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關鍵詞 ADAMS；起重機；液壓

中圖分類號TH21 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）94-0061-02

0引言

在對車輛起重機液壓起豎回路進行設計的過程中，需根據設計要求進行方案設計，確定系統原理圖、對元件參數進行計算和分析、確定設計參數、決定選擇元件的規格、型號或自行設計元件的結構，并繪制產品裝配圖和零件圖。設計過程往往要經歷簡圖-分析-判斷-修正的多次反復 。

如果僅僅通過物理試驗的方法，需投入很高的成本，且周期較長。而計算機輔助工程（CAE）則可以借助計算機在已知的規律的基礎上建立產品的模型，進行虛擬性能的測試與優化，從而以較低的成本在較短的周期內提高車輛起重機液壓起豎回路的性能。

目前常用的針對液壓系統進行仿真分析的軟件有AMEsim、ADAMS等，本文以ADAMS/Hydraulics模塊為工具對車輛起重機起豎液壓回路進行分析，通過分析得出起豎油缸的受力與速度曲線，為液壓起豎回路的優化提供依據。

1車輛起重機起豎油缸仿真分析

車輛起重機起豎油路仿真分析流程圖如圖1所示。

首先以UG為建模工具建立了車輛起重機三維模型，導入ADAMS后以ADAMS/Hydraulics模塊為工具建立液壓回路，通過在構件上建立局部坐標系（Marker）實現液壓回路與機械系統的關聯，使液壓油缸的作用力施加在構件上，通過ADAMS的仿真工具進行仿真并由ADAMS后處理模塊處理后得出起豎油缸的受力和速度曲線，為優化液壓起豎回路提供依據。

1.1車輛起重機幾何模型的導入

以UG為建模工具建立車輛起重機幾何模型，導出Parasolid格式文件，導入至ADAMS。導入后的車輛起重機模型需重新定義車輛起重機構件的名稱、

位置、材料等，并需要創建構件的約束和構件間的運動副，在分析中定義車輛起重機連接液壓缸的構件名稱分別為cab、boom，在構件boom和cab上建立I_Marker和J_Marker，用于與液壓回路關聯；各構件的位置可以通過ADAMS中的移動指令來平移與旋轉，從而達到預定的位置；定義構件材料為steel；通過運動副中的固定副、旋轉副、滑移副、基本副等定義各構件運動副，創建運動副后的模型見圖2。

1.2 車輛起重機起豎油缸液壓回路的建立

加載ADAMS/Hydraulics模塊、以ADAMS/Hydraulics模塊為工具創建工作介質、油箱、液壓泵、方向控制閥、平衡閥、液壓缸和接頭等液壓元件，設計各元件參數，以方向控制閥為例，通過[create]創建三位四通方向閥[Directional Control Valve4w3]，彈出三位四通方向閥的對話框，在X=f（I）中選項卡中的“Directional Control Valve4w3 Name”后輸入名稱“FX4w3_1”，在“Location”后輸入三位四通方向控制閥在液壓回路中的位置坐標，在“Control Input Function”中輸入三位四通方向閥控制函數；在“Initial Position”中保留默認初始位置“0”；“I to X Method”選擇恒定速度“constant_velocity”；在“fluid Name”中輸入工作介質名稱“fluid”。繼續完成A=f（X）、Q=f（A，dp）選項卡的參數設置即完成三位四通方向閥液壓元件的創建。

通過ADAMS/Hydraulics模塊工作欄中的連接工具連接各已創建的液壓元件組成液壓回路，在液壓缸參數設置時通過I_Marker和J_Marker進行機械模型與液壓回路的關聯。圖3為車輛起重機液壓起豎回路原理圖，關聯后的車輛起重機模型和液壓回路如圖4所示。以ADAMS中的仿真器為工具進行仿真。

1.3車輛起重機起豎油缸液壓回路后處理

進入ADAMS/Postprocess模塊，在后處理界面中設置“Source”為Objects ，“Filter”選擇Force，“Object”選擇Cylinder2，Characteristic選擇Cylinder_force或者Cylinder_velocity繪制液壓缸受力與速度曲線。得出起豎油缸的受力與速度曲線如圖5所示。

2小結與展望

根據得出的起豎油缸受力與速度曲線，可以通過更改液壓回路方案，或更改液壓元件參數等方式，對液壓回路進行更改，將更改后的液壓回路依照以上步驟進行仿真，得出新的起豎油缸受力與速度曲線，與已有的受力與速度曲線進行比較，判斷是否為理想結果，反復優化直至得到理想的液壓回路。以此來實現優化液壓起豎回路的目的。

參考文獻

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[2]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京：國防工業出版社，2010，3.

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Su Tao；Yang Chengtao

（西安航空職業技術學院，西安 710089）

（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi'an 710089，China）

摘要： 在研究了當今虛擬仿真技術現狀以及比較多種仿真軟件的功能、特點的基礎上提出了“CAD/CAE協同仿真設計關鍵技術的研究”,用CAD軟件Pro/Engineer，CAE軟件ADAMS（仿真）和ANSYS（有限元分析）之間的協同設計闡述了該技術的原理與特點。并簡單介紹了其應用和發展前景。

Abstract: In this paper, "study based on key technology of CAD/CAE co-simulation design" is raised based on comparing the functions and features of several kinds of simulation software. To use the collaborative designs among software of CAD being of Pro/Engineer, the software of CAE being of ADAMS (Simulation) and ANSYS (finite element analysis) elaborate the principle and characteristic of this technology. To briefly introduce application and development foreground of this technology.

關鍵詞： 協同設計 仿真 關鍵技術

Key words: collaborative designs；simulation；key technology

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）15-0171-02

0引言

虛擬樣機是不同領域CAX/DFX模型，仿真模型與VR/可視化模型的有效集成與協同仿真應用。因此實現虛擬樣機技術的核心是如何對這些模型進行一致和有效的描述、組織管理及協同運行。傳統的產品建模主要集中在單領域產品建模，對產品的信息描述完備性不夠，產品定義的標準化和規范化程度不好，缺乏一種多領域的、集成化的、完整一致的，可以在系統層面上支持產品集成化，分布式開發的有效方法。因此多領域的、并行化、集成化的建模方法是未來復雜產品建模的發展方向。

1主要CAD/CAE軟件

主要分析的軟件有三維設計軟件Pro/Engineer，仿真軟件ADAMS和限元分析軟件ANSYS，通過他們來進行協同仿真。ADAMS是集建模、求解、可視化技術于一體的機械系統動力學自動分析軟件，它主要用于機構的剛體及柔性體動力學仿真，以及結構優化，但不適合進行有限元分析。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，可以方便的進行各種結果的可視化輸出，它具有強大的結構靜力學和動力學分析功能，但不適合進行機構運動學和動力學仿真分析。Pro/Engineer是美國參數技術公司開發的三維CAD/CAM/CAE系統軟件，具有強大的參數化建模、三維實體建模及裝配、特征驅動等功能，但它的剛體動力學仿真功能與有限元分析功能又不及上述兩種軟件。現就3種軟件對CAD/CAE軟件協同設計與仿真技術進行分析。

2CAD/CAE軟件協同仿真的關鍵技術

2.1 ADAMS與PRO/E的接口技術對復雜形體機械設計和虛擬樣機幾何建模，三維專業CAD軟件在幾何建模的功能和速度方面明顯優于ADAMS軟件。較好的解決方案是運用三維CAD軟件完成機械系統的幾何建模，然后輸入ADAMS，添加各種約束、作用力等物理條件，建立物理虛擬樣機。有兩種圖形交換方法，可以實現三維CAD同ADAMS的數據交換和協同建模：第一種方法是利用標準圖形文件實現數據交換。ADAMS提供了同CAD圖形進行數據交換的接口模塊ADAMS/Exchange，該模塊支持IGES，STEP，DXF/DWG和Parasolid等幾種標準格式圖形文件的輸入和輸出。如圖1所示，在CAD軟件中完成機械設計，通過CAD軟件的輸出接口，選擇ADAMS/Exchange支持的標準格式（IGES，STEP，DXF/DWG或Parasolid等）輸出圖形文件，然后通過ADAMS/Exchange讀入圖形文件，轉換為ADAMS的各種幾何單元。商業CAD軟件一般都支持以上標準圖形文件輸出和輸入，因此這種方法的適應面非常廣。

另一種方法是利用ADAMS和CAD開發商共同研制開發的專用轉換模塊，例如，對于Pro/Engineer軟件可以使用Mechanism/Pro程序模塊。在Mechanism/Pro環境下定義構件、施加約束，實現Pro/Engineer模型同ADAMS模型的無縫轉換。本文實驗表明，運用Mechanism/Pro模塊，可以非常方便地實現Pro/Engineer同ADAMS的協同建模，大大提高建模速度和質量。

2.2 ADAMS與ANSYS協同仿真ADAMS的理論基礎是多剛體動力學（Multi-body Dynamics），所有物體均以剛體定義，但忽略了結構柔度對運動的影響，這對于系統動力學分析顯然是不夠的。而一般的有限元分析軟件，又對大位移運動的系統動力學分析無能為力。因此，將ADAMS的機構運動分析功能和ANSYS的柔性體處理功能相結合，是一個綜合考慮剛體和柔性體進行機械系統動力學分析的可行方案。且機械系統零部件的強度分析和結構優化，通常運用有限元的數值分析來實現。但是對于高速運行的復雜機械系統，由于無法確定高速運動機械系統零部件之間的相互作用力，以及零部件內部不同位置所承受的動態慣性力，所以實際上很難單獨運用有限元軟件實現高速運動件的結構分析。這一難題也可以通過ADAMS軟件同有限元軟件的協同分析來解決。ADAMS/Flex就是連接ADAMS與ANSYS的雙向數據交換接口。它的基本思想是賦予柔性體一個模態集，采用模態展開法，用模態向量和模態坐標的線性組合來表示彈性位移，通過計算每一時刻物體的彈性位移來描述其變形運動。

ADAMS/Flex中的柔性體采用模態中性文件（MNF）來描述，該文件是一個獨立于操作平臺的二進制文件，它包含幾何信息、節點質量和慣量、模態、模態質量和模態剛度等信息。圖2描述了ADAMS同ANSYS有限元軟件實現協同分析的流程框圖。在ANSYS中建立有限元柔性構件模型并確定連接節點，通ANSYS-ADAMS接口輸出柔性構件的模態文件(.MNF)，在ADAMS中輸入柔性構件并替換對應的剛性構件，然后進行系統的動態仿真分析并輸出結構分析構件的載荷文件(包括作用力、加速度和角速度等)，最后在ANSYS中輸入構件的載荷文件，進行應力等結構分析，實現零部件的強度分析和結構優化。

ADAMS與ANSYS的聯合仿真的步驟分為三步：首先是將CAD共享幾何模型導入ANSYS軟件中，根據相關要求進行網格劃分，并輸出模態中性文件（MNF）；其次是將模態中性文件導入ADAMS中，生成柔性體部件，并對柔性體屬性進行設置，然后進行剛體-柔性體耦合分析；最后觀察仿真分析結果。

圖2所示為ADAMS與ANSYS協同仿真的工作原理示意圖。

2.3 PRO/E與ANSYS的協同仿真在應用ANSYS進行有限元分析中，有限元建模耗費了工程技術人員大量的時間與精力。雖然ANSYS帶有自建模功能，但是這個建模功能非常有限，只能處理一些相對簡單的模型。由于CAD技術的發展，出現了PRO/E，UG等大型優秀的三維造型軟件，其主要功能在于能進行強大的參數化設計，使得復雜實體造型成為可能。因此，如何才能發揮各自軟件的特長，使其數據集成、共享將是一項非常有理論及實用價值的研究工作。如果將專業PRO/E造型軟件與ANSYS結合使用，利用PRO/E造型軟件快速準確建模的特長，就可以很好地解決ANSYS建模能力的不足。研究ANSYS與PRO/E造型軟件的快速方便的接口，能有效提高建模速度，提高模型質量，簡化分析工作，對工程技術人員來說，意義十分重大。經過對PRO/E和ANSYS的技術進行分析和實踐，提出了如下三種連接方法：

①在PRO/E中導出ANSYS的分析文件：ANSYS提供了與大多數三維軟件進行數據共享和交換的圖形接口。使用這些接口轉換模型的方法很簡單，只要在三維造型軟件中將建好的模型使用另存為或者導出命令，保存為ANSYS能識別的標準圖形文件格式，就能夠實現數據的共享和交換。比如可把在PRO/E中建立好的模型保存為IGES、*.ANS格式，就可以直接調入ANSYS中。

②將ANSYS直接集成在PRO/E中；

③在ANSYS環境中直接導入PRO/E的模型文件。

3協同仿真設計技術的特點和應用前景

虛擬樣機技術是一種基于產品計算機仿真模型的數字化設計方法，這些數字模型即虛擬樣機（VP）支持并行工程方法學。虛擬樣機技術涉及多體系統運動學與動力學建模理論及其技術實現，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術和虛擬現實技術的綜合應用技術。利用虛擬樣機代替物理樣機對產品進行創新設計、測試和評估，可縮短開發周期，降低成本，改進產品設計質量，提高面向客戶與市場需求的能力。而協同仿真設計技術是并行工程協同設計在虛擬樣機技術中的應用，是一種新型的產品開發技術。目前，國內對協同仿真設計技術的研究還處于起步階段，發展潛力巨大。在國外，工程機械協同虛擬樣機的研究開展得比較早，已有工程機械制造企業采用這項技術。著名的工程機械生產商John Deere公司采用這項技術來解決高速行駛蛇行現象及重載下的自激振動問題，大大提高了產品的高速行駛性能與重載作業性能。目前，國內工程機械制造企業普遍存在產品更新換代慢的問題，總體產品質量低于國外同類產品。如何盡快縮短這種差距，提高產品的設計水平已成為工程機械制造企業的迫切要求。作為一種先進的設計方法，虛擬樣機技術有助于企業做出前瞻性的決策，實現產品總體優化目標，為企業贏得用戶給市場提供了有利條件。可以預見，在21世紀虛擬樣機技術勢必會成為各領域產品研發的主要應用方法。

4結束語

協同仿真設計是虛擬樣機設計中一項復雜的技術，它使產品設計可以擺脫對物理樣機的依賴。圍繞產品的概念設計、定型生產到整個研發周期，再從設計師、決策層、制造商、銷售商到用戶群等全方位的觀察和研究產品，虛擬樣機技術顯示其強大的優勢和發展潛力。隨著虛擬樣機支撐環境研究的進一步深入，將會對虛擬樣機技術的發展起到強大的推動作用，給工程機械領域帶來更深遠的影響。

參考文獻：

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關鍵詞：工程材料；工程結構；失效；分析技術

各個工業部門使用的不同種類的材料和構件在外力環境影響下，經常被磨損和腐蝕，導致斷裂變形，最后失效。材料和構件的失效給國民經濟帶來了巨大的損失，還會對人們的生命安全造成威脅。失效分析有助于促進新材料、新工藝的發展，為了培養這方面的人才，如今失效分析已成為一門新的學科，設計化學、機械和力學領域。

1.工程材料與結構的失效

失效就是失去效力。工程中，零部件失去原有設計所規定的功能稱為失效。失效包括完全喪失原定功能；功能降低和有嚴重損傷或隱患，繼續使用會失去可靠性及安全性。機械零件的失效主要是由于整體斷裂，過大的殘余變形，零件的表面破壞，破壞正常的工作條件而引起的失效。機械產品的零件或部件處于下列三種狀態之一時就可定義為失效：完全不能工作；仍然可以工作，但已不能令人滿意地實現預期的功能；受到嚴重損傷不能可靠和安全地繼續使用，必須立即從產品或裝備拆下來進行修理或更換。

失效的原因可歸結為以下幾個方面：（1）用法不當，構件在非設計條件下運行。這是失效的一個普遍原因。（2）組裝錯誤及不恰當的維護。組裝錯誤包含這些因素，如少了一個螺栓或采用不正確的湘滑劑；設備維護的范圍從油漆表面到清理及，對此不重視會導致失效；有的失效是因為系統中其他一些零件工作不正常而引起的，這樣使此構件處于非設計的條件下導致失效。（3）設計錯誤。這是失效的很普遍的一個原因。可根據設計程序列出以下幾條：a.零件的尺寸與形狀，些通常決定于應力分析或幾何約束；b.材料，這關系到化學成分及為獲得所要求的性能而必需的處理方法（例如熱處理）；性能，這是有關應力分析的性能，但是其它性能如抗腐蝕性能也必須加以考慮。

2.失效分析技術

2.1痕跡分析技術

痕跡分析技術是比較常用的方法之一。痕跡分為機械損傷痕跡、腐蝕和污染痕跡、熱損傷痕跡。機械損傷痕跡又分為，壓入性機械損傷痕跡、撞擊性機械損傷痕跡、滑動機械損傷痕跡和切入性機械損傷痕跡。實際中構件的實效往往是這幾種痕跡組合起來的。通過痕跡分析，不僅可對事故和失效的發生、發展過程做出判斷，而且可為事故和失效分析結論提供可靠的佐證和依據。

2.2裂紋分析技術

裂紋是材料表面或內部完整性或連續性被破壞的一種現象，是斷裂的前期，斷裂則是裂紋發展的結果。裂紋在方向上分為：縱裂紋、橫裂紋等定向裂紋。裂紋分析包括裂紋的色譜分析、光譜分析、熱分析、質樸分析。色譜分析：是一種分離和分析方法，在分析化學、有機化學、生物化學等領域有著非常廣泛的應用。光譜分析：是根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法。熱分析：是指用熱力學參數或物理參數隨溫度變化的關系進行分析的方法。質譜分析：是指利用質譜或質譜聯用儀器對樣品進行質譜分析，以得到樣品不同的質譜圖譜表征數據和理化性能，實現樣品的定性定量分析和數據表征，滿足各科研院所和企業對質譜儀器分析的需求。

2.3斷口分析技術

斷口是物體受力后，按不同方向斷裂。破裂面形成凹凸不停的形狀稱為斷口。由于斷口真實地記錄了裂紋由萌生、擴展直至失穩斷裂全過程的各種與斷裂有關的信息。因此，斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學、斷裂化學和斷裂物理等諸多內外因素綜合作用的結果，對斷口進行定性和定量分析，可為斷裂失效模式的確定提供有力依據，為斷裂失效原因的診斷提供線索。顯微組織和斷口表面結構的特征在材料失效分析中起著突出的作用。普遍使用的是光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。光學顯微鏡是利用光學原理，把微小物體放大，以便人們觀察。掃描電子顯微鏡是利用電子和物質的相互作用，獲取樣品的物理和化學性質信息。透射電子顯微鏡可以看到光學顯微鏡不能看清的細微結構，分辨力可達0.2nm。

3.失效分析思路

失效分析思路是指導失效分析全過程的思維路線，是在思想中以機械失效的規律為理論依據，把通過調查、觀察和實驗獲得的失效信息分別加以考察，然后有機結合起來作為一個統一整體綜合考察，以獲取的客觀事實為證據，全面應用推理的方法，來判斷失效事件的失效模式，并推斷失效原因。

3.1逐個因素排除的思路

失效事件的原因包括操作人員、機械設備系統、材料、制造工藝、環境和管理6個方面。如果失效已確定純屬機械問題，則以設備制造全過程為一系統進行分析，即對機械所有的制作工序逐個進行分析，逐個因素排除。加工缺陷、鑄造缺陷、焊接缺陷、熱處理不當、再加工缺陷、裝配檢驗中的問題、使用和維護不當、環境損傷等11個方面，含有可能引起機械失效的121個主要因素。上述逐個因素排除的思路，面面俱到，不放過任何一個可疑點。此思路是早期安全工作中慣用的事故檢查思路，一般不宜采用這種方法，當找不到任何確切線索時，這種方法是一種比較好的辦法。

3.2殘骸分析法

殘骸分析法是從物理、化學的角度對失效零件進行分析的方法。以失效抗力指標為線索的失效分析思路，關鍵是在搞清楚零件服役條件的基礎上，通過殘骸的斷口分析和其它理化分析，找到造成失效的主要失效抗力指標，并進一步研究這一主要失效抗力指標與材料成分、組織和狀態的關系。通過材料工藝變革，提高這一主要的失效抗力指標，最后進行機械的臺架模擬試驗或直接進行使用考驗，達到預防失效的目的。值得指出的是，在不同的服役條件下，要求構件或材料具有不同的失效抗力指標的實質是要求其強度與塑性、韌性之間應有合理的配合。因此，研究構件或材料的強度、塑性等基本性能及它們之間的合理配合與具體服役條件之間的關系就是這一思路的核心。而進一步研究失效抗力指標與材料或零件的成分、組織、狀態之間的關系是提高其失效抗力的有效途徑。

3.3失效樹分析法

失效樹分析法是一種邏輯分析方法。失效樹分析法是：在系統設計過程中，通過對可能造成系統失效的各種因素進行分析，畫出邏輯框圖即失效樹，從而確定系統失效原因的各種可能的組合方式或發生概率，以計算系統失效概率，采取相應的糾正措施，以提高系統可靠性的一種設計分析方法。失效樹分析法簡稱FTA。FTA法具有很大的靈活性，即不是局限于對系統可靠性作一般的分析，而且可以分析系統的各種失效狀態。不僅可分析某些元部件失效對系統的影響，還可以對導致這些元部件失效的特殊原因進行分析。

總 結：

我國工程建設在高溫、高壓和高負荷的惡劣環境中發展已成為現代建筑業的重要標志。而工程材料與結構的失效常常會造成嚴重的損失和人員傷亡，通過失效分析可以起到預防失效的作用，對保障經濟建設具有重要意義。

參考文獻：

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[2]李曉東，李旭東，張賦.工程材料疊層結構失效行為的跨尺度分析[J].甘肅科技，2011（12）

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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。

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。

篇5

人才培養模式受到本國社會、經濟和科技的發展以及歷史文化背景等多種因素的制約和影響。不同的教育理念和培養模式支配著相應的教學內容的調整,教學資源的配備以及教學方法的改革。專業知識的傳授是教育的主要內容之一,而創新意識、思維和能力的開發、培養則是教育更本質,更核心的內容。創新意識、思維與能力的培養是提高人才培養質量工作中不可回避的問題,也是對教學改革的深層次研究與探索。因此在教學中,不應出現重書本輕實踐、重知識輕能力、重傳授輕創新的情況,而應是“基礎、實踐、創新”教育的和諧統一。機械原理課程屬于機械專業的學科基礎課,通過對當前社會的人才需求進行分析,結合其課程以及授課對象的特點,從教學內容、教學方法、教學手段等幾個方面對機械原理教學的創新模式進行探討和詮釋。

一、教學內容的創新

創新教育的目的就是培養和提高受教育者的創新素質和創新精神。要實現此目的,首先從改變教學內容入手,重視介紹學科發展的新動態、新方向、新內容,注重激勵學生的學習欲望,調動學生的積極性,讓學生了解更多更新的理論、技術與方法。例如,在緒論部分的講述中,以往的內容主要是針對本課程的研究對象、基本概念、課程的地位和作用以及本課程的學習方法等展開的。但是,為了培養學生的創新意識,調動學生的創新積極性,除了經典部分的闡述外,還有必要結合現代科學技術的飛速發展,重點闡述機械原理學科的發展動向。如在機構的結構理論發展發面,可以讓學生了解:為了廣泛應用機電一體化技術,當今社會也迫切希望開展包括對液壓、電磁、光電等非機械傳動元件的廣義機構設計。在對機構的平衡問題進行介紹時,引申到機構的動力學研究,進而讓學生了解到大型機械設備的故障診斷和在線監測都是現代研究者關注的重點。有意識地將一些機械原理學科前沿的研究引入教學內容中,如微型機械的研究,它不是將傳統的機械直接微型化,而是已經遠遠超出了傳統機械的概念和范疇,是涉及多學科的綜合技術的應用,也推動了處于機械原理學科前沿的微型機構學分支的產生。結合一些相關視頻資料,學生在課堂上獲取到這些知識的同時,興趣也被調動了起來,拓寬了知識面和視野。讓學生意識到“創新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發達的不竭動力”,“一個沒有創新能力的民族,難以屹立于世界民族之林”[3]。

此外,在教學內容的創新改革中,還可以嘗試重心的轉移,強調創新設計能力的培養,突出計算機的應用。教師在教學過程中逐漸實現淡化圖解計算分析,強化解析法內容的教學,進一步加強學生對機械系統設計的綜合認識。這種重心轉移體現在:由圖解法為主向解析法為主轉變,使計算理論與計算機技術統一起來,提高機構設計的效率和正確性;由手動設計計算向計算機自動計算轉變,提高學生計算機應用能力;由過去重機構分析計算向重機構綜合轉變,提高學生機構方案構思與設計創新能力和綜合應用知識解決實際問題的能力。在教學中不斷地營造創新環境,大大提高了學生的創新積極性。

二、教學方法的創新

教學方法應該能夠配和教學內容的改革。創新素質就是指由知識結構、智慧品質、人格品質三種成分有機結合構成的綜合素質。創新教育就是要培養具有這種綜合創新素質的學生。在當前課堂教學中,以知識傳授為主導的教學方法并未根本改變,教與學的關系是以教師為主導、為中心的,這種方式在某種程度上制約了學生的學習主動性及其創新潛能的發揮。在機械原理課程的教學方法上,應加強與學生的互動,要將以教師為主的“灌輸式”教學向以啟發式、問題式、討論式教學為主的新的教學方法轉變,讓學生從被動學習轉變為主動學習,真正成為教學活動的主體。以學生為本的創新教育教學方法可以通過以下幾個方面來實現:鼓勵學生不迷信書本知識、不迷信權威觀點,敢于提出問題,無論課堂內外,對于任何問題都應多問幾個為什么。如對“極位夾角”的概念解釋,大部分教材上的定義是“搖桿處于兩極限位置時,相應的曲柄位置線所夾的銳角”。在教學中可以引導學生進行思考,對這個廣泛應用的定義提出質疑———是否所有的“極位夾角”都是銳角,是否有鈍角的情況存在,而不是直接給出學生更完善的定義。在這個過程中,學生開始學會發現問題,也開始嘗試如何自己解決問題。

鼓勵學生的求異思維和發散思維,開闊學生的思路。當然,創新離不開科學的根基,引導學生要堅持科學的思維,在提出自己獨特見解的同時,也應該能用科學的理論對其進行解釋和驗證。鼓勵學生多參加親身實踐,只有親自動手驗證了創新思維的正確性,才能真正達到創新的目的。機械原理是一門既有高度的抽象性,又有很強實踐性的課程。如機構運動簡圖、機構運動分析與力分析模型等都是從實際機械中抽象出來的,許多的概念需要通過動態過程才能得到準確描述。原來的教學方法大多通過教師手工繪制或將靜態圖展示給學生,教學效果并不理想。因此,現在的教學方法中采用多媒體手段教學,課件中涵蓋了豐富的三維動畫、趣味的圖片、簡潔的文字等。通過教師講解、動態演示與板書相結合的方式,使學生在學習中可直觀地了解機構的運動過程及其所具有的特性、產生的各種現象,加快了學生對諸如“死點”、“急回特性”等概念、原理的理解速度,激發起學生的好奇心,強化了直覺思維,加深了學生對這些概念所表達物理意義的理解程度。

三、教學手段的創新

在教學手段上,著重培養學生對機械系統的整體認識,注重學生的參與,與機械原理課程設計、機械原理創新實驗相結合,加強學生對所學基礎理論知識的理解。培養學生應用所學過的知識,獨立解決工程實際問題的能力,培養學生的創新設計能力,使學生得到一次較完整的設計方法的基本訓練。在機械原理課程設計中,教師通過介紹創新設計的方法和展示創造發明實例,啟迪學生創新的思維,讓學生了解設計過程,掌握設計方法。在設計過程中,能在認真思考的基礎上提出自己的見解,充分發揮自己的創造性,不是簡單的抄襲或沒有根據的臆造。教師僅指明設計思路,主要啟發學生獨立思考。設計方案確定后,安排學生向小組成員介紹自己的方案,并與其他成員討論,這樣既提高了學生學習興趣,調動了學習主動性,又破除學生對創新設計的神秘感,有助于讓學生對自己的設計方案有全面的認識,使學生受益匪淺。

機械原理創新實驗是一個針對機械類或相關專業學生的開放性動手實驗。它是一個很好地培養學生主動學習能力、獨立工作能力、創造能力以及團隊協作能力的平臺。學生自己擬定、設計機構運動方案,根據機構組成原理對桿組進行拆分,再將構件正確拼裝實現機構的運動,這個過程就要求學生必須將所學的理論知識充分地運用到具體的實驗中去。例如,學生要設計并實現一個具有急回特性的送料機構,該機構就有多種搭建方案,實驗過程中學生首先提交自己根據要求擬定的設計方案,繪制該平面機構的運動簡圖,再計算所有的桿長、角度、位移等數據,然后在此基礎上將運動簡圖搭建為能夠正確運動的實驗機構。設計過程中學生將會接觸到機械原理的各大機構,也會進一步深入了解各大機構的運動特點,而搭建過程又會涉及到機械設計及零件的知識。將學生分為多組,同組學生共同擬定實驗方案、協同完成實驗,最后各自撰寫實驗報告。在設計和拼接過程中學生會遇到各種在理論學習中很少遇到的問題,在發現問題、解決問題的過程中學生各方面的能力也得到了很好的綜合培養。該創新實驗用問題法、探究式教育來培養學生的創新意識和科研能力,讓學生學習到了許多課本上學不到或曾經被忽略的知識,參加過創新實驗的學生都深有體會。

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印花機的虛擬裝配設計

虛擬裝配（Virtual Assemblies）是在計算機上建立起如同真實樣機的直觀可視化的數字模型，即虛擬樣機，然后在虛擬環境下對零件裝配情況進行干涉檢查，以評估產品的可裝配性和可制造性，通過統一的產品數據管理，實現產品3D設計過程與產品零部件制造、裝配過程的高度統一，這樣便可以方便地發現設計上的錯誤，從而將其消除掉，提高了設計效率，并降低修正錯誤的費用。采用自下而上的裝配方法，首先對組成裝配體的各子零件進行三維建模，然后由零件生成子裝配，最后由子裝配構件成最后的總成。將所有零部件按要求裝配成功后，對裝配體進行靜態干涉檢查，運用干涉分析（Analysis Interference）模塊對所有裝配組件進行分析，若出現干涉，則及時修改。

印花機的傳動機構的分析

印花機的傳動機構影響整個設備的同步性，若運動精度較低，將會導致印花不清楚，因此，傳動機構是印花機最關鍵的部件。首先，利用UG的高級建模功能完成玻璃器皿四套色印花機傳動機構的三維造型，包括蝸輪軸、三瓣支架，連桿、拉桿、滑塊（網板）的，并利用UG的裝配功能將這些零件裝配在一起。完成裝配后，定義機構的運動副，形成一個完全約束（自由度為零）的精確的傳動機構。利用UG/機構學中的Artification功能求解。得到了網板移動的位移、速度、加速度曲。

印花機槽輪機構的運動學和動力學分析

篇7

（淮安信息職業技術學院 江蘇 淮安 223003）

摘要：針對高職教育壓縮理論課時而教學內容并未減少的實際情況，將“工程力學”和“機械設計基礎”兩門課程的教學內容進行了優化整合。通過采用“并行”和“串聯”方式進行授課，及時將“工程力學”課程知識應用到后續“機械設計基礎”中，既節約了教學時數，又提高了教學效果。

關鍵詞 ：工程力學；機械設計基礎；課程優化整合；高職教學

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2014）07-0110-03

“工程力學”是機械類專業的一門專業基礎課，研究工程構件最普通、最基本的受力、變形、破壞以及運動規律，為“機械原理”、“機械設計”等技術基礎課和一些專業后續課程的學習打下必要的基礎。原有“工程力學”課程內容包括理論力學和材料力學兩大知識模塊，“機械設計基礎”課程內容則包括機械原理和機械設計兩大知識模塊。現在我們將“工程力學”和“機械設計基礎”合并為一門“機械設計基礎”課程，其中力學部分分配了約20學時，機械設計基礎部分分配了約70學時（含6學時的實驗）。這不僅考驗教師的教學組織能力、授課方式及技巧，還考驗學生的接受能力。如何在教學時數大幅減少，而教學目標和教學內容幾乎沒有變化的情況下，把這門整合后的課程上好，對教育工作者帶來了很大挑戰。近十幾年來，筆者一直從事“工程力學”和“機械設計基礎”等課程的教學，熟悉相關知識點之間的銜接，針對學時減少等課程整合后的問題，試著對授課方法作了一些調整，對授課內容順序進行了優化整合，對相關知識點作并行講授，收到了理想的教學效果。

兩課程的教學內容分析

（一）工程力學

機械類專業的“工程力學”課程教學主要是為后續課程“機械設計基礎”服務的，機械設計中用到的設計理論都是源于工程力學中材料力學部分，而材料力學的學習又必須以理論力學為基礎，所以理論力學的靜力學概念和公理、受力分析、力系及平衡是機械設計的必備知識。材料力學中的材料力學基本概念、桿件變形基本形式、軸向拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉變形、彎曲變形及彎扭組合變形這些內容，在機械設計中是必不可少的，所以這些內容也是必要的教學內容。

（二）機械設計基礎

“機械設計基礎”課程主要是培養學生學會機構原理分析、傳動參數計算及典型零件的設計或選用，為學習后續機械制造技術和機械制造工藝等專業課程進行必要的知識儲備。機構自由度、平面連桿機構、凸輪機構、間歇運動機構、帶傳動、齒輪傳動、輪系、螺紋聯接和鍵聯軸、軸承等內容都是必須學習的知識點。

兩課程知識點的關聯性分析

（一）工程力學各知識點之間的關聯分析

“工程力學”課程各知識點之間是密切關聯的：（1）靜力學概念，這部分內容主要是對力學中相關名稱的規范性定義或描述，是力學工作的“語言”，它貫穿整個力學教學和學習過程，是后續力學課程各章節的基礎知識。（2）靜力學公理，揭示了作用在物體上各個力之間的內在規律，是前人總結出來的規律，學習它后可以對物體進行正確的受力分析。（3）受力分析，主要介紹構件的受力分析步驟及方法。受力分析貫穿工程力學的始終。教會學生進行正確受力分析技巧在工程力學教學中顯得尤為重要。（4）力系及平衡，這部分知識主要揭示在平衡狀態下，作用在物體上各作用力之間存在的內在聯系，為建立各個作用力之間的關系提供理論支持，進而可以利用平衡來分析和求解作用在物體上未知的力。它是我們由已知世界探索未知世界的連桿。（5）材料力學基本概念、桿件變形基本形式，是材料力學基礎知識，為我們研究材料變形、受力分析提供了方法。（6）軸向拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉變形、彎曲變形及彎扭組合變形，揭示了工程中或機械中構件最基本的變形規律、強度校核和尺寸設計方法，是后期機械零件設計的理論依托。由以上分析可見，工程力學各部分知識點之間的關系如圖1所示。

（二）機械設計基礎各知識點之間的關聯分析

“機械設計基礎”課程各知識點之間是密切關聯的，共同構成一個有機的整體：（1）機構自由度是分析機構和機器運動情況的理論基礎。我們設計的機構或機器一定要按照人為設定的軌跡運動，既然這樣，大多數運動裝置設計時就要先進行自由度計算。若自由度和機構的主動件的數目相同，則該裝置就能按照設計的軌跡工作，否則該機構根本就不能動或運動過自由。（2）平面連桿機構、凸輪機構、間歇運動機構是機器中常見的基本機構，復雜的機構和機器一般是由這些機構組成的。（3）帶傳動、齒輪傳動、輪系是機器中常見的傳動系統，設計機械時也要進行傳動系統的設計。（4）軸是機器中重要的零件。軸是用來支撐機器中回轉零件的，是整臺機器的核心。（5）軸承也是機器中重要的零件，它是用來支撐軸的，以保持軸的回轉精度。（6）聯接是介紹機器中零件之間最常見的聯接方法，在機器選用某一型號的此類聯接時要進行軸向拉伸、擠壓強度或扭轉強度計算。

所以，我們在教學過程中，通過設計一整臺機器將上述各知識點相互關聯起來，其相互關系如圖2所示。

（三）兩課程各部分知識點的關聯性分析

“工程力學”和“機械設計基礎”兩門課程之間，有許多知識點具有很強的關聯性：（1）“機械設計基礎”在進行機構自由度分析時，運動副的類型和工程力學中約束類型及性質有關聯。（2）平面連桿機構的識圖、連桿機構特性分析時壓力角和傳動角的確定和工程力學中的受力分析有關聯。（3）凸輪機構和間歇運動機構特性分析和工程力學中受力分析有關聯。（4）帶傳動、齒輪傳動、輪系的設計所依據的是工程力學的受力分析、力系及平衡、強度計算。（5）螺紋聯接和鍵聯接和工程力學中的受力分析、軸向拉伸與壓縮和剪切與擠壓強度計算密切相關。（6）軸設計要進行受力分析、扭轉強度設計及彎扭組合強度校核無不與工程力學相關。（7）軸承的失效分析是利用工程力學中的受力分析來進行的。

兩課程教學內容的優化整合

基于以上對每門課程各個知識點及兩課程之間各知識點關聯性的分析，將各部分內容按照圖3方式進行教學優化整合。

首先，以靜力學概念和公理作為基礎，將“工程力學”課程受力分析、力系及平衡兩部分知識點與“機械設計基礎”中機構自由度、平面連桿機構、凸輪機構及間歇運動機構知識并行到一起。學生先學習受力分析和力學及平衡部分知識，再學習機構自由度、平面連桿機構、凸輪機構和間歇運動機構等知識。

其次，因“機械設計基礎”中的聯接部分需要進行擠壓強度、剪切強度、軸向拉伸與壓縮強度計算或考慮彎曲變形和扭轉變形部分的知識，所以需要“工程力學”的軸向拉伸、剪切與擠壓、扭轉變形和彎曲變形等知識作為鋪墊。

再次，齒輪傳動、輪系及帶傳動需要以受力分析、強度理論、機構自由度、平面連桿機構等知識為基礎，所以應將這部分知識放到后面講授。

最后，軸及軸承用到力系及平衡、扭轉變形、彎曲變形、組合變形等知識，所以將這兩部分知識安排到組合變形后面學習比較合理。在講組合變形強度理論后就講授軸的知識會收到較好的應用效果。

優化整合教學與傳統教學效果比較（以我院機械制造與自動化專業為例）

機械設計基礎總教學時數90學時，其中力學部分占20學時，機械設計占70學時。傳統講授順序是先用20學時將力學內容全部先講完，然后再花70學時從機械設計原理講到機械零件設計。傳統教學方式，在實施過程中經常會出現以下情況，即講零件設計時用到的受力分析學生已經感覺很陌生，老師不得不又花時間將前面的知識點再請出復習一下。本來在這種教學方式下，教學時數就相對緊張。再經常花時間去溫故知識點，這就讓教學時數顯得更加吃緊。這種現象導致的結果就是老師不停的趕進度，學生來不及消化就匆匆學習新章節。

如講光滑接觸面約束時，大概10分鐘講授，20分鐘舉例，講這部分內容學生很容易理解和接受。但到后續機械設計課程中學習平面連桿機構傳力特性時，要用到這部分知識，這距離上次這部分內容學習間隔至少一個月了。學生已經對光滑接觸面約束力特點顯得很陌生了。那么老師就得先花大概5分鐘的時間去復習，然后用20分鐘左右去講壓力角和傳動角概念，接著再用30分鐘時間去舉例講授或練習各種平面連桿機構壓力角和傳動角的分析。共用時85分鐘。

經過優化組合后，光滑接觸面約束剛講完，就講平面連桿機構的壓力角和傳動角概念，大概需用時間25分鐘，然后就以平面連桿桿機構為例，練習光滑接觸面約束力的方向分析、壓力角和傳動角分析，大概用時35分鐘。這種方式共用時60分鐘。

通過比較，優化整合教學可節約25分鐘的教學時數。不僅如此，通過現學現用，學生做到了對知識點及時消化、吸收和應用。

這種優化整合式教學效果還可以從以下表格數據中得到啟發（以2011級制造專業1班和2班為例）。

由上表不難看出，優化整合不僅在教學時間上顯得寬裕，而且學生在課程堂上就能將學習內容消化吸收，及時應用，學習效果明顯優于傳統教學方式。

綜上所述，“工程力學”和“機械設計基礎”是緊密聯系的兩門課程，將各部分知識優化整合，不僅能節約教學時數，還能增強教學效果，為后續其他專業課程的教學奠定扎實的基礎。

參考文獻：

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[4]楊建波，王維，蔣平．中少學時工程力學教學及教改探索體會[J].教育教學論壇，2010（6）：25-27．

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目前,設計知識管理已成為國內外許多研究機構、大學、企業的研究熱點,如美國nist的設計知識庫項目[2]；歐洲wise工程知識管理項目[3]、moka項目[4]；韓國lg公司資助的知識管理項目[5]；國家863資助的知識管理平臺研究[6]等,但還沒有一個實用的能支持概念設計知識重用的系統,對它的研究也還停留在理論準備階段。

本文在研究了基于本體的的概念設計知識模型的基礎上,提出了基于本體的概念設計知識管理框架,研究了用戶對本體的定義、對知識結構內容的自由擴充以及概念設計知識的檢索方法等關鍵技術。

1、基于本體的概念設計知識建模

1.1概念設計知識分類與表達

概念設計是對設計問題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設計階段[7].概念設計從不同的角度有多種定義[8].一般認為,概念設計是指以設計要求為輸入、以最佳方案為輸出的系統所包含的工作流程,是一個由功能向結構的轉換過程。

圖1描述了一般概念設計的工作流程,它包含綜合與評價兩個基本過程。綜合是指根據設計要求,運用各種分析、設計方法推理而生成的多個方案,是個發散過程；評價則從方案集中擇出最優,是個收斂過程。概念設計是將所設計的產品看成一個系統,運用系統工程的方法去分析和設計。具體說,概念設計就是將設計對象的總功能分解成相互有機聯系的若干功能單元,并以功能單元為子系統進行再次分解,生成更低一級的功能單元,經過這樣逐層分解,直至對應的各個最末端功能單元能夠找到一個可以實現的技術原理解。概念設計的主要任務是功能到結構的映射,概念設計過程主要包括：功能創新、功能分析和功能結構設計、工作原理解的搜索和確定、功能載體方案構思和決策。

根據概念設計的過程及人在設計時的認知特點將概念設計知識分為元知識和實例知識（其分類如圖2所示）。元知識中主要包括功能知識、技術原理解知識、結構知識等。實例知識中主要包括方案設計實例、技術原理解實例、產品實例等知識。

（1）功能知識。主要描述產品完成的任務,描述產品的功能及功能子項。描述產品要完成的功能,包括功能內容、實現參數、性能指標等；

（2）技術原理解知識。描述產品功能及功能子項的原理解答。它的表達要復雜些,一方面可用文字、數字表達它的說明、解答參數,另一方面,要有圖形支持產品原理解答；

（3）結構知識。描述產品的結構設計狀況,是對原理域知識的細化和擴充,是求解原理解的結構載體,可描述產品關鍵部分的形狀、尺寸和參數。產品功能結構的映射（簡稱為功構映射）就是對產品的功能模型進行結構實現的求解,是將產品功能性的描述轉化為能實現這些功能的具有具體形狀、尺寸及相互關系的零部件描述。在這里功能是產品結構的抽象,是結構實現的目的；而結構則為實現某功能而選用的一組構件或元件。功能結構間的關系一般而言是多對多的映射關系。一個功能可能由一個或多個特征或元件實現,而一個特征或元件也可能完成一個或多個功能；

（4）實例知識。已成功或失敗的設計范例,包括方案設計實例,產品結構知識實例、技術原理解實例等。它包含了更多的實際因素,是類比設計和基于實例推理設計的基礎。

以工程機械中某型滑模式水泥攤鋪機為例,總功能為攤鋪水泥路面,總功能可細分為滑模作業、控制作業等功能,滑模作業功能又可細分為提水泥漿、擠壓成型等功能。其中某個功能的實現可能會由幾個結構組合而成,例如滑模式水泥攤鋪機滑模作業功能就是由螺旋分料器、刮平板等幾個結構一起才能實現。圖3為該水泥攤鋪機的功能層次定義和功能分解結構舉例。該產品所對應的結構分解則如圖4所示。圖5中給出了對于滑模作業功能的技術原理解簡圖、技術原理解的評價、參考產品,以及實現該功能的說明等相關的知識。

如何利用計算機技術對概念設計予以支持,對概念設計知識進行有效的管理,至今仍沒有較好的解決方法。目前的知識建模主要是專家系統,最常用的知識模型包括框架、產生式規則、語義網絡、謂詞邏輯等。專家系統的知識建模主要側重符號層的系統實現,很少考慮動態的,非結構化的知識,造成專家系統解決問題的局限性,使得專家系統不能解決大型復雜問題。

本體作為“對概念化顯式的詳細說明”[9,10],研究領域內的對象、概念和其他實體,以及它們之間的關系,可以很好地解決概念設計知識的表達、檢索和重用等問題。采用本體描述概念設計知識可以支持細粒度的產品語義信息的描述,可以形式化地定義特定領域的知識,如概念、事實、規則等；支持語義層面的集成和共享,基于本體的知識定義可以對知識作普遍的、無歧義的語義解釋,可以保證不同使用者之間進行語義層面的信息共享和互操作。

1.2本體建模過程描述

本體是某一領域的概念化描述,著意于在抽象層次提出描述客觀世界的抽象模型,它包括兩個基本的要素：概念和概念之間的關系。本體的構建必須滿足以下的要求：對目標領域的清晰描述；概念或概念之間關系的明確定義；一般性和綜合性原則。本體可以有多種表述方式,包括圖形方式、語言形式和xml文檔形式等。

基于本體的產品概念設計知識建模過程包括3個階段：

（1）產品概念設計知識目標確定。產品概念設計知識定位,概念設計知識的定位決定本體構造的功能需求及最終用戶。

（2）產品概念設計知識本體分析與建立。根據需求分析,確定該領域的相關概念及概念屬性,并用xml語言進行形式化描述。這個階段是建立概念設計知識本體的關鍵環節,直接影響到整個本體的生成質量,同時也是工作量最大的階段。

（3）產品概念設計知識本體評價。對所創建的本體進行一致性及完備性評價。一致性是指術語之間的關系邏輯上應保持一致；完備性是指本體中概念及關系應是完善的。我們稱該3階段的組合為產品概念設計知識本體建模的一個生命周期（見圖6）。

1.3概念設計知識的本體表示

在此我們以工程機械中滑模式水泥攤鋪機為例,結合圖3～圖5中的實際知識,從概念實體、概念屬性及概念間關系等方面來說明產品知識、功能知識、技術原理解知識、技術原理解實例等概念設計知識的本體表示,通過概念蘊涵、屬性關聯、相互約束和公理定義等方法揭示了概念間的本質聯系,形成一個語義關系清晰的產品概念設計知識模型。建模采用目前最新的owl語言描述。

表述的語義為一個滑模式水泥攤鋪機繼承了一個產品的所有屬性,此外還具備了關系屬性：攤鋪能力,同時,又對屬性攤鋪能力作了限制：只能應用于滑模式水泥攤鋪機領域,且取值變化只能在攤鋪寬度中（省略了關于滑模式水泥攤鋪機類似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。

（3）功能知識類

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<owl：restriction><owl：onpropertyrdf：resource=“#功能名稱”/>

<owl：cardinality>1</owl：cardinality>

</owl：restricton>

<owl：restriction><owl：onpropertyrdf：resource=“#產品”/>

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</owl：restricton>

</owl：class>

表述的語義為一個功能知識只有一個功能名稱,且最少具有一個相關產品（省略了功能知識類似屬性的定義,如功能編號、功能說明、創建人、創建時間、存儲位置等）。

（4）功能技術原理解類

<owl：classrdf：id=“功能技術原理解”>

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<owl：onpropertyrdf：resource=“#功能知識”/></owl：restricton>

<owl：restriction>

<owl：onpropertyrdf：resource=“#技術原理解簡圖”/></owl：restricton>

</owl：class>

表述的語義為一個功能技術原理解具有對應的功能名稱,相關的技術原理解簡圖（省略了技術原理解類似屬性的定義,如評價、參考產品、創建人、創建時間、存儲位置等）。

上述描述中,使用類公理（subclassof）描述了兩個類（概念）之間的繼承關系,如滑模式水泥攤鋪機類是產品類的子類。在描述類屬性時,使用關系屬性（objectproperty）描述了類的某個屬性同時也表示了兩個類之間的某種關系,如攤鋪能力既是滑模式水泥攤鋪機類的一個屬性,同時也表達了和攤鋪寬度類之間的對應關系。另外,使用屬性公理domain和range表示屬性的應用領域和屬性的取值范圍,如屬性攤鋪能力只能用于滑模式水泥攤鋪機類,且它的取值只能是攤鋪寬度數據集。

1.4基于本體的概念設計知識管理的特點和優勢

基于本體的概念設計知識管理可以讓設計人員更好地重用已有的概念設計知識,基于本體的概念設計知識管理具有以下的一些特點或優勢：

（1）支持用戶定制知識類別。產品概念設計過程中,需要運用多種類型的知識,如：功能類、功能技術原理方案解類等。這些知識的描述和使用有著不同的特點,不能用相同的描述框架來處理。基于本體的設計知識建模允許用戶對設計中知識類別加以定制,針對每一類別定義其描述屬性,從而較好的解決了概念設計中多來源多類型知識的表示問題。

（2）支持概念共享的知識庫構建。概念設計知識本體的構造澄清了概念設計領域知識的結構,為概念設計知識的表示打好了基礎,而本體中統一的術語和概念也使概念設計知識更好地共享成為可能。基于本體的概念設計知識表示在區分不同知識類別的同時,建立起概念間的共享聯系。通過概念間的共享機制,避免了設計知識庫的數據冗余和數據不一致問題,方便了知識的建模錄入、檢索及統計處理。

（3）多視圖和基于本體概念的知識檢索。在目前的應用系統中一般采用基于關鍵字的數據庫查詢方法,由于其數據庫組織不是建立在能夠表示概念之間的關系、事實和實例的領域模型的基礎上,因此無法實現智能查詢和信息推理,也就無法解決語義異構性問題。由于不同的組織和人員可能使用不同的詞語表示同一個含義,因此查詢系統得不到意義相同但用詞（語法）不同的內容。當需要對多個數據源進行查詢的時候問題更為明顯,多意詞和同義詞會使查詢得到許多不相關的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本體的概念設計知識管理中由于具有統一的術語和概念,知識庫建立在本體的基礎上,使得基于知識的設計意圖匹配成為可能。采用基于知識、語義上的檢索匹配,對用戶的檢索請求,通過查詢轉換器按照本體把各種檢索請求轉換成對應的概念,在本體的幫助下從知識庫中匹配出符合條件的數據集合,解決了語義異構的問題。

從人在設計時的認知特點出發,可以采用基于功能分解樹的功能設計知識檢索視圖、基于產品分解結構樹的結構設計知識檢索視圖,還可以利用本體中已定義的概念定義其它知識檢索視圖,比如需求功能知識檢索視圖、軟件工具使用知識檢索視圖等,實現基于知識檢索的設計意圖的匹配。

2、基于本體的概念設計知識管理

2.1概念設計知識管理系統結構

結合工程機械行業的實際,本文提出了圖7所示的基于本體的產品概念設計知識管理系統結構,系統按照知識產生、獲取和利用的流程來構建,系統結構主要包括概念設計知識管理工具、數據接口程序以及基于本體的概念設計知識庫,具體由4個部分構成。

（1）概念設計知識獲取。概念設計知識的獲取包括從概念設計知識本體定義、本體之間關系定義、本體知識庫生成到概念設計知識獲取整個過程。

（2）概念設計知識維護。主要包括從概念設計知識本體維護、本體關系維護、知識庫重新生成到概念設計知識維護的過程,實現對本體的屬性修改,各類知識之間的關系維護,以及知識庫的更新等。

（3）概念設計知識檢索重用。系統中提供基于多視圖的知識檢索方式,如基于功能分解樹的功能設計知識檢索視圖、基于產品分解結構樹的結構設計知識檢索視圖,及用戶定義的其它知識檢索視圖。此外系統提供基于本體概念的知識檢索方式,通過本體映射庫,可以實現同義詞的檢索,保證可能會采用不同的概念和術語表示相同的設計信息的人可以得到相同的知識幫助。

（4）概念設計知識庫的構建。要實現基于本體的,支持客戶自定義的概念設計知識管理,系統必須由足夠的柔性,支持各類知識的存儲,作為系統基石的知識庫的構建就不能采用完全預先定義的方式,在系統中我們采用基礎數據庫加上在此基礎上經過本體定義工具動態生成的各類知識庫的方法保證基于本體的知識管理的實現。

2.2概念設計知識管理關鍵技術及實現

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關鍵詞：機構學；現代數學；旋量理論；微分流形

一、微分流形與旋量理論概述

1.微分流形

微分流形，也稱光滑流形，或稱C∞-微分（可微）流形，是指一個被賦予了光滑結構、帶有微分結構的描述自然現象的一種拓撲流形。其類型可分為可維映射，映射的微分和子流形（一般的，如果不特指，微分流形指的就是C∞類的微分流形）。

假設r是自然數，如果滿足以下的條件：

（1）M豪斯多夫空間。

（2）m維坐標鄰域覆蓋M；【存在M的m維坐標鄰域族{Uα，φα}α∈A，使得M=Uα∈AUα】。

（3）任意的α，β∈A，都滿足Uα∩Uβ≠ϕ，定義坐標變換φβοφα-1:φα（Uα∩Uβ）[]φβ（Uα∩Uβ）為Cr映射（光滑映射）；則 被稱為是m維Cr可微流形（光滑流形）。

常見的微分流形主要包括流形、流形上的積分、切問題、外微分形式圓與歐幾里得空間等概念，歐幾里得空間、李群（具有代數群結構的微分流形并且是無線可微的）等就是一種特殊的微分流形。

而要研究流形，陳省身教授指出，要研究整個流形，流形論的基礎便成為必要。其研究的主要目的是經過坐標卡變換而保持不變的性質，這也是與一般數學不相同的地方。隨著數學的發展和成熟，他提出，傳統的實數或附屬空間只是局部的情形（雖然在許多情形下它會是最重要的情形），將來數學研究的對象必然是流形。

2.旋量理論

旋量理論又叫狄拉克旋量，最早由狄拉克提出狄拉克方程引入。旋量又稱為“螺旋”，是同時表示矢量的方向和位置的一組對偶矢量。它與微分幾何、李群李代數純代數有差別。旋量既可以表示運動學中角速度和線速度，又可以表示剛體力學中的力和力矩，還可以由對應的角動量來表示。具有物理意義明確、幾何概念清楚、代數運算方便、理論難度也不是很高等優點。

我國研究與應用旋量理論最早的學者是黃真教授，他在專著中系統地介紹了旋量理論及它在機構學中的應用，極大程度上促進了旋量理論在機構學領域的發展。

3.旋量理論與微分流形之間的聯系

根據上面我們已經明確微分流形和旋量理論的概念，知道了微分流形和旋量理論在研究對象上是相輔相成、互相映射的。

最早出現用李群李代數來系統描述剛體運動是在1978年，當時指出剛體運動的位移空間滿足李群的代數結構，但是由于剛體運動具有有限運動的特性，因此隨后指出位移群是在剛移層面（連續或有限運動范疇）上進行操作的，很難描述剛體運動與力之間的關系。然而值得慶幸的是，旋量（物理量）理論從速度層面（瞬間或微小運動范疇）上描述剛體運動，并與力建立了有機聯系，提出了運動與力之間的議題，解決了之前僅僅從位移層面研究剛體運動碰到的難題。所以，從物理上講，微分流形和旋量理論都是從不同層面上與數學中某種位移群的李代群聯系在一起，兩者之間是相互映射、互相彌補的。

二、現代數學在機構學中的典型應用

1.結構分析與綜合

機構學是研究機械中機構的結構與運動等問題的學科，是機械原理的主要分支，是研究各種機械中有關機構的結構、運動和受力等共性問題的一門學科。

結構分析是很重要的，而創新是當今社會炙熱話題，所以要設計出合理、新穎的機構，不僅要有豐富的實踐經驗，更要明確其組成原理，而結構分析的目的就是了解各種機構的組成及其對運動的影響。

結構綜合是機構綜合的組成部分之一，包括數綜合和型綜合。數綜合用于研究滿足一定的機構自由度前提下，機構將由幾個構件和運動組成的問題。型綜合用于解決在一定數目的構件和運動副的條件下可以組成多少種型式機構的問題。結構綜合的最終目的是要解決機構選型問題。但迄今為止，機構選型還沒有形成一種比較普遍適用和系統化的原則和方法，尚需要進一步深入研究。

2.性能分析與評價

我們知道，機構分析的目的在于掌握機構的組成原理、運動和動力性能，以便準確地使用現有機構并充分發揮其效能，抑或為驗證和改進設計提供依據。

歷經30年的發展，較傳統機構學而言，現代機構學具有以下特點：機械產品的概念、方案和創新設計中得到廣泛應用；機構輸出柔化性和可控性方面得到提高，機構和機器設計理論和方法上更加智能化、系統化和適用化，更加注重考慮動態分析和設計，微機構的應用上開辟了新途徑，仿生機械學的開發和應用，機電一體化技術的發展設計，新型機構的創造等應用。

總之，相比于傳統的機構學，現代機構學的發展是必然的。

雖然現代數學在某些方面有廣闊的前景，但是在一些方面仍有些許不足。所以，創新和完善它們的機構設計和綜合方法很有必要。但是，我們也不能忽略對典型的傳統機構進行深入研究，因為它不僅僅有利于推動現代機構學的發展，而且現代機構學本身就是在傳統機構學的基礎上發展起來。

三、現代數學對中國機構學研究的作用

1.中國機構學研究的里程碑

18世紀下半葉，第一次工業革命促進了機械工程學科的迅速發展，機構學在原來機械力學基礎上發展成為一門獨立的學科。18世紀末至19世紀初，羅蒙諾索夫、歐拉等幾何學家和力學家的著作奠定了機構綜合理論的基礎。到了19世紀后半期，逐步形成了以巴默斯特爾、勒洛為代表，建立在運動幾何學基礎上的幾何學派和以切比雪夫為代表建立在函數逼近論基礎上的代數學派。到了20世紀70年代，日本提出了“機電一體化”定義出機械電子學新概念，與此同時，美國則提出是由“計算機信息網絡協調與控制的”。所以“現代機械”概念的形成是機構學發展的一個新的里程碑。

2.國家自然科學基金委員會的資助分析與成效

機構學同其他基礎科學一樣，是一門具有較大深度和難度的探索性學科，需要較扎實的積累基礎。它的研究是一個艱苦的歷程，往往需要多年乃至幾代人的努力才能探索出來。其研究成果貫穿著整個機械工程。據統計，國家自然科學基金委員會在1986至2011年機構學這一學科的各個項目資助約400項，其中涉及運用現代數學工具解決機構學問題的項目有50多項。在國家自然科學基金委員會的支持下，中國機構學在各個研究方向、各個階段上所取得的成果大都與數學工具密不可分，而近幾年來發表的高水平學術論文，大多數都是采用數學工具解決機構學難題。

四、結語

隨著科學技術的飛速發展，歷經30年的發展后，機構學已經由傳統的結構學、運動學和動力學的理論，發展成現代一門研究廣義機構的功能、類型、工作原理的基礎技術學科。伴隨著傳統機構學的發展與成熟，現代機構學在很多特殊領域都發揮著重要的作用，如仿生機械的應用和發展、深海海底作業的機器人、宇宙飛船上用于收回衛星的機械臂、腹腔內進行外科手術的手術刀等。而機構學本身就是一門應用性很強的學科，我們必須認清這種發展趨勢和機構學發展的重要作用，致力于現代數學對機構學的應用和發展，相信伴隨著應用而產生的機構學將更加輝煌。

參考文獻:

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[2]溫詩鑄，丁建寧.微型機械設計基礎研究[J].機械工程學報，2000（7）:39-42.

[3]高峰.機構學研究現狀與發展趨勢的思考[J].機械工程報，2005，41（8）：3-17.

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關鍵詞：設計制造 自動化 產品 發展

1.前 言

1.1 機械設計及自動化定義的產生

早在1971年日本的《機械設計》雜志副刊上刊登了機電一體化這一名詞，后來隨著機電一體化的發展而被廣泛的應用。美國機械工程師協會于1984年為現代機械下了如下定義：“由計算機信息網絡協調與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機電部件相互聯系的系統”。它與前面提及的機電一體化是一致的，因此可以說現代機械就是指機電一體化系統。20世紀90年代國際機器與機構理論聯合會，給出了這樣的定義，機電一體化是精密機械工程、電子控制和系統思想在產品設計和制造過程中的協同結合。因此又可以說機電一體化就是在機械設計制造及其自動化基礎上的發展。

1.2 機械設計制造及自動化的技術研究

機械設計制造及其自動化是機械技術和電子技術為主體，多門技術學科相互滲透、相互結合的產物，是正在發展和逐漸完善的一門新興的邊緣學科，機械自動化使機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電器化”邁入了以“機械自動化”為特征的發展階段。

2.機械設計制造及自動化的原則

2.1產品的功能要求

任何一種產品都是為滿足人們的某種需要而開發的，都必須具有某種主要功能，不同的產品具有不同的主要功能。概而言之，都能對輸入的物質、能量和信息（即所謂工業三大要素）進行某種處理，輸出具有所需特性的物質、能量與信息。因此，機械自動化系統也必須具有對輸入的物質、能量和信息進行某種處理，從而輸出具有所需特性的物質、能量與信息的主功能。如圖2-1所示：

如上所述，機械自動化系統是一個綜合的概念，包含了機電一體化技術和機電一體化產品兩個方面的內容。作為產品，又包含著設計、制造和特定的功能以滿足使用要求，而功能是由其內部有機聯系的結構所決定的。

2.2產品的功能分類

根據產品或系統的主功能不同，可對產品或系統進行分類。

以物料搬運、加工為主。輸入物質、能量和信息，經過加工處理，主要輸出改變了位置和形態的物質系統（或產品）稱為加工機。如各種機床、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械等。

以能量轉換為主，輸入能量和信息，輸出不同能量的系統（或產品）稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機。如電動機、水輪機、內燃機等。

以信息處理為主，輸入信息和能量。主要輸出某種信息。如數據、圖像、文字、聲音等的產品稱為信息機。如各種儀器、儀表、計算機、傳真機以及各種辦公機械等。

機械自動化系統除了具備上述必須的主功能外，還應具體備其它內部功能、即動力功能、檢測功能、控制功能、構造功能。

基于上述的功能構成原理，既有利于設計或分析各種機械自動化的產品，又有利于開拓思路，便于創造發明和創新。例如，根據3種不同的主功能及其不同的輸入，組合起來可形成9大類型的系統產品。

此外，對于不同主功能的加工機構，其運動方式不同，也構成不同用途的機械。。因此，工件與刀具的運動方式不同，便產生不同用途的機床。所以說機械自動化的發展空間非常廣闊，具有極大的想向空間，需要我們利用先進技術符合科學原理來不斷創新，設計制造出一流的自動化產品。

3.機械自動化系統在實際生產中的技術控制要求

生產過程中，對各個工藝過程的物理量（或工藝變量）有著一定的控制要求。有些工藝變量直接表現生產過程，對產品的數量與質量起著決定性的作用。例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產品；加熱爐出口溫度的波動不能超過允許范圍，否則將影響后一工段的效果；化學反應器的反應溫度必須保持平穩，才能使效率達到指標。有些工藝變量雖不直接地影響產品的質量和數量，然而保持其平穩卻是使生產獲得良好控制的前提。

3.1 鍋爐汽包水位的控制

鍋爐汽包是生產蒸汽的設備，幾乎是工業生產不可缺少的設備，保持鍋爐汽包的液位高度在規定范圍內是非常重要的，若水位過低，則會影響產氣量，且鍋爐易燒干而發生事故；若水位過高，生產蒸汽含水量高，會影響蒸汽質量。這些都是危險的，因此對汽包的液位嚴加控制是保證鍋爐正常生產必不可少的措施，

1.雙沖量控制系統。在汽包水位的控制中，最主要的擾動是蒸汽負荷的變化。如果根據蒸汽流量來進行校正，不僅可以補償“虛假水位”所引起的誤動作，而且使給水位控制閥的動作十分及時，從而減少水位波動，改善控制品質。將蒸汽流量信號引入，就購入了雙沖量控制系統。從本質上看，雙沖量控制系統是一個前饋（蒸汽流量）控制加單回路反饋控制的復合控制系統。這里的前饋僅為靜態前饋，若需要考慮兩條通道在動態上的差異，需引入動態補償環節。

2.三沖量控制系統。雙沖量控制系統還有兩個弱點：控制閥的工作特性不一定能成為線性特性，這樣要做到靜態補償就比較困難；同時，對于給水系統的擾動仍不能克服。為此可再將給水流量信號引入，構成三沖量控制系統。

從這里可以看出，這是前饋控制與串級控制組成的復合控制系統。其中，汽包水位是主沖量（主變量），蒸汽，給水流量為輔助沖量。在汽包停留時間較短、“虛假水位”嚴重時，需引入蒸汽流量信號的微分作用。這種微分信號應是負微分作用，以避免由于負荷突然增加和減少時，水位偏離設定值過高或過低而造成鍋爐停車。

如圖3-1所示，為三沖量控制系統的方框圖，加法器的運算關系與雙沖量控制時相同，各系數設置如下：

a 系數C1通常可取1或稍小于1的數值；

b 若采用氣開閥；C2取正值，C2的值可按物料平衡關系進行計算；

c I0的設置和取值仍與雙沖量控制系統相同。

在三沖量的控制系統中，水位控制器和流量控制器的參數整定方法與一般串級控制系統相同。在有些裝置中，采用了比較簡單的三沖量控制系統，只用一臺控制器及一臺加法器，加法器可接在控制器之前，也可接在控制器之后.加法器的正負號是針對采用氣關閥及正作用控制器的情況。接法的優點是使用儀表最少，只要一臺多通道的控制器即可實現。但如果系數設置不能確保物料平衡，則當負荷變化時，水位將有余差，這類接法，水位無余差，但使用儀表較前者多，在投運及系數設置等方面較前者麻煩一些。

3.2冷卻器的控制方案

冷卻器的熱載體是冷卻劑，常采用液態氨等介質作為冷卻劑，利用它們在冷卻器內蒸發進吸收工藝物料的大量熱量，使用工藝物料的出口溫度下降來達到生產工藝要求，工業用冷卻器的一般控制方案有以下幾種。

1.控制冷卻劑的流量。

為氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案，其機理也是通過改變傳熱速率方程中的傳熱面積F來實現的。該方案控制平穩，冷量（冷卻劑量）利用充分，且對壓縮機入口壓力無影響。但這種方案控制不夠靈活，另外蒸發空間不能得到保證，易引起氣氨帶液而損壞壓縮機。為此，可采用物料出口溫度與液位的串級控制方案，使用這種方案時，可以限制液位的上限，保證有足夠的蒸發空間。也可以采用選擇性控制方案。

2.控制氣氨排量。氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案，其機理是通過改變傳熱速率方程中的平均溫度來控制工藝物料的出口溫度的，這種方案控制靈敏迅速，但制冷系統必須許可壓縮機入口壓力的波動。另外，冷量的利用不充分。為確保系統的安全運行，還需要設置一個液位控制系統，防止液氨進入氨管路而導致壓縮機損壞。

根據以上分析研究可知：自動控制裝置和被控的工藝設備組成了一個沒有人直接參與的自動化控制系統。操作工坐在操作室里，就能觀察到整個裝置的變化。因此，保證生產過程的安全，降低了勞動強度。

4.機械自動化系統的發展趨勢

隨著機械自動化技術的快速發展，機械自動化產品有逐步取代傳統機電產品的趨勢，與傳統機電產品相比，機械自動化產品具有高的功能水平和附加值，它將給開發生產者和用戶帶來社會、經濟效益。

由于機械自動化產品實現了工作自動化，所以生產力大大提高。例如：數控機床對工件的加工穩定性大大提高，生產效率比普通機床提高5～6倍。柔性制造系統的生產設備利用率可提高1.5～3.5倍，機床數量可減少約50%，節省操作人員約50%，縮短生產周期40%，使加工成本降低50%左右。此外，由于機械自動化工作方式具有可通過調整軟件來適應需求的良好柔性，特別適合于多品種、小批量產品的生產、是縮短產品開發周期、加速更新換代的重要途徑。

4.1使用安全性和可靠性提高

機械自動化產品的功能包括：監視、自動報警、自動診斷及自動啟用保護裝置等。這些功能在工作中避免和減少人身與設備事故，設備的安全性能有了很大提高，機械自動化產品由于采用電子元器件，減少了機械產品中的可動構件和磨損部件，從而使其具有較高的靈敏度和可靠性。故障率降低，壽命得到了延長。

4.2改善勞動條件，有利于自動化生產

機械自動化產品自動化程度高，是知識密集型和技術密集型產品，是將人們從繁重的體力勞動中解放出來的重要途徑，可以加速工廠自動化、辦公自動化、農業自動化、交通自動化甚至是家庭自動化，從而可促進我國四個現代化的實現。

4.3節約能源，減少耗材

節約一次和二次能源是國家的戰略目標，也是用戶十分關心的問題，機械自動化產品通過采用低能耗驅動機構，最佳的調節控制，以提高設備的能源利用率，可達到明顯的節能效果。同時，由于多種學科的交叉融合，機械自動化系統的許多功能一方面從機械系統轉移到微電子、計算機系統，另一方面從硬件系統轉移到軟件系統，從而使得機械自動化產品系統朝著輕小型方向發展，減少了材料消耗。

5.結論

因為現代機械自動化在設計和制造上具有多功能、高質量、高可靠性，低能耗的意義所以機械的設計、制造、都是圍繞著機械自動化來進行的。

機械自動化技術所面臨的共性關健技術是傳感檢測技術、信息處理技術、伺服驅動技術、自動化控制技術、接口技術、精密機械技術及系統總體技術等。所以說，機械自動化系統就是機電一體化系統。機電一體化的發展就是機械自動化的發展，所以廣大設計人員應清醒的認識到機械設計制造只有向機械自動化設計制造方向發展，才是機械工業發展的唯一出路。所以設計人員不能只熱衷于技術引進，不能僅僅安心于作為新技術的傳播者，而應該作為新技術產業化的創造者。為機電一體化技術發展開辟廣闊的天地。

參考文獻：

[1]劉武發，劉德平.《機電一體化設計基礎》.北京化學工業出版社. 2007.5