淺談現代機械設計方法

范麗娜

唐山冶金礦山機械廠，河北 唐山 063000

隨著科學技術的進步，機械系統引入的新材料、新工藝、新方法越來越多，實現同一種技術功能所具有的功能載體和技術手段也很多，因此，現代機械系統設計工作者若使自己設計出的產品能立足市場，除要求機械系統能實現預期的功能外，還應使設計出的機械系統滿足物美價廉、運行可靠、操作方便、對環境污染小等一系列要求。設計者只有通曉機、電、液等各種綜合技術，才能設計出性能價格比優良的機械系統。

1 現代機械設計的特點

現代機械種類很多，結構也越來越復雜。但從實現系統功能的角度上看，它主要包括動力系統、傳動系統、執行系統、操縱及控制系統等，每個系統又可根據需要繼續分解為更小的子系統。現代機械設計有其鮮明的特點，即不但要求設計對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、物流技術、各零部件的材料、形狀、尺寸、潤滑方法等進行構思、分析、計算，而且還需融通多門科學知識，如創造性工程、美學、仿生學、控制論、機械電子學、價值工程等，使設計出的產品在市場中具有競爭力。

2 計算機輔助機械設計方法

計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD）技術是電子信息技術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計及產品設計服務，徹底改變了傳統的手工設計繪圖方式，極大地提高了產品開發的速度和精度，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驗、智慧和創造力結合起來，從而減輕設計人員的體力勞動，提高設計質量，縮短設計周期。

CAD系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分。硬件系統是計算機輔助設計技術的物質基礎；軟件系統是計算機輔助設計技術的核心，它決定了系統所具有的功能。硬件和軟件的組合形成了CAD系統：1）軟件可分為系統軟件、支撐軟件和應用軟件3個層次；2）系統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層，主要包括操作系統和數據通信系統等；3）支撐軟件是幫助人們高效率開發應用軟件的軟件工具系統，亦稱為軟件開發工具；4）應用軟件是用戶利用計算機以及它所提供的各種系統軟件和支撐軟件，自行編制的用于解決各種實際問題的程序。

計算機輔助機械設計的一般過程包括：1）建立數學模型：一般機械零件基本都有現成的數學模型，但對沒有數學模型的則首先要建立正確的數學模型；2）設計程序框圖：程序框圖根據手工計算的步驟來設計；3）用高級語言編制程序：根據程序框圖來編程；4）程序調試：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、轉折點進行試算，要求與手算結果完全吻合。

3 系統化機械設計方法

現代機械設計已突破傳統的機械設計只注重機械產品單純能實現預期功能的要求，使機械設計向自系統化、信息化、柔性化和智能化的方向發展。從系統的觀點出發，機械系統設計及其控制技術把原有機械產品的性能、功能以及制造技術提高到一個嶄新的水平，甚至使原有的機械產品結構發生變化，所帶來的經濟效益和社會效益是巨大的。所以機構產品的系統化設計及其控制技術是機械工業發展的必然趨勢，也是用新興技術改造傳統機械工業的有力措施。

科學技術的飛速發展，產品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新換代速度加快。然而，產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時代發展的需要。目前，計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。

系統化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯系在一起，使整個設計過程系統化，使設計有規律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現。系統化設計方法的主要特點是：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，各個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，即可實現設計系統所需完成的任務。

在系統化機械設計過程中，為使設計工作更為科學合理，常把一個機械系統分解為若干個相聯系的比較簡單的子系統，可使設計和分析比較簡便。根據需要和可能，各子系統還可再分解為更小的子系統，依次分解，直至能進行適宜的設計和分析。系統分解時就注意以下幾點：1）分解數和層次應適宜。分解數太少，子系統仍很復雜，不便于模型化和優化工作，分解數和層次太多又會給總體系統的綜合造成困難；2）避免過于復雜的分界面。應盡可能選擇在要素間結合枝數（聯系數）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。通常機械系統工作時都存在著能量、物料和信息3種轉換，它們從系統輸入到系統輸出的過程中，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，它們的流動途徑仍應明確和暢通；4）了解分系統分解與功能分解的關系與不同。系統分解時，每個系統仍是一個系統，它把具有比較密切結合關系的要素結合在一起，其結構組成雖稍微簡單，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 結論

網絡技術的蓬勃發展，異地協同設計與制造，以及從用戶對產品的功能需求、設計、加工、裝配、成品這一并行工程的實現成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現產品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產品的方案設計中，虛擬現實技術以及多媒體、超媒體工具也在產品的方案設計中初露鋒芒。目前，機械產品的方案設計正朝著計算機輔助實現、智能化設計和滿足異地協同設計制造需求的方向邁進，由于產品方案設計計算機實現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計工具軟件。因此，機械設計方法的發展趨勢是綜合運用系統工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網絡技術等各方面的領域知識，以產品方案設計為方向。

[1]丁繼斌，封士彩.機械系統設計及其控制技術[M].北京：化學工業出版社，2007，3.

[2]魏玉新.現代機械設計的創新方法研究[J].裝備制造，2009(5).