机械设计措施与原理

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目前，计算机辅助产品的设计计算、设计绘图、生产规划、加工制造已得到了比较广泛和深入的研究，并取得初步成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，根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。我国设计者在进行产品方案设计时，基本上沿用了德国标准设计方式。另外，还借鉴了其他发达国家的系统化设计思想，如下：

(1)产品功能特征构思、结构设计和零件设计等都来源于用户的需求，具体设计时，利用质量功能布置方法从产品开发的宏观过程出发，系统地将用户需求信息合理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)借助于生命系统理论，将产品看作有机体的生命系统，就是产品的设计过程可以看成：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，产品的功能要求由生命系统图符抽象地表达，形成产品功能系统结构。

(3)将系统科学的应用(机械设计中)分为两个问题：

(1)应用系统处理的方法处理所设计的产品，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；

(2)为了根据设计目标，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，可将产品设计过程看成一个系统。

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。结构模块化设计方法的基本要求是：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，不同的产品可以通过选择和组合这些模块化基本结构组建而成。

3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。目前，利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计是智能化设计方法的主要途径，因其直观性好而被用户接受。但其系统性较差，且零部件的结构、形状，尺寸，位置的台理确定，要求软件具有较高的智能化程度，一般有丰富经验的设计者可以熟练应用。虚拟现实技术在我国还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，主要是研究按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察。利用智能型CAD系统SIGRAPH—DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件sIGRAPH—DEsIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

4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。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：编码法、知识的混合型表达法，设计目录法、利用基于知识的开发工具、基于实例的方法等。采用纯数学演算的方法无法正常对机械产品的方案设计进行描述，也难以用数学模型进行完整的描述。机械产品的方案设计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，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，是实现计算机辅助产品的方案设计的必然之路。由此，形成了基于产品特征知识的设计方法。

上述各种方法各类方法之间都存在一定程度上的联系，并不是完全孤立的。如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法。此外，方案智能化设计的基础之一是基于产品特征知识的设计。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

计算机辅助实现、智能化设计是现代机械产品方案设计的发展方向，并向满足异地协同设计制造需求的方向迈进。由于有关产品方案设计方面的计算机实现方法研究起步较晚，目前还没有成熟的方案设计工具软件。作者认为，要想长足智能化设计，将上述四种类型设计方法综合应用是达到这一目标有效途径，虽然这些方法的综合运用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，希望同行们能共同努力，实现智能化方案设计新的突破。