机械设计技能挑战的思考

1、机械设计技能挑战的思考机械设计的基础17世纪和18世纪初叶是钟表时代,18世纪末叶和19世纪是蒸汽机时代。 机构学的发展，出现了曲柄滑块原理的内燃机、汽轮机和水轮机等，实现了将柴油 和汽油的化学能转化为机械能；原煤的化学能经热能转化为机械能；水的动能和 势能转化为电能或机械能。这些技术发展进程中，诞生了机械设计课程。机械设 计包括机械原理、机械零件和机械系统设计三部分内容。机械原理讨论机构的设 计、运动分析和动力学分析。机械零件部分讨论机械零件的强度、刚度、振动稳 定性和耐磨性等设计方法，并且介绍机械的结构设计。机械系统设计部分讨论机 械系统的动平衡、速度波动调节以及系统方案优化设计等。机械产

2、品的创新设计 以上述三部分内容为基础，对产品设计进行改进或革新。1. 机械原理。机构的设计与分析是机械原理的核心内容。 常用的机构有： 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗杆结构、摩擦轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。机构的演变或创新方法有：机构的组合、机构的演绎、机构的逆向设计以及 新原理的应用等。机构组合是常用的设计方法，通过不同类型机构组合或者同类 型机构的组合,得到实现运动轨迹的新组合机构。机构的演绎是通过改变机构的 运动副、构件几何设计、机构的变结构等方法 ，获得新的机构设计。机构的逆向 设计,常用主动构件和输出构件互换、增加或减少自由度数即原动件数，来获得新 的机构设计方案。机构的运动分析

3、和动力学分析，常用计算机辅助设计的方法来 分析,以获得运动轨迹、加速度和跃度的变化曲线。机构的创新设计是机械产品 创新的基本内容，也是对产品在较大程度上的革新。2. 机械零件。机械零件分为通用零件和专用零件。机械零件部分介绍的 是各类通用零部件，包括连接零件、传动零件、轴系零部件以及弹簧、机架和导 轨等。连接零件有螺纹连接、销、键和花键、过盈连接、胶接、焊接和铆接等。 传动部分有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、摩擦轮传动等。轴系部分有 轴承和轴的设计，其中轴承有滑动轴承、滚动轴承、空气轴承、电磁轴承和静电轴承等。机械零件的设计是针对零件的失效形式来进行的。首先由实践确定机械零件的失效形式，

4、然后选择零件的材料和表面处理技术，以抵抗其失效形式，再依 据相应的设计理论提出设计准则和设计公式，最后是设计零件的所有结构尺寸。 另一方面,机械零件是物化的产品，其结构设计和制造工艺性设计也是关键方面。机械零件的创新设计方法有变结构的设计、组合设计以及采用新原理的设计等。3. 机械系统设计。机械产品越来越复杂，组成机械产品的零件个数越来越 多。机械系统的传统设计内容有动平衡、速度波动调节和分系统之间的匹配等。 机械子系统的设计，包括动力系统、传动系统、执行系统、控制系统和辅助系统 的设计。在计算技术发展后，针对系统层面出现了系统优化设计、系统可靠性设 计和系统摩擦学设计，并且在产品设计中得到应

5、用和推广。随着生态设计、全寿 命周期设计、维修设计和自动化设计的发展，基于系统分析和计算仿真的设计软 件包日益增多。经典的设计内容都可以由软件包来完成，然而对于新材料的机械零部件设计及其系统设计，仍需要理论和实验的应用基础研究，以获得设计准则 和相应的设计方法。机械设计面临的挑战我国的机械工程高等教育是从20世纪初开始的，落后于欧洲的第一次产 业革命200余年。因此，我国的机械工程科学与技术距世界先进水平有差距是有 其历史原因的。在改革开放后，国家的载人航天、高速铁路和青藏铁路等重大工 程的建设推动了机械、电气、信息和材料等学科技术的进步，同时也促进了不同学科的技术整合，以新的系统产品提供给消

6、费者。然而,我国的工程教育历史较短， 仍有待借鉴国外先进的工程教育经验和教育方法。目前，机械设计教学与产品设 计面临的挑战有创新能力的培养、系统性的思维观、新的科学原理带来的挑战等。1. 新材料带来的挑战。人类的发展史从某种意义上说也是人类利用和制造材料的历史。随着人们对石头、铜及其合金、铁及其合金、半导体材料的制造 和使用，人类社会经历了石器时代、青铜时代、铁器时代和半导体时代。在上个 世纪末,智能材料的发展非常迅速，例如压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料等， 机敏材料正得到更多的应用。在量子力学基础上出现的新智能材料，将为机械产品设计提供更广阔的空间。作为机械产品设计工程师 ，要时刻关注智能

7、材料的进 展及其制备技术。纳米材料作为一种介观尺度的材料，已在纳米润滑添加剂方面 得到工程应用。另一方面，材料的成本与市场供应也是产品设计阶段需要考虑的 内容。新材料的发展与研制，为机械产品设计提供了更多的设计选择，也同时使得 以前不可实现的产品功能得以实现。生物材料及其仿生技术是新材料的发展方向 之一，设计师应关注这一方面的新进展、新技术和制造过程，在较短时间内将其应 用于产品设计，为人们的安全、舒适的生活和健康提供新的产品。2. 信息科技带来的挑战。从信息论和控制论的诞生开始，人们就进入了信 息社会。计算技术的软件、硬件和系统技术，作为20世纪的标志性进展，以此为 阶梯,人们开始了信息社会

8、的生产与生活。信息技术使得地球变成了地球村，各地 信息及时传递与互享共用，改变着人们的生活方式、生产方式和思维习惯等。毫无疑问，我们已经生活在信息社会里，信息技术对机械系统中的控制单元设计进 行了彻底的变革。产品的设计涉及功能、结构、外部界面、用户界面和成本五个 方面。产品的创新设计方法很多，例如前苏联学者提出了创新问题解决方法。无 人车间、无人制造工厂不再是人们的向往，而是已经成为现实。信息技术已经提 供了虚拟战场、3D虚拟电影、虚拟产品模型、虚拟产品装配等一系列产品和相 关的技术。机械制造的核心，机床已经是计算机控制的可编程设备，机械制造过程 也已经是柔性的可变制造系统的生产线。可以预见，

9、信息技术不仅会为人们的生 活提供手机和无线络等，也将提供虚拟的生活体验，例如虚拟的蹦极、虚拟侏罗纪 公园等。信息科技对机械设计和机械制造的变革不会比电气化革命带来的少，而且更加深刻、更加深远。机械设计工程师要学习新的信息科学与信息技术，用其革新机械产品的设计、机械制造过程和管理过程。3. 智能科学带来的挑战。21世纪是生命科学与技术的时代，生命的基本特征就是智能与生长。智能科学的发展与信息科学密切相关，也可以说是以信息科技为基础的。简单智能产品，例如冰箱、空调等，已成为商用产品，而且新的更 高智能程度产品也在日新月异的发展之中。基于信息技术的智能交通系统、公园导游系统、空中管制系统等产品已具雏

10、形，随着信息处理的高度智能化发展，这些 信息管理系统也需不断地升级。1956年到1961年可以说是AI研究的形成时期, 卡内基-梅隆大学、麻省理工学院和IBM公司开始了 AI的早期研究。1961年到 20世纪80年代是AI成长期,80年代是其快速发展期，80年代后人工智能技术步 入实用化成熟期。取得了国际象棋、口语识别、机器视角和专家系统等研究成果。4. 生态环境带来的挑战。随着生产的规模扩大，对自然资源的消耗日益严重,伴随出现的环境污染也日益突出。在今天的生产发展阶段，保护自然生态环境 的压力更加突出。为了保护人类的生活环境，必须从产品设计、产品制造到产品 回收循环利用的全周期，考虑产品的环境绿色性。产品供应链的全球化、络化与 节能设计,是新世纪机械产品设计需要考虑的新问题。机械产品的设计阶段就很 大程度上决定了产品的环境友好性。从材料选择来说，应采用材料种类更少的设计方案;从计算参数设计来看，应提高功能参数与质量之比，更大程度地发挥材料 的性能；从结构设计来说，应尽可能地循环利用报废机器的零件，或者通过最低成 本的再制造，然后循环利用零部件；在功能设计来说，应尽可能发挥产品的设计构 思,提供更多、更便捷、更低成本的功能实现方案。如此等等，在整个产品设计阶 段贯彻生态设计的理念，为保护自然环境和最