淺談現代機械設計方法

張銳

摘 要：在進行機械設計的過程中，只有全面的考慮到機械各個方面的結構，才能使機械設備更加高效和節能。打破傳統的設計方式，機械設計必須朝著系統化、信息化、柔性化、智能化的方向發展，而不能是僅僅只注重機械設備某一功能的實現。文章對現代機械設計的方法進行了詳細的介紹。

關鍵詞：機械設計；系統化設計；CAD

時代在發展，科技在進步，各項新工藝、新材料、新方式也越來越多地應用到機械設計領域。為了一種功能的實現，可以有多種方法和載體可供選擇，面對激烈的競爭環境，要讓設計的產品在市場上占有一席之地，除了讓自己的機械系統能夠實現預期的相應功能之外，還要具有操作方便、運行可靠、物美價廉、環保性強等特性。因此，對機械設計師的要求也日益提高，傳統的設計方法和設計理念已經不能滿足設計需求，設計師必須完全精通電、機、液等各個方面的綜合性技術，才能夠設計出同時兼顧性能和價格的機械系統。

1 現代機械設計的特點

現代機械種類繁多，其結構形式千差萬別，結構的復雜性也在逐漸增大。機械系統在功能上劃分，可以分為傳動系統、動力系統、操縱系統、執行系統、控制系統等，而每一個系統又可以根據需求的不同來細化為更小的子系統。與傳統機械設計不同的是，現代機械設計在設計過程中不僅要對機械工作的原理、運動方式、能量傳遞方式等各個方面進行計算、分析、構思，同時還必須要在進行設計的過程中運用仿生學、控制論、美學、價值工程等多種科學知識，將這些看似與機械無關的科學知識，運用在機械設計中，從而使得機械在市場中獲得更好的競爭力。

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。因其具有計算機高速運算和快速繪圖的強大功能而被廣泛應用到工程設計及產品設計服務中，從根本上改變了傳統的手工設計繪圖方式，讓設計人員從繪圖板、繪圖鉛筆、丁字尺這些傳統的設計工具中解脫出來，不僅降低了勞動強度，更是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。計算機具有運算快、計算精度高、有記憶、邏輯判斷、圖形顯示以及繪圖等功能，而人們則具有豐富的經驗、無窮的智慧和非凡的創造力，兩者相結合，有效地提高設計質量，縮短設計周期，極大地創造社會效益和經濟效益，推動社會文明的進步。CAD系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。硬件系統是計算機輔助設計技術的物質基礎；軟件系統作為計算機輔助設計技術的核心，決定了系統所具有的功能。軟件分為系統軟件、支撐軟件和應用軟件。系統軟件處于整個軟件的核心內層，它的作用是對計算機資源進行自動管理和控制，主要包括操作系統和數據通信系統等。支撐軟件又稱為軟件開發工具，是一種軟件工具系統，它的作用是幫助人們高效率開發應用軟件。應用軟件是用于解決各種實際問題的程序，它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。計算機輔助機械設計首先要建立數學模型，雖然對于一般的機械零件有現成的數學模型可以使用，但對于沒有數學模型的就需要建立正確的數學模型，這是成功進行設計的第一步；接下來，根據手工計算的步驟設計程序框圖；然后根據程序框圖用高級語言編制程序；最后進入程序調試環節，程序編好后，要對源程序及程序適用范圍的邊界、轉折點進行試算，試算與手算結果要完全吻合。

3 系統化機械設計方法

現代化機械設計正在向智能化、柔性化、系統化、信息化發展，而不再是把實現機械某一個單一的功能來作為設計的目標。從系統的角度為著眼點，機械系統設計過程中，為了讓機械產品能夠創造更高的經濟效益和社會效益，必須要在產品制造技術、功能、性能等方面，充分利用先進的技術，讓產品的結構產生質的飛躍。在對傳統機械設備改造的過程中，系統化設計和控制技術的應用成為了不可或缺的重要因素。

人們對于機械產品的功能的需求隨著科學技術的飛速發展日益增多，這就導致了機械構造變得越來越復雜，產品壽命期逐漸縮短，機械產品更替的頻率逐漸加快。盡管如此，機械產品實際上所展現出的功能仍然無法滿足現代社會的需要。現在，計算機輔助設計已經廣泛應用于整個產品設計的過程中，從最初的設計計算，到設計繪圖，再到生產規劃和加工制造，計算機輔助設計都充分表現了獨特的優勢并且成果喜人。然而，對于產品開發初期方案的設計，計算機輔助設計還是有著不足，不能完全滿足設計的預期需求。

如何讓整個機械設計更加系統化，設計過程更有規律性，從而更好的應用計算機輔助設計，這是必須要考慮的問題。于是，系統化設計法應運而生，采用這種設計方法，可以將設計任務由抽象到具體，由淺入深進行層次的劃分，然后對每一層次的既定目標和所采取的方法進行規劃。系統化設計法的優勢在于，每一個設計都是相對獨立卻又保持著有機的聯系，這些個設計結合在一起，就構成了完整的機械系統設計。

為使設計工作科學有效的進行，在機械系統過程中，首先要把一機械系統分解為若干個子系統，各個子系統相對比較簡單，相互之間存在著聯系，各子系統還可再分解為更小的子系統，以此類推，直至可以滿足設計和分析的需要。系統分解時需要注意：首先要把握好分解數和層次。分解數太少和太多都不可以，太少則導致子系統仍很復雜，不利于進行模型化和系統優化，太多又會對總體系統的綜合造成難題。其次，分界面不能過于復雜，可以在要素間結合枝數（聯系數）較少和作用較弱的地方選擇分界面。此外，通常機械系統工作時，能量、物料和信息三者之間存在著轉換關系，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，不可以中斷或產生紊流，即便分解成各個子系統，它們的流動途徑仍應暢通和明確，在設計過程中，必須保持能量流、物料流和信息流的合理流動途徑。最后，需要了解到，系統分解與功能分解的不同。系統分解時，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，每個系統仍是一個系統。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 結束語

綜上所述，智能化的設計軟件、媒體、超媒體工具、虛擬現實技術已經被廣泛地應用于現代機械設計領域并展現出了優勢。目前，智能化設計、異地協同設計、計算機輔助設計這些技術還處在起步的階段，還需要不斷的深入研究，擴展領域知識，提高技術水平，從而讓機械設計得到更大的提升，以適應快速增長的經濟需求。

參考文獻

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