機械產品方案設計
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機械產品方案設計范文第1篇
Abstract: According to the current domestic and foreign scholars mainly thinking design features of mechanical product design, product design method of the program are summarized as systematic, modular structure, product features four types based on the knowledge and intelligence. Points out that the organic connection between the features of the four methods and the interaction between them, the direction of product design computer.
Keywords: mechanical; products; design
中圖分類號：F407.4 文獻標識碼：文章編號:
1 系統化設計方法
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。
我國許多設計學者在進行產品方案設計時還借鑒和引用了其他發達國家的系統化設計思想，其中具有代表性的是：①將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規劃、作業控制等的基礎，從產品開發的宏觀過程出發，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發各階段的技術目標和作業控制規程的方法。②將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。③將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關系;二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。
1.1設計元素法
用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數)描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。
1.2 圖形建模法
研制的“設計分析和引導系統”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯接。
1.3 “構思”―“設計”法
將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段。“構思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。
將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。
1.4 矩陣設計法
在方案設計過程中采用“要求―功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據“要求―功能”邏輯樹建立“要求―功能”關聯矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。將矩陣作為機械系統方案設計的基礎，把機械系統的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示;在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數矩陣和一個運動方程。
1.5 鍵合圖法
將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。
2 結構模塊化設計方法
將描述設計任務的功能化產品結構分為四層，(1)產品(2)功能組成(3)主要功能組件(4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。 認為專用機械中多數功能可以采用已有的產品解，而具有新型解的專用功能只是少數，因此，在專用機械設計中采用功能化的產品結構，對于評價專用機械的設計、制造風險十分有利。
提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。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、不同規格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。根據機械零部件的聯接特征，將其歸納成四種類型：①元件間直接定位，并具有自調整性的部件;②結構上具有共性的組合件;③具有嵌套式結構及嵌套式元件的聯接;④具有模塊化結構和模塊化元件的聯接。并采用準符號表示典型元件和元件間的連接規則，由此實現元件間聯接的算法化和概念的可視化。在進行機械系統的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規定功能分解的最佳“粒化”程度是功能與機構型式的一一對應。“結構建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現映射算法。
2.3 基于產品特征知識的設計方法
基于產品特征知識設計方法的主要特點是：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。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
2.3.1 編碼法
根據“運動轉換”功能(簡稱功能元)將機構進行分類，并利用代碼描述功能元和機構類別，由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合，建立了該“專家系統”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。
2.3.2 知識的混合型表達法
針對復雜機械系統的方案設計，采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合。在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中，將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起，以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法(規則、框架和過程)，按面向對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規則表示對象的動態特征，用過程表示知識的處理，組成一種混合型的知識表達型式，并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。
2.3.3 利用基于知識的開發工具
在聯軸器的CAD系統中，利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向對象的方法，創建了面向對象的設計方法數據庫，為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容，由此尋求出基于知識的解，并開發出直線導軌設計專家系統。
2.3.4 設計目錄法
構造了“功能模塊”、“功能元解”和“機構組”三級遞進式設計目錄，并將這三級遞進式設計目錄作為機械傳動原理方案智能設計系統的知識庫和開發設計的輔助工具。
2.3.5 基于實例的方法
在研制設計型專家系統的知識庫中，采用基本謂詞描述設計要求、設計條件和選取的方案，用框架結構描述“工程實例”和各種“概念實體”，通過基于實例的推理技術產生候選解來配匹產品的設計要求。
機械產品方案設計范文第2篇
機械產品的總體設計對于產品從設計、制造到使用階段都有著至關重要的影響，都關系著機械產品的質量、性能和安全可靠性。在這個階段產生的設計問題其影響是巨大的，是難以通過后續工作來彌補的。同樣，這一階段的設計也是創意設計的階段，也是提高產品市場競爭力的階段，如果設計人員能夠打開思維，開啟智慧，剔除繁瑣技術上的約束，那么將會設計出具有強大市場競爭力的產品。本文從機械產品總體設計的一般過程出發，分析了機械產品設計的原則，并且結合當前市場經濟對產品總體設計的要求，將經濟性、創新性和技術性貫穿于整個設計的始終。試圖通過本文的分析為當前機械設計領域的研究提供一定的理論借鑒。
關鍵詞：機械產品；設計；研究；發展趨勢
引 言
改革開放以來，我國的機械設計已經不再是過去的單純提高生產力水平，提供工業機械，以及致力于工業化建設而發展了，而是將大量的機械產品投入市場，創造利潤，機械設計正式進入了市場競爭的時代。目前，機械企業面臨的是來自于全球的競爭，所以產品設計的競爭能力、產品設計的周期、設計成本以及產品的質量、舒適度和售后服務都至關重要。總體設計階段在產品具體設計、生產制造和銷售以及維護的前期，對于產品的整個生產過程有著重大的影響。這個階段是機械產品設計的一個重要部分，也是最為關鍵的階段，設計質量的優劣直接決定了產品的性能、成本及其在市場上的競爭力和企業的效益。
1、系統化設計方法
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。
制定的機械產品方案設計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設計方式。除此之外，我國許多設計學者在進行產品方案設計時還借鑒和引用了其他發達國家的系統化設計思想，其中具有代表性的是：
（1）將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規劃、作業控制等的基礎，從產品開發的宏觀過程出發，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發各階段的技術目標和作業控制規程的方法。
（2）將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。
（3）將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段 。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。
2、結構模塊化設計方法
從規劃產品的角度提出：定義設計任務時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，同時也降低新產品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產品結構分為四層，（1）產品（2）功能組成（3）主要功能組件（4）功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。
認為專用機械中多數功能可以采用已有的產品解，而具有新型解的專用功能只是少數，因此，在專用機械設計中采用功能化的產品結構，對于評價專用機械的設計、制造風 險十分有利。
提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。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、不同規格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
3、基于產品特征知識的設計方法
基于產品特征知識設計方法的主要特點是：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。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
3.1 編碼法
根據“運動轉換”功能（簡稱功能元）將機構進行分類，并利用代碼描述功能元和機構類別，由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合，建立了該“專家系統”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。
3.2 知識的混合型表達法
針對復雜機械系統的方案設計，采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合，這一點已得到我國許多設計學者的共識。
在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中，將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起，以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法（規則、框架和過程），按面向對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規則表示對象的動態特征，用過程表示知識的處理，組成一種混合型的知識表達型式，并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。
3.3 利用基于知識的開發工具
在聯軸器的CAD系統中，利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向對象的方法，創建了面向對象的設計方法數據庫，為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容，由此尋求出基于知識的解，并開發出直線導軌設計專家系統。
4、各類設計方法評述及發展趨勢
綜上所述，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。
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。因此，欲實現計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。
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。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統工程理論、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，但仍然是產品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。
參考文獻
機械產品方案設計范文第3篇
關鍵詞機械人;機械系統;并行設計
1.前言
對于機械人而言，柔性設計個剛性設計都是在設計過程中的重點，因此是整個機電一體化產品中不可缺少的一部分，同時作為機械學科和電子學科的交叉學科在整個設計過程中有著復雜化的特點。
2.機器人機械系統的設計特點
機器人機械系統一般包括機身、行走系統、操作臂、末端執行器及周邊設備，這是機器人的重要組成部分，是機器人系統在工作中實現機器人各種功能運動和操作任務的被控對象。它與機器人控制系統、感知系統等構成一個緊密聯系的整體。機器人機械系統的性能優劣直接影響到機器人計算機控制系統、伺服系統、感知系統及其相關軟、硬件的復雜程度。另一方面，就其機械系統本身而言，由于機器人要求具有高度的能動性和靈活性，能在復雜條件下滿足各種各樣的工作要求和作業任務，而這些是傳統機械裝置不能達到的。因此，機器人的機械系統設計和傳統的機械設計有著本質的差別。其機械系統的設計具有如下特點：
（1）復雜性機器人的機械結構總的來看是相當于一系列懸臂桿件通過關節串連起來的開式鏈。但由于誤差和變形的累積，使得在結構設計時，一方面要保證開鏈結構的能動性和靈活性，另一方面又要處理這種結構帶來的運動傳遞、誤差補償和消除等問題，使機械結構的設計變得較為復雜。
（2）依賴性由于機械系統與控制系統、感知系統等構成機器人的一個緊密體，因此機械系統的總體方案、結構方案依賴于控制系統、感知系統的方式、方法及手段的確立。
（3）協調性機器人機械系統的形式、實現手段等將直接影響到控制系統的結構及復雜程度，以及其它系統部件的結構、安裝、調控等，因此，機械系統的設計必須與其它系統進行不斷的協調才能進行。
3.常見的機械并行模式
3.1機器人設計的一般模式
機器人的設計主要分為3個過程：一是概念設計，即根據定義的任務來確定機器人的執行要求，包括負荷、操作對象、精度、速度等，并進行機械系統方案設計;二是初步設計，包括機械結構設計與分析、傳感器與控制策略的確定、伺服系統設計與模塊化;三是詳細設計，包括詳細機械設計、詳細電子設計和系統綜合。
對每一過程的評價若不通過，則都將返回到該過程的初始點或上一過程中去再設計。這種自上而下的串行設計方式不利于機器人系統的整體優化，同時將使設計過程變得漫長。
3.2機械系統并行設計的模式
所謂并行設計就是指在產品開發的設計階段即考慮產品生命周期中工藝規劃、制造、裝配、測試、維護等其它環節的影響，通過各環節的并行集成，以縮短產品的開發時間，提高產品的設計質量，降低產品成本。
對于機電一體化產品的機器人來說，其本身就是機械、控制、電子和計算機等高技術的集成，因此，機器人機械系統的設計需要機械運動與傳動、控制理論與方法、電子電氣和計算機應用技術等學科相互交叉和滲透的技術支持。針對機器人系統的設計要求和特點，運用并行設計的思想。
3.3模式分析
機器人機械系統的并行設計模式主要由方案設計、領域技術分析、綜合與評價以及機械系統具體設計等部分構成。不難看出，方案設計與領域技術分析對應于一般意義上的機械設計的概念設計過程，綜合評價與系統設計對應于具體設計過程。由于機器人的運動和傳動方案設計涉及到機器人的機構、軌跡規劃、誤差的檢測辨識與軟硬件補償技術、動力學參數辨識、振動與防治、關節柔性等方面的內容，因此需要機構運動、傳動系統、控制系統（包括傳感、檢測）、電子系統和制造工藝及裝配等方面的技術支撐，同時，機器人的運動與傳動形式也一定程度上決定了上述支撐技術系統的方式和方法。所以，運動方案和傳動裝置方案的設計與各支撐系統的分析設計是一種并行設計的協作關系。這樣才能達到機械系統方案與其它系統方案的協調、有效、可靠與快捷設計的實現。系統的綜合是對機器人機械系統各組成部分的總體協調，同時對設計方案進行評價。它力求避免方案中各支撐技術方案的沖突，引導并處理各支撐技術方案的完善統一，并對機械系統設計方案組織具體實施。
4.兩輪移動式倒立擺機器人的運動模型
二級倒立擺系統是一個快速響應系統，要求執行器能根據控制量變化快速做出動作系統主要由車輪車廂擺桿防震輪組成，2個車輪的軸線在同一直線上，分別由2臺直流力矩電機直接驅動，在車廂的內部安裝有蓄電池左右直流力矩電機編碼器傾角傳感器陀螺儀無線傳輸模塊等，控制小車的自平衡，測量左右車輪的旋轉角度。系統采用的傳感器包括傾角傳感器陀螺儀編碼器，通過它們可以測量和計算出小車的狀態參數，其中，車體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測量，左右車輪旋轉角度可由編碼器測量，通過微分可以計算左右車輪的角速度，進而推算出左右車輪的行駛速度，車體的前進速度，小車在地面的旋轉角速度。
輪式機器人因其具有良好的移動性能一直備受關注，國內外許多學者從理論方面研究了它的運動規劃軌跡跟蹤控制方法，并取得了很多成果。
兩輪式機器人，同時也是一個倒立擺系統，對它的運動進行控制時需要保持系統的平衡狀態機器人跟蹤目標，首先要由視覺部分作為機器人的眼睛，完成識別目標的位置速度方向等信息的任務，這些信息是做出正確決策的基礎視覺系統需要圖像采集設備，包括攝像頭和采集卡等兩輪式移動倒立擺機器人還沒有裝備視覺系統，為了檢測倒立擺機器人跟蹤能力，模擬了一個虛擬的跟蹤目標，PC機通過無線模塊不斷將目標位置發送給機器人，供機器人決策倒立擺機器人的位置可以通過自身的傳感器獲取。
5.結束語
綜上所述，在進行機械并行系統的設計過程中要根據設計的需求進行針對性的設計，防止，由于設計過程中的背不當導致了后期機械人在施工過程中帶來的諸多問題，發揮設計者的作用。
參考文獻：
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[2]張葛.基于運動控制器的微創手術系統設計與實現[J].醫療衛生裝備.2013（12）.
[3]許真珍，閆志斌，胡志強等.基于B/S模式的AUV協同設計平臺設計與實現[J].計算機應用與軟件
機械產品方案設計范文第4篇
關鍵詞：機械設計；軸系結構；功能元
中圖分類號：TH133 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0024-02
軸系的結構方案設計和機器的整體質量息息相關，一旦發生軸失效，將導致嚴重后果。軸系的結構方案設計和一般零部件的設計存在很大的差異，不僅包括強度設計，還包括結構設計。
1 基于功能元的結構方案設計分析
機械產品概念設計內容主要包括下列三個部分：功能抽象化、功能分解、功能結構圖設計。機器可被視作一個大系統，在這個系統中，各種零件按照某種關系組合在一起，以滿足客戶的特定需求，其基本功能要素如下：（1）軸承集——支撐功能的功能元；（2）齒輪副集——傳遞運動的功能元；（3）螺栓集——緊固功能元。在每一類功能元中，又可根據功能特性的差異而做進一步的細分。以圖1所示的單級減速器為例，扭矩通過軸、鍵、齒輪、軸承、軸承座進行傳遞，力的傳遞過程可以用圖2表示。
2 軸系主要功能元的特征屬性分析
2.1 軸的屬性
軸發揮著支撐以及傳遞轉矩的功能，其決定性能的因素主要有兩個：一是剛度，二是強度。在軸的設計過程中，不僅要以工作能力準則為基礎，而且要兼顧如下要求：（1）軸向定位方法的運用；（2）周向固定軸上的各類零件，使其符合轉矩傳遞的要求；（3）軸和其他部分存在相對滑動的表面要具有良好的耐磨性；（4）符合實際工藝生產要求。
2.2 傳動類結構功能元
兩軸間的運動通常依靠齒輪傳動來完成。齒輪傳動不僅效率高，而且持續穩定，因而具有很強的適應性。齒輪副有以下分類：（1）平面齒輪——直齒/斜齒圓柱齒輪傳動；（2）空間齒輪——傳遞相交軸/交錯軸運動。結合齒輪的特點及使用條件，采用功能元劃分的方法將齒輪副的十大特征總結如下：（1）傳動比；（2）傳動平穩性；（3）傳動效率；（4）耐磨性；（5）結構緊湊性；（6）軸向力；（7）承載能力；（8）轉速要求；（9）兩軸線方向；（10）制造成本。
2.3 支撐類結構功能元
在機器中，軸承裝置是一種應用廣泛且相當關鍵的部件，其設計質量關系著機器是否能夠正常運轉。軸承裝置的設計涉及多種知識與技術，表現出了一定的復雜性和靈活性。設計師應在充分滿足用戶需求的基礎上，對軸承的規格、型號、安裝等進行科學確定。對于軸承裝置設計而言，建立知識庫是前提條件。以滾動軸承為例，可總結出十二個特征：（1）高速性能；（2）噪聲性能；（3）旋轉精度；（4）使用壽命；（5）剛性；（6）摩擦性能；（7）聯合載荷；（8）軸向載荷；（9）徑向載荷；（10）耐沖擊性；（11）徑向尺寸；（12）內外圈可分離性。
3 軸系結構設計
3.1 擬定軸上零件的裝配方案
擬定軸上零件的裝配方案，其重點在于確定軸上關鍵零件的裝配方向、順序以及彼此關系。它決定了軸的基本形式，是軸結構設計的基礎，擬定軸上零件裝配方案的過程中，通常需要設計多個不同方案，然后展開分析對比，確定最佳方案。
3.2 軸上零件的定位
軸上零件在受力條件下，有可能沿軸向或者周向發生位移，為避免這一問題，兩種特殊情況（有游動要求或者空轉要求）除外，其他軸上零件需要做好軸向和周向的有效定位，從而確保軸上零件工作位置的準確性。
3.2.1 零件在軸上的軸向定位。零件在軸上的軸向定位通常依靠以下部件實現：軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈、軸承蓋。至于定位方面，則需要根據軸向力的大小確定。除此之外，還需要考慮軸的制造難度、零件裝拆難度以及工作穩定性等各類因素。
3.2.2 零件在軸上的周向定位。周向定位是為了避免零件和軸之間出現相對轉動。主要的周向定位零件包括以下幾種：鍵、花鍵、銷、緊定螺釘、過盈配合。其中緊定螺釘僅適用于傳力不大的部分。
3.3 各軸段直徑和長度的確定
當零件定位方案與裝拆方案被確定之后，軸的基本形狀也便基本被確定了。各軸段直接取決于軸上載荷的大小，一般根據軸所承受的扭矩對軸直徑進行初步估算。將初步估算的直徑視作軸段的最小直徑編，并根據零件裝配方案以及相關定位要求，對各段軸的直徑進行逐一確定，同時注意以下四點：（1）對于那些存在配合要求的軸段，盡可能采用標準直徑；（2）便于裝拆，同時降低配合表面擦傷幾率，在配合軸段前一般采用相對較小的直徑；（3）確定各軸段長度時，主要依據軸上配合零件的有關參數，如毅孔長度、位置、軸承寬度以及軸承端蓋的厚度等；（4）應盡量保證結構的緊湊，還要兼顧零件裝配空間或者調整空間的留置問題。
3.4 提高軸強度的措施
軸上零件（包括結構、工藝、安裝等各個因素）將會對軸的強度產生極大的影響。為了進一步加強軸的承載力，同時減輕機器重量，減小軸尺寸，降低綜合制造成本，應認真研究以下四點：（1）做好軸上零件的科學布置，從而有效減小軸的載荷；（2）做好軸上零件結構的改進，從而有效減小軸的載荷；（3）做好軸結構的改進，從而降低應力集中的不利影響；（4）做好軸表面質量的改進，從而提高軸的抗疲勞強度。
4 軸系結構方案設計實例
本文以鏈式運輸機為例，對基于結構功能元的軸系結構方案設計進行說明。該鏈式運輸機的設計需求如下：（1）中等沖擊環境；（2）以電動機驅動；（3）功率為2.2kW；（4）轉速為640r/min；（5）鏈輪轉速為94r/min。通過相關分析與計算，得出其可使用的運動方案如表1
所示：
結合空間布局的實際需要以及各個裝配方案的反復對比，最后決定選擇方案1中給出的帶傳動方案。鏈傳動過程中將會受到一定強度的沖擊力，運動存在不均勻的問題，同時考慮到摩擦傳動在承載力方面相對有限，所以，選擇低速級。除此之外，還要綜合考慮電動機的各項參數，如功率、外形尺寸、滿載轉速以及最大轉矩等等，最終選擇齒輪嚙合的單級傳動，帶和齒輪的傳輸比分別是2和5，電動機軸轉速、高速軸轉速、低速軸轉速以及工作機軸轉速分別是940r/min、470r/min、94r/min、94r/min。
5 結語
本文結合了筆者多年的實踐工作經驗，從理論的角度出發，對機械設計中軸系的結構方案設計進行了深入的分析與研究。實踐證明，本文所給出的方法在實踐環節具有非常不錯的實用價值。隨著研究的進一步深入，發現該系統在通用性方面還存在一定的不足，另外，系統的智能化方向將成為日后工作的一個重點。
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機械產品方案設計范文第5篇
關鍵詞:機械工程;創新設計;教學改革
在現有國內高職學校的機械專業中,很少有關于機械設計創新的課程,致使很多從該專業畢業的學生盡管具備相關的基礎知識卻難以從事創新的設計。在科學技術日新月異的今天,中國要想由“制造大國”轉變為“創造強國”,職業教育應走在教育的前列。因此在《機械工程基礎》課程教學中加強對學生創新意識、創新能力和實踐能力的培養,是機械專業教學的一個重要環節。為了適應形勢的發展,給學生創造良好的創新才能發揮環境,由教育部負責組織的全國大學生機械創新設計大賽,以大賽為載體,在引導學生課外科技活動,促進學生“教中學、學中做、做中學”方面起到了積極的推動作用。筆者結合教學與指導學生參加比賽經驗,談談在《機械工程基礎》教學中如何培養學生的創新思維。
一、以培養創新能力為主線設置課程內容
眾所周知,一個產品的優劣關鍵在于設計,而設計的本質在于創新。但是,傳統《機械工程基礎》課程只注重向學生傳授基礎理論知識,而忽略了工程意識和創新能力的培養,致使許多學生學完了課程,仍然對機械沒有一個完整的認識。因此教學課程的內容設置要保證學生創新能力的培養,必須把能力培養放在首位,以新的思維方式創造性地解決問題,提高未來職業變化的應變能力。為此,我們對《機械工程基礎》課程進行改革,新增機械創新設計教學內容,建立以培養學生的工程意識和創新設計能力為主的新體系。
按照高職機械類大學生創新能力培養的目標以及歷次創新大賽的比賽要求,我們把課程分為理論授課和實踐操作兩部分。理論部分的內容主要介紹機械學科發展的新方向、新內容,講解創新設計的方法,培養學生創新設計能力,向學生提供創新思維方法,通過大量實際機械創新設計的示例分析,開闊學生的思路,拓寬學生的知識面和視野,激勵學生的學習欲望,調動學生的積極性,提高學生的獨立工作和解決實際問題的能力。為達到上述要求,新增機械創新課程的內容包括:①機械創新方法與大學生創新能力體系結構;②創新產品的市場調研與開發;③創新產品的方案設計;④CAD軟件在創新設計中的應用;⑤機械產品機電一體化系統設計的實現;⑥創新產品的制造。學生通過《機械工程基礎》創新設計課程的學習,不僅要掌握這些階段所需的基本理論知識,還應掌握其現代設計的基本方法,創新設計的基本思路。因此需要明確課程在培養學生工程意識和綜合創新設計能力方面的任務。如機械原理課程由傳統的以機構分析為主轉向以培養學生綜合能力為主,突出機構設計的思想,加強機械運動方案設計的內容,強化機電一體化思路,介紹氣、液、電驅動的機構和機電一體化的執行機構,以開闊學生的思路。
實踐操作部分是讓學生進行創新設計的初步訓練,培養學生的創新設計能力、產品開發和制作能力。比如軟件知識、電腦仿真技術、動畫模擬、產品的市場調研和前景分析、制作產品的先進加工方法、與人溝通和演講技巧、團結協作精神等。讓學生有動手訓練機會,學生以組為單位在教師指導下,親自參與到產品的設計制作與過程中,使他們在實踐中學習,在學習中再實踐,將“教中學、學中做、做中學”落實到實處,有效彌補了學生在知識應用及動手能力上的不足,極大地調動了學生的學習積極性和主動性。
二、發揮教師主導與學生主體作用,營造培養創新能力的環境
教師應該激發和培養學生自主學習、自主創新的積極性,激發學生主動參與課堂教學,成為課堂的主人,變“要我學”為“我要學”,讓學生積極主動地參與教學的全過程。教師對每堂課的教學過程,從頭到尾要精心設計,別出心裁,努力嘗試將問題教學法、情景教學法、范例教學法、探索教學法等多種教學方法引入課堂,向學生講授創造性思維、創造原理、常用創新技法、機械創新設計方法及創新設計典型實例分析等內容;讓學生了解機械領域發展的現狀和趨勢,找出有創意的機械產品進行分析,讓學生感到新奇獨特;激發學生對周圍所熟悉的問題或物品進行分析、探索,使學生打破思維定勢,提出改進的思路。比如,機械設計課程改革了過去僅羅列常用零部件的繁雜內容,建立以機械傳動方案設計、機械零部件的工作性能設計、類比設計、改造設計和創新設計的授課內容,學生在老師的引導下,應用先進的計算機輔助設計軟件,進行執行機構和傳動機構的運動分析、動力分析的仿真與方案比較,以及零部件的三維造型設計,不僅可以大大節省分析計算和方案比較時間,而且直觀、形象、準確,還可以提高學生的空間想象力,這樣激發了學生創新設計的興趣。在導學上下工夫,注重學習方法的指導,教會學生思維方法,對典型的有創意的產品進行拆裝實驗,分析其創新點,總結創新的思路和方法,完成小論文、研究報告、創新作品。學生對這些問題充滿好奇和求知欲,因此會積極地去發現問題、提出問題、解決問題。學生在這種環境中充分發揮自己的想象力,激發創新設計的興趣和欲望,提高了創新設計的能力。
三、課程教學特點
1.課程采取理論與實踐相結合的方式,突出綜合應用能力訓練
學生既要學習理論知識,又要主動去動腦筋想方案,更要親自動手,全方位鍛煉自己的能力。如為培養學生機構創新設計的能力,我們開設了“機構系統綜合實驗”。學生可將自己創新設計的執行機構系統的方案,通過搭接組裝,使創新設計的方案模型化、實體化,并可驗證方案的可行性。再如,為提高學生對機械系統的總體認識,我們開設了“機械系統方案綜合實驗”。學生自行設計、自己動手完成包括原動機、傳動裝置和執行機構的簡單機械系統的組裝,形成一個完整的機械系統的概念。學院數控加工教學中心承擔了機械創新設計大賽的大部分作品制作工作,制作中的簡單零件,由學生在教學中心的鉗工車間依靠有經驗的師傅輔助完成,較復雜的零件,自己首先編寫好數控加工程序,在具體操作師傅的監督下,在數控車床、數控銑床上完成加工。同時,加工師傅協助學生完成加工零件的工序設計、檢測方法設計和裝配的調整等工作。作品的制作鍛煉了學生的動手能力和對工藝知識的理解。
2.改進作業內容與考核方式
針對過去側重典型零部件分析的機械設計作業,我們改為以設計為主的簡單機械設計訓練。學生通過調查、查閱資料,設計出了多種具有實際價值的作品,如汽車用千斤頂、單一螺旋千斤頂、手動剝殼器、腳踏式拖把擰干器、滅火拖把等。通過各種方案的設計比較,學生不僅掌握了傳動方案的設計方法,開闊了眼界,同時培養了創新設計的能力。課程結業時,最后提交的作業是小組集體創作的完整的方案設計書或作品,由教師進行評比和打分。評選方式與國家組織的機械創新大賽相同,要求有:書面的設計計劃書,內容涵蓋作品的創新點、設計計算說明書、產品市場定位、開發產品的市場前景等;電腦制作的產品仿真動畫圖、CAD制作裝配圖、三分鐘視頻講解;小組答辯,接受教師和專家的提問等等。最后評出一、二、三等獎,再給出創新學分。不對學生進行傳統的書面考試,而是采取讓學生以組為單位交一份“作業”,內容是學生自主設計或制作一件作品,既讓學生在輕松的氣氛中學習,又啟發和調動了學生主動學習的積極性,鍛煉他們的動手能力,提高他們的創新意識和創新能力。
3.訓練學生的團隊合作精神
我們強調要團結協作,要求學生分組學習,組成4～5人的團隊,小組成員不受班級的限制,男女搭配,但必須是相同的專業,分工協作。各團隊在隊長的領導下,開展與設計有關的各項工作,如設計方案討論分析、方案的工藝計算、設計結構的討論等等,這樣可以讓學生在設計中得到充分交流。因為每一名學生都不可能很完美,但也不可能是一無是處,只要運用好每個人的長處,精誠團結,飽含創新的熱情,擁有那份自信,團員之間相互溝通協作,那么這個團隊的工作效率就是最高的,完成項目過程的可操作性強的概率就大,同時學生能力在團隊中得到盡情施展。團隊合作的基礎之一就是建立信任,要建設一個具有凝聚力并且高效的團隊,第一個且最為重要的一個步驟,就是建立信任。團隊的精神是平時一點一滴積累的,團隊精神就是團結、協調。只有擁有團隊精神,一個團隊才能集思廣益,凝聚一起,那么作任何事都會事半功倍。隊長要懂得如何分工協調,他不僅要求自己進步,還要做到整個團隊所有成員共同進步。為了這個目標,團隊所有成員必須營造一個有利于學習討論的和諧環境,在一次次討論后同學們的思路越來越清晰,方案越來越完善,大家心往一處想,勁往一處使,相互鼓勵,那么在這個團隊面前就沒有克服不了的困難。
培養學生創新思維的途徑還有很多,教師在教學中要根據不同的課程、不同的知識點靈活運用、合理選擇。當然,任何一種方法都不是萬能的,但只要教師轉變教育觀念,用創新培養創新,用創新激發創新,及時捕捉和誘發學生學習中出現的靈感,一切從培養學生的創新思維出發,學生的創造能力就一定能得到提高。
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