时间：2023-03-21 17:11:34
序论：在您撰写机械创新设计论文时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
德国人发明的这一种变元法，是目前世界上最为科学易懂的变元方法，它能够衍生出许多不同的方法，具有很大的可塑性。这种方法的内涵主要有两部分：它变化内容多样，包括材料、数量、位置、尺寸、形状、连接、工艺七个方面；另一部分是上述七个方面的具体运用，运用的前提条件是机械基本结构，这些元素在其基本结构的基础上进行一定的变化，这样就有不同的形式，新的机械结构设计方案就创造出来了，这样就达到了优化设计机械结构的目的。接下来笔者将会重点介绍七种创新方案在机械结构设计的具体运用，其最终目的还是满足整个机械产品的生产的要求，这也是目前机械工作者普遍使用的方案。
1.1材料变元
现实生活中很多种材料都可以用来设计机械结构，不一样的材料要求的加工方法和手段不一样、适用的结构类别不一样、零件需要的大小也不一样。材料的变元可以变化出不一样的结构模式。比如说：在进行钢材料的结构设计过程中，零件的截面面积越大，材料结构强度就越大、越硬；在铁材料的结构设计中，为了使结构变强变硬，人们通常使用加强筋和隔板的方法；在塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板和壁厚应该无差而别且对称均匀。
1.2数量变元
在产品的结构当中主要包括以下几个方面，即零件以及轮廓面、线和加工、工作面共同构成了产品本身，如果想要将机械的结构目的进行改变，那么就可以通过调节上述结构元素而实现。就好比在铸件的过程中，是希望越简单便捷越好的。能够节省一些不必要的零件配置，又能在安装的时候方便人们的使用，这在无形中就提高了工作效率，比如安装一个螺丝钉的时候，如果按照螺钉和垫圈以及弹簧垫圈才能结合在一起的模式去安装，那么就需要最少三个步骤，但是如果把它们设计为一体的话，就可以大量地节省安装的时间，提高了效率。
1.3位置变元
在实际操作过程中，产品结构的元素之间的位置是可以进行调换的，这样可以无形中使结构本身的设计更加完善。比如，零件的焊缝位置应该对应中性轴或者至少需要靠近中性轴，这样便于将收缩力减少或者能够避免产品的变形。除此之外，零件的摆放问题也十分重要，如果杂乱无章则会大大阻碍操作速度。
1.4尺寸变元
零件的尺寸必须符合使用的标准才行，必须在各项标准合格之后才可以进行操作，比如：在冷冲压弯这一工艺中，就需要零件按照既定的需求进行弯曲，如果零件在加工的过程中，实现了标准的弯度，那么就算是一个成品，不需要再度进行加工。如果不符合产品的需求那么还需要进一步的加工整形来达到产品的要求。
1.5形状变元
机械整体的结构目的可以通过调整零件的形状或者改变其规格的大小而实现。比如在弹簧的生产过程中需要考虑多个问题，首先是弹簧的大小及其相对的螺丝垫圈的规格，能否让弹簧和使用的螺旋面以及被需要压紧的零件相吻合，就需要设计出不同规则的产品，无论零件的形状面如何都需要相匹配的弹簧来配合才行，如果零件之间的距离过大，或者不能够将压力有效融合，那么零件在安装过后就不算是合格，如果这一类零件销售在市场中，很可能造成一系列事故，那么为了防止拉簧因为这些问题而失去使用效率，就势必要将弹簧的设计空间放大，并且实现它的自身独特性，即使它在单独使用的过程中也可以实现跟其他零件的配合。
1.6分析连接变元
一是联接方法，主要的模式有焊接、胶结以及螺纹联接等方式。二是联接的方式，根据结构类型的不同而不同，因此为了丰富联接方式以及寻找到最为契合的联接方式，各个联接的结构以及联接的方式都可以进行相对应的合理调整。比如：针对一些需要拆卸的零件，如果在联接的方式上不能选择好，那么就会在联接和拆卸方面造成一定的困难，此类的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所购买的一些产品，像是随声听的后盖，就可以任意拆卸下来安装电池来维持继续使用，这样的结构也方便用户使用，从未为其提供便捷的操作模式。
1.7分析工艺变元
零件在产生之前，往往会有其自己的设计图纸，而设计图纸上面的结构内容直接决定了产品属于何种工艺级别的零件，因为每一个设备的零件都不是完全相同的，所以零件的设计以及成本也千差万别，如果设计工艺在产品出产之前没有得到完善，那么势必会影响到零件自身的质量，一旦零件没有合乎要求，那么产品的整体结构就会受到一定的影响。因此在零件铸造之前对于零件图纸的研究必须给予深度的重视，现在的加工技艺正呈现着不断创新和完善的趋势，但是问题也就随之而来，这些加工工艺虽然具有创新性，但是还不够成熟，并非达到了理想中的需求，因此还需要进一步的对此加大研究的力度。
2机械结构创新的尝试及优化测评
2.1机械结构设计的创新尝试
防腐剂在石油以及一些石化设备中具有十分重要的作用，下文以其为例，阐述变元法在其中重要的作用。石油和石化设备必须进行防腐蚀性的设计，这样一来，在设计的最初就应该考虑到防腐蚀性的大小和影响因素，从而采取必要的保护和防治措施，主要有以下几个方面。首先，在总体的设计上面，对停车间给予了严格的要求，不能堆放杂乱，不能潮湿，不能含有其他不利于防腐的物质存在。其次，设备的使用年限与设备本身一些极为细小的间隙区有着十分重大的联系，这些缝隙极有可能在人眼看不到的地方发生腐蚀问题，或者这些缝隙人是无法凭借手工去进行操作控制的，就像是一些产品的焊接点，这些产品貌似看起来已经不存在腐蚀的可能，但是难免会有看不到的缝隙存在，应该进行必要的封存和填补，或者干脆将缝隙扩大，这样便于对其进行维修补救和防护。再次，温度较高以及质量较高的浓度阶梯，局部势差问题往往在这种情况和产品中产生，一旦发生了腐蚀则不可控制。此外，每一种金属都有着自己独特的属性，产品在构建的过程中不一定是一种金属构建而成，多半是几种金属共同组合而成，但是不同的金属势必会产生接触面的腐蚀，应该对此进行绝缘处理。最后，面积越小腐蚀的点也就越小，因此要针对产品的不同设计缩小表面积从而减少腐蚀。
2.2对机械结构变元创新设计的优化评测
机械结构在完成变元创新实践之后。要根据目前的性能以及使用效果进行一个综合的测评，首先要进行模糊测评，运用理论研究和一些理想化的模型设计一种测评模式，但是这种测评模式并不是实际操作中的模型，而是通过一定的数学模型，根据先进的设计理念和规划，对其进行变化创新设计的检测。在测试的过程中测试者凭借自己多年的使用经验和研究理念进行对其综合评价的过程，并根据现有的先进思维对其进行构建，在测试的过程中还需要考虑到社会实际问题，产品在经过变元之后，使用方面是否安全，便捷，可维修性是否达到了指标，并且要将逻辑推理的思维运用到其中，选择出使用其整体变元的方案，最后针对已经选择好了的方案，进行进一步地修改和完善，从而作用于产品的机械结构构建当中，服务于产品的整体功能。
3结束语
一般情况下，创新设计先后经过抽象思维、逻辑思维、全面分析和最后决策四个环节。抽象思维主要是是通过设计人员充分发挥创新思维和智慧，提出新颖的有可能实施的想法，是创新设计必备过程。有了抽象思维过后再将想法具体化，考察其逻辑性和可行性，结合有关的科学理论知识、原理进行进一步的新颖的、可行的、具体化的机械设计。而全面分析则包含了创新设计过程中所涉及的所有可能性，综合考虑技术的可行性、成本与性价比，最后设计出新的可以满足人们生活和生产需要的机器或者其他产品。
1.1我国机械创新设计过程
机械创新设计的目的在于改善机械本身的功能、性能或者以更低的经济成本制造满足生产生活需求的机械。目前，我国技术专家认可的机械创新设计过程一般可分为四个部分，一是根据具体需求确定机械设计的基本原理，二是机械结构的优化和改进，三是机械尺寸设计和参数优化，四是机械运动性能及动力参数优化。机械创新设计与普通的机械设计并没有实质性的差异，主要的区别在于机械创新性设计注重发挥人的主观能动性和创新能力的突破，在充分的调动人的积极性的同时创造出更加符合使用者需求的机械工具。
1.2我国机械创新设计的特点
机械创新设计主要包括四个特点：一是多学科知识交叉运用，互相融合，互相渗透；二是机械创新设计中，数字并非主要思考因素，而是应该充分结合过往经验和相关的理论知识，合理判断和提出可行的新的设计方案；三是机械创新设计不仅需要理论知识和经验，同时也十分注重灵感、想象力、创造力的作用，因此应该最大程度发挥四者的作用；四是凡是设计创造类等实践活动都需要不断重复、尝试，从中吸取经验，多级选择最佳方案。在机械创新设计过程中，只有完全领略和充分展现以上四个特点，才能做出优秀的创新设计。
2.我国机械创新设计思维
机械创新设计思维对于机械创新设计来说意义重大，只有通过不断的改革创新和开拓进取，勇于突破现有的固定模式和局限，采取新的方法、体制、设计才能使自身在飞速发展的时代中保持领先，走在时代的前沿。
2.1机械创新设计思维的涵义
创新设计思维就是指在原有的科学理论知识、原理以及过往的设计和经验中设想出新颖的、更能满足审美或者实用需求的设计方案。而对于机械设计人员来说，创新无疑是自身最核心的竞争力，通过提高产品的性能、降低产品的成本以及缩短生产时间来提高机械设计的性价比。在机械创新设计过程中，首先应该有创造性思维，在前人的基础上提出更加优化的观念，并将这些优化的观念付诸实践，从而创造出新的不一样的机械设计。创造性思维具有多维多向性的特点，强调联想、灵感和感觉，并不是依靠固定的逻辑思维推理出来的，而是激发于机械创新设计人员的大脑。
2.2机械创造性思维的三大特征
2.2.1自由性
机械创造性思维最大的特征在于自由，创新是自由的，思想是自由的。机械创新设计人员可以在结合有关客观科学理论的基础上完全自由凭借自己的想象、灵感、直觉设计出新的机械，而不必有太多的思想束缚。在当今变化赶不上计划的经济时代，思维的自由符合现代社会发展的需要。而在机械设计工作中，要不断地有新的进步的成果，就必须突破原有的事物，消除固定思维的束缚，自由地翱翔在创新设计的天空中，只有不断突破和创新才能设计出更令人满意的成果。
2.2.2多向性
每个人的思维方式都不一样，具有多向性的特点。而在机械创造性思维中，同样具有多向性的特点，设计人员可以从不同角度去观察和判断问题，并且设想出完全不同视角的方案。设计的美妙恰巧在于它的多样性和多向性，没有固定的设想方向，任意一个方向都可以是设计者们延伸的目标。多向性思维与创造力是相辅相成、密不可分的，一个机械产品的设计过程中一定有过多向性的设想，从中择优进行实践得出最后产品。因此，多向性思维是机械设计中十分重要的一点。
2.2.3独创性
独创性即设计出跟别人不一样的产品，提出不一样的理念，突破原有的固定模式，创造出新颖的进步的成果。独创性是机械创新设计的目标，创新的目的在于独创，拥有别人没有的想法和成果。因此，在机械创新设计过程中，要学会从新的切入点思考问题，掌握不同的设计方法，敢于向原有的观点提出新的看法，从而设计出具有独创性、新颖的机械产品，更好满足生活和生产的需求。
机械结构的防腐蚀设计对于机械结构的创新及优化而言具有至关重要的意义，为了更好地完成机械结构的优化，各机械设计企业在进行机械设计的过程中理应注意如下防腐蚀细节：
①必须确保设备的机械结构于停车期间完全空干，以防止因介质残留淤积而造成的腐蚀。
②防止间隙结构的出现，以杜绝腐蚀介质的入侵。
③高温及高质量浓度将导致沉淀物及冷凝物的出现，进而增加腐蚀几率，因此设计人员在结构设计时必须避免此类现象的出现。
④异类金属接触可能导致接触性腐蚀出现，因此设计人员在进行结构设计时理应尽可能地将异类金属有效地隔绝开来。
⑤避免高速流体接触流道壁面，以降低侵蚀腐蚀。
⑥遵守最小化表面积原则，也就是说在容积一样的情况下让结构被腐蚀的表面积最少，比方说球体结构最好，其次便为圆柱体。
2机械结构创新设计与变元法应用
我们在对某一结构的设计方案展开评价时，理应对其将带来的经济效益、所具有的工艺性、技术可行性等相关指标进行综合的考量，随后从诸多备选结构方案中选出最佳的结构方案。在机械结构方案已然确定的情形下，也可对重要结构或零件展开不同变元的研究，甚至于变元间展开综合的联合修改，已实现优化设计的目的。此外，也可选用某些数学模型，之所以建议大家选择数学模型，主要是由于数学模型能够较好地介绍结构设计中的尺寸及数量变元，同时还能够对材料变元展开间接的介绍。以机械设备的不同要求及特征为依据，综合使用不同变元，使用设计人员掌握的经验和知识，借助创造性思维的方法，设计出不一样的机械结构。比方说如下转盘结构。在以上三大结构图里，假如把结构设计方案1里的锥齿轮间与主轴承二者之间的位置进行调整，且借助调整位置变元，接着再改变水平轴位置的左轴承形状，即借助更改形状变元后得到结构设计方案2。假如更改方案1里的主轴承及齿轮的尺寸、大小与数量，且借助调整二者的数量变元与尺寸变元，随后再调整齿轮构件及轴承零件的位置，再改变位置变元，即能够得到设计方案3。从以上盘结构方案都可采用变元法较好的实现。如果进一步运用变元法，同样可以获得更多类型各异的结构设计方案。借助对比以上三大结构方案，综合研究社会效益可行性与制造工艺等诸多内容，我们可以得出这样的结论：方案2系三大方案中最佳结构组合。某一机械结构方案的综合评估，理应以实际使用效果充当最后评估的事实依据。如果对转盘结构里的齿轮构件展开进一步的可行性分析与优化设计，同时对滚动轴承和齿轮工作展开弹性流体压研究，接着实施精密计算，均能够为改善转盘结构设计提供诸多参考数据。
3结语
德国人发明的这一种变元法，是目前世界上最为科学易懂的变元方法，它能够衍生出许多不同的方法，具有很大的可塑性。这种方法的内涵主要有两部分：它变化内容多样，包括材料、数量、位置、尺寸、形状、连接、工艺七个方面；另一部分是上述七个方面的具体运用，运用的前提条件是机械基本结构，这些元素在其基本结构的基础上进行一定的变化，这样就有不同的形式，新的机械结构设计方案就创造出来了，这样就达到了优化设计机械结构的目的。接下来笔者将会重点介绍七种创新方案在机械结构设计的具体运用，其最终目的还是满足整个机械产品的生产的要求，这也是目前机械工作者普遍使用的方案。
1.1材料变元
现实生活中很多种材料都可以用来设计机械结构，不一样的材料要求的加工方法和手段不一样、适用的结构类别不一样、零件需要的大小也不一样。材料的变元可以变化出不一样的结构模式。比如说：在进行钢材料的结构设计过程中，零件的截面面积越大，材料结构强度就越大、越硬；在铁材料的结构设计中，为了使结构变强变硬，人们通常使用加强筋和隔板的方法；在塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板和壁厚应该无差而别且对称均匀。
1.2数量变元
在产品的结构当中主要包括以下几个方面，即零件以及轮廓面、线和加工、工作面共同构成了产品本身，如果想要将机械的结构目的进行改变，那么就可以通过调节上述结构元素而实现。就好比在铸件的过程中，是希望越简单便捷越好的。能够节省一些不必要的零件配置，又能在安装的时候方便人们的使用，这在无形中就提高了工作效率，比如安装一个螺丝钉的时候，如果按照螺钉和垫圈以及弹簧垫圈才能结合在一起的模式去安装，那么就需要最少三个步骤，但是如果把它们设计为一体的话，就可以大量地节省安装的时间，提高了效率。
1.3位置变元
在实际操作过程中，产品结构的元素之间的位置是可以进行调换的，这样可以无形中使结构本身的设计更加完善。比如，零件的焊缝位置应该对应中性轴或者至少需要靠近中性轴，这样便于将收缩力减少或者能够避免产品的变形。除此之外，零件的摆放问题也十分重要，如果杂乱无章则会大大阻碍操作速度。
1.4尺寸变元
零件的尺寸必须符合使用的标准才行，必须在各项标准合格之后才可以进行操作，比如：在冷冲压弯这一工艺中，就需要零件按照既定的需求进行弯曲，如果零件在加工的过程中，实现了标准的弯度，那么就算是一个成品，不需要再度进行加工。如果不符合产品的需求那么还需要进一步的加工整形来达到产品的要求。
1.5形状变元
机械整体的结构目的可以通过调整零件的形状或者改变其规格的大小而实现。比如在弹簧的生产过程中需要考虑多个问题，首先是弹簧的大小及其相对的螺丝垫圈的规格，能否让弹簧和使用的螺旋面以及被需要压紧的零件相吻合，就需要设计出不同规则的产品，无论零件的形状面如何都需要相匹配的弹簧来配合才行，如果零件之间的距离过大，或者不能够将压力有效融合，那么零件在安装过后就不算是合格，如果这一类零件销售在市场中，很可能造成一系列事故，那么为了防止拉簧因为这些问题而失去使用效率，就势必要将弹簧的设计空间放大，并且实现它的自身独特性，即使它在单独使用的过程中也可以实现跟其他零件的配合。
1.6分析连接变元
一是联接方法，主要的模式有焊接、胶结以及螺纹联接等方式。二是联接的方式，根据结构类型的不同而不同，因此为了丰富联接方式以及寻找到最为契合的联接方式，各个联接的结构以及联接的方式都可以进行相对应的合理调整。比如：针对一些需要拆卸的零件，如果在联接的方式上不能选择好，那么就会在联接和拆卸方面造成一定的困难，此类的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所购买的一些产品，像是随声听的后盖，就可以任意拆卸下来安装电池来维持继续使用，这样的结构也方便用户使用，从未为其提供便捷的操作模式。
1.7分析工艺变元
零件在产生之前，往往会有其自己的设计图纸，而设计图纸上面的结构内容直接决定了产品属于何种工艺级别的零件，因为每一个设备的零件都不是完全相同的，所以零件的设计以及成本也千差万别，如果设计工艺在产品出产之前没有得到完善，那么势必会影响到零件自身的质量，一旦零件没有合乎要求，那么产品的整体结构就会受到一定的影响。因此在零件铸造之前对于零件图纸的研究必须给予深度的重视，现在的加工技艺正呈现着不断创新和完善的趋势，但是问题也就随之而来，这些加工工艺虽然具有创新性，但是还不够成熟，并非达到了理想中的需求，因此还需要进一步的对此加大研究的力度。
2机械结构创新的尝试及优化测评
2.1机械结构设计的创新尝试
防腐剂在石油以及一些石化设备中具有十分重要的作用，下文以其为例，阐述变元法在其中重要的作用。石油和石化设备必须进行防腐蚀性的设计，这样一来，在设计的最初就应该考虑到防腐蚀性的大小和影响因素，从而采取必要的保护和防治措施，主要有以下几个方面。首先，在总体的设计上面，对停车间给予了严格的要求，不能堆放杂乱，不能潮湿，不能含有其他不利于防腐的物质存在。其次，设备的使用年限与设备本身一些极为细小的间隙区有着十分重大的联系，这些缝隙极有可能在人眼看不到的地方发生腐蚀问题，或者这些缝隙人是无法凭借手工去进行操作控制的，就像是一些产品的焊接点，这些产品貌似看起来已经不存在腐蚀的可能，但是难免会有看不到的缝隙存在，应该进行必要的封存和填补，或者干脆将缝隙扩大，这样便于对其进行维修补救和防护。再次，温度较高以及质量较高的浓度阶梯，局部势差问题往往在这种情况和产品中产生，一旦发生了腐蚀则不可控制。此外，每一种金属都有着自己独特的属性，产品在构建的过程中不一定是一种金属构建而成，多半是几种金属共同组合而成，但是不同的金属势必会产生接触面的腐蚀，应该对此进行绝缘处理。最后，面积越小腐蚀的点也就越小，因此要针对产品的不同设计缩小表面积从而减少腐蚀。
2.2对机械结构变元创新设计的优化评测
机械结构在完成变元创新实践之后。要根据目前的性能以及使用效果进行一个综合的测评，首先要进行模糊测评，运用理论研究和一些理想化的模型设计一种测评模式，但是这种测评模式并不是实际操作中的模型，而是通过一定的数学模型，根据先进的设计理念和规划，对其进行变化创新设计的检测。在测试的过程中测试者凭借自己多年的使用经验和研究理念进行对其综合评价的过程，并根据现有的先进思维对其进行构建，在测试的过程中还需要考虑到社会实际问题，产品在经过变元之后，使用方面是否安全，便捷，可维修性是否达到了指标，并且要将逻辑推理的思维运用到其中，选择出使用其整体变元的方案，最后针对已经选择好了的方案，进行进一步地修改和完善，从而作用于产品的机械结构构建当中，服务于产品的整体功能。
3结束语
机械方案设计是一个创造性很强的活动，其思维过程是形象思维和抽象思维综合作用的结果。目前计算机辅助设计（CAD）主要解决了在计算和绘图等设计后续阶段对设计者的支持。而对于极富创造性的早期方案设计阶段的计算机支持至今没有取得实质性的进展。即使是智能CAD系统，所采用的方法的理论基础仍是基于传统的人工智能的知识表示与推理方法，即逻辑思维为基础，其中多以知识工程和专家系统的方法实现。这种CAD与AI的简单组合，没有也不可能从真正意义上实现方案设计自动化。创造性如何在方案设计过程中体现一直是困扰设计理论研究工作者的棘手问题，也一直没有很好地解决，本文将就这一问题作一探讨。
1机械方案设计的一般过程
一般认为，方案设计阶段主要有两个任务：首先是建立技术系统的功能结构。然后通过选择相应于功能结构中的每个功能的功能载体，并组合这些被选择的功能载体形成整个技术系统的设计方案。
通用设计理论认为，方案设计过程可表述为两个映射过程（图1）：即用户需求域到功能域的映射以及功能域到结构域的映射。由需求域到功能域的映射过程最能体现设计者的创造能力，这一过程涉及到对设计思维规律以及创造性机理认识水平，涉及到自然语言到专业技术语言的转化。尽管有些学者提出通过对设计要求进行层次分解来建立功能结构图的讨论，但一般还要通过人工干预进行。从功能到结构的映射，实际上是功能结构图中的每一个分功能与能实现该分功能的结构进行匹配，一般情况下，总体功能往往包含着许多分功能。而每一功能可以由不同的结构来实现，因此存在组合、协调和评价筛选的问题。具体的机械方案设计过程如图2所示。
图2所示的机械方案设计过程还可通过数学形式进行描述。设总体功能为U，它可分解为一些子功能，分解过程可形式化为：
U＝（U1，U2，…Um）（1）
即总体功能是有m个子功能UI（I＝1，2，…m）组成的。
任何一个子功能UI（I＝1，2，…，m）对应着能够完成该分功能的子结构的集合TI，即
TI＝（tI1，tI2，…，tin）（I＝1，2，…，m）（2）
式中tij（j＝1，2，…，n）对应于能完成子功能UI的所有子结构，n为完成该子功能的子结构总数。如果用UI定义行，tij为元素构成矩阵，即得到功能与结构相联系的“功能—结构技术矩阵”：
（3）
当然能够实现各子功能的子结构数并不相等，可以将能够实现某一子功能的最多子结构数定为n，少于这个数的子功能元素项用零表示。图2所描述的机械方设计的一般过程，看起来很简单，但计算机实现有许多问题需要解决。如总功能如何分解为子功能、功能如何表达（因为从不同的角度提出的功能表达词汇是不相同的）以及如何有效根据功能索引子结构等问题有待进一步探讨和研究。
2基于机构结构类型变异综合方法
自60年代图论理论首次被应用于机构设计以来，它在机构分析与综合方面的应用得到深入的研究。在图论中，封闭的图代表机构，顶点代表连杆，边代表运动副。图可以用矩阵（如邻接矩阵和关联矩阵）表示、分析和计算。1979年，Freudenstein和Maki提出“功能与结构分离”的方法用于机构综合，随后许多学者对这一方法进行研究和深化。该方法包括如下几个环节：
2．1根据用户的需求，提出机构创新设计任务与技术要求：
（1）拓扑结构要求
如运动性质（平面运动或空间运动）、基本回路数（或独立环数目）、运动副类型及数目、构件类型及数目、主动副类型及其位置以及机架的构件类型及其位置；
（2）功能性要求
如输出构件数目及其位置、每一输出构件的任务（如轨迹生成、函数生成、导引以及其它要求、满足对预定的速度及加速度要求、满足对机构整体的动力学性能要求；
（3）约束条件
如运动精度、结构紧凑性、刚度、机械效益、轴销作用反力以及制造、装配、成本等方面的约束。
2．2结构类型综合
通过结构类型综合列出满足设计任务要求的全部结构类型并以适当形式表示。
2．3优选结构类型
根据功能要求和约束条件，筛选出好的结构类型。
该方法目前研究局限在平面连杆机构的结构类型综合，且一般集中在运动链同构识别、自由度识别方法以及平面运动链自动生成等理论方法研究阶段。尽管有一些应用的研究报道，但都是针对简单机构（如变冲程发动机活塞机构、车门开启机构等）通过人工方式实现。计算机实现还有一些关键技术没有很有效的方法，如运动链同构识别问题，主动副位置确定、机架位置的确定、杆组的自动划分以及对运动链进行评价筛选等问题。
3集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型
如果用人工智能语言描述，在上述第1小节中讨论的机械方案设计的一般过程是基于功能推理方式，而第2小节中所讨论的机构结构类型变异综合方法是基于结构推理方式。这两种方式有其内在的联系，如何将这两种方式有机地联系在一起对于机械方案创新设计是一件很有意义的工作。功能推理主要解决功能到结构之间的映射，通过结构部件组合途径形成机械方案。而结构推理是从结构部件的拓扑结构上通过机构演绎（机架变换，主动件位置变换以及运动副类型变换）途径对机构进行变异创新，尽管目前结构推理局限在平面连杆机构结构类型综合，但通过本文的研究，该方法可以扩展到一般刚体机械方案创新设计。有鉴于此，作者提出如图3所示的集成功能推理和结构推理的机械方案创新设计过程模型。
该设计过程模型由以下主要步骤组成：
Step1：功能结构图的建立。根据设计要求，建立功能结构图。
Step2：根据建立的功能结构图，寻找满足各子功能要求的功能载体并组合成为原始机械方案。
Step3：将原始机械方案进行抽象化为表达机械方案连接信息的运动链表示。并记录原始方案一些约束信息，如自由度数、杆数、原动件必须是几副杆、输出构件是否必须与机架相连等等。
Step4：运动链发散。列举所有与抽象化表示的运动链具有相同自由度、杆副类型以及杆数的非同构运动链，并进行筛选。
Step5：机械方案元型集的生成。对筛选的运动链进行机架识别、原动件识别、杆组识别，形成用连杆和转动副表达的机械方案元型。
Step6：候选方案集的生成。将以上生成的机械方案元型通过类型替代，形成候选方案集。
Step7：方案的评价决策。得到最优方案。
Step8：方案的尺度综合。
4机械方案创新设计智能支持系统
根据以上的过程模型，我们开发了机械方案创新设计智能支持系统MCIDISS。系统的结构如图4所示。该系统由五大模块组成：
（1）基于实例功能推理的原始机械方案生成模块：该模块采用两级实例推理的模型，完成从设计任务到功能结构图的建立以及装置提取与组合协调设计生成原始机械方案的
任务。
（2）基于结构推理的方案设计创新模块：该模块在上面模块产生的原始机械方案的基础上，通过抽象化表示，将原始机械方案表达为一般化运动链，从机械方案拓扑联接上进行变异创新。
（3）评价决策模块：该模块主要任务是对各阶段的设计解进行评价决策。系统主要采用模糊综合评价决策方法。
（4）机构尺度综合模块：该模块主要任务是对组成机械方案的机构参数进行综合，以便从尺度上论证方案的可行性。
（5）运动分析及仿真模块：该模块是在完成机构尺度综合后，对其进行运动分析和仿真，以便使设计者对所设计的方案有一个清晰直观的认识。
首先，设计时间一般为集中1-2周，对于一些基础较差，平时又未受过相关训练的学生而言，就不一定能收到预想的效果。其次，设计题目一般由老师给定，学生只要按要求完成设计图纸和设计说明书即可，基本上没有自由发挥的余地，因此制约了学生创造力的发挥，不利于学生个性的发展。第三，受设计题目模式以及教师所掌握资料的限制，设计过程经常是简单的模仿和重复，扼杀了学生强烈的兴趣和积极的投入，不利于激发学生兴趣。第四，对设计结果考核形式有固定模式，使得学生只能按固定的思维模式去机械的完成设计要求，不敢也不能大胆创新，因而限制了学生创新思维，不利于日新月的当今社会对多层次，创造性人才的需求。因此，在应用型人才培养的大前提下，机械原理课程设计从形式到内容以及设计结果等全过程的改进和更新势在必行。
2.教学改革措施
2.1设计时间及设计过程的开放
课堂设计时间不应拘泥于预先设定的固定不变的程式。预设的设计时间不应该成为课堂设计的“紧箍咒”。在机械原理课程开始课程设计即宣布开始，课堂设计贯穿于理论教学全过程。设计过程随着教学过程由浅入深。先以单元小题目的形式给出设计题目，然后再综合各部分小题目给出适合实际要求的综合性题目，是设计过程贯穿始终。具体做法：首先，改变以往学习过程中，单纯的掌握课程内容，并会做课上例题和课后习题的态度。而是要求对学过的知识会灵活运用，对课后习题的完成不拘泥于做出答案，而是能提出自己的见解或对某些题目提出应用价值和创新思路，进行大胆的修改和试验，提出个人见解，为机构的设计与创新打下基础。其次，学会观察生活，在生活中寻找与机械和机构有关的实物，提出与所学内容之间的关联，并在日常学习中有意识地培养学生的创新精神和创新能力。例如：机构的结构分析部分，要求学生对生活中常见的如折叠雨伞、健身器材等机构在稳定性、安全性，或趣味性、实用性等进行分析，发现其存在的问题，并提出改进意见，给出新机构运动简图，并要求对所设计机构作出简单的模型。学生通过此次练习，找到了学习的乐趣，明确了学习本课程的方向，提高了创新意识，同时对本单元课程内容有了较深入的理解，可谓一举多得。最后，根据各部分内容的大量积累，提出能体现本课程主要知识点，并综合运用基本理论、基础知识和基本技能的课程设计题目意向，并完成基本设计内容。理论课结束时课程设计的主要设计已完成，最后集中1周时间完成必要的图纸和说明书，或取消集中设计时间，而是将设计时间分散于教学过程中。
2.2设计题目及设计结果的改革
设计题目不再由教师统一给定，要尽可能启发学生自己选题，诱发更多的创新和创造灵感，发现更多更好的选题。首先，根据教学过程学生对各部分内容提出的问题、改进意见或创新思路，要求每人或分小组讨论决定设计题目初稿。选题时，学生应量力而行，从小处做起，尽可能来自实际，贴近生活；然后，将设计题目初稿交课程设计指导老师，教师引导学生扩展思路，注意对选题的把关；另外，选题还应循序渐进，处理好继承和创新的关系，由学生自己选择，师生共同探讨，最后确定。设计结果应打破固定模式，不再只是要求做出图纸和说明书，而是可以以多种形式提交。如：设计论文，模型，分析报告等。对学生的创新设计结果，期望值不宜过高，要允许失败和反复，不能求全责备。
2.3考核方式的改革
考核是指评价学习成就、学习效果的测验，即对学生达到教育目标程度的测验。因此对学生课程设计的考核方式只是通过图纸和说明书以及答辩情况进行评价，则被动地跟随教师、循规蹈矩的学生可望获得优秀，而来自毕业生工作单位的信息表明，学校里的尖子生未必全是实际工作中的佼佼者。为给学生充足的自由和空间，成绩不仅包括必要的设计结果，还要从以下几个方面考虑：（1）设计题目选择的实用性，综合性；根据选题的难易程度，应用型指标，给出设计基本分，总分60分；（2）在设计过程中对不同问题的理解、综合、应用能力；根据设计过程的各项能力综合，给出相应的加分，总分20分；（3）能否有自己的见解或提出应用价值和创新思路。根据设计论点给出创新加分，总分10分；（4）根据完成结果给出综合分，总分10分。最后综合前边各项分值，给出总评成绩。例如：某学生设计题目选择一般，给出基本分40分；设计过程理解、综合能力较强，加18分；有创新点8分；完成设计内容结果但创新设计结果有不足，8分；则总分74分。若设计题目难度较高，给55分，其它相同，则总分89分。若难度较高而无创新点则创新项会扣掉8分，则总分81分。综合考虑，在课程设计中评“优秀”者，有自己独到的见解和创新点是必要条件，而创新过程允许出现不足。
3.结语
机械设计具有自身的程序，图1为设计的基本程序。图1机械设计的基本程序目前，机械设计教学中主要存在以下问题。
1.1教学内容过于防范
目前，机械设计这门课程包含的内容较多，有机械原理和机械设计。机械设计包括材料、力学、热处理、机械原理、公差与配合、机械零件、机械CAD等内容，所涉及的知识层面较广，教学内容较散，且与其他课程有着很多重复，如机械设计学科中有一项螺纹连接的相关教学内容。可见，教学范围与机械设计这门学科的学习原则不相符合。又如，减速器的类型、样式和设计参数要求，和机械制图中的减速器设计相关知识存在较高重复率，不仅在学科的学习层次上造成混乱，还浪费了学生的学习精力。
1.2与时俱进能力不强
机械设计这门学科的实用性较强，同时其教学内容随着科技的不断发展而不断变化。所以，传统的教学内容如果不进行更新，很难满足现代社会的需求。现代机械设计教学应当满足工程性和技术性需求，同时也应当具备系统性。因此，现代机械设计学科紧随时代的变化而改变，将传统的设计技术进行时代元素的融入。如今，很多相关院校对机械设计教学中的设备结构、设备强度和运动学等技术的教学比较注重，教学力度也较大，使能源问题、环境问题的教学很少涉及。尤其是安全、人机关系、美学等社会因素和价值工程、周期费用分析等经济因素，导致机械设计教学无法满足现代人们的生产需求。
1.3教学方式落后
很多相关院校对机械设计的教学仍然采用讲学通用的原则，对于教学中的重点知识，让学生采取理论知识记忆的灌输性传统学习方法，而对这门学科的实际应用教学涉及较少，仅仅加深了学生的相关知识或原理的理解。同时，缺乏案例式教学、现场教学以及讨论启发式教学，在学生的学习过程中没有充足的时间进行自主探索，严重阻碍学生对知识的理解与掌握，同时一定程度上阻碍了学生运用所学知识解决实际工程问题能力的发展。因此，应当对机械设计教学体系进行创新。
2创新机械设计教学体系措施
2.1调整教学内容
机械设计的学科教学内容应从实际出发，注重教学的整体性、实践性以及创新性。如今，很多学生对于机械设计的基础知识掌握不明确。所以，机械设计教学中应当遵循适度够用的理论知识学习原则，可采取重点学习、部分理解等方式。首先，教学内容要清晰精简，要精简机械设计这门课程的教学内容，避免学生在相关知识的学习中产生知识重复。同时，在学生的实际应用教学中，如实验、实习、课程设计、社会调查、毕业论文以及课外科技活动等注重实践运用的教学环节，不但要适度融入相关基础知识，还要增加其课程。其次，要注重知识的整合。在机械设计的实际教学中，将其中关联性与联系性较大的知识急性整合学习。最后，在机械设计的教学过程中应当注重知识点的增设。不仅要注重知识的重点性，还要考虑知识的完整性，可以增设以电、液为动力的机构组合，结合实际的典型机械等新内容，使学生全面认识现代机械，以适当前生产实际需要，方便计算机辅助设计的应用和推广。
2.2加强学生能力培养
机械设计是一门极具实践性的课程，过程中应当注重学生设计技能和创新能力的培养，以培养学生技术应用能力为主要教学目的，同时注重学生工程意识、工程实践能力、创新意识以及社会实践能力的培养。实际教学过程中，教师应当彻底摒弃传统的灌输式教学模式，在讲解相关理论知识或原理时，注重培养学生总结结论的能力。同时，在相关知识或原理的讲解时，融入其在实践中的应用，坚持产、学、研相结合，体现机械设计教学的基础性、系统性、实践性以及现代性。
2.3创新教学方法
目前，相关院校的招生多是面向全国，导致各种学生的机械设计学习基础不一。因此，要不断创新如今的机械设计教学。教学过程中，应当加强直观教学，在学生学习相关理论知识或原理的同时，让学生接触各类种机械、机构、零件、部件、图纸，提高学生相关知识或原理的实践性。同时，教师也可以利用多媒体、电子教案、CAI课件以及录像等现代教学技术，借助计算机和互联网，利用虚拟现实技术和仿真软件系统，开展机械设计的现代化、立体式教学。此外，教师在机械设计的实际教学中，应当尽量减少相关知识或原理的理论推导，运用例证讲清思路，加深学生对相关理论知识或原理理解，提高课堂教学效率。
2.4增加教学实践
机械设计是一门较注重实践运用的学科，教学时教师不能仅仅注重学生的知识学习，要更加重视学生的知识运用，如绘制机构运动简图。图2为机构简图的绘制步骤。以四杆机构为例，结合日常见到的筛东西、磨豆腐等，布置设计任务。在四杆机构的讲解过程中，不断提醒双曲柄机构、曲柄摇杆、双摇杆机构分别有什么运动特性，能转化为什么样的运动形式，现实生活中有哪些物品用到了这些机构，不断启发引导学生思考设计任务。一个机器少不了动力，因此课程中增加电动机的选用环节。学生设定自己运动机构的各种参数后，按部就班选用电动机，由此掌握效率等概念，并对整体的机器建立一个大概的认识。电动机选好后，考虑减速的问题。这时，可以引进齿轮机构（包括蜗轮蜗杆）、带传动、链传动。齿轮机构重点讲传动比的分配、计算及选用，对于渐开线的形成等和现场应用联系不密切的内容可忽略不讲。带传动、链传动重点讲传动特点和应用。此外，学习过程中要加入查手册选材料环节，把时间用到应用实践上。
3结语
目前，我国机械设计教学体系仍然存在教学内容过于庞杂、无法适应时代的快速发展以及教学方式过于陈旧和落后等问题。因此，在机械设计实际教学过程中，应当调整教学内容，加强学生能力培养，同时不断创新教学方法，以期为国家培养更多机械设计创新性人才。
作者:李爱军 徐红芹 王红梅 单位:山东理工大学机械学院
参考文献
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