淺談現(xiàn)代機械設(shè)計方法

范麗娜

唐山冶金礦山機械廠，河北 唐山 063000

隨著科學技術(shù)的進步，機械系統(tǒng)引入的新材料、新工藝、新方法越來越多，實現(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)代機械系統(tǒng)設(shè)計工作者若使自己設(shè)計出的產(chǎn)品能立足市場，除要求機械系統(tǒng)能實現(xiàn)預(yù)期的功能外，還應(yīng)使設(shè)計出的機械系統(tǒng)滿足物美價廉、運行可靠、操作方便、對環(huán)境污染小等一系列要求。設(shè)計者只有通曉機、電、液等各種綜合技術(shù)，才能設(shè)計出性能價格比優(yōu)良的機械系統(tǒng)。

1 現(xiàn)代機械設(shè)計的特點

現(xiàn)代機械種類很多，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。但從實現(xiàn)系統(tǒng)功能的角度上看，它主要包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱及控制系統(tǒng)等，每個系統(tǒng)又可根據(jù)需要繼續(xù)分解為更小的子系統(tǒng)。現(xiàn)代機械設(shè)計有其鮮明的特點，即不但要求設(shè)計對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、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、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析、計算，而且還需融通多門科學知識，如創(chuàng)造性工程、美學、仿生學、控制論、機械電子學、價值工程等，使設(shè)計出的產(chǎn)品在市場中具有競爭力。

2 計算機輔助機械設(shè)計方法

計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，簡稱CAD）技術(shù)是電子信息技術(shù)的一個重要組成部分。這一新興學科能充分運用計算機高速運算和快速繪圖的強大功能為工程設(shè)計及產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)，徹底改變了傳統(tǒng)的手工設(shè)計繪圖方式，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。它把計算機所具有的運算快、計算精度高、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、智慧和創(chuàng)造力結(jié)合起來，從而減輕設(shè)計人員的體力勞動，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期。

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)是計算機輔助設(shè)計技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)；軟件系統(tǒng)是計算機輔助設(shè)計技術(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個層次；2）系統(tǒng)軟件對計算機資源進行自動管理和控制，它處于整個軟件的核心內(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算機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際問題的程序。

計算機輔助機械設(shè)計的一般過程包括：1）建立數(shù)學模型：一般機械零件基本都有現(xiàn)成的數(shù)學模型，但對沒有數(shù)學模型的則首先要建立正確的數(shù)學模型；2）設(shè)計程序框圖：程序框圖根據(jù)手工計算的步驟來設(shè)計；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，先仔細檢查源程序，然后將其輸入計算機進行試算，再對程序適用范圍的邊界、轉(zhuǎn)折點進行試算，要求與手算結(jié)果完全吻合。

3 系統(tǒng)化機械設(shè)計方法

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

科學技術(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，尤其是機械產(chǎn)品方案的設(shè)計手段，則顯得力不從心，跟不上時代發(fā)展的需要。目前，計算機輔助產(chǎn)品的設(shè)計繪圖、設(shè)計計算、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)初期方案的計算機輔助設(shè)計卻遠遠不能滿足設(shè)計的需要。

系統(tǒng)化設(shè)計方法將設(shè)計任務(wù)由抽象到具體(由設(shè)計的任務(wù)要求到實現(xiàn)該任務(wù)的方案或結(jié)構(gòu))進行層次劃分，擬定出每一層欲實現(xiàn)的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯(lián)系在一起，使整個設(shè)計過程系統(tǒng)化，使設(shè)計有規(guī)律可循，有方法可依，易于設(shè)計過程的計算機輔助實現(xiàn)。系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。

在系統(tǒng)化機械設(shè)計過程中，為使設(shè)計工作更為科學合理，常把一個機械系統(tǒng)分解為若干個相聯(lián)系的比較簡單的子系統(tǒng)，可使設(shè)計和分析比較簡便。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，直至能進行適宜的設(shè)計和分析。系統(tǒng)分解時就注意以下幾點：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途徑。通常機械系統(tǒng)工作時都存在著能量、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，既不可中斷，也不可紊流，即使分解成各個子系統(tǒng)，它們的流動途徑仍應(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，每個系統(tǒng)仍是一個系統(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。而功能分解時，是按功能體系進行逐級分解，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)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求、設(shè)計、加工、裝配、成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設(shè)計工具軟件。因此，機械設(shè)計方法的發(fā)展趨勢是綜合運用系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，以產(chǎn)品方案設(shè)計為方向。

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

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