机械产品方案设计

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机械产品方案设计范文第1篇

关键词：机械；产品；方案设计；

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

中图分类号：F407.4 文献标识码：文章编号:

1 系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：①将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。②将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。③将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系;二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。

1.1设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2 图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。

1.3 “构思”―“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。

1.4 矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求―功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求―功能”逻辑树建立“要求―功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示;在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5 键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

2 结构模块化设计方法

将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。 认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

提倡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，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：①元件间直接定位，并具有自调整性的部件;②结构上具有共性的组合件;③具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接;④具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

2.3 基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

2.3.1 编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

2.3.2 知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合。在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

2.3.3 利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

2.3.4 设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

2.3.5 基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

机械产品方案设计范文第2篇

机械产品的总体设计对于产品从设计、制造到使用阶段都有着至关重要的影响，都关系着机械产品的质量、性能和安全可靠性。在这个阶段产生的设计问题其影响是巨大的，是难以通过后续工作来弥补的。同样，这一阶段的设计也是创意设计的阶段，也是提高产品市场竞争力的阶段，如果设计人员能够打开思维，开启智慧，剔除繁琐技术上的约束，那么将会设计出具有强大市场竞争力的产品。本文从机械产品总体设计的一般过程出发，分析了机械产品设计的原则，并且结合当前市场经济对产品总体设计的要求，将经济性、创新性和技术性贯穿于整个设计的始终。试图通过本文的分析为当前机械设计领域的研究提供一定的理论借鉴。

关键词：机械产品；设计；研究；发展趋势

引 言

改革开放以来，我国的机械设计已经不再是过去的单纯提高生产力水平，提供工业机械，以及致力于工业化建设而发展了，而是将大量的机械产品投入市场，创造利润，机械设计正式进入了市场竞争的时代。目前，机械企业面临的是来自于全球的竞争，所以产品设计的竞争能力、产品设计的周期、设计成本以及产品的质量、舒适度和售后服务都至关重要。总体设计阶段在产品具体设计、生产制造和销售以及维护的前期，对于产品的整个生产过程有着重大的影响。这个阶段是机械产品设计的一个重要部分，也是最为关键的阶段，设计质量的优劣直接决定了产品的性能、成本及其在市场上的竞争力和企业的效益。

1、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

（1）将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

（2）将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。

（3）将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分（单元）及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段 。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。

2、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解（如通用零件部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，（1）产品（2）功能组成（3）主要功能组件（4）功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风 险十分有利。

提倡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，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口（联接和配合部），并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

3、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

3.1 编码法

根据“运动转换”功能（简称功能元）将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

3.2 知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法（规则、框架和过程），按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3 利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

4、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体（由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构）进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。

参考文献

机械产品方案设计范文第3篇

关键词机械人;机械系统;并行设计

1.前言

对于机械人而言，柔性设计个刚性设计都是在设计过程中的重点，因此是整个机电一体化产品中不可缺少的一部分，同时作为机械学科和电子学科的交叉学科在整个设计过程中有着复杂化的特点。

2.机器人机械系统的设计特点

机器人机械系统一般包括机身、行走系统、操作臂、末端执行器及周边设备，这是机器人的重要组成部分，是机器人系统在工作中实现机器人各种功能运动和操作任务的被控对象。它与机器人控制系统、感知系统等构成一个紧密联系的整体。机器人机械系统的性能优劣直接影响到机器人计算机控制系统、伺服系统、感知系统及其相关软、硬件的复杂程度。另一方面，就其机械系统本身而言，由于机器人要求具有高度的能动性和灵活性，能在复杂条件下满足各种各样的工作要求和作业任务，而这些是传统机械装置不能达到的。因此，机器人的机械系统设计和传统的机械设计有着本质的差别。其机械系统的设计具有如下特点：

（1）复杂性机器人的机械结构总的来看是相当于一系列悬臂杆件通过关节串连起来的开式链。但由于误差和变形的累积，使得在结构设计时，一方面要保证开链结构的能动性和灵活性，另一方面又要处理这种结构带来的运动传递、误差补偿和消除等问题，使机械结构的设计变得较为复杂。

（2）依赖性由于机械系统与控制系统、感知系统等构成机器人的一个紧密体，因此机械系统的总体方案、结构方案依赖于控制系统、感知系统的方式、方法及手段的确立。

（3）协调性机器人机械系统的形式、实现手段等将直接影响到控制系统的结构及复杂程度，以及其它系统部件的结构、安装、调控等，因此，机械系统的设计必须与其它系统进行不断的协调才能进行。

3.常见的机械并行模式

3.1机器人设计的一般模式

机器人的设计主要分为3个过程：一是概念设计，即根据定义的任务来确定机器人的执行要求，包括负荷、操作对象、精度、速度等，并进行机械系统方案设计;二是初步设计，包括机械结构设计与分析、传感器与控制策略的确定、伺服系统设计与模块化;三是详细设计，包括详细机械设计、详细电子设计和系统综合。

对每一过程的评价若不通过，则都将返回到该过程的初始点或上一过程中去再设计。这种自上而下的串行设计方式不利于机器人系统的整体优化，同时将使设计过程变得漫长。

3.2机械系统并行设计的模式

所谓并行设计就是指在产品开发的设计阶段即考虑产品生命周期中工艺规划、制造、装配、测试、维护等其它环节的影响，通过各环节的并行集成，以缩短产品的开发时间，提高产品的设计质量，降低产品成本。

对于机电一体化产品的机器人来说，其本身就是机械、控制、电子和计算机等高技术的集成，因此，机器人机械系统的设计需要机械运动与传动、控制理论与方法、电子电气和计算机应用技术等学科相互交叉和渗透的技术支持。针对机器人系统的设计要求和特点，运用并行设计的思想。

3.3模式分析

机器人机械系统的并行设计模式主要由方案设计、领域技术分析、综合与评价以及机械系统具体设计等部分构成。不难看出，方案设计与领域技术分析对应于一般意义上的机械设计的概念设计过程，综合评价与系统设计对应于具体设计过程。由于机器人的运动和传动方案设计涉及到机器人的机构、轨迹规划、误差的检测辨识与软硬件补偿技术、动力学参数辨识、振动与防治、关节柔性等方面的内容，因此需要机构运动、传动系统、控制系统（包括传感、检测）、电子系统和制造工艺及装配等方面的技术支撑，同时，机器人的运动与传动形式也一定程度上决定了上述支撑技术系统的方式和方法。所以，运动方案和传动装置方案的设计与各支撑系统的分析设计是一种并行设计的协作关系。这样才能达到机械系统方案与其它系统方案的协调、有效、可靠与快捷设计的实现。系统的综合是对机器人机械系统各组成部分的总体协调，同时对设计方案进行评价。它力求避免方案中各支撑技术方案的冲突，引导并处理各支撑技术方案的完善统一，并对机械系统设计方案组织具体实施。

4.两轮移动式倒立摆机器人的运动模型

二级倒立摆系统是一个快速响应系统，要求执行器能根据控制量变化快速做出动作系统主要由车轮车厢摆杆防震轮组成，2个车轮的轴线在同一直线上，分别由2台直流力矩电机直接驱动，在车厢的内部安装有蓄电池左右直流力矩电机编码器倾角传感器陀螺仪无线传输模块等，控制小车的自平衡，测量左右车轮的旋转角度。系统采用的传感器包括倾角传感器陀螺仪编码器，通过它们可以测量和计算出小车的状态参数，其中，车体倾角速度分别由倾角传感器陀螺仪直接测量，左右车轮旋转角度可由编码器测量，通过微分可以计算左右车轮的角速度，进而推算出左右车轮的行驶速度，车体的前进速度，小车在地面的旋转角速度。

轮式机器人因其具有良好的移动性能一直备受关注，国内外许多学者从理论方面研究了它的运动规划轨迹跟踪控制方法，并取得了很多成果。

两轮式机器人，同时也是一个倒立摆系统，对它的运动进行控制时需要保持系统的平衡状态机器人跟踪目标，首先要由视觉部分作为机器人的眼睛，完成识别目标的位置速度方向等信息的任务，这些信息是做出正确决策的基础视觉系统需要图像采集设备，包括摄像头和采集卡等两轮式移动倒立摆机器人还没有装备视觉系统，为了检测倒立摆机器人跟踪能力，模拟了一个虚拟的跟踪目标，PC机通过无线模块不断将目标位置发送给机器人，供机器人决策倒立摆机器人的位置可以通过自身的传感器获取。

5.结束语

综上所述，在进行机械并行系统的设计过程中要根据设计的需求进行针对性的设计，防止，由于设计过程中的背不当导致了后期机械人在施工过程中带来的诸多问题，发挥设计者的作用。

参考文献：

[1]宋昌统.两轮移动式倒立摆机器人系统结构及模型设计[J].镇江高专学报2014（1）.

[2]张葛.基于运动控制器的微创手术系统设计与实现[J].医疗卫生装备.2013（12）.

[3]许真珍，闫志斌，胡志强等.基于B/S模式的AUV协同设计平台设计与实现[J].计算机应用与软件

机械产品方案设计范文第4篇

关键词：机械设计；轴系结构；功能元

中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0024-02

轴系的结构方案设计和机器的整体质量息息相关，一旦发生轴失效，将导致严重后果。轴系的结构方案设计和一般零部件的设计存在很大的差异，不仅包括强度设计，还包括结构设计。

1 基于功能元的结构方案设计分析

机械产品概念设计内容主要包括下列三个部分：功能抽象化、功能分解、功能结构图设计。机器可被视作一个大系统，在这个系统中，各种零件按照某种关系组合在一起，以满足客户的特定需求，其基本功能要素如下：（1）轴承集——支撑功能的功能元；（2）齿轮副集——传递运动的功能元；（3）螺栓集——紧固功能元。在每一类功能元中，又可根据功能特性的差异而做进一步的细分。以图1所示的单级减速器为例，扭矩通过轴、键、齿轮、轴承、轴承座进行传递，力的传递过程可以用图2表示。

2 轴系主要功能元的特征属性分析

2.1 轴的属性

轴发挥着支撑以及传递转矩的功能，其决定性能的因素主要有两个：一是刚度，二是强度。在轴的设计过程中，不仅要以工作能力准则为基础，而且要兼顾如下要求：（1）轴向定位方法的运用；（2）周向固定轴上的各类零件，使其符合转矩传递的要求；（3）轴和其他部分存在相对滑动的表面要具有良好的耐磨性；（4）符合实际工艺生产要求。

2.2 传动类结构功能元

两轴间的运动通常依靠齿轮传动来完成。齿轮传动不仅效率高，而且持续稳定，因而具有很强的适应性。齿轮副有以下分类：（1）平面齿轮——直齿/斜齿圆柱齿轮传动；（2）空间齿轮——传递相交轴/交错轴运动。结合齿轮的特点及使用条件，采用功能元划分的方法将齿轮副的十大特征总结如下：（1）传动比；（2）传动平稳性；（3）传动效率；（4）耐磨性；（5）结构紧凑性；（6）轴向力；（7）承载能力；（8）转速要求；（9）两轴线方向；（10）制造成本。

2.3 支撑类结构功能元

在机器中，轴承装置是一种应用广泛且相当关键的部件，其设计质量关系着机器是否能够正常运转。轴承装置的设计涉及多种知识与技术，表现出了一定的复杂性和灵活性。设计师应在充分满足用户需求的基础上，对轴承的规格、型号、安装等进行科学确定。对于轴承装置设计而言，建立知识库是前提条件。以滚动轴承为例，可总结出十二个特征：（1）高速性能；（2）噪声性能；（3）旋转精度；（4）使用寿命；（5）刚性；（6）摩擦性能；（7）联合载荷；（8）轴向载荷；（9）径向载荷；（10）耐冲击性；（11）径向尺寸；（12）内外圈可分离性。

3 轴系结构设计

3.1 拟定轴上零件的装配方案

拟定轴上零件的装配方案，其重点在于确定轴上关键零件的装配方向、顺序以及彼此关系。它决定了轴的基本形式，是轴结构设计的基础，拟定轴上零件装配方案的过程中，通常需要设计多个不同方案，然后展开分析对比，确定最佳方案。

3.2 轴上零件的定位

轴上零件在受力条件下，有可能沿轴向或者周向发生位移，为避免这一问题，两种特殊情况（有游动要求或者空转要求）除外，其他轴上零件需要做好轴向和周向的有效定位，从而确保轴上零件工作位置的准确性。

3.2.1 零件在轴上的轴向定位。零件在轴上的轴向定位通常依靠以下部件实现：轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈、轴承盖。至于定位方面，则需要根据轴向力的大小确定。除此之外，还需要考虑轴的制造难度、零件装拆难度以及工作稳定性等各类因素。

3.2.2 零件在轴上的周向定位。周向定位是为了避免零件和轴之间出现相对转动。主要的周向定位零件包括以下几种：键、花键、销、紧定螺钉、过盈配合。其中紧定螺钉仅适用于传力不大的部分。

3.3 各轴段直径和长度的确定

当零件定位方案与装拆方案被确定之后，轴的基本形状也便基本被确定了。各轴段直接取决于轴上载荷的大小，一般根据轴所承受的扭矩对轴直径进行初步估算。将初步估算的直径视作轴段的最小直径编，并根据零件装配方案以及相关定位要求，对各段轴的直径进行逐一确定，同时注意以下四点：（1）对于那些存在配合要求的轴段，尽可能采用标准直径；（2）便于装拆，同时降低配合表面擦伤几率，在配合轴段前一般采用相对较小的直径；（3）确定各轴段长度时，主要依据轴上配合零件的有关参数，如毅孔长度、位置、轴承宽度以及轴承端盖的厚度等；（4）应尽量保证结构的紧凑，还要兼顾零件装配空间或者调整空间的留置问题。

3.4 提高轴强度的措施

轴上零件（包括结构、工艺、安装等各个因素）将会对轴的强度产生极大的影响。为了进一步加强轴的承载力，同时减轻机器重量，减小轴尺寸，降低综合制造成本，应认真研究以下四点：（1）做好轴上零件的科学布置，从而有效减小轴的载荷；（2）做好轴上零件结构的改进，从而有效减小轴的载荷；（3）做好轴结构的改进，从而降低应力集中的不利影响；（4）做好轴表面质量的改进，从而提高轴的抗疲劳强度。

4 轴系结构方案设计实例

本文以链式运输机为例，对基于结构功能元的轴系结构方案设计进行说明。该链式运输机的设计需求如下：（1）中等冲击环境；（2）以电动机驱动；（3）功率为2.2kW；（4）转速为640r/min；（5）链轮转速为94r/min。通过相关分析与计算，得出其可使用的运动方案如表1

所示：

结合空间布局的实际需要以及各个装配方案的反复对比，最后决定选择方案1中给出的带传动方案。链传动过程中将会受到一定强度的冲击力，运动存在不均匀的问题，同时考虑到摩擦传动在承载力方面相对有限，所以，选择低速级。除此之外，还要综合考虑电动机的各项参数，如功率、外形尺寸、满载转速以及最大转矩等等，最终选择齿轮啮合的单级传动，带和齿轮的传输比分别是2和5，电动机轴转速、高速轴转速、低速轴转速以及工作机轴转速分别是940r/min、470r/min、94r/min、94r/min。

5 结语

本文结合了笔者多年的实践工作经验，从理论的角度出发，对机械设计中轴系的结构方案设计进行了深入的分析与研究。实践证明，本文所给出的方法在实践环节具有非常不错的实用价值。随着研究的进一步深入，发现该系统在通用性方面还存在一定的不足，另外，系统的智能化方向将成为日后工作的一个重点。

参考文献

[1]王海涛，李初晔.基于力学分析的主轴轴系结构优化设计[J].制造技术与机床，2011，（7）.

[2]肖文刚，何志华，董青海.碳纤维复合材料传动轴设计与制造技术研究[J].玻璃钢/复合材料，2012，（S1）.

[3]竺芳.机械设计中轴系结构主要功能元的特征属性研究[J].科技信息，2010，（33）.

[4]何泽军.机械设计中轴系结构方案的设计与研究[J].长春理工大学学报，2010，（9）.

[5]赵靖超，聂国林，姚新改，轧刚.基于弹塑性理论提高转矩轴设计失效转矩精度[J].机械传动，2013，（3）.

机械产品方案设计范文第5篇

关键词:机械工程;创新设计;教学改革

在现有国内高职学校的机械专业中,很少有关于机械设计创新的课程,致使很多从该专业毕业的学生尽管具备相关的基础知识却难以从事创新的设计。在科学技术日新月异的今天,中国要想由“制造大国”转变为“创造强国”,职业教育应走在教育的前列。因此在《机械工程基础》课程教学中加强对学生创新意识、创新能力和实践能力的培养,是机械专业教学的一个重要环节。为了适应形势的发展,给学生创造良好的创新才能发挥环境,由教育部负责组织的全国大学生机械创新设计大赛,以大赛为载体,在引导学生课外科技活动,促进学生“教中学、学中做、做中学”方面起到了积极的推动作用。笔者结合教学与指导学生参加比赛经验,谈谈在《机械工程基础》教学中如何培养学生的创新思维。

一、以培养创新能力为主线设置课程内容

众所周知,一个产品的优劣关键在于设计,而设计的本质在于创新。但是,传统《机械工程基础》课程只注重向学生传授基础理论知识,而忽略了工程意识和创新能力的培养,致使许多学生学完了课程,仍然对机械没有一个完整的认识。因此教学课程的内容设置要保证学生创新能力的培养,必须把能力培养放在首位,以新的思维方式创造性地解决问题,提高未来职业变化的应变能力。为此,我们对《机械工程基础》课程进行改革,新增机械创新设计教学内容,建立以培养学生的工程意识和创新设计能力为主的新体系。

按照高职机械类大学生创新能力培养的目标以及历次创新大赛的比赛要求,我们把课程分为理论授课和实践操作两部分。理论部分的内容主要介绍机械学科发展的新方向、新内容,讲解创新设计的方法,培养学生创新设计能力,向学生提供创新思维方法,通过大量实际机械创新设计的示例分析,开阔学生的思路,拓宽学生的知识面和视野,激励学生的学习欲望,调动学生的积极性,提高学生的独立工作和解决实际问题的能力。为达到上述要求,新增机械创新课程的内容包括:①机械创新方法与大学生创新能力体系结构;②创新产品的市场调研与开发;③创新产品的方案设计;④CAD软件在创新设计中的应用;⑤机械产品机电一体化系统设计的实现;⑥创新产品的制造。学生通过《机械工程基础》创新设计课程的学习,不仅要掌握这些阶段所需的基本理论知识,还应掌握其现代设计的基本方法,创新设计的基本思路。因此需要明确课程在培养学生工程意识和综合创新设计能力方面的任务。如机械原理课程由传统的以机构分析为主转向以培养学生综合能力为主,突出机构设计的思想,加强机械运动方案设计的内容,强化机电一体化思路,介绍气、液、电驱动的机构和机电一体化的执行机构,以开阔学生的思路。

实践操作部分是让学生进行创新设计的初步训练,培养学生的创新设计能力、产品开发和制作能力。比如软件知识、电脑仿真技术、动画模拟、产品的市场调研和前景分析、制作产品的先进加工方法、与人沟通和演讲技巧、团结协作精神等。让学生有动手训练机会,学生以组为单位在教师指导下,亲自参与到产品的设计制作与过程中,使他们在实践中学习,在学习中再实践,将“教中学、学中做、做中学”落实到实处,有效弥补了学生在知识应用及动手能力上的不足,极大地调动了学生的学习积极性和主动性。

二、发挥教师主导与学生主体作用,营造培养创新能力的环境

教师应该激发和培养学生自主学习、自主创新的积极性,激发学生主动参与课堂教学,成为课堂的主人,变“要我学”为“我要学”,让学生积极主动地参与教学的全过程。教师对每堂课的教学过程,从头到尾要精心设计,别出心裁,努力尝试将问题教学法、情景教学法、范例教学法、探索教学法等多种教学方法引入课堂,向学生讲授创造性思维、创造原理、常用创新技法、机械创新设计方法及创新设计典型实例分析等内容;让学生了解机械领域发展的现状和趋势,找出有创意的机械产品进行分析,让学生感到新奇独特;激发学生对周围所熟悉的问题或物品进行分析、探索,使学生打破思维定势,提出改进的思路。比如,机械设计课程改革了过去仅罗列常用零部件的繁杂内容,建立以机械传动方案设计、机械零部件的工作性能设计、类比设计、改造设计和创新设计的授课内容,学生在老师的引导下,应用先进的计算机辅助设计软件,进行执行机构和传动机构的运动分析、动力分析的仿真与方案比较,以及零部件的三维造型设计,不仅可以大大节省分析计算和方案比较时间,而且直观、形象、准确,还可以提高学生的空间想象力,这样激发了学生创新设计的兴趣。在导学上下工夫,注重学习方法的指导,教会学生思维方法,对典型的有创意的产品进行拆装实验,分析其创新点,总结创新的思路和方法,完成小论文、研究报告、创新作品。学生对这些问题充满好奇和求知欲,因此会积极地去发现问题、提出问题、解决问题。学生在这种环境中充分发挥自己的想象力,激发创新设计的兴趣和欲望,提高了创新设计的能力。

三、课程教学特点

1.课程采取理论与实践相结合的方式,突出综合应用能力训练

学生既要学习理论知识,又要主动去动脑筋想方案,更要亲自动手,全方位锻炼自己的能力。如为培养学生机构创新设计的能力,我们开设了“机构系统综合实验”。学生可将自己创新设计的执行机构系统的方案,通过搭接组装,使创新设计的方案模型化、实体化,并可验证方案的可行性。再如,为提高学生对机械系统的总体认识,我们开设了“机械系统方案综合实验”。学生自行设计、自己动手完成包括原动机、传动装置和执行机构的简单机械系统的组装,形成一个完整的机械系统的概念。学院数控加工教学中心承担了机械创新设计大赛的大部分作品制作工作,制作中的简单零件,由学生在教学中心的钳工车间依靠有经验的师傅辅助完成,较复杂的零件,自己首先编写好数控加工程序,在具体操作师傅的监督下,在数控车床、数控铣床上完成加工。同时,加工师傅协助学生完成加工零件的工序设计、检测方法设计和装配的调整等工作。作品的制作锻炼了学生的动手能力和对工艺知识的理解。

2.改进作业内容与考核方式

针对过去侧重典型零部件分析的机械设计作业,我们改为以设计为主的简单机械设计训练。学生通过调查、查阅资料,设计出了多种具有实际价值的作品,如汽车用千斤顶、单一螺旋千斤顶、手动剥壳器、脚踏式拖把拧干器、灭火拖把等。通过各种方案的设计比较,学生不仅掌握了传动方案的设计方法,开阔了眼界,同时培养了创新设计的能力。课程结业时,最后提交的作业是小组集体创作的完整的方案设计书或作品,由教师进行评比和打分。评选方式与国家组织的机械创新大赛相同,要求有:书面的设计计划书,内容涵盖作品的创新点、设计计算说明书、产品市场定位、开发产品的市场前景等;电脑制作的产品仿真动画图、CAD制作装配图、三分钟视频讲解;小组答辩,接受教师和专家的提问等等。最后评出一、二、三等奖,再给出创新学分。不对学生进行传统的书面考试,而是采取让学生以组为单位交一份“作业”,内容是学生自主设计或制作一件作品,既让学生在轻松的气氛中学习,又启发和调动了学生主动学习的积极性,锻炼他们的动手能力,提高他们的创新意识和创新能力。

3.训练学生的团队合作精神

我们强调要团结协作,要求学生分组学习,组成4～5人的团队,小组成员不受班级的限制,男女搭配,但必须是相同的专业,分工协作。各团队在队长的领导下,开展与设计有关的各项工作,如设计方案讨论分析、方案的工艺计算、设计结构的讨论等等,这样可以让学生在设计中得到充分交流。因为每一名学生都不可能很完美,但也不可能是一无是处,只要运用好每个人的长处,精诚团结,饱含创新的热情,拥有那份自信,团员之间相互沟通协作,那么这个团队的工作效率就是最高的,完成项目过程的可操作性强的概率就大,同时学生能力在团队中得到尽情施展。团队合作的基础之一就是建立信任,要建设一个具有凝聚力并且高效的团队,第一个且最为重要的一个步骤,就是建立信任。团队的精神是平时一点一滴积累的,团队精神就是团结、协调。只有拥有团队精神,一个团队才能集思广益,凝聚一起,那么作任何事都会事半功倍。队长要懂得如何分工协调,他不仅要求自己进步,还要做到整个团队所有成员共同进步。为了这个目标,团队所有成员必须营造一个有利于学习讨论的和谐环境,在一次次讨论后同学们的思路越来越清晰,方案越来越完善,大家心往一处想,劲往一处使,相互鼓励,那么在这个团队面前就没有克服不了的困难。

培养学生创新思维的途径还有很多,教师在教学中要根据不同的课程、不同的知识点灵活运用、合理选择。当然,任何一种方法都不是万能的,但只要教师转变教育观念,用创新培养创新,用创新激发创新,及时捕捉和诱发学生学习中出现的灵感,一切从培养学生的创新思维出发,学生的创造能力就一定能得到提高。

参考文献:

[1] 陈洁营,马慧勇.论大学生创新能力培养[J].中国成人教育,2008,(4).

[2] 李志江.机械制造工艺基础教学方法探讨[J].考试周刊,2008,(51).