现代机械设计理论与方法的研究与应用

现代机械设计理论与方法的研究与应用摘要：阐述了机械设计学科的发展历史，现代机械设计理论方法的特点、范畴和内涵。

分析了我国机械设计领域与发达工业国家存在的差距,指出了现代机械设计理论方法的发展方向。

当前制造业的竞争焦点实际上就是设计的竞争，目前进行现代机械设计理论方法的研究比以往任何时期都更加显得十分重要。

关键词:机械设计理论，设计方法,发展进程，发展趋势，应用前景（一）:(1)机械设计理论及方法的发展进程机械设计理论方法的发展经历了二个历史阶段。

一：17世纪前的“直觉设计阶段”和17世纪后的“经验设计阶段”、“传统设计阶段”。

通常统称为“传统设计阶段”。

传统的机械设计以经验为基础，运用设计手册、数学和力学公式进行设计，这种设计方法的特点是：设计水平低、成功率低、花费大、信息馈周期长。

它已远远不能满足产品的功能需求和市场需求，淡出了历史的舞台。

二：目前的现代设计阶段。

随着社会的发展，人们生活水平的不断提高，人类对机械产品提出了越来越高的要求，这就使得机械设计的理论和方法不断向前推进。

科学技术的不断进步，也为现代机械设计的理论和方法提供了手段。

而设计理论和方法的进步往往会带动产品的革新，从而形成良性循环。

目前国内外设计科学形成了不同的流派，主要有以下几个主要流派：一是英、美、日的创造性设计学派。

他们认为设计包含创造、分析和决策三要素强调创新性方法研究，系统工程、价值分析、安全技术、人机工程，市场分析及CAD技术等；二是德国、北欧机械设计方法学学派。

他们强调系统总体设计，层次细、规范详细。

三是俄罗斯、东欧的新设计法学派。

他们强调基础，提倡发散、变性、收验三步设计程式。

四是中国的设计学。

他们强调综合、系统和适用性相统一。

现代机械设计方法是基于现代机械设计理论形成，而现代机械设计理论是对现代机械产品原理的科学总结，是判断产品能否满足设计要求的依据。

(2)我国现代机械设计理论和方法的现状据2010年统计，我国制造业的工业增加值已居世界第二位，这说明中国成为了世界制造大国，但是距离世界制造强国的目标还有很长的路要走。

分析后不难发现，表面上是产品的性能和质量上与发达国家的差距较大，本质上是我国的机械产品缺乏自主知识产权和自主创新产品。

我国在机械产品设计理论、方法和技术领域的落后，凸显了加快发展机械产品现代设计理论方法研究的重要性和紧迫性。

二十世纪八九十年代，我国机械行业为了打造“数字化”和“信息化”工厂，许多企业花巨资购买了高端的软件，并培训了一大批机械设计人员。

但仅仅是实现了机械设计的“甩图板”目的，而三维CAD／CAM／CAE、仿真设计等应用却很少。

采用先进的CAD 软件进行工程绘图或做产品结构优化计算虽然能减轻设计人员的工作强度，提高机械设计效率，但机械设计不等于机械制图加计算，不能从根本上解决中国目前机械设计水平低下的问题。

当前机械设计常用方法如下。

1：系统化设计方法。

其主要特征方法是：将设计的几个设计元素组成的一个系统，每一个设计拥有独立的设计元素，各元素之间存在有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素进行组合后可以完成设计系统所需的任务。

2：结构模块化设计方法。

此方法是通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。

这种方法适用于特定种类的机械产品。

原因是其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分相对容易。

结构模块化设计方法的基本要求是：在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，不同的产品可以通过选择和组合这些模块化基本结构组建而成。

3：智能化设计方法智能化设计方法的主要特点是借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，根据设计方法学理论，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

目前，利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计是智能化设计方法的主要途径，因其直观性好而被用户接受。

但其系统性较差，且零部件的结构、形状，尺寸，位置的台理确定，要求软件具有较高的智能化程度，一般有丰富经验的设计者可以熟练应用。

4：基于产品特征知识的设计方法。

用计算机能够识别的语言描述产品的特征是基于产品特征知识设计方法的主要特点，其特点还有可以表述其设计领域专家的知识和经验，并建立相应的知识库及推理机，计算机辅助产品的方案设计可以利用已存储的领域知识和建立的推理机制进行相关应用。

在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，同时将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

(3):机械设计理论与方法的发展趋势随着经济全球化以及知识经济时代的到来，使得未来的机械设计呈现不同于以往的发展趋势，主要表现在以下几个方面：1：敏捷化随着市场需求的日益多元化，机械设计必须要尽可能的符合市场的需求，而市场需求总是处于相对的动态变化中，所以这就要求机械设计能实现敏捷化才能够保证设计出来的产品能够符合市场的需求。

2：虚拟化虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术被称为21世纪科学技术巾的三大核心技术，是信息技术最重要的组成部分。

熟练地掌握这三大技术就有可能率先进入信息社会。

虚拟技术作为2l 世纪的三大核心技术之首，它在已不仅是一种技术，而是一个有着影响人类社会发展、改变人类生活的领域。

虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制，利用声、光、电、机、计算机等综合交叉技术的有机结合，还可实现各种类型、各种场合的虚拟式环境模拟。

虚拟技术的出现几乎可以肯定地说它将大大改变人类现有的思维模式、工作模式和生活模式。

3：绿色化当今人类社会面临的三大主要问题是环境、资源、人口问题。

环境恶化的程度与日剧增，对人类社会的生存与发展造成了严重威胁。

而资源问题不仅涉及人类世界有限的资源如何利用，更是产生环境问题的主要根源。

于是，近年来一个新的概念已经提出：如何最有效地利用资源和最低限度地利用废弃物。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,包括很多的方面，贯穿于一个机械产品从设计到最终的报废整个生命周期中，保证整个生命周期对于环境的影响降低到最低。

（二）：机械设计理论与方法在熟悉产品上的应用。

在工程训练中心的工程实践课程中，我第一次接触卧式铣床，同时结合本学期机床设计的课程，我很好的理解了卧式铣床的设计。

卧式铣床的设计首先要确定主传动系统的方案。

主传动系统的运动设计是运用转速图的基本原理，以拟定满足给定的转速数列的经济合理的传动系统方案，主要内容包括选择变速组数及传动副数，确定各变速组中的传动比，以及计算齿轮齿数和皮带轮直径等。

确定背吃刀量a和进给量f，根据《切削加工简明实用手册》取标准值，再确定切削速度，由以上因子确定p机床的功率。

之后是进行拟定转速图。

因为大多数机床广泛应用滑移齿轮的变速方式，为满足结构设计和操纵方便的要求，通常都采用双联或三联齿轮。

由转速图确定出卧式铣床的主轴转速范围。

由于Ｖ带适用于较长距离的动力传输，而且可以对机器起到过载保护的作用。

所以这P确定工作情况系数KA；第二步是由确定的Ｐｃ，之后还要进行Ｖ带设计。

第一步是由计算功率c根据Ｐ和转速确定Ｖ带的类型；第三步是确定带轮的基准直径；第四步是校核Ｖ带速度满足ｃ5/~25/.m s m s ；第五步是确定V 带的基准长度和传动中心距，并求出实际中心距以及中心距的可调整范围；第六步是验算主动轮上的包角1 ，动轮上包角必须大于120o ；第七步是计算V 带根数z ；第八步是计算拉力F 0ｃ以及作用在轴上的压力F Q 。

在一切设计要素都满足条件时才可以进行下一步的齿轮齿数的确定。

根据第一变速组内的三对齿轮其传动比以及最小齿轮一定在最大降速比的这那对齿轮副中确定第一变速组其他齿轮副的齿数。

用同样的方法对第二变速组的齿轮齿数进行设计。

接下来是变速组内模数不同时齿轮齿数的确定：设一个变速组内有两对齿轮副1'1Z Z 和2'2Z Z ，分别采用两种不同模数m 1和m 2，其齿数和为1Z S 和2Z S ，如果不采用变位齿轮，利用各齿轮副的中心距A 必须相等的条件首先定出变速组不同的模数值1m 和2m ；计算出1e 、2e ；选择K 值；再计算各齿轮副的齿数和1Z S 和2Z S ；按各齿轮副的传动比分配齿数。

如果不能满足转速图上的传动比要求，须调整齿数和重新分配齿数，因此经常采用变位齿轮的方法，改变两对齿轮副的齿数和，以获得所要求的传动比。

这样就可以确定各级变速齿轮参数的确定。

还要进行的是传动系统的结构设计，其中轴系布置的一般是先确定主轴在变速箱中的位置，再确定传动主轴的轴以及与主轴上的齿轮有啮合关系的轴，再确定电动机轴或输入轴的位置，最后确定其他各传动轴的位置。

同时要想确定传动轴的设计就必须首先完成对传动轴转速的确定。

传动轴的计算转速是其传递全功率时的最低转速。

当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定传动轴的计算转速。

一般可先找出该传动轴共有几级实际工作转速，再找出其中能够传递全功率时的那几级转速，最后确定能够传递全功率时的最低转速，即为该传动轴的计算转速。

这之后通过带的平均传动效率，各轴的计算转速，轴的抗扭强度查机械设计手册，确定轴的材质。

通过上述的步骤，通过机械设计理论与方法的具体应用基本确立了卧式铣床的传动结构。

在这个过程中更好地理解了机械设计理论与方法。

（三）：机械设计理论与方法在实践中的应用和感兴趣的方向。

在大二上学期，我参加了全国灭火机器人大赛。

在制作小车的过程中我接触到了数控铣床，在学长教给我数控铣床的编程的情况下，我独立完成了小车底盘的编程。

在我们爬绳机器人的制作过程中，我们设计好图纸，把需要加工的零件画出来，贴在了电木板上纯手工打造。

虽然加工手段很简单，只是锯和锉刀，但同时也体会到了设计的重要性。

如果没有很好地结构设计，及时再多的材料也无济于事。

那一刻我发现了知识的重要性，只有很好地学习了机械结构的知识，同时掌握机械结构的设计方法才能设计出更加完美的作品，或者产品。

在这学期，我选修了逆向工程，在这门课程上我了解到了另一种机械设计的方法，我认为这种方法并不等于传统意义上的模仿。

它只是提供了一种学习成功的机械结构或是机械设计的一个手段。

我们完全可以学习别人结构优秀的部分加之自己的创新改造，实现我们预定的功能。

这个过程同样是要花费一定心血的。

在以后的机械设计和机械工艺的学习上，我会更加关注如何实现产品的快速加工。

也就是提供了原材料经过生产线出来就是一个可以使用的产品。

我的想法来源于战争时期可以很快的制造出产品来提供需求。

同时我也对机械工艺有一定的关注，因为产品的设计到产品的制造需要机械工艺的保证，只有熟悉了工艺，才能更好地进行机械设计。