机械创新设计的基本原理篇1
科技的进步使得人们对机械设计也提出了更高的要求。本文主要对当前机械设计中的相关理论进行系统分析，阐述机械设计的方法和过程，并对现代机械设计的创新方法进行了详细研究，同时论述了机械的创新设计步骤。
关键词:
现代机械设计;创新方法;研究
在科技高速发展的今天，人们的思维方式也产生了很大变化，机械设计人员除了要准确掌握机械设计原理以外，还要在思维方式上有所拓展。要求机械设计人员创新理念，在结构设计上与产品的相关功能进行紧密联系，将设计手段与计算机辅助设计进行有效融合，只有这样才能够设计出令受众满意的机械产品。
1现代机械设计
与传统机械设计相比，现代机械设计更加注重计算机化、动态化和科学化。现代机械设计理论是在机械设计理论学科基础上形成的，它包括了信息、控制、优化等内容，而对于相对比较复杂的产品而言，现代机械设计的优势也体现得更加明显。现代机械设计是在传统机械设计的基础上形成的，但它又在传统机械设计的基础上进行了极大创新，进而形成了一个完美且科学合理的机械产品设计。这不仅需要传统机械设计的相关经验，而且还需要在现代机械设计中引入先进的设计方法。
2机械设计方法及过程
具体机械设计步骤如图1所示。项目设计的前期工作主要包含对地区的实地调研，并对其进行可行性研究，制定可行性的计划和方案。方案设计主要包括:对功能的总体分析、对系统原理进行解释，确定最佳方案。技术设计包括:技术的总体设计、实验环节设计以及选型设计等。施工设计主要包括:零件画图、编写相关的技术文件、生产，等等。在机械设计中，每一个环节都要充分发挥人的主观能动性，利用科学技术手段来对机械设计进行不断创新。
3设计方法创新
创新设计是机械设计领域中对专业知识和设计经验的一个综合，在设计过程中能够真正体现出机械产品的真实价值，所设计的产品一般都是由人的主观能动性和创造性思维共同促成，这也是形成新思维模式的一种方法。对机械设计进行创新时，首先要充分发挥人的主观意识和想象力，能够在机械设计的过程中，运用现代化的机械设计方法来对产品进行创新设计，其设计模式也要选择现代化的科学思维方式来对设计理念进行分析，并且要求运用现代化的科学方法和工具来保证设计过程的完整性。在实际的机械设计过程中还要保证设计的创造性，尤其在对新产品进行设计时，要凸显创新意识。现代机械设计的创新主要包括两方面的内容:第一，通过创新使已经成型的产品更加具有技术性和可靠性。第二，从其他方面挖掘创新设计点，通过创新设计出机械产品来满足人们日益增长的生产生活需求。这两方面的创新与创新思维模式紧密联系在一起，而且与科学技术手段和设计工具也存在紧密联系。
3.1机械创新设计步骤
a.重点研究机械产品的工作原理及其本质。B.重点对机械生产产品的性能和结构进行分析，并对其类型进行综合考量。C.对机械产品的尺度以及参数进行优化选择。D.对机械产品进行最终的综合分析和协调。机械长效设计步骤的具体内容如图2所示。
3.2机械创新设计分类
3.2.1变形设计
这一设计手段主要是在原机械产品的基础上进行系列化、标准化的设计，以此来进一步满足使用者的实际需求，除此之外，还要对产品的功能、原理以及结构进行系统性分析，同时还可以进行跨系列产品的设计，这也是产品动力提升的主要手段。
3.2.2可靠性设计
这一设计也是当前机械设计中工程师们追求的主要目标。可靠性是衡量产品质量的重要指标。一般来说，可靠性设计与常规设计基本上都可以实现对应，常规的设计手段是凭借着多年的经验来进行设计，而可靠性设计则是在常规设计的基础上进行了延伸，更加系统地明确了科学分析与设计变量之间的关系。机械的可靠性设计融合了当前各个学科的知识点，并且将常规设计中的变量直接转变为随机变量，以分布规律为基准，运用相关的统计方法来对机械产品进行设计，从而满足可靠性的要求。
3.2.3并行设计
一般传统的机械设计采用的是串行设计方法，这种方法存在一个较大的弊端，即:生产周期相对较长且成本非常高。并行设计是一种系统化的设计方法，它也是以计算机为基础，这种设计手段打破了传统意义上的系统内部结构，创建了相互促进、相互协调的设计模式，很好地实现了机械设计制造的一体化发展。在机械设计制造的过程中，设计人员还充分考虑了机械设计质量、周期以及成本等因素，由此可见，并行设计是一种集成性极强的设计方法。
3.2.4反求设计
反求设计方法是目前多数国家发展科学技术和研究新产品的主要设计方法。目前反求设计需要解决的问题主要包括:a.三维重构方法，提高设计进度，减小误差区间。B.结合人工智能形成一套科学的设计还原技术，进而完成对原有设计的反求。C.重点研究适合反求设计的机械产品模型技术，并将相关的配套产品进行模型建立，以方便原始参数的反求还原要求。
4结语
本文针对当前现代化的机械设计理论进行了系统分析，对机械设计中的相关设计方法进行重点讨论，并对现代机械设计中的创新点进行了系统研究。通过研究发现，现代机械设计要比传统意义上的机械设计优势更为明显，这一优势主要体现在系统的结构重组以及实现过程上。现代机械设计与科学技术手段的结合也使机械设计的创新提升到了另一个高度。创新是以人的主观能动性为基础，而机械设计人员要想以创新思维来对产品需求进行分析和设计时，须保证对现代机械设计工具熟练掌握，只有这样才能够设计出满足人们实际需求的机械产品。
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机械创新设计的基本原理篇2
前言：机械设计作为一个复杂的过程，评价其好坏当然不能只从某一个或者某几个侧面来说。但是，机械设计的最终成果就是产品，产品直接面对终端消费者，所以说机械设计水平高低的最为直接的体现就在于产品。机械设计的创新方法也是为提高该过程的水平而服务，因此，可以从产品质量的角度出发来进行机械设计创新方法的研究。结合近年经验来看，主要是变元法的变型运用、新型材料的合理运用和三维CaD等技术的革新。
1.基于产品全方位优化的机械创新设计
1.1基于产品稳定性的机械设计创新
产品的稳定性对于产品而言可谓是评价其性能好坏的关键之所在，如果一台机器频繁出现故障，那么即使它运作时再流畅，它也无法算得上是一台好产品。通过机械设计创新来提高产品的稳定性，就要运用到现代优化设计理念。现代优化设计包括了现代科技的众多因素，如函数、数学理论、信息技术等，通过最新型的设计途径得出最优化的设计方案，以满足工业发展的新要求，这里得要求主要指针对产品的稳定性进行机械设计创新。[1]从原件入手，使机械设备在零件上具备更标准的规格，在部件上更加通用，在设备整体上更加系统，这就要用到变型设计。变型设计就是在原有产品的类型基础上，在机械设计时进行深度开发，其中又包括纵系列和横系列，涉及机械产品设备的尺寸、参数和功能。要增加产品的稳定性，很重要的一点就是机械设备内部元件的固化，这涉及到不同的工艺方法，使用不同的工艺装配出来的产品最终在稳定性上会有很大差异，需要具体情况进行具体分析，需要工艺适当更改以满足产品性能要求.这就要求对零件的加工工艺和热处理工艺能够合理选择并在一定程度上予以改良，也就是对机械设备工艺方法进行科学变元。
1.2基于产品环保性能的机械设计创新
随着环保观念逐渐深入人心，机械设计也无法不与环保联系起来，绿色环保机械逐渐步入人们的视野。相应地，如何设计出符合环保要求的机械产品也成为机械设计的一大突破点。从材料选择入手，要尽量考虑选用可回收、易分解、可再生的环保材料。除此之外，结构件的设计要满足无毒无害的选配要求，还以提高机械材料的再生率为宗旨，尽量遵循低能耗、长寿命、无污染的原则，尽可能提高机械设备的耐久性能，实现机械化高效率。就环保来说，最为长久的就是节能设计，如果机械设备能做到节能，那可以说是“一劳永逸”。要做到节能，可以考虑采用双泵分合流技术、液压负荷传感技术和静液驱动技术等设计方式达到高效节能的目的。谈到电机，如何选择电机也很重要。应当选择噪音小，油耗少，排放少的电机。如果噪音不能避免，那就要增加机械设计中的降噪处理环节，这也可以成为机械设计创新的一个思考方向。
1.3基于产品经济效益的机械设计创新
所谓经济效益，就是要达到利益最大化，达到利益最大化可以从机械设计的过程中和机械设计的成果着手。一方面来说，现代机械工程创新设计应结合市场需求和客户要求，科学、合理地控制机械工程设计成本。要做到节约成本，首先就应当从原材料入手。固然，选择价格低廉且品质优良的原材料最为符合要求，可是事实上这样的材料并不好找，再者不同的材料拥有各自不同的功能，而这些原材料对于工艺加工的要求又不尽相同，只有通过加工以后才能得到最后想要的理想材料，才能够达到参数的标准，这样一来找到替换的材料难度极其大。这时就是就要运用机械设计创新了。为什么这么说呢？其实就是对于这些不可加工的材料可以运用材料变元法进行新的方案的设计和研究，此处所谓的变元法就是改变一种变量或两种变量从而达到最后的结果不变的道理来实现接卸设计中的创新设计的。除此之外，还可以运用人工智能化的方法，解放设计人员的思维，降低设计人员的劳动量，这就是在环节中无形降低了生产的成本。人工智能，无疑也是一种创新。另一方面，从机械设计的成果来说，就是要让产品的销路打开，跟机械设计联系起来就是说成品要能够吸引受众，产品的稳定性和环保性能在上文已经详细介绍过，此处不再赘述，这里主要说明机械设计创新之于产品的外观，主要手段就是加大机械设计中的设计几何学的运用，即用单位坐标系分析形体分割位置，用心规划比例关系以赋予成品更强的协调感。这个过程中可以引进国外的经验和先进理念。只有从过程和结果分别进行机械设计的创新，才能最大程度上保证经济效益。
2.现代机械工程创新设计的突破点
2.1机械设计人员思维的创新
机械设计人员的思维创新可以说是现代机械设计创新的根本。最为根本的思维上的突破应当就是人工智能的使用，其中包括CaD技术、基于aSp的internet接口方案、基于Browser/Server的网络计算模型、SQSServer数据库等，其中以CaD技术和数据库技术的使用最为常见。除了人工智能以外，就设计人员的自身思维来讲也可以有所突破，这里头最难的就是设计人员思维的立体性，也就是思维的联动性。之所以要实现创新思维的立体性，保持思维的层次性立体性，实现横向、竖向和逆向思维的统一，就是为做到在设计时权衡利弊，选择最优方案。再就是老生常谈的话题了，即思维的突破性、独创性和实用性。[2]也就是说，要求设计人员不要囿于固有思维套路，而要积极探寻，争取研发出更优的设计方案，但与此同时还不能罔顾机械设计实际，纸上谈兵。总的来说，就是设计人员要在符合实际的情况下开拓自身思维，力求更完美的设计方案。
2.2探索创新之于机械设计各环节
说到机械设计各环节的方法创新，其实有很多，接下来列举几例。比如说立足于分析机械结构设计流程的基础上，研究参数化设计方法再转变到Cae模型的CaD/Cae转换机制，是一种有效的双向机制。再比如说，设计环节的反求设计，这主要是针对减少误差和数据还原而设计的。还有三维CaD技术的大量运用，再加上之前谈到过的各个环节变元法的灵活运用及其各种变型方法在实践中的大量运用，以及和CaD/Cae转换机制类似的同样立足于it技术的Cam技术的运用和运用it技术的同时需要设计人员积极配合的网络协同技术，后者主要是利用网络实时数据的传输特性，这样一来不仅能够掌握动态数据，还便于设计人员建立相关网络平台进行探讨、比对、研究。每个方法的运用范围或有重叠，交叉，但是他们各自又具备彼此所不能取代的优点，他们对于机械设计的探索创新来说都很重要。
机械创新设计的基本原理篇3
关键词：机械原理教学培养创新
中图分类号：F407.4文献标识码：a文章编号：
随着社会的发展,机械化生产规模将日益扩大，需要设计出各种高质量的机械设备或对原有的机械设备进行技术改造,这就需要具有掌握机械原理知识和创新能力的工程技术人员。因此机械原理教学就越来越重要,我们不能拘泥于填鸭式的教学方式,而应该改进机械原理课程教学,并培养学生的创新能力。
我们现在所培养的学生,都将是21世纪的建设者。为培养跨世纪需要的基础知识扎实、知识面宽、动手能力强、素质高的创造性人才,机械原理课程肩负着重任。我们常说要有创新精神,而学生的创新能力的培养是我们教学过程中非常重要的任务。创新能力基于创新意识,如果有了创新的意念,再加上掌握一些创新方法,就具有创造的基本条件。我们就此问题在机械原理课程的教学过程中进行了探索和实践。
一、把培养学生的创新意识作为课程的主要任务
机械原理课程是机械类专业的一门重要技术基础课,它的重要任务之一是培养学生能进行机械运动方案的构思和创意设计,是发挥学生创造力的一门较合适的课程。那么目前技校学生的创造性思维现状如何呢?为了作到胸中有数,我们在一次考试意出了一个结构改错的题目,将一个简单的自由度为0的运动链改为F=1的机构。结果大多数同学在情急之中都提出了自己认为合理的改进措施,有低副机构，也有高副机构，各种各样的想法都有。这个结果很令人鼓舞。它告诉我们：只要善于引导，即使是普通技校的学生也能拥有创造力。如何培养学生的创造力,需要全社会的重视与全体教育工作者的努力。这一现状提醒我们应该在课程的指导思想上进行改革。我们提出“以培养学生创新意识为主线”的教学指导思想,并将它贯穿于课堂教学、课外科技活动、实验、课程设计等一系列教学环节中。
二、培养学生创新意识的几点做法
在将“以培养学生创新意识为主线”的教学指导思想付诸实践的过程中,我们认为知识是创造的基础,一个人如果没有丰富的基础知识就根本谈不上有所创新。机械原理课程基本概念多，比较抽象，如何让学生想学并学会这些枯燥无味的、抽象的基本概念呢?如果不注意采用合适的教学方法,就很难有好的教学效果。我们从以下几个方面进行了一些尝试：
(1)为了更好的培养学生的创新思维，在课堂教学中要鼓励学生积极思考，注重启发式教学，营造一个活跃的课堂氛围，使学生养成积极主动思维的习惯。“机构”、“机器”贯穿于机械原理课程讲授的全过程，怎样让这些没有实践经验的学生建立起机械的概念，从而认识机械呢？为了唤起学生的认识,提醒学生根据自己的日常接触和经验进行归纳整理,如洗衣机、汽车、各种机床等，对一些典型的例子进行剖析，如汽车四冲程内燃机、织布机等。对一些基本概念让学生在理解的基础上进行记忆。从而摆脱单一固定的模式，鼓励学生进行发散思维。
(2)在学校组织的课外科技活动中，鼓励学生做一些用机械原理知识去解决的一些工程实际问题的题目，激发学生的创造欲望。例如装卸货平台高低调整板，需用到好几套平面连杆机构来实现其运动,它的创意构思和设计极大地唤起了学生的创造欲望。很多学生积极参与到科技小制作中来,在第二课堂中，通过制作，同学们得到了实际的锻炼和创造性思维的训练。
(3)在机械原理课程设计中,增加机械运动方案选型设计的内容。开始时规定一个工艺动作由学生每四人一组定方案,给每个同学定具体题目,自己构思一个具体机构,如折叠椅、水果去皮机、擦窗机、扫地机或者某一玩具设计等。同时也鼓励他们选自己感兴趣的课题。学生在学完常用机构后就可构思,他们对这类题目很兴趣,认为虽然经历了辛苦的创意劳动,但确有收获。
(4)创建机构创新设计实验室。刚接触到机构运动简图时,很多同学不习惯,也看不懂机构简图。因为他们的感性认识太少,为解决这个矛盾,除在课堂教学中适当多用教具模型、电化教学等手段外,我们还购制了一些典型机器和机构实物,这些反映创新意识的、具有较为新颖的机构及机械结构的机电产品可供学生随时拆装、观察。学生通过了解各种新颖的机构和巧妙实用的机械结构,分析它们的工作原理、运动方案、机械结构和关键技术,并在此基础上重新进行创造性构思,使他们受到创造思维的训练。
采用现代化教学手段Cai,使原来静止不动的机构在屏幕上“动”起来,一可以节约大量的教师讲解时间,还能使学生建立起各种机构、机器运动的感性认识。有兴趣的学生可参与到软件制作的行列中,提高学生的学习兴趣。
三、探索体会与建议
目前很多技校在普遍压缩机械原理课程学时数的情况下，还想增加内容，这样一来，原有的学时数少而教学内容多的矛盾愈加突出，很难引入更多的训练与开发创新设计能力的内容。为此合理取舍和安排教学内容，根据各教学环节的教学特点，恰当选择教学方法和教学手段，以期在最短的时间内达到最佳的教学效果。为了使学生的创新思维得到更好的训练,，可以采取以下措施：
首先由于在引导学生创新思维的过程中，机械原理课程任课教师起着非常关键的作用。能否对学生进行系统的创造性思维训练,教师自己得身体力行。不断加强自身素质建设,注重自己能力的培养,因此在理论研究及教学之余，参加科研活动是必经之路。
其次，各相关课程都应把培养学生的创新性思维的训练作为课程的主要内容，并将其落在实处，通过教学各环节对学生进行训练，逐渐培养其创新意识,激起他们的创造激情，使他们掌握创新设计方法。
最后在技校中开展课外创造性设计的实践活动，使学生可根据自己的特长选择自己感兴趣的机构进行设计制作，为这些机构提供必要的场所和活动资金，在学生在实践过程中增长知识，从而加深对创新设计的认识。
除了上述方法之外，还可以通过参赛提高学生的创新设计能力，激发学生的创新热情。使学生在参加竞赛的过程中，不断提高和完善自己的创作，增强他们的学习兴趣和自信心，同时使学生在竞赛中加强学术思想的交流，激发更新的创新意识。
结语：
通过机械原理教学过程中加强创新设计能力的培养，我们深深体会到：学生中的确蕴藏着巨大的创新潜力。他们朝气蓬勃，思维不受条件的约束，容易产生创新的火花。关键是要在一种宽松和谐的教学环境中，积极调动学生学习的积极性和创造性，拓宽学生的知识面，将课堂教学、创新理论和实践有机结合起来，学生才可能发挥创新能力，开发出一流的产品，服务于社会。
参考文献：
机械创新设计的基本原理篇4
关键词：机械设计；课程教学；挑战；对策讨论
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2013）15-0109-03
一、引言
“作为生产力的一个要素，工程技术把科学原理转变为改造世界的动力，是科学发现和产业发展联系的桥梁；是产业革命、经济发展与社会进步的强大杠杆。”人类社会已经经历了三次工业革命。18世纪的机械工业革命产生了纺织工业、机械制造业、铁路运输业和煤炭工业等；第二次工业革命中崛起了电力工业、化工工业、冶金工业和汽车工业等；第三次工业革命催生了电子工业、计算机工业、空间工业、合成材料工业和原子能工业等。机械设计作为机械工程的技术基础在不断地更新与发展，机械设计课程的内容与教学方式也随着新科技的发展而不断进化，机械设计教学的基本要求就是使得学生获取机械产品设计的知识、拓展设计能力、提高素质和开启智慧。
人们设计、制造、检测和销售产品是为了获取利润，在向用户提供使用价值的同时获得自己劳动应该得到的利润。劳动创造价值，机械产品的设计最终目的就是提供使用价值，同时获得劳动报酬。因此，价值—功能—原理—结构的产品设计思路认为，在设计产品的初期，设计者思考的不仅仅是产品应具有的功能，也必然考虑产品的市场销售能得到多少利润。
在创新氛围日益浓厚的21世纪，创新教育与创新实践是各国教育界特别重视的问题。面对生命科学与技术为核心的21世纪，机械设计课程面临新的挑战。在新的世纪，机械设计教学不应“渴而穿井，斗而铸锥”，而是应该未雨绸缪、积极面对新的挑战。本文从当前科技的发展出发，讨论机械设计课程面临的挑战。
二、机械设计的基础
17世纪和18世纪初叶是钟表时代，18世纪末叶和19世纪是蒸汽机时代。机构学的发展，出现了曲柄滑块原理的内燃机、汽轮机和水轮机等，实现了将柴油和汽油的化学能转化为机械能；原煤的化学能经热能转化为机械能；水的动能和势能转化为电能或机械能。这些技术发展进程中，诞生了机械设计课程。
机械设计包括机械原理、机械零件和机械系统设计三部分内容。机械原理讨论机构的设计、运动分析和动力学分析。机械零件部分讨论机械零件的强度、刚度、振动稳定性和耐磨性等设计方法，并且介绍机械的结构设计。机械系统设计部分讨论机械系统的动平衡、速度波动调节以及系统方案优化设计等。机械产品的创新设计以上述三部分内容为基础，对产品设计进行改进或革新。
1.机械原理。机构的设计与分析是机械原理的核心内容。常用的机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗杆结构、摩擦轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。机构的演变或创新方法有：机构的组合、机构的演绎、机构的逆向设计以及新原理的应用等。机构组合是常用的设计方法，通过不同类型机构组合或者同类型机构的组合，得到实现运动轨迹的新组合机构。机构的演绎是通过改变机构的运动副、构件几何设计、机构的变结构等方法，获得新的机构设计。机构的逆向设计，常用主动构件和输出构件互换、增加或减少自由度数即原动件数，来获得新的机构设计方案。机构的运动分析和动力学分析，常用计算机辅助设计的方法来分析，以获得运动轨迹、加速度和跃度的变化曲线。机构的创新设计是机械产品创新的基本内容，也是对产品在较大程度上的革新。
2.机械零件。机械零件分为通用零件和专用零件。机械零件部分介绍的是各类通用零部件，包括连接零件、传动零件、轴系零部件以及弹簧、机架和导轨等。连接零件有螺纹连接、销、键和花键、过盈连接、胶接、焊接和铆接等。传动部分有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、摩擦轮传动等。轴系部分有轴承和轴的设计，其中轴承有滑动轴承、滚动轴承、空气轴承、电磁轴承和静电轴承等。机械零件的设计是针对零件的失效形式来进行的。首先由实践确定机械零件的失效形式，然后选择零件的材料和表面处理技术，以抵抗其失效形式，再依据相应的设计理论提出设计准则和设计公式，最后是设计零件的所有结构尺寸。另一方面，机械零件是物化的产品，其结构设计和制造工艺性设计也是关键方面。机械零件的创新设计方法有变结构的设计、组合设计以及采用新原理的设计等。
3.机械系统设计。机械产品越来越复杂，组成机械产品的零件个数越来越多。机械系统的传统设计内容有动平衡、速度波动调节和分系统之间的匹配等。机械子系统的设计，包括动力系统、传动系统、执行系统、控制系统和辅助系统的设计。在计算技术发展后，针对系统层面出现了系统优化设计、系统可靠性设计和系统摩擦学设计，并且在产品设计中得到应用和推广。随着生态设计、全寿命周期设计、维修设计和自动化设计的发展，基于系统分析和计算仿真的设计软件包日益增多。经典的设计内容都可以由软件包来完成，然而对于新材料的机械零部件设计及其系统设计，仍需要理论和实验的应用基础研究，以获得设计准则和相应的设计方法。
三、机械设计面临的挑战
我国的机械工程高等教育是从20世纪初开始的，落后于欧洲的第一次产业革命200余年。因此，我国的机械工程科学与技术距世界先进水平有差距是有其历史原因的。在改革开放后，国家的载人航天、高速铁路和青藏铁路等重大工程的建设推动了机械、电气、信息和材料等学科技术的进步，同时也促进了不同学科的技术整合，以新的系统产品提供给消费者。然而，我国的工程教育历史较短，仍有待借鉴国外先进的工程教育经验和教育方法。目前，机械设计教学与产品设计面临的挑战有创新能力的培养、系统性的思维观、新的科学原理带来的挑战等。
1.新材料带来的挑战。人类的发展史从某种意义上说也是人类利用和制造材料的历史。随着人们对石头、铜及其合金、铁及其合金、半导体材料的制造和使用，人类社会经历了石器时代、青铜时代、铁器时代和半导体时代。在上个世纪末，智能材料的发展非常迅速，例如压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料等，机敏材料正得到更多的应用。在量子力学基础上出现的新智能材料，将为机械产品设计提供更广阔的空间。作为机械产品设计工程师，要时刻关注智能材料的进展及其制备技术。纳米材料作为一种介观尺度的材料，已在纳米添加剂方面得到工程应用。另一方面，材料的成本与市场供应也是产品设计阶段需要考虑的内容。新材料的发展与研制，为机械产品设计提供了更多的设计选择，也同时使得以前不可实现的产品功能得以实现。生物材料及其仿生技术是新材料的发展方向之一，设计师应关注这一方面的新进展、新技术和制造过程，在较短时间内将其应用于产品设计，为人们的安全、舒适的生活和健康提供新的产品。
2.信息科技带来的挑战。从信息论和控制论的诞生开始，人们就进入了信息社会。计算技术的软件、硬件和系统技术，作为20世纪的标志性进展，以此为阶梯，人们开始了信息社会的生产与生活。信息技术使得地球变成了地球村，各地信息及时传递与互享共用，改变着人们的生活方式、生产方式和思维习惯等。毫无疑问，我们已经生活在信息社会里，信息技术对机械系统中的控制单元设计进行了彻底的变革。产品的设计涉及功能、结构、外部界面、用户界面和成本五个方面。产品的创新设计方法很多，例如前苏联学者G.S.altshuller提出了创新问题解决方法。无人车间、无人制造工厂不再是人们的向往，而是已经成为现实。信息技术已经提供了虚拟战场、3D虚拟电影、虚拟产品模型、虚拟产品装配等一系列产品和相关的技术。机械制造的核心，机床已经是计算机控制的可编程设备，机械制造过程也已经是柔性的可变制造系统的生产线。可以预见，信息技术不仅会为人们的生活提供手机和无线网络等，也将提供虚拟的生活体验，例如虚拟的蹦极、虚拟侏罗纪公园等。信息科技对机械设计和机械制造的变革不会比电气化革命带来的少，而且更加深刻、更加深远。机械设计工程师要学习新的信息科学与信息技术，用其革新机械产品的设计、机械制造过程和管理过程。
3.智能科学带来的挑战。21世纪是生命科学与技术的时代，生命的基本特征就是智能与生长。智能科学的发展与信息科学密切相关，也可以说是以信息科技为基础的。简单智能产品，例如冰箱、空调等，已成为商用产品，而且新的更高智能程度产品也在日新月异的发展之中。基于信息技术的智能交通系统、公园导游系统、空中管制系统等产品已具雏形，随着信息处理的高度智能化发展，这些信息管理系统也需不断地升级。1956年到1961年可以说是ai研究的形成时期，卡内基-梅隆大学、麻省理工学院和iBm公司开始了ai的早期研究。1961年到20世纪80年代是ai成长期，80年代是其快速发展期，80年代后人工智能技术步入实用化成熟期。取得了国际象棋、口语识别、机器视角和专家系统等研究成果。
4.生态环境带来的挑战。随着生产的规模扩大，对自然资源的消耗日益严重，伴随出现的环境污染也日益突出。在今天的生产发展阶段，保护自然生态环境的压力更加突出。为了保护人类的生活环境，必须从产品设计、产品制造到产品回收循环利用的全周期，考虑产品的环境绿色性。产品供应链的全球化、网络化与节能设计，是新世纪机械产品设计需要考虑的新问题。机械产品的设计阶段就很大程度上决定了产品的环境友好性。从材料选择来说，应采用材料种类更少的设计方案；从计算参数设计来看，应提高功能参数与质量之比，更大程度地发挥材料的性能；从结构设计来说，应尽可能地循环利用报废机器的零件，或者通过最低成本的再制造，然后循环利用零部件；在功能设计来说，应尽可能发挥产品的设计构思，提供更多、更便捷、更低成本的功能实现方案。如此等等，在整个产品设计阶段贯彻生态设计的理念，为保护自然环境和最大效能利用资源做出努力。
四、小结
机械产品创新设计必需解决新发展的挑战，新材料、信息技术、智能科学与生态环境等带来的将是长期面临的新问题。机械设计的发展是个动态的吐故纳新过程，只要我们睁开眼睛、敞开胸怀，以前期的机械机构设计、结构设计、强度和刚度设计、可靠性设计、优化设计和摩擦学设计等知识为基础，必将在新的世纪中创造出更多更好的新产品。
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机械创新设计的基本原理篇5
关键词：机械基础课程；创新教育；能力培养；教学探索
中图分类号：G71文献标识码：a文章编号：1009-0118（2012）-03-0-02
随着普通高中的扩招，职业学校特别是中等职业学校生源数量下降，学生整体素质滑坡，个体差异也较大：不同年度入学新生成绩总体呈下降趋势，同一年度内入学新生的成绩差距也很明显，即使同一个专业、同一个班级学生的个体差异也很大。因此，在这种情况下要进行教学改革，细分教材，细化教学目标，针对不同层次学生，制定不同的教学目标和要求，采用不同的教学方法。
一、以培养创新能力为主线，改革课程内容和课程体系
教学体系的改革要保证学生创新能力的培养，尤其是建立以培养学生的工程意识和创新设计能力为主的新体系。机电产品的设计一般要经过产品的规划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。学生通过机械基础系列课程的学习，不仅要掌握这些阶段所需的基本理论知识，还应掌握其现代设计的基本方法与创新设计的基本思路。因此，需要明确各课程在培养学生工程意识和综合创新设计能力方面的任务。如画法几何及机械制图课程注重培养空间形象和创造性构形的设计能力；工程材料及机械制造基础课程注重培养工程意识和实践动手能力；机械原理和机械设计课程注重培养创新设计的能力等。
各门课程要根据自身在系列课程中的地位和作用，从培养创新能力出发，对教学内容进行重组和优化。如在工程制图教学中穿插形体设计、构件设计等内容；机械原理课程由传统的以机构分析为主转向以培养学生综合能力为主，突出执行系统设计的思想，加强机械运动方案设计的内容，强化机电一体化思路，介绍气、液、电驱动的机构和机电一体化的执行机构，以开阔学生的思路。
二、加强机械系统整体观念，以工程实践为目标，改革实践教学体系
（一）实践教学体系和内容的改革
过去的教学体系重理论，轻实践，加之教育经费投入不足，实验较少，效果较差。经过多年探索，我们更新了实践教学内容，完善了实践教学体系，增加了实验课学时，改善了过去教学的不足之处。比如，为培养学生的工程实践能力，配合机械制图课程零件图和装配图教学，我们开设了“典型机器拆装及分析实验”。通过实验，使学生对某些机构有了感性认识，对公差配合工具使用和装配工作的一般规范有所了解，增强了学生的工程意识，提高了学生学习机械的兴趣，为零件图和装配图的学习打下了良好的基础，使学生顺利地从纯几何构形过度到机械零件构形设计。
（二）课程设计与实践教学新体系
工程意识和创新能力的培养，关键在于将许多学科知识与经验综合应用，强调实践性，重视解决问题。为了提高这一环节的教学效果，我们对原课程的“大作业”和“课程设计”等环节进行了以下改革。
1、增加“几何造型与构形设计”
为了培养学生的空间形象和创造性构形的设计能力，工程制图将教学重点从制图方法转向工程设计思想和创新意识的图形表达，启发学生学会观察生活实际中接触到的常见物体的构形和表达方法，并要求学生设计出具有创意的作品，将几何体的截交线、相贯、组合体构形等上升到实际应用中，真正将工程设计与工程制图结合在一起，培养学生创造性思维和用图形表达设计思想的能力，为后续的产品造型设计奠定基础。
2、增加“零件金工工艺设计”
该设计用一周的时间完成两项内容，一是单工种的工艺设计。将铸造、锻压和切削加工工艺分开进行，以考察学生对某一工种的工艺设计掌握的情况。内容包括材料加工方法的选择，零件的结构工艺性分析，主要工艺过程和工艺参数的确定和计算，工艺图的绘制和工艺卡的编制。二是综合性工艺设计。让学生完成一个零件从毛坯到成品的全部工艺过程设计，来考察学生综合运用工艺知识的能力。内容包括毛坯成形工艺的确定，材料的选择，工序及工艺的确定，机加工方法的确定，工艺参数的计算，工艺图的绘制及工艺文件的编制等。
3、改革机械设计课程大作业
针对原课程侧重于典型零部件分析的机械设计大作业，我们改为以设计为主的简单机械设计训练。如千斤顶的设计，学生通过调查、查阅资料，设计出了多种千斤顶的方案：汽车用千斤顶、圆锥螺旋千斤顶、蜗杆螺旋千斤顶、单一螺旋千斤顶和压力机等。通过千斤顶多方案的设计比较，学生不仅掌握了传动方案的设计方法，开阔了眼界，同时培养了创新设计的能力。
4、将机械原理、机械设计的课程设计整合
将机械原理、机械设计的课程设计整合，通过一个有生产背景的实践课题，以设计对象为主线，使学生通过原理方案的设计、执行机构的设计、传动方案的设计、结构设计等过程，加深对机械系统的整体认识，加强设计中的工程意识，这样就培养了学生的综合创新设计能力。
三、进行创新性教育，营造培养创新能力的环境
机械创新设计课程改变了以教师为中心的教学方式，让学生积极主动地参与教学的全过程。在导学上下功夫，注重学习方法的指导，教会学生思维方法，突出教学方法的多样性，努力尝试将问题教学法、情景教学法、范例教学法、探索教学法引入课堂；教师向学生讲授创造性思维、创造原理、常用创新技法、机械创新设计方法及创新设计典型实例分析等内容；让学生了解机械领域发展的现状和趋势，找出有创意的机械产品进行分析；激发学生对周围所熟悉的问题或物品进行分析、探索，提出改进的思路，如“不影响别人的叫醒装置的设计”“自行车的改进”等等；对典型的有创意的产品进行拆装实验，分析其创新点，总结创新的思路和方法；完成小论文、研究报告、创新作品。学生对这些问题充满好奇和求知欲，因此会积极地去发现问题、提出问题、解决问题。学生在这种环境中充分发挥自己的想象力，激发创新设计的兴趣和欲望，提高了创新设计的能力。
参考文献：
[1]柳义皎.机械基础教学中学生创新能力的培养[J].中国职业技术教育,2006,(8).
机械创新设计的基本原理篇6
【关键词】机械原理教学改革创新能力工程素质
【基金项目】湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湘教通[2014]247号-317;湘教通（[2012]401号-296）。
【中图分类号】G64【文献标识码】a【文章编号】2095-3089（2014）07-0194-02
机械原理课程是机械类专业的一门重要的主干技术基础课，具有很强的工程性、实践性和应用性，在专业教学计划中处于承上启下的作用，在培养学生的机械综合设计和创新素质所需的知识结构中占有不可替代的地位。因此，加强基础、拓宽知识、提高学生的工程素质、培养创新意识和创新能力是机械专业本科生机械原理课程改革和研究目标[1]。
一、以设计为主线来组合课程内容模块
机械原理是研究机构和机器的学科，其主要组成部分为机构学和机械动力学[2]。立足于“以设计为主线，分析为设计服务，立足点是机械系统的方案设计”机械原理新课程体系要求，按照学院“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的应用型高级专门人才培养目标，教研室将课程内容组合为机构学模块（重点讲述模块）和机械动力学模块（选择性介绍模块）。
机构学模块：包括机构的结构分析;齿轮机构、连杆机构、凸轮机构和间歇运动机构等四大机构的原理、应用及设计;机构的组合和创新;机械运动系统的方案设计四方面内容。该模块是重点讲述模块，其中各机构的学习是教学基础，机构的组合和创新是提高，机械系统的方案设计是核心。
机械动力学模块：包括运动分析、力分析、刚性转子平衡以及机械系统动力学的基础理论和方法。该模块是选择性介绍模块，根据学时作一般的简介处理。一方面这一部分知识多数已由理论力学提供了理论基础，另一方面动力学基础模块相对于我院应用型人才培养目标而言，主要是拓展知识面，主要引导有能力的学生自学或在进一步学习中掌握。
二、加强基础、拓宽知识、丰富教学内容
针对学时被压缩、学生总体素质下滑的现实，要完成我院培养目标要求，教学内容必须有丰富也有删减。多年来，教研室不再强求知识的系统性和完整性，而是遵循“少讲精讲，讲就要让学生听明白会运用”的“少而精”原则，重点突出结论的应用，培养学生进行机构设计和创新以及解决工程实际问题的思维方法和基本技能。在重点讲述的机构学模块，作了很多大胆的删除。例如略讲复合轮系传动比计算;删除在工程实际中基本不再使用连杆机构设计的图谱法和实验法;删除理论上已很成熟或专业性过强的内容，例如齿轮传动中无侧隙啮合条件、根切的形成过程和不根切最小齿数公式推导过程[3]……为了拓宽学生知识面，开阔思路和眼界，教研室在“少而精”原则的同时“广而新”。为了培养同学们的创新素质，深化了机构组合和创新内容;增加了电、气、液传动等非机械内容的简介;考虑到解析法便于结合现代设计方法获得最佳设计方案，突出解析法而弱化图解法设计;在教学的过程中，贯穿运用三维设计软件（如Solidworks、aDamS、UG、pro/e等）建立的虚拟样机模型和运动仿真实例，激发学生的主动求知欲望，使他们了解和及时掌握最先进的机械设计手段。
三、改革教学方法和教学手段，强化学生的创新意识和思维
随着教学内容的改革和整合，教学方法必须与之配套。如果仍照本宣科，采用“填鸭式”教学方法，只会造成教学内容无法完成和脱离工程实际的结果，达不到对学生创新能力和工程实践能力的培养要求[4]。同时，机械原理的教学内容具有很强的工程背景，如果仅靠教师的讲解，学生不一定能深入地理解，因此，教师充分利用直观实物教学、模型演示教学和采用多媒体动画课件等教学手段。下面笔者就平面机构自由的自由度的内容交流教学方法和教学手段的设计。
①提出问题：绘制图1所出简易冲床初步设计案例的机构运动简图。目的1：回顾运动副、机构等基本概念以及运动简图的绘制方法。目的2：导入本次课要解决的问题――该机构设计合理吗？
图1简易冲床初步设计图2简易冲床初步设计运动简图
②推导平面机构自由度的计算公式。期间演示了自由构件、约束、低副（转动副、移动副）、高副（齿轮副和凸轮副）六个动画并展示运动副实物模型。提问：平面运动的自由构件有几个自由度，转动副、移动副、齿轮副和凸轮副各引入几个约束？很自然推出计算公式F=3n-2pl-ph。
③知识拓展：简介空间机构自由度的计算。要求学生在空间运动副动画中的观察出约束情况，给出空间结构的学习参考资料，引导同学深入探索。
④讨论平面机构具有确定运动的条件。通过对刚性桁架、超静定桁架计算讨论得出机构具有确定运动的条件之一：自由度F>0;通过对四杆机构、五杆机构在不同数目的原动件驱动下的动画演示和讨论，归纳出机构具有确定运动的另一个条件：原动件数=机构自由度数。
⑤解决课程之初的案例和提问：自由度等于0，机构设计不合理。
⑥提问：怎么改进该机构？安排小组讨论（分析提示：原方案F=0，原动件数为1，必须将自由度增加为1，可以从计算公式F=3n-2pl-ph入手）。
解决办法：增加n和减少pl、ph可达到增加F的目的。
方法1思路：从F=3n-2pl-ph=0到F=3（n+1）-2（pl+1）-ph=1，即增加一个构件和一个低副。实现方式：增加一个滑块和一个移动副，如图3所示，并展示改进后冲床模型动画。提问：方法1思路还有实现方式吗？可以通过增加一个杆件和转动副实现吗？
图3改进方案1
方法2思路：从F=3n-2pl-ph=0到F=3n-2（pl-1）-（ph+1）=1，即将一个低副改为高副。实现方式如图4所示，并展示改进后冲床模型动画。
图4改进方案2
机械原理课堂教学上没有统一的教学方法，而应是结合不同的讲授内容采用不同的教学方法，如启发式、分析讨论式、现场教学式等。笔者在机构自由度的计算中从问题的提出到解决，有知识的拓展;有十多个问题的设置;在改进方案时安排了分析讨论，得出不一样的解决方案。知识的拓展是引导学生自我完善;在教学中不断设疑，不断启发，是为了激发学生积极思考;安排分析讨论是为了开发学生智能、锻炼学生胆量、培养学生科学思维能力和创新意识。整节内容共设计三十多个图片，演示21个动画，展示实物模型4个，直观、形象地展示了自由度、约束的概念以及机构的动作过程，为学生创建一个动静结合、形象逼真的教学环境，提高学生的学习兴趣和理解程度。
参考文献：
[1]鲍莉，康红艳.《机械原理》课程教学研究与实践[J].重庆科技学院学报，2010（18）：175-179.
[2]裘建新.《机械原理》精品课程建设[J].上海工程技术大学教育研究，2006（2）：30-33.
机械创新设计的基本原理篇7
【关键词】机械设计新型理论汽车工程研究应用
一、有关机械设计理论的概括及研究方向
（一）机械设计理论的基本概括
机械设计及理论是机械工程一级学科所属的二级学科，是研究机械科学中具有共性的基础理论和设计方法的学科，是对机械进行功能分析与综合并定量描述与控制机械性能的基础技术学科，也是定位机械工程中的各项细致工作流程及程序的归纳总结的简单理论介绍。它主要研究各种机械、机构以及其零件的工作原理、现代传动与控制技术、运动和动力学性能、摩擦物理学、关系力学、机械创新与设计等有关课题。机械学科与仿生学、信息学、生物学、电子学等许多学科相互渗透，从而促进了机械设计与理论学科的新发展。机械设计这个学科的特色与优势，它是以复合材料构件设计与制造、计算机辅助工程、轻工自动机械设计及理论研究为目标，将计算机辅助设计与现在检测技术应用于机械以及产品的设计过程中。具有工程设计和管理的综合素质极其丰厚的专业知识，适合从事工程技术，科研等工作。我国近年来在机械设计研究上取得了骄人的成绩。
（二）机械设计理论的主要研究方向
现如今，随着科技的快速发展，机械设计理论也逐渐的完善、增多起来，特别是更好地扩大了机械设计理论在各方面上的研究，主要有以下几个研究方向：现代设计理论与方法：机械创新设计与方法、机械系统动态设计与仿真、优化设计、新型传动理论设计、机器人机构及其控制与仿真技术、数学机械化在机械中的运用；机械创新设计与检测技术：机械创新设计与检测技术主要用于研究机械创新设计与有限元计算分析，机械振动与噪声测试与分析，计算机辅助设计与制造、图像处理技术；轻工自动机械设计及理论：主要研究的领域是轻工自动机械现代设计理论，轻工自动机械先进传动技术，新型传动机构研究与开发、轻工机械动力传动的节能与环保、轻工业机器人开发与应用研究、机器人新机型、仿生机械研究等；仿生机械学：仿生原理与技术；驱动与控制技术、机械运动与控制。
二、机械设计理论在汽车工程上的研究
随着工业革命的发展，人类历史上出现了第一辆汽车，近些年来，又随着汽车工业的迅速发展，汽车变成了“改变世界的机器”，它不仅仅改变了人们的生活方式，方便了人们的出行，还在一定程度上有效的提高了人们的生活质量和生活水平。虽然，在过去的几十年里汽车行业的发展有了很大的进步，可是，目前的科学技术水平依然还是有限的，对于汽车的研究在各方面还需要更进一步的提高。新型机械设计理论以及一些基本原理在汽车工程方面有着很大的研究方向，并且对其有着一定的推动作用。
（一）机械理论在汽车工程技术上的研究
汽车工业的发展代表着一个国家制造业的发展，它直接决定了该国家制造业的发展水平。在某种程度上，它不仅仅是最广泛的一种工业，还是最新技术的最大载体之一，例如，有些航空、航天领域的高新技术只有通过汽车工程工业才能够更好的转化为较为规模型的产业，这就决定了新型机械设计理论及基本原理在汽车工程、工业上有着很大的促进作用。近些年来，对于汽车工程技术的研究有着越来越高的标准，这就迫使研究工作者更全面的运用机械设计理论为汽车工业的发展做好准备。
（二）机械设计理论在汽车工程实际操作方向上的研究
在实际生活当中，对于汽车工程的研究离不开技术方面上的研究，更离不开实际操作方向上的研究，这些实际操作上的研究与机械设计的基本理论有着密不可分的关系，甚至有些实际操作，例如对汽车的噪声、振动等等有着很强的密切性，并且对于这些问题的解决有着很好的作用效果。
三、新型机械设计理论在汽车工程上的应用
（一）机械设计理论在汽车工程噪声、振动上的应用
在评价汽车舒适性中有一项十分重要的指标，那就是nVH分析，它直接关系到了汽车产品的市场形象。nVH不仅有助于对振动频率进行匹配，用于消除振动过程中出现的耦合现象，还有利于改善产品的振动特性，从而大大降低汽车的噪声及振动。利用nVH分析可以预先得到新开发车型性能指标，还能对设计以及制造等各个环节进行更好的优化和完善，该分析不仅从设计成本上，还是从开发周期上考虑，都为设计新型车型提供了很好的保障。
（二）机械设计理论在汽车结构强度与模态分析及结构优化上的应用
车身是车的主要总成，因此车身必须有很好的强度来保证车的寿命，以足够的静刚度来保证车的装备与使用要求。在机械创新设计与检测技术中机械创有限元分析的方法能够有效地满足上述车身的设计，其主要应用体现在：一是在汽车设计中对结构件、主要机械零件的强度、刚度和稳定性进行分析：二是在汽车结构分析中通常采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机上可以清晰地观看各构件的振动模态，这就为结构的动态设计提供了方便。因此有限元分析的方法在汽车结构上的应用从而提高了车身设计水平。
四、结语
机械设计的基本原理以及设计理论有着很好的应用前景，特别是在汽车工程方面上发挥着良好的效果，不仅仅体现在对于汽车工程技术和实际操作上的研究，还体现在了对于汽车工程、设计上的具体应用，这些对于汽车工程的发展有着极大的推动作用。
参考文献：
[1]温文源.客车车身结构的有限元分析及优化设计研究[D].2011年
[2]陈吉清.承载式车身结构的强度刚度及模态的有限元分析[J].2010年
机械创新设计的基本原理篇8
[关键词]机械结构；设计方法；设计原理；智能化
中图分类号：tH111文献标识码：a文章编号：1009-914X（2016）25-0175-01
一、引言
从18世纪以来，机器逐步代替人力劳动，用于做功或转换能量。做功的机器不仅大大提高了劳动生产率，而且很好地保证和提高了产品的质量。由于机器实现的能量转换，人们发明了多种多样的工作机械，提高了人类的生产水平，改善了自己的生活条件。机器的设计是由具体的机构物化为实体的产品，以提供用户所要求的使用功能。因此，机械的结构设计是产品设计的重要一环，在机械设计课程中，机械结构设计也是非常重要的教学内容。在机械结构的设计中，应“勤于学习、善于思考、勇于探索、敏于创新”，以伟大的接纳之胸怀学习前人成果，并以开拓的精神实现伟大的创造。机械结构的设计不是具体案例的机械堆砌，而是有其内在的知识基础、设计的方法和物理原理。本文拟从机械结构的设计方法和设计原理两个方面，讨论机械结构设计的内在知识和结构创新的基本途径，但本文不讨论机械制造工艺性对机械结构的要求。
二、机械结构设计的方法
1.经验设计。从现代科学诞生以来，机械科学与技术已有300年的历史。机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。
2.理论设计。机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。
模块化和组合化设计。一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。
复合化设计。复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。
分级结构设计（层次化设计）。复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。
载荷均布性设计。由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。
变结构设计。机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。
3.模型试验设计。相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。
三、机械结构设计的原理
机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。
理论力学原理。理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的钢度设计。
材料力学原理。机械零件的强度和钢度设计是基于材料力学理论的，强度或钢度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。
弹性力学原理。弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。
本文从机械结构的设计方法和设计原理出发，分析了机械结构设计的基本知识和设计准则。毋庸置疑，机械结构的制造工艺性对机械结构设计有重要的决定性。笔者认为，今后的机械结构创新中仿生设计和智能化是发展的重要方向。
参考文献
机械创新设计的基本原理篇9
实验室是学习与实践的阵地，众多的实验和研究都需要在实验室中进行。机械类实验室的创新不仅是硬件设备的创新，应该是包括科学实践理念在内的思维创新与建设。
一、机械类专业实验室的创新背景及现状
1、实验设备仍比较短缺，缺乏全面系统的实验训练就满足实验的教学需要来说，目前众多的实验室与国内一流水平高校的差距仍将长期存在。实验设备的局限性导致动手训练的机会不够充分。许多的实验都纯粹以教学教材涉及的理论和知识中的基本要求来配置，此类实验皆属于验证性的实验。对学习者的分析思考、发散思维没有直接性的启发。传统的实验室不利于学习者创造性思维的培养。
2、过分强调理论知识，实验效率低下许多时候过于强调课本上的理论知识，忽视了实验室的工作效率。例如，在温度传感器的实验中，用万用表测出的数据以手工做出记录，组织和效率明显不高，因此没有达到现代数字化处理模式的要求和水平。检测技术、单片机等的实验室应相应地进行创新探索。
3、实验种类单一，缺少综合型的知识实践目前中多的实验室中，虽然有一定数量的配套实验设备，但设备的配套上仍存在一定的局限性，导致实验的内容、种类单一，不利于灵活地应用机械设计的知识与要求，也不能有效率地综合运用知识。在冲击相关试验中，缺乏相应接口，不能与单片机实现相连。二、实验室创新的预期目标机械类专业之实验室创新应针对以上的背景现状，通过有针对性的创新建设，力求较大限度地克服机械类专业实验室中原有的缺点，使实验室的实验实践与课本上的理论知识实现真正的结合从而激发出对机械知识学习的热情，从被动的实验和学习模式转为积极主动善于创新的新型学习实践模式。从实验室的操作环节入手，在掌握经典理论基础上，促进实践性知识的应用，展示出最新的设计方法，实现分析、综合、转换的数学模型和程序。与此同时，使机械原理及机械设计上的实验进行大胆的改革创新，使实验室变成受学习者欢迎的实践型基地。以实验室的改革创新为桥梁和纽带，帮助学习者提高实践动手能力，助其分析和思考问题。
三、建设创新型的机械类专业实验室之重点实验项目
在合理利用实验室的硬件资源的基础上，充分地与机械设计基础相结合，完成学习者运用独立自主创新思维和设计的过程，从而构思机械设计的传动构思，到完成成套的设计图纸，最后实现简单机械模型的制造和加工。
1、实现运动方案的组合创新实验在此类实验中，采用获得国家的专利产品:创新机构组合试验台2套，其中含有机构形式的高副杆组和低副杆组，另外还包括组成以上杆组的各种构件和机架等组件。这些设置既能够灵活方便地使曲柄滑块机构与连杆机构、凸轮机构、齿轮机构以及间歇运动机构相拼接，还能使链传动、带传动和涡轮蜗杆等的传动形成平面与空间有机交叉组合的机械传动系统和组合机构，最后与出轮齿条传动相结合，并通过带传动和连接电机令拼接的机构有效地进行运动。通过以上的创新实验，能使学习者对机构组成这一部分知识内容在理解的基础上学习与识记，通过实验培养其工程实训的动手能力，对日后的实际生产和运作也有指导作用。机构运动实验的创新体现了设计思维和综合实践设计能力的提升，按以上的操作要求进行拼接实验，并观察其运动情况，能及时准确地检验出机构运动方案的科学性与可行性。
2、对平面机构的创意组合和可视化分析的实验在平面机构的创意组合与可视化分析实验中，配备电脑4台，实验台8套，机构模型8套。利用设计和并接能够使机构传感之系统实现种类不尽相同的运动要求。与此同时，实验台的创新之处在于，在主要的构件中设置出安装传感器的具置，并且添加了数据处理软件和检测系统之类的配置。通过数据处理软件与检测系统，能够看到运动参数变化的系列曲线，从而了解和探索不同类别的机构运动的特定条件下的运动规律。利用速度、位移和加速度等的要素进行分析，研究运动构件的特点。最后，实验室中的其他设备也应同时跟上更新的步伐，因此要求能进行机构模型拆装、机械原理的课程设计、计算机的辅助设计和机械设计课程的设计等，是实验室真正成为搞实验和研究的重要阵地。对于参数化设计、仿真设计、工程图生成、基于特征之实体造型、工程数据与文件管理、装配造型等也可在实验室中进行。这样的实验室创新设置能进一步提高对计算机的辅助设计能力和实际应用能力，对实际的工作生产具有很大的帮助。
3、机械设计创新陈列实验展示在这个实验当中，主要展示的是近几年公开展示过的机械原理和设计、机械设计和创新等方面知识的国家和区域地优秀例子。另外还有以国外先进企业和高校的优秀展示为主要设计依据的陈列专柜，其目的在于突出地展示出不同产品的创新创造工艺、原理方案、机构创新、组合结构方案创新与外观的设计创新，以上的创新展示均采集了各种各样思考独到和设计特别的机电类模型与产品，在对应的文字和图片示例资料的配套下，能对机械类板块创新设计的主要原理和基本方法进行形象生动的介绍。这样的示例实验能对创造思维有一定的启发意义，也对机械创新的能力和创造意识有提高作用［2］。
4、轴系结构的设计实验实验室配置了具有创意组合形式的轴系结构设计的试验箱，这样能比较完整系统地概括总结出轴系方面的知识结构，一套实验箱里一般含有8类40种168个零件。如果能达到以上标准，那么实验室就能在国内同类产品的配置中达到前列的地位，因为其产品的种类比较齐全，数量也非常丰富，覆盖的知识内容也十分广泛。这样能自由地组合出30种或以上的轴系结构参考。此实验能解决诸如，在轴上，回转零件中的轴向和轴向固定，受伤的零件装拆和轴承里轴向位置的固定等问题，是机械创新设计中的打基础环节。
5、常用构建制作的加工实验在设计好的创新方案中，需要利用设计图纸来加工对应的机械零件。关于加工机方面，选择一些知名的加工机品牌，能实现组合式、多功能的加工要求，同时具备耐用安全等特点，能组合为钻床、磨床、金属车床，特别是采用数控机床。可根据用户的具体要求来配合使用。
机械创新设计的基本原理篇10
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.