机械优化设计绪论.doc

教案首页课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱第一章 绪论 计划学时 3教学目的和要求：1. 明确课程定位，使学生理解机械设计与机械设计学的内容侧重点和课程特点；2. 了解机械设计学的发展史；3. 本课程的内容按章节的分布情况；4. 要求同学掌握机械设计学的研究重点；5. 要求同学掌握机械设计的一般步骤。重点：1. 设计的基本内涵，机械设计学的学科组成；2. 机械设计的一般步骤。难点：机械设计学的定义、机械设计的一般步骤。思考题：1. 如何认识人类文明的一切成果都是设计的产物？2. 根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场的是什么产品？本课程以培养学生“能提出创新构思并能尽快将其转化为有竞争能力的产品”的初步能力为目标，围绕影响产品竞争力的功能原理设计、实用化设计和商品化设计三个关键设计环节展开讨论。科学和技术是两个完全不同的概念，千万不可混为一谈，科学是指那些基础性的研究，例如数学、物理、化学、天文、地理、生物；技术则主要指制造工艺（包括材料的制备、加工、处理）以及各种制作的技巧、经验等。设计的产品有的来源于生活，有的来源于想象，总的来说来源于思考，设计的始终都在贯穿着思考。俗语说：没有做不到的，只有想不到的。随着科技的发展会使很多不可能变为可能，把很多幻想变成现实。机械设计学是一门方法性的课程，讲的是机械设计的理念、思路与方法。产品设计的过程中，尤其是产品的方案设计中机械设计学的知识占的比重很大，能熟练运用辩证法、创新设计方法、概念设计等方法在机械设计中尤为重要。第一讲 绪论教学主要内容： 1. 机械设计的概念2. “设计学”的核心内容3. “机械设计学”的学科组成4. 机械设计的类型及设计过程5. 传统设计和现代设计一、 概念1.机械（Machinery）机械是依据力学原理组成的各种装置和设备，是机器和机构的总称。它包括机器、工具、器械、仪器.2.机器 (Machine)机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产力的主要工具。使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志之一。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。用来进行物料传递和变换的机器，通常称为器械、装置或设备，如汽车、拖拉机、谷物联合收割机、农产品加工机械、空调、洗衣机等。机器是人们改造世界的工具。用来进行信息传递和变换的机器，通常称为仪器，如测量仪、照相机、录像机、电视机、手机、打印机、控制和监视仪器等，仪器(Instruments)是人们认识世界的工具。3.设计设计是为了满足某一特定需求而进行的创造过程（尽管设计的难易程度不同）。设计是为了满足需求。需求是推动社会前进的原动力。人类没有了需求，就会失去向前奋进的动力，整个社会就会停滞。4.机械设计机械设计是设计机器和机构的一种创造性的劳动过程。在进行机械设计时，要根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式，各个零件的材料和形状尺寸、润滑方式等进行构思，分析和计算，并将之转化为具体的描述，以作为制造依据的工作过程。机械设计可以是应用新的原理或新的概念，开发创造新的机器，也可以是在现有机器的基础上，重新设计或作局部的改革。因此提高机器工作能力，合并或简化机器结构、增多或减少机器功能、提高机器效率、降低机器能源消耗、变更机器零件、改用新的材料等等，都属于机械设计的范畴。掌握机械设计的基本理论和方法是所有接受过工程教育的学生都应具备的能力。1、 机械设计学机械设计学是将机械设计的共性技术与理性化的设计方法有机地结合在一起而形成的一门独立的、综合性的学科。它是一门研究机械设计方法，探求机械设计规律性的东西的学科。它在总结前人的机械设计经验，努力提炼机械设计学科思想的基础上，紧紧围绕着影响产品竞争力的三个关键环节“功能原理设计，实用化设计，商品化设计”来组织教学内容，安排教学过程。（启发提问：同学们去商店买东西都想做什么？Why？）我们可以想一想，我们购买商品首先考虑的是什么？是不是它的使用价值，它所具有的功能，也就是它具有的可以满足你需求的功能。至于它用什么原理、用什么材料、采用什么机构、什么结构并不十分重要。功能原理设计 它正是使用了功能概念来认识、分析和设计机器的功能原理。“功能”概念是一个十分重要的概念，是我们以后讲课中会多次使用的词。因为它在机械设计领域产生了重大影响，在产品设计中引发了“功能原理”不断翻新的新气象。实用化设计 是设计工作中需要实实在在要求做好的环节。它的核心是要使产品具有优良的“性能”，从实用的角度使产品好用。 商品化设计 是产品进入市场前对产品进行精心打扮的环节。这一步工作是要建立在前两个环节的基础上，产品本身具有商品化的基础，也就是要有先进的功能原理和优越的实用化性能。如果没有这个基础，只是把落后的产品加以“商品化”的处理，“金玉其外、败絮其中”，那只能是欺骗行为。“可以骗人一时，不能骗人永远”。此种行为有时带来的后果可能是毁灭性的。 我们的目标： 能提出创新构思，并能将构思尽快转化为具有竞争力的产品。二、 机械设计的地位与作用一） 从大的方面讲1、 人类一切物质文明的成果均是设计的产物。也就是说，设计是人类一切物质文明成果的基础。没有设计，就没有人类物质文明的成果。当然这种设计有的复杂，有的简单，有的用图纸、文字等形式描述记载了下来，有的则是由当事人成熟于心、用自己灵巧的双手将成熟于心的构思用实物的形式表现出来，流传于世。当然这种成果往往易于流失（失传）。2、 设计是一个国家文明程度的重要影响因素，是一个国家参与国际竞争的重要手段。有了先进的科学技术，而没有先进的设计方法和手段，同样不能将其转化为强国富民的物质基础。随着科学技术发展步伐的加快，产品更新换代的步伐也在加快，市场竞争日益激烈。那种一个产品生产数十年都是一个老面孔的时代已经一去不复返了（通用汽车的例子）。在此背景下产品设计工作就会显得越来越重要。二） 从企业讲1、 机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步。它是决定产品性能的最重要因素。机械设计的目标是，在各种限定的条件（如材料、加工能力、理论知识、计算手段等）下设计出较好的机械产品（请同学们注意：这里用的是较好，而不用其它字眼，是因为任何产品都是只有更好，没有最好。好是相对的，是基于现有水平的），即进行优化设计。设计者的任务就是根据企业的现有条件和当时的具体情况，权衡利弊，统筹兼顾，使设计的机械产品具有最优的综合技术经济效果。2、 机械设计是联接需求到满足需求各个环节中的最基本环节。设计的目的是满足需求。需求是人们进行创造性活动的动力和力量源泉。没有需求就没有发展和提高。人们在实践中，发现了问题，感到不方便，力不从心，就自然而然地产生了改变现状的心理需求和实际需要。当这种需求上升到迫切的地步，有一种要解决的冲动时，就想去设计出一种工具或机器来满足这种需求。但这种满足需求的过程，还是要经过多个环节的，如设计、试制、试验、改进设计、定型、批量生产、市场销售、售后服务、信息反馈（用户反映）、进一步改进设计等等多个环节，在这多个环节中，设计是第一位的，是最基本的环节。没有了设计就没有了以后的多个环节。制造、销售均以设计为基础展开，且组织生产的依据就是设计，因为在设计的过程中已确定了制造产品所需要的材料、加工工艺、加工精度，所需的生产设备，乃至车间空间位置的安排，甚至连材料和产成品的存放位置都在设计阶段基本确定下来了。3、 设计决定产品的质量和性能。产品的质量和性能好坏，能否达到预期效果，能否较好地满足需求，主要是在设计阶段决定的。如一台谷物联合收割机，它选用多大功率的发动机、每小时的生产率、机器的损失率、清洁率、可靠性、适应性、平稳性等性能指标，基本上是在设计阶段确定下来了的。（这是设计的技术意义）4、 设计决定产品成本的75-80%从费用的角度看，设计通常是研制一个产品各阶段花费最少的阶段。但从后果看，可能是最昂贵的阶段。因为设计中一个细小的错误，若能在设计阶段就被发现，加以改正，则是花费最小的。而同样的错误，要是在试制或批量生产阶段被发现，加以改正，那付出的代价则是巨大的。有研究资料表明，如果在设计阶段修改一个错误，需要花费1000元的话，在设计检验阶段这个数字将上升到1万元，在试制生产阶段则会上升到10万元。（这是设计的经济意义）实际上，设计不仅决定着产品的制造成本，还在一定程度上影响着产品的使用成本。如内燃机的燃烧室或燃油系统设计不当的话，就会使燃油增加，运行费用上升。三） 从个人的角度讲1、 机械设计是工程技术人员的成功之基，立业之本能够把自己成熟的构思变成可以加工生产的图纸，或能够把集体讨论定下来的设计意图用图纸表现出来，此种表现可能是线条图(示意图)、也可能是实体图。那将是人生用之不尽的财富请看P10第六步 表达2、 机械设计是工程技术人员个人能力，知识业务水平的最直接的体现，也是提高自身价值的重要手段3、 机械设计是工程技术人员张扬自我、展示个性的重要载体三、 机械设计的基本类型1、开发性设计 它是在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计出过去没有的新型机械。如洗衣机工作原理不断更新的设计，就属于开发性设计。从1911年美国发明搅拌式洗衣机 1928年欧洲发明滚筒式洗衣机1953年日本发明波轮式洗衣机2002年中国的海尔发明双滚筒洗衣机，（采用波轮和内桶双力驱动，双向旋转产生强劲的水流。将波轮的高洗净比，滚筒的低磨损，搅拌的低缠绕等优点集于一身）均是开发性的具有自主创新的设计。这些设计均突破了原有的人工洗衣“先向衣物涂抹肥皂，然后双手来回搓动衣物”的工作原理，将人手复杂的空间运动改变成机械易于实现的旋转运动。2、 适应性设计（改进设计）它是在原理方案基本不变的前提下，对产品作局部的变更或另设计一个新部件，使产品在质和量上更能满足使用要求。如自行车加电瓶变成电动自行车，使骑行快捷、轻便；内燃机增加增压器，使其输出功率增大，增加节油器，可节约燃料；又如现在洗衣机为节能，推出节能型的洗衣机，采用环保节能球阀，更省水省电；为适应环保，推出“零洗涤剂”的洗衣机，采用先进的电解水系统，自来水进入洗衣机后经过电解释放出大量的活性氧离子，并同自来水中的氯离子结合生成次氯酸离子，含次氯酸离子的活水不断注入到正在洗涤的洗衣桶内，就能消除污垢与衣物的结合力，从而使污垢脱离，衣物得以清洗干净。3、 系列化设计（变型设计）它是在工作原理和功能结构都不变的前提下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应更多量的要求。如改变传递转矩和速比而设计的减速器，不同马力的拖拉机等均属于系列化的设计。它和通常说的类比设计、相似设计一样，是一般机器设计常用的方法。如现在的洗衣机家族中，产品系列化程度越来越高，从适合公用的大型、中型洗衣机到普通家庭使用的一般家用洗衣机，又到适合年轻人的小型化洗衣机（如“小神童”洗衣机，洗衣重仅为1公斤，额定功率138W。）。可以说洗衣机的品种越来越多，越来越能满足各种消费群体的需求。“百货对百客”说的就是产品的花色品种要多，才能有更多的消费者。在上述三种类型的设计中，开发性设计难度最大，设计周期较长，其余二种类型的设计相对要简单些，设计过程也较短。在工程实践中，为充分发挥现有机械的潜力，或扩大机械的功能，后两种类型的设计显得很重要。前一种设计难度较大，但充满了创造活力，极具挑战性。随着生产发展及市场竞争的日益加剧，产品应该不断地更新换代。所以作为一个具有远见卓识的工程技术人员，应该对开发性的设计予以重视，有所作为。像第一台蒸汽机的发明引起了世界性的工业革命，计算机的发明更是在更大的范围，更多的领域内改变着人类的生存、生活方式，大大促进了整个科学技术的进步。上述不论哪种设计，都不能没有创新。作为一个设计人员，必须时刻关心市场的变化，把开发新产品放在重要的位置，争取在市场上的主动。四、 设计具有的特征1、 创新性 创新是设计的灵魂。没有创新，就没有设计。创新是立于不败之地的公理。创新的目的是使自己拥有自主知识产权，拥有自己的核心竞争力。2、 继承性 要设计一种产品，就要了解现有同类产品的现状、特点、存在的优、缺点，我们要做何种改进。我们不要担心别人已经把该设计的产品都设计完了，我们没有什么可以设计的了。“怕没事可做。”我们就是要在前人发明创造的基础上，去设计出外观造型更美、功能更强、性能更优良的产品，使人们的生活更舒适、更方便、更快捷。这就是我们的责任、价值所在。3、 时代性 设计水平与所处时代的科学技术水平密切相关，包括工艺水平、材料等，都会留下时代烙印，都会受到当时时间、空间的局限。都是随着时代的发展、科学技术的进步，在不断改进和完善着。所以任何产品都“没有最好，只有更好”。4、 政策性 设计人员应了解政府的政策、法令，行业规定、国家标准等，使设计出来的机器符合相关的规定和标准。如现在提倡节能、环保、健康、循环经济、可持续发展，我们在设计机器时就要考虑这些因素，设计汽车，排放必须达标，否则就不能上市。也就是说：设计人员不仅要想到为企业服务，创造效益，还要想到应承担的社会责任，为社会服务。5、 现实性 设计人员在设计时必须考虑所在企业的现实条件，考虑实现的可能性。脱离现实的想法和设计都可能是空中楼阁。6、 综合性 可以将一切可以利用的科技成果拿来为我所用，不要仅仅局限于自己所在的学科领域，如电、液、化、光、控制等均可与机结合起来，设计出体现时代特征，性能更好的机器。7、 时效性 产品是要参与市场竞争的，参与市场竞争的产品，投放市场要快，尽可能早地占领市场。“应时是宝，过时是草”。五、 机械设计人员应具备的素质1、 创新意识 超前 敢为人先2、 强烈的使命感和责任感 3、 敏锐的观察力4、 积极的工作态度5、 扎实的基础知识6、 与人合作共事7、 卓越的组织实施才能，能把构思变成效果图、变成可实施的工程图六、弄清几个关系：1、工艺与设计工艺围绕产品转，解决的是如何把产品作出来，如何把产品做得更好、更经济设计解决的是为市场提供有竞争力的产品，解决的是企业要干什么，决定企业的发展方向2、设计与制造设计在先、制造在后。设计指导制造，而有时制造又反过来影响设计，完善设计。（见书上第4页）3、设计与科研二者的区别书上给出了个表格，大家可以看一下（三分钟）。从表上可以看出，二者的区别在于出发点不同、目标不同、结果不同。这里我们注意一下：在目标一栏，科研是发现自然规律，而设计是发明新产品，也就是书上强调的：设计区别科研的地方更需要人们的创造力，并通过各种工艺手段去创造世界上还没有的东西，实现人们的构思，最后做出能实现人们希望实现的功能的产品来。这正是我们的责任。4、 成果与市场设计出产品，通过成果鉴定，领导、专家的认可，获得科研成果，固然重要，但市场才是检验设计好坏的唯一标准。有一句顺口溜就十分形象地说明了这个道理：金奖银奖不如用户夸奖；金杯银杯不如用户口碑。所以我们设计的最终目标是市场上过得硬、叫得响。只有这样，才能为企业创造丰厚的利润，也能使个人的价值得到充分体现。最后强调如下几点：1、 设计不论对一个民族、一个国家，还是对企业，还是对我们个人而言都至关重要，应引起我们的高度重视。2、 需求是设计的原动力。我们要做有心人，去发现需求，去满足需求。所以，设计具有明确的目的性，它是要创造一个真实的结果，即创造出有物理真实性的东西。3、 设计是创造型的劳动。没有创新就没有设计。4、 设计是一个永远不会完结的过程，因为“没有最好，只有更好”。所以，你只要具有了设计产品的能力，就不要担心无事可做。作业：1、 设计在人类物质文明发展的过程中起着什么作用？2、 人类的需求对机械设计学科的发展有什么影响？3、 根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场的产品是什么？通知：星期四课是现场课。在图书馆后的实验室上。请大家预习第二章1-3节的内容。每班分8组。一次一组，每组按1.5小时。具体和庞靖老师联系。确定课代表。17