淺談現代機械設計方法

劉愛華　黃鼎圖

摘要：在當前科學技術飛速發展的過程中，各種生產單位不斷的增多，各種生產器械和生產設備的要求也在不斷地增加。隨著計算機技術與信息技術在各個領域的不斷應用，機械設計也展現出日新月異的變化，特征明顯的現代機械設計方法越來越受到推崇。

1.現代機械設計的特征

現代設計是傳統設計的深入、豐富和完善，而非獨立于傳統設計的全新設計。雖然目前對現代設計尚無確切定義，但可從以下特征來理解。

1.1以計算機技術為核心

這是現代設計的主要特征。計算機技術的發展對設計產生的影響，表現為以下幾方面：

①使設計手段從“手工”向“自動”的轉變。

②推動產品表示從“二維”向“三維”的轉變。

③促進一些新的設計方法的出現。有限元分析、優化、模態分析等，都涉及大量復雜計算。并行設計、虛擬設計、計算機仿真這些新方法已經開始推廣使用。

④使設計方式從“串行”到“并行”的變化。

⑤提高了產品開發的效率。設計與制造一體化存在于計算機內的產品模型可直接進入CAPP系統進行工藝規劃和NC編程，進而加工代碼可直接傳入NC機床、加工中心進行加工。產品模型加強了設計與制造兩個環節的連接。

⑥提高了設計管理水平。數據庫技術的發展改變了傳統的手工管理模式，各種MIS、PDM系統的廣泛應用大大提高了設計的管理水平，保證了設計過程的高效、協同和安全。

⑦提高了設計效率和水平。組織模式的開放網絡技術的發展加快了數據通訊速度，形成了不受行政隸屬關系約束的、多企業共同參與的異地設計，達到了優勢互補和資源共享。

1.2以設計理論為指導

傳統設計是以生產經驗為基礎，以運用力學和數學形成的計算公式、經驗公式、圖表、手冊等作為依據進行的。而現代設計方法是基于科學理論形成的，這樣能減小經驗設計的盲目性和隨意性，提高設計的主動性、科學性和準確性。因此，現代設計是以理論指導為主、經驗為輔的一種設計。

1.3技術上的特征

（1）智能化

大型復雜機械的設計必須完成“分析一分解一綜合”的過程，其中包含了大量創造性思維過程和智能活動。

（2）經濟性

市場的競爭、用戶的選擇使對產品的經濟性要求越來越高。

（3）并行性

必須超前考慮后續的過程，實現DFM、DFA，以壓縮廢品、庫存的消耗，確保經濟性。

（4）集成化

樹立人一機一體化、機電一體化、硬一軟件一體化的觀念，綜合多方面測試分析數據指導、評價設計，融多種現代科技成果和技術，特別是CAD技術于產品設計之中。

（5）精確性

機械產品復雜度、綜合性提高的必然結果要求設計過程中要采用先進的計算技術、計算理論和計算分析工具，使設計的分析更為準確、設計參數更為精確。

（6）動態性

設計對象處在動態環境中，把握其動態過程對于提高產品的可靠性具有重要意義，同時設計組織的協調也具有動態性，所以要求設計數據集成和設計系統必須無縫連接。

2.現代機械設計的方法

2.1結構模塊化設計方法

從規劃產品的角度提出：定義設計任務以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解如通用零件部件等描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解。這樣，能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低成本。理想的模塊化基本結構應該具有標準化的接口聯接和配合部，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合。根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級。并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種和規格的功能模塊，再將這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。

2.2基于產品特征知識的設計方法

用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協調、管理和使用。 2.3系統化設計方法

將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各要素間存在著有機的聯系，并具有層次性。所有的設計要素結合后，即可實現設計系統需完成的任務。 2.4智能化設計方法 根據設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述產品的結構。機械產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現實技術進行設計，直觀性較好，開發初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經驗的設計者參與。

3.結束語

機械設計的過程中，各種手段和設計手法是一個系統化的過程，各類方法之間都存在一定程度上的聯系，保證設計過程中的規范化，簡單化，更能夠提高設計質量與效率，降低其成本，我們只有充分利用各種設計方法，才可以更精確、更經濟，更有效率的進行產品設計。

參考文獻

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