機(jī)械設(shè)計技巧挑戰(zhàn)的思考論文

　　機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)

　　17世紀(jì)和18世紀(jì)初葉是鐘表時代,18世紀(jì)末葉和19世紀(jì)是蒸汽機(jī)時代。機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展,出現(xiàn)了曲柄滑塊原理的內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)和水輪機(jī)等,實現(xiàn)了將柴油和汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;原煤的化學(xué)能經(jīng)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;水的動能和勢能轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能。這些技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中,誕生了機(jī)械設(shè)計課程。機(jī)械設(shè)計包括機(jī)械原理、機(jī)械零件和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計三部分內(nèi)容。機(jī)械原理討論機(jī)構(gòu)的設(shè)計、運動分析和動力學(xué)分析。機(jī)械零件部分討論機(jī)械零件的強(qiáng)度、剛度、振動穩(wěn)定性和耐磨性等設(shè)計方法,并且介紹機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計部分討論機(jī)械系統(tǒng)的動平衡、速度波動調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計等。機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計以上述三部分內(nèi)容為基礎(chǔ),對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)或革新。

　　1.機(jī)械原理。機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析是機(jī)械原理的核心內(nèi)容。常用的機(jī)構(gòu)有:連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、蝸桿結(jié)構(gòu)、摩擦輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)等。機(jī)構(gòu)的演變或創(chuàng)新方法有:機(jī)構(gòu)的組合、機(jī)構(gòu)的演繹、機(jī)構(gòu)的逆向設(shè)計以及新原理的應(yīng)用等。機(jī)構(gòu)組合是常用的設(shè)計方法,通過不同類型機(jī)構(gòu)組合或者同類型機(jī)構(gòu)的組合,得到實現(xiàn)運動軌跡的新組合機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的演繹是通過改變機(jī)構(gòu)的運動副、構(gòu)件幾何設(shè)計、機(jī)構(gòu)的變結(jié)構(gòu)等方法,獲得新的機(jī)構(gòu)設(shè)計。機(jī)構(gòu)的逆向設(shè)計,常用主動構(gòu)件和輸出構(gòu)件互換、增加或減少自由度數(shù)即原動件數(shù),來獲得新的機(jī)構(gòu)設(shè)計方案。機(jī)構(gòu)的運動分析和動力學(xué)分析,常用計算機(jī)輔助設(shè)計的方法來分析,以獲得運動軌跡、加速度和躍度的變化曲線。機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的基本內(nèi)容,也是對產(chǎn)品在較大程度上的革新。

　　2.機(jī)械零件。機(jī)械零件分為通用零件和專用零件。機(jī)械零件部分介紹的是各類通用零部件,包括連接零件、傳動零件、軸系零部件以及彈簧、機(jī)架和導(dǎo)軌等。連接零件有螺紋連接、銷、鍵和花鍵、過盈連接、膠接、焊接和鉚接等。傳動部分有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、摩擦輪傳動等。軸系部分有軸承和軸的設(shè)計,其中軸承有滑動軸承、滾動軸承、空氣軸承、電磁軸承和靜電軸承等。機(jī)械零件的設(shè)計是針對零件的失效形式來進(jìn)行的。首先由實踐確定機(jī)械零件的失效形式,然后選擇零件的材料和表面處理技術(shù),以抵抗其失效形式,再依據(jù)相應(yīng)的設(shè)計理論提出設(shè)計準(zhǔn)則和設(shè)計公式,最后是設(shè)計零件的所有結(jié)構(gòu)尺寸。另一方面,機(jī)械零件是物化的產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝性設(shè)計也是關(guān)鍵方面。機(jī)械零件的創(chuàng)新設(shè)計方法有變結(jié)構(gòu)的設(shè)計、組合設(shè)計以及采用新原理的設(shè)計等。

　　3.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。機(jī)械產(chǎn)品越來越復(fù)雜,組成機(jī)械產(chǎn)品的零件個數(shù)越來越多。機(jī)械系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容有動平衡、速度波動調(diào)節(jié)和分系統(tǒng)之間的匹配等。機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計,包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的設(shè)計。在計算技術(shù)發(fā)展后,針對系統(tǒng)層面出現(xiàn)了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)可靠性設(shè)計和系統(tǒng)摩擦學(xué)設(shè)計,并且在產(chǎn)品設(shè)計中得到應(yīng)用和推廣。隨著生態(tài)設(shè)計、全壽命周期設(shè)計、維修設(shè)計和自動化設(shè)計的發(fā)展,基于系統(tǒng)分析和計算仿真的設(shè)計軟件包日益增多。經(jīng)典的設(shè)計內(nèi)容都可以由軟件包來完成,然而對于新材料的機(jī)械零部件設(shè)計及其系統(tǒng)設(shè)計,仍需要理論和實驗的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,以獲得設(shè)計準(zhǔn)則和相應(yīng)的設(shè)計方法。

　　機(jī)械設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

　　我國的機(jī)械工程高等教育是從20世紀(jì)初開始的,落后于歐洲的第一次產(chǎn)業(yè)革命200余年。因此,我國的機(jī)械工程科學(xué)與技術(shù)距世界先進(jìn)水平有差距是有其歷史原因的。在改革開放后,國家的載人航天、高速鐵路和青藏鐵路等重大工程的建設(shè)推動了機(jī)械、電氣、信息和材料等學(xué)科技術(shù)的進(jìn)步,同時也促進(jìn)了不同學(xué)科的技術(shù)整合,以新的系統(tǒng)產(chǎn)品提供給消費者。然而,我國的工程教育歷史較短,仍有待借鑒國外先進(jìn)的工程教育經(jīng)驗和教育方法。目前,機(jī)械設(shè)計教學(xué)與產(chǎn)品設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)有創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、系統(tǒng)性的思維觀、新的科學(xué)原理帶來的挑戰(zhàn)等。

　　1.新材料帶來的挑戰(zhàn)。人類的發(fā)展史從某種意義上說也是人類利用和制造材料的歷史。隨著人們對石頭、銅及其合金、鐵及其合金、半導(dǎo)體材料的制造和使用,人類社會經(jīng)歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代和半導(dǎo)體時代。在上個世紀(jì)末,智能材料的發(fā)展非常迅速,例如壓電材料、磁致伸縮材料、光敏材料等,機(jī)敏材料正得到更多的應(yīng)用。在量子力學(xué)基礎(chǔ)上出現(xiàn)的新智能材料,將為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計提供更廣闊的空間。作為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計工程師,要時刻關(guān)注智能材料的進(jìn)展及其制備技術(shù)。納米材料作為一種介觀尺度的材料,已在納米潤滑添加劑方面得到工程應(yīng)用。另一方面,材料的成本與市場供應(yīng)也是產(chǎn)品設(shè)計階段需要考慮的內(nèi)容。新材料的發(fā)展與研制,為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計提供了更多的設(shè)計選擇,也同時使得以前不可實現(xiàn)的產(chǎn)品功能得以實現(xiàn)。生物材料及其仿生技術(shù)是新材料的發(fā)展方向之一,設(shè)計師應(yīng)關(guān)注這一方面的新進(jìn)展、新技術(shù)和制造過程,在較短時間內(nèi)將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計,為人們的安全、舒適的生活和健康提供新的產(chǎn)品。

　　2.信息科技帶來的挑戰(zhàn)。從信息論和控制論的誕生開始,人們就進(jìn)入了信息社會。計算技術(shù)的軟件、硬件和系統(tǒng)技術(shù),作為20世紀(jì)的標(biāo)志性進(jìn)展,以此為階梯,人們開始了信息社會的生產(chǎn)與生活。信息技術(shù)使得地球變成了地球村,各地信息及時傳遞與互享共用,改變著人們的生活方式、生產(chǎn)方式和思維習(xí)慣等。毫無疑問,我們已經(jīng)生活在信息社會里,信息技術(shù)對機(jī)械系統(tǒng)中的控制單元設(shè)計進(jìn)行了徹底的變革。產(chǎn)品的設(shè)計涉及功能、結(jié)構(gòu)、外部界面、用戶界面和成本五個方面。產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計方法很多,例如前蘇聯(lián)學(xué)者G.S.Altshuller提出了創(chuàng)新問題解決方法。無人車間、無人制造工廠不再是人們的向往,而是已經(jīng)成為現(xiàn)實。信息技術(shù)已經(jīng)提供了虛擬戰(zhàn)場、3D虛擬電影、虛擬產(chǎn)品模型、虛擬產(chǎn)品裝配等一系列產(chǎn)品和相關(guān)的技術(shù)。機(jī)械制造的核心,機(jī)床已經(jīng)是計算機(jī)控制的可編程設(shè)備,機(jī)械制造過程也已經(jīng)是柔性的可變制造系統(tǒng)的生產(chǎn)線�？梢灶A(yù)見,信息技術(shù)不僅會為人們的生活提供手機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)等,也將提供虛擬的生活體驗,例如虛擬的蹦極、虛擬侏羅紀(jì)公園等。信息科技對機(jī)械設(shè)計和機(jī)械制造的變革不會比電氣化革命帶來的少,而且更加深刻、更加深遠(yuǎn)。機(jī)械設(shè)計工程師要學(xué)習(xí)新的信息科學(xué)與信息技術(shù),用其革新機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計、機(jī)械制造過程和管理過程。

　　3.智能科學(xué)帶來的挑戰(zhàn)。21世紀(jì)是生命科學(xué)與技術(shù)的時代,生命的基本特征就是智能與生長。智能科學(xué)的發(fā)展與信息科學(xué)密切相關(guān),也可以說是以信息科技為基礎(chǔ)的。簡單智能產(chǎn)品,例如冰箱、空調(diào)等,已成為商用產(chǎn)品,而且新的更高智能程度產(chǎn)品也在日新月異的發(fā)展之中。基于信息技術(shù)的智能交通系統(tǒng)、公園導(dǎo)游系統(tǒng)、空中管制系統(tǒng)等產(chǎn)品已具雛形,隨著信息處理的高度智能化發(fā)展,這些信息管理系統(tǒng)也需不斷地升級。1956年到1961年可以說是AI研究的形成時期,卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院和IBM公司開始了AI的早期研究。1961年到20世紀(jì)80年代是AI成長期,80年代是其快速發(fā)展期,80年代后人工智能技術(shù)步入實用化成熟期。取得了國際象棋、口語識別、機(jī)器視角和專家系統(tǒng)等研究成果。

　　4.生態(tài)環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。隨著生產(chǎn)的規(guī)模擴(kuò)大,對自然資源的消耗日益嚴(yán)重,伴隨出現(xiàn)的環(huán)境污染也日益突出。在今天的生產(chǎn)發(fā)展階段,保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境的壓力更加突出。為了保護(hù)人類的生活環(huán)境,必須從產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造到產(chǎn)品回收循環(huán)利用的全周期,考慮產(chǎn)品的環(huán)境綠色性。產(chǎn)品供應(yīng)鏈的全球化、網(wǎng)絡(luò)化與節(jié)能設(shè)計,是新世紀(jì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計需要考慮的新問題。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計階段就很大程度上決定了產(chǎn)品的環(huán)境友好性。從材料選擇來說,應(yīng)采用材料種類更少的設(shè)計方案;從計算參數(shù)設(shè)計來看,應(yīng)提高功能參數(shù)與質(zhì)量之比,更大程度地發(fā)揮材料的性能;從結(jié)構(gòu)設(shè)計來說,應(yīng)盡可能地循環(huán)利用報廢機(jī)器的零件,或者通過最低成本的再制造,然后循環(huán)利用零部件;在功能設(shè)計來說,應(yīng)盡可能發(fā)揮產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)思,提供更多、更便捷、更低成本的功能實現(xiàn)方案。如此等等,在整個產(chǎn)品設(shè)計階段貫徹生態(tài)設(shè)計的理念,為保護(hù)自然環(huán)境和最大效能利用資源做出努力。

　　小結(jié)

　　機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計必需解決新發(fā)展的挑戰(zhàn),新材料、信息技術(shù)、智能科學(xué)與生態(tài)環(huán)境等帶來的將是長期面臨的新問題。機(jī)械設(shè)計的發(fā)展是個動態(tài)的吐故納新過程,只要我們睜開眼睛、敞開胸懷,以前期的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度和剛度設(shè)計、可靠性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和摩擦學(xué)設(shè)計等知識為基礎(chǔ),必將在新的世紀(jì)中創(chuàng)造出更多更好的新產(chǎn)品。