當前機械設計理論與方法的探討

徐東兵

摘 要：機械作為制造依據(jù)的過程，其主要目標是：在各種各樣的限制條件下設計出較好的機械。設計者的任務是按具體情況權衡輕重、統(tǒng)籌兼顧，使設計的機械具有最優(yōu)的綜合技術經濟效果，以滿足人們的各種需求。

關鍵詞：機械設計；原理；方法；原則

隨著科技的進步，新興學科和技術的不斷涌現(xiàn)，原來的一些機械設計方法已適應不了當今的時代潮流。特別是方案設計是目前智能化CAD的瓶頸之一，已成為各國設計學者研究和探討的熱點。本文從以下幾個方面淺談一下機械設計的理論和方法。

1 現(xiàn)代機械設計的概念和地位

機械設計是指根據(jù)對機械產品的設計要求，應用當代先進技術成果，通過設計人員的創(chuàng)新思維，經過反復調查、分析、論證、判斷做出決策，并采用適當?shù)脑O計模型使之量化，最終將輸入的物料（毛坯、半成品等）、能量（機械能、電能、熱能等）或信號（測量值、數(shù)據(jù)、控制信號等）轉化為功能完善、技術先進、經濟合算、造型優(yōu)美、深受用戶歡迎的技術裝置或機械的過程。

機械設計是生產機械產品的第一步，是決定機械產品性能的關鍵環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，機械產品的生產成本，70%由設計階段決定。所以必須把好設計關。

2 現(xiàn)代機械設計發(fā)展趨勢

隨著科技的進步，設計水平發(fā)展很快。首先，機械設計的基礎理論和各種專業(yè)產品設計機理的研究得到進一步加強；其次，關鍵零部件的設計研究得到加強。

2.1 通過設計來完善產品的功能及原理

任何一種機器的更新?lián)Q代都有三個途徑：一是改革工作原理；二是通過改進工藝結構和材料，提高技術性能；三是加強輔助功能，使其更適應使用者的心理。特別是第二步、第三步，目前發(fā)展迅猛，開發(fā)得比較成熟。

2.2 通過設計提高產品質量

（1）基本性能方面。隨著科技的進步，出現(xiàn)一系列的新工藝、新材料，如硬質合金材料的出現(xiàn)，使普通車刀在高速切削下的壽命大大提高。

（2）適應能力方面。機械設計除應滿足產品的基本性能外，還要考慮工作情況發(fā)生變化時的產品適應能力。如采用齒輪傳動的自行車代替鏈傳動，更能適應在惡劣環(huán)境下的使用。

3 現(xiàn)代機械設計原則

機械設計應遵循以下原則：

1.實用性原則 市場需求是設計動力的源泉。機械設計首先要滿足所設計機械產品的基本功能和必要的輔助功能要求。

2.經濟性原則 所設計的產品應盡量降低成本，提高附加值，提高經濟效益和市場競爭力。

3.安全性原則 所設計的產品應在技術上采取必需的、可靠的安全防護措施，保證操作者、管理者的人身安全和機器的安全。

4.優(yōu)化原則 所設計的產品應達到當代科學技術先進水平，產品制造和使用達到最佳水平，多種原理方案和設計參數(shù)達到“最優(yōu)解”。

5. 可靠性原則 所設計的產品應在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的功能，即不發(fā)生失效。

4 現(xiàn)代機械設計理論與方法

設計理論是對產品原理和機理的科學總結，設計方法是使產品滿足以及判斷產品是否滿足設計原則的依據(jù)。現(xiàn)代設計方法是基于設計理論形成的，因而更具科學性和邏輯性。

4.1 利用現(xiàn)代計算機軟硬件技術的設計方法

在產品開發(fā)初期借助于設計方法學，利用多媒體工具進行系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)這一指導思想，利用數(shù)學系統(tǒng)理論，同時考慮系統(tǒng)工程理論產品設計技術和系統(tǒng)開發(fā)方法學，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件。根據(jù)這一設計方法，往往把產品的整個開發(fā)過程概括為產品規(guī)劃、開發(fā)和生產規(guī)劃三個階段，并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術——虛擬現(xiàn)實技術。

（1）產品規(guī)劃——構思產品。其任務是確定產品的外部特征，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出來，建立能夠體現(xiàn)整個產品外形的簡裝模型。

（2）開發(fā)——設計產品。該階段主要根據(jù)系統(tǒng)合成原理，在立體模型上配置和集成解元素，把實現(xiàn)功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置進行分析。產品配置分析是綜合產品規(guī)劃和開發(fā)結果的重要手段。

（3）生產規(guī)劃——加工和裝配產品。在這一階段中運用CAD技術，用計算機圖案顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造型和裝配間的關系，由此發(fā)現(xiàn)難點和問題，并找出解決問題的方法。借助于現(xiàn)代計算機軟硬件技術，通過三維圖形軟件、多媒體和超媒體技術以及虛擬現(xiàn)實技術進行設計。

4.2 積極開發(fā)發(fā)展綠色設計、制造

（1）綠色設計制造是現(xiàn)代設計制造的可持續(xù)發(fā)展模式。人們已經認識到環(huán)境與發(fā)展是密不可分的。要從根本上解決環(huán)境問題，必須轉變發(fā)展模式和消費模式，即為資源型發(fā)展模式逐漸轉變?yōu)榧夹g型發(fā)展模式，依靠科技進步，節(jié)約資源和能源，提高效益，減少廢物排放，實施清潔生產和文明消費，建立資源與環(huán)境相聯(lián)系的新的發(fā)展模式。這是人類探索了幾個世紀終于領悟到的發(fā)展觀——可持續(xù)發(fā)展。

（2）發(fā)展綠色設計制造將為企業(yè)發(fā)展帶來新的機遇。開發(fā)綠色設計制造是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是每個企業(yè)家必須考慮的企業(yè)行為，但是不少企業(yè)認為綠色制造投入大，見效慢，經濟效益不如直接抓成本、抓產量、抓品種等見效快，因而無視對環(huán)境的污染，甚至寧愿被罰款，也不愿采取措施。

實際上，環(huán)境全面改善，一方面可改善員工的健康狀況和提高工作安全性，減少不必要的開支；另一方面在綠色制造環(huán)境下工作的員工心情舒暢，有助于提高員工的主觀能動性和工作效率，以創(chuàng)造出最大的利潤，使企業(yè)具有更好社會形象，為企業(yè)增加無形資產。

（3）發(fā)展綠色制造將推動新一輪技術創(chuàng)新。在全球性競爭日趨激烈的背景下，利用高新技術和現(xiàn)代化管理來提高生產率，節(jié)約自然資源投入，以及節(jié)約勞動和各種形式的資本，是促進經濟增長與發(fā)展的主要源泉。事實上，從產品設計到制造技術，從企業(yè)組織到營銷策略的制定，一批綠色制造技術與概念已經在發(fā)展之中。

5 機械設計的現(xiàn)狀與展望

目前，機械設計還仍處于半理論半經驗的階段。

隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，近30多年來機械設計發(fā)生了較大變化，設計理論更新穎，設計方法更科學、更完善，計算精密度更高，計算速度更快了。

從某種意義上說，機械設計是科學技術轉化為生產力的過程，科學技術的發(fā)展又促進了機械設計技術和方法的現(xiàn)代化。機械優(yōu)化設計給機械工程界帶來了巨大經濟效益，隨著技術更新和產品競爭的加劇，優(yōu)化設計的發(fā)展前景非常的廣闊。但我們仍需關注的是，在優(yōu)化技術水平得到了提高的同時，國內機械加工或工藝水平、加工手段和制造技術也應配套提升才行。

參考文獻

[1]王科社. 機械優(yōu)化設計 國防工業(yè)出版社 2007.4

[2]曹金榜.現(xiàn)代設計技術與機械產品[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.