机械原理设计方案范文

导语：如何才能写好一篇机械原理设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：独立学院；鞋靴设计；应用型；能力结构；研究

人才培养方案是高校人才培养的总体设计蓝图，是学校组织教育教学工作和学生制定学习规划的指导性文件，独立学院作为我国高等教育发展进入大众化阶段后出现的一种新型办学模式，经过近些年来的发展，已经成为我国高等教育的一个重要组成部分。鞋靴设计专业作为工业化的应用型专业，是一门跨艺术和科学两大门类的综合学科，随着我国制鞋产业现代化的快速发展，社会对该专业人才提出了更高的要求。而目前，一些高校鞋靴设计专业培养出的鞋靴设计人才与制鞋行业所需人才出现了一定的差距，特别是以应用型人才培养为主要目的本三批次独立学院，一些毕业生的专业理论知识结构老化，综合能力、实践能力相对较差，就业时不能很快地找到适合的岗位，即使找到就业岗位也在较长时间内难以进入角色。[1]针对这种现状，笔者结合在扬州大学广陵学院从事十多年鞋靴设计专业教学的工作体会，就当前独立学院鞋靴设计应用型人才培养的能力结构提出几点思考，与大家共同探讨。

1 在课程体系设置上，坚持夯实基础、突出应用

培养具有创新精神和实践能力的高素质鞋靴设计应用型人才，要使学生比较系统地掌握专业基础理论和基本技能的同时，强化学生实践应用能力、实际操作能力和非专业素质的培养。

一方面是夯实专业素质教育基础，突出培养体系、课程体系和单个课程的应用性。专业理论知识以适用、够用为原则，理论适度不求深，能力见长唯求用。注重专业基础课程的实用性，强化解决实际问题的专业应用能力和操作能力培养。例如，在艺术设计基础理论类课程（如《美学概论》《中外服饰史》）中加强美学美术基础知识的传授。鞋靴作为服饰的一个主要配件，装饰功能是它的主要特征，要设计美观的鞋靴产品，仅靠专业知识是不够的，还需要不断提高自己的艺术素养，从文学、戏剧、绘画及雕塑等艺术中汲取营养，丰富创作思想。只有自身的审美和鉴赏能力提高了，才能更深入地认识美，创造美。[2]另外，在设计类基础课程三大构成中融入鞋靴产品造型设计能力和色彩应用能力的训练，也是不错的做法。

另一方面是夯实非专业素质教育基础。培养方案不单纯是专业教学计划，而是学生知识、能力和素质培养的整个培养体系。要第一课堂和第二课堂相互融通，课内育人和课外育人相互融通，教学工作和学生工作相互融通，突出体现应用型人才知识、能力和素质的协调发展，整体优化知识体系、课程体系、实践体系、培养体系。要通过通识课、公选课、课外活动、社会实践、素质拓展、文化熏陶等方式，培养学生必须具备的观念、品格、能力、知识、方法等方面的非专业素质和能力（如学习能力、心理调适能力等）。在保持专业课程体系前提下，适当精简专业课程，增加通修课程和综合素质培养课程，在培养特定专业素养的同时，培养其通用职业素养，将课外教育活动和实践创新活动纳入毕业学分要求。

2 在能力结构培养上，坚持强化实践、注重创新

应用型人才的培养过程应强调与一线生产实际的结合，其实践教学应是以培养学生认识问题、分析问题和解决问题的能力为目标。根据教育部教高〔2012〕4号文《关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》文件精神，独立学院更要理论教学和实践应用相互融通，切实改变重理论轻实践、重知识传授轻能力培养的观念，注重因材施教，以强化实践教学有关要求为重点，以创新实践育人方法途径为基础，形成实践创新育人合力。

实践教学是深化课堂教学的重要环节，是学生获取和掌握知识的重要途径。鞋靴设计专业作为艺术设计应用类专业，更应该结合专业特点和应用型人才培养要求，增加课程实践教学比重。加强实践教学方法改革，推行基于问题、基于案例的教学方法和学习方法，加强综合性实训项目设计和应用。这里专业实践技能是指既要懂得鞋靴产品设计的各项专业知识，又要会鞋靴产品制作过程的各项专业技能，否则，你就是外行。具体讲鞋靴设计专业实践教学应强化以下几个方面的内容：

首先，重视鞋靴主要材料特点介绍。鞋靴的最主要材料是天然皮革，我们一方面要求学生既要了解黄牛皮革、水牛皮革、牦牛皮革、山羊皮革、绵羊皮革和猪皮革等常用皮革材料的主要性能、特性；另一方面还要介绍当前日渐流行的鳄鱼皮、蛇皮、鸵鸟皮和珍珠鱼皮等特种皮革材料的特性。同时还要求学生掌握仿革材料、橡胶塑料材料、纺织材料、胶粘剂和金属配件材料的基本性能，这样才能在设计时把材料的特点发挥得淋漓尽致，赋予它以灵魂，使之散发艺术魅力。

其次，强化鞋靴产品结构设计和造型设计基本技能的培养。鞋靴产品是为人们日常生活所穿用，它需要符合人的脚型规律，所以，不光要求外形好看，还要穿着舒服。由于人的脚面是一个不规则的曲面，而鞋靴帮面材料一般是平面的，这就需要有很好的平面、曲面转换取跷设计的能力。[2]

再次，强化鞋靴产品制作工艺实践训练。任何设计的最终效果是以产品的形式出现。因此，作为设计师不仅要具备良好的艺术修养和造型基础，同时也应懂得如何使自己的设计构思通过缝制和工艺手段，达到其设计思路的最佳效果。这就好像画家不仅要有好的创造力和艺术修养，还要懂得使用笔墨的技巧，这样设计思想才能够完美地实现。[3]在这方面，独立学院应结合自身的办学条件，充分利用地方资源优势，与企业共同构架鞋靴工艺课程的实践教学平台，使实践内容多样化、实践方式多元化。

3 在培养目标上，坚持尊重个性、全面发展

独立学院人才培养方案既要符合社会对人才全面发展的需要，又要突出个性化人才培养的要求。全面发展包括全体学生的发展和单个学生的全面发展，要尊重学生在基础、兴趣、爱好、特长、能力等方面存在的差异，充分利用课内与课外，校内与校外不同课堂，完善培养机制，在培养学生全面发展的同时，充分发挥他们的个性、兴趣和特长。鞋靴设计专业既要鞋靴款式结构设计和制鞋工艺齐抓共管，也要加强学生计算机辅助设计能力、现代制鞋企业基本管理能力、创新能力和营销贸易能力的培养。

4 结语

构建适合独立学院鞋靴设计专业的应用型人才培养模式，应准确定位培养目标，坚持以能力为中心，以市场为导向，改变教学观念，更新培养模式，改进教学方法，合理设置课程体系，注重学生实践和实际岗位锻炼，以此构筑该专业学生的应用能力培养体系，并在遵循教育基本规律的前提下，最终形成具备独立学院自身特色的、生命力强的鞋靴设计应用型人才培养方案。

参考文献：

[1] 王萍，陈长美.关于高校鞋靴设计专业人才培养模式改革的思考[J].纺织教育，2013（3）：121-122.

[2] 张建兴，弓太生.懂专业、能创新、会表达[J].西部皮革，

2001（3）：34-36.

篇2

关键词：机械原理课程设计；虚拟样机技术；ADAMS；教学研究

作者简介：黄小龙（1977-），男，广西梧州人，北京信息科技大学机电工程学院，高级实验师。（北京 100192）

基金项目：本文系北京信息科技大学2010年度高教研究课题资助项目（项目编号：2010GJZD02）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）04-0102-02

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》明确指出：高等教育须提高人才培养质量，其措施之一就是强化实践教学环节。在工程技术人才的培养中，实践教学的意义是不言而喻的。“机械原理课程设计”是机械原理课程教学的一个重要实践环节。而“机械原理”课程是高等学校工科机械工程类本科生必修的“机械设计系列课程”之一，是一门主干技术基础课程，在学生的知识、能力和素质培养体系中占有十分重要的地位。[1]因此，为了提高机械类人才培养的质量，充分调动学生学习积极性和主动性，十分有必要对“机械原理课程设计”这一实践教学环节进行建设。

一、教学现状分析

“机械原理课程设计”的任务是使学生更好地理解和掌握“机械原理”课程的基本理论和方法，进一步提高学生查阅技术资料、绘制工程图和应用计算机等能力，特别是加强培养学生创新意识和分析问题、解决问题的能力。课程设计实施基本要求是按照一个简单机械系统的功能要求，综合运用所学知识，拟定机械系统的运动方案，并对其中某些机构进行分析和设计。[1]

目前，北京信息科技大学（以下简称“我校”）在“机械原理课程设计”教学过程中遇到了以下几个问题：

1.设计题目单一

课程设计的选题主要是插床或牛头刨床导杆机构的运动分析与动态静力分析，这也是很多高校在“机械原理课程设计”中的选题。设计方案及参数往往已给定，课程设计过程中学生只是按照设计说明书上的设计步骤对拟定好的执行机构进行运动和动力分析设计，没有机械系统的方案设计和机构的选型设计。从知识层面上说，学生缺乏进行系统设计创新的机会和能力锻炼的机会，也导致了学生处于被动的学习状态。课程设计中，让学生自主设计和发挥主观能动性的内容少，无法激发学生的创造力，不利于创新思维和工程实践能力的培养和训练。

2.设计方法陈旧

目前学生课程设计所采用的方法主要是图解法，少数学生还应用了解析法。不管是图解法还是解析法均是传统“机械原理课程设计”通常采用的设计方法。图解法形象直观、清晰，便于学生理解与分析检查，但作图复杂、工作量大、准确性差、效率低，[2]一张图只能反映一个位置的情况，当全班或半个班同学同做一个题目，只是机构的运动参数有所区别时，一部分同学存在依赖或抄袭他人的情况，这样导致了这些学生只是按照设计说明书走过场的情况。解析法可以获得精确的计算结果，且可以获取任意点位置的情况，但建立数学模型以及编制计算程序较为烦琐复杂，[3]计算结果不便于分析，同时学生往往不具备独立完成编程求解的能力，他们几乎不得不把全部精力都放在提高计算机编程能力上，这样使“机械原理课程设计”变成了计算机语言课的训练，[4]偏离了课程设计的目的。而若指导教师将已编好的计算程序交给学生，由学生上机输入并调试程序，进行计算，将计算结果与图解法所得结果相比较，它只是起到对图解法的结果进行检验的作用，[2]学生应用计算机解决实际问题的能力没有得到有效的锻炼。若想进一步对机构方案进行对比分析或深入探讨，以上两种方法很难实现，这在很大程度上影响到课程设计的教学效果，不利于培养学生的工程应用能力以及创新能力，也不易调动学生的学习积极性。

3.学时相对较少

《机械原理课程教学基本要求（机械类专业适用）》中要求“机械原理课程设计”时间不应少于1.5周。[1]我校目前设置的课程设计时间为1周，并且根据教学计划“机械原理课程设计”安排在学期末最后1周，若除去设计准备和答辩的时间等，实际工作日不到四天，并且学生此时心思往往不在学校，急于回家，从时间跨度来说学生主动思考和解决问题的机会较少，完全处于被动的地位，他们很少有机会进一步优化设计或方案，与教学指导委员会制定的基本要求有一定的距离。学生课程设计的成果仅仅是一份图纸和书面报告，体会不到学习的乐趣，更不能提高创新能力。

二、虚拟样机技术

虚拟样机技术是随着当代科学的飞速发展在设计领域新兴的一种计算机辅助工程技术，是一种用来代替真实的物理样机设计、基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。虚拟样机技术涉及机械、电子、计算机图形学、协同仿真技术、系统建模技术、虚拟现实技术等多个领域、多项技术，其本质是以计算机支持的仿真技术和生命周期建模技术为前提，以多体系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助计算机图形技术、交互式用户界面技术、并行工程技术、信息技术、集成技术等，从外观、功能和空间关系上模拟真实产品，模拟在真实环境下系统的运动学和动力学特性并根据仿真结构优化系统，为物理样机的设计和制造提供参数依据。[5]虚拟样机技术改变了传统的设计思想。

借助于虚拟样机技术，设计工程师可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动学和动力学特性，并根据仿真结果对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案。这极大地缩短产品的开发周期，节约产品的开发成本。目前，国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。其中美国MSC公司的软件产品ADAMS就是虚拟样机技术平台的杰出代表，该软件可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，并且方便快捷地可视化输出位移、速度、加速度和反作用力曲线等。随着虚拟样机技术在机械工程领域的应用和发展，ADAMS已成功应用于航空航天、汽车工程、铁路车辆、工业机械、工程机械等领域。

三、将虚拟样机技术引入“机械原理课程设计”教学

1.必要性

教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会2009年制定了“关于深化机械原理课程实践教学改革的意见”，其中明确指出目前机械原理课程实践教学改革应当重点关注的问题之一是商业软件（如ADAMS、Pro/E等），在实践教学中应用的相关问题，比如是否有必要对学生提出在软件应用方面的要求等。[6]面对新形势下“机械原理课程设计”教学出现的问题，有必要探索一种可激发学生学习兴趣、提高实践能力的新教学方法。

ADAMS软件具有快捷的、形象的动画展示等功能，采用ADAMS软件可快速方便地创建完全参数化的机构模型，快速对各种设计方案进行仿真分析，结果以曲线图和动画显示的方式形象展示，使机构运动学、动力学问题的分析变得简单、直观和精确，可弥补学生实践经验的不足，使学生有更充足的时间进行方案设计，方便学生对各种设计方案进行对比分析以及参数优化等，有利于激发学生的好奇心，提高学生自主学习的积极性，培养学生进行创新设计的能力，以及营造支持学生独立思考、自由探索的良好环境。在近几年，国内已有多所高校将ADAMS软件应用到“机械原理课程设计”中。[2-4，7-9]

2.实施过程

将ADAMS软件引入“机械原理课程设计”教学中，将会改变传统的教学模式，为了能增强教学实践效果、真正提高课程设计质量，笔者进行了以下的工作：

（1）课堂引导。根据教学计划，课程设计安排在第二学年，此时了解ADAMS软件的学生相对较少，基本上没有学生使用过，其原因一方面是由于该软件被引入国内的时间比较晚，另一方面是由于该软件的专业性强。学习和掌握ADAMS软件是关系到“机械原理课程设计”改革实践的关键，因此笔者在“机械原理”课程理论教学课堂中有意识地引导学生关注该软件，并在一些教学案例中演示如何应用ADAMS软件解决问题，使学生自主学习的目标得以明确。

（2）设置开放实验。在学生学习“机械原理”课程过程中，同时设置“典型机构运动仿真分析与验证”开放实验，实验内容为应用ADAMS软件建立一些简单、典型的连杆机构、凸轮机构以及齿轮机构模型，进行仿真分析，得到相关参数值，并以曲线图和动画等方式显示仿真结果。开放实验为选修实验，由学生自愿报名参加。在开放实验中，指导教师讲授并演示ADAMS软件基本操作以及连杆机构、凸轮机构、齿轮机构建模与仿真分析的内容和操作步骤，分3次讲授，每次3课时。每次相关内容讲授完毕后，由学生自主完成实验指导书提供的典型机构，同时开放机房，学生可利用课余时间学习。通过开放实验的锻炼，学生掌握ADAMS软件的基本操作，并对此产生浓厚的兴趣，同时为学生应用ADAMS软件进行“机械原理课程设计”打下基础。

（3）实际指导。编制一本应用ADAMS软件进行“机械原理课程设计”的指导书，明确课程设计的内容与要求。在课程设计周指导学生上机操作，与学生讨论、分析问题，引导学生与应用图解法的同学相互讨论、检验结果，从而体现学生主体、教师主导的教学思想。

3.应用实例

笔者连续两年在2009级、2010级机械设计制造及其自动化专业和车辆工程专业进行了“机械原理课程设计”试点教学。

2011年，首次将虚拟样机技术引入“机械原理课程设计”教学，在设置“典型机构运动仿真分析与验证”开放实验时，面向2009级机械设计制造及其自动化、车辆工程专业共8个班，采取学生自愿报名的方式。考虑到第一次进行尝试，为保证实验质量及效果，开课之前通知学生每班限额5名，但实际报名情况超出预想，达到了74人，择优选择52名同学。在开放实验过程中，学生学习了ADAMS软件基本操作以及连杆机构、凸轮机构、齿轮机构建模与仿真分析的内容和操作步骤，为下一步进行机械原理课程设计打下了良好的基础。在机械原理课程设计周，笔者指导其中一个班，在该班参加过开放实验的同学中选择了部分有意向的同学进行试点，要求这些同学除了完成图解法的课程设计内容之外，还须运用ADAMS进行机构建模、仿真分析，并验证图解法的结果等。试点的结果是仅有少数同学能达到要求，即利用图解法进行课程设计之外，还能运用ADAMS软件，经调查获知原因是时间紧、工作量大。试点后同学对运用ADAMS软件进行课程设计产生了兴趣，有自主学习的积极性。

2012年，结合2011年经历并为保证教学效果，仅从2010级机械设计制造及其自动化专业其中2个班选择31名同学参加开放实验。由于人数得到控制，指导教师有更多的时间与精力辅导学生，因此学生对ADAMS软件的掌握更为熟练。在机械原理课程设计周，笔者同样是指导其中一个班并选择了有意向的同学进行试点。根据2011年经验，这次允许学生不使用图解法，而是直接运用了ADAMS进行机构建模、仿真分析，但须对设计方案进行比较分析，并优化各个设计参数。这样，学生有更多的时间相互讨论并设计各种方案，对计算结果分析得更为透彻，能独立思考问题，真正锻炼分析问题、解决问题的能力，变学生被动学习变为主动学习。

四、结束语

将虚拟样机技术引入课堂使教学效果有了明显的提高，真正体现了学生主体、教师主导的教学思想，学习的兴趣较浓。经过课程设计锻炼后，学生普遍认为收获较大，实践能力得到了提高，随之积极参加、开展各种课外科技活动。实践中也发现了一些新的问题，如指导教师工作量大大增加、知识面不足等，这样就对指导教师提出了更为严格的要求。如何解决这些新问题以及如何将试点普及到整个专业所有同学，使更多的同学受益，需进一步研究与探索。

参考文献：

[1]教育部高等学校机械基础教学指导分委员会.高等学校机械基础系列课程现状调查分析报告暨机械基础系列课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]宜亚丽.机械原理课程设计教学改革的探索[J].太原理工大学学报（社会科学版），2008，26（s1）：51-53.

[3]朱玉.Pro/E和ADAMS在《机械原理课程设计》教学中的应用[J].江苏教育学院学报（自然科学版），2006，23（4）：112-114.

[4]席本强，王琦，曲辉.机械原理课程设计的创新型教学模式[J].中国现代教育装备，2010，（21）：94-95.

[5]陈德民，槐创锋，张克涛，等.精通ADAMS2005/2007虚拟样机技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[6]教育部高等学校机械基础教学指导分委员会机械原理组.关于深化机械原理课程实践教学改革的意见[J].辽宁师范大学学报，2009，

32（8），增刊：14-17.

[7]孙志宏，单洪波，庄幼敏，等.提高学生创新能力改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索，2007，26（11）：98-99.

篇3

1我国机械设计技术

1.1机械设计初期计划设计

机械设计的初期计划设计分析在某种程度上与计算机软件设计分析有相似之处，机械设计进行前，设计人员要整理和搜集机械的有关资料，充分了解需要设计的机械性能和功能，依据相关资料和数据对机械设计进行初期计划设计。

1.2机械设计的设计方案

机械设计的关键是设计方案，其直接的影响机械设计的质量和水平。在机械设计的设计方案阶段，很多问题需要及时、有效地处理。通常应着重处理理论和实践间的矛盾问题。机械设计的设计方案不仅需要符合机器本身的性能和功能需求，还需要考虑测试人员自身的因素，这包括测试人员对于机器开发、创新等方面的认识是否充分。设计方案的设计步骤主要有以下几点：机械运动方式、结构特点、工作原理、零件选择的正确性等。

1.3机械设计的主要技术设计

机械设计的主要技术设计时，对于主要技术方面的要求较高。对于机械设计的主要技术设计阶段，首先需要核对设计图纸的信息，认真的进行图纸数据的计算、分析总图与部分图，并对数据进行整理。其次要对机械设计的技术设计部分进行仔细审核，确保不出现问题，如出现问题，则需要对各个环节进行重新检查。

1.4机械设计的技术发展方向

现代机械产品对于性能和功能的要求越来越高，这给机械制造业中的机械设计提出更高的要求，当前，机械设计在科学技术的发展中起到了越来越重要的地位，设计质量也不断提高。目前智能化已经成为现代机械产品所必须要具备的。机械产品的智能化需要使用高水平的设计软件对产品进行模拟与设计，增强机械产品的结构和功能性，提高设计水平。另外，机械产品未来还需要具备系统化。现代的机械产品设计需要将产品的各个部分进行系统的有机结合，使其功能发挥到最优的状态。现在机械产品的设计在未来还应更加模块化。模块化的优势是能够快速的将机械性能与功能进行结合，大幅度提升产品的优势，满足机械产品的设计方案需求。现代机械设计的未来发展方向：

1.4.1性能更优的现代机械产品。机械制造业需要设计出性能更好的产品，这需要机械产品的设计人员对产品的性能和质量设计更加严谨。想要让机械产品的性能更加优越需要通过技术设计、防腐设计、控制设计等技术来共同实现。

1.4.2适应市场的现代机械产品的设计技术。在当前的竞争激烈的市场中，想要在市场中占据一席之地，需要机械产品的设计人员开发出新的技术，改变原有机械产品的使用功能，提高机械产品的质量。在进行设计时需要加大技术创新，降低成本和提高智能化水平。只有不断进行技术创新，才能维持市场的竞争力。1.4.3现代机械产品注重节能环保的设计。当前，节能环保已经成为企业发展的目标，环保保护的意识越来越高，成为当今社会发展中重要的组成部分。因此，机械设计人员在进行设计时需要将节能环保和绿色的理念融入到机械产品的设计中去。

2我国机械制造技术

2.1我国先进机械制造技术的特点

目前我国的科学技术不断发展，机械制造技术在机械制造中起到了决定的作用，应用于各行各业，技术与设备的更新需要在原有技术的基础上，应用先进的技术进行改进和创新，满足市场越来越高的要求。另外，先进的机械制造技术对于机械产品的性能和功能提升上有较大的影响。目前我国在工业生产中应用先进的技术，已取得较大的进步，极大的提高了生产效率，对机械制造的技术进行不断的创新，开拓了市场。最后，先进的机械制造技术还具有系统性技术综合的特点，对于机械制造的范围进行扩展，优化产品及后续生产加工的工序。

2.2我国机械制造技术的发展方向

我国的机械制造技术未来的发展方向有以下三点：

2.2.1机械制造的管理。我国机械制造技术发展的未来方向是严格规范计算机管理制度，所以计算机管理的加强，能有促进我国机械制造业的和机械制造技术的发展。

2.2.2机械制造的设计。现在的机械产品设计注重智能化设计，例如应用各种软件及模拟技术对机械产品进行设计，有效的提高了产品的性能和结构。2.2.3机械制造的工艺分析。我国机械制造技术和机械制造工艺向高精密加工和精细加工方向发展。

结束语

篇4

【关键词】冶金机械；设计要点

中图分类号：S611文献标识码： A

前言:我们国家的经济在不断的发展，冶金装备业作为我国主流服务与制造行业之一，近些年来也在不断地探索与发展。 随着国际业内对冶金装备要求的提高，冶金机械制造已经不单纯的是机械的制造了。 它涉及到了更多方面的问题。 比如经济性、绿色环保、美观等。本文就冶金机械制造设计的问题进行了简单的探讨，希望对相关人士有所帮助。

一、冶金机械设计

所谓冶金机械设计是指根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式,各个零件的材料和形状尺寸,方法等进行构思,分析和计算并将其转化为具体的描述,以作为制造依据的过程。在机械领域发展越来越好的形势下,机械制造成为机械领域中重要的组成部分。因此,有效的、合理的进行机械制造至关重要。然而,要想实现此目的需要保证冶金机械设计规范的进行,从而提高机械动态化水平,才能够实现机械制造合理而有效。一个好的冶金机械设计必须有以下几个工作阶段构成。

1.计划阶段

在具体开展冶金机械设计之前结合机械相关的资料进行设计是非常必要的。其目的是通过机械资料进行了解,从而合理的规划如何进行冶金机械设计才能够保证机械的性能、安全、质量等方面能够符合规范性文件的要求,为后续进行具体的冶金机械设计做好铺垫工作。

2.方案阶段

方案阶段是冶金机械设计的关键部分,其主要进行的工作内容是详细的设计机械的每个部分,最终设计出完整的机械。但是,需要注意的是方案阶段所设计出的机械并不是最终定稿的设计方案。因为方案阶段仅是按照要求将冶金机械设计出来,未涉及到设计方案检查相关的内容。

3.技术设计阶段

技术设计阶段需要进行的工作内容是结合总装配草图及相关技术性文件就冶金机械设计方案中的设计部分进行优化和完善,最大限度的提高设计的合理性和有效性。由于在后续的工作中对冶金机械设计方案改动的可能性较大,需要将此阶段设计完成的方案安全的保存,为后续工作做准备。

二、冶金机械设计在机械制造中的作用

冶金机械设计是机械制造重要的组成部分之一,其在一定程度上决定所制造的机械能否高效的、有效的、稳定的应用。可以说,机械设计在机械制造中起到奠基石的作用。对于冶金机械设计如何在机械制造中发挥作用这个问题笔者从侧面进行具体的分析,详情如下:

1.冶金机械设计的分类

在当下冶金机械设计越来越重要,已经成为推动我国经济发展的重要组成部分。为保证机械制造能够稳步进行,目前已经推出三种冶金机械设计类型,即新型设计、继承设计、变形设计。

(l)新型设计是将比较成熟的先进技术运用到冶金机械设计中,以此来进行新型机械的设计。

(2)继承设计是为制造运行效果好、功率消耗小的机械,设计人员有效的结合自己本身的经验和设计技术进行合理的、有效的设计。

(3)变型设计是从市场需求出发,对原来的冶金机械设计进行变动和更改,使其能够满足市场需求,按照此冶金机械设计方案而制成的机械能够适用于当下的市场。

2.冶金机械设计的主要程序

冶金机械设计严格的按照设计程序有步骤的、有计划的、合理的执行,能够保证冶金机械设计的完整性、准确性,为正常的进行机械制造创造条件。因此,冶金机械设计的主要程序是保证冶金机械设计能够在机械制造中充分发挥作用。主要的冶金机械设计程序有:

(l)拟定设计任务。所谓拟定设计任务就是为了明确设计目的,掌握所设计的机械需要满足的要求、机械造型、机械的功能等等,为进行具体的设计工作做铺垫。

(2)初级设计。初级设计环节进行的工作内容按照设计任务将机械的轮廓、部件、结构等方面设计出来。

(3)技术设计。技术设计是冶金机械设计的关键环节,需要设计人员结合自身的经验和技术设计对初级设计环节所设计的方案进行进一步的设计,构成完整的设计方案。

(4)工作图设计。将通过检查核实达标的冶金机械设计方案从机械制造的角度进行重新设计,形成工作设计方案,使具体的机械制造案按照工作图能够合理的进实施。

(5)定性设计。定型设计主要应用于配量生产机械前的最后一次设计,其主要是对冶金机械设计方案进行调整,将冶金机械设计方案中过于理想化,批量生产无法达到的部分进行调整,最终敲定机械设计方案,机械制造按照此设计方案进行具体的生产。

3.冶金机械设计的准则

保证冶金机械设计合理的、规范的开展才能够促使冶金机械设计在机械制造中发挥作用,为构建质量好、功能强的机械创造条件。然而,要想保证冶金机械设计的合理性、规范性、准确性,需要严格按照机械设计准则进行具体的设计工作。所以说,冶金机械设计准则也是保证机械设计在机械制造中发挥作用的重要因素。冶金机械设计准则为:

(l)技术性能准则。技术性能是保证机械能够长时间高效运作的关键。在进行冶金机械设计的过程中一定要严格控制机械技术性能设计,保证所设计的机械技术性能符合生产要求。

(2)标准化准则。冶金机械设计标准的进行,每个部分都符合相关规范性文件,才能够为建设出标准的机械做铺垫。而标准化准则正是对冶金机械设计是否标准进行约束。

(3)安全性准则。主要是约束设计人员在进行冶金机械设计时充分考虑零件安全性、整机的安全性、生产的安全性以及环境的安全性,为安全的进行机械制造创造条件。

三、把握冶金机械设计的未来发展趋势

1.冶金机械的绿色技术

绿色技术是目前针对世界范围内的环境保护以及可持续发展所提出的一种以合理利用资源和节约能源为目标的技术形式，是指在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响和资源消耗减到最小。冶金机械中的绿色技术，就是要在机械的产品设计、制造、使用以及回收的各个阶段都充分地利用绿色技术，以实现最大限度上对能源的节约以及对资源的合理利用，同时减少冶金机械所产生的废弃物排放，减少由此产生的环境污染，从而实现自然环境和冶金机械生产之间的和谐发展。

2. 冶金机械自动化发展

一是基于数字模拟和仿真技术的研发，实现冶金全流程动态分析、评估和精准设计。二是综合考虑生产效率、能耗物耗和环境指标的多目标实时优化。三是产品指标、运行指标和控制指标协同的全面闭环控制。四是数据驱动和知识驱动相结合的复杂过程建模和先进过程控制。五是先进传感技术和软测量结合的关键工艺参数的在线连贯测量。六是结合考虑物质流、能量流优化的先进能源管理和控制。

3.冶金技术信息化发展

在工业生产控制中，网络就是中枢神经，对工业生产起到控制作用。在冶金工业中，以计算机技术为先锋的网络技术、电子数控技术、计算机仿真技术、多媒体技术、计算力学技术等在冶金流程中实现集成模拟系统，通过人机交流，模拟钢铁生产全过程，进而推进冶金工业生产制造的智能化。

4.生产管理系统化发展

生产管理系统的智能化在生产组织管理上，产品质量检测和管理上，在能源管理和优化上都体现出优越性。它科学的整合了冶金机械、冶金原材料和冶金能源，使资源配置和资源利用达到最优化，并对产品质量进行预报、跟踪和分析，判定在生产中发生的品质异常，使冶金企业就冶金机械、产品质量、成本管理、能源管理等均有的放矢。

四、结束语

冶金机械制造设计的发展符合世界的主流方向。其发展仍然面临着许多问题。这些问题不是一朝一夕能够解决的。需要很多人的努力。希望相关人士能够积极应对并解决问题。

参考文献：

[1]刘燕平,涂德林,郭金溢. 冶金冶金机械设计要点之我见[J]. 科技信息,2014,01.

[2]邓蕊,赵士明. 冶金机械绿色设计应用关键问题研究[J]. 河北冶金,2014,02.

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关键词：大型重件；机械加工；制造工艺

机械加工能够在将原料或者半成品制成成品的基础上运用科学的制作工艺使其更加完美，一般情况下，大型重件机械加工制造的零件主要是指可以装配成机器、仪表以及各种设备的基本制件。本文将简单介绍大型重件机械加工制造的定义及其制造工艺，并从优化设计方案，选好毛坯，优化液压设备系统等三个方面来探讨提高大型重件机械加工制造工艺技术的措施。

一、大型重件机械加工制造的定义及其工艺

在各大型重件的制造环节中最关键的是机械加工，大型机械加工制造工艺分为三个流程，即成品设计流程，设计方案，加工成品等。1）成品设计流程就是根据原有成品的特征与设计，不断地对其进行研究与改造，从而设计全新产品。2）设计方案主要是根据成品的需要来绘制图纸，制定产品加工方案，并选取最佳制作工艺。3）加工成品就是利用各种工艺技术来制作成品，完成零件加工工作。目前，大型重件机械加工离不开机床的辅助，机床是由动力驱动的固定式机器，用于切割、塑造或者合成，从而把金属加工成零件。机床的出现可以追溯到18世纪蒸汽发动机发明的时代，最常见的机床是19世纪中期设计出来的。时至今日，已有几十种不同的机床运用于工厂的车间与作坊。通常分为七种类型，即旋削式机床（例如车床、牛头刨床和刨床），动力钻头、直立钻床、铣床、磨床、动力锯、压制式机床（像冲床）。其中，车床这种进行车削加工的机床可以使加工件旋转，用刀具去掉多余材料，操作的种类有平直车削或者圆锥型车削、开槽、割肩、车螺纹和刮旋圆柱形部件顶端平面。内圆车削叫作镗孔，最通常的是孔加工如钻孔、镗孔、扩孔、钻埋头孔等。使用牛头刨床时工件通常放在夹持于工作台上的虎銛或者类似夹具中，可在恰当的角度用手动或者机动方式将虎銛送入形如砍凿的单刃切削工具上的行程。在刀具每一行程终了时，工作台使工件作小量间歇进给。可调整的刀架能使牛头刨床削出彼此差不多可成任意角度的沟槽和平面。最大的牛头刨床有0.9米长的切削行程，能够加工0.9米长的部件。使用刨床应注意将工件固定在单刃刀具下做往复运动的水平工作台上。要将刀具夹持装置安装在横梁上，刀具通过工作台时可以做小量的侧向运动。由于刀具几乎能以任何角度移动，它能刨削各种各样的沟槽和平面。铣床是在轴线周围对称排列着许多切削刃的圆形刀具绕轴线旋转的一种机床。在铣床上，金属工件通常夹持在虎銛或者类似的夹具内，虎銛则卡紧在可以沿3个相互垂直方向移动的工作台上。多种形状和大小的刀具可用于广泛的铣削操作，可以加工平面、凹槽、台肩、斜面、楔形和T形槽。齿形排列不同的刀具可以用来磨削凹面和凸槽、磨圆角、切削齿槽。磨床是用旋转的砂轮改变坚硬物体的形状和尺寸的机床。磨光是各种基本机械处理过程中最为精确的一项。各种磨床都使用由人造磨料制成的砂轮。磨削工件外圆时，要把小砂轮安装成工件的内孔中来回运动，工件夹在旋转的夹具内。在平面磨床上，则是把工件固定在旋转砂轮下来回运动的工作台上。冲床是将压力加到装有金属板材工件的模具上，以改变板材大小和形状的机床，通常由电动机驱动。模具的形状和结构决定该产品的形状。冲床的冲头一般都安装在机器来回运动的撞锤上，模具夹在床身或者砧座上，床身或者砧座平面都与撞锤的运动方向垂直。

二、提高大型重件机械加工制造工艺技术的措施

（一）优化设计方案

大型重件机械加工制造工艺的设计方案是根据成品的需要来绘制图纸，制定最佳产品加工方案。因此必须优化设计方案，及时校对图纸，确保图纸的准确度，提高制造方案的科学性。

（二）选好毛坯

毛坯主要是指已具有所要求的形体，还需要再进行加工的成品与半成品，机械加工制造工艺与加工质量对毛坯的要求很高，因此，必须选好毛坯，根据毛坯的材料与种类进行精心挑选。

（三）优化液压设备系统

因为进行机械加工制造时离不开液压设备的辅助，传统的液压设备系统已经不能满足现代机械加工制造的要求，因此必须优化液压设备系统，提高液压机的质量。

三、结语

综上所述，机械加工是各大型重件的制造环节中最关键的环节，大型机械加工制造工艺分为三个流程，即成品设计流程，设计方案，加工成品等。提高大型重件机械加工制造工艺技术则需要优化设计方案，选好毛坯，优化液压设备系统，这样方能全面提高大型重件机械加工制造工艺技术。

参考文献：

[1]朱雪青.大型焊接薄壁件军用快装式汽轮机底盘机械加工精度保证的技术攻关[J].机电信息,2015(3).

[2]张景利,何耿皇,李文涛等.大型锻造件筒节切削加工性及提高切削效率措施[J].机械工程师,2015(5).

[3]孙壮,杨志成.大型复杂形状不锈钢管道件的整体加工工艺研究[J].中国机械,2015(3).

[4]邱雪松,刘佳启,侯雨.核电加氢大型回转件自动化超声波探伤系统[J].制造技术与机床,2014(4).

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[关键词]机械传动系统；设计方案；评判

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0043-01

0 引言

在机械传动系统方案设计研究过程中，设计一个能够实现特定运动以及动力要求的机械传动系统时，可根据机械传动装置的设计原则及设计要求，通过不同传动原理进行实现，初步从知识库当中选择几种不同的传动方案。再根据这些设计方案，确定哪种方案可以满足要求，从而对方案的优劣进行适当评价，确定最优方案，这一过程对于整个机械系统设计过程来说，虽然相对比较困难，但是却非常重要，过程的好坏直接影响到设计机械产品的经济性、合理性以及可靠性。由于一个机械传动系统是通过有限的传动件组成，并且每个传动件各不相同，都有各自不同的特征，若选择传统的评价方法，免不了要进行大量复杂的计算分析过程，因为计算所产生的累积误差，这就有可能导致做出的评价和实际情况存在一定的差别，令最后确定的方案不是最优方案。基于此，本文对支持向量机法、三级模糊综合评判法、未确知测度模型以及基于熵权的模糊AHP法等方法进行介绍。

1 机械传动系统概述

机械传动系统就是指将发动机运动和动力传输至机械执行构件的一个中间环节，其不仅可以改变运动方式、运动大小及确保机械系统中的全部执行构件工作部分的协调性和配合性，另外，一定要将发动机功率和转矩传至相应的执行构件，进而克服生产形成的阻力。

2 机械传动系统设计方案的评判方法

2.1 支持向量机法

支持向量机指的是根据统计学习理论而发展起来的一种方法。若样本有限，支持向量机法可以构建一套规范完整的机器学习理论及方法，该设计可以有效克服随意性等缺点，现如今，支持向量机方法已广泛应用于模式识别与函数逼近、概率密度估计以及降维等众多领域，并且在这些领域中，支持向量机方法处理相关问题的能力也不断提高。

机械传动方案决策系统在建模时，普遍采用支持向量机法的多类分类算法。如今选择支持向量机法解决多类分类问题的基本方法包括“一对一”以及“一对其它”两种方法。具体的问题举例如下：假设给定属于k类的m个训练样本（x1，y1）， （x2，y2），…， （xi，yi），其中xi（i=1，2，…，m） 代表系统的特征因素集，比如{μc1（u），μc2（u），μc3（u），μc4（u），μc5（u）}，yi？{1，2，…，k}代表分类标志，其中k=4。需要通过上述练样本建立分类函数f，确保未知样本x进行分类过程中错误率可以达到最小化。通常情况下，每一个样集均有k（k-1）/2个学习机，学习过程要选择“最大赢分”的模式。若此时学习机的训练结论表示测试样本x是属于第i类的满意度，那么对于第i类满意度的分数要加1；否则便对第j类的满意度分数加上1，最后的结论要通过具有最大分数类为x的满意度进行决定。

因为支持向量机法是通过灵活地引入了核函数从而达到非线性分类的目的，而且可以平衡经验风险和函数集容量间的关系，所以，支持向量机法可避免过拟合现象的发生，其推广空间是巨大的。另外，支持向量机法仅仅需要少量的训练样本便可以获取较低的检测错误率。支持向量机法性能的好坏直接取决于核函数，经常使用的核函数有高斯核与多项式、核线性核与感知器核等等。以下是采用支持向量机方法对70组、5种特征因素、4种传动形式的样本集进行6个分类器的训练，训练流程图见图1。

2.2 三级模糊综合评判法

机械传动系统方案受到不同的属性、不同的因素影响，评价过程中一定要进行充分的考虑。但是部分的因素模糊性较强，因此，评判过程中会涉及到模糊因素，此类的评判便称作模糊综合评判。所谓的模糊综合评判指的是通过模糊变换原理综合考量评价目标。机械传动系统方案设计过程中，由于需要考虑的因素相对较多，并且不同因素之间还存在层次之分，大多数因素还存在较为强烈的模糊性，为了能够对系统中事物间的优劣次序进行比较，确定具有实际价值的评判结果，所以，可选择三级模糊综合评判进行评价。该评价方法首先对一个因素的不同等级进行综合评判，从而实现单因素评判，其次将评判结果作为每一类的综合评判，将确认的结果再次进行类与类间的综合评判。

机械传动系统方案采用三级模糊综合评判时，引入了因素子集、因素以及因素等级三层结构，与此同时，克服了因素的模糊性以及权分配的问题，所以，确保了对于因素的状态以及重要程度的确定可以满足客观实际的要求。评判过程中涉及到了隶属度与权数，所以，是离不开人的主观因素，但是由于选择三级模糊评判，一定程度上降低了人的主观因素所产生的影响，确保评判结果满足准确性的要求。机械传动系统方案设计过程中，分析评价系统里存放三级模糊综合评判模型，该评价模型能够对不同因素的影响进行全面考虑，作出的评判与实际是相符的，对于提高专家水平是非常有意义的。

2.3 未确知测度模型法

根据国内外相关研究成果，可以发现，有文献涉及到了一种全新的评价方法，这种方法根据建立未确知测度模型，综合评价多目标机械设计方案，对于科学决策提供必要的理论依据。未确知测度模型主要包含了部分关键性问题，比如：单指标测度和单指标测度矩阵、多指标综合测度评价矩阵、指标权重以及识别与排序等等。如何对上述这些关键性的问题进行处理，将直接影响到模型的准确性与可靠性。

2.4 基于熵权的模糊AHP法

通过相关文献可以发现：经典AHP法可以解决多层次机械传动方案评价架构等相关问题，可以作为传动系统方案评价的理论基础。但是经典AHP法也存在缺陷：解决模糊问题的过程中，对于尺度选择过分确切，与此同时，在评价的过程中，决策者不可以对模糊问题的含义进行精确把握，导致在实际操作过程中无法变通处理问题。不仅如此，经典AHP法处理时，人为参与的程度较多，具体人的主观差异较大，所以，确定结果；会体现出较多的人为因素，从而致使结论的误差相对较大。而基于熵权的AHP法在对模糊数与熵权进行合理定义的基础之上，通过分析比较具体性能指标分值，选择基于对称三角模糊数从而实现判断因素矩阵的尺度匹配，最后，选择模糊区间运算对总的模糊判断矩阵与熵权进行计算。

3 结束语

在建立机械传动系统评价模型时，上述四种方法各有各的特点。选择模糊的综合评价方法对于机械传动方案进行评价，可以对全部主要的影响因素做出全面而定量的分析，能够客观有效的对较为合理与满意的方案进行选择，其不仅适用于机械传动方案的选择，也可以用于其余方案的选择与评价，所以，模糊综合评价法在机械传动系统设计中的应用也越来越广泛。

参考文献

[1] 彭文生，李志明，黄华梁.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 谢庆生，罗延科，李屹.机械工程模糊优化方法[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3] 黄华梁，赵小莲，李小周.甘蔗压榨机系统可靠性的失效模式影响模糊评估分析[J].中国机械工程，2002，19（10）：1669-1672.

[4] 陈 炜，林忠钦，杨继昌，仲志刚.汽车覆盖件拉延模型面设计质量模糊综合评判[J].中国机械工程，2002，2（1）：175-177.

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关键词：旋转编码器；结构设计；光学设计；频率响应

中图分类号：TN762

编码器是一个机械与电子紧密结合的精密测量器件，它通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转化为电子信号（电子脉冲信号或者数据串）。这种电子信号通常需要连接到控制系统（PLC、高速计数模块，变频器等），控制系统经过计算便可以得到测量的数据，以便进一步工作。编码器一般应用于机械角度，速度，位置的测量。

1 正余弦编码器设计

永磁同步电动机无齿轮传动变频调速驱动方式将成为电梯驱动技术的主要发展方向。经国家中小型电机检测中心的检测，永磁同步电动机的效率是96.4%，功率因素是0.99。要让永磁同步电机运行时达到高效的指标参数，变频器给电机定子绕组加的电磁场必须与电机转子的永磁体磁场垂直正交，因此需要高精度的旋转编码器实时跟踪电机永磁场的初始位置。这是与传统的异步电机所不同的。

目前，国内永磁同步电机上所用的旋转编码器为德国海德汉所垄断，企业使用成本很高，且商备货周期长。由于部件为进口件，售后服务也很难保证。该编码器的设计根据ERN1387及控制系统接口，确定编码器关键设计技术指标，预期替代海德汉1387编码器。

1.1 光学设计

LED光源采用honeywell SE3407发光管（波长880nm），光斑直径：11mm。光电转换单元采用2CU2光电管（拟用韩国KODENSHI替代）。圆光栅、指标光栅采用1.1mm浮法玻璃镀铬膜。如图1所示。

图1 光学设计方案

A、B信号由指标光栅和圆光栅之间的漠尔条纹产生正弦波。C、D信号由圆光栅上透光能量按照正弦变化的透光区产生。R信号由按照10条零线按照一定的规则排布组成条纹，当两条纹完全重合时产生信噪比为5：1的零线信号。

图2 光栅设计方案

圆光栅栅距是62.8?m，采用1.1mm厚浮法玻璃，非透光区镀铬膜刻线数为2048。指标光栅设计：AB码道栅线粗31.4?m。C、D狭缝角格值：2°。零线粗：45.3?m零区宽：1.54mm。信噪比：5：1。如图2所示。

1.2 电路设计

光电管反并联设计，有效抑制谐波；CD信号双函数码道设计，定位更精准；通过EEPROM软件设定幅值、相位、偏移电压等；差分输出，抗干扰强，易于信号传输。如图3所示。

图3 电路设计方案

1.3 技术指标测试

本编码器与海德汉编码器波形质量对比如表1。

除以上对比项差异外，其它技术指标均与海德汉相同。

2 结束语

该编码器设计技术方案与海德汉技术相近，样机性能满足电梯系统的应用要求；最高工作温度指标需改进提高。工艺直接决定性能，需寻求专业工艺设计。AB信号“抖动”，需用高倍电子显微镜提高光栅与轴心同心度，建议联轴节部分可以先开模具，以便进行联轴节疲劳试验。

参考文献：

[1]赵林军.流水线CORDIC算法的FPGA实现[J].电脑知识与技术，2008（30）：716-717.

[2]王梦源，王书省，陈星.流水线双模CORDIC算法的FPGA实现[J].电子测量技术，2007（30）：184-185.

[3]Andraka R.A Survey of CORDIC Algorithms for FPGA Based Computers[C].FPGA1998.ACM/SIGDA Interna―tional Symposium on Field Programmable Gate Arrays.Monterey，CA，USA：ACM，1998.

[4]易孟林.现代控制工程[D].华中科技大学机械学院，2005.

作者简介：吴红梅（1981-），女，浙江金华人，讲师，从事应用电子及编码技术。

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机械优化设计概念

机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术，为机械设计提供了一种可靠高效的科学设计方法，使设计者由被动地分析、校核进入主动设计，能节约原材料，降低成本，缩短设计周期，提高设计效率和水平，提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视，并开展了大量工作，其基本理论和求解手段已逐渐成熟。并且它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过有效的实验数据和科学的评价体系来从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益。那就让我们关注机械优化设计中那些重要的量。

解决优化设计问题的一般步骤

解决优化设计问题的一般步骤如下：

机械设计问题――建立数学模型――选择或设计算法――编码调试――计算结果的分析整理

优化设计中数学模型的建立

a设计变量

在最优化设计过程中需要调整和优选的参数，称为设计变量。设计变量是最优化设计要优选的量。最优化设计的任务，就是确定设计变量的最优值以得到最优设计方案。但是每一次设计对象不同，选取的设计变量也不同。它可以是几何参数，如零件外形尺寸、截面尺寸、机构的运动尺寸等；也可以是某些物理量，如零部件的重量、体积、力与力矩、惯性矩等；还可以是代表工作性能的导出量，如应力、变形等。总之，设计变量必须是对该项设计性能指标优劣有影响的参数。

b约束条件

设计空间是一切设计方案的集合，只要在设计空间确定一个点，就确定了一个设计方案。但是，实际上并不是任何一个设计方案都可行，因为设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件。在最优化设计中，这种对设计变量取值时限制条件，称为约束条件，而约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，而优化设计问题大多数是约束的优化问题。针对优化设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法进行分类，约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量自由的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。

c目标函数

在优化设计过程中，每一个变量之间都存在着一定的相互关系着就是用目标函数来反映。他可以直接用来评价方案的好坏。在优化设计中，可以根据变量的多寡将优化设计分为单目标优化问题和多目标优化问题，而我们最常见的就是多目标函数优化。

一般而言，目标函数越多，设计的综合效果越好，但问题求解复杂。在实际的设计问题中，常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究，至今还没有单目标函数那样成熟

优化设计理论方法

优化准则法对于不同类型的约束、变量、目标函数等需导出不同的优化准则，通用性较

差，且多为近似最优解；规划法需多次迭代、重复分析，代价昂贵，效率较低，往往还要求目标函数和约束条件连续、可微，这都限制了其在实际工程优化设计中推广应用。因此遗传算法、神经网络、粒子群算法、进化算法等智能优化法于20世纪80年代相继提出，并且不需要目标函数和约束条件的导数信息，就可获得最优解，为机械优化设计提供了新的思路和方法，并在实践中得到成功应用。

a遗传算法

遗传算法起源于20世纪60年代对自然和人工自适应系统的研究，最早由美国密歇根大学Holland教授提出，是模拟生物化过程、高度并行、随机、自适应的全局优化概率搜索算法。它按照获得最大效益的原则进行随机搜索，不需要梯度信息，也不需要函数的凸性和连续性，能够收敛到全局最优解，具有很强的通用性、灵活性和全局性；缺点是不能保证下一代比上一代更好，只是在总趋势上不断优化，运行效率较低，局部寻优能力较差。

b神经网络法

神经网络是一个大规模自适应的非线性动力系统，具有联想、概括、类比、并行处理以

及很强的鲁棒性，且局部损伤不影响整体结果。美国物理学家Hopfield最早发现神经网络具有优化能力，并根据系统动力学和统计学原理，将系统稳态与最优化态相对应，系统能量函数与优化寻优过程相对应，与Tank在1986年提出了第一个求解线性优化问题的TH选型优化神经网络。该方法利用神经网络强大的并行计算、近似分析和非线性建模能力，提高优化计算的效率，其关键是神经网络的构造，多用于求解组合优化、约束优化和复杂优化。近些年，神经网络法有较大发展，Barker等将神经网络用于航空工程结构件的优化设计。

c粒子群算法

Kennedy和Ebehart于1995年提出了模拟鸟群觅食过程的粒子群法，从一个优化解集开始搜索，通用个体间协作与竞争，实现复杂空间中最优解的全局搜索。粒子群法与遗传算法相比，原理简答、容易实现、有记忆性，无须交叉和变异操作，需调整的参数不多，收敛速度快，算法的并行搜索特性不但减小了陷入局部极小的可能性，而且提高了算法性能和效率，是近年被广为关注和研究的一种随机起始、平行搜索、有记忆的智能优化算法。目前，粒子群算法已应用于目标函数优化、动态环境优化、神经网络训练等诸多领域，但用于机械优化设计领域研究还很少。

d多目标优化法

功能、强度和经济性等的优化始终是机械设计的追求目标，实际工程机械优化设计都属于多目标优化设计。多目标优化广泛的存在性与求解的困难性使其一直富有吸引力和挑战性，理论方法还不够完善，主要可分为两大类：①把多目标优化转化成一个或一系列单目标优化，将其优化结果作为目标优化的一个解；②直接求非劣解，然后从中选择较好的解作为最优解。具体有主要目标法、统一目标法、目标分层法和功效系数法。

优化设计方法的评价指标

根据优化设计中所以解决问题的特点，选择适当的优化方案是非常关键的。因为解决同

一个问题可能有多种方法，而每一种方法也有可能会导致不同的结果，而我们需要的是可以更加体现生产目标的最优方案。所以我们在选择方案时一定要考虑一下四个原则：

a效率提高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。

b可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下，在一定迭代次数内或一定计算时间内，求解优化问题的成功率要尽可能地高。

c采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序，以使解题简便并且不容易出错。

d稳定性要高。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。

另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函

数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。

结论

机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的

优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破，且优化设计思路不断的开阔。总之，每一种优化设计方法都是针对某一类问题而产生的，都有各自的特点，都有各自的应用领域，机械优化设计就是在给定的载荷和环境下，在对机械产品的性能、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值得一种新的设计方法，其方法多样依据不同情形选择合理的优化方法才能更简便高效的达到目标。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。所以机械优化设计的研究必须与工程实践、数学、力学理论、计算机紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。

参考：

[1]白新理.结构优化设计[M]. 河南：黄河水利出版社，2008.

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关键词：机构组合；机械原理；实验；机械系统

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2014）22-0175-02

随着我国由“制造大国”向“制造强国”转变的历史性跨越，高校的实践教学愈加受到广泛的重视[1，2]。而对于培养目标为“培养具有社会责任感、基础扎实、知识面宽、富有创新精神与实践能力的应用型高级专门人才”和“以工为主，以轨道交通为特色”的大学来说，逐步将演示性、验证性实验改变为综合性、设计性实验，以强化对学生的机械综合设计能力、实践动手能力及工程意识、创新意识与创新能力的培养，更是迫在眉睫。

一、问题的提出

《机械原理》课程是工科机械类各专业的一门承上启下的重要技术基础课，在学生从理论学习到实际设计的转化过程中起到重要的桥梁作用。该课程的任务是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。由此可见，实验教学在整个机械原理课程的教学体系中，具有十分重要的地位，除了能使学生巩固和加深对理论知识的认识与理解外，更是理论结合实际、提高学生的动手能力、启迪学生的创新思维的必要手段。以往传统的机械原理实验项目多为《机构运动简图测绘》、《渐开线齿廓范成原理》和《回转件的动平衡》等验证性实验。经过近几年的努力，实验室研发了《平面连杆机构设计实验》，为开创设计性实验探索了道路。为了进一步深入开展综合性、设计性实验的设计、开发与实践，课题组研发了此项机构组合设计与搭接实验。

二、实验的目的及任务

设计性、综合性实验――《机构组合设计实验》的训练内容涉及常用机构、组合机构设计与分析、机械系统方案设计等，该实验的目的为：

1.培养学生机构运动方案的构思与设计，提高其综合利用所学知识解决实际问题的能力和动手能力；

2.通过对实际工程问题的机构设计及搭接，加深学生对机构运动特性、运动干涉等问题的理解，培养学生观察问题、发现问题的能力；通过实验的多方案设计培养发散思维和创新设计能力；

3.培养学生协作能力及团队精神。此项实验的任务可根据学生理论知识掌握程度，自选或指定以下机构之一：内燃机机构；精压机机构；牛头刨床机构；齿轮―曲柄摇杆机构；齿轮―曲柄摆块机构；双滑块机构插床机构；筛料机构；凸轮―五杆机构；间歇运动组合机构等。

实验以学生为主，构思2～3个可行方案，比较各方案优缺点；对优选方案进行详细设计，绘制机构运动简图，进行实物搭接和试运转；在老师引导下学生发现所搭接机构的不足之处，并提出改进措施。

三、实验原理、方法与步骤

1.实验装置。实验选用湖南长庆机电科教有限公司生产制造的CQJP―D机构运动创新设计方案实验台为实验装置：

①实验台机架（如图1所示）：

②实验台组件：该试验台组件涵盖了机械原理课程中讲到的各种机构的典型构件：连杆和滑块、齿轮和齿条、凸轮、槽轮和拨盘等，如图2所示。另外还提供了用于连接、固定和锁紧等辅助功能的组件：复合铰链、主/从动轴、铰链支座、压紧螺栓、层面限位套、高副锁紧弹簧、齿条护板等。

2.实验原理。机构具有确定运动的条件是其原动件的数目等于其所具有的自由度的数目。因此，如将机构的机架及与机架相连的原动件从机构中拆分开来，则由其余构件构成的构件组必然为一个自由度为零的构件组。而这个自由度为零的构件组，有时还可以拆分成更简单的自由度为零的构件组，将最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组（或阿苏尔杆组），简称为杆组[3]。由杆组定义，组成平面机构的基本杆组应满足条件：F=3n-2P1-Ph=0 式中：n为杆组中的构件数；P1为杆组中的低副数；Ph为杆组中的高副数。由于构件数和运动副数目均应为整数，故当n、P1、Ph取不同数值时，可得各类基本杆组。当Ph=0时，杆组中的运动副全部为低副，称为低副杆组。其F=3n-2P1=0，故n=2P1/3，故n应当是2的倍数，而P1应当是3的倍数，即n=2、4、6……，P1=3、6、9……。当n=2，P1=3时，基本杆组称为Ⅱ级组。Ⅱ级组是应用最多的基本杆组，绝大多数的机构均由Ⅱ级杆组组成。n=4，P1=6时的基本杆组称为Ⅲ级杆组。由上述分析可知，机构的组成原理为：任何平面机构都是由若干个基本杆组（阿苏尔杆组）依次联接到原动件和机架上而构成。此原理即为机构组合设计与搭接实验的基本原理。

3.实验的方法与步骤。①掌握平面机构组成原理；②熟悉实验中的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；③确定设计机构的类型，构思2至3个可行方案，比较各方案优缺点；④对优选方案进行详细设计，绘制机构运动简图；⑤将优选方案正确拆分成基本杆组；⑥正确拼接各基本杆组，将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上，进行实物搭接和试运转；⑦按要求完成实验报告。

此项实验从培养学生机构运动方案的构思和动手实践能力出发，能够使学生受到三个层次的训练：①掌握实验的基本技能，验证所学的理论，加深对所学知识的理解；②课程学习与工程实际结合，初步具有进行新型机构创新设计的能力；③鼓励学生自己结合有生产背景的实际课题提出设计目标，进行原理方案设计，在锻炼动手实践能力的同时，加强学生发现问题、分析问题和解决问题能力的培养。

参考文献：

[1]王汝贵，蔡敢为.两自由度可控机构动态性能实验装置研制[J].实验室研究与探索，2012，31（12）：3-5，11.

[2]蔡书平，桂亮.机械运动学与动力学实验教学应用研究[J].高校实验室工作研究，2012，（4）：47-49.

篇10

本实验设计方案评价：本实验在创新设计方案二的基础上作了改进，不用立方体小铁块而将挡光效果好、宽度相同的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门，测得各段黑色磁带通过光电门的时间，另外长度的测量比创新设计方案二和三更好操作，误差更小.当然本实验操作中也要控制好直尺竖直下落.

验证性实验高考复习建议

1.要明确实验思想

做好验证性实验的前提，就是要创设好物理情景，这就是验证性实验的实验思想.在验证机械能守恒定律的实验中，我们可以创设出多种物理情景，而其中让物体自由下落在中学实验室很容易做到，过程也简单.

2.要掌握实验方法

在教材的验证实验中，给我们提供了多种实验方法，而这些实验方法在我们研究探究性实验和设计性实验中经常会用到，因此，我们必须要掌握和灵活运用这些实验方法.

3.要重视实验的验证条件

物理规律的形成，通常会有一定的前提或必备条件，在验证性实验中必须要满足这些条件才能使实验顺利进行，而这一点恰恰是我们容易忽视或不注意的.在验证机械能守恒定律的实验中，“只有重力做功”是实验的验证条件，而实验中阻力的存在是不可避免的，阻力做功过大时，实验误差大，实验将失去意义，实验设计中要考虑到减小阻力.

4.要学会实验数据的处理

定量验证实验的数据处理通常采用代数计算法.如在验证机械能守恒定律实验时，根据计算求出增加的动能和减少的重力势能在“误差允许的范围内”是否相等来完成验证工作，定性的验证实验的数据处理通常采用图象法.