机械设计理论与方法 论文 (2).doc

机械设计理论与方法的研究 王宝 （机电工程学院10714班 2010071424）摘要：一个国家的机械制造水平体现着这个国家的发展程度，而机械设计理论与方法的是支撑机械制造的顶梁柱。这是一门古老而又蓬勃发展的学科。本文将带你了解机械设计理论的发展历程，研究现状与发展趋势。阐述了现代机械设计理论与方法在具体机械产品上的实际应用。最后则是自己的看法。关键词：机械设计理论与方法 发展进程 0引言：现代设计方法是在继承和发展传统设计方法的基础上融合了现代的科学理论和科学技术成果而的，是以设计产品为目标的一个知识群体的总成，目前已发展成一门综合交叉的学科。现代设计方法包括设计方法学，计算机辅助设计，有限元法，机械最优化设计和机械可靠性设计等。1机械设计理论与方法的发展历程研究现状和未来趋势1.1机械设计理论与方法的发展历程设计是人类一种复杂的思维过程，是创造性的劳动，是人类改造自然的基本活动之一。人类在认识世界和改造世界的历史长河中，一直在从事着设计活动。从某种意义上说，是人类不断进行的创新设计活动，推动了人类文明的进步。从设计方法的发展过程来看，设计方法的发展大致经历了如下四个阶段。（1） 直觉设计阶段古代的设计是一种直觉设计，当时人们是从自然现象中得到启示，或是凭自己的直观感觉来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。（2） 经验设计阶段 随着生产的发展，一部分经验丰富的手工艺人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。图纸的出现，既可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传与他人，便于用图纸对产品进行分析，改进和提高，推动设计工作向前发展，还可以满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求以及提高生产率的要求。（3） 半理论半经验设计阶段20世纪以来，由于科学和技术的发展与进步，设计的基础理论研究和试验研究得到加强，随着理论研究的深入，试验数据及设计经验的积累，已经形成了一套半理论半经验的设计方法。这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验，公式，图表，设计手册等作为设计的依据，通过经验公式，近似系数或类比等方法进行设计。采用这套方法进行产品设计，成为传统设计。（4） 现代设计阶段近几十年来，科学技术迅速发展，设计工作所需的理论基础和手段有了很大的进步，特别是电子计算机技术的发展及应用，其计算速度不断加快，存储能力不断加强，工程软件水平不断提高，数据库的完备和网络技术的出现，对设计工作产生了革命性的影响，为设计工作提供了实现设计自动化和精密计算的条件。1.2 机械设计理论与方法的研究现状在产品设计中应用CAD,CAE,优化设计，动态设计等技术方法，广泛应用试验和计算机技术进行产品设计。应用现代设计方法使新产品的开发周期大大缩短，产品质量和产品生产过程的自动化程度得到了提高，降低了产品的生产成本，增强了产品的竞争力。据目前国内外设计学者进行机械产品设计所使用的方法，现代设计方法可以概括为四类：1.21系统化设计方法系统化设计的主要特征方法是：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，这样的话，所有的设计要素进行组合后，可以达到设计系统所需的任务。1.22结构模块化设计方法通过结构模块的组合，实现产品的方案设计的方法被称为结构模块化设计方法。其具体的应用场合为：适用于特定种类的机械产品：由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易2结构模块化设计方法通过结构模块的组合，实现产品的方案设计的方法被称为结构模块化设计方法。其具体的应用场合为：适用于特定种类的机械产品：由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易。1.23智能化设计方法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、描述产品的结构是智能化设计方法的主要特点1.24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。1.3机械设计理论与方法的未来趋势许多科技工作者为了提高产品的设计质量，进行了大量的研究工作，深入研究了各种设计方法。获得了虚的有应用价值的成果。并在诸多产品的设计中发挥了良好的作用。如果在这个基础上，将宏观研究与微观研究很好地结合起来，将在设计理论与方法的研究上会有更大的成果。就目前国内外的研究状况来看，产品的设计理论与方法正在向以下几个方向发展：（1） 在科学发展观和自主创新思想指导下的设计理论与方法；（2） 面向产品质量,成本或寿命的设计理论与方法；（3） 为加快设计进度及实施设计智能化的设计理论与方法；（4） 面向复杂系统和高难度（非线性，非稳态，高维，强耦合，不稳定，高变量等）问题的设计理论与方法；（5） 面向产品广义质量或产品全功能的综合设计理论与方法。这些设计法各有各的特点和适用范围，但是这些设计方法是以单一设计目标的方法为基础。所以对单一设计目标的方法研究工作的深化是搞好综合设计法的基础。在现有研究成果的基础上，所研究的设计理论与方法更加应该突出地按照科学发展观的基本要求加以实施；应该更有效地提高产品质量，降低成本和保证使用寿命；应该考虑如何缩短设计及制造周期，更广泛的采用信息化技术；应该针对更复杂机械系统和更高难度（如非线性系统等）的问题进行研究；应该在最大范围内满足用户对产品广义质量的要求等。 2机械设计理论与方法在实际产品开发上的应用2.1系统化设计的基本内容（产品设计的过程） 2.11产品规划阶段 产品规划阶段就是进行待开发产品的需求分析，市场预测，可行性分析，确定设计目标和要求。根据客户需求，确定设计参数，选定约束条件。编写设计任务书和产品开发计划。 （1）市场调研和预测根据用户要求,收集市场和用户信息，预测产品发展动态和水平比较，提出新产品市场预测报告。（2） 技术调查分析国内外同类产品的结构特征，性能指标，质量水平和发展趋势，对新产品的设想，对新采用的原理，结构，材料，技术及工艺进行分析，确定需要攻关的项目和先行试验等，提出技术调查报告。（3） 可行性分析对新产品设计和生产的可行性进行分析，并提出可行性分析报告，包括产品的总体方案，主要设计参数，技术水平，经济寿命周期，企业生产能力，生产成本与利润预测等。（4） 开发决策 对上述报告组织评审，提出评审意见及开发项目建议书，供企业领导决策，批准立项。 2.12设计阶段。 （1）原理方案设计 原理方案设计就是新产品的功能原理设计。在产品设计阶段中，原理方案设计占有重要的位置，它将决定产品性能和成本，关系到产品设计成败和质量的优劣。在这一阶段，设计师充分发挥自己的专业知识、实践经验和创新能力，构思出能达到预期结果的原理方案，列表给出原理阐述，并作出新产品的功能原理方案简图或示意图。 （2）结构方案设计。 即确定零部件的形状、尺寸、材料，进行强度、刚度、可靠性等分析计算，画出结构草图。（3）总体设计。在原理方案和结构方案设计的基础上，全面考虑产品的总体布局、工艺造型、人机工程等因素，画出总装图。 （4）施工设计。将总装图分解成零部件图，根据加工、装配要求，标注公差、配合及技术要求，绘制出全部生产图纸和说明书。 2.13试制阶段 该阶段通过样机试制和小批试制，验证产品图样，设计文件，和工艺文件，工装图样等的正确性，以及产品的适用性和可靠性。 （1）样机试制 首先要编制产品试制 的工艺方案和工艺规程等，试制12台样机后，经试验，生产考验后进行鉴定，提出改进设计方案，对设计样图和文件进行修改定型。 （2）小批试制 小批试制510台，为批量生产做工艺准备，根据鉴定及试销后的质量反馈，进一步修改有关图样和文件，完善产品设计。 2.14定型投产阶段 该阶段是完成正式投产的准备阶段，对工艺文件，工艺装备定型，对设备和检测仪器进行配置，调试和标定等， 要求达到正式投产条件，具备稳定的批量生产能力。2.2机械设计理论与方法在机械产品上的实际应用（以机床设计为例）为了适应社会需求的变化，出现了柔性制造系统等先进的自动化制造系统，除了传统的机床设计要求之外，还要求机床增加柔性，并能与系统有机结合。数控技术和CAD技术的发展，为机床设计提供了新的条件和支撑。因此机床的设计方法和设计技术也发生着深刻变化。2.21产品规划阶段通过市场调查可知，中国当前一直在加强经济建设，其中机械制造业在此过程中有着尤为重要的地位，而要制造机械产品，起床是必不可少的。因此，机床在我国很有市场，而且市场也在期待中国有更为先进的机床产品问世，以提高我国机械制造水平，加快经济发展。显然，我国机床产品有欧美发达国家的产品尚有一定差距，尤其是在精度和数控方面。这也是我们与要改进的地方。（1） 加大工艺范围，提高加工效率（2） 提高机床精度和精度保持性（3） 进行刚度的合理分配和优化（4） 提高机床的抗振性和加工稳定性（5） 提高机床抵抗热变形的能力（6） 在机床设计中提高传动质量，减少摩擦，振动和冲击，减少机械噪声（7） 提高机床低速运动平稳性（8） 提高机床生产率和自动化程度（9） 提高机床柔性和可靠性，机床宜人性，与物流系统的可亲性（10） 降低机床成本和生产周期 2.22设计阶段随着科学技术的进步和社会需求的变化，机床的设计理论和技术也在不断发展、计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。计算机辅助设计和计算机辅助工程已在机床设计的各个阶段发挥了作用，使得机床的设计理论和方法有人工绘图想计算机绘图过度，改变了传统的经验设计方法，有定性设计向定量设计，由静态的和线性分析向动态的和非线性分析，由可行性设计向最佳设计过渡。数控技术的发展与应用，使得机床的传动与结构发生了重大变化，伺服驱动系统可以方便地实现机床的单轴运动及多轴联动，从而可以省去复杂的机械传动系统设计，使其结构及布局也有很大变化。以下即为设计步骤：2.221总体设计 （1）主要技术指标设计包括用途，生产率，性能指标，主要参数，驱动方式，成本及生产周期。 （2）总体设计方案包括运动功能设计，基本参数设计，传动系统设计，总体结构布局设计，控制系统设计。 （3）总体方案综合评价与选择对所选择的方案进行进一步的修改和优化，确定最终方案。2.222详细设计（1） 技术设计 包括确定结构原理方案，装配图设计，分析计算和优化（2） 施工设计 包括零件图设计，商品化设计，编制技术文档2.223机床总体综合评价对所设计的机床进行整机性能分析和综合评价2.23试制阶段和定型投产阶段略2作者的看法2.1作者对机械设计理论与方法的掌握情况现代机械设计理论与方法是以设计机械产品为目标的一个知识群的总称，有一个完善和发展的过程。包括系统化设计、优化设计、价值工程、反求工程等。现代机械设计的发展趋势可概括为以下三个方面：性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展；层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。现代机械设计的优势，在于它吸收了各相关学科之长，且综合运用各学科知识并加以整体优化。随着计算机技术、网络技术、检测技术、控制技术等学科的飞速发展，现代机械设计的内涵将更加丰富。设计出的产品将更加符合科学原理、结构更加新颖、更加富有实用价值。2.2在实践中的应用情况利用已有的设计理论与方法设计V带轮，校核。利用制图软件画出带轮尺寸图。利用数控加工系统在机床上加工工件。2.3自己感兴趣的方向对反求工程感兴趣。反求工程技术不同于一般常规的产品仿制，采用反求技术开发的产品往往比较复杂，通常由一些复杂曲面构成，精度要求也比较高。需要专业人员运用丰富的工程设计经验、知识和创造性思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的内涵，特别要强调创新是反求的灵魂。目前我国由于一些方面与外国差距比较大，有些设备国外能制造而我们没有条件制造，这是我们就可以把国外的新产品买进来利用反求工程制造出功能与之相似甚至更加先进的产品。参考文献：1郑金兴 机械制造装备设计M 哈尔滨工程大学出版社 2008.42倪洪启 谷耀新 现代机械设计方法M 化学工业出版社 2008.53张卫国 杨家军 机械设计原理与方法(上）M 华中科技大学出版社2001.54张卫国 杨家军 机械设计原理与方法(下）M 华中科技大学出版社2001.55庞振基，黄其圣精密机械设计M北京：机械工业出版社，20056柴鹏飞机械设计基础M北京：机械工业