機械的設計方法

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機械的設計方法范文第1篇

關鍵詞:現代設計方法;機械創新設計;研究

中圖分類號:TH12 文獻標志碼:A 文章編號:1671－1602(2016)10－0044－02

1現代設計的定義和方法

現代設計是把傳統的設計理論和設計方法作為基礎，把計算機的應用作為標志，是具有信息化時代特征的新型設計技術。目前，現代設計已經逐漸發展到產品規劃、產品制造、產品營銷、產品運行、產品回收等各個層面，除開傳統設計的理論和方法外，與設計相關連的技術和學科，特別是自動化的技術、制造工藝、材料知識、自然科學的知識、系統的管理技術等在現代設計中也是十分必要的內容。現代設計的方法是對把產品作為目標的知識的總稱，其涵蓋的內容和方法非常廣泛，主要包括可靠性的設計、優化的設計、有限元的設計、計算機的輔助設計、價值工程等。

2機械設計

機械設計是屬于綜合性較強的工程技術，其在社會生活和生產中有著無可替代的重要作用。例如:人類生活所需的各種用品和工具，工業生產中所需的各種儀器和設備等都和機械設計緊密相連。在機械設計中，主要把機械設計的過程分為以下四個階段:①產品規劃的階段;②方案設計的階段;③技術設計的階段;④制造和試驗的階段。

3機械創新設計的思路

機械的創新設計是設計者在對創造力充分發揮的前提下，使用現有的科學技術進行創造性的構思，從而設計出實用性、創造性、新穎性的產品。在機械創新設計中要著重解決的問題是對機械產品的創造模式、機理、方法、過程等進行探討，通過對機械產品的程式化、算法化、符號化、定量化來強化機械設計的質量、效率、可靠性。雖然機械創新設計要基于機械設計的傳統方法，但是機械創新設計更追求創造性，因為要加強機械產品的競爭力就必須強調設計的創新性。在機械創新設計中，雖然設計的投入只有產品總投入的5%，但是設計的決策在產品投入中占70%。由于在設計階段就要對產品的結構、性能、成本、質量、維護等因素進行確定，且創新設計不僅是關于產品使用周期的設計，還是關于用戶和市場的設計，因此只有通過機械設計的創新才能使機械產品具有更加良好的競爭力。機械的創新設計不僅繁雜、耗時、費腦力，還緊張、繁重、費體力，要有效地提升創新設計的效率，就要使用科學的設計工具和設計方法，而設計的自動化便是創新設計的理想目標。在機械的創新設計中，其科學性一方面可以讓設計者從系統的層面認識設計，從而有效地避免不良設計;另一方面可以實現設計工具的尋求愿望，因此機械創新設計不僅是設計工作的實際需求，更是機械設計中CAD技術的未來發展趨勢。

4現代設計創新的研究

機械創新設計是在設計者對創造力充分發揮的前提下，使用現有的科學技術創造性的構思，從而設計出實用性、創造性、新穎性的產品。機械的優化設計、計算機的輔助設計、有限元設計、系統設計、創新設計等形成了現代設計的系統方法庫，且現代設計對利于設計思想和設計方法的學科不斷吸收。專家系統、思維科學、人腦研究、人工智能等的發展使創新設計在機械設計中越來越重要，因為不僅專家系統、思維科學、人腦研究、人工智能等已經給創新設計奠定了理論基礎，而且創新設計的發展還能促進創造思維的機理解釋和科學技術的發展。在機械的創新設計中，創新設計的內容主要包括兩個方面:①完善機械產品的經濟性、技術性、適用性、可靠性;②設計和創造滿足生活和生產需求的新產品。在機械的創新設計中，其關鍵的核心主要是對機械產品的創造模式、機理、方法進行探索，并對機械產品的創新設計進行定量化和程式化。

5現代設計未來的發展趨勢

現代設計是把分析軟件和工程設計作為基礎，把計算機作為工具，通過現代的設計理念進行設計的新型方法。ADAMS、PRO－E、SolidEdge、I－DEAS、UG、SolidWorks、NASTRAN、ADINA等都是現代設計中使用較多的分析軟件。現代設計的方法中，在使用分析軟件和計算機的同時，要遵循常規設計的內容，且在現代設計的方法強調中，不能忽視了常規設計的重要作用。現代設計的方法較多，且涉及學科較廣，虛擬的設計、優化的設計、計算機輔助的設計、可靠性的設計、并行的設計、有限元的設計等都是現代設計中經常使用的設計方法。由于現代設計方法的通用性較強，比如:在優化的設計方法中，其理論基礎不僅可以在機構的和零件的優化設計中使用，還能在建筑工程和電子工程等領域中使用，因此現代設計的發展較為快速。現代設計發展迅速的表現如下:1、機構的計算機輔助設計和計算機輔助設的并行發展。2、機械的優化化設計和優化設計。3、機械的可靠性設計和可靠性設計。4、設計過程更為數字化，既要對工程中確定性變量的數學建模和描述進行完善，還要對非確定性變量的數學建模和描述進行研究。5、設計過程更為智能化和自動化，不僅要對各種方法庫、數據庫、知識庫進行研究、健全、發展，還要對商品軟件的研發自學習、自適應、自編程，例如:對信息、數據、知識獲取和處理技術的研究。6、對多目標和不可微模型進行優化、對工程的不確定模型和動態的多變量進行優化等優化程序和優化方法的研究，并且優化程序和優化方法的研究已經發展到了對廣義工程系統領域的優化。7、對網絡的協同設計和并行設計的技術研究、方法研究、軟件研究。8、對仿真虛擬的試驗研究、對虛擬設計的研究、對快速形成仿真虛擬的研究，這種研究是把計算機的仿真作為研究基礎，集智能技術、人機工程、成形技術、多媒體技術、光電傳感的技術、并行工程、材料、計算機的圖形學等為一體的綜合性研究。9、對CAD技術應用、推廣、發展的研究，在CAD技術的研究中其關鍵內容是對功能性較強的商品軟件進行研發。10、對微型機電系統的應用技術、設計方法、設計理論進行研究，例如:智能計算、納米技術、微型機械的系統和微型機器人的系統的設計與計算。11、對關于生態設計的理論研究和方法研究，例如:對綠色的產品進行設計、對生產過程的清潔化進行設計、對產品的可回收進行設計等。12、對基礎的設計理論和共性的設計技術進行研究。

參考文獻:

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機械的設計方法范文第2篇

前言：

機械設計發展的三個階段的是將預定的目標，經過一系列的規劃與分析決策產生一定的信息形成設計，并通過制造，使設計成為產品，造福人類。機械設計的發展史按時間來分，可分為三個階段：從古代社會到17世紀為機械設計起源和古代機械設計階段，由17世紀至第二次世界大戰結束為近代機械設計，第二次世界大戰結束直到現在為現代設計階段。如果按其內容可分為：直覺設計階段，經驗設計階段和理論設計階段。兩種劃分是一一對應的，是從不同角度來劃分機械設計的發展史。每一個階段在設計理論，方法和制造工藝方面都有明顯的特色。

1.機械設計的發展史

在我國古代，機械發明，設計者與制造者是統一的。有許多著名的人物，他們的成果代表了當時我國的機械的設計水平。唐代的時侯我國與許多國家開展了經濟，文化和科學技術的交流，對中國和世界其它的一些國家有很大的影響。由于貿易的發展，要求商品增加，從而改進生產設備，使機械設計有了很大的發展，造紙，紡織，農業，礦業，陶瓷，印染，兵器等都有了新的進展，機械設計水平也提高了一大步。

在1854年學者勞萊克斯發表了著作《機械制造中的設計學》把過去溶在力學中的機械設計學獨立出來，建立了以力學和制造為基礎的新科學體系，由此放生了“機構學”，“機械零件設計”，成為機械設計中的基本的內容。在這一基礎上，機械設計學得到了很快的發展。在疲勞強度，接觸應力，斷裂力學，高溫蠕變，流體動力，齒輪接觸疲勞強度計算，彎曲疲勞強度計算，滾動軸承強度理論等方面都取得了大量的成果，新工藝，新材科的，新結構的不斷涌現機械設計的水平也取得了很大的發展。機器的尺寸減少，速度增加，性能提高，機械設計的計算方法和數據積累也相應有了很大的發展，反映了時代的特色。

現代機械設計方法的特征是，它具有自己的學科體系和專門的內容。其核心技術有3個方面：

（1）以產品的“功能”作為機械設計的核心目標。美國麥爾斯提出了“顧客購買的不是產品的本身，而是產品所具有的功能”，說明了“功能”是產品的本質和靈魂。原理的提出大大解放了設計師的思想，為了實現功能，可以采用不同的原理和結構。我們可以從近年來的計時裝置，文件復制設備，通訊方法等方面的飛速發展看出，設計師的聰明才智得到了發揮，多方面滿足了社會需要。

（2）“人機學”的形成和發展。機械的工作與人是不可分的，有些操縱的信號要靠人輸入。必須考慮操縱者的反應速度和能力限制，還必須考慮操縱者和乘客的舒適性。雖然許多產品已經向自動化發展，許多民用產品對使用者的技術要求日益降低。但是機械產品畢竟是為了人類設計的。考慮“人機學”是提高產品的競爭能力的重要方面。實際上“傻瓜化”就是當前處理人機問題的一個重要的途徑。

（3）建立系統的“工業設計”學科體系。工業設計是設計者使產品在外觀，色彩，形狀，尺寸比例等方面的合理設計，使產品與人，環境更協調，以得到更好的使用效果與況爭力。

2.現代代機械制造業設計的發展趨勢

2.1現代化機械設計的核心是數字化

隨著數字化技術的發展，在設計之前可以對整個生命周期進行建模。利用計算機進行模擬，利用計算機定義產品設計的整個生命周期的完整過程，為機械設計提供參考：設計中可以采用大量的數字化的設計工具和手段。利用數字化的管理手段對整個設計的過程進行科學的管理，從而確保資源的優化配置，提高設計效率。

2.2現代化機械設計的大趨勢是并行化

通過計算機平臺的支持，設計團隊可以共享相關的信息，不在一個地方的設計人員和可以進行協同設計工作。在設計的過程中可以最大限度的獲得技術支持，實現優勢互補，提升設計能力。而傳統意義上的機械設計是一種串行的設計理念，將產品分成幾個步驟，然后一個環節完成了才能進行下個環節。并且在設計過程中各個階段的設計缺乏溝通手段，不能夠對發現的問題進行及時的修正，從而極大的延長了機械設計的開發周期，增加了大量的工作量。

現代化機械朝著大型化、綜合化的方向發展，機械自身的構造和功能將變得越來越復雜，產品在開發初期做出的相應的設計思路將會直接影響到后期的設計。所以在開發設計的初級階段一定要進行充分的論證和實驗，考慮產品面臨的各種因素，這樣可以極大的降低在產品后期的修改的次數，縮短開發周期。現代機械設備的科技含量不斷的增加，其所涉及到多個部門的知識，一個企業往往沒有能力獨立完成一個機械的完整的設計，就需要將相關領域的企業或者是研究機構的設計人員集中起來共同設計，通過并行工程的強大支持，各個領域的設計人員同時進行機械的設計，優勢互補，強強聯合，最終設計出滿意的機械產品。

2.3現代化機械設計的要求是智能化

隨著自動化技術在機械領域的使用，機械的自動化程度越來越高。設計師充分利用智能技術展開機械的設計工作，組成一套智能化的體系。智能化系統能夠獨立的進行計算以及邏輯推理，大大減少設計師的工作量，提高設計工作效率。

3.結束語

發展我國的機械設計科學研究，必須集中探討機械設計各主要環節的正確工作方法和解決問題的途徑，收集開發新產品的成功經驗和范例，積累大量的設計資料，了解世界有關行業的發展動向，致力于提高我國機械工業的水平，生產具有國際競爭力的機械產品。相信我國學者們要總結過去設計經驗并吸收外國先進的學術思想和科學技術的基礎上，定能研究出一套適合我國的國情。高效優質，經濟地進行設計的規律和方法來為加速現代化建設做出應有的貢獻

參考文獻

[1]李潤方，林騰蛟，陶澤光，韓西.現代機械設計方法及其應用[J].機械工藝師，2000，（09）.

機械的設計方法范文第3篇

【關鍵詞】機械設計；機械制造；設計理念

機械設計，是指根據產品的使用功能要求，對機械的工作原理、結構形式、運動方式、力和能量的傳遞方式，各個零件的材料和形狀尺寸、精度、配合形式和技術要求，方法等進行構思、綜合分析和計算并將其轉化為具體的設計方案，以作為生產制造依據的指導文件之一。

1現代機械設計概述

1.1.現代機械設計的現狀。機械產品設計開發中，機械設計是十分重要的一步，是機械生產的起始段，決定了機械的性能，質量和品質。機械設計對于人類社會的進步，起到了不可磨滅的作用，極大提高了社會生產力的發展和生產的進步。現代機械設計理論，總結了現代機械產品生產的經驗和原理，是現代機械設計的指導方針和設計綱領。而現代機械設計方法，則確保了現代機械產品能夠滿足設計初衷和功能需要。現代機械設計理論是現代機械設計方法的根本和核心，是機械設計中必須面對的基礎和要求。現代社會對與機械設計水平的要求越來越高，對現代機械設計的需求也越來越大，這就決定了現代機械設計必須要不斷進步，與時俱進，同時社會生產力水平的提高，科技水平的進步，在客觀上也推動了現代機械設計的進步，為機械設計理論和方法的發展提供了動力。

1.2.現代機械設計的特征。現代機械不僅應用于物質于能量方面，更多的進步體現在對信息的處理，不再只注重于單一功能而傾向于綜合作用，換而言之，機械不再僅僅是一種工具，而進一步應用了智能技術使其具有了自主處理能力和信息接受交換能力。上述現代機械的進步與變化，也使現代機械設計與傳統機械設計有了很大不同，相對于傳統機械設計更多的靠以前的經驗和設計師突發的靈感，現代機械設計則更多的運用新興技術，綜合各學科內容，以現代機械設計理論為基礎和準則，展現出了機械設計在現代的新面貌。傳統機械設計是在存在需求的情況下設計出方案進而做出樣品進行實驗并根據實驗成果改進方案繼續制作樣品進行實驗，如此循環不僅費時費力，制作出的產品性能，適用性等均不能達到最優化。現代機械設計則可以在計算機的使用下直接進行虛擬實驗，在對實驗現代機械設計方法的分類。從工程領域方面劃分現代機械設計方法，可分為現評估后優化參數改進虛擬樣機，在達到最有效果之后，再進行設計制作，不僅節約材料，降低成本，且方便快捷，設計效果較好。

1.2現代機械設計的理念。設計過程要遵循一些理性的、科學的基本原則，一般來說包括邏輯關系的確定，物理關系的確定，結構關系的確定，總體層面設計的最終確定。現代機械設計的理念是把信息技術、計算機輔助技術、智能技術和機械工程技術相結合，通過建立數學模型進行優化，融合數學、電子信息學、化工學、人體心理學等學科知識，從形象思維開始，綜合運行各種思維方式，經過邏輯推理和判斷及相應的綜合、分析與決策，產生設計創意，經過精確的數據分析和操作，反復操作循環，最終完成設計方案。設計過程要充分考慮到設計任務，清晰設計目標，充分收集資料和數據，要設計出新結構和新方案，還要和客戶進行討論，注重各專業知識的配合，力求方案的科學性，要以嚴謹的態度對待設計圖，不斷修改方案，直到最佳，最后，現代機械設計的一個重要理念就是要將設計的過程貫徹于機械制造的始終，即使是草圖結束以后也要動態進行調整。現代機械設計的理念秉承創新精神，注重邏輯和思維方式，運用科學合理的設計方法，結合最先進的科學技術，并且還要綜合考慮經濟性、穩定性、智能性等相關因素，充分融合環保設計、人性化設計、低能耗設計等理念，并且借鑒國內外的相關理論，實現設計理念的創新和發展。

2關于是機械設計其中的一個方面的探討

設計一部機器，其產品性能如何，關鍵在于其設計的質量。機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。制造一部機器，在滿足預期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低、造型美觀，同時要滿足人類工程的使用要求，在設計使用期限內要安全可靠、操作方便，維修簡單。機械設計是一個創造性的工作，同時也是充分利用已有的成功經驗的工作。因此，要很好的把繼承與創新有機結合起來，才能設計出高質量的機器。設計程序有以下幾個階段：

2.1調研階段。在調研階段應對所需要設計的機器的技術和使用要求情況做充分的調查研究和分析，通過分析，能夠進一步明確機器所應具有的功能，并為以后的決策提出由環境、經濟、加工以及時限等方面所確定的約束條件。

2.2方案的初步設計階段。方案的初步設計不單單是滿足產品功能的需要和本產品行業的發展方向，更重要的是檢驗設計者對于產品的開發的認識，以及“四新”運用的能力。初步設計的主要步驟是：確定工作原理和基本結構型式、運動形式設計、設計主要零部件，繪制初步總裝配圖，初步設計審查。

2.3產品設計階段。產品設計階段分三步：首先，是設計總裝配草圖及部件裝配草圖。根據總裝配草圖和部件裝配草圖對產品進行整體設計。再者，在產品設計階段要根據審查意見修改設計，設計全部零部件，繪制新的總圖，技術設計總審。最后的設計階段，要根據審查意見修改設計，繪制全部工作圖和制定全部技術文件。對于大型設備，需要多名設計人員分工合作、密切配合，總設計師要密切關注結合部分的連接設計，做到連接科學、簡單。而相對于批量或大量生產的產品，還要進行定型設計，考慮采取工裝設計，提高產品生產效率、降低成本。

2.4技術文件編制階段：其種類較多，常用的有產品的設計計算說明書、使用說明書、標準件、常用件、易損件的明細表等等。

計算機在機械設計中得到了日益廣泛的使用，并出現了許多高效率的設計分析軟件，如：（三維：PRE、UGNX、solidWorks等；二維：AutoCAD、CAXA電子圖版等、CAM：Cimatron、SolidCAM等）。運用計算機軟件設計，使設計變得更加快捷、標準化強，同時，利用此類軟件可以在設計階段進行多方案的對比，以及可以對不同的方案其結構強度，剛度和動力特性進行精確的分析。因此，計算機軟件繪圖在機械設計進程中替代了手工繪圖。

在繪制零件圖的同時還需要進行兩項工作，其一、工藝性審核，要考慮本企業的設備加工能力和工人的技術水平，使零件便于加工并降低制造成本。其二、標準審核，使零件結構要素、尺寸、公差配合，熱處理條件以及標準和通用零件等符合標準的規定。零件圖完成后開始圖紙核對，經過仔細校對的圖紙，能保證加工后裝配順利和滿足技術要求。最可靠的校對方法是根據已繪制好的零件圖重繪出一張總裝配圖，所有的矛盾之處就會體現出來。

綜上所述，現代機械設計是許多學科和領域的技術交融之后的捷徑，這些技術在現實機械中實現了完美的結合，前提是相關的知識在設計者的頭腦中首先實現完美的結合，構成一個有序的知識體系。現代機械設計不可能是個人行為，在設計群體中，所以偶成員都應掌握現代機械設計的有關知識，這樣才能做到相互了解和配合，才能建立全局觀念，最終實現現代機械的完美設計。

參考文獻：

機械的設計方法范文第4篇

【關鍵詞】機械設計 發展階段 設計方法 設計過程

一、機械設計的發展階段

在17世紀之前，人們完全憑借自身直覺，結合自身對自然環境的一種感受對使用工具進行設計。但由于條件限制，憑借直覺設計出來的產品構造比較簡單；此后，經過很長一段的發展，一些擁有豐富經驗的手工制作者憑借自身經驗將設計構思明確畫出來，也就是設計圖紙的最初版樣，設計圖紙的出現極大地推動了機械設計的發展；上世紀以來，伴隨著研究成果和研究數據的出現，加之人類長久積累的設計經驗及設計圖標、設計方案和設計公式等輔助工具開始逐漸運用到不同機械設計中來；近來來，科技的迅猛發展特別是計算機硬件及機械設計技術和軟件的不斷更新，使得機械產品的設計取得革命性地發展。

二、現代化機械設計的方法

隨著計算機技術的不斷發展，使得機械設計的方法越來越現代化。在現代化的機械產品設計中，機械設計人員普遍運用優化設計、CAD、CAE等計算機技術和工具來設計機械產品。而現代化技術和軟件在機械設計中的普及，使得機械產品的研發周期越來越短，生產成本越來越低，生產質量和生產效率越來越高。據調查，現代化的機械產品設計方法主要有以下幾種：

（一）將產品特征進行闡述的設計方法

該類設計方法需要運用計算機能夠辨識的語言來闡述機械產品的屬性與特點，這一途徑也是該類機械設計方法的顯著特征。此外，還可以借助于計算機的功能建立設計相關的資料庫，在進行產品設計時運用已建立的資料輔助進行設計。

（二）將設計元素有序結合的設計方法

該類設計方法具有明顯的設計特點，即機械設計人員將所設計出的相關設計元素有機集合起來，每個設計都有自己相對獨立的設計元素，且這些產品設計元素之間的關系密不可分。最后，將所有設計元素進行有序組合，才可以完成完整的機械設計工作。

（三）將結構模塊相互組合的設計方法

機械設計人員采用將機構模塊相互組合的方法來進行產品的方案設計，該設計方法因為結構模塊的組合相對穩定，并且比較容易將結構模塊劃分開來，所以多運用在特定機械產品的設計上面。

三、機械產品設計的過程

（一）機械產品的市場調查階段

機械產品的市場調查階段是產品設計過程中的首要步驟，其目的是對開發的機械產品進行可行性研究和市場需求預測等，以此來確定機械產品設計的要求和相關參數，以供設計人員參考并制定機械產品設計報告。

首先，機械產品設計人員需要通過對市場及客戶的調查來確定市場需求，并根據產品市場需求預測新機械產品上市后的發展狀況并擬定預測報告。其次，以國內外現有的同類技術產品的性能、質量和市場情況作為參考，對即將生產上市的新產品各方面進行考察和分析，并撰寫產品技術報告。再次，對新產品進行可行性分析，得出產品可行性分析報告。最后，將以上所得報告統一評審，并提出合理性建議供領導商討決策。

（二）機械產品方案的設計階段

第一，針對機械新產品進行產品功能原理方案設計，該原理方案對今后的產品性能及成本消耗有著最直接的影響。第二，詳細確定機械產品各部件的尺寸、形狀，并進行產品剛度及強度的計算，得出產品構造草圖。第三，在前兩步基礎上綜合考慮產品布局、樣式，得出總體設計圖。第四，化整為零，將總圖分為各部件設計圖，根據每個部件的要求和規定得出產品的生產圖紙及說明書。

（三）機械產品樣機的試制階段

首先，根據機械產品樣機的設計流程和設計方案進行樣機試制，檢驗、鑒定該樣機的試運行情況之后，對機械產品設計流程和方案進行相應修改。其次，根據修改后的設計方案和流程再進行小批機械產品試制，根據產品試運行和試銷之后的情況進一步修改、完善設計方案和流程。經過產品的試制階段后，產品的設計流程和設計方案得到進一步的完善，而機械產品本身各方面的性能也因為試驗與堅定而得到進一步提升。

（四）機械產品設備的調試階段

機械產品設備的調試階段是產品進入正式投產的重要準備環節，在這一階段，需要針對完善后的設計方案對設計流程等進行最終的確定，并對即將進行生產的各項設備和機器進行調試工作。這一階段的目標是為了即將進入大批量生產的機械產品的各方面設計文件和生產設備能夠達到投產要求并保障機械產品生產能力的持續與穩定。

四、總結

綜上所述，通過本文研究可以看出機械設計技術從古至今由簡單到復雜，由單純的手工設計到智能設計已經經歷了不少的風風雨雨而變得日趨完善和成熟。計算機相關軟件和技術為機械設計提供了豐富的現代化設計方法，這促進了機械產品生產質量、效率的提高的同時也使得機械設計技術的發展步伐加快。而機械產品設計的過程雖然繁瑣，但是必須按章有序操作，才能保障生產出來的產品能夠達標并在市場上立足。最后希望今后人們能設計出更現代化更實用的機械產品推動人類文明的進一步發展。

參考文獻：

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機械的設計方法范文第5篇

關鍵詞：機械產品；方案設計方法；發展趨勢

引　言

科學技術的飛速發展，產品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新換代速度加快。然而，產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時展的需要。目前，計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的基礎上，概括總結了國內外設計學者進行方案設計時采用的方法，并討論了各種方法之間的有機聯系和機械產品方案設計計算機實現的 發展趨勢。

根據目前國內外設計學者進行機械產品方案設計所用方法的主要特征，可以將方案的現代設計方法概括為下述四大類型。

1、系統化設計方法

系統化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。

系統化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221“技術系統和產品的開發設計方法。

制定的機械產品方案設計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設計方式。除此之外，我國許多設計學者在進行產品方案設計時還借鑒和引用了其他發達國家的系統化設計思想，其中具有代表性的是：

(1)將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規劃、作業控制等的基礎，從產品開發的宏觀過程出發，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發各階段的技術目標和作業控制規程的方法。

(2)將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。

(3)將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段 。

由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統化設計方法。

1.1　設計元素法

用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數)描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。

1.2　圖形建模法

研制的“設計分析和引導系統”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯接 。

將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。

文獻［11］將語義設計網作為設計工具，在其開發的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。

1.3　“構思”—“設計”法

將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段。“構思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。

將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。

從設計方法學的觀點出發，將明確了設計任務后的設計工作分為三步：1) 獲取功能和功能結構(簡稱為“功能”)；2) 尋找效應(簡稱為“效應”)；3) 尋找結構(簡稱為“構形規則”)。并用下述四種策略描述機械產品構思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應”和“構形規則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創建變型方案，由此產生廣泛的原理解譜。策略2：“效應”與“構形規則”(包括設計者創建的規則)關聯，單獨考慮功能(通常與設計任務相關)。此時，辨別典型的構形規則及其所屬效應需要有豐富的經驗，產生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構形規則”三者密切相關。適用于功能、效應和構形規則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對設計要求進行結構化求解。該策略從已有的零件出發，通過零件間不同的排序和連接，獲得預期功能 。

1.4　矩陣設計法

在方案設計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關聯矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。

Kotaetal將矩陣作為機械系統方案設計的基礎，把機械系統的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數矩陣和一個運動方程。

1.5　鍵合圖法

將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方 法。

2、結構模塊化設計方法

從規劃產品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解(如通用零件部件等)描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解，這樣，能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產品結構分為四層，(1)產品(2)功能組成(3)主要功能組件(4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。

認為專用機械中多數功能可以采用已有的產品解，而具有新型解的專用功能只是少數，因此，在專用機械設計中采用功能化的產品結構，對于評價專用機械的設計、制造風 險十分有利。

提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。理想的模塊化基本結構應該具有標準化的接口(聯接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。

以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。

根據機械零部件的聯接特征，將其歸納成四種類型：1)元件間直接定位，并具 有自調整性的部件；2) 結構上具有共性的組合件；3)具有嵌套式結構及嵌套式元件的聯接 ；4)具有模塊化結構和模塊化元件的聯接。并采用準符號表示典型元件和元件間的連接規則，由此實現元件間聯接的算法化和概念的可視化。

在進行機械系統的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規定功能分解的最佳“粒化”程度是功能與機構型式的一一對應。“結構建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現映射算法。

3、基于產品特征知識的設計方法

基于產品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。

機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協調、管理和使用。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。

3.1　編碼法

根據“運動轉換”功能(簡稱功能元)將機構進行分類，并利用代碼描述功能元和機構類別，由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合，建立了該“專家系統”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。

利用生物進化理論，通過自然選擇和有性繁殖使生物體得以演化的原理，在機構方案設計中，運用網絡圖論方法將機構的結構表達為拓撲圖，再通過編碼技術，把機構的結構和性能轉化為個體染色體的二進制數串，并根據設計要求編制適應值，運用生物進化理論控制繁殖機制，通過選擇、交叉、突然變異等手段，淘汰適應值低的不適應個體，以極快的進化過程得到適應性最優的個體，即最符合設計要求的機構方案。

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3.2　知識的混合型表達法

針對復雜機械系統的方案設計，采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合，這一點已得到我國許多設計學者的共識。

在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中，將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起，以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法(規則、框架和過程)，按面向對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規則表示對象的動態特征，用過程表示知識的處理，組成一種混合型的知識表達型式，并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。

3.3　利用基于知識的開發工具

在聯軸器的CAD系統中，利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向對象的方法，創建了面向對象的設計方法數據庫，為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容，由此尋求出基于知識的解，并開發出直線導軌設計專家系統。

3.4　設計目錄法

構造了“功能模塊”、“功能元解”和“機構組”三級遞進式設計目錄，并將這三級遞進式設計目錄作為機械傳動原理方案智能設計系統的知識庫和開發設計的輔助工具。

3.5　基于實例的方法

在研制設計型專家系統的知識庫中，采用基本謂詞描述設計要求、設計條件和選取的方案，用框架結構描述“工程實例”和各種“概念實體”，通過基于實例的推理技術產生候選解來配匹產品的設計要求。

4、智能化設計方法

智能化設計方法的主要特點是：根據設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述 產品的結構。

在利用數學系統理論的同時，考慮了系統工程理論、產品設計技術和系統開發方法學VDI2221，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發系統軟件MUSE。

在進行自動取款機設計時，把產品的整個開發過程概括為“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”三個階段，并且充分利用了現有的CAD尖端技術——虛擬現實技術。1) 產品規劃—構思產品。其任務是確定產品的外部特性，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出，建立能夠體現整個產品外形的簡單模型，該模型可以在虛擬環境中建立，借助于數據帽和三維鼠標，用戶還可在一定程度上參與到這一環境中，并且能夠迅速地生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測外部形狀效果的依據，也是幾何圖形顯示設計變量的依據，同時還是開發過程中各類分析的基礎。 2) 開發—設計產品。該階段主要根據“系統合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據設計目標的不同有不同的含義：可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯接等；也可以是復合元素，如機、電、電子部件、控制技術或軟件組成的傳動系統；還可以是要求、特性、形狀等等。將實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置(設計模型中解元素間的關系)進行分析，產品配置分析是綜合“產品規劃”和“開發”結果的重要手段。3) 生產規劃—加工和裝配產品。在這一階段中，主要論述了裝配過程中CAD技術的應用，提出用計算機圖像顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關系，由此發現難點和問題，并找出解決問題的方法，并認為將CAD技術綜合應用于產品開發的三個階段，可以使設計過程的綜合與分析在“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”中連續地交替進行。因此，可以較早地發現各個階段中存在的問題，使產品在開發進程中不斷地細化和完善。

我國利用虛擬現實技術進行設計還處于剛剛起步階段。利用面向對象的技術，重點研究了按時序合成的機構組合方案設計專家系統，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術，在三維環境中從各個角度對專家系統設計出的方案進行觀察，如運動中機構間的銜接狀況是否產生沖突等等。

將構造標準模塊、產品整體構造及其制造工藝和使用說明的擬訂(見圖1)稱之為快速成型技術。建議在產品開發過程中將快速成型技術、多媒體技術以及虛擬表達與神經網絡(應用于各個階段求解過程需要的場合)結合應用。指出隨著計算機軟、硬件的不斷完善，應盡可能地將多媒體圖形處理技術應用于產品開發中，例如三維圖形(立體模型)代替裝配、拆卸和設計聯接件時所需的立體結構想象力等等。

利用智能型CAD系統SIGRAPH-DESIGN作為開發平臺，將產品的開發過程分為概念設計、裝配設計和零件設計，并以變量設計技術為基礎，建立了膠印機凸輪連桿機構的概念模型。從文獻介紹的研究工作看，其概念模型是在確定了機構型、數綜合的基礎上，借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設計功能，使原理圖隨著機構的結構參數變化而變化，并將概念模型的參數傳遞給下一級的裝配模型、零件設計。

5、各類設計方法評述及發展趨勢

綜上所述，系統化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯系在一起，使整個設計過程系統化，使設計有規律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現。

結構模塊化設計方法視具有某種功能的實現為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現產品的方案設計。對于特定種類的機械產品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。由于實體與功能之間并非是一一對應的關系，一個實體通常可以實現若干種功能，一個功能往往又可通過若干種實體予以實現。因此，若將結構模塊化設計方法用于一般意義的產品方案設計，結構模塊的劃分和選用都比較困難，而且要求設計人員具有相當豐富的設計經驗和廣博的多學科 領域知識。

機械產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。因此，欲實現計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。

目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現實技術進行設計，直觀性較好，開發初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，但系統性較差，且零部件的結構、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經驗的設計者參與。

值得一提的是：上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯系，如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想，建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統化和結構模塊化方法，此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中，視能夠實現特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統化設計方法中，不僅可以保證設計的規范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質量，降低設計成本。