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機(jī)械設(shè)計(jì)范文1

機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、建筑施工、農(nóng)業(yè)種植等多方面，機(jī)械設(shè)備是各個(gè)行業(yè)的基礎(chǔ)，機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量直接決定著整個(gè)工業(yè)體系的發(fā)展。模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)各個(gè)子程序之間的連接關(guān)系，保證整個(gè)的軟件穩(wěn)定運(yùn)行，在降低整體的制造成本的同時(shí)，確保設(shè)備運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性，模塊化設(shè)計(jì)是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的未來趨勢(shì)。

一、模塊化設(shè)計(jì)方法發(fā)展概況

模塊化設(shè)計(jì)的研究工作始于１９５０年，此時(shí)國(guó)外已經(jīng)研制出了一些模塊化產(chǎn)品。但我國(guó)的機(jī)械行業(yè)發(fā)展較晚，直到９０年代后計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，ＣＡＤ技術(shù)、ＵＧ、ＣＡＴＩＡ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ等軟件系統(tǒng)的開發(fā)，推動(dòng)了模塊化生產(chǎn)技術(shù)。當(dāng)下，模塊化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、家居、電子、航天航海等各個(gè)行業(yè)。將模塊化設(shè)計(jì)引入整體的機(jī)械工程中，能夠解決內(nèi)部建模中存在的問題。模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的基礎(chǔ)要求。模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中一種重要的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)模塊全方位的思考。要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該加強(qiáng)前期的分析，明確模塊的基本功能，合理進(jìn)行拆分，在保證模塊獨(dú)立性能的基礎(chǔ)上，做到相互更換，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能的升級(jí)。下面將主要介紹模塊化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)。

（一）節(jié)約成本

模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了整體的包裝過程，在傳統(tǒng)機(jī)械過程中，需要依照產(chǎn)品自身特性采取特殊的包裝過程，相對(duì)而言作業(yè)范圍過于狹小，設(shè)計(jì)出來的包裝只能應(yīng)用到同一規(guī)模下的產(chǎn)品，生產(chǎn)的適用性有限，很容易出現(xiàn)人力、物力上的浪費(fèi)。模塊化設(shè)計(jì)能夠滿足各種產(chǎn)品的要求，促進(jìn)包裝簡(jiǎn)單化、集約化，降低了整體包裝成本。

（二）便于后期維修

在模塊化設(shè)計(jì)理念下，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，操作較為簡(jiǎn)單，整體系統(tǒng)的自由度較高，更好地滿足當(dāng)下機(jī)械發(fā)展的個(gè)性化要求。模塊化設(shè)計(jì)中大多采用標(biāo)準(zhǔn)零件，本身可替換性強(qiáng)，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過簡(jiǎn)單方法，明確故障部位，及時(shí)替換，避免了不必要的資源浪費(fèi)。（三）跨系列生產(chǎn)在模塊化生產(chǎn)設(shè)計(jì)中主要包括橫向的模塊化設(shè)計(jì)、縱向的模塊化設(shè)計(jì)，橫向的設(shè)計(jì)方式是指在不改變?cè)a(chǎn)品的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)其他形態(tài)的產(chǎn)品，相對(duì)容易操作?？v向的模塊化設(shè)計(jì)是對(duì)不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一的籌劃，能夠有效節(jié)約資源。在不斷發(fā)展過程中形成了橫向與縱向相結(jié)合的模塊設(shè)計(jì)，能夠最大程度上滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

二、模塊化設(shè)計(jì)的先進(jìn)理論

（一）可拓理論

將可拓理論應(yīng)用到模塊化設(shè)計(jì)中，是利用物理的方法建立模塊，基于產(chǎn)品族之間的關(guān)系，通過信息的建模和檢索，整合多種的物源模型，利用可拓變化法對(duì)于模塊進(jìn)行操作，借助關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行匹配，增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能性。

（二）公理化設(shè)計(jì)理論

公理化設(shè)計(jì)理論最早在２０世紀(jì)７０年代提出，是一種以公理為基礎(chǔ)的方式，本質(zhì)上是用數(shù)學(xué)理論的方式，減少在設(shè)計(jì)過程中存在的錯(cuò)誤理論。公理化設(shè)計(jì)將整個(gè)模塊分為用戶、功能、結(jié)構(gòu)、工藝等不同部分，在設(shè)計(jì)過程中四個(gè)域相互映射，可以直接檢驗(yàn)出在設(shè)計(jì)過程中存在的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的有效分解，確保整體的模塊劃分更加合理。

三、模塊化設(shè)計(jì)中存在的問題

模塊化設(shè)計(jì)涉及了多重領(lǐng)域知識(shí)，而部分操作專業(yè)知識(shí)上存在欠缺，缺乏有效的數(shù)據(jù)意識(shí)，不利于機(jī)電一體化的長(zhǎng)期發(fā)展。模塊化設(shè)計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢(shì)，模塊化設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)前期投入較高，需要大量底層信息的支持，部分企業(yè)缺乏有力的研發(fā)部門，本身對(duì)模塊化設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不清，不重視智能控制技術(shù)，內(nèi)部缺乏有效的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，日常作業(yè)系統(tǒng)混亂。模塊化設(shè)計(jì)對(duì)軟件和硬件的要求較高，在實(shí)際生產(chǎn)過程中各個(gè)工序之間的協(xié)調(diào)性較差，控制技術(shù)數(shù)據(jù)的集成性較差，采集效率和準(zhǔn)確度欠佳，缺乏完整的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)。此外，在數(shù)據(jù)分析過程中難免會(huì)出現(xiàn)差異，圖像、文本存儲(chǔ)在不同的載體內(nèi)，在調(diào)用過程中可能出現(xiàn)不兼容，給后續(xù)的統(tǒng)籌管理帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

四、模塊化設(shè)計(jì)要求

（一）明確總體布局

在模塊化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，要根據(jù)產(chǎn)品類型，強(qiáng)化前期的品牌規(guī)劃，明確模塊化設(shè)計(jì)的功能，結(jié)合市場(chǎng)要求進(jìn)行可行性分析，構(gòu)建模塊庫(kù)，編寫相應(yīng)的技術(shù)性文件，下面將主要介紹模塊化生產(chǎn)的總體布局。１．調(diào)查市場(chǎng)需求需求是產(chǎn)品開發(fā)的起點(diǎn)，在此階段需要根據(jù)功能將客戶分為不同群體，明確主要客戶以及客戶群的功能需求，通過有效的市場(chǎng)前期調(diào)查，定位市場(chǎng)中存在的同類型產(chǎn)品，確定原始數(shù)據(jù)，根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，合理確定本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)。２．?dāng)M定產(chǎn)品譜系當(dāng)下市場(chǎng)要求五花八門，產(chǎn)品系列化的主要內(nèi)容是確定產(chǎn)品系列以及產(chǎn)品功能所覆蓋的范圍，劃分縱向系列產(chǎn)品、橫向系列產(chǎn)品、跨系列產(chǎn)品以及全系列產(chǎn)品，根據(jù)擬定的族類，開發(fā)核心平臺(tái)和其他輔助模塊，以核心平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)，通過ＶｉｓｕａｌＣ＋＋、ＴｕｒｂｏＣ、ＪＡＶＡ等編程語(yǔ)言，借助ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的清洗和管理，以優(yōu)化整體的產(chǎn)品系列類型，在控制成本的基礎(chǔ)上，滿足多樣化的市場(chǎng)需求。３．?dāng)M定產(chǎn)品參數(shù)產(chǎn)品參數(shù)的確定與產(chǎn)品系列譜擬定是交叉進(jìn)行的，橫系列或者是跨系列的產(chǎn)品主參數(shù)可能不同，在確定產(chǎn)品圖譜之后，要給出系列產(chǎn)品的參數(shù)范圍，根據(jù)歷史信息和市場(chǎng)相似產(chǎn)品確定參數(shù)、考慮客戶要求，借助有限元分析，給出產(chǎn)品最優(yōu)解。

（二）強(qiáng)化模塊化功能分析

在功能分析式模塊化設(shè)計(jì)中，需要把產(chǎn)品分成不同模塊，以最小單元為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在功能分析時(shí)要明確各個(gè)功能模塊之間的相關(guān)性，重新組合模塊，構(gòu)建完整的產(chǎn)品功能模塊系統(tǒng)，綜合模塊數(shù)量、成本、工作效益之間的關(guān)系，在最小成本區(qū)內(nèi)進(jìn)行開發(fā)。從機(jī)械設(shè)計(jì)的本質(zhì)而言，可以將產(chǎn)品分為任意層，模塊的模塊本身層次越低，整體的設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單，通用化的程度越高，隨著模塊數(shù)量增加，接口數(shù)量呈級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，后續(xù)的制造、裝備、包裝也更加困難。因此在模塊化設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮設(shè)計(jì)、裝配、維修、成本等不同因素。將子功能劃分到每個(gè)功能區(qū)，建立聯(lián)系。機(jī)電產(chǎn)品中的各個(gè)零件并不是孤立存在的，本身存在一定的相關(guān)關(guān)系。兩塊功能模塊之間有直接的裝配關(guān)系稱為直接相關(guān)，而還有部分模塊本身沒有直接裝配關(guān)系，但其位置有嚴(yán)格的要求稱之為間接相關(guān)，因此在實(shí)際管理過程中要統(tǒng)籌模塊之間的幾何相關(guān)條件和物理相關(guān)條件，通過模糊聚類的方式，構(gòu)建相應(yīng)的矩陣方程，借助評(píng)價(jià)準(zhǔn)則擬定最終的作業(yè)方案。１．幾何相關(guān)條件幾何相關(guān)條件對(duì)兩個(gè)模塊之間的靜止位置、復(fù)原情況、相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡有著極高的精度要求，需要綜合考慮兩模塊之間的垂直狀態(tài)、平行度、同軸度。例如，普通機(jī)床上的主軸箱和床身模塊，在裝配過程中應(yīng)該確保主軸軸線與導(dǎo)軌之間的平行度，主軸中心線應(yīng)與尾座之間的中心線保持在同一水平線上，主軸要與刀架、床身位置都應(yīng)該符合基礎(chǔ)的幾何條件。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中要通過有限的約束，以保證各個(gè)系統(tǒng)處穩(wěn)定位置，從而保證機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)。２．物理相關(guān)條件物理相關(guān)條件主要是兩模塊之間存在著能量流、信息流、物料流。能量流包括驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)軸、電流、液壓力，一個(gè)模塊需要另一個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行，才能夠完成一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。信息流主要是包括模塊之間電、光等信號(hào)的傳播。物料流主要是工件、刀具的傳遞在數(shù)控機(jī)床中。在實(shí)際模塊設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該綜合考慮能量接口與信息接口，綜合法蘭連接、焊接的不同連接方式，確保各個(gè)要素處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

（三）構(gòu)建完善的操作系統(tǒng)

現(xiàn)代機(jī)械的開發(fā)要將軟件工程與硬件工程結(jié)合起來，基于機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理，綜合軟件設(shè)計(jì)，避免前期開發(fā)中存在的問題?；诋a(chǎn)品的三維參數(shù)和模塊化設(shè)計(jì)的要求，從工程學(xué)等不同方面進(jìn)行考慮，實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)維護(hù)。合理選擇系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。１．開發(fā)系統(tǒng)目前，機(jī)械開發(fā)的主要軟件是借助ＣＡＤ進(jìn)行二次開發(fā)，二次開發(fā)不同于一般的軟件開發(fā)，不是從底層設(shè)計(jì)開始的，而是在已有的軟件上進(jìn)行開發(fā)，二次開發(fā)繼承性較強(qiáng)，能夠有效降低整體工作壓力。在實(shí)際作業(yè)過程中要選用成熟的版本，較高的基礎(chǔ)軟件如Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、ＵＧ、ＣＡＴＩＡ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ等，確保整體開發(fā)的互交性，綜合優(yōu)等各種軟件明確特征曲線、線框構(gòu)架、尺寸信息、驅(qū)動(dòng)單一關(guān)聯(lián)等基礎(chǔ)信息。２．開發(fā)工具當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，開發(fā)工具多種多樣，有ＶｉｓｕａｌＣ＋＋、Ｃ＋＋ＢｕｉＩｄｅｒ、ＴｕｒｂｏＣ、Ｖｉｓｕａｌ等各類開發(fā)工具各有特色。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中需要綜合匹配硬件信息和開發(fā)平臺(tái)，ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０集編譯、連接、調(diào)試于一體，為編程人員提供了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的開發(fā)界面，內(nèi)置一定的輔助開發(fā)功能，能夠面向?qū)ο箝_發(fā)，效率較高。３．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)一般工程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要以ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)為主，ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)備份、自動(dòng)更新、事務(wù)管理等多重功能，它具有全中文界面，便于用戶學(xué)習(xí)、交流方便。４．頁(yè)面展示頁(yè)面展示是系統(tǒng)開發(fā)中重要的一環(huán)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要借助ＴＣＰ協(xié)議，通過對(duì)零部件的參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化管理，借助ＣＳ構(gòu)架，綜合客戶端和服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)互交式管理，明確零部件打包上傳、參數(shù)化設(shè)計(jì)、外觀展示等多種功能?？蛻舳酥饕秦?fù)責(zé)模塊化管理，能夠綜合產(chǎn)品管理，協(xié)同產(chǎn)品模塊化分類，建立信息檢索、修改、刪除等功能。在產(chǎn)品進(jìn)行管理過程中，定期對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行恢復(fù)和備份工作。設(shè)計(jì)人員需要通過組合參數(shù)對(duì)模塊進(jìn)行組合管理，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示結(jié)果，如果組合失敗，可以重新進(jìn)行組合，組合的模塊可以直接生成工程圖紙，完成后續(xù)的圖紙輸出。服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)模塊的后臺(tái)管理、服務(wù)器的調(diào)用、接收客戶端的請(qǐng)求并做出應(yīng)答。服務(wù)器端相對(duì)工作壓力較大，需要完成產(chǎn)品參數(shù)化的計(jì)算，根據(jù)控制圖形匹配最佳的歷史信息，對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理再返回給客戶端，由客戶端顯示參編結(jié)果。集成控制要明確代碼與地址編碼之間的關(guān)系，Ｋ１代表代碼中的自動(dòng)停止信號(hào)，Ｘ０代表地址編碼中的自動(dòng)和停止信號(hào)，完善內(nèi)部的Ｉ／Ｏ設(shè)計(jì)與地址分配，明確整體的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的識(shí)別和參數(shù)優(yōu)化。通過測(cè)算電機(jī)勵(lì)磁流量、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，繪制特性曲線，給定變頻器特殊的速度運(yùn)算方式，實(shí)現(xiàn)有效的集成控制與模塊管理。

五、模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床作為機(jī)械生產(chǎn)中的一個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件，數(shù)控機(jī)床是裝有控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。能夠根據(jù)編碼執(zhí)行規(guī)定的程序。數(shù)控機(jī)床可以按照?qǐng)D紙要求加工出來規(guī)定形狀和尺寸的零件。數(shù)控機(jī)床是一種柔性高效能的自動(dòng)機(jī)床，能夠?qū)崿F(xiàn)精密小批量、多品種的零件加工。將模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊功能的分解利用，在模塊劃分時(shí)需要綜合考慮車床的整體性能，統(tǒng)籌管理各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)，將功能分解為最小單元，體現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，在功能分解時(shí)應(yīng)該綜合考慮用戶需求、市場(chǎng)需求。要借助的具體參數(shù)，應(yīng)該從車削的旋轉(zhuǎn)面方向入手，綜合考慮車床的精密度，執(zhí)行檢測(cè)功能，確保車床的質(zhì)量和實(shí)際使用情況。

（二）在柔性制造中的應(yīng)用

當(dāng)下我國(guó)機(jī)械制造業(yè)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單一的機(jī)械制造難以滿足市場(chǎng)要求。柔性制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將模塊化設(shè)計(jì)方法與柔性制造相結(jié)合，能夠最大限度上滿足工藝的要求，在有效成本的投入下，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)格、不同產(chǎn)品之間的變換，模塊化設(shè)計(jì)方法能夠解決機(jī)床的共性問題，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一模多產(chǎn)的需求。

（三）預(yù)測(cè)、模糊控制技術(shù)

預(yù)測(cè)控制技術(shù)主要是通過全面收集及其在工作中產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)機(jī)械的生產(chǎn)情況。預(yù)測(cè)控制技術(shù)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以時(shí)間為核心，通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的控制能夠形成更加精準(zhǔn)的智能化、模塊化控制模型。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、精確細(xì)分，明確機(jī)械設(shè)備在工作過程中存在的各種隱藏問題，實(shí)現(xiàn)提前檢修，確保整體設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。當(dāng)下，電子機(jī)械電子工程技術(shù)不斷發(fā)展，管理人員要合理通過模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行合理控制，簡(jiǎn)化生產(chǎn)作業(yè)的流程，優(yōu)化目標(biāo)的工作節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用模糊控制技術(shù)后，可以高效地收集、分析和處理數(shù)據(jù)，通過對(duì)不同技術(shù)的合理搭配，實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高整體工作的自動(dòng)化水平，確保整體工作順利開展。

六、模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

（一）集成化發(fā)展

集成化發(fā)展從本質(zhì)上來講是將不同功能的模塊組合在一起，工業(yè)機(jī)械的集成化發(fā)展是工業(yè)智能時(shí)代的必然要求。就目前的工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程來看，占地面積較大，資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此在未來發(fā)展過程中，應(yīng)該整合多種實(shí)際功能，借助可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多種功能的調(diào)控，減少機(jī)械設(shè)備的占地面積，優(yōu)化資源配置，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、集成化操作。（二）自動(dòng)化在零件生產(chǎn)過程中，不同的機(jī)械設(shè)備負(fù)責(zé)不同的操作單元，在機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)句和指令進(jìn)行輸入和描述。目前，工業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)過程中需要和大量外界信息，自身工作效率不高。而模塊化發(fā)展可以有效降低程序的復(fù)雜度，降低機(jī)械設(shè)備的工作負(fù)荷，保證機(jī)械能夠高效穩(wěn)定工作。

（三）理論實(shí)踐化

機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含著豐富的信息，未來機(jī)械設(shè)計(jì)將會(huì)朝著模塊化、智能化的方向發(fā)展，未來發(fā)展中將會(huì)結(jié)合可拓學(xué)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，提高整體的模塊配置。引入公理理論和獨(dú)立性理論，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行層次劃分確保各個(gè)子系統(tǒng)的有效合作。結(jié)語(yǔ)模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)電范圍廣泛，模塊化、數(shù)據(jù)化、智能化是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此管理人員應(yīng)該合理利用智能控制系統(tǒng)，明確在作業(yè)過程中存在的問題，合理選擇系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，滿足市場(chǎng)的多樣化要求。

作者:劉海嬰 楊錦濤 單位:江蘇省靖江中等專業(yè)學(xué)校

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由于許多生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域高度危險(xiǎn)，人工不方便進(jìn)行檢查，即使能夠進(jìn)入，傳統(tǒng)的人工巡檢方式也存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量低、手段單一等弊端。因此，防爆巡檢機(jī)器人也就應(yīng)運(yùn)而生，并且很快獲得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。但是機(jī)器人的種類繁多，應(yīng)用場(chǎng)合也各不相同，本文針對(duì)不同地形設(shè)計(jì)了一款六足防爆機(jī)器人，仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人能適應(yīng)各種復(fù)雜地形并圓滿完成任務(wù)[1-6]。

1腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六足防爆巡檢機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)是分布在圓盤形的身體上，因此每個(gè)腿都是一對(duì)三自由度的運(yùn)動(dòng)模型，每條腿都裝有3個(gè)舵機(jī)，舵機(jī)安裝在腿的3個(gè)關(guān)節(jié)上用來實(shí)現(xiàn)繞3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，保證每條腿的正常運(yùn)行[7-8]。用脛節(jié)來連接膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，以確保每條腿的穩(wěn)定。六足步行機(jī)器人的腿大致是模仿昆蟲的腿，具有優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性、實(shí)用性和靈活性。六足防爆巡檢機(jī)器人使用三角步態(tài)，所以腿在行走過程中會(huì)交替支撐機(jī)器人及負(fù)載的重量，因此，機(jī)器人必須具有適當(dāng)?shù)膭偠群统休d能力。六足防爆巡檢機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)仿生示意圖，如圖1所示。圖1六足步行機(jī)器人腿的結(jié)構(gòu)示意圖

2機(jī)身的設(shè)計(jì)

六足防爆巡檢機(jī)器人的六條腿分布在圓盤形狀的機(jī)身上，身體由圓形金屬制成，因?yàn)檫@樣可以非常簡(jiǎn)潔，直徑為150mm。使用兩個(gè)圓形的金屬上下疊加組成機(jī)身，用螺釘固定上下兩個(gè)圓形金屬。在機(jī)器人機(jī)身板上鉆12個(gè)通孔，用來安裝六足防爆巡檢機(jī)器人的6條腿。通孔的直徑應(yīng)大于M3的帶槽圓柱頭螺釘?shù)闹睆剑员懵葆斂梢源┻^通孔。孔分布在半徑為65mm的圓周上，同一組中的孔相隔25mm。為了承受負(fù)載承重載荷的舵機(jī)重量，且不影響機(jī)殼的結(jié)構(gòu)，機(jī)身鉆孔時(shí)，12個(gè)孔分布在半徑為50mm的圓周上，中心也鉆出了半徑為40mm的圓。這樣可以大大減少零件的重量。機(jī)身是全身的中心，承載6kg的載重量，旨在滿足負(fù)載、強(qiáng)度和適當(dāng)尺寸要求。以上設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)也強(qiáng)調(diào)自身和組件的可靠性，易于維護(hù)。3基節(jié)的設(shè)計(jì)基節(jié)部分作為機(jī)器人腿部的安裝位置，應(yīng)考慮安裝舵機(jī)。這里使用兩個(gè)片狀部件形成基部。上基節(jié)片如圖3所示。基節(jié)的特征形狀部分是腿部位置向前延伸，使腿部空間增大，減少腿部摩擦碰撞，長(zhǎng)度為65mm，前端寬25mm，后端寬32mm。分為上下兩塊，上基節(jié)片在主體前端設(shè)置4個(gè)安裝孔，主體后端設(shè)置2個(gè)安裝孔。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由舵機(jī)的固定部分帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器的主體轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成六足防爆巡檢機(jī)器人的跟關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)舵機(jī)安裝在下基節(jié)片上，下基節(jié)片同樣在主體前端設(shè)置4個(gè)安裝孔，主體后端設(shè)置2個(gè)安裝孔，通過圓柱銷與關(guān)節(jié)舵機(jī)板連接。下基節(jié)片如圖4所示，下基節(jié)片和上基節(jié)片尺寸基本一樣，只是下基節(jié)片的前端安裝孔中間設(shè)置了一個(gè)通孔。

4脛節(jié)片的設(shè)計(jì)

脛節(jié)又叫做中腿，它連接著膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上的舵機(jī)輸出軸和脛節(jié)固定。從小腿上端向下看，膝關(guān)節(jié)脛節(jié)片是通過旋轉(zhuǎn)連接的關(guān)節(jié)執(zhí)行器來發(fā)生運(yùn)動(dòng)的。脛節(jié)下端與踝關(guān)節(jié)以及足部連接，帶動(dòng)中足、下足[9-10]。兩個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和脛節(jié)片直接連接。從機(jī)器人機(jī)身向足部方向看下去，從腿的上端往下看，脛節(jié)片上端板連接到膝關(guān)節(jié)的舵機(jī)輸出軸上，膝關(guān)節(jié)執(zhí)行器帶動(dòng)脛節(jié)片的旋轉(zhuǎn)。從底部到頂部，當(dāng)腳的腳踝與腳踝轉(zhuǎn)向器接觸時(shí)，腳被固定，腳踝轉(zhuǎn)向器的扭矩通過脛節(jié)片傳遞，將扭矩傳遞給六足防爆巡檢機(jī)器人的身體運(yùn)動(dòng)。其中一個(gè)脛節(jié)片需要安裝兩個(gè)舵機(jī)。由此引申出了傳動(dòng)脛節(jié)片的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)脛節(jié)片的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。脛節(jié)片長(zhǎng)75mm、寬22mm、厚3mm。脛節(jié)片兩端預(yù)留11mm的通孔以便舵機(jī)輸出軸的安放，為固定舵機(jī)輸出軸，在以預(yù)留通孔的圓心為圓心的圓周上分別預(yù)制4個(gè)螺紋孔。在脛節(jié)片的中心線的兩側(cè)分布兩個(gè)通孔用以安裝兩根連接桿來連接兩根脛節(jié)片。脛節(jié)片的結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。5小結(jié)本研究對(duì)六足防爆巡檢機(jī)器人的機(jī)身、基節(jié)及脛節(jié)片等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，圓滿完成了任務(wù)，為同類機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

作者:蔣曙光 汪明 單位:宜興經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)應(yīng)急管理局

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0引言

以知識(shí)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)是當(dāng)前全球化制造環(huán)境下各個(gè)企業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心。一個(gè)新的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品在功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)、人機(jī)操作、外觀設(shè)計(jì)和工藝等任意一個(gè)方面的創(chuàng)新［1］，都直接影響機(jī)械產(chǎn)品的整體特性，最終影響機(jī)械產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，大部分機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新主要是對(duì)過去的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)進(jìn)行分解、組合，實(shí)現(xiàn)新的使用功能，創(chuàng)新性是衡量機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)成功與否、是否具有市場(chǎng)發(fā)展前景和競(jìng)爭(zhēng)力的基本要素，國(guó)內(nèi)外目前都將機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新能力作為產(chǎn)品開發(fā)的重要組成部分［2］。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是突出表現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新性的主要階段。大量實(shí)踐結(jié)果表明，機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性主要來自概念設(shè)計(jì)階段所涉及的功能、原理、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等方面［3］，因此，機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性十分重要。在機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求進(jìn)行詳細(xì)分析，盡可能識(shí)別并且表現(xiàn)出機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，在后期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，基于計(jì)算機(jī)完成對(duì)大量繁瑣的具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算，明確機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)方案、形狀、工藝要求和結(jié)構(gòu)等，因此，基于計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)可以對(duì)創(chuàng)新性要求較高的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理和構(gòu)思進(jìn)行優(yōu)化［4］。

1計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵及特點(diǎn)

1.1設(shè)計(jì)原理構(gòu)思在概念設(shè)計(jì)中的作用

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理構(gòu)思對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)過程十分重要，不同的工作設(shè)計(jì)構(gòu)思與概念直接影響后續(xù)設(shè)計(jì)過程。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，首先要對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的初始化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化與選擇，給出方案分析的具體尺寸與詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，然后再對(duì)其工作原理、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行分析，得到機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)性能指標(biāo)，最后通過對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與排序，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1.2概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

目前，關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助概念所涉及相關(guān)定義較多，研究人員指出，概念設(shè)計(jì)主要是明確機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體要求和條件，需要設(shè)計(jì)人員具有充分的工程科學(xué)、專業(yè)知識(shí)、產(chǎn)品工藝加工和市場(chǎng)運(yùn)行等各方面的知識(shí)，最后做出機(jī)械產(chǎn)品全生命周期最優(yōu)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案與決策。因此，概念設(shè)計(jì)主要是指根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的要求，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解和子功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行滿足機(jī)械產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)優(yōu)化。綜上所述，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)主要包括功能創(chuàng)新、功能分析、功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)、工作原理確定和功能載體方案構(gòu)思等。計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前提和核心，只有將概念設(shè)計(jì)優(yōu)化才可以促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到更高水平。但是傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，未來應(yīng)該加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，進(jìn)一步開發(fā)更具有使用價(jià)值的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1.3概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.3.1創(chuàng)新性

創(chuàng)新是機(jī)械設(shè)計(jì)的核心，只有進(jìn)行創(chuàng)新才能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良和具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械產(chǎn)品，其創(chuàng)新可以是多層次的，如結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)替換的低層次創(chuàng)新工作到工作原理更換、功能修復(fù)和增加高層次的創(chuàng)新活動(dòng)都屬于機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的主要范圍。

1.3.2多樣性

輔助概念設(shè)計(jì)的多樣性主要體現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑和設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣化。在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)中，不同的功能定義、功能分解和工作原理等會(huì)產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而在機(jī)械產(chǎn)品的功能載體設(shè)計(jì)上產(chǎn)生完全不同的解決方案。1.4TＲIZ理論TＲIZ理論的核心是機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)化理論，主要是對(duì)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沖突并解決沖突。TＲIZ設(shè)計(jì)過程是不斷循環(huán)，形成產(chǎn)品的簡(jiǎn)化。沖突對(duì)于解決機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題十分重要，對(duì)于不同設(shè)計(jì)中的具體沖突有所不同，為了對(duì)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行統(tǒng)一描述，相關(guān)研究人員通過對(duì)250萬項(xiàng)專利的分析研究，TＲIZ理論提出39個(gè)通用工程參數(shù)，并按照其特點(diǎn)可以分為3類:物理及幾何參數(shù);技術(shù)正向參數(shù);技術(shù)參數(shù)。

2基于用戶需求的機(jī)械概念設(shè)計(jì)基本工作過程

基于用戶需求對(duì)機(jī)械產(chǎn)品輔助概念設(shè)計(jì)方法及工作過程進(jìn)行分析，采用質(zhì)量功能展開(QFD)輔助機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工作決策流程。

2．1基于用戶需求的概念設(shè)計(jì)方法

基于用戶需求的概念設(shè)計(jì)主要是從用戶實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而機(jī)械設(shè)計(jì)人員確定產(chǎn)品的功能需求，分解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，依據(jù)功能設(shè)計(jì)模型進(jìn)行合理、有效地綜合分析，得到產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)概念模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，明確最佳概念設(shè)計(jì)方案，基本工作流程如圖1所示。

2．2QFD工作過程與步驟

1)首先在明確用戶需求后，采用合適的調(diào)研途徑進(jìn)行市場(chǎng)分析與調(diào)研，全面獲取用戶對(duì)產(chǎn)品的需求。2)在綜合用戶需求信息后，對(duì)用戶需求的權(quán)重進(jìn)行分析，不同的需求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中有不同重要性，因此需要對(duì)用戶需求進(jìn)行權(quán)重分析，更加精準(zhǔn)地定位用戶需求。3)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力分析，對(duì)現(xiàn)有的同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行分析，為新型機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)提供更加明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。4)明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及質(zhì)量特性主要是在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，將機(jī)械產(chǎn)片的設(shè)計(jì)屬性與用戶需求之間形成關(guān)系矩陣。5)構(gòu)建質(zhì)量屋，經(jīng)過上述步驟后，構(gòu)建相應(yīng)的質(zhì)量屋(圖2)，將前一段的分析結(jié)果作為模型輸入，然后開始產(chǎn)品的開發(fā)。

3TＲIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1懸掛式鏵式犁

懸掛式鏵式犁是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的基本農(nóng)機(jī)具，也是目前我國(guó)使用最為廣泛和普遍的一種農(nóng)機(jī)具，具有作業(yè)靈活、應(yīng)用范圍廣泛等特點(diǎn)，但是懸掛式鏵式犁在田間工作過程中，犁在完成一個(gè)工作行程出土后，犁臂上會(huì)黏上一些泥土，清理不及時(shí)會(huì)增加工作阻力，影響犁的工作效率。應(yīng)用TIＲZ理論解決沖突，需要改變的工程技術(shù)參數(shù)主要包括形狀、運(yùn)動(dòng)物體的能量、可制造性和可操作性，將工程參數(shù)放入TＲIZ沖突解決矩陣中可以得到以下4條設(shè)計(jì)原理。1)曲面化。改變犁臂和鏵犁所構(gòu)成的犁體曲面形狀，保證泥土更加容易從犁體上自動(dòng)滑落。2)振動(dòng)。犁出土后，保證犁自身處于振動(dòng)狀態(tài)，振落黏附在犁體上的泥土。3)自動(dòng)除塵。利用犁出土后的上升運(yùn)動(dòng)給犁體提供氣流，使黏附在犁體上的泥土被吹落。4)復(fù)合材料。將犁體材料由單一的鋼鐵改為不與泥土黏附的復(fù)合材料，犁出土后，泥土自動(dòng)脫落。通過對(duì)所得設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析可知，耕地質(zhì)量和效率與犁臂和犁鏵構(gòu)成的犁體曲面結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，而且目前不與泥土黏附的復(fù)合材料尚未成熟，因此，曲面化原理和復(fù)合材料較難實(shí)現(xiàn)，而振動(dòng)原理、自服務(wù)原理一般只需要增加一個(gè)液壓裝置就能實(shí)現(xiàn)。

3．2水稻育秧架的優(yōu)化

傳統(tǒng)的大棚育秧方法對(duì)大棚的利用率低，嚴(yán)重限制產(chǎn)苗效率，立體式育秧技術(shù)提高了效率，但又存在資源分配不合理、秧苗標(biāo)準(zhǔn)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。為了解決以上問題，采用TＲIZ理論設(shè)計(jì)一款回轉(zhuǎn)式立體育秧架，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)資源的合理分配利用，降低了育秧的勞動(dòng)強(qiáng)度，為水稻育秧提供良好的生長(zhǎng)條件。應(yīng)用的TＲIZ理論主要包括以下幾種。1)技術(shù)矛盾。改善的參數(shù)———生產(chǎn)率;惡化的參數(shù)———系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，應(yīng)該充分利用大棚的設(shè)施及資源，在保證秧苗素質(zhì)的前提下，最大程度地提高大棚土地利用率和秧苗生產(chǎn)率。2)物理矛盾。育秧大棚的體積既要增大又要減小。3)方法。時(shí)間分離原理、標(biāo)準(zhǔn)解法、因果鏈分析、物－場(chǎng)分析、九屏圖分析、資源分析、最終理想解等。通過上述分析，可以利用水稻育秧大棚系統(tǒng)的空間資源(棚內(nèi)地面上的空間)和功能資源(人工補(bǔ)光)、棚架子系統(tǒng)的功能資源(放置秧盤的變形桁架)得出方案，充分利用棚內(nèi)的立體空間，設(shè)計(jì)一種可進(jìn)行人工采補(bǔ)光、方便拆卸的回轉(zhuǎn)式育秧架(圖3)，此種育秧架占大棚一定的體積，充分利用棚內(nèi)

4結(jié)論

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)作為機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)與技術(shù)支撐，正在向智能化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展，其研究?jī)?nèi)容越來越深，涉及范圍越來越廣泛，但是目前計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)僅僅停留在實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)層面，未來應(yīng)該進(jìn)一步深入研究概念設(shè)計(jì)與內(nèi)在變化規(guī)律，尤其是思維認(rèn)知規(guī)律，未來計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化:1)概念設(shè)計(jì)的行為機(jī)理。研究概念設(shè)計(jì)的行為表現(xiàn)有助于更加深入地揭示概念設(shè)計(jì)的內(nèi)在本質(zhì)，并且開發(fā)更加高效的計(jì)算模型。主要研究?jī)?nèi)容包括非邏輯過程機(jī)理、非邏輯與邏輯統(tǒng)一、創(chuàng)新表現(xiàn)過程機(jī)理等。2)概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)。除了依靠計(jì)算機(jī)的邏輯計(jì)算能力，概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)必須依靠人的潛能，通過人機(jī)協(xié)作，如可視化等虛擬手段，激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維，并且與機(jī)器計(jì)算相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其主要突破難點(diǎn)是如何將人的操作與機(jī)器算法有效結(jié)合。

參考文獻(xiàn):

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作者:周玉蘭 單位:蘇州市電子信息技師學(xué)院