机械设计新理念研究综述
[摘 要]现阶段，机械设计技术在应用方面已经比较普遍了，尤其是在机械制造行业中，设计技术是制造工程的关键性组成部分，直接关系到产品质量性能、社会环境效益与生态效益等。在现代化经济社会快速进步发展的背景下，我国机械制造行业已经发生了质的变化，先进电子技术、管理技术与网络技术的出现赋予了设计技术更新的方法与专业理论。
[关键词]机械设计；技术；发展现状；趋势
机械设计流程通常情况下是建立在机械运行原理、结构以及机械能量传递等基础之上的，并在具体化数据测试前提下完成人工指导。基于此，机械设计技术显得尤为重要，必须要就相关设计技术进行不断改革创新，充分满足机械行业的发展需求。
1、机械设计制造及其自动化概述
机械设计制造及其自动化是一种新型的生产工艺，其借助了多种先进技术的力量，如微电子技术、机械技术、计算机技术、编程技术等，使之具有智能化和自动化特点，在具体的机械设计制造中，可以提高机械生产质量，为促进现代工业良好的建设与发展创造了条件。
机械设计制造及其自动化具有的特点是：
1）.安全性。相对于传统机械制造来讲，机械设计制造及其自动化的运用，能够尽可能的借助先进技术来强化机械的功能，使之功能性强、安全性高。在机械具体运行的过程中，可以实时监测，一旦发生故障，将及时控制与处理，避免安全事故的发生或扩大。
2）.应用广泛。不同于传统机械制造具有一定的局限性，现代机械设计制造机其自动化技术在很大程度上推动了工业发展，使得现代工业制造能够面向诸多领域，如医疗、建筑等等。根据各个领域机械设备应用需求，为其设计制造智能化的、自动化的医疗机械、施工设备等等。
3）.节能。利用机械设计制造及其自动化技术制造的微型化机械，使得机械自身运行更加容易，如此可以大大降低能耗，促使机械满足节能环保的要求。
2、机械设计技术的现状
优化设计、有限元设计是现代机械设计中的最主要的设计技术。优化设计的学科理论基础是高等数学中的线性规划理论，所凭借的技术支撑是计算机数值程序设计。在最优化思想的指导下，现代机械设计技术日趋完美。在机械设计过程中，通过运用数学优化思维和现代计算机技术对所有的机械设计方案进行优化分析，进而选择能够解决各种复杂问题和指标最优的优化方案进行机械设计，能够从最大程度上实现机械设计的完美追求。机械设计理论、工程设计实际问题、机械设计规范要求、现代计算机技术、机械设计标准、数学规划要求、以及机械设计方法都是运用优化设计技术必要考虑的关键点，只有这样，才能设计制造出最优化的机械产品。
有限元设计实质上是一种数值计算方法，被广泛应用与现代工程设计分析中，计算机技术的迅猛发展进一步深化了有限元设计技术在机械设计领域的应用。结构离散法、有限节点衔接以及协调条件求解是有限元设计技术的基本思想。在有限元设计技术中，其节点数量是固定不变的，在利用此技术进行相关的机械设计时，只有根据真实情况改变单元的数目，进而调整设计的精确度，并促使其无限接近机械产品的实际解。有限元设计技术包含了工程力学、工程数学以及高等数学等相关学科知识，能够用于解决复杂结构的静态分析、非线性问题求解、复杂结构动力分析以及非稳态问题求解。
3、机械设计制造自动化的发展趋势
?哪壳盎?械设计制造及其自动化的发展现状来看，未来的发展趋势为：
3.1 机电一体化趋势
随着计算技术的不断发展，机械技术的不断精进，数控设备必然会与计算机技术、机械技术相结合，使之支持机械设计制造及其自动化，实现机电一体化。那么机械制造的生产结构将更加完善，使机械制造能够在完整的生产流程中快速完成，这对于提高机械制造的质量、效率有很大帮助。
3.2 虚拟化趋势
之所以说机械设计制造及其自动化呈现出虚拟化发展的趋势。主要是在现代化的今天，网络技术的应用越加广泛且深入，而虚拟化又是网络发展的走向之一。那么，在未来发展机械设计制造及其自动化的过程中，应当对当前机械制造的新理念及趋势予以分析，以此来确定机械设计制造及自动化实现虚拟化，需要处理的部分，进而将其与网络有效融合，如此以来虚拟化技术将融入其中，通过构建虚拟化的机械产品模型，明确机械的构件及其参数，进而可以标准化、规范化、合理化的进行机械制造。如基于网络技术融合来进行数字钱包的制造，通过网络技术来模拟数字钱包，对其结构、构件、功能等方面予以分析，进而为数字钱包自动化设计与制造提供标准参数，制造出数字钱包，那么人们利用数字钱包进行购物，将更加方便、快捷，实现了虚拟与现实的有机对接，因此，也叫做虚拟现实。
3.3 生态化趋势
在我国政府大力提倡“节能环保”理念的今天，为了避免工业制造依旧以破坏生态环境为代价的情况的再次发生，在推动机械设计制造及其自动化发展的过程中，必然要贯彻落实“节能环保”理念，设计符合环境需求、绿色无污染的机械产品，走向生态化发展的道路。另外，从经济的角度来讲，促进机械设计制造及其自动化向生态化的方向发展，将尽可能的降低资源的利用，提高资源的利用率，必然能够降低机械制造的成本，使之创造较高的经济效益。
3.4 智能化趋势
智能化属于现代化机械设计工作的重要发展趋势之一，多种智能化技术以及自动化技术的合理应用可以在一定程度上促进机械设计逐渐向着智能化发展。现阶段，机械设计中，为提升机械实际工作效率，进一步减轻相关工作人员的压力与工作量，拥有智能化计算以及设计的系统已经被广泛应用到了实际设计工作中。此外，智能化也是现代化社会的未来发展方向，符合大众发展潮流，能够很好地与时代发展趋势相衔接。
3.5 并行化趋势
并行化趋势主要是在计算机大力普及的背景下应运而生的，在大数据时代到来的基础上，多种信息资源共享化平台不断增加，从而使数据库资源越来越完备。目前，社会上的众多行业已经完全打破了地理空间以及时间维度的限制，不同区域工作人员可以在同一平台上工作。在计算机技术深入发展的前提下，传统意义上的机械设计技术已经逐步被淘汰，而最新发展起来的知识范围相对较广且技术含量相对较高的并行化设计技术可以大大弥补传统技术的不足。此外，并行化设计技术在先进网络平台支撑下，可以实现集思广益，做到行业内部相关信息的实时共享，促进领域各部分间的优势互补，最大限度节省机械设计的时间成本，获得最好的设计效果。
在很长一段时间内，我国工业持续发展都是以破坏生态环境为代价的，这导致了我国生态环境日益恶劣。为了避免此种情况的持续发生，在发展工业的过程中应当树立科学发展观，坚持可持续发展观，积极引用先进技术，如机械设计制造及其自动化，利用此项技术能够制造智能化、自动化、节能环保的机械，使之满足应用需求。经过本文一系列的分析，确定机械设计制造及其自动化的发展前景良好，呈现机电一体化、虚拟化、生态化的发展趋势。因此，相关研究人员应当持续致力于机械设计制造及其自动化的研究。
文献[1]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。
一、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。
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。
4．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。
5．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。
6．“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。
7．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。
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。
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。
网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求→设计→加工→装配→成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP，以及标准虚拟现实造型语言上基于虚拟环境的标准交换格式)在产品设计中的应用。
机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。
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。
