迎接機械設計技術挑戰的若干思考

摘要：工程技術是把科學原理轉變為改造世界的動力，機械設計課程講授機械產品設計的技術基礎。本文從新材料、信息科技、智能科學和生態環境四個方面，討論了目前機械設計面臨的挑戰。前瞻的預測機械設計的發展方向，可以促進機械設計教學的改革。同時預測不是既成事實，也帶有不確定性和風險，需要更多人的討論與批評，使得未來的發展方向更清晰更準確。

關鍵詞：機械設計；課程教學；挑戰；對策討論

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）15-0109-03

一、引言

“作為生產力的一個要素，工程技術把科學原理轉變為改造世界的動力，是科學發現和產業發展聯系的橋梁；是產業革命、經濟發展與社會進步的強大杠桿。”人類社會已經經歷了三次工業革命。18世紀的機械工業革命產生了紡織工業、機械制造業、鐵路運輸業和煤炭工業等；第二次工業革命中崛起了電力工業、化工工業、冶金工業和汽車工業等；第三次工業革命催生了電子工業、計算機工業、空間工業、合成材料工業和原子能工業等。機械設計作為機械工程的技術基礎在不斷地更新與發展，機械設計課程的內容與教學方式也隨著新科技的發展而不斷進化，機械設計教學的基本要求就是使得學生獲取機械產品設計的知識、拓展設計能力、提高素質和開啟智慧。

人們設計、制造、檢測和銷售產品是為了獲取利潤，在向用戶提供使用價值的同時獲得自己勞動應該得到的利潤。勞動創造價值，機械產品的設計最終目的就是提供使用價值，同時獲得勞動報酬。因此，價值—功能—原理—結構的產品設計思路認為，在設計產品的初期，設計者思考的不僅僅是產品應具有的功能，也必然考慮產品的市場銷售能得到多少利潤。

在創新氛圍日益濃厚的21世紀，創新教育與創新實踐是各國教育界特別重視的問題。面對生命科學與技術為核心的21世紀，機械設計課程面臨新的挑戰。在新的世紀，機械設計教學不應“渴而穿井，斗而鑄錐”，而是應該未雨綢繆、積極面對新的挑戰。本文從當前科技的發展出發，討論機械設計課程面臨的挑戰。

二、機械設計的基礎

17世紀和18世紀初葉是鐘表時代，18世紀末葉和19世紀是蒸汽機時代。機構學的發展，出現了曲柄滑塊原理的內燃機、汽輪機和水輪機等，實現了將柴油和汽油的化學能轉化為機械能；原煤的化學能經熱能轉化為機械能；水的動能和勢能轉化為電能或機械能。這些技術發展進程中，誕生了機械設計課程。

機械設計包括機械原理、機械零件和機械系統設計三部分內容。機械原理討論機構的設計、運動分析和動力學分析。機械零件部分討論機械零件的強度、剛度、振動穩定性和耐磨性等設計方法，并且介紹機械的結構設計。機械系統設計部分討論機械系統的動平衡、速度波動調節以及系統方案優化設計等。機械產品的創新設計以上述三部分內容為基礎，對產品設計進行改進或革新。

1.機械原理。機構的設計與分析是機械原理的核心內容。常用的機構有：連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、蝸桿結構、摩擦輪機構、棘輪機構、槽輪機構等。機構的演變或創新方法有：機構的組合、機構的演繹、機構的逆向設計以及新原理的應用等。機構組合是常用的設計方法，通過不同類型機構組合或者同類型機構的組合，得到實現運動軌跡的新組合機構。機構的演繹是通過改變機構的運動副、構件幾何設計、機構的變結構等方法，獲得新的機構設計。機構的逆向設計，常用主動構件和輸出構件互換、增加或減少自由度數即原動件數，來獲得新的機構設計方案。機構的運動分析和動力學分析，常用計算機輔助設計的方法來分析，以獲得運動軌跡、加速度和躍度的變化曲線。機構的創新設計是機械產品創新的基本內容，也是對產品在較大程度上的革新。

2.機械零件。機械零件分為通用零件和專用零件。機械零件部分介紹的是各類通用零部件，包括連接零件、傳動零件、軸系零部件以及彈簧、機架和導軌等。連接零件有螺紋連接、銷、鍵和花鍵、過盈連接、膠接、焊接和鉚接等。傳動部分有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、摩擦輪傳動等。軸系部分有軸承和軸的設計，其中軸承有滑動軸承、滾動軸承、空氣軸承、電磁軸承和靜電軸承等。機械零件的設計是針對零件的失效形式來進行的。首先由實踐確定機械零件的失效形式，然后選擇零件的材料和表面處理技術，以抵抗其失效形式，再依據相應的設計理論提出設計準則和設計公式，最后是設計零件的所有結構尺寸。另一方面，機械零件是物化的產品，其結構設計和制造工藝性設計也是關鍵方面。機械零件的創新設計方法有變結構的設計、組合設計以及采用新原理的設計等。

3.機械系統設計。機械產品越來越復雜，組成機械產品的零件個數越來越多。機械系統的傳統設計內容有動平衡、速度波動調節和分系統之間的匹配等。機械子系統的設計，包括動力系統、傳動系統、執行系統、控制系統和輔助系統的設計。在計算技術發展后，針對系統層面出現了系統優化設計、系統可靠性設計和系統摩擦學設計，并且在產品設計中得到應用和推廣。隨著生態設計、全壽命周期設計、維修設計和自動化設計的發展，基于系統分析和計算仿真的設計軟件包日益增多。經典的設計內容都可以由軟件包來完成，然而對于新材料的機械零部件設計及其系統設計，仍需要理論和實驗的應用基礎研究，以獲得設計準則和相應的設計方法。

三、機械設計面臨的挑戰

我國的機械工程高等教育是從20世紀初開始的，落后于歐洲的第一次產業革命200余年。因此，我國的機械工程科學與技術距世界先進水平有差距是有其歷史原因的。在改革開放后，國家的載人航天、高速鐵路和青藏鐵路等重大工程的建設推動了機械、電氣、信息和材料等學科技術的進步，同時也促進了不同學科的技術整合，以新的系統產品提供給消費者。然而，我國的工程教育歷史較短，仍有待借鑒國外先進的工程教育經驗和教育方法。目前，機械設計教學與產品設計面臨的挑戰有創新能力的培養、系統性的思維觀、新的科學原理帶來的挑戰等。

1.新材料帶來的挑戰。人類的發展史從某種意義上說也是人類利用和制造材料的歷史。隨著人們對石頭、銅及其合金、鐵及其合金、半導體材料的制造和使用，人類社會經歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代和半導體時代。在上個世紀末，智能材料的發展非常迅速，例如壓電材料、磁致伸縮材料、光敏材料等，機敏材料正得到更多的應用。在量子力學基礎上出現的新智能材料，將為機械產品設計提供更廣闊的空間。作為機械產品設計工程師，要時刻關注智能材料的進展及其制備技術。納米材料作為一種介觀尺度的材料，已在納米潤滑添加劑方面得到工程應用。另一方面，材料的成本與市場供應也是產品設計階段需要考慮的內容。新材料的發展與研制，為機械產品設計提供了更多的設計選擇，也同時使得以前不可實現的產品功能得以實現。生物材料及其仿生技術是新材料的發展方向之一，設計師應關注這一方面的新進展、新技術和制造過程，在較短時間內將其應用于產品設計，為人們的安全、舒適的生活和健康提供新的產品。

2.信息科技帶來的挑戰。從信息論和控制論的誕生開始，人們就進入了信息社會。計算技術的軟件、硬件和系統技術，作為20世紀的標志性進展，以此為階梯，人們開始了信息社會的生產與生活。信息技術使得地球變成了地球村，各地信息及時傳遞與互享共用，改變著人們的生活方式、生產方式和思維習慣等。毫無疑問，我們已經生活在信息社會里，信息技術對機械系統中的控制單元設計進行了徹底的變革。產品的設計涉及功能、結構、外部界面、用戶界面和成本五個方面。產品的創新設計方法很多，例如前蘇聯學者G.S.Altshuller提出了創新問題解決方法。無人車間、無人制造工廠不再是人們的向往，而是已經成為現實。信息技術已經提供了虛擬戰場、3D虛擬電影、虛擬產品模型、虛擬產品裝配等一系列產品和相關的技術。機械制造的核心，機床已經是計算機控制的可編程設備，機械制造過程也已經是柔性的可變制造系統的生產線。可以預見，信息技術不僅會為人們的生活提供手機和無線網絡等，也將提供虛擬的生活體驗，例如虛擬的蹦極、虛擬侏羅紀公園等。信息科技對機械設計和機械制造的變革不會比電氣化革命帶來的少，而且更加深刻、更加深遠。機械設計工程師要學習新的信息科學與信息技術，用其革新機械產品的設計、機械制造過程和管理過程。

3.智能科學帶來的挑戰。21世紀是生命科學與技術的時代，生命的基本特征就是智能與生長。智能科學的發展與信息科學密切相關，也可以說是以信息科技為基礎的。簡單智能產品，例如冰箱、空調等，已成為商用產品，而且新的更高智能程度產品也在日新月異的發展之中。基于信息技術的智能交通系統、公園導游系統、空中管制系統等產品已具雛形，隨著信息處理的高度智能化發展，這些信息管理系統也需不斷地升級。1956年到1961年可以說是AI研究的形成時期，卡內基-梅隆大學、麻省理工學院和IBM公司開始了AI的早期研究。1961年到20世紀80年代是AI成長期，80年代是其快速發展期，80年代后人工智能技術步入實用化成熟期。取得了國際象棋、口語識別、機器視角和專家系統等研究成果。

4.生態環境帶來的挑戰。隨著生產的規模擴大，對自然資源的消耗日益嚴重，伴隨出現的環境污染也日益突出。在今天的生產發展階段，保護自然生態環境的壓力更加突出。為了保護人類的生活環境，必須從產品設計、產品制造到產品回收循環利用的全周期，考慮產品的環境綠色性。產品供應鏈的全球化、網絡化與節能設計，是新世紀機械產品設計需要考慮的新問題。機械產品的設計階段就很大程度上決定了產品的環境友好性。從材料選擇來說，應采用材料種類更少的設計方案；從計算參數設計來看，應提高功能參數與質量之比，更大程度地發揮材料的性能；從結構設計來說，應盡可能地循環利用報廢機器的零件，或者通過最低成本的再制造，然后循環利用零部件；在功能設計來說，應盡可能發揮產品的設計構思，提供更多、更便捷、更低成本的功能實現方案。如此等等，在整個產品設計階段貫徹生態設計的理念，為保護自然環境和最大效能利用資源做出努力。

四、小結

機械產品創新設計必需解決新發展的挑戰，新材料、信息技術、智能科學與生態環境等帶來的將是長期面臨的新問題。機械設計的發展是個動態的吐故納新過程，只要我們睜開眼睛、敞開胸懷，以前期的機械機構設計、結構設計、強度和剛度設計、可靠性設計、優化設計和摩擦學設計等知識為基礎，必將在新的世紀中創造出更多更好的新產品。

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作者簡介：汪久根（1963-），浙江大學機械工程學系教授、博士生導師。