机械概念设计篇1
关键词：机械产品；概念设计；方法研究
abstract:theconceptualdesignisthemostimportantpartinproductdesign,isalsothemainmeanstoimproveproductquality,reducecostsandimprovethecompetitivenessofenterprises.Basedonthedefinitionandcontentsofconceptualdesign,analyzedthedesignconceptandmethod,togivetheoreticalandtechnicalexchanges.
Keywords:mechanicalproductconceptualdesign;researchmethod;
中图分类号：F407文献标识码：a文章编号：
机械设计的内涵及其特性
1.1机械设计内涵
在确定任务之后,通过抽象化,拟定功能结构,寻求适当的作用原理及其组合等,确定出基本求解途径,得出求解方案,这一部分设计工作叫做概念设计。产品设计的根本目的就是要创新产品,满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动,设计的本质是创新。因此,重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。
1.2机械设计的特性
概念设计具有如下特性:
(1)创新性：创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的,如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中,将产生一组可行的“新”方案。
(2)多样性：概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等,会产生完全不同的设计思路和设计方法,从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。
(3)层次性：概念设计的层次性体现在两方面。一方面,概念设计分别作用于功能层和载体结构层,并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上,而结构修改、结构变异则作用于结构层,由映射关系将两层连接起来。另一方面,在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性,不同层次的功能对应不同层次的结构。
2.机械产品设计过程的主要步骤及基本内容
对于机械产品设计过程的不同理解,从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解。机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。机械电子系统从本质上说是电子化了的机械。它所实现的功能和工艺动作过程与机械系统基本相同,只是在实现方式和方法上电子化。它的概念设计步骤包括：功能分析与功能结构构图设计工艺动作基本构成执行机构及其系统的控制方案构思、设计。
机械电子系统概念设计的基本构成如图1所示。其基本内容包括:①功能分析与功能结构设计；②执行运动的构思与整个执行运动过程设计——集成:③传感检测系统与机电执行机构系统的融合；④信息出来及控制系统与机电执行机构系统和传感检测系统的集成与融合。总之,产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。
总的来说，机械产品概念设计的内容由以下三部分组成:
4.1功能分析与功能结构设计
功能抽象化：把市场需求和用户要求通过计算机分析,进行功能抽象,突出任务核心和摆脱因循守旧,有利于找出新颖的方案；功能分解：将功能进行分解,使其得到合适的的若干子功能,分解过程也是创新过程；功能结构图设计：将各子功能的相互关系确定后,进行功能结构图的构思和设计。
4.2工艺动作的分解和构思
实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的,即一系列工艺动作的目的是完成需实现的功能。工艺动作的分解往往对应于功能的分解。例如缝纫机的缝纫功能分解为刺布、挑线、钩线和送布四大功能,它们所对应的动作为机针上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推送缝料四大动作。又如灌装功能分解为送瓶、灌装、压盖、出瓶四大功能,可用相应的四个动作来完成。同一功能可以由不同的工艺动作实现,因而工艺动作的构思也是相当重要的。例如在制袋充填封口机中,如直接模拟手工制袋动作,则机构动作非常复杂；但如果利用相对运动原理逆反思索方法,制袋成形器不动,而薄膜相对运动,就会使制袋机构大为简化。
4.3执行机构系统方案构思与设计
实现功能的工艺动作,在机械产品内是靠若干个执行机构来完成的。机构产品概念设计最终归结为机械运动方案设计,也就是执行机构系统方案设计。执行机构系统方案的构思与设计是概念设计中非常重要的内容。它的设计内容框架如图1所示。它分为三部分:动力系统、传动及执行机构系统和控制系统。传动及执行机构系统是方案设计的核心。目前,传动系统和执行机构越来越紧密地连接在一起,而且许多机构同时担负传动和执行的作用,无法分割。因此在概念设计中将它们作为一个整体对待是合理的。控制机构一般采用各执行机构主动曲柄相位差来实现。
3.产品智能化概念设计研究内容和方法
为了提高机械产品概念设计的水平,必须使概念设计实现智能化,采用智能计算机辅助概念设计系统。智能化概念设计主要研究内容和方法阐述如下:
3.1智能化概念设计的研究内容
(1)建立各种类型机械产品功能库和功能结构表示库:概念设计的的关键是功能创新和表示、功能分解和功能结构图设计。因此根据各种类型机械产品的功能要求和结构特点建立功能库和功能结构表示库,将会大大有利于人们利用已有专业知识和设计专家经验进行机械产品的创新设计。
(2)建立各种类型机械产品相关的功能载体库和载体
创新方法库:概念设计最终应将各种功能、功能载体加以实现,因此将产品相关的功能载体汇总成功能载体库有利于设计人员构思和分析,使设计达到更高水平。为了追求概念设计达到更大的创造性,对功能载体应不断创新,总结现有功能载体所遵循的创新方法将会有利于人们创新功能载体,达到更为完美的程度。
(3)概念设计的推理方法:概念设计的的推理机制是根据一个或一些判断得出另一个判断,并最终求得结果的思维过程。具体来说,就是利用各种知识库中的知识,按一定的推理策略解决机械产品的概念设计。概念设计的推理机,目前有基于类比的推理、基于实例的推理和基于原型的推理等多种形式。
(4)产品概念设计的评价体系和评价方法:对不同类型的机械产品的评价体系显然是不同的,但是在产品概念设计阶段评价体系仍具有一定的共同点。一般来讲,对机械产品和机械电子产品分为功能、工作性能、动力性能、经济性及结构紧凑性等五个方面。建立评价体系要充分注意科学性、全面性和专家经验性。对于产品概念设计中初步确定的几个方案,最后应用综合选优的方法来确定最佳方案。这里可以实用模糊综合评判法、系统工程评价和价值工程法等方法。
3.2智能化概念设计研究方法
智能化概念设计的目的是使计算机具有一定程度的智能,辅助人完成概念设计的全过程。“发明是靠99%的汗水和1%的灵感”,在概念设计中,智能化目标就是由计算机完成99%的汗水工作,而由人来完成1%的灵感工作。根据以上认识,机械系统概念设计模型如图2所示。它可以分为三部分:右边部分代表基础知识,它包括原理库、行为库和结构库；左边部分为代表领域知识的本体库和样体库；它们共同作用于中间部分概念设计功能行为结构的设计过程中。
机械概念设计篇2
机械产品创新的核心在于构思产品的创新概念。产品概念设计决定性地影响后续的产品详细设计、产品生产开发、产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。一旦概念设计被确定，产品设计的60%～70%也就确定了。因而，产品概念设计成为设计过程中最重要、最复杂，最不确定的设计阶段。机械产品概念设计是一个创造性问题求解过程，其主要特征是初始状态定义不良。只有弄清楚设计者在创新设计过程中到底是如何进行认知操作的，才能更好的理解创新设计过程，并为该过程建立有效的支持工具。因此，通过结合工程领域的概念设计过程与认知心理学领域的创造性过程，建立面向产品创新的概念设计认知过程模型，该模型的主要作用在于揭示创新设计过程本质，确定影响设计结果的设计资源和设计行为，帮助设计者更好的使用来自于设计领域及认知领域的的创造性工具、方法及技术。以认知科学为基础，机械产品创新设计为对象，实现人机智能协同设计为目的，研究机械产品概念设计行为机理。首先分析影响创新设计的关键因素，并对这些因素进行归类分析，确定可以通过外部资源得以促进的可控因素；其次，对创造性概念设计过程中的关键认知行为、信息传递、信息操作及认知回路进行分析，并基于此建立有利于创新实现的一般设计过程，为建立计算机辅助设计系统的概念平台奠定基础。
2人机智能协同的内在机理研究
利用计算机技术、信息技术及智能技术实现概念设计行为机理研究结果的具体方法，从而建立人机智能协同的模式。首先，根据信息加工理论，分析从刺激的选择和注意，到对刺激意义的理解，工作记忆对信息的存储并进行加工处理，长时记忆的形成和使用，对创新设计的影响，确定人机智能协同应遵循的原则；其次，为影响创新设计的可控因素寻找利用机器智能实现的方法；最后，研究利用计算机技术实现创新认知规律的方法。
3计算机辅助机械产品创新设计原型系统研究
计算机辅助机械产品创新设计系统是认知科学、信息技术、设计理论与方法的会聚平台，也是创新设计的工作平台。该系统主要由知识库系统、信息检索系统、概念设计空间及创造性思维方法等部分构成，其关键作用是在产品的概念设计阶段、方案设计阶段为设计者提供有用的工具，并实现与设计者之间的智能交互，从而提高设计者的创新设计能力。在本研究方案中，原型系统的逻辑体系结构共分为三层：界面层、应用程序服务器层、资源层。
4结束语
机械概念设计篇3
[关键词]食品机械；可持续发展；绿色设计；食品安全
[Doi]10.13939/ki.zgsc.2015.20.052
1食品机械发展现状
食品机械的种类可以分为：粮油加工设备、果蔬保鲜与加工设备、畜禽产品加工设备、水产品加工设备、方便食品级加工设备、饮料加工设备和食品加工中废弃物综合利用设备等。按照食品加工的单元操作的不同，可以分为：食品输送机械、食品清理与分选机械、食品粉粹机械、食品混合机械、食品浓缩机械、食品干燥机械、食品杀菌机械、食品熟化机械、食品冷冻机械和食品包装机械等。
食品工业已经不可或缺，成为引领制造业的新方向。食品机械技术从生产自动化、原料高利用率化、机械设备节能化、食品安全化、高新技术实用化、机械设备通用化等多方面对食品机械制造业的发展提出了新的挑战。我国的食品机械不管从内部质量还是外观质量都落后于发达国家。原因是采用的设计理论、设计手段、设计方法、制造技术和检测手段落后。原材料、质量不稳定，直接影响了食品机械产品的整体质量。
2食品安全对食品机械的要求
随着《食品法》的实施，食品安全问题作为一个系统工程，不仅涉及食物本身，而且涉及食品原料、食品工艺、食品生产加工、食品包装和食品销售等所有环节。
3现代机械产品设计
机械设计可以是应用新原理、新思想、新方法开发创新的机械，也可以是在原有机械的基础上重新设计或作局部改造，从而改变原有机械性能。
机械产品的质量基本上取决于设计质量，而制造过程对机械产品质量所起的作用是实现设计所规定的质量。因此，机械设计阶段是决定产品好坏的重要环节。
在实现预期运动和动力功能的前提下，尽可能做到性能好、效率高、成本低，有一定的可靠性；而且还应考虑到操作方便、维护简单、造型美观以及便于运输。
机械设计在现代机械生产中占有重要地位，机械设计的成败往往成为产品在生产和销售中是否能够取得良好效果的决定条件。产品设计是制造业的灵魂，产品开发的成败主要决定于产品设计，因为产品结构、性能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维护性及人、机、环境关系等。据统计，产品全生命周期成本的90%左右在产品设计阶段已经被决定，其中70%～80%在概念设计阶段被决定。概念设计的核心是创新设计。方案选择的自由度大，产品创新的空间相对就要大。
现代机械产品正在逐步向智能化、协同性、科技化发展，并且逐渐形成了较为完善的设计体系，网络技术、系统工程的理论、计算机软硬件应用和智能化应用的理论也更加广泛地被应用在现代机械设计方法之中，提高了机械产品的质量方法，也成为现代化机械设计方法中重要的技术基础。
食品机械设计的一般过程：①明确设计要求（确定机械的预期功能、有关技术指标和限制条件）；②调查研究，制动设计方案，绘制机械运动简图（确定机械的工作原理，拟定集中总体布置方案，进行粗略计算和分析比较）；③进行运动和动力分析，确定主要零部件的运动和动力参数；④进行传动零件的设计计算，确定其主要参数；⑤进行结构设计，绘制部件装配图和总装配图；⑥绘制零件工作图；⑦编制技术文件（编写设计计算说明书、标准件、外购件明细表，对较复杂的机械还应绘制详细的机械传动示意图等）。
4食品机械设计新理念
4.1绿色设计理念
绿色设计（GreenDesign，GD），就是设计和制造生命周期环境影响为最小的产品，在产品整个生命周期内，考虑产品的环境属性，即可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等，保证产品功能、使用寿命、指令等。在设计食品机械产品时，全面考虑食品机械设计、制造、使用甚至报废、处置等环节，在产品的全生命周期各个阶段，从源头上防止污染。
4.2并行式绿色设计理念
以集成并行的绿色理念设计食品机械及其相关过程，初期充分考虑机械生命周期全过程的各项因素（如用户需求、质量、成本、进度、拆卸与回收的设计体系等），使食品机械实施最优化设计。
4.3并行式绿色设计理念下设计的一般过程
绿色设计是一种基于生态学的设计，为设计人员的素质和设计方法、设计手段提出了更高要求。食品机械数据管理技术是并行式绿色设计技术的关键技术之一，是对食品机械生命周期全过程个各环节中所需要的、或生成的大量数据和信息的管理技术，可按照要求将数据或信息及时传递到制定的位置或相应的人员。
机械设计的过程不再是一种串行设计模式，而是一种在设计过程中逐级反馈的设计模式。将概念设计做大最全面、最优化。从概念上影响整个设计过程和设计环节。
4.4新设计理念下食品机械设计的实施要点
设计理念的更新：可持续发展理念、食品安全理念、并行式绿色设计理念。
食品机械设备的材料设计：直接接触食品加工过程的设备材料要求（如抗菌、容易清洗），非直接接触食品的设备材料要求（如节能、环保、对操作人员无害等），直接接触食品成品或半成品的包装设备的材料要求（无害、抗菌、不能对食品造成附着添加等）。
食品机械产品结构的设计：产品整体结构要易于制造和装配，具有良好的可拆卸性，动力和液压系统要考虑到绿色设计。对于目前发展势头迅猛的中小型家用食品机械要在使用中易于或加入清洗系统的设计，能够一机多用，环保节水等。
食品机械生产线设备的设计：对于目前的大型标准化生产设备，要采用Gmp（Goodmanufacturingpractice，良好生产规范）的标准化生产为指导，同时还要用先进的科学预防性食品安全保证体系HaCCp（HazardanalysisCriticalpoint，危害分析与关键控制点）来规范生产线设备的设计研发。
在食品机械概念设计阶段，全盘考虑。基于食品安全和绿色生产，对食品机械设备进行全程的监控。如设置设备的使用监控和警报系统等。
参考文献：
机械概念设计篇4
下面以高中物理［3］《波的形成与传播》为例简析如何运用概念变化策略运用于教学当中。
1本节教学主要内容
参照教材及近几年的高考考试说明，本节教学内容中，学生要建构的物理概念主要有：
（1）在介质中，前面的质点带动后面质点，后面的质点重复前面质的运动而形成机械波。
（2）机械波是机械振动在介质中的传播，传播的是机械振动这种形式，质点不会随波迁移。
（3）机械波是大量质点的集体表现，是宏观现象。
2学生的机械波前概念调查分析
实施教学内容之前，通过问卷的方式对学生的前概念进行调查，情况如下：
确定教学任务了解学生前概念分析前概念，确立概念变化的方式、途径建立物理概念
2.1教材中为引入课题所列举机械波的现象中，大部分不会得到学生的认可
教材中回避了以给机械波定义的方式去开始讲解机械波，而是通过一些具体的现象让学生了解什么是机械波，之后再分析机械波是如何形成与传播的。但是，通过调查发现书上的列举的现象大部分得不到学生的认可。
如大部分学生不认为“五星红旗迎风飘扬，是波在旗子上传播”、“舞蹈演员舞动的长绸显示了波的传播情况”。不认可的学生前者约占85%，后者约占81%。同样，也只有极少数人（6%左右）知道“地震对建筑物的破坏是通过地震波实现的”。但对于“水波是机械波”的说法大部分学生（74%）觉得可以理解，这可能与学生生活中经常接触到“水波”有关系。
2.2对于机械波的形成与传播过程，几乎没有学生能给正确的、全面的理解
学生中较为典型的错误认识是：
（1）介质中的质点会随着机械波的传播而迁移；
如认为声音在传播时把空气传播出去了、在池塘中激起的水波向岸边传播时也把水推向岸边。
（2）一个质点也能形成机械波；
（3）机械波可以在真空中传播；
当然学生认识中也有合理的成份：
（4）机械波是和机械振动相联系的；
（5）机械波具有周其性；
另外，通过分析学生的前概念，发现还有以下特点：
2.3前概念中有合理的成份，也有不合理的成份
学生的某些前概念是与科学概念相一致的（前科学概念）。如：机械波是某种振动相联系、波在传播时具有周期性和水波是一种波等。
大多数前概念是不科学的（相异构想）。如机械波传播时介质会随波迁移、一个质点也可以形成机械波等等。
2.4不同学生的前概念不尽相同
如虽然大多数同学不认为五星红旗迎风飘扬是波在旗子上传播，但也有少部分学生却认可。
2.5就学生个体而言，其前概念体系往往自相矛盾
如有的学生认为，水波传播时会将水送到岸边，但同时又认为声音传播时不会把空气传播出去。
上述特点和有关文献中提出的前概念特点是一致的。
3教学策略设计及实施过程
3.1教学设计时需要注意的问题
根据学生具有的前概念及其特点，在实施概念变化策略时要注意以下几点：
(1)要重视学生的前概念中的合理成分，以便在此基础上进行发展以建构科学概念；
(2)针对学生前概念的自相矛盾之处，要巧妙设置物理情景，引发学生的认知冲突，将学生的错误前概念转变科学的概念；
(3)由于不同学生间的前概念结构并不相同，在教学中注意加强学生间的交流的合作，促使学生团体共同建构一个科学的概念。
3.2教学过程
3.2.1从分析实例开始，发展学生“机械波”的概念
基于大部分学生都承认水波是机械波这一事实，教学之初从分析讨论水波这一常见的现象对学生“机械波”概念进行发展。
演示：用光学投影仪、水槽、振动源演示水波现象（图1）。
先提出一个总体性的问题：水波是如何形成的？然后层层设疑，将问题引向教学核心：水波是否与水做机械振动有关系？一个水分子是否可以形成机械波？
针对教师的问题，师生共同讨论后得出这样的认识：
①水波是大量水共同形成的，是大量质点的集体行为，是一种宏观现象；
②水波和水上下振动有关。
3.2.2建立机械波传播的物理模型，转变学生机械波中错误前概念
（1）实验演示现象，引发学生的认知冲突
由调查知道，不少学生认为机械波是由于介质不停的向前传播而形成的。因此，首先通过实验或生活中的例子让学生看到实际情况并非如此，从而引发认知冲突。
演示：在水波中入一小的纸屑或泡沫，可以看到，纸屑或泡沫只是在上下振动，并没有随水波传到盛水盒的边缘（图2）。
同样的例子生活中也会遇到，当皮球、气球、纸船、落叶等漂浮在水面中央上时，想把它弄到岸边检起来，若通过朝水中扔石子激起水波将东西送至岸边的方法总是不奏效（这个现象也可以播放真实情况的录像让学生了解）。
以上的实验和例子说明，机械波的形成与传播，并非因为介质向前运动．介质仅在原来的位置附近振动。
此时学生头脑中就产生了强烈的疑问：机械波到底是如何形成的？
（2）通过实验，建立正确的机械波形成与传播的概念
为了便于分析机械波是如何形成与传播的，必须建立波传播的简化模型：一维波传播模型。该模型不能从水波直接建立，通过下面过程逐步进行：
①演示“绳波”（直接用软绳演示效果不好，可用装满钢珠的乳胶管代替软绳演示［4］）如图3：上下振动，可以看到一孤立的向上凸起的波向前传播，水平振动，可以看到连续完整的波向前传播（图4）。
②比较绳波与水波，找出二者共同点：介质各部分均振动、均形成凹凸相间的形状向前传播。最后得出结论：绳中传播的是机械波，它的形成与传播原理，就是所有机械波的形成与传播的原理。
③建立物理模型．将软绳简化为若干质点连接而成（图5）
④利用箱式横波演示仪演示机械波是如何形成与传播的（图6）。
通过以上教学过程，学生建立起如下概念：
①在介质中，前面质点振动，带动后面质点也跟着振动，但时间上有延迟，大量质点相互“配合”形成机械波；
②质点只是在各自的平衡位置附近振动，不会随波迁移；机械波传播的是“机械振动”这种运动形式。
（3）学生亲自参与模拟机械波的形成与传播，促使科学概念的形成
根据多元智力理论，学生参与模拟机械波的形成与传播有利用于他们对科学概念的建构。
如图，让十几个学生站成一排，让学生依次蹲下、站起，头顶形成机械波。
比较摸拟的现象和真实机械波形成与传播过程，如下：
①后面的同学看到前面同学蹲下、蹲起后重复前面同学的动作前面的质点带动后面的质点，后面质点重复前面质点的运动情况；
②每位同学只是在原位置蹲下、站立，同学们传递了蹲下、站立这种运动形式质点只是在平衡位置附近振动，不会随波迁移，机械波传播了机械振动这种运动形式；
②头顶形成“波”的形状是多个同学相互配合的结果机械波是大量质点的集体行为。
（4）解释现象，解决认知冲突
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学生对于机械波的形成与传播有了科学的认识后，接下来让学生解释前面遗留的问题：水面上的纸屑为什么不会随水波向前传播？
至此，学生对机械波的形成与传播概念有了较为科学的理解。但这种理解，建立在对机械横波的分析上。因此还需分析机械纵波的情况对该概念拓展深化。
3.2.3进一步发展科学概念，让科学概念理解更全面深刻
前面所分析的机械波均属于横波，对于一个完整科学的概念而言，还需分析纵波的情况：
①演示弹簧中传播机械波的情况（图8，上图是装置图，下图表示纵波在传播）；
②分析此现象，让学生明确该现象传播的也是一种振动形式，是机械波，并给出横波与纵波的概念；
③借助箱式纵波演示仪说明纵波是如何形成与传播的；
④总结对机械波的形成与传播概念的理解，如下：
不论是横波还是纵波，均有：
理解1，机械波的形成是因为前面的质点带动后面的质点，后面的质点重复前面的质点运动；
理解2，介质中的质点并不随波迁移，只是在各自的平衡位置附近振动；
理解3，机械波是大量质点的集体行为，机械波传播的是振动这种形式
4结束语
运用概念变化策略促使学生建构物理概念，最重要的环节就是准确了解学生前概念和现有的知识水平。由于学生个体不同、生活环境不同均会导致学生前概念的不同，因此，运用此策略时要充分考虑不同班级学生、不同学生个体的具体情况。
由于教学内容的不同，采取的教学策略也会不相同，“概念变化”策略并不排斥其它策略，甚至是同一堂课的教学设计，也有可能会多种教学策略并用。但是，关注学生原有的知识经验，采取恰当的教学策略有效促进学生对物理概念的理解，是每一个教师应当具备的教学理念，这也正是新课程中所提倡的，“概念变化”教学策略恰好反映了这一要求。
参考文献：
［1］张建伟、陈琦.从认知主义到建构主义.北京师范大学学报（社科版)，1996,4:75-82．
［2］p.H.Scott,H.m.asoko,R.H.Driver著郭玉英、卢俊梅译.“为概念转变而教”策略综述.物理教师，2003，Vol.24no.5
［3］人民教育出版社物理室编著.全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理（第二册）.北京：人民教育出版社出版，2003
机械概念设计篇5
虚拟现实系统中装载有触、听、视、动等多种传感及反应装载,使用户能感受到触觉、听觉、视觉以及嗅觉等多种信息,从而充分发挥设计者的多种感知性,加强产品设计的成功性。
虚拟现实系统能够实时的与用户进行交互、参与以及显示,将用户的设计与制造活动提升为人机一体的主动活动,从而构成融入性的智能开发系统。
2.虚拟现实技术在机械设计与制造中主要应用领域
2.1虚拟产品的概念设计
概念设计作为机械产品在设计过程中的一个重要阶段,其产品最终成本约有60%~70%受到概念设计的影响。虚拟现实技术在概念设计方面的应用主要表现在以下两个方面:(1)在机械产品的概念设计过程中,采用虚拟现实技术,不仅能够便于为设计者提供手势跟踪以及语音识别的输入方式,而且设计者也可随时方便的在三维虚拟环境中,对产品和零件的各类形态的模型进行修正与改变,同时还能通过三维空间对设计对象进行观察与操作,从而获取更多关于产品及零件在形状和式样方面的信息,进而实现在产品设计上得到较为满意的效果。(2)在概念设计中通过虚拟现实技术的应用,还能够使设计者的设计表达以及设计思路更加形象与清晰,让人能得到充分、直观的交互感受,从而保证产品开发的成功率,并极大降低了设计产品在投放市场时的风险性。通过虚拟现实技术,还可以使产品的设计更多的关注产品使用者的感受,例如在开发设计某健身器械时,可以通过虚拟的健身器械环境让消费者在购买前能够对设备的功能进行提前体验,并根据市场的反馈和用户的喜好,对产品的生产进行的选择和重组。
2.2虚拟设计
虚拟设计即虚拟现实技术应用于产品的开发设计,也就是设计人员首先设计出一个虚拟的机械产品,然后再系统的对所设计的产品进行研究、检查以及分析,以检验产品是否满足相应的设计要求,并对可能出现的问题及缺陷进行及时修改,从而使产品的设计更为完善。应用于机械设计的虚拟设计系统,主要包括了两个部分,一个部分是虚拟设计系统的主体,即虚拟环境生成器;另一个部分则是的设备,主要包括数据传输装置、信号控制装置以及人机交互工具等等。当前虚拟设计系统的应用于机械设计方面的主要有两种设计方法,一种是采用VR-CaD系统,使虚拟现实技术能充入引入到CaD环境,这种机械设计环境中的对象不仅能有丰富的外形,而且还具备材料特性、表面硬度、重量等一系列物理及功能作用等方面的信息;另一种则是利用现有的CaD系统直接产生模型,然后再将模型转换成能够得到虚拟现实软件支持的各类格式,从而方便将模型输入到虚拟现实软件的环境中,并实现对虚拟产品设计的完成,并使用户能充分得到各类增强效果设备的应用。
2.3虚拟制造
虚拟制造是指通过虚拟现实技术,并在现代化计算机技术和网络技术的支撑下,利用计算机群组进行协同作业,从而实现机械产品在工艺规划、加工制造、质量检验以及产品管理等一系列产品制造的过程,实现机械产品制造过程在计算机系统上的映射,也进一步加强了机械制造过程中各级的控制与决策能力。当前虚拟现实技术应用于机械制造中,主要有三种方式,即分为以设计为中心的虚拟制造、以控制为中心的虚拟制造以及以生产为中心的虚拟制造。例如:通过虚拟现实技术在设计阶段即对轴类不仅进行虚拟装配,并对可能出现的错误与缺陷进行随时修改,确保装配流程的顺畅;在对齿轮、轴类等两家的加工过程中,采用虚拟制造技术,选择出最极爱的机床加工参数以及刀具的路径,并对产品设计的可加工性、完善性以及合理性进行分析与评定,从而有效避免加工过程中可能出现的一系列加工缺陷等等。通过虚拟现实技术在机械制造中的应用,不仅提高了产品一次成功率,而且极大降低了原有的设计制造费用,优化了产品设计,避免的设计中存在的缺陷与问题,确保了产品质量。
机械概念设计篇6
关键字：冶金机械绿色设计关键技术
引言
一直以来，我国冶金行业的生产存在很多的问题，其中最为严重的是我国冶金机械设备不能够达到国际上所要求的标准。相对于其他国家的冶金设备来说，我国的冶金设备耗能源更多，产生污染更多。但是很多企业没有认识到这个问题，仍然在高能耗、高投入、高污染的发展模式中徘徊。所选用的机械设备时常伴随噪音、废气排放以及热辐射等问题。为了缓解这一现象，我国冶金机械设备生产行业应当积极采用绿色设计这一概念，鼓励相关企业研究与绿色设计相关的科学技术，通过技术创新，使我国冶金行业实现清洁化生产，生产出能够运用于工业实践的绿色产品，使我国冶金业走上可持续发展的道路，这对我国工程机械的发展前景来说也具有重要的意义。
1.冶金机械产品绿色设计的概念
经济的发展带来了全球化的环境问题，为了缓解这一问题，绿色设计这一概念开始被提出。作为环境问题较为严重的冶金机械工业，环境保护问题也被提到日程上。冶金机械行业开始将目光投向绿色技术。冶金机械产品绿色设计可以被定义为一种设计理念，这种设计理念是围绕产品整个生命周期而创设的，其核心是机械产品的环境资源属性。绿色设计理念需要从两个方面考虑机械产品：第一，绿色设计理念的“绿色”在于机械产品自身的功能、寿命、性能等，这是涉及冶金机械产品的技术特性与经济属性；第二，绿色设计理念的“绿色”是指需要考虑机械产品一旦投入生产对环境以及资源会产生怎样的影响以及如何降低不利影响的发生几率，这是绿色设计理念在冶金机械产品上体现的重要层面。
一般而言，冶金机械产品绿色设计主要包括以下内容：首先，将冶金机械产品的环境资源属性放在产品设计与制造的首要地位，当满足了环境资源属性的要求后，再对产品的经济属性进行要求。其次，在设计冶金机械产品时，应当事先对机械产品的可拆性和回收利用性进行分析，然后根据分析的结果再调整冶金机械产品的设计方案。最后，冶金企业必须认识到冶金机械产品绿色设计对于自然环境和社会可持续发展的重要作用，认识到一个冶金企业在环境保护和资源节约方面应当承担何种责任以及如何承担责任。冶金企业应当重视绿色设计，使自己成为资源节约型、环境友好型企业的一员。
2.冶金机械绿色设计的关键技术
冶金机械绿色设计旨在产品设计、产品制造以及产品使用等方面实现“绿色”，其最终目的是提高资源的利用率、减少生产过程中的废弃物以及解决的环境污染问题。通过此种绿色设计理念可以更好地促使冶金机械企业在资源节约型、环境保护型的可持续发展道路上健康、稳定、快速发展。鉴于此，冶金机械绿色设计作为一种比较新型的概念，其关键技术在很多方面也与传统的机械设计关键技术呈现出显著的差异，主要表现在生产原料的选择、生产中控制“气废”排放、机械的减震除噪、密封技术的研发等方面，笔者接下来进行具体阐述。
2.1.生产原材料的选择
在冶金机械产品的设计与制造过程中，生产原材料的选择具有相对确定性，不能够随意进行选择，只有那些易分解、可再生以及可回收的原材料才可能作为冶金机械的生产材料。此类原材料能保证对环境的污染达到最小，比如在制造冶金机械时，高强高温玻璃和耐热耐高温工程塑料都不是合适的生产原材料，这些材料都是非金属材料，其缺陷是不能够分解，达不到“绿色”的标准。相反，铁、钢以及合金一直以来都是冶金机械产品制造的重要材料，其中最重要的原因便是这些材料可回收，对环境的危害也很小。总而言之，在进行生产原材料选择的过程中，要以环境的利益为指导，对环境有害的原材料禁用或者少用，对环境危害少的原材料可以使用或者扩大使用。
2.2.生产中对“气废”排放的控制
冶金机械制造过程中是没有办法杜绝废气的排放的，但是这些气体对周围环境会造成很大的影响。所以在进行冶金机械制造时，要合理的控制废气物的排放，这也是绿色设计的重要内容之一。而合理控制废弃物的排放措施则有赖于冶金机械企业的积极作为，务必使自己成为环境友好型企业的一员。
2.3.做好机械的减震除噪
冶金机械行业在进行机械制造过程中，要合理控制处理噪音问题。机械震动是噪音污染的重要因素，在对冶金机械进行设计之初就要考虑到其投入生产之后，会不会比较容易发生震动现象，为了杜绝这一现象发生，需要在机械整体与结构的布局中，去设计震动比较小的机械产品。
2.4.提高密封技术，谨防泄泥
冶金机械的泄露问题是所有问题中较为严重的问题，其直接的后果是引起资源的浪费，同时又造成环境的污染。机械自身的使用寿命和工作性能也会直接受到影响。因此，机械的防泄漏是绿色设计的重要内容。要使机械不容易发生泄露现象，就必须采用比较高的密封技术，尽管国内密封技术近十年有较大进步，但与国内工业技术的发展相比仍有较大差距，因此要加快研发新的密封产品。
结语：
随着人们生活水平的不断提高，对良好自然环境的要求也越来越高，开始逐步认识到绿色设计对人们的重要意义。冶金机械行业一直是高污染行业，但又是人们社会生活中必不可少的一部分，因此如何使其在环境保护以及可持续发展的道路上健康发展是非常重要的一个课题。笔者从几个方面对冶金机械制造行业的绿色设计基本内容进行阐述，希望未来冶金机械制造企业能够充分利用绿色设计的理念，走上可持续发展的道路。
参考文献：
[1]韩军霞.机械制造过程中绿色制造技术的应用[J].科技资讯.2011（16）.
机械概念设计篇7
【关键词】精度设计互换性探讨
【中图分类号】tH124；G420【文献标识码】a【文章编号】2095-3089（2013）10-0225-01
机械设计的主要内容：强度设计、传动设计、结构设计、精度（公差，下同）设计，涉及强度设计、传动设计、结构设计的课程有材料力学、机械原理、机械设计等，互换性与技术测量主要是讲授精度设计内容。作为一名机械工程师必须很好理解和掌握精度设计，才能把设计意图落实到生产实践中，同时，精度的概念贯穿在生产实践中，产品开发、工艺设计、质量控制、生产管理都离不开精度的知识，“合不合格”、“达不达到要求”都是精度概念的常用表述。但很多学生修完了这门课程后，到做毕业设计时，好像完全忘了这门课似的，没意识要标注精度要求，好像三维建模后转为工程图，把主要尺寸标注完就结束了，即使想到要标注精度要求，但不知如何着手。不少企业反映毕业生对精度的理解和掌握很不深刻。互换性与技术测量这门课如何讲授，笔者根据多年教学经验及调查分析，结合《培养应用型高级专门人才的校企合作支持体系的研究》（2013C060，广西教育厅）的课题研究，总结如下体会：
一、重复强化本课程与其他课程的关系
修完材料力学、机械设计等专业基础课程后，同学们掌握了强度设计、结构设计的理论和方法，接着需要学习精度设计，并准确地表达在图纸上才能进行生产制造。本课程就是讲授精度设计内容，其实是标准范畴的内容，基本术语多、定义多，相对比较枯燥。在讲授过程中必须重复强度设计、结构设计、精度设计三者密不可分，是机械设计工程师必须得掌握的。一个产品完成结构设计、强度设计后，必须标注尺寸精度或标注完尺寸精度是不够的，还需要标注形位精度或表面精度要求。通过重复、递进的灌输方式，使同学们形成思维习惯。这样，同学们对本课程就会更加上心，投入。克服机械设计就是重视三维造型，轻视工程图设计的局限思维。
二、突出讲授互换性的三大要素
严格地说本课程属于标准范畴，就是描述精度和配合的，虽然术语多、定义多，但主线就是描述尺寸精度、形位精度、表面精度及相互配合。如果按照一般教材的章节内容穿插多，对缺乏实践经验的学生而言，很难思维跳跃。因此讲授时先重点讲授尺寸精度、形位精度、表面精度（粗糙度），再根据教学要求讲授测量等其它内容。建议讲授的顺序是：绪论――尺寸精度――形位精度――表面精度――配合――螺纹、轴承等案例――测量，一般教科书中，配合的概念安排在尺寸精度（孔轴的极限与配合）章节中。虽然配合在定义上只与尺寸精度有关，但实际上，必须得考虑形位、表面精度，如果讲授完所有的精度设计（尺寸、形位、表面），再推出重点配合的定义，容易让学生形成精度与配合的有机统一。
三、尽可能用图示描述概念、术语
就像写报告一样，多用图表少用文字描述现象或概念可以简洁、突出。其实本课程最行之有效的办法就是用图示，教材编排按照标准要求一步一步深入没有错，但前提是吸引人，就像电影一样，否则电影没放完，人全睡着了。其实教师本身，讲着讲着也会感到枯燥乏味。比如孔轴极限与配合（尺寸精度）这一章，术语很多，按照图示讲解的来源和定义更加顺其自然，比如在黑板上画出流程图。按照结构设计、强度设计得到一个基本尺寸（设计尺寸），这是一个理论尺寸，接着论述制造过程中（人、机、料、法、环等方面）不可能做到百分之百精确的缘由，也强调从经济角度上说是不必要，于是自然而然产生一个许可的一个范围，从而引出相关公差、最大极限尺寸、上偏差等概念。其实很多术语都是很形象的，用图示讲解可以还原其本来面目，学生容易理解和接受。
四、用典型的工程图纸作为案例讲评
即使学生修完本课程，并不意味着可以进行精度设计了，实际上会感到无从下手。如何让学生将理论过渡到实践，案例讲评很有必要。建议选择装配图、焊接图、板类零件、轴类零件、齿轮零件各一张，装配图讲评常用的配合及要求；焊接图主要讲授焊接时为了防止焊接变形需要注意的形状精度，焊后加工的位置精度；板类零件通常通过等离子切割或者冲剪，如果精度要求不高，可以不用标注精度要求，或者注明总的精度要求，如本图按GB/t1894（m）；轴类零件一般有各级不用作用的阶梯，尺寸精度、形位精度和表面要求高，还有热处理要求，作为零件设计案例讲评很代表性；齿轮作为特殊零件的代表，也要讲评标注有何特殊性。经过这些典型图纸的讲评，学生基本掌握各种图纸的精度要点。以后遇到类似图纸设计时可以得心应手。
参考文献：
[1]廖念钊，互换性与技术测量[m]，中国质检出版社，2012
[2]刘丽华，机械精度设计与检测基础，哈尔滨工业大学出版社，2012
机械概念设计篇8
【关键词】远程；机械设计；服务器
1.机械设计发展概述
自二战结束以来，世界各发达国家逐渐重视设计理论和设计方法的研究，先后产生了许多新概念、新思想、新理论和新技术。从设计方法来看，国内外先后提出了并行设计、虚拟设计、协同设计，相似性设计、智能设计等新概念；从设计准则来看，出现了优化设计、可靠性设计、有限元等概念，从设计的手段来看，出现了计算机辅助设计，不仅普及了二维设计CaD软件，而且功能全面的三维造型软件也进入了实用阶段。
近年来，计算机网络技术、web技术和数据库技术的出现和飞速发展，给现代机械设计注入了新的生机和活力，机械设计逐渐向数字化、网络化方向发展。基于web的远程设计正是在这种条件下产生的。它的出现，使得各制造企业可以充分利用internet和web的国际互联性和资源共享性，组建企业间的动态联盟或虚拟设计小组，通过组合分散在各个地域企业的技术优势，发挥各个企业的局部特长，同时不同专业的技术人员可以不受地域的限制，在一个统一且易于访问的平台下进行异地的合作与设计，实现信息的交流和共享，进而快速开发出所需产品，提高产品设计的一次成功率。
2.国内外远程机械设计发展
2.1远程设计的概念和意义
远程设计即让设计人员通过客户端浏览器输入设计参数，服务器自动进行计算和选择，并根据确定的参数返回产品的规格或设计图形。远程设计技术是现代计算机技术、网络技术和机械设计技术在工程设计上的应用，它缩短了产品的设计周期和节省了设计成本，真正意义上地释放了工程技术人员。与传统的机械设计相比，远程设计具有以下优点：
（1）避免重复开发。目前企业或个人进行的机械产品设计，大部分是自己根据需要来开发设计软件，而不考虑是否有同类软件在市场中存在或者将自己的研究成果在允许的情况下租赁或免费为他人使用等。这就形成了重复开发，浪费了大量的人力和物力。
（2）降低了企业资金和人员的投入。特别是近年来三层B/S网络计算模式的出现，极大地降低了客户端软硬件的配置要求。远程设计可以为用户建立一个统一的设计平台，所有的设计都在高性能的服务器上运行，客户端只需完成设计任务的输入以及设计中某些参数的选择和结果显示即可。
（3）由于远程设计一般都有提供给用户进行交流和讨论的平台，这就不仅加强了各领域专家之间信息的共享和交换，而且大大提高了一次产品设计的成功率。
2.2远程设计的国内外研究现状
2.2.1在国外，有关远程协同设计的研究和应用起步较早，主要有
（1）早在上世纪80年代中期，麻省理工学院学者就从事了这方面的研究，并首次提出t计算机支持的协同工作的概念。
（2）20世纪90年代中期，美国伯克利加州大学的集成制造实验室在美国国家科学基金、美国国防先进制造计划福特汽车公司的资助下开展了一个名为Cybercast的研究项目，建立了世界上第一个基于www的设计和制造系统。
（3）英国建立的edinburghengineeringVirtualLibrary网站，提供工程设计、制造需要的各种信息，在英国建立了基于web的虚拟制造中心，为企业设计、分析、制造等提供服务，提高了企业特别是中小企业的市场竞争能力。
（4）英国Liverpool等大学研究并应用人工智能和internet提供滚动轴承的网络化设计服务。
2.2.2在国内，有关这方面的研究主要集中在高等院校和科研院所，其中主要有：
（1）以西安交通大学理论与轴承研究所为主、国内多家企业和研究机构共同参与建立了国内第一个支持产品协同设计的网站-现代产品设计与研究开发网络，旨在推进现代设计，主要提供设计知识的获取，参加的单位还有清华大学、华中理工大学、机械科学研究院、上海交通大学、重庆大学等国内许多著名的高校和科研院所。
（2）清华大学精密仪器及机械系摩擦学国家重点实验室开发出了基于web的异地合作设计系统C-design，该系统采用了Client/Server构架，客户与服务器之间通过Vaw来完成。
（3）上海先进制造工程技术研究中心和上海飞机制造公司开发了一个基于internet/web的异地设计与制造系统，利用其进行跨企业、跨地域的协同产品设计与制造。
另外，国内也有一些相关的网站，如：中国机械网、材料与制造综合信息服务平台等，它们提供机械设计技术数据、制造工艺技术数据等，并把机械设计技术、制造工艺技术、远程设计技术、产品数据库、计算机辅助设计都实现了网络化。在其中的机械设计技术模块中，用户只须选取自己要使用的设计模块，输入适当的参数就可自动设计出自己所需的零部件；在远程分析模块中，实现了常用机构的参数化仿真与分析。
3.远程设计系统的技术研究
在计算机网络技术的发展过程中，先后出现了以大型机为中心的计算模式、以服务器为中心的计算模式、客户机/服务器计算模式，以及随着web技术的成熟而发展起来的浏览器/服务器计算模式。
3.1通过对两种计算模式的研究和分析，B/S模式较US模式，具有以下优点
3.1.1界面风格统一、可移植
US模式的客户端往往采用不同的开发工具开发，因此界面不统一，一般来说也互不兼容，难以移植到其它的平台上运行，而B/S模式的客户端使用统一的web浏览器，根本就不存在移植性的问题，而且使用非常简单。
3.1.2跨平台性
B/S模式的系统较US模式的系统有更好的跨平台性，客户端可位于任意的软、硬件平台，因此跨平台的问题得到解决。
3.1.3易于管理和维护
C/S模式的系统针对不同的客户端需要开发不同的应用程序，完成的工作量较大。一旦系统要进行修改或升级，则要修改所有客户端上的应用程序，工作重复，管理和维护成本较高。反观B/S模式，由于应用软件集中在服务器端的开发和管理，因此应用系统进行升级时，只需更新服务器端的软件即可，无需客户端的参与，因此大大减少了系统维护与升级的成本与工作量。
3.2程设计系统的支撑技术
基于web的远程设计是一项涉及多学科多功能的综合活动，其中包括现代机械设计技术、web技术、数据库技术等。
3.2.1机械科学技术
机械科学的理论与知识是进行远程设计的前提。没有这些理论知识作根基，远程设计无从谈起。
3.2.2计算机网络技术
远程设计是以计算机网络为基础的，计算机网络是远程设计系统的运行平台。所有的设计过程中的信息都要通过网络来传递，网络基础的好坏直接影响到远程设计系统的质量，是实现远程设计的关键技术之一。
机械概念设计篇9
机械电子系统在近年来不断发展中已逐渐成为集计算机技术、机械电子学、控制技术以及信息技术等于一体的综合学科。其最早由日本提出，被定义为利用电子技术完成控制学与动力学相关内容的操作，以此促进机械使用效率的提高。而后期在广泛应用中，美国机械工程师又在此基础上提出机电一体化概念，具体指为在计算机技术应用的同时发挥网络信息协调作用，使机械运动下的机械与机电部件等保持相互作用的系统。从我国当前机械电子系统建设情况分析，其主要集中在机械技术的发展以及产品发展两方面，通过技术理论指导促进产品生产中技术应用水平的提高，以此使产品使用效果得以发挥[1]。
2机械电子系统发展现状
在世界经济发展处于低迷状态的背景下，许多如机械电子行业等领域已呈现趋缓态势，而且国际机电产品以其自身高生产效能与科技含量等优势很快占领我国市场，致使本土机电产品的销量开始下滑，机械电子系统的发展进入瓶颈期。例如，据相关数据表明，国内机电产品在2012年大多依托进口，且前三季度所进口的总额达168.2亿美元，使国内机械电子设备难以在市场中占有一席之地。从目前行业整体发展的现状分析，主要表现在：①关于新技术研发，与发达国家相比，国内技术研究水平较低，大多产品设备不具备较高的科技含量，无法实现科技成果转换为经济效益的目标。加上大多企业关于产品与技术研发方面的投入较少，产品设备的生产仍处于模仿阶段。②传统机械电子设备应用较为广泛。为节约成本，大多企业仍青睐于传统机械电子设备的应用，不具备较高的智能化与自动化水平。③许多集成化与网络化等技术未得到广泛应用，制约行业的整体发展[2]。
3机械电子系统未来发展趋势
机械电子技术自产生以来，应用与发展的情况可以三个阶段进行概括，其中在20世纪60年代前处于电子技术应用的初期阶段，人类生产生活活动中对电子技术的应用了解较少，但也在电子产品制造中有所涉及。而第二阶段主要为20世纪80年代，机械电子技术在前期发展的基础上得到进一步提高，也为整个行业的发展奠定了坚实的基础。第三阶段则为20世纪90年代以后，机械电子行业整体的发展趋向于自动化与智能化，在理论与技术应用等方面都为机械电子技术的发展提供了重要的支撑。其在未来发展整体趋势上主要表现为以下几方面：
3.1集成化与网络化方向发展
集成技术的应用强调结合现代许多先进技术，要求在机械电子系统中引入集成概念，确保产品生产包含创新理念的同时，使生产各环节得到有效监督与跟踪，促进产品生产过程保持良性状态。而在网络化方面，由于互联网技术的应用使许多网络信息资源已可实现共享，为机械电子系统的发展提供重要工具，可利用其进行企业之间的交流或直接学习国外先进机械电子技术。同时，对于机械电子系统操作过程中存在的难题也可利用远程技术解决，带动行业的整体发展。
3.2智能化方向发展
机械电子系统在人工智能概念提出后，无论从工作环境的改善或保证机械电子系统操作的稳定性都可通过人工智能计算完成。以当前社会电子行业整体发展趋势分析，企业的发展也需充分利用人工智能实现生产管理全过程中的智能化，通过其与计算机科学与模糊数学等结合，带动机械产品质量的进一步提高。
3.3模块化方向发展
机械电子产品在许多行业领域中都有涉及，所以产品种类繁多，若单纯依靠传统模式进行机电一体化产品的制造，如动力接口或机械接口等将面临较多的难题，而通过模块化的应用便可解决这些难题，有利于数控系统实现标准化、集成化。许多如pLC、CpU或接口等模块都可满足不同功能需求，并利用增减模块数量或以积木形式裁剪相应的功能，使数控系统具有不同的档次。
3.4科学计算可视化方向
机械电子系统中科学计算可视化的应用主要进行对数据的解释与处理，改变传统信息交流过程中完全依靠文字或语言表达的现状，可通过引入许多可视信息如图形或动画等。同时，结合虚拟环境技术的应用，机械电子产品的设计周期也得以缩短，保证产品质量的同时也使产品成本得以降低。另外，在可视化技术的应用下，许多如数控技术中涉及的道具管理或参数设定等都可进行仿真演示，为产品的加工生产提供重要的参考[3]。
4结论
机械概念设计篇10
关键词:创新设计;设计方法;产品设计
创新设计是现代产品设计理论的重要内容之一｡随着知识经济时代的到来,社会的进步与经济的发展更加依赖于人类的创新实践活动｡开展创新设计的研究对于建设创新型国家有重要意义｡
1创新的内涵
20世纪初,全球社会生产力的发展中只有5%是依靠技术创新取得的,而现在发达国家中的40%是依靠技术创新取得的｡
美籍奥裔经济学家熊彼特(josepha.schumpeter)于1912年在其著作《经济发展理论》中将“创新”作为一个经济学概念首次提出｡
熊彼特认为创新是发明的第一次商品化,也就是说,把发明引入生产体系并为商业化生产服务的过程就是创新,它意味着建立新的生产函数或供应函数,是在生产体系中引进一种生产要素和生产条件的新的组合｡
而发明实际上就是一个产品创新的过程,其关键是设计的创新,设计创新是实现产品创新的根本基础｡因此,创新设计的重要性就显而易见了｡
创新设计是一种创造性的智力活动,是设计者充分发挥自己的创造力,利用人类已有的科学技术成果,进行创新构思,应用新技术､新原理､新方法进行产品分析和设计的过程｡
2创新方法的发展
创新是一个及其复杂的过程,人类对创新本质的认识与研究还远远达不到科学的层次｡但是众多创新学者,经数十年的研究发现,科学技术的发明创造有一定的规律可循,他们大多是以原则､诀窍､思路形式指导人们克服心理和思维的障碍,改善思维的灵活性的过程｡
自20世纪30年代至80年代,世界上出现了300多种创新技法,10多种创造原理｡这些创新技法,各自从不同的角度､在一定程度上突破了制约创新的相关因素的限制｡
所谓创新技法就是在创造心理､创造性思维方法和认识规律基础上的技巧｡这些创新技法不存在科学的逻辑关系,大多数目前在理论上处于“初生期”,还远远未达到纯粹的科学水平｡
从思维的角度,创新是人类驾驭形象思维与逻辑思维､发散思维与收敛思维的过程｡
经过数十年的发展,在掌握已有创新技法的基础上,结合认知科学､人工智能､设计方法学､科学技术哲学等前沿学科,创新设计方法已成为一门独立且有待于开发的新的设计技术和方法｡
创新设计方法的发展历程如图1所示｡
最初的创新研究侧重于人的创造性思维,总结出一些具有指导意义的规律,形成各种创新技法,如:头脑风暴法､联想法､类比法､侧向思考､仿生法等｡
后来,创新方法的研究开始注重以知识(专利)为基础,通过对专利的分析与研究,总结创造活动所遵循的创新原理,该阶段的典型创新方法是triz理论｡
随着计算机技术的发展,创新方法的研究也出现新的趋势,在现阶段,各种成熟的创新设计方法开始集成化研究与应用,并与计算机(包括网络)技术相结合,形成计算机辅助创新(cai:computeraidedinnovation)技术,如:qfd､可靠性设计､网络协同创新技术､有限元分析等各种成熟的技术和方法开始融入到创新设计过程中｡
3机械产品创新设计的研究
机械产品创新设计的研究对于提高机械产品的设计水平､提高产品的竞争力有着重大的意义,受到世界各个国家的普遍重视｡
机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类己有的相关科学技术成果(含理论､方法､技术原理等),进行创新构思,应用新技术､新原理､新方法进行产品的分析和设计,设计出具有新颖性､创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动｡
一般来说,创新设计包括全新设计和适应型创新设计两类｡
需要指出的是,创新设计和概念设计并不是同一个概念,概念设计的核心是进行设计创新,而创新设计并不尽限于概念设计阶段｡在产品设计的各个阶段均有创新设计的问题,但是最主要的是在概念设计阶段进行创新｡
国内外学者针对机械产品创新设计,分别从设计的本质､设计的过程以及设计的方法等不同方面,做了大量的研究工作｡
创新设计理论和方法的研究现状见表1｡
4机械产品创新设计存在的问题及展望
通过上述文献的研究可以看出,尽管人们从不同角度对创新设计进行了数十年的研究,取得了一些成果,但是产品创新设计过程中还有一些问题仍没有解决,成为今后研究的重点｡
(1)创新设计本质过程的研究这实际上也是对设计的创新本质的认识｡尽管人们从思维方法､设计手段等多方面对创新问题进行探索,现在对创新的实质过程仍没有一个统一的､深层次的认识,无法形成一个完整的理论去指导创新实践｡在这方面我们仍需要做大量的工作｡
(2)创新设计中知识的表达与应用首先,产品创新过程涉及多学科､多种技术,如何将设计知识组织管理,满足设计主体对知识的需求是今后的研究重点｡其次,为创新设计过程建立科学的产品模型,结合现代cad技术,支持创新方案的快速表达,对于提高设计效率有重要意义｡
(3)设计理论研究与设计工具开发存在严重脱节人们对于设计理论及创新问题进行了大量研究,但是理论研究与设计工具,特别是产品的结构设计工具存在严重的脱节｡一方面某些机械结构设计理论和方法的研究较少考虑计算机实现的问题;另一方面设计工具开发时,又没有适合计算机进行的结构设计自动化和智能化理论｡需要深入研究机械产品设计中功——构映射的本质规律｡
(4)创新设计过程的集成化技术研究创新设计过程的集成化技术的重点在于概念设计的集成化实现,主要是指产品的原理方案创新与结构方案创新的集成｡现有的设计理论或设计工具多是从不同的角度,考虑某阶段的创新实现问题,如:techoptimizer可以辅助实现产品原理方案的创新,但需要其他cad系统完成结构的设计工作;一些大型的cad/cae/cam商品化软件,如:ug､pro/e等均开发出了支持概念设计的工业设计模块或草图设计模块,但是这些模块基本上仍是计算机辅助绘图的工具,几乎不支持原理方案的创新｡缺乏统一的创新设计理论指导创新设计过程,是造成原理方案创新与结构方案创新的集成度低的主要原因｡