02第2章機(jī)械設(shè)計(jì)概論

1、第2章機(jī)械設(shè)計(jì)概論機(jī)械工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要基礎(chǔ)之一，幾乎涉及所有的領(lǐng)域和部門(mén)。現(xiàn)代機(jī)械設(shè) 計(jì)與生命科學(xué)、信息技術(shù)、材料科學(xué)等一樣，是21世紀(jì)的主要研究和發(fā)展方向?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)備包括宇宙飛船、智能機(jī)械人、全（半）自動(dòng)工作機(jī)械設(shè)備、全（半）自動(dòng)加工機(jī)械設(shè) 備以及全（半）自動(dòng)控制動(dòng)力機(jī)械設(shè)備等等，它們雖然是多學(xué)科綜合發(fā)展的結(jié)果，但機(jī)械 的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是功不可歿的。機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維方法是所有機(jī)械設(shè)備完善、發(fā)展的第一步， 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用使創(chuàng)新思維得以實(shí)現(xiàn)。2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般過(guò)程機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械設(shè)計(jì)是指創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)具有預(yù)期功能的新產(chǎn)品（設(shè)備和機(jī)械）或改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品， 使其具有新性能的過(guò)程

2、。機(jī)械產(chǎn)品的功能、成本，在很大程度上取決于設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量。因此，不論是設(shè)計(jì)新 產(chǎn)品，還是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，設(shè)計(jì)人員都必須以嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的態(tài)度對(duì)待 設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)細(xì)節(jié)，科學(xué)縝密的思考，周全細(xì)致的校核。物美價(jià)廉是產(chǎn)品獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的先決條件，低性價(jià)比是 產(chǎn)品的生命力所在，也是設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的基本要求。1. 盡管機(jī)械的類型很多，形狀千差萬(wàn)別，功能各不相同，但設(shè)計(jì)的基本要求大致相 同，主要有以下幾方面：2. 功能性要求所謂功能，是被設(shè)計(jì)機(jī)械的功用和性能指標(biāo)，是機(jī)械設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的機(jī)械 必須能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能、滿足運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的要求，并在規(guī)定的工作條件下、

3、規(guī)定 的工作周期內(nèi)正常運(yùn)行。為此，要正確選擇機(jī)械的工作原理，科學(xué)設(shè)計(jì)或選用原動(dòng)機(jī)、傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，合理配置機(jī)械的輔助系統(tǒng)。3. 一般機(jī)器的預(yù)定功能要求包括：運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能、基本技術(shù)指標(biāo)及外形結(jié)構(gòu)、 尺寸等萬(wàn)面。4. 可靠性要求機(jī)械在預(yù)定工作期限內(nèi)必須具有一定的可靠性，機(jī)器的可靠性用可靠度R衡量。機(jī)械的可靠度是指機(jī)械在規(guī)定期限內(nèi)和規(guī)定工作條件下，無(wú)故障地完成規(guī)定功能的概率。而機(jī) 械在規(guī)定期限內(nèi)和條件下不能完成規(guī)定功能的概率則稱為不可靠度，或稱破壞概率，用F表示。顯然，可靠度與破壞概率間應(yīng)滿足R =1 - F5. 提高機(jī)械可靠度的關(guān)鍵是提高其組成零、部件的可靠度。從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度，可 通

4、過(guò)確定適當(dāng)?shù)目煽啃运剑?jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)目，選擇標(biāo)準(zhǔn)件及選擇等可 靠度零件，合理設(shè)計(jì)機(jī)器中的組件和部件，以及選取較大安全系數(shù)等措施，提高 機(jī)器的可靠度。6. 經(jīng)濟(jì)性要求機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中，包括設(shè)計(jì)制造經(jīng)濟(jì)性和使用經(jīng)濟(jì) 性，即制造成本和運(yùn)行成本。設(shè)計(jì)制造經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為機(jī)械的成本低；使用經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為高 生產(chǎn)率、高效率、較低的能源與材料消耗，以及較低的管理和維護(hù)費(fèi)用等。設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)應(yīng) 最大限度的考慮其經(jīng)濟(jì)性。7. 考慮經(jīng)濟(jì)性的要求有：合理選擇零件的材料；合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，使之具有良好 的工藝性和適當(dāng)?shù)木?；加工時(shí)，裝夾設(shè)備簡(jiǎn)單；機(jī)械在使用過(guò)程中便于維護(hù)和 保養(yǎng)等。在機(jī)械設(shè)計(jì)

5、中盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，既可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、保證互換性、便于安 裝和修配，又有利于保證零件的質(zhì)量及降低成本。8. 安全性和社會(huì)性要求在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，必須注意操作者的人身安全，加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)，改善使用條件和減 輕勞動(dòng)強(qiáng)度，使操作者在安全舒適的環(huán)境工作。具體措施有：1）對(duì)外露的運(yùn)動(dòng)零件加設(shè)防護(hù)罩。設(shè)置保險(xiǎn)、報(bào)警裝置以消除和避免不正確操作引 起的危害；操縱應(yīng)簡(jiǎn)便省力，簡(jiǎn)單而重復(fù)的勞動(dòng)要利用機(jī)械本身的機(jī)構(gòu)完成。2）降低機(jī)械工作時(shí)的振動(dòng)與噪音。防止有毒、有害物質(zhì)的滲漏；治理廢水、廢氣、 廢液，美化機(jī)械的外表，使設(shè)計(jì)的機(jī)械符合勞動(dòng)法規(guī)的要求。9. 新設(shè)計(jì)的機(jī)械應(yīng)具有前瞻性、符合新時(shí)代的社會(huì)要求。在滿足前幾項(xiàng)要求的基

6、礎(chǔ) 上，應(yīng)力求其造型美觀大方、精巧流暢、色彩明快、雅致，賞心悅目，尤其應(yīng)滿 足環(huán)保的“綠色”要求，盡量降低噪音、振動(dòng)，減少?gòu)U氣、廢液和粉塵排放，避 免對(duì)環(huán)境的污染，各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家的相關(guān)規(guī)定。同時(shí)盡量預(yù)測(cè)到機(jī)器報(bào) 廢后的處理，各個(gè)部件都有合理的處理方法，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。10. 其他特殊要求有些機(jī)械還有特殊的要求。如食品機(jī)械必須保持清潔、不能污染產(chǎn)品；機(jī)床必須能長(zhǎng) 期保持精度；飛機(jī)必須質(zhì)量小、飛行阻力小等。設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足前述共同的基本要求， 還應(yīng)滿足其特殊要求。應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，力求選擇各項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)定最優(yōu)者。機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)通過(guò)分析、綜合與創(chuàng)新獲得滿足某些特

7、定要求和功能的機(jī)械系統(tǒng) 的過(guò)程。設(shè)計(jì)一種新的機(jī)械產(chǎn)品是一項(xiàng)科學(xué)、復(fù)雜、細(xì)致的工作。其科學(xué)性在于它必須符 合現(xiàn)已證實(shí)的各學(xué)科的公理、定理及實(shí)踐證實(shí)的一些常識(shí)，同時(shí)，又必須有前瞻性，使新 設(shè)計(jì)的機(jī)械在一段時(shí)間內(nèi)有其用武之地，能發(fā)揮作用，具有社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。通常機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為五個(gè)階段，見(jiàn)表2-1。表2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程階段程序要求I .規(guī)劃1.根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，提出設(shè)計(jì)任務(wù)；2.進(jìn)行可行性研究；3.編制設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)；提出可行性報(bào)告和設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)n.方案設(shè)計(jì)1.機(jī)器功能的綜合分析；2.提出原理性的設(shè)計(jì)方案；3.進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合評(píng)定；4.擇優(yōu)選取，確定決策。提出最佳的原料型設(shè)計(jì)方案一原理圖和機(jī)構(gòu)

8、運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（即傳動(dòng)系統(tǒng)圖）皿.技術(shù)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)并繪制總體機(jī)構(gòu)草圖2.進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析；3.繪制總機(jī)裝配圖和部件裝配圖，繪制電路系統(tǒng)圖和潤(rùn)滑1.提出總裝配圖部件裝配圖和電路圖潤(rùn)滑等系統(tǒng)圖；系統(tǒng)圖等相關(guān)圖；4.設(shè)計(jì)并繪制零件圖；5.編制技術(shù)文件。2.提出零件圖、計(jì)算說(shuō)明書(shū)使用說(shuō)明書(shū)外 購(gòu)零件明細(xì)表工藝文件等。IV .樣機(jī)試制1.樣機(jī)試制及試驗(yàn)，進(jìn)行綜合性能的測(cè)試；2.報(bào)批投產(chǎn)。1. 提出樣機(jī)試制和試驗(yàn)報(bào)告；2. 提岀申報(bào)投產(chǎn)報(bào)告、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)報(bào)告。V.跟蹤反饋1. 收集市場(chǎng)及用戶反饋信息；2. 提出完善設(shè)計(jì)建議和新一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品完善改進(jìn)，同時(shí)提出產(chǎn)品性能造 型、的新要求，為下一代新產(chǎn)品做

9、好準(zhǔn)備。表2-1中介紹的只是一個(gè)直線鏈的設(shè)計(jì)流程。實(shí)際上，在論證、校核、評(píng)價(jià)及選擇的 過(guò)程中，都有改進(jìn)原設(shè)計(jì)方案甚至推翻原方案進(jìn)行再設(shè)計(jì)的可能。因此。在每個(gè)設(shè)計(jì) 階段中或在各設(shè)計(jì)階段之間，都有反復(fù)再設(shè)計(jì)的循環(huán)鏈?zhǔn)降脑O(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)是一 個(gè)創(chuàng)新、變革的過(guò)程，是一個(gè)各階段緊密相連、缺一不可的過(guò)程。1. 規(guī)劃階段設(shè)計(jì)任務(wù)是一種市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)需求。在設(shè)計(jì)新機(jī)器前，必須進(jìn)行科學(xué)的市場(chǎng)調(diào)研，從實(shí)踐 中找到設(shè)計(jì)任務(wù)，也可由用戶或生產(chǎn)制造商直接提出，應(yīng)盡可能具有前瞻性。切實(shí)可行地 提出設(shè)計(jì)任務(wù)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究，提出評(píng)價(jià)報(bào)告。詳見(jiàn)表 2-2。表2.2可行性研究?jī)?nèi)容和要求步驟研究?jī)?nèi)容目標(biāo)機(jī)會(huì)研究論證

10、產(chǎn)品原理是否先進(jìn)可行，與科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的 關(guān)系，確定是否值得投資。論證投資方向，確定是否投資。初步研究較全面地研究產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性、社會(huì)實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，較 精細(xì)地進(jìn)行成本和投資計(jì)算，做出經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。作經(jīng)濟(jì)效益初步評(píng)價(jià)。詳細(xì)研究對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)（包括技術(shù)水平、技術(shù)趨勢(shì)、生產(chǎn)工藝與技術(shù)現(xiàn)狀 的適應(yīng)性、產(chǎn)品的生命期等）、經(jīng)濟(jì)（成本、投資金額、資金籌措、 利潤(rùn)、償還期等）、社會(huì)問(wèn)題（是否存在污染、是否符合技術(shù)政策 等）、工程條件（原材料來(lái)源、燃料來(lái)源、配套件和協(xié)作件的供應(yīng) 等）、市場(chǎng)條件（目前市場(chǎng)需要量、預(yù)測(cè)市場(chǎng)需要量、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力、銷(xiāo)售比例等）進(jìn)行詳細(xì)研究，進(jìn)行多方案比較。對(duì)產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)因

11、素工程條件市場(chǎng)條件等進(jìn)行詳細(xì)研究并作比較。評(píng)價(jià)研究對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題、工程條件、市場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，做出最后結(jié)論提出一個(gè)認(rèn)為最佳的方案，或提出幾個(gè)方案 陳述利弊供決策者決定，或結(jié)論為“不可行”如可行性研究報(bào)告的結(jié)論是可行的，則將其完善并提出具體的、詳盡的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。詳見(jiàn)表2-3。表2.3設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)內(nèi)容參考表運(yùn)動(dòng)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)形式、方向、轉(zhuǎn)速、變速要求、加速度等；動(dòng)力特性：能源種類、功率、轉(zhuǎn)矩、效率、產(chǎn)品功能載荷方向及性質(zhì)等；材料：主要零部件的材料特性及材料供應(yīng)等；信號(hào)：壓力、溫度、電流、電壓等測(cè)量方法，控制要求、精度要求等。經(jīng)濟(jì)體積尺寸（長(zhǎng)、寬、高）重量要；生產(chǎn)率；最高允許成本、生產(chǎn)批

12、量。制造加工：公差、表面粗糙度、特殊加工條件、專用加工設(shè)備等；檢驗(yàn)：測(cè)量和檢驗(yàn)的儀器和檢驗(yàn)方法等；裝配：裝配要求，地基要求和安裝現(xiàn)場(chǎng)要求等。使用使用對(duì)象、年限、環(huán)境、可靠度要求；安全、過(guò)載保護(hù)裝置等；環(huán)境要求：噪音標(biāo)準(zhǔn)，廢氣、廢液等排 放要求，特殊環(huán)境等；人機(jī)學(xué)要求：操縱、控制、照明、維護(hù)等；工藝美學(xué)要求：外觀、色彩、造型等。期限設(shè)計(jì)完成日期、研制完成日期、供貨日期等。2. 方案設(shè)計(jì)階段在機(jī)械設(shè)計(jì)程序中，方案設(shè)計(jì)是具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵階段，又稱為功能原理設(shè)計(jì)階段。產(chǎn)品的功能是指產(chǎn)品的用途和功用。設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)首先分析其功能。通常，一臺(tái)機(jī)器總是 由若干個(gè)部件組成，它的功能可以分解為各個(gè)部件的分功能，

13、而分功能還可以分解為若干 個(gè)更小的功能單位，稱之為功能元。每個(gè)功能元通?？捎啥喾N原理予以實(shí)現(xiàn)，也有多種解 決方案。機(jī)械系統(tǒng)主要由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和信息處理控制系統(tǒng)所組成。每個(gè)系統(tǒng) 都由若干子系統(tǒng)組成，完成相應(yīng)的功能。實(shí)現(xiàn)這些功能都有許多原理可應(yīng)用，在諸多方案 中擇優(yōu)選擇。具體步驟詳見(jiàn)表 2-4。表2.4方案設(shè)計(jì)內(nèi)容步驟設(shè)計(jì)內(nèi)容階段成果目標(biāo)分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行功能分析，做出工藝動(dòng)作的分解，明確各個(gè)工藝動(dòng)作的工作原理?？傮w方案示意圖創(chuàng)新構(gòu)思根據(jù)各工藝動(dòng)作的工作原理， 構(gòu)思執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案， 包括對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律 設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（草圖）

14、方案擬定擬定總體方案，進(jìn)行執(zhí)行系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和原動(dòng)機(jī)的選擇及其基本參數(shù)設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖方案評(píng)價(jià)對(duì)各可行方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、力分析及有關(guān)計(jì)算，作模擬設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以進(jìn)行功能、性能 評(píng)價(jià)和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)報(bào)告方案決策在方案評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，從可行方案中擇優(yōu)，從而確定其總體設(shè)計(jì)方案，編寫(xiě)總體方案設(shè) 計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖和計(jì)算說(shuō)明書(shū)3. 技術(shù)設(shè)計(jì)階段方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖類似機(jī)器的骨架，必須使其具體化，設(shè)計(jì)出具有實(shí)際意義的總體結(jié)構(gòu)圖，即裝配圖。進(jìn)一步拆分出各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元（部件）和制造單元（零件）。具體設(shè)計(jì)步驟見(jiàn)表2-5。表2.5技術(shù)設(shè)計(jì)一般步驟步驟名稱設(shè)計(jì)內(nèi)容階段成果確定原動(dòng)機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，兼顧經(jīng)濟(jì)性、可靠性、

15、穩(wěn)定性、運(yùn)輸安裝、管理維修等因素，確定原 動(dòng)機(jī)類型、型號(hào)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。原動(dòng)機(jī)型號(hào)造型設(shè)計(jì)從人機(jī)工程、民族風(fēng)格、用戶心理感受、易操作性及美學(xué)觀念出發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)品造型、色 彩和表面處理的設(shè)計(jì)。全套圖紙?jiān)O(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從加工工藝、裝配工藝、潤(rùn)滑、振動(dòng)噪音、腐蝕、傳熱等因素出發(fā)，設(shè)計(jì)零部件的結(jié)構(gòu)， 確定各零部件的相對(duì)位置、結(jié)構(gòu)形式及聯(lián)結(jié)方法。根據(jù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算、強(qiáng)度和剛度計(jì)算，選擇零件材料，熱處理方法和要求，確定零件零件設(shè)計(jì)各部分的形狀、尺寸、公差、精度及制造安裝的技術(shù)條件。確定外購(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)、元器件規(guī)格和技術(shù)要求；編制加工工藝文件。繪制設(shè)計(jì)圖繪制裝配圖、各類系統(tǒng)圖(包括執(zhí)行系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、

16、控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣/液壓系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等)、部件裝配圖和零件圖，編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。4. 樣機(jī)試制這是設(shè)計(jì)工作的最后一個(gè)階段。根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)完成的圖紙，試制樣機(jī)并試驗(yàn)，測(cè)試各 項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在改進(jìn)原設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求后，可組織鑒定， 進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，一切達(dá)到預(yù)定的要求才報(bào)批投產(chǎn)。5. 跟蹤反饋、完善產(chǎn)品投入市場(chǎng)后，要跟蹤收集用戶的反饋信息。切實(shí)做到以人為本，用戶至上，誠(chéng)實(shí) 守信。在廣泛聽(tīng)取各方意見(jiàn)的同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)的新要求，完善產(chǎn)品的功能，推出符合時(shí)代 氣息的新一代產(chǎn)品，使設(shè)計(jì)工作邁向新臺(tái)階。2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)法應(yīng)用概述機(jī)械設(shè)計(jì)的目的是將預(yù)定的目標(biāo)，經(jīng)過(guò)一系列的規(guī)劃、分析

17、、決策，形成一定的信息， 即文字、數(shù)據(jù)、圖形等工程語(yǔ)言，并通過(guò)制造，使其成為產(chǎn)品。因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)和生產(chǎn)能力的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)方法學(xué)和創(chuàng)造方法學(xué)的開(kāi)發(fā)運(yùn)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一系列現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法得以實(shí)現(xiàn)，使機(jī)械設(shè)計(jì)的步伐加快，設(shè)計(jì)質(zhì)量提高。目前廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、有限元法設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)、數(shù)學(xué)和專業(yè)知識(shí)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類

18、繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技 術(shù)的綜合運(yùn)用。因?yàn)橛?jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲(chǔ)量大和具有邏輯判斷功 能等特點(diǎn)，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析、計(jì)算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形 處理與各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)法相結(jié)合的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互的設(shè)計(jì)方法，就是計(jì) 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即 CAD ( computeraideddesign )。在設(shè)計(jì)階段CAD的運(yùn)用，包括初始設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，是針對(duì)設(shè)計(jì)方案的：“信息流”過(guò)程。形成設(shè)計(jì)方案后，制造階段采用計(jì)算機(jī)輔助制造，即CAM (computeraidedma nufacture )的運(yùn)用，包括材料準(zhǔn)備、加工、裝配、檢測(cè)等許多環(huán)節(jié)。聯(lián)接C A

19、D和CAM 的關(guān)鍵紐帶是計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)CAPP (computeraidedprocessplanning ),它是在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)編制合理的零件加工工藝過(guò)程，從而將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為制造信息。數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，使機(jī)械制 造工程由產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造能全面自動(dòng)化。能更好地滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的多品種、中小批 量和高性能的要求，并降低了產(chǎn)品的成本，提高了其質(zhì)量。1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的常用軟件系統(tǒng)CAD的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件3個(gè)層次。（1）系統(tǒng)軟件與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)的操作系統(tǒng)（DOS ），用于對(duì)系統(tǒng)資源的管理（包括內(nèi)存分配管理、 文件管理、 外部設(shè)備管理、

20、 作業(yè)和中斷管理） ，常用的是 Windows 。（ 2）支撐軟件指各種 CAD 工具軟件和系統(tǒng)。工具不同的作用分為圖形處理軟件、集 成化 CAD /CAM /CAE 軟件、工程分析和計(jì)算軟件、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件等。1）圖形處理軟件主要用于生成和編輯基本圖形，解決零件圖詳細(xì)設(shè)計(jì)問(wèn)題， 輸出符合工程要求的零件圖和裝配圖。美國(guó) Autodesk 公司推出的 AutoCAD 是為微機(jī)開(kāi)發(fā)的以二 維功能為主的交互式工程繪圖軟件，也具有三維造型和繪圖的功能。2）集成化 CAD /CAM /CAE 軟件系統(tǒng)它們提供了定義產(chǎn)品的幾何信息和各種非幾何 信息，以及控制制造過(guò)程的工具。目前流行的主要優(yōu)秀軟件有：Pr

21、 o / Engineer 是美國(guó) PTC （ ParametricTechnologyCorporation）公司為微機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于特征設(shè)計(jì)的實(shí)體造型的三維集成化軟件。該系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)上， 有完整和統(tǒng)一的模型，是一種相關(guān)性的軟件，設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中所做的任何修改， 都會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，自動(dòng)更新零件、裝配、工程圖等模塊中的2D和3D的尺寸與工程文件，確保了數(shù)據(jù)的正確性。它將工業(yè)設(shè)計(jì)、功能仿真與制造過(guò)程集成在一起，同時(shí) 提供了集運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體的大型分析模塊，能夠進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞沖擊等 多種分析。Uni graphic s（UG）和Solid Edge : U

22、G是美國(guó)麥道（MD ）公司推出的適用于航空 航天器、汽車(chē)、通用機(jī)械和模具等的設(shè)計(jì)、分析和制造的工程軟件，它采用基于特征的實(shí) 體造型，具有尺寸驅(qū)動(dòng)編輯功能的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了 CAD 、 CAE 、 CAM 之間無(wú)數(shù) 據(jù)交換的自由切換， 具有強(qiáng)大的數(shù)控加工功能， 可以在 HP、 Sun、 SGI 等工作站上運(yùn)行。 Solid Edge是該公司為微機(jī)開(kāi)發(fā)的基于 Windows的設(shè)計(jì)與繪圖的簡(jiǎn)便的同類型軟件。SolidWorks 美 國(guó) SolidWorks 公 司 推 出 的 基 于 微 機(jī) Windows 操 作 系 統(tǒng) 的 CAD/CAM/CAE/PDM 桌面集成系統(tǒng)， 它采用自頂向下的設(shè)計(jì)

23、方法， 可以動(dòng)態(tài)模擬裝配過(guò)程， 采用基于特征的實(shí)體建模， 具有很強(qiáng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和編輯功能， 采用特征樹(shù)管理幾何特征。CAXA V 5 是 北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 與 全 球 PLM 技 術(shù) 領(lǐng) 先 集 團(tuán) DASSAULT SYSTEMES共同發(fā)布的新一代集成化可擴(kuò)展二維和三維 PLM解決方案， 它嵌入了法國(guó) DASSAULT SYSTEMES的CAAV5技術(shù)和構(gòu)件，包括了 5個(gè)模塊：PDM 是以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為核心的企業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)、工藝和制造過(guò)程的信息集成和業(yè)務(wù)協(xié)作平臺(tái)；2D 是集成化全功能企業(yè)二維繪圖設(shè)計(jì)環(huán)境； 3D 是集成化三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析和數(shù)控編程 環(huán)境； CAPP 是集成化工藝設(shè)

24、計(jì)和工藝管理環(huán)境； MPM 是集成化的生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)過(guò)程 管理平臺(tái)。3） 工程分析和計(jì)算軟件如數(shù)學(xué)方法庫(kù)、機(jī)械設(shè)計(jì)常規(guī)公式庫(kù)、 優(yōu)化設(shè)計(jì)、 有限元分析、 可靠性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法軟件。MATLAB 是美國(guó) Math Works 公司推出的一套功能強(qiáng)大的工程分析和計(jì)算軟件，被 廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程優(yōu)化、流體力學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等工程領(lǐng)域，它提供 了 30 多個(gè)面向不同領(lǐng)域的工具箱， 可以高效地求解復(fù)雜的工程問(wèn)題， 并可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng) 態(tài)仿真，用強(qiáng)大的圖形功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件用于工程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、共享、比較、組合和安全管理。如 Oracle 、

25、Foxbase 、 Foxpro 和 Paradox 等關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件。（3）應(yīng)用軟件以支撐軟件為基礎(chǔ)的面向各種工程設(shè)計(jì)和分析的專用軟件，如動(dòng)態(tài)仿真程序、數(shù)控加工編程、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算程序以及數(shù)、表、線、圖的程序化處理等。一個(gè)實(shí)用、高效、可靠的集成化 CAD 系統(tǒng)，是以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，以交互圖形系 統(tǒng)為支持， 以通用設(shè)計(jì)方法為工具， 以機(jī)電工程產(chǎn)品的計(jì)算分析為主題的集成化軟件系統(tǒng)。2.2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步的歷史就是不斷創(chuàng)新的歷史。創(chuàng)新設(shè)計(jì)（ Creative Design ） 就是指設(shè)計(jì)人員在其設(shè)計(jì)中采用新的技術(shù)手段和技術(shù)原理，發(fā)揮創(chuàng)造性思維，提出新的方 案，探索新解

26、法，提供具有社會(huì)價(jià)值的、新穎的而且成果獨(dú)特的設(shè)計(jì)。1. 創(chuàng)造性思維的特點(diǎn)和類型（1）創(chuàng)造性思維的特點(diǎn) 設(shè)計(jì)本身就具有創(chuàng)造性。設(shè)計(jì)人員依據(jù)自身的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、理論和方法對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)的 過(guò)程就是將頭腦中的各種信息重新組合和激活的過(guò)程， 形成新的聯(lián)系或成果。 在此過(guò)程中， 突破各種自然極限，揭示事物的本質(zhì)，轉(zhuǎn)化出新的、有社會(huì)價(jià)值的成果和產(chǎn)物，以不斷滿 足人類的精神和物質(zhì)的需要，即是創(chuàng)造性思維。其特點(diǎn)如下：1）獨(dú)創(chuàng)性具有突破性、求異性的思維，即具有與前人、他人不同的獨(dú)特見(jiàn)解，能提出 新原理、構(gòu)思新模式、創(chuàng)造新方法。例如光控式開(kāi)關(guān)在黃昏時(shí)使路燈自亮，天明時(shí)又自動(dòng)熄滅；紅外線開(kāi)關(guān)能自動(dòng)準(zhǔn)確做 到人入燈亮，人走

27、燈滅。與機(jī)械開(kāi)關(guān)相比，它們都具有獨(dú)創(chuàng)性，并為社會(huì)創(chuàng)造了可觀的價(jià) 值。2）多向性善于從不同的角度思考問(wèn)題， 這種思維依賴于發(fā)散思維 （盡量提出多種設(shè)想， 多方面、 多思路思考問(wèn)題） 、換元思維（靈活變換影響事物的某些因素， 從而產(chǎn)生新的思路） 、 轉(zhuǎn)向思維（思維在一個(gè)方面受阻時(shí)立即轉(zhuǎn)向另一方面）和創(chuàng)優(yōu)（不滿足已有解答，努力尋 找最優(yōu)方案） 。3）聯(lián)動(dòng)性由此及彼的聯(lián)動(dòng)思維，引導(dǎo)人們從已知探索未知并開(kāi)闊思路。它包括：縱向 聯(lián)動(dòng)（針對(duì)問(wèn)題和現(xiàn)象作縱深思考，探尋其根源從而得到新的啟示） 、橫向聯(lián)動(dòng)（從某一現(xiàn) 象聯(lián)想到與其相似或相關(guān)的另一事物，進(jìn)行“特征轉(zhuǎn)移” ，進(jìn)入新的領(lǐng)域）和逆向聯(lián)動(dòng)（從 順推到逆推，

28、從另一角度探尋新途徑） 。例如丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯忒發(fā)現(xiàn)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，能使磁化的羅盤(pán)指針偏轉(zhuǎn)。法拉第據(jù) 此作逆向思維，認(rèn)為如果磁場(chǎng)固定，載流導(dǎo)體就會(huì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)明了世界上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。4）跨越性思維的前進(jìn)跨度大， 轉(zhuǎn)換跨度也大， 能跨越事物可見(jiàn)度的限制， 迅速完成 “虛 體”與“實(shí)體”之間的轉(zhuǎn)化。例如牛頓受蘋(píng)果落地的啟示，最終發(fā)現(xiàn)震驚世界的“萬(wàn)有引 力定律”。（2）創(chuàng)造性思維的類型 創(chuàng)造性思維是多種思維形式的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，也是智力因素和非智力因素的和諧統(tǒng)一。創(chuàng) 造性思維的類型，可從不同的角度劃分。根據(jù)思維過(guò)程是否嚴(yán)格遵守邏輯規(guī)則可分為邏輯思維和非邏輯思維。 邏輯思維又稱抽象思維，即以反映事物共同屬性

29、和本質(zhì)的抽象概念為思維元素，在該 概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷、推理，使認(rèn)識(shí)從感性個(gè)別到理性一般再到理性個(gè)別。而非邏輯思 維的基本形式有聯(lián)系思維、直覺(jué)思維和靈感思維。其中直覺(jué)思維和靈感思維對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)起 重要作用，因?yàn)樗鼈兙哂挟a(chǎn)生的突然性、過(guò)程的突發(fā)性，成果的突破性，同時(shí)還具有偶然 性。在此過(guò)程中不僅意識(shí)起作用，而且潛意識(shí)也發(fā)揮重要作用。雖然其結(jié)論具有短暫性不 總是可靠的，但可以給人們深刻的啟迪。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，工程技術(shù)人員的邏輯思維和非邏輯思維彼此聯(lián)動(dòng)，相互融合、補(bǔ)充和促進(jìn)，綜合發(fā)揮作用。 例如，北京航空航天大學(xué)的高歌教授在研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體的燃燒時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣體燃燒湍流紊亂是燃燒不穩(wěn)定的根本原因。他聯(lián)想到沙漠中的沙丘在大風(fēng)中仍能夠保持穩(wěn)定形 狀，是因?yàn)闅饬骼@過(guò)沙丘時(shí)漩渦特別穩(wěn)定的啟示，終于發(fā)明飛