時間：2023-03-21 17:11:34
序論：在您撰寫機械創(chuàng)新設計論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
德國人發(fā)明的這一種變元法，是目前世界上最為科學易懂的變元方法，它能夠衍生出許多不同的方法，具有很大的可塑性。這種方法的內涵主要有兩部分：它變化內容多樣，包括材料、數量、位置、尺寸、形狀、連接、工藝七個方面；另一部分是上述七個方面的具體運用，運用的前提條件是機械基本結構，這些元素在其基本結構的基礎上進行一定的變化，這樣就有不同的形式，新的機械結構設計方案就創(chuàng)造出來了，這樣就達到了優(yōu)化設計機械結構的目的。接下來筆者將會重點介紹七種創(chuàng)新方案在機械結構設計的具體運用，其最終目的還是滿足整個機械產品的生產的要求，這也是目前機械工作者普遍使用的方案。
1.1材料變元
現實生活中很多種材料都可以用來設計機械結構，不一樣的材料要求的加工方法和手段不一樣、適用的結構類別不一樣、零件需要的大小也不一樣。材料的變元可以變化出不一樣的結構模式。比如說：在進行鋼材料的結構設計過程中，零件的截面面積越大，材料結構強度就越大、越硬；在鐵材料的結構設計中，為了使結構變強變硬，人們通常使用加強筋和隔板的方法；在塑料材料的結構設計中，塑料件的筋板和壁厚應該無差而別且對稱均勻。
1.2數量變元
在產品的結構當中主要包括以下幾個方面，即零件以及輪廓面、線和加工、工作面共同構成了產品本身，如果想要將機械的結構目的進行改變，那么就可以通過調節(jié)上述結構元素而實現。就好比在鑄件的過程中，是希望越簡單便捷越好的。能夠節(jié)省一些不必要的零件配置，又能在安裝的時候方便人們的使用，這在無形中就提高了工作效率，比如安裝一個螺絲釘的時候，如果按照螺釘和墊圈以及彈簧墊圈才能結合在一起的模式去安裝，那么就需要最少三個步驟，但是如果把它們設計為一體的話，就可以大量地節(jié)省安裝的時間，提高了效率。
1.3位置變元
在實際操作過程中，產品結構的元素之間的位置是可以進行調換的，這樣可以無形中使結構本身的設計更加完善。比如，零件的焊縫位置應該對應中性軸或者至少需要靠近中性軸，這樣便于將收縮力減少或者能夠避免產品的變形。除此之外，零件的擺放問題也十分重要，如果雜亂無章則會大大阻礙操作速度。
1.4尺寸變元
零件的尺寸必須符合使用的標準才行，必須在各項標準合格之后才可以進行操作，比如：在冷沖壓彎這一工藝中，就需要零件按照既定的需求進行彎曲，如果零件在加工的過程中，實現了標準的彎度，那么就算是一個成品，不需要再度進行加工。如果不符合產品的需求那么還需要進一步的加工整形來達到產品的要求。
1.5形狀變元
機械整體的結構目的可以通過調整零件的形狀或者改變其規(guī)格的大小而實現。比如在彈簧的生產過程中需要考慮多個問題，首先是彈簧的大小及其相對的螺絲墊圈的規(guī)格，能否讓彈簧和使用的螺旋面以及被需要壓緊的零件相吻合，就需要設計出不同規(guī)則的產品，無論零件的形狀面如何都需要相匹配的彈簧來配合才行，如果零件之間的距離過大，或者不能夠將壓力有效融合，那么零件在安裝過后就不算是合格，如果這一類零件銷售在市場中，很可能造成一系列事故，那么為了防止拉簧因為這些問題而失去使用效率，就勢必要將彈簧的設計空間放大，并且實現它的自身獨特性，即使它在單獨使用的過程中也可以實現跟其他零件的配合。
1.6分析連接變元
一是聯接方法，主要的模式有焊接、膠結以及螺紋聯接等方式。二是聯接的方式，根據結構類型的不同而不同，因此為了豐富聯接方式以及尋找到最為契合的聯接方式，各個聯接的結構以及聯接的方式都可以進行相對應的合理調整。比如：針對一些需要拆卸的零件，如果在聯接的方式上不能選擇好，那么就會在聯接和拆卸方面造成一定的困難，此類的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所購買的一些產品，像是隨聲聽的后蓋，就可以任意拆卸下來安裝電池來維持繼續(xù)使用，這樣的結構也方便用戶使用，從未為其提供便捷的操作模式。
1.7分析工藝變元
零件在產生之前，往往會有其自己的設計圖紙，而設計圖紙上面的結構內容直接決定了產品屬于何種工藝級別的零件，因為每一個設備的零件都不是完全相同的，所以零件的設計以及成本也千差萬別，如果設計工藝在產品出產之前沒有得到完善，那么勢必會影響到零件自身的質量，一旦零件沒有合乎要求，那么產品的整體結構就會受到一定的影響。因此在零件鑄造之前對于零件圖紙的研究必須給予深度的重視，現在的加工技藝正呈現著不斷創(chuàng)新和完善的趨勢，但是問題也就隨之而來，這些加工工藝雖然具有創(chuàng)新性，但是還不夠成熟，并非達到了理想中的需求，因此還需要進一步的對此加大研究的力度。
2機械結構創(chuàng)新的嘗試及優(yōu)化測評
2.1機械結構設計的創(chuàng)新嘗試
防腐劑在石油以及一些石化設備中具有十分重要的作用，下文以其為例，闡述變元法在其中重要的作用。石油和石化設備必須進行防腐蝕性的設計，這樣一來，在設計的最初就應該考慮到防腐蝕性的大小和影響因素，從而采取必要的保護和防治措施，主要有以下幾個方面。首先，在總體的設計上面，對停車間給予了嚴格的要求，不能堆放雜亂，不能潮濕，不能含有其他不利于防腐的物質存在。其次，設備的使用年限與設備本身一些極為細小的間隙區(qū)有著十分重大的聯系，這些縫隙極有可能在人眼看不到的地方發(fā)生腐蝕問題，或者這些縫隙人是無法憑借手工去進行操作控制的，就像是一些產品的焊接點，這些產品貌似看起來已經不存在腐蝕的可能，但是難免會有看不到的縫隙存在，應該進行必要的封存和填補，或者干脆將縫隙擴大，這樣便于對其進行維修補救和防護。再次，溫度較高以及質量較高的濃度階梯，局部勢差問題往往在這種情況和產品中產生，一旦發(fā)生了腐蝕則不可控制。此外，每一種金屬都有著自己獨特的屬性，產品在構建的過程中不一定是一種金屬構建而成，多半是幾種金屬共同組合而成，但是不同的金屬勢必會產生接觸面的腐蝕，應該對此進行絕緣處理。最后，面積越小腐蝕的點也就越小，因此要針對產品的不同設計縮小表面積從而減少腐蝕。
2.2對機械結構變元創(chuàng)新設計的優(yōu)化評測
機械結構在完成變元創(chuàng)新實踐之后。要根據目前的性能以及使用效果進行一個綜合的測評，首先要進行模糊測評，運用理論研究和一些理想化的模型設計一種測評模式，但是這種測評模式并不是實際操作中的模型，而是通過一定的數學模型，根據先進的設計理念和規(guī)劃，對其進行變化創(chuàng)新設計的檢測。在測試的過程中測試者憑借自己多年的使用經驗和研究理念進行對其綜合評價的過程，并根據現有的先進思維對其進行構建，在測試的過程中還需要考慮到社會實際問題，產品在經過變元之后，使用方面是否安全，便捷，可維修性是否達到了指標，并且要將邏輯推理的思維運用到其中，選擇出使用其整體變元的方案，最后針對已經選擇好了的方案，進行進一步地修改和完善，從而作用于產品的機械結構構建當中，服務于產品的整體功能。
3結束語
一般情況下，創(chuàng)新設計先后經過抽象思維、邏輯思維、全面分析和最后決策四個環(huán)節(jié)。抽象思維主要是是通過設計人員充分發(fā)揮創(chuàng)新思維和智慧，提出新穎的有可能實施的想法，是創(chuàng)新設計必備過程。有了抽象思維過后再將想法具體化，考察其邏輯性和可行性，結合有關的科學理論知識、原理進行進一步的新穎的、可行的、具體化的機械設計。而全面分析則包含了創(chuàng)新設計過程中所涉及的所有可能性，綜合考慮技術的可行性、成本與性價比，最后設計出新的可以滿足人們生活和生產需要的機器或者其他產品。
1.1我國機械創(chuàng)新設計過程
機械創(chuàng)新設計的目的在于改善機械本身的功能、性能或者以更低的經濟成本制造滿足生產生活需求的機械。目前，我國技術專家認可的機械創(chuàng)新設計過程一般可分為四個部分，一是根據具體需求確定機械設計的基本原理，二是機械結構的優(yōu)化和改進，三是機械尺寸設計和參數優(yōu)化，四是機械運動性能及動力參數優(yōu)化。機械創(chuàng)新設計與普通的機械設計并沒有實質性的差異，主要的區(qū)別在于機械創(chuàng)新性設計注重發(fā)揮人的主觀能動性和創(chuàng)新能力的突破，在充分的調動人的積極性的同時創(chuàng)造出更加符合使用者需求的機械工具。
1.2我國機械創(chuàng)新設計的特點
機械創(chuàng)新設計主要包括四個特點：一是多學科知識交叉運用，互相融合，互相滲透；二是機械創(chuàng)新設計中，數字并非主要思考因素，而是應該充分結合過往經驗和相關的理論知識，合理判斷和提出可行的新的設計方案；三是機械創(chuàng)新設計不僅需要理論知識和經驗，同時也十分注重靈感、想象力、創(chuàng)造力的作用，因此應該最大程度發(fā)揮四者的作用；四是凡是設計創(chuàng)造類等實踐活動都需要不斷重復、嘗試，從中吸取經驗，多級選擇最佳方案。在機械創(chuàng)新設計過程中，只有完全領略和充分展現以上四個特點，才能做出優(yōu)秀的創(chuàng)新設計。
2.我國機械創(chuàng)新設計思維
機械創(chuàng)新設計思維對于機械創(chuàng)新設計來說意義重大，只有通過不斷的改革創(chuàng)新和開拓進取，勇于突破現有的固定模式和局限，采取新的方法、體制、設計才能使自身在飛速發(fā)展的時代中保持領先，走在時代的前沿。
2.1機械創(chuàng)新設計思維的涵義
創(chuàng)新設計思維就是指在原有的科學理論知識、原理以及過往的設計和經驗中設想出新穎的、更能滿足審美或者實用需求的設計方案。而對于機械設計人員來說，創(chuàng)新無疑是自身最核心的競爭力，通過提高產品的性能、降低產品的成本以及縮短生產時間來提高機械設計的性價比。在機械創(chuàng)新設計過程中，首先應該有創(chuàng)造性思維，在前人的基礎上提出更加優(yōu)化的觀念，并將這些優(yōu)化的觀念付諸實踐，從而創(chuàng)造出新的不一樣的機械設計。創(chuàng)造性思維具有多維多向性的特點，強調聯想、靈感和感覺，并不是依靠固定的邏輯思維推理出來的，而是激發(fā)于機械創(chuàng)新設計人員的大腦。
2.2機械創(chuàng)造性思維的三大特征
2.2.1自由性
機械創(chuàng)造性思維最大的特征在于自由，創(chuàng)新是自由的，思想是自由的。機械創(chuàng)新設計人員可以在結合有關客觀科學理論的基礎上完全自由憑借自己的想象、靈感、直覺設計出新的機械，而不必有太多的思想束縛。在當今變化趕不上計劃的經濟時代，思維的自由符合現代社會發(fā)展的需要。而在機械設計工作中，要不斷地有新的進步的成果，就必須突破原有的事物，消除固定思維的束縛，自由地翱翔在創(chuàng)新設計的天空中，只有不斷突破和創(chuàng)新才能設計出更令人滿意的成果。
2.2.2多向性
每個人的思維方式都不一樣，具有多向性的特點。而在機械創(chuàng)造性思維中，同樣具有多向性的特點，設計人員可以從不同角度去觀察和判斷問題，并且設想出完全不同視角的方案。設計的美妙恰巧在于它的多樣性和多向性，沒有固定的設想方向，任意一個方向都可以是設計者們延伸的目標。多向性思維與創(chuàng)造力是相輔相成、密不可分的，一個機械產品的設計過程中一定有過多向性的設想，從中擇優(yōu)進行實踐得出最后產品。因此，多向性思維是機械設計中十分重要的一點。
2.2.3獨創(chuàng)性
獨創(chuàng)性即設計出跟別人不一樣的產品，提出不一樣的理念，突破原有的固定模式，創(chuàng)造出新穎的進步的成果。獨創(chuàng)性是機械創(chuàng)新設計的目標，創(chuàng)新的目的在于獨創(chuàng)，擁有別人沒有的想法和成果。因此，在機械創(chuàng)新設計過程中，要學會從新的切入點思考問題，掌握不同的設計方法，敢于向原有的觀點提出新的看法，從而設計出具有獨創(chuàng)性、新穎的機械產品，更好滿足生活和生產的需求。
機械結構的防腐蝕設計對于機械結構的創(chuàng)新及優(yōu)化而言具有至關重要的意義，為了更好地完成機械結構的優(yōu)化，各機械設計企業(yè)在進行機械設計的過程中理應注意如下防腐蝕細節(jié)：
①必須確保設備的機械結構于停車期間完全空干，以防止因介質殘留淤積而造成的腐蝕。
②防止間隙結構的出現，以杜絕腐蝕介質的入侵。
③高溫及高質量濃度將導致沉淀物及冷凝物的出現，進而增加腐蝕幾率，因此設計人員在結構設計時必須避免此類現象的出現。
④異類金屬接觸可能導致接觸性腐蝕出現，因此設計人員在進行結構設計時理應盡可能地將異類金屬有效地隔絕開來。
⑤避免高速流體接觸流道壁面，以降低侵蝕腐蝕。
⑥遵守最小化表面積原則，也就是說在容積一樣的情況下讓結構被腐蝕的表面積最少，比方說球體結構最好，其次便為圓柱體。
2機械結構創(chuàng)新設計與變元法應用
我們在對某一結構的設計方案展開評價時，理應對其將帶來的經濟效益、所具有的工藝性、技術可行性等相關指標進行綜合的考量，隨后從諸多備選結構方案中選出最佳的結構方案。在機械結構方案已然確定的情形下，也可對重要結構或零件展開不同變元的研究，甚至于變元間展開綜合的聯合修改，已實現優(yōu)化設計的目的。此外，也可選用某些數學模型，之所以建議大家選擇數學模型，主要是由于數學模型能夠較好地介紹結構設計中的尺寸及數量變元，同時還能夠對材料變元展開間接的介紹。以機械設備的不同要求及特征為依據，綜合使用不同變元，使用設計人員掌握的經驗和知識，借助創(chuàng)造性思維的方法，設計出不一樣的機械結構。比方說如下轉盤結構。在以上三大結構圖里，假如把結構設計方案1里的錐齒輪間與主軸承二者之間的位置進行調整，且借助調整位置變元，接著再改變水平軸位置的左軸承形狀，即借助更改形狀變元后得到結構設計方案2。假如更改方案1里的主軸承及齒輪的尺寸、大小與數量，且借助調整二者的數量變元與尺寸變元，隨后再調整齒輪構件及軸承零件的位置，再改變位置變元，即能夠得到設計方案3。從以上盤結構方案都可采用變元法較好的實現。如果進一步運用變元法，同樣可以獲得更多類型各異的結構設計方案。借助對比以上三大結構方案，綜合研究社會效益可行性與制造工藝等諸多內容，我們可以得出這樣的結論：方案2系三大方案中最佳結構組合。某一機械結構方案的綜合評估，理應以實際使用效果充當最后評估的事實依據。如果對轉盤結構里的齒輪構件展開進一步的可行性分析與優(yōu)化設計，同時對滾動軸承和齒輪工作展開彈性流體壓研究，接著實施精密計算，均能夠為改善轉盤結構設計提供諸多參考數據。
3結語
德國人發(fā)明的這一種變元法，是目前世界上最為科學易懂的變元方法，它能夠衍生出許多不同的方法，具有很大的可塑性。這種方法的內涵主要有兩部分：它變化內容多樣，包括材料、數量、位置、尺寸、形狀、連接、工藝七個方面；另一部分是上述七個方面的具體運用，運用的前提條件是機械基本結構，這些元素在其基本結構的基礎上進行一定的變化，這樣就有不同的形式，新的機械結構設計方案就創(chuàng)造出來了，這樣就達到了優(yōu)化設計機械結構的目的。接下來筆者將會重點介紹七種創(chuàng)新方案在機械結構設計的具體運用，其最終目的還是滿足整個機械產品的生產的要求，這也是目前機械工作者普遍使用的方案。
1.1材料變元
現實生活中很多種材料都可以用來設計機械結構，不一樣的材料要求的加工方法和手段不一樣、適用的結構類別不一樣、零件需要的大小也不一樣。材料的變元可以變化出不一樣的結構模式。比如說：在進行鋼材料的結構設計過程中，零件的截面面積越大，材料結構強度就越大、越硬；在鐵材料的結構設計中，為了使結構變強變硬，人們通常使用加強筋和隔板的方法；在塑料材料的結構設計中，塑料件的筋板和壁厚應該無差而別且對稱均勻。
1.2數量變元
在產品的結構當中主要包括以下幾個方面，即零件以及輪廓面、線和加工、工作面共同構成了產品本身，如果想要將機械的結構目的進行改變，那么就可以通過調節(jié)上述結構元素而實現。就好比在鑄件的過程中，是希望越簡單便捷越好的。能夠節(jié)省一些不必要的零件配置，又能在安裝的時候方便人們的使用，這在無形中就提高了工作效率，比如安裝一個螺絲釘的時候，如果按照螺釘和墊圈以及彈簧墊圈才能結合在一起的模式去安裝，那么就需要最少三個步驟，但是如果把它們設計為一體的話，就可以大量地節(jié)省安裝的時間，提高了效率。
1.3位置變元
在實際操作過程中，產品結構的元素之間的位置是可以進行調換的，這樣可以無形中使結構本身的設計更加完善。比如，零件的焊縫位置應該對應中性軸或者至少需要靠近中性軸，這樣便于將收縮力減少或者能夠避免產品的變形。除此之外，零件的擺放問題也十分重要，如果雜亂無章則會大大阻礙操作速度。
1.4尺寸變元
零件的尺寸必須符合使用的標準才行，必須在各項標準合格之后才可以進行操作，比如：在冷沖壓彎這一工藝中，就需要零件按照既定的需求進行彎曲，如果零件在加工的過程中，實現了標準的彎度，那么就算是一個成品，不需要再度進行加工。如果不符合產品的需求那么還需要進一步的加工整形來達到產品的要求。
1.5形狀變元
機械整體的結構目的可以通過調整零件的形狀或者改變其規(guī)格的大小而實現。比如在彈簧的生產過程中需要考慮多個問題，首先是彈簧的大小及其相對的螺絲墊圈的規(guī)格，能否讓彈簧和使用的螺旋面以及被需要壓緊的零件相吻合，就需要設計出不同規(guī)則的產品，無論零件的形狀面如何都需要相匹配的彈簧來配合才行，如果零件之間的距離過大，或者不能夠將壓力有效融合，那么零件在安裝過后就不算是合格，如果這一類零件銷售在市場中，很可能造成一系列事故，那么為了防止拉簧因為這些問題而失去使用效率，就勢必要將彈簧的設計空間放大，并且實現它的自身獨特性，即使它在單獨使用的過程中也可以實現跟其他零件的配合。
1.6分析連接變元
一是聯接方法，主要的模式有焊接、膠結以及螺紋聯接等方式。二是聯接的方式，根據結構類型的不同而不同，因此為了豐富聯接方式以及尋找到最為契合的聯接方式，各個聯接的結構以及聯接的方式都可以進行相對應的合理調整。比如：針對一些需要拆卸的零件，如果在聯接的方式上不能選擇好，那么就會在聯接和拆卸方面造成一定的困難，此類的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所購買的一些產品，像是隨聲聽的后蓋，就可以任意拆卸下來安裝電池來維持繼續(xù)使用，這樣的結構也方便用戶使用，從未為其提供便捷的操作模式。
1.7分析工藝變元
零件在產生之前，往往會有其自己的設計圖紙，而設計圖紙上面的結構內容直接決定了產品屬于何種工藝級別的零件，因為每一個設備的零件都不是完全相同的，所以零件的設計以及成本也千差萬別，如果設計工藝在產品出產之前沒有得到完善，那么勢必會影響到零件自身的質量，一旦零件沒有合乎要求，那么產品的整體結構就會受到一定的影響。因此在零件鑄造之前對于零件圖紙的研究必須給予深度的重視，現在的加工技藝正呈現著不斷創(chuàng)新和完善的趨勢，但是問題也就隨之而來，這些加工工藝雖然具有創(chuàng)新性，但是還不夠成熟，并非達到了理想中的需求，因此還需要進一步的對此加大研究的力度。
2機械結構創(chuàng)新的嘗試及優(yōu)化測評
2.1機械結構設計的創(chuàng)新嘗試
防腐劑在石油以及一些石化設備中具有十分重要的作用，下文以其為例，闡述變元法在其中重要的作用。石油和石化設備必須進行防腐蝕性的設計，這樣一來，在設計的最初就應該考慮到防腐蝕性的大小和影響因素，從而采取必要的保護和防治措施，主要有以下幾個方面。首先，在總體的設計上面，對停車間給予了嚴格的要求，不能堆放雜亂，不能潮濕，不能含有其他不利于防腐的物質存在。其次，設備的使用年限與設備本身一些極為細小的間隙區(qū)有著十分重大的聯系，這些縫隙極有可能在人眼看不到的地方發(fā)生腐蝕問題，或者這些縫隙人是無法憑借手工去進行操作控制的，就像是一些產品的焊接點，這些產品貌似看起來已經不存在腐蝕的可能，但是難免會有看不到的縫隙存在，應該進行必要的封存和填補，或者干脆將縫隙擴大，這樣便于對其進行維修補救和防護。再次，溫度較高以及質量較高的濃度階梯，局部勢差問題往往在這種情況和產品中產生，一旦發(fā)生了腐蝕則不可控制。此外，每一種金屬都有著自己獨特的屬性，產品在構建的過程中不一定是一種金屬構建而成，多半是幾種金屬共同組合而成，但是不同的金屬勢必會產生接觸面的腐蝕，應該對此進行絕緣處理。最后，面積越小腐蝕的點也就越小，因此要針對產品的不同設計縮小表面積從而減少腐蝕。
2.2對機械結構變元創(chuàng)新設計的優(yōu)化評測
機械結構在完成變元創(chuàng)新實踐之后。要根據目前的性能以及使用效果進行一個綜合的測評，首先要進行模糊測評，運用理論研究和一些理想化的模型設計一種測評模式，但是這種測評模式并不是實際操作中的模型，而是通過一定的數學模型，根據先進的設計理念和規(guī)劃，對其進行變化創(chuàng)新設計的檢測。在測試的過程中測試者憑借自己多年的使用經驗和研究理念進行對其綜合評價的過程，并根據現有的先進思維對其進行構建，在測試的過程中還需要考慮到社會實際問題，產品在經過變元之后，使用方面是否安全，便捷，可維修性是否達到了指標，并且要將邏輯推理的思維運用到其中，選擇出使用其整體變元的方案，最后針對已經選擇好了的方案，進行進一步地修改和完善，從而作用于產品的機械結構構建當中，服務于產品的整體功能。
3結束語
機械方案設計是一個創(chuàng)造性很強的活動，其思維過程是形象思維和抽象思維綜合作用的結果。目前計算機輔助設計（CAD）主要解決了在計算和繪圖等設計后續(xù)階段對設計者的支持。而對于極富創(chuàng)造性的早期方案設計階段的計算機支持至今沒有取得實質性的進展。即使是智能CAD系統(tǒng)，所采用的方法的理論基礎仍是基于傳統(tǒng)的人工智能的知識表示與推理方法，即邏輯思維為基礎，其中多以知識工程和專家系統(tǒng)的方法實現。這種CAD與AI的簡單組合，沒有也不可能從真正意義上實現方案設計自動化。創(chuàng)造性如何在方案設計過程中體現一直是困擾設計理論研究工作者的棘手問題，也一直沒有很好地解決，本文將就這一問題作一探討。
1機械方案設計的一般過程
一般認為，方案設計階段主要有兩個任務：首先是建立技術系統(tǒng)的功能結構。然后通過選擇相應于功能結構中的每個功能的功能載體，并組合這些被選擇的功能載體形成整個技術系統(tǒng)的設計方案。
通用設計理論認為，方案設計過程可表述為兩個映射過程（圖1）：即用戶需求域到功能域的映射以及功能域到結構域的映射。由需求域到功能域的映射過程最能體現設計者的創(chuàng)造能力，這一過程涉及到對設計思維規(guī)律以及創(chuàng)造性機理認識水平，涉及到自然語言到專業(yè)技術語言的轉化。盡管有些學者提出通過對設計要求進行層次分解來建立功能結構圖的討論，但一般還要通過人工干預進行。從功能到結構的映射，實際上是功能結構圖中的每一個分功能與能實現該分功能的結構進行匹配，一般情況下，總體功能往往包含著許多分功能。而每一功能可以由不同的結構來實現，因此存在組合、協(xié)調和評價篩選的問題。具體的機械方案設計過程如圖2所示。
圖2所示的機械方案設計過程還可通過數學形式進行描述。設總體功能為U，它可分解為一些子功能，分解過程可形式化為：
U＝（U1，U2，…Um）（1）
即總體功能是有m個子功能UI（I＝1，2，…m）組成的。
任何一個子功能UI（I＝1，2，…，m）對應著能夠完成該分功能的子結構的集合TI，即
TI＝（tI1，tI2，…，tin）（I＝1，2，…，m）（2）
式中tij（j＝1，2，…，n）對應于能完成子功能UI的所有子結構，n為完成該子功能的子結構總數。如果用UI定義行，tij為元素構成矩陣，即得到功能與結構相聯系的“功能—結構技術矩陣”：
（3）
當然能夠實現各子功能的子結構數并不相等，可以將能夠實現某一子功能的最多子結構數定為n，少于這個數的子功能元素項用零表示。圖2所描述的機械方設計的一般過程，看起來很簡單，但計算機實現有許多問題需要解決。如總功能如何分解為子功能、功能如何表達（因為從不同的角度提出的功能表達詞匯是不相同的）以及如何有效根據功能索引子結構等問題有待進一步探討和研究。
2基于機構結構類型變異綜合方法
自60年代圖論理論首次被應用于機構設計以來，它在機構分析與綜合方面的應用得到深入的研究。在圖論中，封閉的圖代表機構，頂點代表連桿，邊代表運動副。圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關聯矩陣）表示、分析和計算。1979年，Freudenstein和Maki提出“功能與結構分離”的方法用于機構綜合，隨后許多學者對這一方法進行研究和深化。該方法包括如下幾個環(huán)節(jié)：
2．1根據用戶的需求，提出機構創(chuàng)新設計任務與技術要求：
（1）拓撲結構要求
如運動性質（平面運動或空間運動）、基本回路數（或獨立環(huán)數目）、運動副類型及數目、構件類型及數目、主動副類型及其位置以及機架的構件類型及其位置；
（2）功能性要求
如輸出構件數目及其位置、每一輸出構件的任務（如軌跡生成、函數生成、導引以及其它要求、滿足對預定的速度及加速度要求、滿足對機構整體的動力學性能要求；
（3）約束條件
如運動精度、結構緊湊性、剛度、機械效益、軸銷作用反力以及制造、裝配、成本等方面的約束。
2．2結構類型綜合
通過結構類型綜合列出滿足設計任務要求的全部結構類型并以適當形式表示。
2．3優(yōu)選結構類型
根據功能要求和約束條件，篩選出好的結構類型。
該方法目前研究局限在平面連桿機構的結構類型綜合，且一般集中在運動鏈同構識別、自由度識別方法以及平面運動鏈自動生成等理論方法研究階段。盡管有一些應用的研究報道，但都是針對簡單機構（如變沖程發(fā)動機活塞機構、車門開啟機構等）通過人工方式實現。計算機實現還有一些關鍵技術沒有很有效的方法，如運動鏈同構識別問題，主動副位置確定、機架位置的確定、桿組的自動劃分以及對運動鏈進行評價篩選等問題。
3集成功能推理及結構推理的方案創(chuàng)新設計過程模型
如果用人工智能語言描述，在上述第1小節(jié)中討論的機械方案設計的一般過程是基于功能推理方式，而第2小節(jié)中所討論的機構結構類型變異綜合方法是基于結構推理方式。這兩種方式有其內在的聯系，如何將這兩種方式有機地聯系在一起對于機械方案創(chuàng)新設計是一件很有意義的工作。功能推理主要解決功能到結構之間的映射，通過結構部件組合途徑形成機械方案。而結構推理是從結構部件的拓撲結構上通過機構演繹（機架變換，主動件位置變換以及運動副類型變換）途徑對機構進行變異創(chuàng)新，盡管目前結構推理局限在平面連桿機構結構類型綜合，但通過本文的研究，該方法可以擴展到一般剛體機械方案創(chuàng)新設計。有鑒于此，作者提出如圖3所示的集成功能推理和結構推理的機械方案創(chuàng)新設計過程模型。
該設計過程模型由以下主要步驟組成：
Step1：功能結構圖的建立。根據設計要求，建立功能結構圖。
Step2：根據建立的功能結構圖，尋找滿足各子功能要求的功能載體并組合成為原始機械方案。
Step3：將原始機械方案進行抽象化為表達機械方案連接信息的運動鏈表示。并記錄原始方案一些約束信息，如自由度數、桿數、原動件必須是幾副桿、輸出構件是否必須與機架相連等等。
Step4：運動鏈發(fā)散。列舉所有與抽象化表示的運動鏈具有相同自由度、桿副類型以及桿數的非同構運動鏈，并進行篩選。
Step5：機械方案元型集的生成。對篩選的運動鏈進行機架識別、原動件識別、桿組識別，形成用連桿和轉動副表達的機械方案元型。
Step6：候選方案集的生成。將以上生成的機械方案元型通過類型替代，形成候選方案集。
Step7：方案的評價決策。得到最優(yōu)方案。
Step8：方案的尺度綜合。
4機械方案創(chuàng)新設計智能支持系統(tǒng)
根據以上的過程模型，我們開發(fā)了機械方案創(chuàng)新設計智能支持系統(tǒng)MCIDISS。系統(tǒng)的結構如圖4所示。該系統(tǒng)由五大模塊組成：
（1）基于實例功能推理的原始機械方案生成模塊：該模塊采用兩級實例推理的模型，完成從設計任務到功能結構圖的建立以及裝置提取與組合協(xié)調設計生成原始機械方案的
任務。
（2）基于結構推理的方案設計創(chuàng)新模塊：該模塊在上面模塊產生的原始機械方案的基礎上，通過抽象化表示，將原始機械方案表達為一般化運動鏈，從機械方案拓撲聯接上進行變異創(chuàng)新。
（3）評價決策模塊：該模塊主要任務是對各階段的設計解進行評價決策。系統(tǒng)主要采用模糊綜合評價決策方法。
（4）機構尺度綜合模塊：該模塊主要任務是對組成機械方案的機構參數進行綜合，以便從尺度上論證方案的可行性。
（5）運動分析及仿真模塊：該模塊是在完成機構尺度綜合后，對其進行運動分析和仿真，以便使設計者對所設計的方案有一個清晰直觀的認識。
首先，設計時間一般為集中1-2周，對于一些基礎較差，平時又未受過相關訓練的學生而言，就不一定能收到預想的效果。其次，設計題目一般由老師給定，學生只要按要求完成設計圖紙和設計說明書即可，基本上沒有自由發(fā)揮的余地，因此制約了學生創(chuàng)造力的發(fā)揮，不利于學生個性的發(fā)展。第三，受設計題目模式以及教師所掌握資料的限制，設計過程經常是簡單的模仿和重復，扼殺了學生強烈的興趣和積極的投入，不利于激發(fā)學生興趣。第四，對設計結果考核形式有固定模式，使得學生只能按固定的思維模式去機械的完成設計要求，不敢也不能大膽創(chuàng)新，因而限制了學生創(chuàng)新思維，不利于日新月的當今社會對多層次，創(chuàng)造性人才的需求。因此，在應用型人才培養(yǎng)的大前提下，機械原理課程設計從形式到內容以及設計結果等全過程的改進和更新勢在必行。
2.教學改革措施
2.1設計時間及設計過程的開放
課堂設計時間不應拘泥于預先設定的固定不變的程式。預設的設計時間不應該成為課堂設計的“緊箍咒”。在機械原理課程開始課程設計即宣布開始，課堂設計貫穿于理論教學全過程。設計過程隨著教學過程由淺入深。先以單元小題目的形式給出設計題目，然后再綜合各部分小題目給出適合實際要求的綜合性題目，是設計過程貫穿始終。具體做法：首先，改變以往學習過程中，單純的掌握課程內容，并會做課上例題和課后習題的態(tài)度。而是要求對學過的知識會靈活運用，對課后習題的完成不拘泥于做出答案，而是能提出自己的見解或對某些題目提出應用價值和創(chuàng)新思路，進行大膽的修改和試驗，提出個人見解，為機構的設計與創(chuàng)新打下基礎。其次，學會觀察生活，在生活中尋找與機械和機構有關的實物，提出與所學內容之間的關聯，并在日常學習中有意識地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。例如：機構的結構分析部分，要求學生對生活中常見的如折疊雨傘、健身器材等機構在穩(wěn)定性、安全性，或趣味性、實用性等進行分析，發(fā)現其存在的問題，并提出改進意見，給出新機構運動簡圖，并要求對所設計機構作出簡單的模型。學生通過此次練習，找到了學習的樂趣，明確了學習本課程的方向，提高了創(chuàng)新意識，同時對本單元課程內容有了較深入的理解，可謂一舉多得。最后，根據各部分內容的大量積累，提出能體現本課程主要知識點，并綜合運用基本理論、基礎知識和基本技能的課程設計題目意向，并完成基本設計內容。理論課結束時課程設計的主要設計已完成，最后集中1周時間完成必要的圖紙和說明書，或取消集中設計時間，而是將設計時間分散于教學過程中。
2.2設計題目及設計結果的改革
設計題目不再由教師統(tǒng)一給定，要盡可能啟發(fā)學生自己選題，誘發(fā)更多的創(chuàng)新和創(chuàng)造靈感，發(fā)現更多更好的選題。首先，根據教學過程學生對各部分內容提出的問題、改進意見或創(chuàng)新思路，要求每人或分小組討論決定設計題目初稿。選題時，學生應量力而行，從小處做起，盡可能來自實際，貼近生活；然后，將設計題目初稿交課程設計指導老師，教師引導學生擴展思路，注意對選題的把關；另外，選題還應循序漸進，處理好繼承和創(chuàng)新的關系，由學生自己選擇，師生共同探討，最后確定。設計結果應打破固定模式，不再只是要求做出圖紙和說明書，而是可以以多種形式提交。如：設計論文，模型，分析報告等。對學生的創(chuàng)新設計結果，期望值不宜過高，要允許失敗和反復，不能求全責備。
2.3考核方式的改革
考核是指評價學習成就、學習效果的測驗，即對學生達到教育目標程度的測驗。因此對學生課程設計的考核方式只是通過圖紙和說明書以及答辯情況進行評價，則被動地跟隨教師、循規(guī)蹈矩的學生可望獲得優(yōu)秀，而來自畢業(yè)生工作單位的信息表明，學校里的尖子生未必全是實際工作中的佼佼者。為給學生充足的自由和空間，成績不僅包括必要的設計結果，還要從以下幾個方面考慮：（1）設計題目選擇的實用性，綜合性；根據選題的難易程度，應用型指標，給出設計基本分，總分60分；（2）在設計過程中對不同問題的理解、綜合、應用能力；根據設計過程的各項能力綜合，給出相應的加分，總分20分；（3）能否有自己的見解或提出應用價值和創(chuàng)新思路。根據設計論點給出創(chuàng)新加分，總分10分；（4）根據完成結果給出綜合分，總分10分。最后綜合前邊各項分值，給出總評成績。例如：某學生設計題目選擇一般，給出基本分40分；設計過程理解、綜合能力較強，加18分；有創(chuàng)新點8分；完成設計內容結果但創(chuàng)新設計結果有不足，8分；則總分74分。若設計題目難度較高，給55分，其它相同，則總分89分。若難度較高而無創(chuàng)新點則創(chuàng)新項會扣掉8分，則總分81分。綜合考慮，在課程設計中評“優(yōu)秀”者，有自己獨到的見解和創(chuàng)新點是必要條件，而創(chuàng)新過程允許出現不足。
3.結語
機械設計具有自身的程序，圖1為設計的基本程序。圖1機械設計的基本程序目前，機械設計教學中主要存在以下問題。
1.1教學內容過于防范
目前，機械設計這門課程包含的內容較多，有機械原理和機械設計。機械設計包括材料、力學、熱處理、機械原理、公差與配合、機械零件、機械CAD等內容，所涉及的知識層面較廣，教學內容較散，且與其他課程有著很多重復，如機械設計學科中有一項螺紋連接的相關教學內容?？梢姡虒W范圍與機械設計這門學科的學習原則不相符合。又如，減速器的類型、樣式和設計參數要求，和機械制圖中的減速器設計相關知識存在較高重復率，不僅在學科的學習層次上造成混亂，還浪費了學生的學習精力。
1.2與時俱進能力不強
機械設計這門學科的實用性較強，同時其教學內容隨著科技的不斷發(fā)展而不斷變化。所以，傳統(tǒng)的教學內容如果不進行更新，很難滿足現代社會的需求?，F代機械設計教學應當滿足工程性和技術性需求，同時也應當具備系統(tǒng)性。因此，現代機械設計學科緊隨時代的變化而改變，將傳統(tǒng)的設計技術進行時代元素的融入。如今，很多相關院校對機械設計教學中的設備結構、設備強度和運動學等技術的教學比較注重，教學力度也較大，使能源問題、環(huán)境問題的教學很少涉及。尤其是安全、人機關系、美學等社會因素和價值工程、周期費用分析等經濟因素，導致機械設計教學無法滿足現代人們的生產需求。
1.3教學方式落后
很多相關院校對機械設計的教學仍然采用講學通用的原則，對于教學中的重點知識，讓學生采取理論知識記憶的灌輸性傳統(tǒng)學習方法，而對這門學科的實際應用教學涉及較少，僅僅加深了學生的相關知識或原理的理解。同時，缺乏案例式教學、現場教學以及討論啟發(fā)式教學，在學生的學習過程中沒有充足的時間進行自主探索，嚴重阻礙學生對知識的理解與掌握，同時一定程度上阻礙了學生運用所學知識解決實際工程問題能力的發(fā)展。因此，應當對機械設計教學體系進行創(chuàng)新。
2創(chuàng)新機械設計教學體系措施
2.1調整教學內容
機械設計的學科教學內容應從實際出發(fā)，注重教學的整體性、實踐性以及創(chuàng)新性。如今，很多學生對于機械設計的基礎知識掌握不明確。所以，機械設計教學中應當遵循適度夠用的理論知識學習原則，可采取重點學習、部分理解等方式。首先，教學內容要清晰精簡，要精簡機械設計這門課程的教學內容，避免學生在相關知識的學習中產生知識重復。同時，在學生的實際應用教學中，如實驗、實習、課程設計、社會調查、畢業(yè)論文以及課外科技活動等注重實踐運用的教學環(huán)節(jié)，不但要適度融入相關基礎知識，還要增加其課程。其次，要注重知識的整合。在機械設計的實際教學中，將其中關聯性與聯系性較大的知識急性整合學習。最后，在機械設計的教學過程中應當注重知識點的增設。不僅要注重知識的重點性，還要考慮知識的完整性，可以增設以電、液為動力的機構組合，結合實際的典型機械等新內容，使學生全面認識現代機械，以適當前生產實際需要，方便計算機輔助設計的應用和推廣。
2.2加強學生能力培養(yǎng)
機械設計是一門極具實踐性的課程，過程中應當注重學生設計技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以培養(yǎng)學生技術應用能力為主要教學目的，同時注重學生工程意識、工程實踐能力、創(chuàng)新意識以及社會實踐能力的培養(yǎng)。實際教學過程中，教師應當徹底摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學模式，在講解相關理論知識或原理時，注重培養(yǎng)學生總結結論的能力。同時，在相關知識或原理的講解時，融入其在實踐中的應用，堅持產、學、研相結合，體現機械設計教學的基礎性、系統(tǒng)性、實踐性以及現代性。
2.3創(chuàng)新教學方法
目前，相關院校的招生多是面向全國，導致各種學生的機械設計學習基礎不一。因此，要不斷創(chuàng)新如今的機械設計教學。教學過程中，應當加強直觀教學，在學生學習相關理論知識或原理的同時，讓學生接觸各類種機械、機構、零件、部件、圖紙，提高學生相關知識或原理的實踐性。同時，教師也可以利用多媒體、電子教案、CAI課件以及錄像等現代教學技術，借助計算機和互聯網，利用虛擬現實技術和仿真軟件系統(tǒng)，開展機械設計的現代化、立體式教學。此外，教師在機械設計的實際教學中，應當盡量減少相關知識或原理的理論推導，運用例證講清思路，加深學生對相關理論知識或原理理解，提高課堂教學效率。
2.4增加教學實踐
機械設計是一門較注重實踐運用的學科，教學時教師不能僅僅注重學生的知識學習，要更加重視學生的知識運用，如繪制機構運動簡圖。圖2為機構簡圖的繪制步驟。以四桿機構為例，結合日常見到的篩東西、磨豆腐等，布置設計任務。在四桿機構的講解過程中，不斷提醒雙曲柄機構、曲柄搖桿、雙搖桿機構分別有什么運動特性，能轉化為什么樣的運動形式，現實生活中有哪些物品用到了這些機構，不斷啟發(fā)引導學生思考設計任務。一個機器少不了動力，因此課程中增加電動機的選用環(huán)節(jié)。學生設定自己運動機構的各種參數后，按部就班選用電動機，由此掌握效率等概念，并對整體的機器建立一個大概的認識。電動機選好后，考慮減速的問題。這時，可以引進齒輪機構（包括蝸輪蝸桿）、帶傳動、鏈傳動。齒輪機構重點講傳動比的分配、計算及選用，對于漸開線的形成等和現場應用聯系不密切的內容可忽略不講。帶傳動、鏈傳動重點講傳動特點和應用。此外，學習過程中要加入查手冊選材料環(huán)節(jié)，把時間用到應用實踐上。
3結語
目前，我國機械設計教學體系仍然存在教學內容過于龐雜、無法適應時代的快速發(fā)展以及教學方式過于陳舊和落后等問題。因此，在機械設計實際教學過程中，應當調整教學內容，加強學生能力培養(yǎng)，同時不斷創(chuàng)新教學方法，以期為國家培養(yǎng)更多機械設計創(chuàng)新性人才。
作者:李愛軍 徐紅芹 王紅梅 單位:山東理工大學機械學院
參考文獻
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