方式是人机结合。在CAD软件的应用过程中, 人的力量是主要的, 也就是说人才是主导, 计算机是人们在设计时用到的一种工具, 处于从属地位。既然如此, 设计者就必须在设计过程中充分发挥主观能动性, 灵活运用计算机, 尽可能做到人与计算机完美融合, 人的主观能动性、创造性加上计算机的灵活性、精确性, 这样设计出的产品才更能满足当今机械设计的要求。
在现代机械设计中, 计算机与CAD等软件解决了数据分析与计算的难题, 前文我们提到的优化设计、变型设计及反求设计就是明证。
5.2 数据库管理
现有的数据库管理软件种类很多, 广泛应用于商业领域或企事业单位管理部门。在机械设计领域, 数据库管理也十分重要, 需要一个储存量大、可以管理复杂数据的完善的数据库管理系统, 但当下大多数此类软件还不能完全做到这一点。这就要求我们充分发挥创造性, 根据自己的设计需要来建立数据库, 以便更好、更精确地分析数据, 从而达到我们想要的设计效果。
设计者在机械设计过程中, 经常需要查阅一些数据资料和文献, 从而得到所需数据、公式或理念。传统方式是设计者花费大量时间和力气自己去一一查找, 十分耗费人力。但在计算机已经普及的今天, 设计者完全可以省下这番功夫, 只需事先把机械设计的相关资料都储存进计算机系统, 建立完善的数据库, 这时就可以利用计算机储存量大、查找速度快的优势, 迅速分析查找并最终得到所需的资料。查找资料历来都是庞大而复杂的工作, 计算机的出现解决了这个问题, 为机械设计者节约了很多时间, 使他们可以把更多的时间投入到机械设计的创新当中去, 从而促进了机械设计更快更好地发展。
6 结语
现代机械设计离不开创新, 设计人员应当树立创新的理念, 充分发挥主观能动性, 同时熟练应用现代机械分析工具, 从而设计出质量更高、更能满足使用者需要的机械, 这是贯穿于机械设计发展始终的必然要求。
摘要:机械设计是一门离不开创新的复杂学科, 只有设计出创新、合格、高效的产品, 才能更好地为整个社会服务。现从机械设计的创新理念、优化设计、变型设计、反求设计及现代机械设计与计算机的关系等方面浅析机械设计的创新方法。
关键词:机械设计,创新,方法
参考文献
[1]吴红.论机械设计中的绿色思维[J].芜湖学报, 2007 (1)
[2]袁祖强, 倪受东, 齐新丹.“机械设计”、“机械设计基础”课程设计标准体系的研究[J].中国科技信息, 2007 (13)
[3]宋乐永.寻找创新的“云梯”[N].计算机世界·技术与应用, 2006
[4]田梦.数据库技术创新推动行业创新[N].计算机世界, 2009-07-06
[5]杨璟.创新超越[N].中国民航报, 2008-01-25
[6]白柳.浅谈机械创新设计中的反求设计[J].山西冶金, 2009 (6)
[7]程志刚, 李瑞琴, 董亚峰, 等.机电一体化产品概念设计理论现状与展望[J].中北大学学报, 2006 (1)
[8]宋丽娜, 何丕廉, 刘德建.基于多种群协同进化计算的创新概念设计[J].计算机辅助工程, 2005 (3)
[9]俞国燕, 何真, 郑时雄, 等.基于人机一体的混合智能创新设计[J].计算机工程与应用, 2003 (7)
现代机械设计方法研究 篇5
机械设计制造及其自动化:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、应用统计、管理学、经济学、电工及电子技术、机械设计、机械加工基础、机械制造技术基础、液压传动与控制、数控技术、机电传动与控制、机械制造自动化技术、机械CAD及优化设计等。
电气工程及其自动化:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、应用统计、管理学、经济学、SQL数据库系统及应用、复变函数与积分变换、数字电路与系统、自动控制原理、单片机原理及应用、微特电机及其控制、电力系统继电保护等。
网络工程:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、应用统计、管理学、经济学、SQL数据库系统及应用、数据结构、计算机组成原理、VC++程序设计、操作系统、计算机网络技术、JAVA程序设计、网络安全、Web技术等。土木工程:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、管理学、应用统计、计算机基础、经济学、技术经济学、工程估价、建筑材料、钢筋混凝土结构、钢结构、建筑设备工程、建筑施工等。
土木工程(道桥方向):
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、管理学、应用统计、计算机基础、经济学、工程估价、建筑材料、技术经济学、交通运输工程导论、道路勘测设计、道路工程、结构设计原理、道桥施工等。
水利水电工程:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、管理学、应用统计、计算机基础、经济学、技术经济学、工程估价、水工建筑物、钢结构、水利水电规划、水利工程施工、电工学等。
船舶与海洋工程:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、管理学、应用统计、经济学、水力学、电工学、工程材料(焊接)、技术经济学、船舶与海洋工程结构物建造工艺、ACAD船舶工程应用、船舶设计原理等。
工程管理:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、管理学、应用统计、计算机基础、经济学、技术经济学、土木工程概论、组织行为学、钢筋混凝土结构、工程估价、房地产开发与经营、建筑施工等。
工商管理:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、应用统计、经济学、SQL数据库系统及应用、运筹学、财务管理、市场营销、组织行为学、企业管理、国际金融、人力资源管理、技术经济学、国际商法等。
会计学:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、应用统计、经济学、市场营销、技术经济学、国际商法、财务会计、财务管理、成本会计、管理会计、高级财务会计、审计学、财务报表与案例分析等。
行政管理:
现代远程学习概论、毛泽东思想概论、大学英语、计算机基础、管理学、社会调查与统计分析、管理沟通、组织行为学、行政管理、社会学原理与方法、领导科学、创新思维与创新管理、行政法与行政诉讼法等。
高起专:
机械设计制造及其自动化:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、邓小平理论概论、高等数学、工程力学、电工学、机械原理、机械设计、机械工程材料、机械制造技术基础、机械控制基础等。
电气工程及其自动化:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、大学语文、电路理论、模拟电子线路、数字电路与系统、计算机原理、电机与拖动、电源技术、高电压技术、电器学等。计算机网络:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、大学语文、C/C++语言程序设计、专业英语、数字通信原理、计算机网络技术、SDH技术、操作系统等。
土木工程:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、建筑制图、工程力学、房屋建筑学、结构力学
(一)、土木工程概论、钢筋混凝土结构、建筑施工、土力学与地基基础等。土木工程(道桥方向):
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、建筑制图、工程力学、桥梁工程、结构力学
(一)、土木工程概论、钢筋混凝土结构、道桥施工、测量学、建筑材料等。
水利水电工程:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、建筑制图、工程力学、水电站建筑物、土力学与地基基础、水利工程概论、水力学、水利工程施工、测量学等。
船舶与海洋工程:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、船舶与海洋工程静力学、工程材料(焊接)、工程力学、船舶制图、船舶与海洋工程概论、船舶舾装工程、船舶试验等。计算机应用技术:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、C/C++语言程序设计、电工技术、计算机网络技术、汇编语言程序设计、计算机组成原理、操作系统等。
工程管理:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、建筑制图、工程力学、房屋建筑学、结构力学
(一)、土木工程概论、钢筋混凝土结构、测量学、建筑材料、企业管理等。工商管理:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、大学语文、基础会计、财务会计、专业英语、管理学、经济法、国际贸易实务、税制与税法概论、管理沟通等。
金融与会计:
现代远程学习概论、思想道德修养与法律基础、大学英语、计算机基础、高等数学、邓小平理论概论、基础会计、财务会计、经济学、管理学、货币银行学、国际金融、公司金融等。
行政管理:
浅谈现代机械设计方法及研究进展 篇6
关键词:现代机械;设计方法;研究进展
随着科学的不断发展及人们对于机械产品的质量追求,对于现代机械的设计方案的讨论越来越精进,许多科研学家和各个学派对现代的机械设计方法都进行了研究设计,在国外有许多现代的机械设计方案,特别突出的可以分为普适设计理论与方法和三次设计法理论。
1.国外现代机械设计的方法
1.1.普适设计理论与方法
普适设计理论与方法是产生于德国,其理论方法的精华就是经验的累积和总结。对于现代机械设计有许许多多的种类,但是需要有一个系统的理论方法对其进行总结与归纳,普适设计理论方法就是一种典型的设计方法学。这种理论建立起了一系列系统的理论设计方法,从策略、规则、方法到实施这每一步实施规则都有其具体的设计规则模型。普适设计理论方法的重点就是在于构建机械设计的功能结构,其每一步的能量输入与输出,都是根据已有的经验作为基础所构建出来的,所以普适设计理论方法是一种基于经验的方法。
1.2.三次设计法理论与方法
三次设计法理论是由日本学者所提出的,这种机械设计理论方法主要包括三中设计过程,其分别是系统设计、参数设计和容差设计:系统设计是整个机械设计的核心理念,也是最基础的部分,它是整个机械设计的始发站;参数设计就是一项对于各个功能之间的优化组合,其系统中所有参数的最佳组合,这样可以使得产品的负面影响减到最小。三次设计的理论方法是目前国际公认的质量最高的机械设计方法,其设计的核心内容就是参数设计和容差设计,每一种设计都是整个机械工程中的有效工具,而三次设计方法就是有效的利用了其设计方法进行对机械设计的参数进行优选。
2.国内现代机械设计的方法
由于机械设计理念的不断发展,适应科学发展的要求,我国大量的科研工作者也对其进行了不断地探讨和研究,并且也取得了一系列的成功,这些新型的设计理念方法的研究成果,有效地解决了机械设计工程中出现的一些问题,具有非常的实用效应。
2.1.计算机辅助机械设计方法
计算机辅助机械设计方法,简称电子信息技术。这也是随着计算机科学技术的不断发展而兴起的一种计算机辅助机械设计方法。顾名思义,计算机辅助,这可以帮助机械设计工程者在画图、构思或是高速运算方面都可以运用计算机科学的网络知识对其进行整理与疏通。不似以往的机械设计方法,除了需要科学的理念设计方法,其为了设计所接下来的步骤也是非常重要的,原来的机械设计方法都是用图纸或是手绘而出来的设计方案,而计算机辅助方案出现之后,设计者就可以利用其进行有效的产品设计。计算机辅助机械设计方法不仅可以减少设计人员的体力扰动,使他们在设计的过程中更多的专心于设计方案,还可以提高设计质量,缩短设计周期。
2.2.系统化机械设计方法
系统化机械设计方法是对于传统的机械设计方法的一种突破,它改变了以往的一成不变单纯功能性要求。系统化机械设计方法使得整个机械的设计理念方法更加的系统化、信息化与智能化的方向发展,这样的系统机械设计方法可以使得数据在不丢失的前提之下,通过对用户信息的管理或是禁用某些程序等等,可以使一些丢失的数据还原,保护用户系统的利益,达到保护整个系统的目的。系统化的机械设计方法是通过多种方法对用户系统进行合理保护:利用一些软件对硬盘中的信息进行管理,每一种机械设计方法都会有非常多的步骤,如果弄错一步都会被整个机械程序造成很大的差错,其次是可以有效的隐藏备份,系统化机械设计方法可以还原在丢失的一些文件,更改文件属性或是对文件加密等等。系统机械设计方法是我国现代机械设计理念方法中发展迅速的一种方法。
2.3.局部或全局性设计方法
国内现代的机械设计理念方法是较之以前更为全面性和功能性相互结合的一种设计理念方法。现代的机械化设计理念更为科学,可以全面的了解整个机械设计过程中的步骤,系统的对整个机械设计过程监测或是督查,提高工作效率,使得系统工程综合设计理念和方法贯彻在整个设计理念之中。
3.现代机械设计的研究进展
机械设计方法在不断的研究进程中,越来越面向大众发展,适应市场化的需求,面向五化发展。全球化,机械设计全面发展,在全球化的进程当中占据着非常重要的地位,所以面向全球化的发展是重要的一步;网络化,在机械设计的发展中,很多人为机械化作业对于网路的发展似乎没有多大的联系,但是事实上这种思想是错误的,网络化越来越成为大众交流发展的一个平台,任何事情在网络化这个大平台中都可以得到讨论,机械化设计与其是紧密相关,密不可分的;虚拟化,这在机械化设计过程中就比较好理解了,设计的过程本身就是一个抽象的过程,自然对于设计理念来讲是具有一定的虚拟化;自动化与绿色化,这在机械化设计中是较为先进的一种科学理念,帮助设计者有效的利用系统化的设计帮助研究的进展。当然,现代化机械设计的研究进展也要求与当代的科学相结合,在不断加强我国现代机械设计发展的进程中,本身也就是不断提升自己的一个过程,促进自身的发展。
4.结语
当然,随着我国科学技术机械制造产业的不断发展,我国的机械设计理念也是需要不断更新发展的,面向五化发展就是一个非常好的途径,其包括面向现代化发展,在我国机械设计方法的科学实验中,要不断地发挥其积极地现代教育作用。
参考文献:
[2]李强.实用机械设计方法[M].机械工业出版社.2012:113
[2]齐学义.流体机械设计理论与方法[M].水利水电出版社.2011:27-33
[3]张兵.现代机械产品外观设计技术的应用与发展[M].机械工程师.2012(03):15-16.
浅谈现代机械设计方法 篇7
1 现代机械设计的特点
现代机械种类很多, 结构也越来越复杂。但从实现系统功能的角度上看, 它主要包括动力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统等, 每个系统又可根据需要继续分解为更小的子系统。现代机械设计有其鲜明的特点, 即不但要求设计对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、物流技术、各零部件的材料、形状、尺寸、润滑方法等进行构思、分析、计算, 而且还需融通多门科学知识, 如创造性工程、美学、仿生学、控制论、机械电子学、价值工程等, 使设计出的产品在市场中具有竞争力。
2 计算机辅助机械设计方法
计算机辅助设计 (Computer Aided Design, 简称CAD) 技术是电子信息技术的一个重要组成部分。这一新兴学科能充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功能为工程设计及产品设计服务, 彻底改变了传统的手工设计绘图方式, 极大地提高了产品开发的速度和精度, 使得科技人员的智慧和能力得到了延伸。它把计算机所具有的运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等特殊功能与人们的经验、智慧和创造力结合起来, 从而减轻设计人员的体力劳动, 提高设计质量, 缩短设计周期。
CAD系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统是计算机辅助设计技术的物质基础;软件系统是计算机辅助设计技术的核心, 它决定了系统所具有的功能。硬件和软件的组合形成了CAD系统:1) 软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件3个层次;2) 系统软件对计算机资源进行自动管理和控制, 它处于整个软件的核心内层, 主要包括操作系统和数据通信系统等;3) 支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统, 亦称为软件开发工具;4) 应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件, 自行编制的用于解决各种实际问题的程序。
计算机辅助机械设计的一般过程包括:1) 建立数学模型:一般机械零件基本都有现成的数学模型, 但对没有数学模型的则首先要建立正确的数学模型;2) 设计程序框图:程序框图根据手工计算的步骤来设计;3) 用高级语言编制程序:根据程序框图来编程;4) 程序调试:程序编好后, 先仔细检查源程序, 然后将其输入计算机进行试算, 再对程序适用范围的边界、转折点进行试算, 要求与手算结果完全吻合。
3 系统化机械设计方法
现代机械设计已突破传统的机械设计只注重机械产品单纯能实现预期功能的要求, 使机械设计向自系统化、信息化、柔性化和智能化的方向发展。从系统的观点出发, 机械系统设计及其控制技术把原有机械产品的性能、功能以及制造技术提高到一个崭新的水平, 甚至使原有的机械产品结构发生变化, 所带来的经济效益和社会效益是巨大的。所以机构产品的系统化设计及其控制技术是机械工业发展的必然趋势, 也是用新兴技术改造传统机械工业的有力措施。
科学技术的飞速发展, 产品功能要求的日益增多, 复杂性增加, 寿命期缩短, 更新换代速度加快。然而, 产品的设计, 尤其是机械产品方案的设计手段, 则显得力不从心, 跟不上时代发展的需要。目前, 计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究, 并初见成效, 而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
系统化设计方法将设计任务由抽象到具体 (由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构) 进行层次划分, 拟定出每一层欲实现的目标和方法, 由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起, 使整个设计过程系统化, 使设计有规律可循, 有方法可依, 易于设计过程的计算机辅助实现。系统化设计方法的主要特点是:将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统, 每个设计要素具有独立性, 各个要素间存在着有机的联系, 并具有层次性, 所有的设计要素结合后, 即可实现设计系统所需完成的任务。
在系统化机械设计过程中, 为使设计工作更为科学合理, 常把一个机械系统分解为若干个相联系的比较简单的子系统, 可使设计和分析比较简便。根据需要和可能, 各子系统还可再分解为更小的子系统, 依次分解, 直至能进行适宜的设计和分析。系统分解时就注意以下几点:1) 分解数和层次应适宜。分解数太少, 子系统仍很复杂, 不便于模型化和优化工作, 分解数和层次太多又会给总体系统的综合造成困难;2) 避免过于复杂的分界面。应尽可能选择在要素间结合枝数 (联系数) 较少和作用较弱的地方;3) 保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。通常机械系统工作时都存在着能量、物料和信息3种转换, 它们从系统输入到系统输出的过程中, 按一定的方向和途径流动, 既不可中断, 也不可紊流, 即使分解成各个子系统, 它们的流动途径仍应明确和畅通;4) 了解分系统分解与功能分解的关系与不同。系统分解时, 每个系统仍是一个系统, 它把具有比较密切结合关系的要素结合在一起, 其结构组成虽稍微简单, 但其功能往往还有多项。而功能分解时, 是按功能体系进行逐级分解, 直至不能再分解的单元功能。
4 结论
网络技术的蓬勃发展, 异地协同设计与制造, 以及从用户对产品的功能需求、设计、加工、装配、成品这一并行工程的实现成为可能。但是, 达到这些目标的重要前提条件之一, 就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此, 不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中, 虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前, 机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进, 由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚, 目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。因此, 机械设计方法的发展趋势是综合运用系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识, 以产品方案设计为方向。
摘要:介绍了现代机械设计的特点, 及计算机辅助机械设计方法。现代机械设计已突破传统的机械设计只注重机械产品单纯能实现预期功能的要求, 使机械设计向自系统化、信息化、柔性化和智能化的方向发展。
关键词:现代机械设计,系统化机械设计,计算机辅助机械设计
参考文献
[1]丁继斌, 封士彩.机械系统设计及其控制技术[M].北京:化学工业出版社, 2007, 3.
现代包装机械设计方法 篇8
一、包装机械特点及其设计要求
包装机械与其他机械不同, 它具有如下特点:首先, 包装机械的种类比较繁多。由于包装工艺和包装对象的多样化, 导致包装机械物理在原理还是在结构上都存在着很大的差异, 即便是完成同样功能的机械, 也很有可能具有不同的工作原理与结构特征。其次, 该设备的更新换代比较快。由于该包装机械正在朝着高速化方向发展, 所用的机械零部件很容易出现疲劳;随着社会的不断进步, 对包装机械要求也逐渐的严格起来, 为了满足市场的需求, 这些包装机械应当及时地更新换代。再次, 控制要求比较高。由于该包装机械的结构一般都非常的复杂、包装工艺的动作配合要求也较高, 自动控制直接影响着包装机械的可靠性、生产效率、包装质量以及能量消耗与操作环境, 因此对这些包装机械有较高的控制要求。同时, 包装机械还具有多功能性的特点。一般而言, 包装机械多是生产数量非常有限的一些专业机械, 为了提高作业生产效率、方便其制造与维修以及减少设备的投资, 当前所用的包装机械基本上都具有很强的通用性与多功能性。
基于以上对包装机械的特点及其发展方向分析, 包装机械设计方法应当采用模块化的设计思路, 实现其多功能和多用途, 综合运用机、电、光、气一体化的先进技术来提高包装机械的自动化控制, 保证该机械的可靠性。包装机械必须易于调节, 并具有柔性、灵活性等特点。同时, 设计过程中应当充分考虑人机工程思想的运行, 坚持以人为本的理念。
二、现代包装机械设计方法
从我国包装机械的设计方法来看, 多呈现出比较单一的特点, 并未进行任何的优化设计。目前最常用的几种设计方法是:模块化设计法、机电一体化设计法、标准化与系列化设计法、可靠性设计法、人机工程设计法、绿色设计法以及仿真设计法等, 以下以模块化设计法与绿色设计法为例进行说明。
1、模块化设计法。
模块化设计法是当前最为先进的设计方法之一, 它核心在于根据该系统的功能将其划分为若干个模块, 并将包装机中的同一功能单元设计成为性能不同的可互换模块, 通过这些模块之间的不同组合, 从而使包装机具有多功能化和系列化的特点。该种方法具有如下优点:第一, 可以使包装机的更新换代速度不断加快。新机型不的替代主要表现在局部的改进, 将先进的技术引入相应模块之中, 很容易实现该机械设备的局部改进;第二, 可缩短包装机械设备的设计周期。当客户提出了一定的要求之后, 只需将模块更换, 或者设计和制造部分的模块即可得到一种新的机型, 从而满足客户的需求;第三, 可以有效地降低生产成本, 而且便于维修和改进;同时, 模块化设计方法还具有性能稳定、可靠等优点。
2、绿色设计法。
随着社会的快速发展, 现代包装机械的设计应当不断满足“绿色设计”的要求, 即人性化的设计要求。从实践来看, 绿色设计法主要是面向包装机械的质量设计、制造设计、装配设计、维修设计以及可靠性设计等方面的综合设计。我国的特点是人口众多, 人均消费水平也比发达国家要低很多, 因此在包装系统的设计上应当以物美价廉为宗旨, 不能盲目地追求高、精、尖设计方案, 而是要充分地考虑到包装的安全性、可靠性、环保性以及低噪音等方面的影响因素, 充分体现结构优化、设计原理优化、制造优化以及造型优化的时代要求。
三、现代包装机械的优化设计方法
通过以上分析可知, 若想成为一种优化了的包装机械设计方法, 应当满足一下条件:第一, 应当以模块化的设计作为指导思想, 并对该包装机械的总功能进行全面的分解和优化组合;第二, 要严格按照各种模块之间的动作配合顺序进行要求和操作, 并进行科学合理的控制系统设计。在具体的设计过程中, 一定要将机、电、气、光以及液等各种先进的技术集合为一体, 并充分地发挥各种先进技术的优势;在此基础上, 再进行包装机械设备的标准化和系列化, 从而提高它们的可靠性、绿色化、柔性化以及人机工程的优化设计;第三, 要将上述的各种设计方法进行有机地融合并优化, 最终得出最佳的设计方法。需要指出的是:为了进一步提高新产品的开发速度, 并缩短其开发周期, 在对包装机械进行设计时可采用计算机仿真技术来进行仿真设计, 这对提高包装机械的设计质量非常有利。
四、结语
总而言之, 在包装机械的设计过程中不断地引入现代机械的设计方法, 对于缩短设计周期, 提高产品的性能以及经济效益至关重要。
摘要:近年来, 随着我国社会经济的飞速发展, 人民的生活水平在不断的提高, 同时也对食品的包装提出了更高的要求。从实践来看, 在食品的包装上国内的发展水平还非常的有限, 尤其是设计和制造两方面, 而设计方法的选择在很大的程度上决定着包装机械的设计优劣, 因此加强包装机械设计方法的研究迫在眉睫。
关键词:包装机械,设计方法,研究
参考文献
[1]郝玉龙、徐泰燕:《现代包装机械设计方法》, 《农村经济与科技》, 2011 (04) 。
[2]朱建萍、王鹏:《包装机械设计方法研究》, 《包装工程》, 2007 (07) 。
[3]贺兵、刘扬:《模块化设计在包装机械设计中的应用》, 《包装工程》, 2008 (10) 。
[4]李善为:《Pro/E软件在包装机械设计中的技术应用》, 《中国包装工业》, 2011 (04) 。
浅析现代机械设计的创新方法 篇9
1 树立全新的创新理念
1.1 设计计划阶段
机械设计的计划阶段, 需要查找大量资料。机械产品必须满足行业标准, 因此, 需要对资料进行细致分析, 及时预测设计中的问题, 使产品质量、安全性和性能都满足要求[1]。该阶段是整个设计的初始阶段, 直接关系产品的质量和性能, 为后续设计工作做好充分准备。因此, 在该阶段, 设计人员要具有创新理念, 并将创新理念融入到机械设计中, 使创新贯穿于各个环节。
1.2 方案阶段
方案阶段是对设计中的每个环节进行详细设计, 包括机械的每个部分, 是机械设计的关键环节。方案设计重在方案的选择, 从多个方案中选出符合设计要求且兼顾实用性和经济性能的方案, 此外, 方案还要具有可操作性和创新性。
1.3 技术设计阶段
技术设计关系到机械产品开发的效率, 其是对技术部分的完善和优化。这一阶段, 根据初步设计的草图, 查找资料, 提高技术设计的有效性和合理性。此外, 要保存好该阶段的方案, 并加大技术创新, 利于后续设计工作的进行。
2 机械设计的优化设计
机械产品市场是一个重要因素, 产品具备市场是设计的前提。随着人们生活水平的提高, 经济的发展, 消费者的需求也不断提升, 对产品的性能提出了更高标准。机械设计是一个以数学理论为基础, 以计算机技术为工具, 在充分考虑各个条件下, 满足目标的最佳方案。优化设计是创新设计的重要内涵, 它以最优数学理论为基础, 运用数学函数和计算机计算最优的设计方案, 其理念适应时代的发展要求。我国在优化设计方面取得了很大进步, 设计了一些程序, 在业界得到强烈反响, 但优化设计方法还未普及设计的诸多方面, 优化设计是机械设计创新的一个方向。同样, 优化设计需要较高的专业技能, 具备创新理念, 不断完善原有方案。采用优化设计方法, 能使我们更好地分析问题, 解决问题, 提高设计效率, 摆脱传统设计模式。
3 机械设计的变型设计
机械设计涵盖的内容广, 要考虑的问题较多, 如产品的物理性质, 刚度、耐磨度、强度等, 同时设计还要考虑环保、节能, 尽量减少噪音, 采取合理有效的降热措施。其中, 产品的刚度、耐磨度、强度, 受力均衡是重要考虑因素, 因为受力不均直接导致整个结构不完善, 稳定性、可靠性降低, 要把支撑点和受力点的距离控制在合理范围。机械设计的变型设计都是以原有产品为基础, 进行新的开发, 使零件规格更加标准, 满足使用者要求[2]。机械设计变型设计是保证其在功能和原理不变的情况下, 根据用户需要调整其参数, 以设计完善的产品。三维参数化设计是机械设计变型设计方法的一种, 它不仅包含传统设计中对部分特征驱动尺寸做出修改, 调整其他关联尺寸, 得到结构相同但尺寸不同的系列零件三维模型, 还包括三维参数化模型驱动后与其相关的工程图的视图位置、比例等参数设计, 甚至整个产品生命周期的参数设计[3]。
4 机械设计的反求设计
关于反求工程的设计, 应注意以下问题:第一, 更加合理的测量方法和设备, 提高精度, 减小误差;第二, 设计更加合理的三维重构方法, 提高设计精度, 减少误差;第三, 将智能技术和信息化技术结合起来, 形成参数还原技术, 解决设计参数还原问题;第四, 研究设计产品装配关系的建模体系, 以解决参数还原;第五, 开发软件, 有原型产品设计精度分析功能, 可以实现还原原始设计参数。
5 结语
随着经济的发展, 人们生活水平的提高, 现代设计理念和设计方法逐渐被应用到设计领域。进行机械设计需要考虑诸多因素, 只有树立全新创新理念, 优化机械设计, 加强机械设计的变型设计, 增加机械设计的反求设计, 才能创新机械设计方法, 设计出满足人们需要的产品, 提高机械设计水平。
摘要:随着经济的发展, 社会的进步, 人们生活水平不断提高, 现代设计理念和设计方法逐渐被吸收到设计领域。为满足人们对机械化产品的要求, 机械设计流程日益复杂和多样化。本文主要对当前机械设计情况进行分析, 对现代化机械设计的创新方法进行探讨, 为机械设计快速发展提供参考。
关键词:机械设计,创新方法,优化设计,变型设计,反求设计
参考文献
[1]徐功森.机械制造行业的生产特点及发展趋势[J].中小企业管理与科技, 2010, (9) :73.
[2]邢爱红.浅析现代机械设计管理[J].商品与质量:学术观察, 2011, (9) .
浅析现代机械设计方法及研究进展 篇10
1.1 现代机械设计的内涵
在20世纪60年代初期, 人们将机械设计方案的过程分为不同的设计阶段, 如用户体验阶段、设计方案阶段、技术设计与工艺设计阶段等。但是随着科技的不断发展, 产品技术的发展不再单纯依赖于设计者的思想灵感或经验技术, 而是逐渐发展成为一门科学, 并且是以知识为基础, 具有科学设计手段的现代机械设计技术。随后, 现代机械设计又引进了多种不同的设计方法理念, 例如系统科学、信息科学、计算机技术等, 这些都为我国的机械设计理念增色不少。
1.2 现代机械设计的特点
现代机械设计种类繁多, 其结构也越来越复杂。现代机械设计可以从实现功能的角度来考查, 其中包括系统功能、传统功能、执行功能和操作功能等, 这些功能都可以用来协助机械的运作, 每一种功能都有其自身的特点。现代机械设计方法一般都是凭借计算机网络或其他一些现代化机械设备, 引进先进的现代化设计理念及方法, 创造出具有现代化机械设计特点的作品。现代机械设计的主要工具也是计算机, 如利用计算机计算、分析、绘图等, 可以大大提高现代机械设计的效率。
2 国内外现代机械设计的方法与理论
随着科技的不断发展, 人们对于机械产品的质量要求越来越高, 许多科研工作者对现代机械设计方法都进行了研究。在国外有许多现代机械设计方法, 比较著名的有普适设计理论方法、公理化设计理论方法和三次设计法理论。
2.1 国外现代机械设计的方法
2.1.1 普适设计理论方法
普适设计理论产生于德国, 其理论方法的精华就是经验的累积和总结。现代机械设计种类较多, 这就需要有一个系统的理论方法对其进行总结与归纳。普适设计理论方法是一种典型的设计方法学, 这种理论建立起了一系列系统的理论设计方法, 从策略、规则、方法到实施都有其具体的设计规则模型。普适设计理论方法的重点就是构建机械设计的功能结构, 其每一步的能量输入与输出都是根据已有的经验作为基础所构建出来的, 所以普适设计理论方法是一种基于经验的方法。
2.1.2 公理化设计理论方法
公理化设计理论方法产生于美国, 是一种基于决策的理论设计方法。公理化设计理论方法结合了普适法的经验累积, 利用系统理论作为基础, 再加上其自身的科学决策, 构建起以科学基础和法律公则为基础的设计理论方法。公理化设计理论方法还是一种较为传统的方法, 在没有系统知识和经验的时候也可以有效利用。有些机械化设计理论较为复杂, 如果根据一般的理论设计方法不能有效地设计出好的机械作品, 利用公理化设计理论方法, 就能对各种复杂的机械设计进行优化, 从而达到很好的设计效果。
2.1.3 三次设计法理论
三次设计法理论是由日本学者提出的, 这种机械设计理论方法主要包括3个过程, 即系统设计、参数设计和容差设计。
(1) 系统设计是整个机械设计的核心理念, 也是最基础的部分, 它是整个机械设计的始发站。 (2) 参数设计就是对各个功能进行优化组合, 使系统中所有参数组合最佳, 这样可以使产品的负面影响减到最小。 (3) 容差设计相当于是对整个机械设计的一个检验, 确认各个参数的波动范围, 从而尽可能减少制作成本, 整个设计过程总称为三次设计。三次设计法理论是目前国际公认的质量最高的机械设计方法, 其设计的核心内容就是参数设计和容差设计, 每一种设计都是整个机械设计过程中的有效工具, 利用其设计方法对机械设计的参数进行优选。
2.2 国内现代机械设计的方法
机械设计理念在不断发展, 为适应科学发展的要求, 我国大量的科研工作者也对其进行了不断地探讨和研究, 并且取得了一些成果。这些新型的设计方法理念, 有效地解决了机械设计过程中出现的一些问题, 具有很好的实用性。计算机辅助机械设计方法、系统化机械设计方法和局部或全局性的设计方法都是我国科研工作者的研究成果, 下面以其为代表进行介绍。
2.2.1 计算机辅助机械设计方法 (简称“电子信息技术”)
计算机辅助机械设计方法是随着计算机科学技术的不断发展而兴起的一种机械设计方法。机械设计人员在画图、构思和高速运算等方面可以运用计算机来协助工作。传统的机械设计方法, 除了科学的设计理念, 其设计步骤也非常重要, 传统的机械设计方法都是利用图纸或手绘而制作出设计方案, 而计算机辅助方法出现之后, 设计者就可以利用计算机有效地进行产品设计。计算机辅助机械设计方法不仅可以减少设计人员的体力劳动, 还可以提高设计质量, 缩短设计周期。
2.2.2 系统化机械设计方法
系统化机械设计方法是对传统机械设计方法的一种突破, 它改变了以往一成不变的单纯的功能性要求。系统化机械设计方法使整个机械设计的方法理念更加系统化、信息化与智能化, 能够在不丢失数据的前提下, 通过对用户信息进行管理或禁用某些程序, 使一些丢失的数据还原, 保护用户系统的利益, 从而保护整个系统。系统化机械设计方法通过多种方式对用户系统进行合理保护: (1) 利用一些软件对硬盘中的信息进行管理; (2) 有效地隐藏备份, 如系统化机械设计方法可以还原一些丢失的文件、更改文件属性或对文件加密等。
2.2.3 局部或全局性设计方法
国内现代化机械设计方法理念较之以前更为全面, 实用性更强。现代化机械设计理念更为科学, 通过它可以全面了解整个机械设计过程, 系统地对整个机械设计过程进行监测或督查, 以提高工作效率。
3 现代机械设计的研究进展
现代机械设计全面发展。随着科技的不断进步, 现代机械设计方法逐渐面向大众, 适应市场化的发展需求。
(1) 全球化。机械设计全面发展, 在全球化的进程当中占据着非常重要的地位, 所以面向全球化是机械设计发展的必然趋势。 (2) 网络化。在机械设计的发展中, 很多人认为机械化与网络没有太多的联系, 但事实上这种思想是错误的, 当今社会网络化越来越成为大众交流发展的一个平台, 任何事情在网络化这个大平台中都可以得到讨论, 因此机械化设计是与其紧密相连、密不可分的。 (3) 虚拟化。设计过程本身就是一个抽象的过程, 自然带有一定的虚拟色彩。 (4) 自动化与绿色化。这是现代机械设计中较为先进的一种科学理念, 设计者应有效地利用这种理念进行设计, 以提高机械设计工作的效率, 降低能耗。
4 结语
随着我国机械制造产业的不断发展, 我国的机械设计理念也需要不断更新。高质量、高生产率一直是机械设计的主要目标。因此, 21世纪机械设计应朝着柔性化、灵捷化、智能化、信息化、网络化、绿色化的方向发展。
摘要:概述了现代机械设计的内涵及特点, 阐述了现代机械设计的方法与理论, 最后就现代机械设计的研究进展情况进行了分析探讨。
关键词:现代机械,设计方法,理论,研究
参考文献
[1]江正荣, 朱国梁.简明施工计算手册[M].中国建筑工业出版社, 2004
现代机械设计及其发展趋势探讨 篇11
关键词 机械制造 发展历程 发展趋势
中图分类号:TH12 文献标识码:A
受到经济全球化的影响,国与国之间的实力竞争日趋激烈,现代机械制造技术不单单是国家工业发展的支持和动力更是国家制造实力的重要代表。机械制造业是国民经济各部门技术装备最主要的来源,也是工业制造业最重要的组成部分,起到了完善我国原有的工业体系的作用。我国虽然在近年来致力于创新,但是同发达国家相比在这一方面仍存在不小的差距,它不仅仅局限于简单的机械生产,为了提高自身的竞争力与效益,现代机械制造技术必须涵盖机械研究设计,机械生产,售后维修等各个方面。现在各个国家都把机械制造技术列为重要发展方面,许多国家都将科学技术的发展重心转移到机械制造技术的开发与研究方面。所以,了解其含义还要探索一条中国特色的机械制造的发展方向。
1 机械设计的发展历程
国民经济的重要基础是机械制造业,而机械制造技术的基础和动力则是机械制造技术的创新。从发展至今机械制造业的发展历程大致可以分为五种类型。第一、劳力密集型。大多数工业生产依靠人工劳动,工业生产类型也是手工制造业为主。第二、设备密集型。工业生产依赖于机械设备进行,诸如汽车生产的流水线生产方式开始被研发应用。第三、信息密集型。这类的机械制造生产技术与高新发展的电子计算机技术相结合,是现在运用比较广的技术。这种生产方式利用信息交换来完成机电一体化的设备的生产,在生产中依靠的是操作人员与机械设备的信息交换,通过将信息输入机械来完成产品的精准加工,是简便快捷的生产技术。第四、知识密集型。这种生产方式的制造理念比较先进,现在应用的较好的是计算机的集成制造技术,这种机械制造的生产技术是应用前途较广的。第五、智能密集型。这种技术是市面上比较受关注的新型生产技术,现代社会生产的急剧变化要求适应性比较强的机械生产技术去适应变化,目前该仍在不断的研发阶段。
2 现代机械制造技术的未来发展趋势
现代新兴的机械制造技术依靠于传通的机械制造技术,但更重要的是实现了对传统技术的更新与发展。现代机械生产技术的发展趋势主要是虚拟化,全球化,绿色化与制造业信息化的方向。
(1)虚拟化
虚拟化技术是现代社会生产中运用较广的技术,所谓虚拟化指的是以计算机技术为支撑所形成的最新生产技术。制造业现在在生产中主要实现的是设计与制造中的虚拟化。在机械制造设计时可以通过虚拟化技术测试设计是否可行,而在机械制造时,通过虚拟化技术可以完成对产品的性能分析,对产品进行合理性的模拟与测试,发现产品的不足,优化产品的性能,同时也能保证产品的质量。
(2)全球化
机械制造技术的全球化是时代的要求,当代经济全球化的发展不仅联系的是各个国家之间的经济,更有的是国家之间信息与技术的相互交流。当代国家之间实力的竞争日趋激烈各种行业之间的竞争也是越来越多,在国际市场上许多企业为了避免倒闭,往往选择的是加强与其它企业的合作,这种企业间的共同合作扩大了机械制造业在国际上的范围。机械制造的最终目的是取得盈利的最大化,许多机械制造企业为了取得盈利都选择在不同的地方生产机械产品,当代交通与信息的发展使得机械制造可以完成异地生产,这也就实现了机械制造的全球化生产。
(3)绿色化
当代制造业的生产越来越表现出向绿色化发展的趋势,当今的绿色环保理念深入人心,工业生产中也越来越要考虑到生产时的环保效益,机械制造技术生产的产品最终要运用到工业生产中,所以机械制造也要考虑到生产的环保。从机械制造的材料到最终的包装都要选择绿色产品,最大程度上的减小机械生产对环境的危害,提高机械设备生产时材料的合理利用,实现资源的保护。
(4)制造业信息化
信息爆炸的时代,机械制造想要在这样的环境下取得发展就要改变发展方式。不是依靠于大规模的投资,而是依靠于最新的信息。通过信息来了解全球化的制造业最新发展动态与方向,引进最新的科技项目,规范生产。
3结束语
现代机械制造技术是一个国家制造业水平的重要标志,是现代技术和工业创新的集成,是一个国家工业的支柱和基础。我国是一个制造大国,却并不是制造强国,这主要反映在我国的现代制造技术基础薄弱、重大装备缺少自主创新和研发的能力。因此作为我国的机械制造业而言,应该抓住发展机遇,了解我国机械制造技术的发展现状,把握现代机械制造技术的发展动向,不断的更新理念,使我国的机械制造业能够有效利用发达国家的成果与发达国家的机械制造业一起腾飞。
参考文献
[1] 刘唐根.我国现代机械制造技术现状及发展趋势浅析[J].中国高新技术企业,2012,Z3:18-20
[2] 黄皖.现代机械制造技术的现状与发展趋势[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2011(2).
现代机械设计方法研究 篇12
现代设计方法的产生,具有社会、经济、科技、艺术和需求观念发展的背景。从有历史记录开始,设计理论的产生距今已有4500多年的历史[1]。传统机械设计方法是基于经验、半经验,类比,实体模型,静态,经典数理力及其试验所构成的设计方法,经验性、单调性、封闭性、技艺性是其基本特点,弱理论强经验是其固有模式,设计进程是单一的串行模式,在思想理论方面没有成形的基础,其创新设计往往建立在经验和灵感的基础上。
随着科技、经济、社会发展和人类文明的需要,竞争、战争与防御的驱使,传统设计方法已不能适应时代的要求,现代设计方法便应运而生。通常所指的现代设计方法仅指概念设计阶段和技术设计阶段。半个多世纪以来,现代设计理论与方法的内涵和外延在不断扩展,表现出广泛的学科交叉性。现代设计方法形成设计科学理论与方法体系,也只有十来年的历史[2,3]。
实践证明,不断研发、学习和运用现代设计理论与方法,是企业自主经营的首要环节,是企业生命不可缺少的基本要素,是企业竞争、生存和发展壮大的必经之路。本文就设计对象———产品本身的设计进程而言,限定在概念设计、技术设计和施工设计三个阶段的现代设计方法进行综合论述。
1 现代设计方法的组成
现代设计方法是对传统设计方法继承和发展的结果,是以科学理论作为思想基础,以计算机作为基本技术工具,运用知识进行创造活动的方法。现代设计方法作为完整的体系,主要由三部分组成,即设计思想和理论、设计方法和技术以及设计工具和平台。
1.1 现代设计思想与理论
设计创意的产生,产品概念的形成,关键来源于思想,设计过程是思维的过程,设计结果是思想的结果。因此现代设计方法十分重视设计思想方法和思维规律的研究。已经形成分析与综合、收敛与发散、对应与联想、分解与组合、换元与移植、正向与反向等一系列对立统一思维法则,以及智暴法、635法、陈列法、戈顿法、输入输出法等科学组织的多种思想方法[4]。
从抽象到具体、通用到专用的程度和研究与应用的专业范围来看,现代设计理论大体上构成了三个层次:设计基础理论———由设计哲学,横向科学,认知科学,思维科学,方法学等构成的设计理论;设计专业基础理论———由数理科学,计算机科学,人文科学,艺术科学,管理科学等构成的设计理论;设计专业理论———由机械科学,材料科学,工程科学,产品领域专业知识等构成的设计理论。
现代设计思想与理论正在形成现代设计方法的有力支撑而广泛深入地发展。其中以通用性、普适性和互补性强的本体论、相似论和系统论,正在构成一个完整的理论体系,表现出对现代设计方法全面的基本支撑作用。
1.2 现代设计方法与技术
从产品设计过程来看,完整的广义设计体系包括产品规划、概念设计、技术设计、施工设计和服务设计,贯穿于产品全生命周期。从产品设计对象来看,简单到普通零件,复杂到由机、电、磁、光、液、软件以及仿生物等能量流、信息流和物质流高度耦合的极限系统,涉及到产品的全部构成。
经初步归纳统计,已经研究和应用的现代设计方法约有50种,如计算机辅助设计、概念设计、功能设计、原理设计、结构设计、材料设计、系统设计、优化设计、可靠性设计、安全设计、价值工程设计、成本设计、规模定制设计、标准化设计、系列化设计、模块化设计、逆向设计(反求设计)、再设计、变形设计、相似设计(包括成组设计)、并行设计、协同设计、网络化设计、可视化设计、机电光一体化设计、保质设计、稳健设计、虚拟设计、数字化设计、仿生设计、智能设计、模糊设计、绿色设计(生态设计)、节能设计、摩擦学设计、疲劳设计、动态设计、有限元方法及无网格法、重用设计、创新设计、TRIZ设计、三次设计、公理设计、全生命周期设计、快速响应设计、面向X的设计(DFX)、人机工程设计、机电产品造型设计、微机电系统设计、分形设计、本体设计和CAX集成设计等。如果对这些方法再细分,如智能设计包含的专家系统、基于实例的推理、知识工程、人机智能系统等,加上交叉综合集成方法,如广义质量的产品质量功能化设计、动态优化设计、智能控制系统设计和可视化设计的综合设计方法[5],基于QFD、TRIZ和三次设计的集成化设计方法[6]等。
20世纪80年代以来,国内外已经出版了不少关于现代设计方法学编著和论文,在论述中都不同程度反映出归纳思想,但提出分类的论著尚不多见。目前未曾见到现代设计方法分类系统研究的专著。较为全面以设计步骤、内容、方法、思想进行分类的有文献[5],有从技术角度的分类[7],从功能角度进行方案设计的分类[8]和基于分析的分类[9]等。至今还没有成熟的比较认同的系统现代设计方法分类体系。
从科学角度对已有的现代设计方法进行分类研究,既是现代设计理论与方法表现出来的共同特点,同时也是继续深入研究和发展现代设计理论与方法的需要。
1.3 现代设计工具和平台
支持操作运行现代设计方法的工具和平台,是现代设计方法的重要组成部分,可以分为硬、软件两大类。硬件指计算机,文档、图形处理设备,逆向工程测量设备,快速原型设备,以及虚拟仿真设备等。软件则是以计算机软件工程、组织科学、管理科学以及相关专业知识构成的操作系统,设计标准规范,设计组织运行模式,数据、信息和知识管理系统,虚拟仿真技术,以及接口技术等。在实际运行中,硬、软件是结合在一起实现工具和平台作用的。
随着现代设计方法的发展,设计工具与平台相应经历了三个发展阶段:CAX系统阶段,20世纪50年代开始产生单一的CAD、CAE、CAM,此后发展到CAD/CAE/CAM集成系统;并行工程阶段,即DFX/PDM集成阶段,20世纪80年代后期提出的并行工程是对传统的产品设计和开发方式的一种根本性改进,PDM(产品数据管理)技术和DFX(DFM、DFA等)技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现;虚拟仿真技术阶段,包括虚拟样机技术和协同仿真技术,虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法,是各领域CAX/DFX技术的发展和延伸。
现代设计方法的工具和平台主要有四类:CAX系统类;DFX类;仿真系统类;数据库、知识库系统类,包括设计领域的设计目录,数据库、知识库、本体库、方法库,数据仓库、知识仓库等。
现代设计方法的三个组成部分是密切联系的有机整体。其设计思想和理论既是现代设计方法的基础,又贯穿于方法和技术、工具和平台之中,常常以各种方法和技术的面貌出现。工具和平台是现代设计方法和技术的实现手段,其本身又包含着现代设计方法和技术的内容。
2 现代设计方法的基本特点
与传统机械设计方法相比,现代设计方法的特点主要表现在系统化、科学化和计算机化三个方面。
2.1 系统化
传统机械设计的对象仅仅局限于“机械部分”,只考虑如何实现对象本身的功能,通常包括几何结构设计,可加工性设计,安全性设计,可维护性设计,而现代机械设计则全面走向系统化。
1)现代机械设计把机械作为综合能量流、物质流、信息流的机、电、磁、光、液与软件高度融合的整体系统,这些机械系统的综合与整体作用在不断延伸人类的体能和智能。
2)现代机械设计强调从市场调研、用户要求、产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维修保养、报废处理和回收再利用等,进行产品全寿命周期综合最优化的系统设计。
3)现代机械设计把对象置于“人-机-环境”大系统,综合考虑人的生理和心理特征,设计对象的功能,环境保护的要求以及能源、材料、制造等系统因素,使设计既符合人的要求,又能优化设计,还能保护和改善环境,并且符合可持续发展战略。
4)现代机械设计理论与方法在体系和内容上运用系统观,实现系统化。如优化设计从参数优化发展到参数、结构和总体方案的系统优化;摩擦设计从仅有一些经典的试验数据和几条设计准则发展为系统的摩擦学学科;微机械根据自身特点创立了不同于常观机械的微机械系统设计理论与方法;CAD向设计过程各个环节、产品数据管理和企业集成的系统化方向发展。
2.2 科学化
传统机械设计基于经验、半经验和经典的数学、物理学、力学及其实验,“就机械论机械”,只强调产品的产后质量和内在质量,而现代机械设计正在改变传统设计固有的强经验弱理论模式和结构,走向科学化。
1)现代机械设计重视对设计思维规律的研究和应用,主要依靠设计思维规律引发灵感,变被动感悟为主动探索,激活科学思维进行设计,从而形成了创造与设计思维原理及其方法学。
2)现代机械设计已经发展成为一门内容广泛的交叉学科。其理论与方法包含有哲学、思维科学、智能科学、人体科学、心理学、生理学、解剖学、社会学、管理学、环境科学、生态学、进化论、可持续发展战略,现代应用数学、物理学、应用化学、应用力学、摩擦学、艺术科学、材料科学、机械电子学、控制理论与技术、检测技术、自动化技术、计算机及网络技术、现代信息科学等许多学科的知识与成果。
3)现代机械设计在继承以往基于经验与经典数理力和实验等设计理论和方法的基础上,研究开发出有限元方法、断裂力学等准确模拟系统真实工作的工能强大的分析工具,运用新理论和方法产生出一系列优化、可靠性、摩擦学设计准则。
4)现代机械设计强调在设计阶段控制产品质量,从而使产品质量在制造和使用过程中得以保证,同时既重视产品的内在质量,又重视产品的外在质量,力求使产品的造型设计既有科学性,又有艺术性、宜人性,实现产品协调统一的科学技术美,并由此而形成了人机工程学、现代工业设计和产品造型设计。
2.3 计算机化
20世纪70年代以来,计算机技术的迅速发展,一改传统的手工设计与串行设计方法,为机械设计开辟了全新的途径,并在此基础上产生了许多新的设计理论与方法。计算机技术已经成为现代设计方法赖以支持的基本工具和构建运行平台的技术。
1)现代机械设计使用计算机辅助绘图和分析计算,即延伸了人的体力和智力,同时还加快了设计进度,提高了设计质量。
2)现代机械设计依靠计算机技术支持,改变了传统机械设计仅限于在设计阶段的“方案设计-原理设计-结构设计-生产图纸设计-制造样机或直接生产-修改图纸”的串行工作程序,使与设计相关的工作尽可能并行展开,从而把设计工作延伸到设计前信息收集与设计后信息反馈,使产品市场、用户、设计、制造与质量控制密切联系在一起。
3)现代机械设计充分应用计算机技术进行优化设计、可靠性设计、三维建模、动态仿真、虚拟设计等,增强设计功能,优化设计效果,提高设计精度,缩短设计周期,降低生产成本。
4)现代机械设计以计算机为主要载体,组合配套接口技术、网络技术,开发计算机硬、软件系统,实现设计的集成化、可视化、协同化、自动化、智能化,实现数字化设计和设计过程管理。
3 现代设计方法的基本支撑
现代设计理论可以由系统论、相似论和本体论构成对现代设计方法的基本支撑。这三种理论对现代设计方法的形成都起着重要的作用,它们之间有着密切的联系,本体是相似和系统的基础,相似是系统和本体的联系,系统则为本体和相似的结果。
3.1 系统论支撑
系统论研究事物形成整体的一般模式,结构和规律。系统是由相互关联、相互制约、相互作用的若干部分(元素)组成的具有特定功能的有机整体。系统论的创始人贝塔朗菲于1945年开始发表系统论文章,到1968年确立了其科学学术地位。
1955年,德国的Hansen首先把系统论引入设计领域,提出构造系统的理论。20世纪80年代以来,系统论广泛用于设计方法和技术,设计工具与平台的研发。当今创新设计典范的TRIZ、公理化理论与方法等,系统论在其中发挥着主干作用。除了面向方面设计DFX、反求设计等方法尚未运用系统论以外,绝大多数现代设计方法都有系统论的支持。以至于系统论首先构成了现代设计方法的基本支撑。系统论之所以在设计领域具有这样的作用,是它上升到哲学层次的结果。
事实表明,具有多学科知识交叉融合的综合集成的系统科学理论,必将构成对现代设计方法的有力支撑。钟掘、闻邦椿、陈予恕等从系统的复杂性、非线性和综合性研究[10,11,12],正在引领中国机械科学的深入发展。
3.2 相似论支撑
相似论研究事物的相似现象及变化规律,相似是由相同因素和相异因素结合于一体的事物属性。
相似理论的基础是1848年、1911年和1931年分别提出的相似三定理,是以经典数理科学身份进入设计领域的。1869年英国Froude,William首先将相似理论用于模型测试。20世纪50年代在相似理论基础上产生的成组技术,在施工设计阶段一直有着成功的应用[13]。到20世纪90年代初,相似理论才以思维科学的面貌出现,其内涵和外延有了更新更广的定义[14]。相应地也开始有了运用相似论进行概念设计阶段的研究和创新设计研究[15]。相似理论不仅自身构成了一类设计方法,而且还是智能设计、仿生设计、虚拟仿真系统的基础理论。在工具和平台中,有些数据库、知识库和仿真技术,是用相似原理构建的,从而使相似论成为现代设计方法的一个基本支撑。
虽然比系统论进入设计领域早80多年,但其长期以来受制于相似只存在于同类现象之中,并且局限于在共性中相似程度很高的范围,以至于在创新设计的主要阶段———概念设计阶段几乎见不到相似论的踪影[16,17]。
从知识重用和知识创新构成的两大类设计方法来看,相似论对于知识重用的设计方法可以说是全面支持的,而且在知识创新构成的设计方法中,有些是全面支持或部分支持的,具体见图1。
3.3 本体论支撑
本体论原本是哲学的一个概念,用于研究事物的存在、组成及其本质,20世纪90年代初开始引入认知科学、智能科学、计算机科学、机械科学、知识工程等众多领域,由此产生了多种不同的本体概念。可以概括为:本体是通过对与概念、属性及其相互关系的规范化描述,勾画出某一领域的基本知识体系和描述语言[18]。
本体论既适宜用于大规模知识和多学科知识的表示、组织和交互,也适宜用于各种特定领域知识的表示、组织和交互。依靠本体论支撑的现代设计方法,由于计算机技术已经成为现代设计方法的基本工具,无论是单个微机设计,还是在分布式、网络环境下并行、协同设计,都需要海量设计知识的组织、供应和处理,本体论以其“组织知识的知识”特点[19],成为计算机智能化知识设计理论的尚佳选择。相对于系统论和相似论,本体论进入设计领域的历史很短,还不成熟,是当前研究的热点。
3.4 综合支撑的必要性和可行性
改变机械设计领域的弱理论强经验模式,构建整个设计进程的完整设计理论与方法体系,单靠系统论和面向局部的科学理论与方法是难以从根本上实现的。要实现这一目的,需要从更高理论层次的哲学、思维科学、认知科学和横向科学之间的交叉融合着手。系统论在设计领域的研究和应用证明了抽象概括性强的有效性。但是,任何一种理论不可能包罗万象,系统论自然也有它的局限性。优势互补的综合理论就成为一种必然的选择。本体-相似-系统综合理论正是在这种需要下提出的。本体论、相似论与系统论构成现代设计方法的综合理论支撑的思想,是以钱学森系统科学是还原论与整体论辩证统一观点和综合集成方法论[20]指导所提出的。
本体论、相似论和系统论都是以知识为核心的认识论和方法论,都可用于现代设计方法。在理论特性上,由于系统论的整体性、关联性、集合性、层次性和目的性,相似论的中介性、模糊性、对象性、演化性和拓扑性,本体论的个体性、封装性、规范性、内聚性和客观性,三者具有明显的互补性;在理论结构上,三者可以形成一个“本体单元-相似变化-系统整体”的完整结构;从实际作用来看,系统论、相似论和本体论具有在现代设计方法中构成基本支撑的能力。因此,三者可以综合为一个支持整个设计进程的完整理论体系。本体论、相似论和系统论以知识为核心,对现代设计方法构成基本理论支撑的关系如图2所示。
科学理论的支撑,必将导致设计方法的显著进步。在系统科学理论指导下,可以有效地解决复杂产品的模块化问题[21],文献[22]以系统科学的综合集成方法论为指导,提出用能量流、物质流和信息流协同设计研究改进模块化设计,可以从根本上解决现有模块化设计注重单元功能而忽视系统的整体性和关联性,注重相似再现而忽视相似创造等主要问题。运用本体论、相似论与系统论构成的综合集成支撑理论,可以提出适于模块化设计的本体原理、相似原理和系统原理,进而用该理论构建优势互补的模块化与能量、物质和信息流系统集成设计方法。
4 存在的问题
我国从20世纪80年代初开始对西方发达国家的现代设计方法从事跟踪性研究,在个别领域和方向上有一些先进的局部性研究成果,但在设计学的整体研究上与国际先进水平尚有相当大的差距[23]。在现代设计方法研究中存在的问题主要有以下五个方面。
4.1 基础理论的系统综合研究及应用依然薄弱
机械产品设计属于弱理论强经验领域[24],这是现代设计方法继续发展的一个瓶颈问题。TRIZ的创立,是对近250万件发明专利分析研究的结果,说明经验积累到一定程度,是有规律可循的,是能够上升为科学理论的。公理化设计则依据设计过程的逻辑性,形成了一套设计的科学理论。可以清楚地看到,这些理论的形成依靠着基础理论———设计哲学和系统论的支撑。我国在这方面主要是对方法和技术的跟踪研究,对理论,特别是通用基础理论研究重视不够。机械设计方法的基础理论可以分为两部分:通用基础理论和专业基础理论。设计领域的专业基础理论研究较多,但比较分散,往往局限在某一个方面,作为整体系统研究尚不多见。
4.2 知识重用设计与知识创新设计研究分离
设计是在继承的基础上进行的,既有知识的重用,又有知识的创新,两者是不可分割的,否则就失去了设计的本来意义。尽管有学者提出设计的制品理论,强调在设计过程中制品理论是进化的,不仅要支持现有理论的使用,还应支持新理论的获取,指出设计的制品理论是研究产品设计重用的重要理论依据和基础,并依此展开新产品开发和支持体系的重用技术研究[25,26,27],从目前现代设计方法研究和应用的实际状况来看,知识重用设计与知识创新设计两者分离进行研究的现象依然是普遍的。有必要将设计的知识重用技术与知识创新技术加以联系,结合起来进行研究。
4.3 概念设计、技术设计与施工设计相脱节
概念设计、技术设计和施工设计是整个设计过程前后相承的三个阶段。现有商品化的CAD系统软件虽然提有概念设计功能,但实际上还不具备,只是在图形上比原来增强了拓扑功能,在这种模式下要实现概念设计与技术设计的无缝连接很困难,更谈不上实现创新的概念设计。实际上真正的语义概念设计和图形概念设计至今仍然依靠人的创造思维进行,概念设计与技术设计是脱节的。而在技术设计阶段只是在零件结构上提出了一些制造、装配的要求,实质上施工设计与技术设计没有多少关联性,技术设计结束以后,施工设计从头开始,了解产品的概念设计和技术设计,并根据制造、材料、技术能力等具体因素,经常变动技术设计结果。
4.4 现有的相似设计难于进行创新设计
基于相似机理的设计应当是既能继承又能创新的设计。在迄今为止的教科书、工具书和研究文献中可以看出,现有的相似设计方法对相似理论的应用仍然局限于一种同类模拟和从共性角度高相似度的运用,只能用于一般的改型设计,或者局部的改进设计,并没有全面表达相似理论是相同因素与相异因素在对立统一变化中进化发展的内涵,没有充分认识相似具有跨类存在的特点,进而深入发掘其相似性,进行创新设计。在这种狭义相似观指导下,相似设计难以发挥应有的作用,特别是难于实现从源头创新设计和自主创新设计。
4.5 设计过程集成程度低造成信息孤岛
由于产品的设计过程相当复杂,可能要用到多个工程设计及仿真分析软件,由于这些软件的开发者采用的技术路线及数据格式的多种多样,使得使用多个软件进行协同设计及仿真的用户不可避免的面临信息孤岛、应用孤岛及业务流程孤岛等问题的挑战,因此如何整合这些CAD/CAE/CAM等相关技术资源,使之充分发挥科技创新的能力,已成为一个很重要的研究热点问题。面临需要解决的主要问题有:产品统一数据模型表示方法、模型的数据交换规范、数据集成方法、异构环境下应用功能的集成和过程集成等。
5 结论
综上所述,现代设计方法的三个组成部分是一个有机的整体,只有加强三者的联系、协调与整合,才能发挥最佳效果。设计通用基础理论及其综合研究和应用,是从根本上改变机械设计领域弱理论强经验模式的有效途径,同时也是构建功能系统强大,能够自主创新和从源头创新的现代设计方法的可靠基础。本体论、相似论和系统论的综合,可以构成一个支撑现代设计方法的比较完整的基本理论体系。
现代设计方法永恒的主题是创新,在科技不断发展和多学科广泛交叉作用中,其内涵与外延将进一步丰富和扩展,系统化、科学化和计算机化的特点将进一步得到展现并走向结合,总的发展趋势是向科学化迈进。具体表现在以下五个方面:
1)设计科学规律的研究。如设计思维规律的研究,设计进程规律的研究,设计要素及其整合规律的研究等。
2)设计科学规范的研究。如设计知识的组织、供应和处理研究,设计模化(模块化、模型化、模式化及其组合化)理论与方法研究,设计标准、接口技术的研究,设计方法分类的研究等。
3)原创性设计方法的研究,主要从两个途径进行,运用普适性、通用性强的基础理论研究开发和通过不同领域科学的学科交叉形成新的生长点。
4)综合、集成、系统的设计方法研究。如多种单一方法的综合研究,方面设计、要素设计集成研究,设计理论、方法和工具平台一体化研究,概念设计、技术设计和施工设计的无缝链接研究,支持产品全生命周期的建模、求解和评价决策设计系统研究,极限、动态、复杂系统设计的研究,人机智能设计系统研究、进程和对象集成设计系统研究等。
5)知识重用和知识创新相结合的研究。是现代设计方法在新的历史条件下的基本要求,也是现代设计方法继续发展的应当选择。重在继承的反求设计、逆向工程设计、快速原型设计、虚拟仿真设计等随之将有新的变化。同时,专家系统、基于实例的推理等基于经验知识的设计方法如何向科学转化也需要深入研究。在先进技术与成果的基础上,设计工具与平台将从主要提倡设计知识重用和共享,转变为同时也有利于设计知识创新的研究。
摘要:对现代机械设计方法的产生和发展进行了综合论述,提出了现代设计方法的三个组成部分,总结了现代设计方法的三个基本特点,着重阐述了系统论、相似论和本体论对现代设计方法的支撑关系,并指出了目前现代设计方法研究中存在的主要问题,最后对现代设计方法发展的趋势进行了讨论。
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