机械机构优化设计理念及方法探讨

机械机构优化设计理念及方法探讨
机械机构设计作为重点产业，对生产和设计制造行业来说都十分重要。

机械机构的设计不仅关系到机械产品的可靠性和实用性，还决定了我国机械制造水平的高低。

机械构件的材料、形状、尺寸等方面，都是机械机构设计需要考虑的问题。

创新的设计不仅能优化传统机械机构设计的弊端，还是促进机械制造业可持续发展的重要手段。

1机械机构设计原则
1.1缩短运动链
依据简单的“距离”分析可知，运动链条越长、需要的运动时间越多，同时也会增加运动量，耗费诸多能量，并在这种延长的运动中增加震动量、积累误差量、提高设计材料成本。

因而在当前的机械机构构型设计过程中，随着经验累积，逐渐确定了缩短运动链的设计原则。

1.2选择原动机
任何运动均需要能源转换来完成。

在机械机构构型设计中，将这种以能源产生的原动力称为原动机。

通常的选择宜建立在机械机构构型设计基础之上，以动力需求进行选取，有时可以选择单独的原动机，也可以选择匹配系数更高的多个原动机，共同为产品生产加工提供动力，为其正常化运行状态提供持续支持。

1.3选取运动副原则
所谓运动副原则指的是可动连接，即当两个构件实现直接接触后的可动连接。

采用这个原则作为机械机构构型设计原则，主要是为了对相对运动做出一定的限制。

2机械机构设计
2.1功能设计要点
机械制造的主要目的就是满足人们对机械功能的需求并对原材料进行加工形成新成品。

在机械制造的初始阶段，机械功能的设计不仅要满足客户的实际需求，还要展现出创新性。

设计的产品必须满足
相关的机械工作原理，保证产品的稳定性，满足工艺力学、材料力学和装配性能等相关因素的要求。

2.2保障结构的社会效益与系统可行性
目前，对机械机构的创新设计采用的是变元法的方式。

通过改变和调整机械机构設计的相关因素，来获得新的机械机构设计方法。

但在利用变元法的结构设计时，必须基于市场应用的实际需求，在性能、经济上进行充分考虑。

变元法研究的内容包括机械机构设计的数量、形状、材料位置及装配连接变元等，主要通过对这些元素进行变元来设计出更多的优化和创新设计方案。

但作为来讲，机械生产的目的就是要满足市场需求，创新结构设计的目的是要保障的经济效益，提高企业竞争力。

在机械机构创新设计的工作中，应充分考虑到用户的实际需求和企业的实际发展情况，保障结构设计的社会效益与系统可行性。

2.3系统模块的优化设计
系统优化指的是，设计人员先将机械机构视作一个整体，将优化流程看作是完整的结构。

将每一个优化元素视作单独的部件，明确这些单独部件存在密切联系的关系。

这样的层次化设计，能够实现设计元素既是单独的个体，又是共同的整体，能够达成整体优化的目的。

目前来看，机械机构优化系统模式一般是按照德国*****设计方式。

当然也有一些机构优化系统采用的是我国自主研发的系统设想。

根据用户需求进行机械机构设计，质量功能分部位首先根据用户需求明确机械机构基本功能和特征，之后根据机械机构的功能特征确定各个零部件的特征。

将零部件特征作为核心，在讨论和实验的过程中明确零件工艺特征。

最后按照工艺特征分析，得出系统优化作业特征，决定最后的系统优化方法。

系统优化与设计建立在将产品视作整体系统，通过不同区域和不同特征的规划与明确，实现产品的整体性设计，最终得出产品成品的设计结果。

代表性设计方法包括键合图法、举证设计法、构思设计法、图形建模法、设计元素法等。

每一种方法都需要结合系统完成优化设计方法与方案的制定。

2.4进化设计方法及在机械机构构型设计中的应用
在机械机构构型设计中应用进化设计方法，主要可以借助进化算法对设计参数实施优化处理。

从结构参数优化方面分析，可以借助当前的计算机数据统计软件，使组合原理下的机械机构构型设计各个机构要素在组合中的数据得到统计、分析，优化计算后得到更为合理的优化参数，并对设计方案进行改进、完善。

再如，以结构拓朴优化为例，就可以在变异原理下的机械机构构型设计中，根据复杂的部分构成进行要素解析，然后利用有限网格细化方法，对各个部分构件进行复杂性计算，并通过变量变分法实施拓朴结构深化，完成原始结构向成型结构方面的变异处理。

2.5优化结构设计拓扑
传统的生产机械制造工作中，在进行机械的结构优化设计时，技术设计人员普遍会将设计的精力集中在结构参数的优化工作中，但是对于机械零部件上的拓扑结构设计则比较少，相应的文献研究内容也比较匮乏。

伴随着国内机械制造水平的不断提升，专业人员在该方面的设计重视程度有了很好的提升，相应的机械机构优化设计意识也得到了很好的培养。

具体而言，在进行拓扑结构的优化设计工作时，设计工作的重点通常集中在两个方面，其一是连续结构优化设计，其二是离散结构优化设计。

前者的优化设计主要是指对于空洞的数量、形状、分布范围以及部分的结构边界的有效优化。

与前者相比，后者的优化设计重点主要集中于不同关键连接点的设计着手，同时需要提前确定不同设计位置的关键点。

2.6优化机械机构设计尺寸
在工业与制造业中，进行各种生产设备的机械机构优化工作时，机械机构本身的尺寸设计就成为整体设计工作中的关键工作内容，同时对于设计尺寸的要求也十分精准。

正式开展机械机构设计时，作为研发人员，需要意识到零件自身尺寸的大小必须与生产需求相适应。

在经由多个不同零部件组建而成的机械设备中，一旦出现某一个零部件不符合生产需求，就会接连对各类零部件的联接效果造成不良影响，
加大使用期间各个部件间的磨损程度，更严重者会导致整体生产设备无法投入生产运行，出现报废问题。

换言之，如果一个零部件所关联到的其他构件数量越多，那么对其尺寸的精确度要求就越高。

另一方面，在进行机械机构设计的尺寸优化作业时，必须确保机械机构产品的形状与拓扑之间的关系维持不变。

然后在这一基础上再去应用计算机技术将尺寸面向精确度更高的方面进行优化调整，最终提升机械产品的使用性能。

结语
机械机构设计与优化必然会在发展的过程中，受到先进技术影响。

现如今我国也将机械产品的机构优化，朝向计算机结合方向前进。

如今机械机构的创新设计与优化方法在国内外均已经获得了广泛的关注，并取得了一些成效。

我国设计学者也意识到了CAD制图的应用价值，广泛的使用CAD制图实现机械机构的设计与优化。

可以说未来的机械行业发展，是一定离不开机械机构优化的。