机械机构优化设计理念及方法探讨

宋传超 门连秀

1.山东捷科采油设备有限公司 山东东营 257100；2.东营区城市建设工程质量检测有限公司 山东东营 257100

机械机构属于机械结构的重要组成部分。从机械产品的产业链条观察，机械产品的设计中包括诸多构成要素。比如，产品尺寸、构思原理、结构形状、性能等。这些构成要素或标准要求与机械机构构型关系密切，具体可以关联到构型设计的基本原理、设计原则、设计方法[1]。

1 机械机构优化设计理念

1.1 组合对称设计理念

机械机构设计对称性是基础，但是在设计当中不能仅考虑单个部件上的对称性，需要针对机械机构整体上进行优化设计。在组合对称部件当中，通常都是表现为多基准组合形式，也就是螺旋线直齿齿轮副还是一个单个主体组合的元器件，通过对齿轮和中点进行垂直、平行、旋转处理即可得出中心轴，并以这个中心轴为基准展开对称设计。多个对称主体组合就可以分为两类，一是对称零件与多个零件对称要素组合，例如齿轮条设计当中，要求旋转对称齿轮与平移对称齿轮条啮合，从而实现旋转运动、平面直线运动的转换；二是在机械机构当中的跨件对称，也就是跨件之间的对称组合。若要实现机械机构优化设计，必须要实现机构中各个组件之间的对称性，这样才能够实现机械的顺畅、平稳运行。

1.2 机械组合

组合也是机械机构设计中的重要元素，而优化设计更多是加强机械机构运行的顺畅度，而想要实现这一目标就必须要做好机械机构内部的优良组合。机械组合大体可以分为单层组合和多层组合两种形式。在单层组合当中，通常是多个零部件之间组合成的整体，如蜗杆传动机构就是蜗杆和蜗轮串联，从而实现直线的运动形式。同时拉链两侧多对啮齿是单层并联组合，也就是机械结构的合并，通常是呈现为Y轴对称形式。多层组合当中，可以分为多种组合形式。多层组合通常是3个或3个以上的单层组合联合体，整体结构呈现为整体的滑移对称，在低层次当中，转轮之间也要实现啮合，最终形成嵌套形式。

2 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VDI2221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结构设计，质量功能分部位首先根据用户需求明确机械结构基本功能和特征，之后根据机械结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]。

3 创新设计中的进化设计方法应用展望

3.1 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。

3.2 进化设计方法的应用展望

由于进化设计问题相对复杂，在空间结构解构、过程求解运算、设计创新方面均有显著特征。因而需要对其原理与研究内容进行一些具体分析，并完成它向机械机构构型设计方面的转用。在进化设计方法中先要弄清楚相关术语、表达方式；相对而言这种进化设计方法比较复杂，也不易实践。还需要在未来增加机械机构构型设计方面的信息化水平、自动化水平，从而逐步实现向更为智能的进化设计转型。

3.3 以产品特征为基础开展的优化设计方法

①基于实例开发设计法。采用框架结构构建工程实例、概念体，对这些内容进行描述，以实例为基础来推理对生产资源进行分析，配比实例标准，从而对设计方案进行优化。②编码法。编码法的核心理念是“运动转换”，从而实现对整个机械机构进行整理和分类。通过组建机械机构设计信息（知识库）数据库，通过加入智能化技术，从而实现机械机构设计方案的自动化设计，具体设计内容与编码设置有关。③知识混合型表达法。也就是把过程、规则、框架、网络系统进行整合，从而得出综合性非常强的知识方法，能够确保不同机械产品设计的要求。在机械机构优化设计中适应性非常强。④目录优化。采用三级递进法，机构组件→功能块→功能元解，对方案进行优化，并利用利用优化设计辅助方案完成设计[3]。

4 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，是一定离不开机械结构优化的。