机械设计标准化的概念和意义范文第1篇

近年来，随着国内制造业的迅速发展，机械产品在技术方面与国际领先企业的差距正在缩小。2015年全球工程机械制造商50强排行榜中，中国有8家企业上榜，前10名中，中国企业有2家[1]。但是，国内大多数机械企业在过去只重视工程技术创新，忽视了设计体系的构造和均衡发展，这导致其所生产的机械产品无法构建良好的品牌形象。产品形象是企业发展的重要前提，在很大程度上制约着产品在国际市场上的竞争力。以产品为中心，通过系统化的分析，对产品进行全方位的设计，使其构成独特且具有延续性的设计风格，可塑造企业的品牌形象，而辨识度高的产品形象能极大地提升产品的竞争力与附加值，增强企业的核心竞争力。在从“中国制造”向“中国创造”的战略目标实现的过程中，立足于中国企业实际发展状况，进行深入的产品设计研究，并建立一套与之相适应的、与我国制造业相匹配的产品形象系统，已成为当今我国制造业迫切需要解决的问题之一。本文拟通过对企业发展不同阶段的考察，从产品周期、产品家族、时展三个维度构建产品形象系统理论模型，以供学界参考。

一、PIS理论研究概述及存在问题

通过对各类文献资料的研究分析，可以了解到产品形象系统（PIS）在概念、理论归宿、总体构成及评价系统等方面的研究已经取得了初步成果。比如，李良[2]在《工程机械产品识别设计策略研究》中运用形态语义学、认知心理学等理论，阐释了产品意象、产品识别的概念及其关系，提出了产品造型识别特征群这一概念；张凌浩[3]在《基于基因遗传理论产品形象的延续与更新方法研究》中，对生物科学中的现代遗传及变异理论与产品形象延续及更新的关联性进行了研究，为产品形象创新与品牌提升提供了一种新方法；车承刚等[4]在《工业设计产品形象系统建构之研究》中，运用“期望价值理论”建构出了基于体验经济概念下的产品识别系统；杨道陵[5]在《产品形象系统PIS建构脉络》中，叙述了产品形象识别系统建构的4个阶段，即企业核心理念与产品策略研究、产品线形象框架结构研究与建设、产品模板系统与设计指导、PIS管理体系的制订与实施。徐娟燕等[6]在《基于PIS的焊接系列产品造型设计研究》中，从产品形象的理念建立和视觉设计两方面对焊机、焊枪和焊帽3款产品进行了系列化造型设计，为同类设计提供了参考；张久美等[7]在《基于产品形象的大型机电产品外观视觉形象建构》中，通过理念识别、核心要素分析、造型特征设计等，倡导将产品形象的设计方法融入机电产品设计中，以塑造并提升大型机电产品的整体外观视觉形象。

借鉴相关研究成果，我们可以从狭义和广义两个方面对产品形象作如下理解：从狭义上讲，产品形象是产品在用户群中的视觉形象，是产品的视觉外观，是暂时的；从广义上讲，产品形象是产品在整个生命周期内的视觉与知觉上产生的、有关产品印象的集合[8]，产生这些印象的主体除了使用者之外，还包括决策者、潜在购买者、销售者等，是他们对于产品的视觉形象、使用体验、引发的联想等经过大脑分析处理后的形象，是对产品的一个综合的认识和印象，是持久的。

目前，学术界对产品形象系统的研究虽取得了一些成果，但也存在一些问题：缺乏根据企业发展不同阶段对产品形象系统进行理论模型构建，PIS构建中仍存在大量企业形象系统（CIS）理论的影响，缺乏以产品为核心的宏观系统的研究。

根据现代系统科学，事物都是以系统的方式存在的，系统都是由相互联系的元素所组成的、具有某些特定功能的有机整体。因此，产品形象也是一个由产品形象相关元素构成的有机系统，各元素彼此相互依赖、相互影响。从发展的眼光来看，随着企业的不断发展，产品形象系统设计将会具有不同的内涵，这也是工业设计从单纯产品型向策略型转变的重要体现。

二、PIS与CIS的关系

随着市场的不断发展，机械企业需要面对越来越同质化的产品竞争，部分企业开始注重企业形象的塑造，国外的CIS开始在国内流行起来。但在推行CIS过程中也出现了一些问题，如更偏向于运用图像符号来表现意义和形象思维，没有建立起连续的产品形象，导致识别意向模糊，无法传达具有高度一致性的企业文化内涵；再如，企业文化理念与品牌的塑造需要长期累积，而部分处于发展初期的企业缺乏资金，急于求成，眼光短视，对发展CIS兴趣不大[9]。对于国内大多数企业而言，PIS更具实效性，也更加符合我国机械企业的实际情况。对PIS与CIS之间的关联性进行分析，有助于对PIS的深入研究及其理论模型的建立。

PIS设计是产品的内在品质形象与外在视觉形象的统一，是塑造CIS的重要途径。PIS的主体是产品，CIS的主体是企业；产品形象的传播方式是产品的塑造，企业形象的传播方式是视觉识别；PIS的目标是针对特定的目标人群建立起稳定的、具有延续性的产品品质形象，CIS的目标是针对特定的市场树立起良好的企业形象。与市场的基本单元用户直接、密切接触的是企业的产品，所以要想树立起良好的企业形象，首先要塑造具有一致性和连续性、有品质的产品形象。PIS是CIS的重要组成部分，是其子系统。PIS从产生起便伴随着设计策略，包含着企业文化内涵，在企业所处的具体阶段进行相应的产品形象塑造。

（4）工程规范

机械企业的工程规范在机械产品形象的品质塑造过程中起重要作用。机械行业的标准可以分为国家标准、行业标准和企业标准三个等级。依据标准化准则，产品的某些零部件、设备及能源等的结构形式、尺寸、性能等，应按照国家与行业统一的标准选用；产品的人机界面、说明书等所包含的符号、计量单位、名词术语等也应符合标准。因为这些标准影响到产品形象的专业化、在安装维修的过程中的方便性和使用的可靠性。

（5）宣传销售

机械产品的宣传多采用行业展会、专业刊物广告等方式进行，一些大型行业设备，一般用业务员拜访企业的方式进行销售。在宣传销售方面，产品的展示、包装、宣传册等的设计风格应与产品理念一致，以建立起统一的、整体的产品形象。

此外，在对机械产品的维修、保养、软件升级，以及产品使用寿命终止的后续处理中，企业若能给用户以周全的服务，会对产品形象品质的提升具有推动作用。

2.产品家族维度

一款产品在特定市场中成功地建立起高品质的产品形象，还不足以形成稳固的产品形象系统，会不断有其他企业新的同类产品对其进行冲击。产品家族的建立是中长期的产品形象系统建造阶段，如在没有品牌影响力的情况下就开始着手家族化，其风险将是巨大的。不同层次的市场具有不同的需求，机械产品的家族化就是要覆盖更广的市场，满足不同市场的个性化需求。建立产品家族的根本目的是为了满足市场的多样化和个性化需求，通过提供不同的产品种类开发潜在市场。产品家族的核心是模块化、通用化和标准化，最大限度地提高设计参数和生产过程的重复使用性，以降低成本，缩短开发周期。需要注意的是，产品家族化的主要目的在于覆盖更广泛的市场需求，并使产品具有家族识别性，而不仅仅是为了降低产品开发成本。产品家族的每一款产品在自身的产品周期中，都要融入产品家族的通用特征，通过系列产品来体现产品形象的稳定性、一致性和连续性。在一段时期的机械市场中，标志性的产品家族特征会给消费者带来巨大的视觉冲击，留下深刻印象。而强化产品形象系统，可以加强机械产品与用户的情感联系。

3.时展维度

《连线》前主编凯文・凯利在《机器想要什么》一文中提到：“在技术的进化过程中，我们能看到与生命进化相同的趋势――走向普遍化、多样化、社群化和复杂化。”[10]随着时间的推移，机械产品的DNA逐渐形成，从而逐渐进入机械产品形象系统的长期塑造阶段；通过机械产品的更新换代将产品的特征稳定地遗传下来，不断繁衍。人们对于产品的使用需求是不断发展变化的，一旦习惯了某一款产品并达到“专家”级的熟悉度时，便会产生更高的要求和期望[11]。同时，在不同的时代，科学技术、经济状况、文化潮流都在不断地发展演变，机械产品形象系统作为一个开放的系统，会受到这些因素的影响。依据系统固有的开放性特性，产品形象系统设计应重视并善于利用这些外部条件，兼顾全局，努力完善系统自身。机械产品形象系统一旦具有了遗传性，这种遗传性将指引产品家族特征的建立和单个产品生命周期中产品形象的塑造。在实践中，对应不同的时代，机械产品形象系统适应时代的部分会作为体系发展的基因而保留并遗传下来，不适应的部分则会遭到淘汰，使得整个机械产品形象系统不断优化，并与变化着的外部环境相适应。就像遗传基因会发生突变一样，产品形象中遗传物质也会产生不稳定传递，使产品形象特征出现新的变异，影响产品家族的进化，而“基因”突变是创新的源泉。随着时代的发展，机械产品正朝着智能化、模块化、个性化、多功能和节能环保方向发展，机械产品形象系统理应在保持产品稳定性和不断创新的平衡中不断发展完善。

四、结语

机械产品形象系统塑造是一个复杂的系统工程，该系统最显著的特征是整体性。系统的效能不是其构成元素的功能之简单叠加，而是依据所处的实际环境情况有机地组织起来，使系统在复杂的相互作用中表现出统一性和协同性，从而使系统整体达到最大化。根据国内机械企业的实际情况，逐步建立起产品形象系统，使产品价值最大化地呈现出来，这对于在激烈的国内和国际市场竞争中树立稳定的、突出的、公众可信任的产品形象具有十分重要的作用。

参考文献：

[1]

中国工程机械商贸网.8家中企上榜Yellow Table 2015工程机械50强[EB/OL].（2015-07-22）[2016-02-12]http：///detail/2015/07/2015072210494315211.shtml.

[2]李良.工程机械产品识别设计策略研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[3]张凌浩.基于基因遗传理论产品形象的延续与更新方法研究[J].包装工程，2007（8）：170.

[4]车承刚，冯永华.工业设计产品形象系统建构之研究[R].台中：行政院国家科学委员会东海大学，2007.

[5]杨道陵.产品形象系统PIS建构脉络[J].装饰，2012（5）：133.

[6]徐娟燕，陈颖捷.基于 PIS 的焊接系列产品造型设计研究[J].机械设计，2015（1）：126.

[7]张久美，胡光忠，徐刚.基于产品形象的大型机电产品外观视觉形象建构[J].机械设计，2015（2）：123.

[8]杨颖，周立钢，雷田.产品识别在品牌策略中的应用[J].包装工程，2006（2）：163.

[9]晏群，肖旺群.关于产品形象系统（PIS）理论的研究与探讨[J].中国包装，2009（10）：74.

机械设计标准化的概念和意义范文第2篇

关键词：机械设计；刚度；铸造结构

安全事故无论是对个人而言，还是对国家而言，都意味着巨大的损失。这就要求机械制造企业必须全力提升产品的安全性能，最大程度地减少安全事故的出现。机械设计制造企业必须以生产高质量的产品为主要任务，这就需要企业结合产品的功能来设计产品，力求设计出最优的结构设计体系，这样才能使整个机械制造业实现真正的发展。

1机械设计制造的原则

1.1技术性原则

技术性能包含有关产品功能、运行以及维护等在内的全部性能，它可概括为动态性能和静态性能两种。举例来说，产品的运行功率、使用寿命、耐磨度、稳定性及强度、刚度等都属于技术性能的范畴。当产品振动时会出现变应力和动载荷，尤其是产品的振动频率接近机械系统本身的频率时，就会出现共振效应，由于振幅急速增大，机械系统会受到一定的伤害，因此必须将技术性原则考虑到机械设计制造过程中。

1.2标准化原则

机械产品设计制造过程中一般会涉及如下标准：①概念标准化，指的是在产品的设计制造过程中必须保证计量单位、专业术语、符号表达等概念符合相应的标准；②实物状态标准化，指的是零部件、设备外形以及性能、原材料特点等都应该符合国家统一规定；③解决方法标准化，指的是包括计算、试验等在内的各种操作都应该符合规范化标准。标准化原则要求设计过程中的各种相关因素、操作以及程序都应该达到统一的标准。国家当前针对机械零部件设计制造所颁布实施的标准共包括三个等级，分别为国家标准、行业标准和企业标准。

1.3安全可靠性原则

机器的安全性涉及两层涵义：环境安全性和工作安全性。前者指的是保护机器周围的环境，后者指的是保护工作人员的人身安全和健康安全等。机器安全性既包括整机安全性，也包括零部件的安全性，前者指的是机器能够正常运行，能按照要求完成工作任务；后者指的是在规定的条件下零部件不出现过度磨损、变形、破裂等状况。可靠性原则指的是零部件以及产品能够在规定的条件下完成一定的功能，达到相关要求。

2机械设计制造的注意要点

2.1结构设计中掌握强度与刚度的平衡

设计机械产品时，一定要注意把握受力点与支撑点的位置，保证二者之间的距离适当，同时还要尽力缩短悬长臂的长度；另外还要控制工作状态下的震动，减少零件与载荷之间的摩擦力。零部件之间必须维持平衡状态，不但要将传力方式综合在一起，而且还要注意运行中的零部件是否出现变形，受力状况是否均衡等。此外，设计机械零部件时还要注意，当拉伸应力作用于铸铁件时，弯曲应力不能作用于细杆。对于承受冲击力的零件来说，必须控制该零部件的刚度，不能使刚度超出一定的范围，同时，受应力零部件的表面不能粗糙，要使其保持光滑的状态。

2.2机械设计制造过程中的具体问题

机械设计制造过程中也存在很多难以解决的问题，如腐蚀、摩擦、噪音等，因此必须在设计制造过程中注重这些问题，将可能会出现的损耗降到最低。首先必须对工作的重要性形成正确的认识，准确了解当前设计过程中存在的问题以及可能会产生的不利影响，努力提升设计效益，尽力扩展企业的利润空间。从机械设计制造行业整体来看，噪音问题和腐蚀问题是设计制造过程中最常见的问题。腐蚀问题如果得不到有效解决，内部管道的使用寿命就会缩短，而且会造成后期维护成本的增加，加大企业经济支出。同时也会使企业管理工作的难度加大。因此，必须高度重视腐蚀问题，不仅要进行平衡测试试验，还要设法使零部件的阻尼性更强。受冲击零部件的质量不能有丝毫马虎，可以通过控制运动部件的距离运动来减少噪音问题；还要尽量控制碰撞和摩擦现象，避免管道热交换器出现振动，只有减少振动和摩擦，才会将零件的磨损降到最低；要及时更换不同钢管的连接处，要注意观察是否连接处遭受腐蚀，是否因为机械振动而造成连接处的磨损；及时清理容器内部液体，不能有液体留存。注意保持管道连接处螺栓的紧密性，不能出现任何的缝隙，同时还要观察机械零部件是否出现变形，并及时更换零部件。

2.3铸造结构设计过程中的具体问题

机械零部件在设计过程中要尽量做到简洁化，铸件表面不能出现内凹现象，而且要设法使凸台分布在外形较大的铸件上，同时还要使铸件表面有一点突出，起模结构也要改善，面积大的水平面并不是最合适的选择。要控制铸件壁的厚度，既不能过厚，也不能过薄，要厚度均匀，外壁厚度要大于内壁厚度。对一些较厚的铸件来说，铸件壁的厚度应该逐渐加大，两臂夹角要适度，可以将造芯应用于铸件的内腔，有利于提升铸件质量。此外，加强肋的布置要合理，保证铸件的收缩性，使缺陷肋的受力降到最低，必须将结构的稳定性与肋的受力结合在一起，减小圆角，保证铸件传力合理。

2.4机械结构设计结合绿色理念

在机械结构设计制造中引入绿色设计理念，不仅要关注成本、质量以及性能之间的内在联系，而且要准确了解机械设计制造可能对环境产生的影响。要注意生产原料是否具有可回收性，是否可以重复利用，不能将生产过程中的废弃物随意排放到环境中，避免环境污染。在机械结构设计制造过程中引入绿色理念，有利于实现机械设计制造行业的可持续发展，也正是因为如此，必须在设计制造机械产品的过程中注意环境污染、产品回收以及产品替代等问题。此外，还要考虑设计过程中的模块化，即将机械产品的功能划分为不同的模式，各模块之间采用不同的模式组合在一起。这不仅能提高零部件的利用效率，而且也有利于产品的升级换代。

3结束语

综合以上论述，机械设计制造领域不仅与人们的日常生活密切相关，而且与多个领域的安全生产存在极为密切的联系，这要求机械制造从业人员在设计机械产品时必须保证产品的质量。对于机械设计制造企业来说，也要树立社会责任意识，以推动我国机械制造业的发展。

参考文献：

[1]朱坤鹏.工程机械变速箱再制造的研究与应用[D].广西科技大学,2015.

[2]张月雷.机械系统可监测性设计理论及在船舶机械中的应用研究[D].武汉理工大学,2011.

机械设计标准化的概念和意义范文第3篇

关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势

引言

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

1、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。

制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。

(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。

将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。

文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。

1.3“构思”—“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。

从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。

1.4矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。

Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

2、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否

存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

3、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

3.1编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。

3.2知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

3.4设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

3.5基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

4、智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向

对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

5、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

机械设计标准化的概念和意义范文第4篇

【关键词】控制系统 联合仿真 协同优化

针对机械臂而言，其机械系统和控制系统是密切相关的，两个系统的性能共同决定了机械臂的整体性能，最根本的体现就是在机械臂末端的重复定位精度上。

为了优化机械结构以提升机械系统性能指标，满足设计要求，结构优化设计的概念被提出。结构优化设计就是在工程设计的过程中，不再局限的依靠设计者给定具体的设计方案，而是结合最优化理论的数学思想，在设计变量的取值范围内寻找最优的设计方案，大大缩短了设计周期，提升了设计效率和质量。

目前，利用结构优化设计方法来完成机器人的结构设计工作被越来越多的设计人员所采用，并取得了大量的研究成果。根据设计变量的不同，可以将机器人的结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。

就机械臂而言，其拓扑优化设计主要包括两方面的研究内容：

（1）对于机械臂机构，在机器人概念设计初期，在初始设计空间，根据设计指标，对机器人整体机构形式进行拓扑优化设计；

（2）对于机械臂零件，在零件所受载荷确定的情况下，对其拓扑结构进行优化设计。拓扑优化在优化过程中改变拓扑构型的同时也改变了尺寸及形状参数，与尺寸优化和形状优化相比具有更大的自由度。

结构拓扑优化设计由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。拓扑优化是选取结构单元的有无作为设计变量，目的是寻求结构刚度在设计空间的最佳分布形式，达到材料的合理分配，以优化结构的某些特性或减轻结构的重量，在产品概念设计阶段，寻求产品最优的拓扑结构具有重要的意义。

尽管经历了三十多年的研究发展，拓扑结构优化技术已经有了长足发展，也在工程上被越来越多的人所重视和利用起来。但是受到其自身分析求解规模大、优化结果难以识别、拓扑构型难以定量描述或参数化等问题的限制，使得结构拓扑优化技术的应用更多的体现在构件及简单工况的层面上，较多的应用在概念设计阶段。

控制系统是决定机械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制约着机器人技术的发展。它的主要任务就是控制机械臂在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。机械臂控制系统的优劣，直接影响到机械臂的速度、精度与可靠性。而机械臂控制系统的参数调节过程就是优化控制系统的一项基本步骤。

目前机器人控制系统参数调节过程主要依靠工程经验和简化数学模型进行调节，然后再实物样机上进行调试，调节流程复杂，调节周期长，效率低下。

机械系统从根本上限制了机械臂末端重复定位精度可以达到的最优程度。而关节伺服控制系统直接决定了机械臂末端的跟随误差。两者综合作用共同决定了机械臂末端的重复定位精度，两者不应被单独割裂开来进行分析。

基于上述论述，本文提出了一种基于Simulink&ADAMS联合仿真的机械臂机械结构&控制系统参数的协同优化研究方法。

1 运动学分析

1.1 正运动学分析

1.1.1 \动学数学模型的建立

根据实际的六自由度轻型机械臂构型，建立该机械臂的机构简图，并利用标准D-H参数法建立机械臂的D-H坐标系，如图1所示。其中机械臂末端的坐标系{O6}的原点与坐标系{O5}的原点重合。对应的机械臂D-H参数见表1。

2 轨迹规划

2.1 工作空间分析

机械臂各关节均采用了内部走线方式，设计的机械臂各关节均可达到-180°～180°的运动范围。得到的机械臂工作空间如图2中绿色包络面所示。

2.2 笛卡尔空间圆周轨迹规划

拟让机械臂末端在笛卡尔坐标下沿着空间圆周轨迹运动。选取圆周轨迹的圆心为（500，50，400），半径250mm，空间圆周所在平面的法向量为（0，4，3） 。

经上述规划得到的圆周轨迹方程为：

经校验，上述规划的圆周轨迹在机器人的工作空间内，如图2中红色圆周曲线即为规划的末端工作轨迹。

2.3 关节空间各关节轨迹规划

将上述在笛卡尔空间中规划的圆周轨迹，通过机械臂逆运动学求解方法，转化成机械臂关节空间中各关节的关节角度轨迹的三次样条拟合曲线，如图3-图8所示，其中0-5s内的各关节运动轨迹曲线是机械臂从初始状态运动到轨迹起始点的关节轨迹曲线。各关节轨迹的角度插值点见表2所示。

3 关节系统控制参数的协同优化

对于大关节而言，后续的机械臂关节、臂杆、末端执行器及工作负载均是其有效负载，是一个与机械臂位置、姿态及各关节运动状态相关的变量。单纯的在Matlab中考虑机械臂的动力学特性比较复杂、计算时间长。利用专业的动力学建模分析软件Adams，在Adams中解决机械臂的动力学问题，利用Simulink-Adams联合仿真，解决机械臂任务级伺服系统仿真。

将上述优化完成的大臂杆模型导入到ADAMS中并建立柔性体，进行Simulink-ADAMS联合仿真，如图9、图10所示。

4 结果验证

对比协同优化前后的机器人系统实现相同工作路径时机械臂末端的位置误差，验证协同优化方法对提升机器人末端重复定位精度的有效性

表3中列出了优化前后机械臂末端原点最大偏差对比数据，各方向上的最大偏差量均有较大幅度的减小，其中主要受力方向―Z方向（即竖直方向）的最大偏差量减小了69.23%。

表明了本文提出的协同优化方法对提升机械臂重复定位精度的有效性。

5 结论

本文提出了一种基于Simulink-Adams联合仿真模型的控制系统协同优化方法。考虑了机械臂机械系统柔性，传动链间隙及关节传动链刚度等影响因素，使仿真结果更加准确可靠，使得调节后的控制参数更加接近真实最优值。协同优化后机械臂末端的重复定位精度有明显的提升，证明了该方法的有效性，对机械臂的后续研究更具指导意义。

参考文献

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[9]Sigmund O，Maute K.Topology optimization approaches[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization，2013，48（06）：1031-1055.

作者介

姜迪开（1987-），现为北京精密机电控制设备研究所工程师。

机械设计标准化的概念和意义范文第5篇

[关键词]学科交叉；机械结构；极简主义；室内设计

自从进入环境艺术设计领域，一直想尽快摆脱“机械”这个“干系”，好让自己脱胎换骨更像一名“艺术设计”的教师。但是，经过多年室内设计教学，近来忽然对机械设计这个老本行怀起旧来。其实现在行业及学科间的交叉、渗透越来越多，人们考虑问题多样化、思维方式发散性，所以，将老本行与新专业联系起来也不足为奇。特别是近年来室内设计中不断推崇极简主义风格，更使我联想起精美绝伦的机械结构，如果将机械结构设计的某些理念，运用到室内设计的思路中，那将是一番别有的境界。

一、机械结构之精简

所谓机械结构，大到造船机械、煤炭机械、钢铁机械，小到仪器仪表设备，其结构不外乎是各种轴套类、盘盖类、箱体类零件和一些诸如齿轮、带轮的传动零件以及起零件连接、支承作用的标准件等等一系列零件的组合。

在这些组合中，零件与零件之间的有序排列、部件与部件之间的合理空间，无不透露着精密、简洁的设计风格。每根轴的直径由其所传动的扭矩来决定，决不会多用一点材料；每个齿轮的齿数由其所要求的速度来定夺，更不会无缘多出或少掉一牙。细看那些机械结构，你会发现你不能移去任何一个零件，哪怕是一个小小的垫圈，可见机械结构中的极简主义风格已经用到了极至。再从另外一个视角观察，那些零件有序而合理的组合，宛如一件精致的艺术品，让人叹为观止。

机械设计是一种以科学为基础的技术领域，它既要保持过去设计技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。不断创新的设计理念与现代高新技术相结合，从而产生了一个完整的技术群。设计师的意图只有通过精密的加工和精准的配合，才能真正得到实现。

二、室内设计中的极简主义

极简主义，顾名思义，就是崇尚以尽量少的元素来表现尽量多的内涵，即主张形式简单、高度功能化与理性化的设计理念，这与机械设计的理念不谋而合。不可否认，“极简主义”是当下室内设计中最具代表性的风格，其影响力已涵盖室内设计中所有的领域。从住家到服饰店、餐厅至美容疗养院，简约风格已经成为设计师们表现空间的一大法宝。

极简主义室内设计的特征就是要做到高度理性化，摒弃无谓的繁琐装饰。它不仅是否决、减少和净化。而且对家具选择、空间布局都很有分寸，从不过量。传统概念下的室内设计总是将室内空间装饰得尽可能丰富，而极简主义设计却会留下足够的空间，达到人对空间的潜在要求。它惯用硬朗、冷峻的直线条，这些基本要素有可能只有几组简单的线条，光洁而通透的地板及墙面，利落而不失趣味的设计装饰细节等，极简主义室内设计还主张运用大片的中性色与大胆而强烈的重点色、轮廓鲜明的直线条与少量的图案装饰作夸张的对比，达到一种视觉冲击力。

这种简洁、明快的设计风格十分符合快节奏的现代都市生活，在某种程度上能使人的心情更加放松，创造一种安宁、平静的生活空间。

三、机械设计与室内设计理念互动

室内设计是一种以科学（理性）为机能基础，以艺术（感性）为形式表现，为了塑造一个物质与精神并重的室内环境所采取的一连串创造性活动。理性强调的是实用性、安全性及效率；感性则比较着重在灵感上的满足，强调对于视觉美感以及抽象境界素质之提升。

室内环境的设计，要运用科学的法则，加强空间机能的作用，以“实用”和“经济”为原则，满足生活上的多重需要。诸如空间计划、家具陈设，乃至于通风、采光，及管路线路的装配等，都要完善地配合生活机能，有效地利用人力、物力及财力，使有限的物质条件发挥最大的机效，以提高物质生活的水平。这是室内设计的先决目标。而室内设计的终极目标，则是室内空间的造形、色彩、光线和质感，这些都要在美学的规范下，取悦感官并鼓舞情绪，表现生活的格调与内涵，提升生活价值。

机械设计中的简洁、秩序和几何形式以及机器本身所体现出来的理性和逻辑性，会产生一种标准化的、纯而又纯的模式。因此，室内设计和机械设计在某些层面上还是相通的。这不禁使我联想起前面提到过的，即机械设计师的意图只有通过精密的加工和精准的配合，才能真正得到实现。所以，如果要将“极简主义”延续下去，室内设计并不只是采用朴实材料这样的做法而已，讲求简单纯粹美感的同时，在施工品质上千万马虎不得。比方说以往惯用装饰线板去遮掩不同材料接口的痕迹，强调极简主义没有过多装饰接头的作品，施工上必须格外精准以强调这些几何理性的线条。另外，室内设计的家具与室内整体环境的协调非常重要，总的特征是造型简单但不失优雅，减少装饰图案，要含蓄而大方以突出这种简单、纯粹、优雅、时尚的风格。“材料、加工工艺、产品功能”这三段式的机械设计要求，会越来越多地运用到室内设计中去。

四、结束语

机械结构的核心是，在考虑满足功能性的前提下，简洁、合理、精准地组合好各相关零部件。在能源紧缺、环保当头的现今社会，人们开始对现代科技生产对环境及生态的破坏进行反思，设计师的社会责任心将对设计进行重新思考。室内设计也可启用一些机械设计的理念，“简洁、精致”，良好的极简主义风格设计作品，会呈现出相当具有深度内涵的意象，并会在精炼和使用功能上寻找一个平衡点，把造型、结构和功能同时演绎得不可或缺。

[参考文献]

[1] 王受之,《世界现代建筑史》[M] .中国建筑工业出版社，2005.

[2] 曹方,邬烈炎.《现代主义设计》[M]. 江苏美术出版社，2001.