机械系统设计论文精选(九篇)

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第1篇：机械系统设计论文范文

机械系统设计的过程中需要从管理模型出发，按照机械设计管理成熟度模型的具体要求推进各项工作，保证机械制造企业能够符合生产经营管理的具体要求，按照机械模型标准化的要求推进系统设计，提高对系统的综合控制和管理能力，为机械系统优化控制创造良好的条件。机械系统设计的过程中需要从现成模型管理出发，保证模型化管理方案能够符合机械控制的总体要求，推进机械设计管理体系创新，为机械管理体系优化创造良好的平台。企业管理模式优化控制管理的过程中需要对模型控制的整体思路进行优化，确保整体思路能够符合管理效益提升的要求，实现机械系统的自动化控制，让机械系统设计更加符合机械系统管理的要求。机械设计过程中需要不断改变传统思维模式，让思维模式符合机械系统设计体系的具体要求，确保机械系统设计符合模型化控制的全面要求。机械设计模型化的提出对机械系统优化具有积极的作用，并且能够形成机械控制、机械管理、方案优化与一体，实现目标测算模型的全面控制和优化。

1.1机械设计业务模型探索

机械设计的过程中需要对机械控制功能进行全面的分析，只有把握住机械控制功能，才能对机械功能进行全面的分析，提高机械设计业务管理水平，为机械业务模型控制和优化创造良好的平台。在新的机械业务管理链条控制下，需要对信息流进行优化控制，才能提升机械设计的综合管理控制能力，为机械综合控制管理创造良好的内部条件和外部条件。机械设计的过程中业务模型优化需要从价值链角度出发，对模型化管理工具进行全面的分析，实现对管理工具的全面控制，提升对机械管理工具的综合管理能力。

1.2通过IT工具实现机械设计的模型优化

随着信息技术的发展，机械设计所利用的IT工具越来越多，因此要从云计算、互联网、大数据等角度出发，充分发挥机械工具的控制管理要求，保证新兴IT技术能够在机械设计中得到全面的应用。IT工具在业务需求控制管理的过程中需要进行流程化管理，确保权责控制能够符合机械化的具体要求，实现机械的流程化管理和控制，提高对机械控制管理的总体需求，在具体实施的过程中需要从价值创造和管理效率角度出发，实现机械设计的管理模型优化，为管理方案的探索和优化创造良好的条件，通过搜集整理和数据管理分析，保证机械设计能够符合管理决策控制的要求，实现机械系统的全面优化。机械设计中需要通过软件诊断和经验分析等手段，保证模型能够按照机电一体化控制的要求进行系统设计。机械设计咨询与机械设计软件和机械设计软件服务融合在一起的，需要按照一体化管理和控制的具体要求，积极推进机械系统的综合控制管理，从机械模型主脉出发，积极稳妥的推进机械系统优化控制。机械设计软件本身就是一种模型，因此管理模式存在固化现象，需要从全面预算管理的角度出发，解决机械设计中出现的问题，对机械系统进行全面的风险控制，保证机械系统设计符合模型化的具体要求。

2机械设计管理模型控制和优化

机械设计管理过程中需要从全面预算管理的角度出发，控制和优化机械设计的方案，提高机械模型的综合控制管理水平，对范式有效控制具有积极的作用，通过对机械业务的全面控制，才能对管理模型进行优化，提高对机械系统的综合管理水平。

2.1机械设计中多业务模型控制

机械设计过程中需要对不同的功能进行不同的分析，确保功能业务能够被全面的掌控，实现对机械设计的管理模型优化，让参数能够符合机械设计中多业务管理的要求，提升对多业务模型的综合控制管理水平。机械设计要和参数及控制点紧密结合在一起，实现对情景的有效匹配，为机械控制管理和模型优化创造良好的条件。机械系统多业务模型控制管理的过程中需要从风险控制角度出发，按照管理模型的综合管理要求，提升机械系统的优化管理要求。

2.2机械系统设计的质量模型控制优化

机械系统设计的过程中需要建立完善的质量管理和控制体系，通过对质量模型的优化和管理，实现对算法的全面管理，让机械系统设计能够符合质量标准要求，机械系统的质量控制与机械系统的效率是紧密结合在一起的，只有把机械系统的质量和系统的模型融合在一起，才能提升机械系统的综合控制管理水平，质量控制需要从机械元件出发，对每个元件进行机械模型优化，提高对机械模型的控制管理水平。机械系统模型设计与质量控制要从不同的方案出发，建立完善的质量控制管理体系，为模型管理创造良好的内部环境和外部环境。在机械设计平台中植入质量管理方案，可以实时对机械系统的质量进行监控，确保机械系统的质量管理能够符合质量控制的具体要求，实现对模型的全面分析和优化，对模型应用具有重要的作用。机械系统设计质量控制与机械系统模型管理是紧密结合在一起的，需要从不同的方案设计出发，提高机械系统的管理控制能力。

3机械系统设计模型控制和管理机制

机械系统设计模型控制要从模型管理的角度出发，加强管理机制建设，提高对机械系统的控制管理水平，为机械设计系统的综合管理创造良好的条件。

3.1机械系统设计模型控制

机械系统设计需要从机械控制角度出发，建立完善的机械模型，保证机械系统能够得到全面的运行。机械系统设计模式控制需要遵循一定的规范，全面提升机械系统的综合控制、管理功能。机械系统功能模块设计过程中要从技术创新出发，确保CAD解决方案能够符合功能设计的总体要求，从机械系统操作角度进行模型控制，按照机械资源管理器的控制理念，提升机械系统的资源控制和管理能力，为机械系统更好的管理文件创造良好的条件。机械系统要实现高质量的模型控制，必须要从资源管理角度出发，促进机械系统模型优化管理工作。机械系统设计要和零件设计、部件设计紧密结合在一起，形成工程模式管理，全面优化机械系统的综合功能，提高机械系统的优化控制和管理功能。机械系统模型设计过程中需要建立一套完整的动态管理界面，减少不必要的操作流程，提高机械系统设计的控制管理能力。机械模型设计中要从特征模块出发，建立完善的标准控制管理系统，通过特征模型设计，可以实现对其标准的优化和控制，实现零件系统的信息共享。机械系统设计控制模型优化要与调用标准紧密结合在一起，形成机械配置管理的模式，从部件设计、零件设计、工程图角度出发，确保机械系统设计能够符合机械控制管理的具体要求。机械系统设计中需要通过不同的参数组合和变换，提高机械系统的综合控制管理水平。

3.2机械设计模型管理机制设计

机械设计模型管理机制要从信息资源共享角度出发，建立完善的信息共享平台，提高机械设计的信息共享能力，为其更好的实现机械控制创造良好的平台。机械设计模型管理中要利用先进的工具，通过互联网进行协同控制和管理，保证机械系统能够得到全面的优化，为机械系统的管理模式创新创造良好的条件。机械设计中信息管理机制建设需要从文件控制管理角度出发，通过实体模型优化控制，确保互联网信息能够协同工作，在机械部件设计中进行参数信息管理，使设计能够符合机械控制管理的具体要求。通过智能零件技术能够实现系统的自动重复设计，保证智能零件能够符合创新技术方案设计的具体要求。机械设计模型与管理模式要紧密结合在一起，确保管理模式能够符合机械设计平台设计的管理要求，从不同平台实现信息资源的共享。

4结语

第2篇：机械系统设计论文范文

合作学习 合作意识 创新意识

通过合作学习，使学生在新的教育模式下能从书本系统的观点和复杂的理论知识中去发掘和分析关于机械产品设计的特点和规律，增强其整机和系统的设计能力，从而掌握一定的复杂机械系统开发设计能力。因此，传统的以讲授式为主的课堂教学，不与实际联系，很大程度上已经不适应该课程的教学，存在缺陷有：教学内容相对滞后，讲授内容与实际脱节，较为空洞，讲授方式单一，使学生对课堂的参与度低。我们要引入合作学习，那么我就应该明白以下要点。

一、引入合作学习的动因

合作学习（cooperative learning）是20世纪70年代初兴起于美国，并在70年代中期至80年代中期取得实质性进展的一种富有创新和实效的教学理论和策略。由于它在改善课堂内的社会心理气氛，大面积提高学生的学业成绩等效果，很快引起了世界各国的关注。

在引入合作学习的过程中，我们更应该从实际情况出发，达到完美的结合，不能囫囵吞枣。我们要明白合作学理的理念，对它在深入理解的同时，运用到我们的实际的教学中来。改变我们当下在《机械系统设计》实际的教学中那些理论知识不能联系实际生活，生硬的书本知识不能满足当下社会发展，枯燥滞后的教学模式不能适应学生需求诸多矛盾。

二、合作学习对《机械系统设计》教学的实际运用

1.书本知识的划分和学生的划分。首先，根据我们的教学大纲，需要学生掌握的科学知识进行科学的划分。只有那些不能适应社会发展需求的部分进行剔除，拿更多的时间给学生，让他们了解该学科的前言科技发生的日新月异的变化和这门学科研究方向，才能让学生树立正确的奋斗目标。其次，就是学生人员划分。按照通用的划分标准：兴趣爱好分组；按感情友谊分组；按特长搭配分组。

2.具体的合作学习环境设定。首先，课前，针对即将展开的知识点，预先需要学生准备的关于知识点的扩展知识告之每个学生小组。让他们根据得到的综合信息，在根据自己小组的组员特长进行科学的分工，最后把每个组员得到的信息汇总。其次，课后，各个组员把自己负责的知识点和扩展知识的解答，通过其他小组的合议后完成的论文或者小报告，汇总交给教师作为评价的依据。

3.评价。评价应该包括教师的评价和学生的自我评价。首先，教师根据学生对个知识点和扩展知识解答的报告或者小论文进行评价打分，该部分应该占总分的比例为65%；其次，是教师对每个学生在实际学习过程中进行打分，比例应该占总分的5%；再次，就是每个学生组的组长根据组员对该组的贡献进行打分，该分占总分的20%；最后，每个组员根据合作学习对知识的掌握程度给彼此打分，占总分的10%。

4.效果分析。为了检验将合作学习教学模式引入到实际教学中对学生知识点的掌握和能力的培养方面是否起到提升作用，将该引入合作学习的教学模式引入到 2004 级（1）班机械工程及自动化学生的《机械系统设计》的课堂实践中并追踪问卷调查，问卷调查表显示，将合作学习引入该课程的教学过程是有效的，它在很大程度上激发了学生学习的积极性，提高了学生在整个教学过程中的参与性。

对未将合作学习教学模式引入《机械系统设计》教学的 2004 （2）班机械工程及自动化学生和将合作学习教学模式引入教学的2004级机械工程及自动化学生共 100 名学生进行了问卷调查，问卷1主要测试学生的学习积极性，合作意识，创新意识。问卷 2 主要测试学生对该课程几个重要知识点的掌握程度。

图2 知识掌握从图一中可清晰得出这样的结论，在将合作学习引入《机械系统设计》课堂教学后，学生各方面能力都有较为明显的提高，尤其在合作意识、学习积极性和创新意识方面有了大幅度提高。

从图二说明了将合作学习引入课堂教学后，学生对本门课的几个重要的知识点掌握程度有所提高，但其中对操作系统设计和冷却系统设计知识点提高相比较而言较小，还应在该知识点多思考教学模式的改进，而传动系统设计和控制系统设计，由于学生有先学课程《机械设计》的基础，所以掌握程度较前提高较大。通过课堂实践证明，将合作学习教学模式引入机械专业课《机械系统设计》，有助于调动学生学习的积极性，有助于培养学生的合作意识和创新意识，更有益于学生对知识的掌握。

三、在引入合作学习过程中我们应该注意的问题

在引入合作学习《机械系统设计》教学中，虽然解决了目前我们在固定模式教育的弊端，但是有很多问题值得我们思考和重视。

怎么样在分组上做到科学化，避免有的个人主义较强的学生的反感情绪尤其重要。如果在实际操作运用中，教师一旦把握不好就会有这样那样的矛盾产生，是课堂不和谐因素存在的可能。

其次合作学识原本主旨是打破学生与学生不能充分交流，积极发挥团体的力量解决一系列问题。这中间教师怎么样去保护个体的积极性，怎么样去发现对学科有独到理解的学生，并加以培养。教师还是科学地掌握团体与个人的矛盾，不去回避。

参考文献：

［1］王坦.论合作学习的基本理念［D］.教育研究，2002，（02）.

第3篇：机械系统设计论文范文

关键词 机电一体化系统设计 工程应用 创新能力 实践能力

中图分类号：G420 文献标识码：A

Curriculum Reform of "Mechatronics System Design" in Universities

ZENG Yudan, DU Liuqing, ZHANG Mingde, YANG Xiangyu, WANG Yali

(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)

Abstract "Mechatronics System Design" as a core curriculum in group of mechanical engineering curriculum, has strong comprehensive and practical features. In this paper, our undergraduate institutions in the curriculum development and teaching reform emerged as the major issue, the demand for the industry, for engineering applications, emphasizing awareness and sense of innovation and engineering training, a typical mechatronic systems - NC special main design feature for teaching, student-centered, self-study students for the purpose of awareness and self-learning ability, the students involved in the actual design process was focused on teaching content, teaching reform, to build and improve enhance undergraduate project quality, to develop students' practical ability and creative ability of the curriculum and teaching model are discussed.

Key words Mechatronics System Design; engineering applications; innovation ability; practical ability

0 引言

机电一体化系统设计涉及机械、电子、计算机、自动控制及信息处理技术、系统工程、检测传感技术、伺服传动技术等多学科领域，是机械工程专业学科课程群中的核心课程。本课程技术含量高，内容更新快，要求学生能综合运用机械、电子、控制与信息处理等多学科的知识，完成对系统的分析、设计、优化等一系列过程，具有很强的综合性和工程实践性，相比其它专业课程而言，课程建设和教学改革面临更多问题，具有更大难度。

目前课程建设中存在的主要问题有：①教学内容过分侧重于工程科学理论知识的灌输，缺少工程分析设计的实践过程，远远不能满足工程应用要求；②教学模式基本还是传统的以教师传授知识为主，学生被动学习的模式，“以教师为中心，以课堂为中心，以书本为中心” 的单向灌输式教学模式方法仍然占据主导地位，学生动手解决实际工程问题的机会很少。以上问题使得学生理论知识与工程实践相脱离，实践能力和创新能力薄弱，不能适应现代化经济建设和工程技术发展的要求。

1 课程教学改革研究

我校自1999年开设机电一体化专业方向以来，一直对《机电一体化系统设计》课程建设和教学改革进行了不断的探索，现将教学内容和教学模式改革的过程小结如下：

1.1 教学内容改革

高档数控机床和基础制造装备是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》16个重大专项之一，也是国家振兴计划的重要组成部分，因此在教学内容设置上，紧跟这一重大决策，响应国家战略需求，将典型的机电一体化系统――数控专机系统设计专题作为主要内容，在前续课程所讲授的理论知识和工程应用实例基础上，教师指导学生结合工程实例，对机电一体化系统，特别是数控专机系统的设计过程进行较系统完整的学习，并循序渐进地进入实际设计过程，并最终完成数控专机的方案设计和优化、各元部件选型、软件流程图、电气原理图等所有理论设计和功能模块细部设计过程。教学所用的工程设计案例大部分来自学校教师所承担的实际科研项目，如数控电焊专机设计、锥齿轮传动质量智能检测分析系统设计、数控弯管机控制系统设计等，避免了空泛地照搬教材进行照本宣科，而是由教师指导学生在设计过程中自主查阅、了解相关知识，进一步掌握相关技能，并将所学所得结合实际设计过程进行巩固，在此过程中，教师将自己的设计思路、方法和经验毫无保留地对学生进行传授和讨论，从而实现对学生自学能力、创新能力、实践动手能力等机电复合型工程技术能力的培养。这对于在校学生来说是非常难得的学习和实践的机会，也真正体现出课程面向社会需求、面向工程应用的实质。

1.2 教学模式和教学方法改革

本课程是一门面向工程应用，分析解决实际工程问题，对“系统”进行“设计”和“整合优化”的专业核心课程。因此在教学中指导学生始终要以系统工程的角度出发，以整体全局性的高度，对所设计的数控专机进行化整为零、化繁为简的分析，将一个大系统的设计任务分解为各个子系统乃至各个单独的功能模块和功能部件的设计和选型，再经过接口设计，将各功能模块有机地融合在一起，组成一个整体性能高于各部件之和的完整系统。

在教学过程中，始终坚持面向工程应用，以学生为主体的模式，课堂时间主要用于重要理论和技能、关键问题和练习作业的学习和讨论，其余所需知识技能交由学生课后通过图书馆、网络等查阅设计案例、论文、产品技术手册等相关资料和自学完成，同时学习运用一些常用设计工具，并通过作业和小组讨论等方式进行巩固，有疑难问题可提出并在全班进行讨论，最后在教师指点下得出正确结论。这种以具体工程设计任务为教学主线的方式让学生明确意识到课内外所学知识技能在实践生产中大有用武之地，认识到教师布置的作业均是完成设计任务必需环节，从而大大提高了学生的学习积极性，使其在课堂上的注意力非常集中，课后能根据任务所需而主动自发地进行学习和讨论以完成任务，而不再像以往那样由于不明白所学知识具体有何用处而造成理论和实际脱节，甚至产生忽视和厌学心理。在此过程中学生逐渐认识到自己理论知识上的薄弱点和缺少的实践经验，有针对性地学习参考相关理论知识和前人的方法经验，弥补以往知识技能系统的缺失环节，并能及时将所遇到的问题及心得体会在课内课外与教师和同组同学进行交流讨论，最终较系统完整地完成对各相关知识和技能进行总结，并在工程项目中综合应用的过程。

本课程是涉及到机械、电子、控制、信息等多学科知识和技术的一门交叉课程，在课堂教学环节，普遍出现的情况是将本课程作为前续课程中“机”、“电” 、“控制”等学科知识的简单组合和回顾，导致本课程应具有的系统性、综合性、实践性不能体现，与其余专业课程间也无法形成科学合理的承接脉络。改革教学模式和方法后，以整个工程设计过程为主线，将所涉及到的各学科关键理论知识，进行系统性逻辑性的梳理，形成清晰的脉络和层次，并指导学生在完成设计任务的过程中，有意识地综合运用所学知识、工具和技能，达到学以致用的目的。

例如，在讲授“机械子系统设计”章节时，把握住“各子系统有机融合”这一本质，让学生不仅掌握书本上陈述的对机械系统的性能要求等知识点，更要明白这些要求的提出不是孤立地从机械系统本身稳定性、快速性、准确性等性能指标出发，而更要从控制系统、伺服驱动系统与机械系统有机结合的角度来看待。通过运用经典控制理论中的时域分析和频率分析两种方法，了解机械系统参数中系统阻尼比和无阻尼固有频率这两个最基本的参数，对机械系统参数变化引起的控制性能变化的过程、原理进行分析推导，同时通过课堂上采用MATLAB对系统进行设计与仿真的实例演示，使学生了解这一控制设计领域的经典工具，经过教师指导和课后自学，掌握该软件的基本使用方法并在设计中加以运用，从而将控制工程领域的相关知识、技能与机电一体化系统设计任务紧密联系起来。

又如，在进行“伺服驱动系统设计”章节的教学时，通过课堂讨论和课后作业，让学生将伺服驱动器、变频器等驱动系统，以及交直流伺服电机、步进电机、力矩电机等常用伺服电机的性能、特点、应用场合、性价比等主要指标逐一进行分析和比较，针对数控专机任务要求设计合适的驱动方案，并查阅技术资料，完成电机选型计算以及电机与驱动器的接口设计，从而将前续课程所学的机电控制知识通过设计任务进行系统完整地运用。

再如，在“控制系统设计”环节，教师通过简要讲解和演示PLC梯形图编制、单片机编程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高级语言编程驱动运动控制卡等控制实例，使学生了解各控制系统的软、硬件组成及其设计过程和设计方法，课后自行查阅资料，对各种控制系统的优缺点、最新应用现状和发展趋势进行分析总结，设计出合适的控制方案，并在课堂演示实例基础上，学习运用相关工具，进行初步的控制系统软、硬件设计。

运用以上教学模式和方法，使学生在系统性地了解基础理论和技术的基础上，迅速地掌握关键理论知识和必要技能，并有效地在工程设计项目中加以应用，在培养学生自学能力、创新能力和理论联系实践的能力方面颇有成效，为其今后的工程应用和技术研究工作打下了良好的基础。

2 结论

我国政府在2006年初已将建设创新型国家确立为一项重要的战略目标，高质量的工程科技人才正是建设创新型国家的重要力量。我国高校机电一体化专业必须积极面向社会的迫切需求，以培养能满足产业需求、具有较强创新能力和综合能力的机电一体化科研技术人才作为最重要的工作目标。本文对机电一体化专业的核心课程――机电一体化系统设计的课程内容建设和教学模式方法改革进行了探讨，提出了面向产业需求、面向工程应用、以典型机电一体化系统――数控专机设计过程为教学主线，以学生为主体，以学生参与实际设计的过程为教学重点等改革措施，以期逐步构建科学合理的课程内容体系和教学模式，实现培养学生的工程素质、提高学生实践能力和创新能力的目标。

基金资助：重庆市重大教改项目“以培养学生工程设计能力为目标的机械工程系列核心课程教学改革研究与实践（09-1-005）”

重庆理工大学高等教育研究立项项目 “《机电一体化系统设计》课程教学改革研究（2010009）”

参考文献

[1] 崔军,汪霞.反思目标 回归本质――本科工程教育问题分析与改革对策[J].江苏高教,2009(4).

第4篇：机械系统设计论文范文

关键词：测试计量；仪器；发展；机遇；趋势

中图分类号： TH71 文献标识码： A 文章编号：

测量技术和仪器研究现状

1、从静态测量到动态测量

从非现场测量到现场在线静态测量使科学研究从定性科学走向定量科学，实现了人类认识的一次飞跃。现在乃至今后，各种运动状态下、制造过程中、物理化学反应进程中等动态物理量测量将越来越普及，促使测量方式由静态向动态的转变。现代制造业已呈现出和传统制造不同的设计理念、制造技术，测量已不仅仅是最终产品质量评定的手段，更重要的是为产品设计、制造服务，以及为制造过程提供完备的过程参数和环境参数，使产品设计、制造过程和检测手段充分集成，形成一体的具备自主感知一定内外环境参数（状态），并作相应调整的“智能制造系统”，要求测量技术从传统的非现场、事后测量，进入制造现场，参与到制造过程，实现现场在线测量。

2、从简单信息获取到多信息融合

传统的测量问题涉及的测量信息种类比较单一，现代测量信息系统则复杂得多，往往包括多种类型的被测量。信息量大，如大批量工业制造的在线测量，每天的测量数据高达几十万，又如产品数字化设计与制造过程中，包含了巨量数据信息。巨量信息的可靠、快速传输和高效管理以及如何消除各种被测量之间的相互干扰，从中挖掘多个测量信息融合后的目标信息将形成一个新兴的研究领域，即多信息融合。

3、几何量和非几何量集成

传统机械系统和制造中的测量问题，主要面对几何量测量。当前复杂机电系统功能扩大，精确度提高，系统性能涉及多种参数，测量问题已不仅限于几何量，而且，日益发展的微纳尺度下的系统与结构，其机械作用机理和通常尺度下的系统也有显著区别。为此，在测量领域，除几何量外，应当将其他机械工程研究中常用的物理量包括在内，如力学性能参数、功能参数等。

4、虚拟仪器技术获得了广泛应用

虚拟仪器（Virtual Instrument）是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项全新成果，其核心是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、大容量存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，从而构成一台外观与传统硬件仪器相同，功能得到显著加强，充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。

二、现代测量技术存在的问题与差距

1、技术创新重视不够，自主创新能力较差

在已有的主流计量测试技术及仪器设备中，很少有我们自己的原创技术。诚然，和其他学科类似，原创涉及理论基础和行业积累，长期以来我国和工业发达国家在制造技术上的差距，相当程度上影响了计量测试技术的研发能力，但不可否认的是，对计量测试技术的作用和地位认识不充分、研究力度和资金投入不足、研究工作不扎实、急功近利、只重数量不重质量、不重视工程应用等因素，也直接促成了当前研究缺乏活力的状况。

2、高端、高附加值测量仪器设备几乎空白

当前主流行业应用中的高端仪器设备，国内品牌被排斥在外。高端仪器有着很高的附加值和商业利润，常常是一只进口的便携式仪器箱容纳的设备价值超过100万RMB，甚至更多，而一套大型的国产仪器设备只有相对低廉的利润。高端仪器设备的高额利润建立在高技术含量的基础上，因为利润高，保证了后续研发有充足的资金投入，形成了良性循环。与此形成反差的是，国内建立在原材料和人力成本优势基础上的仪器设备，必然利润微薄，继而造成研发投入不足，严重制约着我国测试计量技术及仪器设备的进一步发展。

3、测量技术在理论上的薄弱

测试计量技术是面向工程应用的学科，推动学科发展的主要动力来源于应用需求，理论成果如无工程背景，不能解决工程应用中的测量问题，则意义和价值将大打折扣。况且，我国在测试计量理论上也很薄弱，近年来虽发表了大量的学术论文，出现了很多研究成果，高水平、实用性强的成果不够多，而较多的则是低水平重复。此外，由于行业原因，我国计量测量从业人员较少，业务素质整体水平不高，人才流失，尤其是高层次人才流失严重，也严重阻碍了学科的发展。

测量技术和仪器的发展机遇

1、利用计算机信息处理技术提供的同步平台，充分发挥其数据处理优势，实现基于大规模数据处理的测量原理和算法，以计算资源补偿机械系统性能，以数据处理成本降低机械硬件系统成本。例如新型的复杂功能测试系统、机器人测量机技术，可以充分利用计算机系统的巨大资源，在全工作空间，补偿机械系统的运动误差，在机械系统不变的情况下，显著提高测量测试精度和仪器功能。

2、充分借助新型器件的性能，降低测量技术及仪器设备对机械制造水平等的依赖，大幅提高和改善测量仪器设备性能。如采用高性能的数字成像器件作为传感器，配合合理的模型及解算方法就可以利用器件自身的精密制造工艺，设计无需精密机械结构的高精确度测量系统。

四、测量技术和仪器的发展趋势

当前的传感、测试计量和计测仪器在机械系统和制造过程中的作用和重要性较之过去有明显提高，已作为必须的组成部分参与到系统的功能中。

1、测试计量技术应该符合现代制造的要求。传统的制造系统中，制造和检测常常是分离的，测量环境和制造环境不一致，测量的目的是判断产品是否合格，测量信息对制造过程无直接影响。现代制造业已呈现出和传统制造不同的设计理念、制造技术，测量技术应当从传统的非现场、“事后”测量，进入制造现场，参与到制造过程，实现现场在线测量。现场、在线测量的共同问题包括非接触、快速测量传感器研制与开发、测量系统及其控制、测量设备与制造设备的集成几方面。近年来数字化测量的迅速发展为先进制造中的现场、非接触测量提供了有效解决方案，多尺寸视觉在线测量、数码柔性坐标测量、机器人测量机、三维形貌测量等数字化测量原理、技术与系统的研究取得了显著的研究成果，并获得成熟的工业应用。

2、微/纳米技术迅速发展

微/纳米技术作为当前发展最迅速，研究广泛、投入最多的科学技术之一，被认为是当前科技发展的重要前沿。在该科技中，微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域，也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。在微、 纳米测量领域，基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面，主要研究问题的方向为：基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机（分子测量机）、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X 射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。

3、发展超大尺寸测量和超大型设备

超大尺寸测量的主要任务是获取与评价大型和超大型装备与系统制造过程中机械特性和物理特性等信息，分析各影响制造性能的要素与机理，为提升制造能力与水平提供科学依据。在超大尺寸测量领域内的、共性基础问题包括距离测量原理、超大尺寸空间坐标测量、超大尺寸测量的现场溯源原理与方法。代表性研究方向和重要测量问题，如：大尺寸、高速跟踪坐标测量系统；车间范围空间定位系统（WPS）；GPS在超大机械系统中的应用关键技术；数字造船中结构尺寸、容积测量；飞机制造中形状尺寸测量；超大型电站装备和重机装备制造中的测量；面向大型尖端装备制造的超精密测量等。

五．结束语

在未来的测量及仪器的发展中，应重视基础研究，着力加大科研投入紧密联系工程应用，相信在不久的将来我国测试计量技术及相关领域定可获得快速的发展，为我国科学技术和国民经济的发展发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 叶声华.邾继贵.视觉检测技术及应用[J]. 中国工程科学. 2010（01）

第5篇：机械系统设计论文范文

关键词：卓越教育；机械原理；机械设计；精品课程；课程改革

作者简介：张洪双（1976-），男，吉林梅河口人，河海大学机电工程学院，讲师；楼力律（1973-），男，浙江湖州人，河海大学机电工程学院，副教授。（江苏 常州 213022）

基金项目：本文系2013年江苏省高等教育教改研究立项课题（课题编号：2013JSJG121）、面向“卓越计划“的机械设计课程教学改革研究和实践（项目编号：XZX/13A001-25）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0067-03

我国提出的“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。河海大学是首批卓越计划的试点高校，同批的高校包括清华、北航、浙大、南大等重点高校，目前国内各高校在机械原理和设计课程上主要从课程的教学体系、课程内容、教学方法、课程的配套教材、课程的师资队伍建设、教学管理等方面进行努力和尝试，提高学生的创新意识和能力，提高学生的工程实践能力。[1]国外和国内“卓越计划”相近的工程教育模式为CDIO：[2]构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）。该工程教育模式由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学自2000年起，经过四年的探索研究后提出的，是近年来国际工程教育改革的最新成果。

机械原理及机械设计是以高等数学、机械制图、理论力学、普通物理、材料力学和工程材料等先修课程为基础的，并为学习有关机械类专业课程奠定必要基础的一门课程。通过课程的学习，学生需要掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能；初步具有拟定机械系统方案、分析和设计机构的能力；掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计通用机械零件和简单的机械装置的能力；具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力等。因此本课程具有从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程，从基础课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。机械原理及设计课程理论性较强和实践结合紧密，且各章节相对较独立，内容多，因此在其教学过程中应注重贯彻少而精原则，不强调面面俱到，知识点要突出，适当增加宽广度，注重机械发展的新概念和新方向。

国家提倡的精品课程建设是以一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等为特点的示范性课程。面向卓越工程师的机械原理及设计精品课程建设的目的是针对卓越教育的特点，从教学队伍建设、教学内容和课程体系改革、先进的教学方法和手段、教材建设、理论与实践结合、课程建设全面规划等方面进行努力和发展，使卓越教育的机械原理课程教育教学在各方面符合国家示范性课程的要求。[3]

一、课程建设方法

根据精品课程建设的要求，并结合河海大学（以下简称“我校”）自身的发展和基础条件，从以下几个角度进行了相关工作：

1.面向工程应用的课程设置

机械原理及设计是机械类专业的一门重要的专业基础课，在整个专业培养和课程体系中具有十分突出的地位，是从基础课过渡到专业课、从理论性分析为主过渡到工程实践为主的一门课程。该课程是学生接触工程化的第一个实践环节，因此如何深化工程化的概念对于机械原理的教学十分重要。

随着各高校的扩招，年轻教师的数量越来越多，而且具有博、硕士学位的比例越来越高。目前各校新引入的年轻教师主要是从学校到学校，缺少工程经验；企业导师具有丰富的工程实践经验，但在理论高度和课程教育上又有所欠缺，所以工程化教育的师资队伍建设成为时展的需求。结合国家级“河海大学—宝菱重工卓越工程实践中心”的建设，为增加年轻教师的工程实践经历，在学生进驻企业的同时，各专业指导教师需要全程陪同，参与到企业的实践项目建设中。建立企业内实践的各学习模块，为各模块配备校内教师和企业导师，采用双导师制，企业导师负责实践教育，校内教师负责理论教育，相互学习，既提高了校内教师的实践能力，也为企业带来了较新的理论分析方法。而为了提高课堂教学时课程中工程应用的比例，进一步借鉴了蚌埠学院的相关做法：[4]优先引进同时具有高学历和工程实践背景的师资人才，聘请企业内高级技术人员做校外兼职导师；集合学院乃至校区的力量，积极参与常州市及周边地区的建设，增强校企联合；鼓励专利、产学研结合和技术服务，而不仅仅是理论研究和科技论文。

2.课程实施条件

在课程建设的具体实施过程中，主要从教师队伍建设、教材规划、教学条件保障等方面入手。

（1）主讲教师：从机械原理及设计的教学人员构成来看，任课教师中有1名教授、1名副教授、3名讲师，学历均在硕士以上，年龄从35岁到50岁，结构合理、年富力强，形成了一个教师梯队。课程的主讲教师在本科教育教学、教改研究等方面具有十分丰富的经验。为了提高教育教学效果，全体任课教师定期召开教学例会、集中备课、针对教学过程中出现的问题及时处理和分析，不断总结经验。

（2）教材规划：理论课教学选用了由东南大学出版、吴克坚编著的《机械设计》教材。该书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果，是面向21世纪课程和普通高等教育“十五”国家级规划教材。该教材以机械系统设计为主线，将机械原理和机械设计内容进行有效的整合。精品课程建设中，教材规划参考天水师范学院的立体化教材建设方法。[5]立体化教材包括主教材、教师参考书、学习指导书、电子教案、CAI课件、网络课程、试题库等。该教材的建设与机械原理和机械设计的课程内容、改革体系相结合，电子教案和课件能够及时反映教学改革的要求，网络课程建设促进教学改革的尝试，逐步提高机械原理及机械设计的教学水平。

（3）教学保障：卓越机械原理及机械设计的教育依托于本科教学平台，能够充分保障课程教学的教学要求。20多年来，学校不断加大投资力度，完善建设，学院的教学设备先进、设施齐全。学院设有本科教学的机械基础省级实验教学示范中心、河海大学常州校区工程训练中心、机械基础省级实验教学示范中心，其中省级实验教学中心在2007年立项建设，2010年顺利通过江苏省验收；专用与通用仪器和设备价值达2000余万元；学院实验室占地4000余平方米，拥有实验设备仪器1200余台套。目前实验室开设的实验课程主要包括：机构运动简图测绘、齿轮参数测量和范成、机构运动参数、螺栓连接、轴系零件组合、减速器拆装和自行车拆装等基础实验，以及机构运动拼接和机构组合实验等多个创新型实验环节。通过基础实验环节，学生能够加深对课程内容的理解和把握；通过创新型实验环节可以进一步提供学生的创新实践能力。除了校内的实验环节，还依托“河海大学—宝菱重工卓越工程实践中心”，对企业内部的设备、设计、工艺和检验等环节进行跟踪学习，让学生深入到车间生产一线，切身体会和了解企业内生产流程，为更好地适应企业环境打下良好的基础。

（4）网络化教学：为了提供一个自主的学习平台，提高教师对学生的教学管理能力，增强学生全方位的素质，完善了网络化教学模式。[6]我校机械原理及机械设计的精品课程网站内容（图1）主要包括课程简介、教学管理、教师队伍介绍、教学资源等。其中教学资源主要包括助学式课件、思考题、练习题、习题答案、课程重点及难点解析等。网站中设有留言信箱，方便同学对于课程的疑问和问题能够及时与老师沟通、联系。

3.课程评价体系

课程评价围绕课程培养目标，不仅要评价学生掌握的知识与技能，而且还要评价学生课堂的表现、出勤率和学习过程。评价时以课程考试为主要的评价方式，并辅助以课堂表现和出勤率等，力求评价方式的多样化。[6]单纯的期末考试不能完全反映学生对课程的掌握程度，目前各高校大多都采用多种方式，如课后作业、报告、实验、小测验、考试等进行考核，表1所示为根据我校卓越教育的特点采用的评分标准和比例。多样化的考核方式使学生必须注重平时的学习积累，不能通过突击的方式完成课程考试，学生有了积极学习的压力和动力，更能均衡地反映学生学习的实际水平和学习效果，符合正态分布。

表1 多样化的考核方法

考核项目

作业 实验 随堂测验 企业实践 期末测试

20% 15% 20% 15% 30%

4.课程改革与创新

机械原理及设计课程具有较强的实践性和可动性的特点。即课程研究的所有问题都来源于生产和生活中实际的机构与机器。因此学习方法要注意课程的特点，在学习过程中尤其应注意理论知识与实践应用的相结合、机构运动简图与具体实物的结合、机构的静态分析与动态分析相结合、形象思维与逻辑思维相结合，将理论分析内容和工程软件的应用相结合。

机械原理及设计的课堂教学、教学方法与手段等方面力求创新改革，探索适合卓越计划学生学习的课程体系和教学方式，培养学生的学习兴趣、创新思维和独立分析问题、解决问题的能力。

（1）教学内容的创新：针对卓越计划教育中学生的理论学习时间压缩而需要提高实际应用能力的学习特点和需求，在机械原理及机械设计课堂教学中的主要内容为：机械运动方案选型设计、机构运动分析与尺寸综合、机械动力学分析和设计、常用零部件的选择、常用机构选择及设计、机械系统设计等。此外还要重视介绍学科发展的新动态、新方向、新内容，注重激励学生的学习欲望，调动学生的积极性，让学生了解更多更新的理论、技术与方法。实践教学方面主要包括小项目和专题、实验教学、课程设计、课外创新等。[7]近年来国家以及江苏省组织了大学生创新训练计划、机械创新大赛等，在创新竞赛的过程中提高了学生的创新意识，使学生得到了实践锻炼的机会，开阔了眼界。

（2）教学方法的创新：机械原理及设计教学方法配合教学内容的改革，加强与学生的互动，将以教师为主的‘灌输式’教学向以启发式、问题式、讨论式教学为主的新的教学方法转变，让学生从被动学习转变为主动学习，真正成为教学活动的主体。

鼓励学生应用成熟的工程软件进行相关课程内容的学习中。例如在原理部分章节中涉及到的图形法采用AutoCAD软件来分析和设计，既可以得到比手工绘图精确得多的解，又可以锻炼利用AutoCAD软件绘图的能力。在解析法中可以结合matlab软件教学，既可以直接利用matlab编程的方法，具有丰富的库函数、编程简单、可视化功能强，又可以采用simulink和simMechanics进行机构的运动学和动力学分析。[8]如图2所示，某曲柄摇杆机构中，各杆件长度分别为l1=120mm，l2=40mm，l3=70mm，l4=100mm，在曲柄运动角速度250rad/s，利用simulink分析得到杆件BC和CD的角速度曲线。零件的强度分析是机械设计中的一个重要内容，应用有限元软件可以得到非常直观的应力及位移图形。[9]如图3所示为应用ANSYS 13.0对某齿轮进行强度分析的应力和位移图，其中齿轮模数mn为2mm，齿数z为24，螺旋角β为10°，材料45钢，在轮齿上受到20Mpa的力。对于这类专业软件有时学习起来比较困难，耗时间，可以采用一些其他三维造型软件自带的一些插件进行近似的分析，如Solidworks Simulation等，虽然结果上有一定的差异，但对于受力的整体变形趋势的分析仍然有很大的参考价值。

（3）教学手段的创新：在教学手段上，着重培养学生对机械系统的整体认识，突出课程重点，有效分析课程难点，课堂教学过程能够吸引学生的注意力，注重学生的参与，启发学生的思考和联想，加深学生对课程基础理论的理解。培养学生主动应用课程所学内容，锻炼其独立解决工程实际问题的能力。教学方法得当，充分利用多媒体教学，激发学生学习兴趣，提高教学效果。[10]多媒体课件中除了课程的文字性内容外，还要包括自制的动画课件和机械相关的视频信息，如企业内各种设备、工具和零部件及加工录像等。此外，在机械原理及设计课程中有关结构分析、运动分析、常用零部件选型、强度分析和计算等方面的教学还应该注意多媒体和板书的综合利用。

二、总结归纳

机械原理及设计课程在“卓越计划”教育的课程体系中处于承上启下的地位，因此加强卓越班级机械原理及设计的精品课程建设具有非常重要的意义和作用。在课程建设过程中，从面向工程化、保证课程实施、课程评价体系以及课程改革和创新等方面采取不同的措施和方法，可进一步提高卓越计划的教育教学质量，提高学生的学习兴趣和自主性，提高学生的实践能力和创新能力，使学生能够牢固掌握机械原理及设计中的相关基础知识和内容，为机械类后续课程的学习打下良好基础。

参考文献：

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[6]董惠敏，钱峰，高媛，等.基于网络的机械原理自主学习模式[J].实验技术与管理，2011，（28）：133-136.

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[8]王俊峰，田丽萍.Matlab运动仿真在机械原理课程设计中的应用[J].机电产品开发与创新，2009，（4）：187-188.

第6篇：机械系统设计论文范文

【关键词】产品设计 创新 想象力 功能 原理 结构

【中图分类号】G640 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08-0185-02

1 引言

人类的一切文明都是设计的产物。工程产品设计就是利用科学研究得到的原理,发明现实世界里还没有的人造装置,以满足人类在生活和生产中的各种各样的需求,从而创造出更美好的新世界。文学家雨果曾说过“想象是伟大的潜水者。”[1,2]创作新的作品需要想象,同样科学技术研究也需要创新性的想象与想象力培养。中国的大学教育传统上以文学和政论为主,强调修身、齐家、治国平天下[3]。近代以来,西方的以分析精神为代表的现代科学教育进入中国,并且已成为理工农医科学教育的核心[4]。根据中国教育的长期教育历史和目前建设创新型国家的要求,当前有必要强调创新教育。前文从产品设计、想象与想象力和想象力培养三个方面着重讨论了想象力在产品创新设计中作用[5]。表1列出的是发明家所需具备的主要素质[6],由数据可见,想象力和坚持性是迈向成功的两个主要素质,因此,在科技人才的培养方面应注重这两方面能力的锻炼。只有不断地在学习和工作中,主动地学习想象的方法,积极想象新的功能、原理和结构,才能更好地设计新产品。

机械产品、机电产品的设计也需要培养设计者的想象力,可以说,没有想象,就没有创造,只会是骥尾之蝇,亦步亦趋的步人后尘。我国政府倡导建设创新型国家,在一些领域要与国际先进水平并驾齐驱,这需要科技工作者与技术工人的共同努力。在新产品的创造过程中,需要设计者创新性的构思新产品、技术工程师设计新产品和制造工艺以及技术工人加工新产品。工人从事产品制造加工,技术人员从事产品设计和加工工艺编制,科学技术工作者从事产品创新思路研究与产品原型研制。想象力与坚韧不拔是创新工作者应注重培养和训练的优秀素质。本文拟讨论从事机电产品创新所需要注意的几个问题。

2 功能设计的想象

产品是指生产出来的物品,对人类具有一定的功能。“顾客购买的不是产品本身,而是产品所具有的功能。”社会上流通的产品对其生产厂商是获得经济效益的产品,而对使用者来说,他人提供的产品就是自己的工具。西方的阿里士多德和培根曾对工具论作了阐述,与机械工业化革命相对应,工具论对机械工业革命、电气化工业革命、信息化工业革命和生物技术革命都产生了显著的作用。笛卡儿提出数学描述的方法论,后来牛顿、达尔文和哥白尼等分别提出了自然科学不同学科的基本原理。机械产品设计依据机械原理,1970年德国科学界提出的功能原理的产品设计,特别注重功能原理解。功能是产品购买者购买商品的原因,因此产品的设计就是实现某些产品功能。

在人类社会的前期发展过程中,工程科学一直沿用师傅带徒弟的方式传承手工技艺,有的的技艺还是家族传递下来,由于战争等灾难因素,其中有的技术已经失传。近代科学以伽利略为其开端的代表人物,将数学原理用于物理知识的表达和分析,开启了近代工程科学。另一方面,知识的传播也由学校完成,高等教育蓬勃发展,形成机械、电气、土木、化工、计算机、信息和生物组成的现代工程科学体系。机械工程的历史悠久,而且其原理知识渗透到各个工程技术领域,并没有随新型工程技术的发展而消亡,而是成为工程产品设计的基础。例:现代的航天工业、生命技术和核能工业都离不开机械工程知识的支持。机械产品与信息科学、生命科学的结合,出现了数控加工机床、机器人和靶向药物等一系列技术产品,人类的制造能力大幅度提高。近年来,随着数字化设计和协同设计技术的发展,人们设计新产品的能力也将得到显著提高,计算分析软件包的开发与使用,必将对产品设计的方式和方法产生巨大影响,新产品的设计周期将大大缩短。

要设计出新的产品,就是设计出新的功能或功能组合。要实现产品的创新设计就是要在设计初始阶段想象出新的功能或功能组合,向用户提供新的功能。一般常用的想象方式是通过市场调研或用户反馈的意见,提出产品功能的改进,新的产品功能很多是根据使用者需要而想象出来的。革命性的系列化产品都是依据新的科学原理,或变换原理或变换结构所想象出来的。例,从双卡收录机到卡式随身听,再到电子技术的MP4,前者使用相同的磁记录原理,但变换了结构与功能组合,获得了便携的功能。后者采用新的磁记录原理,利用巨磁阻效应设计出新的技术手段,实现播放声音和图像媒体的功能。

功能设计有分解和综合方法,原理设计有集成、转用和逆向等方法。产品的功能创新设计不一定是设计出前所未有的产品,随着各个领域知识的融合和技术革命,很多产品的设计采用新的知识原理来更换以前产品所采用的原理,获得更低的成本、更方便的制造或使用。

功能设计的创新过程中需要形象,例如人类想象出了飞机、电视机和收音机等,在设计这些产品前,人们就已经幻想象鸟一样飞行,千里眼和顺风耳,在古代的小说中就有这样的文学想象,后来的技术革命用技术手段实现了人们以前的想象。要实现对新功能产品的想象,就必须解决其依托的核心功能原理,例如流体力学原理、无线信号传递等原理。物理原理、化学原理和生物原理是设计新型产品的基础知识,近200年来,人们主动采用各种基本原理设计出许多种新产品,而且这一趋势仍将继续下去。

3 原理设计的想象

设计产品需要依据一定的功能原理,功能原理的创新就非常重要,机械原理知识仅仅是机械产品原理设计的基础。有时很复杂的机械产品,如果用电子控制技术来实现,其结构就非常简单。例上面所述的随身听。机械科学的原理并不多,常用的有杠杆、滑轮、啮合传动、摩擦传动、滚动支承、滑动支承、电磁支承、凸轮、连杆、螺旋等十几种。常用的电子原理有加、减、乘、除、微分、积分、反馈等。现在基本的机械元件和电子元件都已有基本的单元销售,已有专业化生产厂家生产这些标准化的元器件。复杂机电产品的设计并不是将机电单元简单的堆砌在一起,而是有机的组合、有目的的组合基本单元,来实现其使用功能。

产品的制造工艺原理也十分重要,它们决定了产品设计是否可以物化、是否可行。常用的机械产品的加工工艺有车、铣、磨、刨、镗、铸造、焊接、热处理,新的加工工艺有电子束焊接、激光表面处理、离子注入、化学气相沉积、物理气相沉积、腐蚀、键合等等,这些加工工艺都已在机械产品加工中得到广泛应用。利用新的物理、化学或生物原理来发明新的机械产品或电子产品的加工工艺,这是目前和今后发展的方向之一。在知识教学中,更应培养学生的触类旁通、获取知识的能力。

现代的机电产品,在构思整体设计时就要分析其功能原理形态矩阵,比较优化得到最优的技术原理方案,并且择善而从地详细分析最佳方案。设计原理的选择,不仅要考虑技术的先进性,还要分析其成本、环境的友好性和可持续发展的前景。对产品功能原理的优化软件在近20年时间内得到了很大发展,例:TRIZ等。但,产品的成本分析和环境友好性分析仍无相应的设计软件,这也是今后的发展方向之一。

随着数字化设计、虚拟加工和虚拟装配技术的发展,例:Unigraphics软件包,机械产品的设计和制造过程也发生了很大变化,运用虚拟软件设计来设计和制造产品的成本比试样产品的制造,成本大大降低。数字设计、数字制造和数字管理技术的发展,依托于信息技术,对机械工业已经产生了变革性的影响。协同设计、协同制造和协同管理技术在最近几年仍然会得到快速的发展。机电产品的原理设计有集成、转用和逆向等方法。例如汽车内燃机集成了连杆传动、轴承支承、凸轮传动等。冲压机和汽车发动机就是曲柄滑块机构的转用。鞋底防滑花纹的设计是摩擦学中理论应用的反问题。

4 结构设计的想象

要将设计原理实体化,获取设计者设计的产品功能,就必须进行产品的结构设计。常用的结构设计方法有放大、缩小、转用和变结构等。在机械系统的结构设计方面,俄罗斯的学者非常重视,而德国和日本的学者重视原理的设计和设计方法。我国的机械产品设计在1978年以前学习俄罗斯的结构设计,在80年代学习德国的功能设计理念、日本的二次设计方法。结构设计中常用的零件结构已经标准化。

从1960年来人们研究的仿生设计思路,为结构设计者提供了一条途径。基于流体力学的飞机结构设计,基于固体力学的齿轮和滚动轴承设计,基于动量守恒原理的喷气机设计,基于光学的鹰眼、蛙眼设计,基于红外原理的制导设计等等。在固体材料结构方面有仿生陶瓷、仿生的复合材料,多层涂层设计模仿竹、海螺壳等结构,今后在有机材料的设计方面人们更加依赖于对自然材料的仿生。

结构的标准化、新材料的开发与应用将对机械结构的设计产生重大影响。前人的石器时代、青铜时代、铁器时代和半导体时代以及今后的生物材料时代,都已经对产品的设计原理、设计方法产生了巨大影响,而且产品的结构也发生了很大变化。例:古代利用细绳作为锯子,今天利用合金材料和电力驱动的电锯,今后的激光切割等。新的原理、新的方法和新材料决定了那个时代的产品的技术含量和经济效益。

现代机电系统向复杂化和微纳化两个方向发展。复杂机电产品集成了机械原理、电路原理和控制原理等。例如,盾构机械和大飞机等,复杂机电产品的结构比简单机械要复杂100～10000倍,因此其设计制造是一个国家的机电产品设计制造能力的集中体现。复杂机电产品的设计过程中一般都采用数字化协同设计的组织方式,充分发挥各个设计单位的优势,团队的协作有助于缩短设计周期、提高设计效率和优化产品的性能。我国的机械工程教学中过分强调单元课程的学习,可喜的是近来组织机械设计大奖赛的竞赛,这有助于培养设计复杂机电产品的能力。

微纳机电产品,以微纳微型、微纳传感器和芯片等技术为代表,在近10年内取得了一系列突破。化学原理和生物原理也逐渐应用到这类微纳机械产品的设计,例如生物传感器和生物芯片等。未来的机械应该是生物机械,传统的机械原理、机械设计和机械制造技术都日臻成熟,21世纪的机械是生物机械,这一点上大多数人已有共识。我们现在大学里培养的人才,今后的21世纪的机电产品创新必定依靠现在的青年人,因此有必要开设系统论、生物原理等课程,这一点仍有欠缺,也未达成共识,作者认为应从未来机械发展的高度,布局现在的机电产品设计人才的知识结构,以利于他们今后更有创造性、更好地创造出新的产品。

关于微纳机电产品的设计,目前有两种技术路线。其一,是将以前的机构、机械结构和电子元器件缩小,在微米级加工微型齿轮、连杆和轴承等。另一种思路是抛弃传统的机械原理和机械零件设计,依据生物物理和生物化学的基本原理来构造微纳系统,例如仿葵花的转动机械等。作者认为第二种思路是更好的,因为机械原理和零件的设计应该随时俱进,不应保守的依据毫米级的机械原理和零件,而应该结合生物科学的发展,将生物物理和生物化学与机械科学结合起来,创造出更多更好的微纳机械系统。

5 结语

(1)功能、原理和结构的思路是德国科学家提出的别具一格的产品设计整体框架,本文从功能、原理和结构三方面再次讨论产品创新设计中“想象力”的作用。

(2)未来机电产品的发展向复杂化和微纳化两个方向发展,今天我们在本科教育阶段应该缩减单元知识的教学,增加系统论和生物原理的知识传授。

(3)对于研究生的创新能力培养,学生的课题研究不应竭泽而渔,而应结合研究生的论文主题,在讨论课上各抒己见,培养同学的提出问题、分析问题、解决问题和总结问题的能力。

参考文献

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[5] 汪久根.初论想象力在产品创新设计中的作用[A].机械设计2008教学研究[M].北京:机械工业出版社,2008,1-4.

第7篇：机械系统设计论文范文

【论文摘要】：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。本文简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并指出其发展趋势。

现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

一、机电一体化的核心技术

机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：

（一）机械本体技术

机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。

（二）传感技术

传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。

（三）信息处理技术

机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。

（四）驱动技术

电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。

（五）接口技术

为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。

（六）软件技术

软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。

二、机电一体化技术的主要应用领域

（一）数控机床

数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：

1、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。

2、开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。

3、WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。

4、大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。

5、能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。

6、系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。

7、以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。

（二）计算机集成制造系统（CIMS）

CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。

（三）柔性制造系统（FMS）

柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。

（四）工业机器人

第1代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。

三、机电一体化技术的发展前景

纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展：

（一）智能化

智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。

（二）系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。

（三）微型化

微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。

（四）模块化

模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。

（五）网络化

网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式也不同。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。

（六）绿色化

工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。

综上所述，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。

【参考文献】：

1、李运华.机电控制[M].北京航空航天大学出版社,2003.

2、芮延年.机电一体化系统设计[M].北京机械工业出版社,2004.

3、王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制综述[J].基础自动化,2006(6).

第8篇：机械系统设计论文范文

【关键词】智能机器人；巡线；反射式红外传感器

1前言

随着城市的发展，电网越来越庞大，变电站越建越多，但是变电站巡检人员却有限，雷电、大风雨等极端天气中电力工人户外工作艰难。要是一味地延续以往的巡视维护工作方式，企业将要投入更多的人力物力，引入智能机器人可以大大减轻运行人员在运维工作中的压力。更重要的是，可以提高巡检质量。机器人通过精准的计算及监控手段，对电力设备无死角巡视，可以发现一般肉眼难以发现的情况，杜绝人工巡视时出现的疲劳工作现象，保证巡视工作保质高效完成。本设计就是在这样的背景下提出的，为了适应变电站巡线的发展对智能机器人的要求，提出简易智能巡线机器人的构想，设计出了一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等功能于一体的综合系统。

2智能机器人简介

智能机器人采用电机与车轮一对一驱动方式，L298D驱动模块配合单片机实现四轮驱动功能，其中包括机器人的前进功能、后退功能、左转功能以及右转功能。采用红外对管传感模块将信号反馈给单片机的方式实现红外循迹避障功能，其中包括机器人的黑白线自动循迹功能、机器人的红外感应避障功能。采用高清摄像头实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录功能。

2．1系统架构

智能机器人的整体性能与控制系统的性能有很大的关系，一个好的控制系统是设计一个性能优良的机器人的基础。本为以AT89C52单片机为中枢，建立拥有驱动系统、人机交互系统、传感系统及图像识别系统组成的控制系统，同时，由电压转换设备和电力储藏设备构成的供电系统为智能机器人的正常运行提供了电力支持。

2．2实现功能

智能机器人的设计目标是机器人能在变电站正常环境中稳定工作，它的行为既可以由操作人员控制也可以自主完成。本文设计的机器人可以实现的功能如下:(1)正常运动功能:机器人的前进功能、后退功能、左转功能以及右转功能。(2)寻线功能:根据规划好的路径，在地面上做出导航线，要求机器人能够沿导航线自行移动:要求机器人具有自主防撞能力，在运行中遇到人或障碍物时，能够暂停移动。(3)避障规划:在设有障碍物的道路上，能够主动识别并避开障碍物，规划处最优路径，到达预订目的地。(4)图像识别功能:机器人按照预设轨迹巡查变电站设备及输电线路，实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录，可以记录灾害的全过程－倒搭影响全过程、位移变化曲线、气象全过程数据等。

3系统设计

3．1驱动模块

由于服务机器人的工作空间主要在变电站，地面平坦，不需要太大的输出扭矩，必须能灵活操控，而且要求体积小，重量轻、方便检修，我们在普通电机和直流伺服电机之间做了比较。与普通电机相比，由于伺服电机在调速范围，机械特性和调节特性的线性度，响应快速性等方面均占优，且当控制电压改变为零时能立即停止转动;普通电机则做不到。同时从结构上比较，两者的区别在于电枢铁心的长度与直径之比，伺服电机较大，而气隙较小，因此在精密定位和宽调速范围的应用场合，一般都选用伺服电机。智能机器人将借助L293D驱动芯片来驱动以及控制四轮小车的4个直流电机，每个L293D驱动芯片可驱动及控制两个直流电机。L293D具有很强的驱动力，可以同时控制独立改变各个电机的转动方向;可以通过PWM控制使能端的信号输入实现直流电机的转速控制。与控制板连接，接受控制信号，并可以通过改变输入端的逻辑电平实现电机正转与反转。

3．2传感器模块

要想使移动式机器人在运动空间中安全稳定的行走，就需要对机器人本身及其周围环境物体之间的相对位置和距离进行探测，可以用到一种外界传感器，即接近觉传感器。这种传感器对机器人在工作过程中进行路径规划以及防止机器人与外界物体相撞十分有意义。我们在智能机器人上安装了超生传感器和红外寻线传感器。采用最常用的超声传感器来作为机器人的视觉功能，它内部有一超声波发射管和一超声波接收管。发射管发出超声波，如果其正前方没有物体，那么接收管接收不到超声波反馈信号。当前方出现物体时，超声波信号经过物体被反射了回来，这时接收管接收到信号，向单片机发出高电平信号，以告知单片机其前方出现障碍物。从光学上考虑，白色对光的反射程度很高，黑色与白色相反，黑色会吸收光线，对光的反射程度很低。所以红外二极管发射红外线后，小车经过黑线时会被吸收大量红外线，红外接收器接收少量红外产生很低的反馈电流，在白色区域行驶则获得大量红外反射，红外接收器反馈电流大。根据传感器反馈的电流值，经过比较器的筛选，可以转为单片机可接收的高/低电平，单片机受到电平的不同，经过程序对电平讯号进行处理后改变小车的行动。以小车前进方向为车头，在车头两侧对称安装射向地面的红外对管，在地面布置一条黑线，让小车沿着黑线行驶，小车正常前进时，红外对管正对这地板，地板将大量红外线反射到红外接收管，传感器输出高电平，小车继续前进。当小车偏离原本轨道，其中任一红外对管正对黑色线，红外射线被黑线大量吸收，红外接收管输出信号为低电平，则小车在往低电平侧原地转向，直到两边红外对管都输出高电平，小车继续前进。

3．3人机交互模块

智能机器人输入输出设备包括蓝牙键盘和红外控制器。我们可以通过通过蓝矛键盘或红外控制器输入控制信息，进而完成人机交互，实现对机器人的远程实时控制。红外控制器主要有一个接收芯片和一个红外发射控制板组成，红外接收芯片可以接受并识别发射器发射的不同控制信号，并把信号发给控制板，控制板发出命令，使服务机器人执行不同动作。

3．4图像识别模块

通过在机器人云台上装设高清摄像头，机器人按照预设轨迹巡查变电站设备及输电线路，实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录，可以记录灾害的全过程－倒搭影响全过程、位移变化曲线、气象全过程数据等，为后期对灾害分析提供有力的数据及影像支撑。此项技术可以广泛用于防范恶劣天气灾害，直接保障了各类电力用户的用电安全;通过与变电站控制后台的视频视觉识别及线路传感器测量的数据融合及决策系统连接，能够以极地的成本大大的提高变电站线路及设备在线监测的准确性，防灾预警，降低多类灾害发生的概率，经济效益可观.

3．5电源模块

电源系统对智能机器人来说是相当重要的，可以说电源是机器人的生命源，机器人控制系统各芯片的运作，驱动系统电机的运转等都需要电源提供原动力。电源系统有电池和电源管理模块组成。根据我们的需要，我们在设计中选用镍镉蓄电池。电源管理模块的基本要求是提供稳定的电压，各路电压信号不能互相干扰。它的作用是对7．2V1800mA镍镉蓄电池进行电压调节。根据系统各部分正常工作的需要，各模块的电压值可分为5V、6．5V、7．2V三个档。电源管理单元主要用于以下三个方面:(1)采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压到5V后，给单片机系统电路供电。(2)经过一个二极管降至6．5V左右后供给摄像头。(3)直接给直流驱动电机、驱动芯片LQ7960M电路供电。

4结语

在完成了软、硬件设计的基础上，制作了智能机器人样机，并进行了实验。使用STC－ISP软件对单片机进行程序的烧录，对软件进行设置后，通过串口把程序烧录到单片机中，并对智能机器人进行了功能测试，机器人实现了预设功能。最后将编译完整、正确的应用程序烧录到控制芯片，进行固化后的程序运行，机器人能够按程序设定实现预期功能，并且经过长时间工作，功能可靠。此款智能机器人预设功能的实现，在生产和学术研究中均有重要意义。本文所提出的处理思路对这些方面的研究有一定的参考意义。

参考文献:

［1］张毅．导游服务型机器人系统设计与分析［D］．南京:南京理工大学，2007．

［2］胡鹏．全向行驶轮式机器人系统设计与开发［D］．南京:南京理工大学，2007．

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［4］舒畅．服务机器人机械系统的设计与实现［D］．杭州:浙江大学机械工程学系，2010．

［5］隋秀梅，林源，赵丽．基于HT46R24单片机的智能机器人控制系统［D］．长春:长春职业技术学院，2010．