發(fā)布時間：2023-06-21 09:07:31
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的機械優(yōu)化設(shè)計樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計；CATID技術(shù)
機械設(shè)計是設(shè)計人員根據(jù)用戶的使用要求對專用機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力學(xué)和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、方法等進行構(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。優(yōu)化設(shè)計需要綜合地考慮許多要求：最好的工作性能、低廉的制造成本、最小的外形尺寸和重量、使用中最穩(wěn)定可靠、最少的能耗和最低的環(huán)境污染等。往往這些要求互相間是矛盾的，這就需要設(shè)計人員根據(jù)具體情況權(quán)衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設(shè)計的機械具有最優(yōu)異的綜合技術(shù)經(jīng)濟效果。
作為一部完整的機器，它是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計質(zhì)量，必須有一個科學(xué)的設(shè)計程序。機械設(shè)計經(jīng)歷過手工繪圖——計算機二維繪圖（AutoCAD軟件等）——計算機三維繪圖（CATIA軟件等）等幾個階段。
機械設(shè)計本身是繁鎖的工作過程，手工繪圖需要具一相當(dāng)?shù)墓ぷ鹘?jīng)驗及空間思維能力，除了必須熟悉和遵守制圖標(biāo)準(zhǔn)、正確使用繪圖工具、掌握幾何作圖的方法外，還要有比較合理的繪圖工作順序。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機在機械設(shè)計中得到了日益廣泛的使用。運用計算機輔助設(shè)計不僅可以減少設(shè)計勞動量、提高設(shè)計速度和設(shè)計質(zhì)量。且采用CATIA繪圖則更加利于設(shè)計的更改存檔為了保證繪圖質(zhì)量，提高繪圖速度。
CATIA能夠重用產(chǎn)品設(shè)計知識，縮短開發(fā)周期，解決機械設(shè)計方案加快企業(yè)對市場需求的反應(yīng)。在設(shè)計時，設(shè)計人員不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計目標(biāo)，充分利用CATIA提供的變量驅(qū)動及后參數(shù)化能力實現(xiàn)變量和參數(shù)化混合建模。也可以利用CATIA實現(xiàn)幾何和智能工程混合建模以便將多年的經(jīng)驗積累到CATIA的知識庫中，用于指導(dǎo)新產(chǎn)品新型號產(chǎn)品的開發(fā)，加速新型號推向市場的時間。CATIA具有在整個產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力，尤其是后期修改性。在設(shè)計過程中交互式捕捉設(shè)計意圖，定義產(chǎn)品的性能和變化。隱式的經(jīng)驗知識變成了顯式的專用知識，提高設(shè)計的自動化程度，降低設(shè)計錯誤的風(fēng)險。CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可方便快捷的對產(chǎn)品進行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計的最后階段需要做重大的修改，或者是對原有方案的更新?lián)Q代，對于CATIA來說，都是非常容易的事。
CATIA覆蓋了產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，提供了完備的設(shè)計能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個零件的設(shè)計到最終電子樣機的建立； CATIA將機械設(shè)計，工程分析及仿真，數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機的結(jié)合在一起，提供嚴(yán)密的無紙工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費用。
CATIA帶有自有標(biāo)準(zhǔn)件庫，且可以方便地鏈接第三方CATIA零部件數(shù)據(jù)資源庫：囊括數(shù)百家國內(nèi)外廠商的零部件產(chǎn)品模型。模型數(shù)據(jù)可被直接調(diào)用，更好的幫助設(shè)計人員完成設(shè)計工作，提升效率。
采用CATIA設(shè)計者可以非常方便地調(diào)用型材、通用件庫。并可以充分利用EXECEL設(shè)計表實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計。
CATIA 可以從數(shù)字化定義的產(chǎn)品，生成具有真實效果的渲染照片。在真實產(chǎn)品生成之前，即可促進產(chǎn)品的銷售。
通過實際應(yīng)用CATIA系統(tǒng)軟件，筆者體會到CATIA系統(tǒng)軟件在機械設(shè)計過程中具有明顯的優(yōu)勢：
一、零件設(shè)計更加方便
使用CATIA系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設(shè)計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件，既方便又快捷,避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來，使人一目了然。
二、裝配零件更加直觀
在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，及時對設(shè)計進行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
三、縮短了機械設(shè)計周期
采用CATIA技術(shù)，機械設(shè)計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用CATIA系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設(shè)計時，只需對其中部分零部件進行重新設(shè)計和制造，而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息，使機械設(shè)計的效率提高了3～5倍。同時，CATIA系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能夠通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機械產(chǎn)品。
我司主要生產(chǎn)產(chǎn)品為環(huán)衛(wèi)設(shè)備。是集機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)，送風(fēng)系統(tǒng)等為一體的機器設(shè)備。其錯綜復(fù)雜的液壓管路及電氣線路的完整表達，需要強大的軟件來完成。CATIA正好是我司引進的主要設(shè)計軟件。北京五路居垃圾轉(zhuǎn)運站是國內(nèi)首個采用強力預(yù)壓塊裝式的垃圾壓縮設(shè)備，國內(nèi)外可參考的資料極少。根據(jù)轉(zhuǎn)運站設(shè)備工藝要求，壓縮垃圾的壓力要達到180噸，垃圾重量達24噸，垃圾打包長度達10米。由于壓力大、壓縮行程長，設(shè)備結(jié)構(gòu)強度、機械性通報要求極高，且需要有良好的生產(chǎn)工藝性。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計論證和科學(xué)計算，最后確定了ACP-18型壓縮機的總體方案，主要由油缸支架部件、壓縮腔體、升降閘門部件、滑動支架部件、推頭部件、油缸座及稱重傳感支座等部分組成。配合兩組油缸推動推頭，每組油缸的行程為7.9米，使推頭的總行程達到了15.8米。由于ACP-18型壓縮機壓力大，機體龐大（設(shè)備總長達25.5米，自重達72噸），對結(jié)構(gòu)強度要求極高，考慮到要求強度及生產(chǎn)工藝性，壓縮腔體采用厚度達16mm的低合金鋼板（16Mn），且用“C”型槽扶強。在油缸支架及滑動支架則采用矩型鋼管焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，既保證了結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，又減輕了自重。為保證壓縮機機體具有良好的剛性，機體底部布置了兩條460x190mm的大型工字鋼。經(jīng)過應(yīng)用CATID系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及設(shè)備運行中的驗證。并在此基礎(chǔ)上完成了設(shè)備的設(shè)計工作，于99年初在公司內(nèi)生產(chǎn)制作，年底在北京工地順利安裝并成功投產(chǎn)。經(jīng)過實際運行，證明ACP-18型壓縮機設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)可靠，各項性能均完全滿足垃圾運轉(zhuǎn)站的工藝要求，勝利通過了驗收。該工程被北京市列為“國慶50周年獻禮工程”。
我司也曾使用AutoCAD、SolidWorks、 Pro/E進行三維設(shè)計，但通過一段時間的試用比較，發(fā)現(xiàn)CATIA設(shè)計軟件更能適應(yīng)我司的產(chǎn)品設(shè)計。由于環(huán)衛(wèi)設(shè)備環(huán)境惡劣，設(shè)備需長期穩(wěn)定工作，維修少維護簡單的特殊要求；機場設(shè)備要求穩(wěn)定，且安全可靠。CATIA的推廣應(yīng)用在我司設(shè)計的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計方面突顯優(yōu)勢,并帶來可觀的收益。
參考文獻
1 傳統(tǒng)優(yōu)化方法的應(yīng)用與發(fā)展分析
1.1 傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法的應(yīng)用
傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法大多應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計，針對機械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進行優(yōu)化。在機械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強度結(jié)構(gòu)進行良好的優(yōu)化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結(jié)構(gòu)自重。在形態(tài)方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優(yōu)化。在性能方面，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和黃金分割法對部分兩岸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得機械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設(shè)計發(fā)展中不能忽略傳統(tǒng)優(yōu)化方法的作用。
1.2 傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法的一些改進
在新的設(shè)計方法出現(xiàn)后，傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計進行了一些改進：設(shè)計中普遍采用最優(yōu)設(shè)計方案和設(shè)計策略，幫助達到最優(yōu)組合性能;建立能夠反映設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型，提高機械設(shè)計的準(zhǔn)確性;利用計算機選擇最優(yōu)方案，通過計算機程序解決更加復(fù)雜的計算;計算機輔助設(shè)計，降低人工設(shè)計的誤差。
2 現(xiàn)代機械優(yōu)化設(shè)計方法的應(yīng)用和發(fā)展
隨著機械設(shè)計要求不斷提高，設(shè)計工作需要考慮的問題也越來越多，整體需要解決的問題規(guī)模和復(fù)雜度都有所增強，傳統(tǒng)優(yōu)化方法的問題暴露出來，局部優(yōu)化和最優(yōu)解不再適用于大規(guī)模問題的設(shè)計，這使得機械設(shè)計工作者廣泛吸取其他學(xué)科的理論知識，產(chǎn)生全新的機械設(shè)計思路，通過算法來解決一些復(fù)雜的設(shè)計問題。
2.1 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機械優(yōu)化設(shè)計中的使用
反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本內(nèi)容是一些雙向相連的神經(jīng)元系統(tǒng)，每個神經(jīng)元之間的連接都具有特別的權(quán)值，這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于輸出和反饋能夠統(tǒng)一應(yīng)用，這樣將整個網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)和機械設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)映射起來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進化過程則與機械優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)過程對應(yīng)起來，在實際應(yīng)用中，尋找神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與問題的解的過程十分關(guān)鍵。
2.2 多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機械優(yōu)化設(shè)計中的使用
多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用較廣的一種，通過輸入層、隱層和輸出層，將模型輸入信息進行單項的傳播輸出，整個模型中不論是層內(nèi)還是層間，均不存在反饋鏈接。多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很高的運算速度，非線性的映射能力也更突出，在機械優(yōu)化設(shè)計中，能夠利用這種模型的特點，對機械結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化進行映射。
除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用外，很多專業(yè)的數(shù)學(xué)軟件也應(yīng)用于機械設(shè)計工作中，比如MATLAB，作為功能強大的工程數(shù)據(jù)計算軟件，能夠很好的將計算問題與實際問題結(jié)合起來，其中配置了大量的工程函數(shù)，在解決大部分工程問題時能夠節(jié)約大量的時間，而且計算結(jié)構(gòu)也非常精確，所以在自動化控制和機械設(shè)計領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。
3 遺傳算法的應(yīng)用與發(fā)展
遺傳算法簡稱GA，是一種全新的概率優(yōu)化算法。遺傳算法作為一種非確定性的擬合自然算法，模仿了自然界生物進化的特點和規(guī)律，對于隨機對象進行自然選擇，按照自然界的適者生存法則來循環(huán)處理數(shù)據(jù)，最終產(chǎn)生的隨機群體會收斂于整體的最優(yōu)解。遺傳算法有很強的自適應(yīng)性，借助自然界遺產(chǎn)的規(guī)律，能夠?qū)θ侄歼M行優(yōu)化處理，同時遺傳算法是潛在的并行計算算法，所以擁有很高的計算效率。遺傳算法以其全局優(yōu)化的優(yōu)越性，主要應(yīng)用于機器學(xué)習(xí)和控制領(lǐng)域，最近幾年也得到發(fā)展被應(yīng)用于機械優(yōu)化設(shè)計中。
3.1 遺傳算法與機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
簡單的遺傳算法線性適應(yīng)度非常理想，通過非線性適度與自適應(yīng)的變異概率來優(yōu)化一般的遺傳算法，以此來解決機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，多峰值函數(shù)極值等都具有實際的參考意義。
3.2 遺傳性算法與可靠性分析
框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)合遺傳算法，能夠?qū)ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性進行優(yōu)化分析。
3.3 遺傳算法與故障診斷
遺傳算法網(wǎng)絡(luò)模型中，各個神經(jīng)元之間的權(quán)值可以作為染色體向量，模擬基因多點交叉變異能夠?qū)﹄S機對象進行優(yōu)化選擇，這種遺傳算法能夠應(yīng)用于變壓器故障的診斷。
4 機械優(yōu)化設(shè)計軟件的應(yīng)用與發(fā)展
4.1 專用軟件的應(yīng)用與發(fā)展
目前國內(nèi)機械優(yōu)化設(shè)計專用軟件開發(fā)和使用的都比較少，機械優(yōu)化設(shè)計軟件的開發(fā)還需要積累足夠的經(jīng)驗，根據(jù)工作經(jīng)驗轉(zhuǎn)換成計算機功能組成專用軟件。計算機輔助設(shè)計軟件的使用，能夠幫助解決很多機械設(shè)計中的工程問題，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，開發(fā)計算與圖形化功能，專業(yè)軟件的發(fā)展速度也是越來越快。
4.2 網(wǎng)絡(luò)在線機械優(yōu)化設(shè)計軟件
優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績，利用網(wǎng)絡(luò)平臺逐漸開發(fā)一些工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計使用。對于在線機械優(yōu)化設(shè)計軟件來說，亟待解決的問題就是模型問題，對于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)、流程、物料和系統(tǒng)參數(shù)等，都非常復(fù)雜，如果計算對象比較模糊，運算效率會受到嚴(yán)重的影響，這就給在線優(yōu)化軟件帶來了巨大的困難。為了解決這種情況，通過合適的算法解決辨別模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)特點進行數(shù)據(jù)的識別，讓在線優(yōu)化軟件也能夠良好的應(yīng)用于各種模型，比如國內(nèi)比較成熟的NEUMAX軟件包，基于神經(jīng)遺傳算法的在線優(yōu)化軟件包，都能夠良好的實現(xiàn)各種模型的遺傳算法，這些軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇合成機械設(shè)計的優(yōu)化工作中。
【關(guān)鍵詞】 機械 優(yōu)化設(shè)計 理論 方法
中圖分類號：S611 文獻標(biāo)識碼： A
引言：近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國機械工程規(guī)模開始加大，機械工程速度也開始變得迅猛，人對于機械行業(yè)來說，機械設(shè)計是一項復(fù)雜系統(tǒng)的工作，機械設(shè)計的治療關(guān)系到工程質(zhì)量的好壞，因此，對于機械設(shè)計人員而言，做出最優(yōu)的設(shè)計，符合實際的實際是設(shè)計人員應(yīng)盡的責(zé)任。
一、機械優(yōu)化設(shè)計理論概述
1、機械優(yōu)化設(shè)計的概念
機械優(yōu)化設(shè)計是指最優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，是以最低成本獲得最高效益。其根據(jù)機械設(shè)計理論、方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立能夠正確反映實際工程設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)手段和計算技術(shù)，在眾多的方法中快速找出最優(yōu)方案。機械優(yōu)化設(shè)計通過把機械問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，加以計算機輔助設(shè)計，優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，在滿足眾多設(shè)計目的和約束條件的情況下，獲得最令人滿意、經(jīng)濟效益最高的方案。目前，機械優(yōu)化設(shè)計已成為解決機械設(shè)計問題的有效方法。
2、 機械優(yōu)化設(shè)計研究的內(nèi)容
機械優(yōu)化設(shè)計主要研究的是其建模和求解兩部分內(nèi)容。 如何選擇設(shè)計變量、列出約束條件、確定目標(biāo)函數(shù)。其中，設(shè)計變量是指在設(shè)計過程中經(jīng)過逐步調(diào)整，最后達到最優(yōu)值的獨立參數(shù)。設(shè)計變量的數(shù)目確定優(yōu)化設(shè)計的維數(shù)，維數(shù)越大，優(yōu)化設(shè)計工作越復(fù)雜，但效益越高，所以選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量顯得尤為重要。約束條件即是對約束變量的限制條件，起著降低設(shè)計變量自由度的作用。目標(biāo)函數(shù)即是指各個設(shè)計變量的函數(shù)表達式，工程中的優(yōu)化過程即是指找出目標(biāo)函數(shù)的最小值（最大值）的過程。一般而言，目標(biāo)函數(shù)的確定相對容易，但約束條件的選取顯得比較困難。
二、機械優(yōu)化設(shè)計理論主要方法
1準(zhǔn)則優(yōu)化法
準(zhǔn)則優(yōu)法主要是通過力學(xué)以及物理或者是其他原則構(gòu)造評優(yōu)準(zhǔn)則所應(yīng)用的，然后在進行尋優(yōu)。這個項方式的主要優(yōu)點就是有著直觀的概念以及簡單的計算方式，同時能夠?qū)τ趦?yōu)化效率約束能很好地降低，在工程方面廣泛的使用；有弊就有利，這項方式只是考慮了很少的方面或者是一個點，使得優(yōu)化效率大大的降低，甚至是沒有約束。
2線性規(guī)劃法
線性規(guī)劃法主要是通過數(shù)學(xué)極值原理所對于目標(biāo)函數(shù)為設(shè)計變量線性優(yōu)化所設(shè)計的，可以說是機械優(yōu)化設(shè)計中最為常用的一個方式。有單純形法和序列線性規(guī)劃法。
3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以說是一個大型的自適應(yīng)非線性動力能夠，所具備的有點為聯(lián)想、概括、類比，同時要是局部出現(xiàn)問題對于整個系統(tǒng)卻沒有很大的影響。最早發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化能力人員是美國物理學(xué)家Hopfield ，根據(jù)動力系統(tǒng)以及統(tǒng)計學(xué)原理，將系統(tǒng)穩(wěn)定性以及最優(yōu)化對策，同時系統(tǒng)能量函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化相互之間對應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計變量以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相對應(yīng)，在整個系統(tǒng)逐漸演變的過程中，在1986Tank首次提出了求解線性優(yōu)化問題的造型化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定平衡點是這項方式的主要點，對于整個網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)極小點所進行的優(yōu)化設(shè)計，通過較為強大的計算方式以及近似分析、非線性建模能量將計算效率進行優(yōu)化，所進行這個過程的關(guān)鍵點就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，一般都是使用在求解組合優(yōu)化、約束優(yōu)化以及復(fù)雜優(yōu)化。
4、多目標(biāo)優(yōu)化法
機械設(shè)計所追求的最終目的就是優(yōu)化功能、強度以及經(jīng)濟性，但是在實際工作中機械優(yōu)化設(shè)計都是優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計方式。在實施目標(biāo)優(yōu)化的過程中還是存在著很多的困難，對于研究人員有著一定的挑戰(zhàn)性，但是這些理論方式還是不夠完善的，將其劃分為兩種：一種是將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為一個或者是一系列的目標(biāo)優(yōu)化方式，將所得優(yōu)化結(jié)果當(dāng)做目標(biāo)優(yōu)化的解，第二種是直接求非劣解，在這中間要選擇最好的作為最優(yōu)解。
三、現(xiàn)代機械優(yōu)化設(shè)計理論與方法
1、利用現(xiàn)代計算機軟硬件技術(shù)的設(shè)計方法。
在產(chǎn)品開發(fā)初期借助于設(shè)計方法學(xué)，利用多媒體工具進行系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)這一指導(dǎo)思想，利用數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論，同時考慮系統(tǒng)工程理論產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā)方法學(xué)，研制出適合于產(chǎn)品設(shè)計初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件。根據(jù)這一設(shè)計方法，往往把產(chǎn)品的整個開發(fā)過程概括為產(chǎn)品規(guī)劃、開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)劃三個階段，并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術(shù)D虛擬現(xiàn)實技術(shù)。（1）、產(chǎn)品規(guī)劃D構(gòu)思產(chǎn)品。其任務(wù)是確定產(chǎn)品的外部特征，如色彩、形狀、表面質(zhì)量、人機工程等，并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表現(xiàn)出來，建立能夠體現(xiàn)整個產(chǎn)品外形的簡裝模型。（2）、開發(fā)D設(shè)計產(chǎn)品。該階段主要根據(jù)系統(tǒng)合成原理，在立體模型上配置和集成解元素，把實現(xiàn)功能的關(guān)鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產(chǎn)品的配置進行分析。產(chǎn)品配置分析是綜合產(chǎn)品規(guī)劃和開發(fā)結(jié)果的重要手段。（3）、生產(chǎn)規(guī)劃D加工和裝配產(chǎn)品。在這一階段中運用CAD技術(shù)，用計算機圖案顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造型和裝配間的關(guān)系，由此發(fā)現(xiàn)難點問題，并找出解決問題的方法。借助于現(xiàn)代計算機軟硬件技術(shù)，通過三維圖形軟件、多媒體和超媒體技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行設(shè)計。
2、積極開發(fā)發(fā)展綠色設(shè)計、制造。
（1）、綠色設(shè)計制造時現(xiàn)代設(shè)計制造的可持續(xù)發(fā)展模式。人們已經(jīng)認(rèn)識到環(huán)境與發(fā)展是密不可分的。要從根本上解決環(huán)境問題，必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式和消費模式，即為資源型發(fā)展模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)型發(fā)展模式，依靠技術(shù)進步，節(jié)約資源和能源，提高效益，減少廢物排放，實施清潔生產(chǎn)和文明消費，建立資源和環(huán)境相聯(lián)系的新的發(fā)展模式。這是人類探索了幾個世紀(jì)終于領(lǐng)悟到的發(fā)展觀D可持續(xù)發(fā)展。（2）、發(fā)展綠色設(shè)計制造將為企業(yè)發(fā)展帶來新的機遇。開發(fā)綠色設(shè)計制造是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是每個企業(yè)家必須考慮的企業(yè)行為，但是不少企業(yè)認(rèn)為綠色制造投入大見效慢經(jīng)濟效益不如直接抓成本、抓質(zhì)量、抓品種等見效快，因而無視對環(huán)境的污染，甚至寧愿被罰款，也不愿意采取措施。實際上，環(huán)境全面改善，一方面可改善員工的健康狀況和提高工作安全性，減少不必要的開支；另一方面在綠色制造環(huán)境下工作的員工心情舒暢，有助于提高員工的主觀能動性和工作效率，以創(chuàng)造出最大的利潤，使企業(yè)具有更好的社會形象，為企業(yè)增加無形資產(chǎn)。（3）、發(fā)展綠色制造將推行新一輪技術(shù)創(chuàng)新。在全球性競爭激烈的背景下，利用高新技術(shù)和現(xiàn)代化管理來提高生產(chǎn)率，節(jié)約自然資源投入，以及節(jié)約勞動和各種形式的資本，是促進經(jīng)濟增長與發(fā)展的主要源泉。
四、機械優(yōu)化設(shè)計的前景
機械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化理論、電子計算機技術(shù)和機械工程相結(jié)合的一門學(xué)科，包括機械優(yōu)化設(shè)計、機械零部件優(yōu)化設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀優(yōu)化設(shè)計等。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，許多新興優(yōu)化算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等相繼被提出，機械優(yōu)化設(shè)計廣泛地被應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)、化工、航天航空等諸多領(lǐng)域并取得飛速發(fā)展。機械優(yōu)化設(shè)計具有廣闊的發(fā)展前景。
機械優(yōu)化設(shè)計給機械工程界帶來的巨大經(jīng)濟效益是顯而易見的，但其工程效應(yīng)比起預(yù)期遠遠小得多。歸結(jié)其原因，主要有以下兩點：（1）建模難度大。（2）最優(yōu)方法的選取難度大。 雖然有以上不足之處，但是機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)現(xiàn)前景仍是非常廣大的，且各領(lǐng)域也在積極做出相關(guān)的研究探索，并已取得一定的成就。
結(jié)語
縱觀幾十年來機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展歷程，其發(fā)展是非常迅速且令人可喜的，雖然仍存在建模困難、優(yōu)化方法選取等等方面的一些挑戰(zhàn)，但是其前景仍舊是非常廣闊的。研究機械優(yōu)化設(shè)計的理論與方法無論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是實際經(jīng)濟效益方面都具有研究意義。
參考文獻：
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【關(guān)鍵詞】：造紙機刮刀；運行原理與功能；分類與優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用與維護；注意事項
造紙機的刮刀裝置是現(xiàn)代造紙生產(chǎn)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，它對于提高整個造紙生產(chǎn)線路的運行效率，保持輥面清潔，提高紙幅剝離速度與質(zhì)量、減少斷頭與孔洞等紙病有著重要的作用。
1.造紙機刮刀裝置的運行原理與功能
造紙機的刮刀裝置包括三個部分，即刮刀體、加卸壓裝置和擺動裝置。整個刮刀裝置為全不銹鋼制造，刮刀體為可轉(zhuǎn)動的橫梁，其結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛性，以保證刮刀片的直線度要求。刮刀的核心部位是加卸壓裝置，它主要包括兩個氣囊，即加壓氣囊和卸壓囊。當(dāng)加壓氣囊通壓力氣時，刮刀片與輥面接觸；當(dāng)向卸壓囊輸氣，同時斷開加壓氣囊的供氣，刮刀片便打開一定角度，離開輥面。擺動裝置實現(xiàn)刮刀的勻速軸向往復(fù)擺動，從而實現(xiàn)紙片的剝離。[1]
一個規(guī)格合理的造紙機刮刀裝置應(yīng)該具有以下功能：
1.1.保持輥面清潔安全，防止紙張粘黏
在制漿、調(diào)制過程中，紙頁難免會粘黏一些水分、細小纖維、填料和化學(xué)物質(zhì)等臟污，在與輥面的接觸中難免會將這些臟污粘黏到輥面上，造成輥面難以運行，損害造紙裝置。刮刀裝置通過勻速往復(fù)的運行，不斷地清理輥面上的污物，保持輥面的清潔。
1.2.提高紙幅剝離速率，減少斷紙與孔洞紙病
剛剛烘干的紙張比較生脆，還易粘結(jié)，這就會導(dǎo)致斷紙和紙張孔洞。刮刀裝置的勻速往復(fù)運動，紙面受力均勻；刮刀的直線構(gòu)造和剛性都可以提高剝離的速率，減少造紙過程中的斷紙現(xiàn)象和孔洞紙病。
2.裝置的分類與優(yōu)化設(shè)計
為了保證輥面的清潔和紙片剝離的速率、合格率，必須對整體刮刀裝置進行嚴(yán)格的規(guī)范設(shè)計，保證整體造紙機的正常運轉(zhuǎn)。整體的刮刀裝置還可以細分，包括刮刀體、刮刀夾具、刮刀片、加卸壓裝置和擺動裝置。
刮刀裝置可以分為以下幾個類別：根據(jù)刀片的多少，分為雙氣囊單刮刀和雙氣囊雙刮刀；加卸壓裝置可以通過活塞式汽油缸、加壓氣囊或?qū)ｉT的機械結(jié)構(gòu)來進行加卸壓；擺動裝置則分為固定式和擺動式兩種，各有自己的優(yōu)劣之處。在造紙過程的多個環(huán)節(jié)內(nèi)都需要用到刮刀裝置，各個環(huán)節(jié)刮刀裝置的技術(shù)參數(shù)與材質(zhì)要求都有著各自的規(guī)格，現(xiàn)提供一些數(shù)據(jù)資料，其中因輥面材料的不同，安裝角度和刮刀線壓力也就會不同。3.1.刮刀裝置的各部分要求
首先，刮刀片的材質(zhì)與輥筒面的材質(zhì)必須相匹配，兩者之間的摩擦系數(shù)要保持在0.15～0.30之間，刮刀的實際線壓通常為90～220N/m，它的摩擦系數(shù)的大小要根據(jù)刮刀的實際材質(zhì)來定；刀片的直線度要與輥筒的直線度相對吻合，一般在0.1～0.3mm之間，這是為了保證刀刃與輥筒橫面良好的緊密接觸。[2]
其次，加卸壓裝置的要求也十分的嚴(yán)格，它主要表現(xiàn)在要對輥筒表面提供合理的線壓力，加壓和卸壓都要快速靈活，并且保持穩(wěn)定，借助活塞式汽油缸、加壓氣囊或?qū)ｉT的機械結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)。
3.2.各個裝置的維護
由于在整個造紙過程中，難免會產(chǎn)生臟物積聚現(xiàn)象，有時就會造成機器設(shè)備故障。因此，加強造紙機刮刀裝置的維護工作是非常必要的。
刀片的選用要與輥面材料、輥筒運行速度相匹配。刀片在安裝角度和刮刀線壓力的設(shè)置上也要根據(jù)輥筒的位置和輥筒表面的材料來決定。刮刀體的設(shè)計要確定好刮刀體的重心位置，其應(yīng)該位于轉(zhuǎn)動支點和刮刀與輥筒表面接觸線的中間，必須計算好刮刀線壓力能否滿足使用需要，通過數(shù)據(jù)計算適當(dāng)?shù)卣{(diào)整重心位置。
4.注意事項
刮刀裝置的使用需要注意以下事項：
4.1.刮刀已使用很長時間之后，與輥筒表面已經(jīng)密切磨合，這時不要隨意的增加刮刀線壓力，防止刀刃卷刃，破壞工作線面。
4.2.造紙機在正常運營過程中，不要經(jīng)常性變動線壓力，尤其是不要突然間增大線壓力。
4.3.刮刀裝置的設(shè)計要根據(jù)嚴(yán)格的尺寸和技術(shù)要求來完成，從而進行精密的組裝與前期調(diào)試，安裝角度與線壓力的設(shè)定要嚴(yán)格的依據(jù)輥面材料和輥筒位置。
4.4.要定期的對刮刀片進行檢修，已經(jīng)出現(xiàn)磨損狀況的要及時替換，另外還要找出磨損原因，防止二次磨損。
5.結(jié)束語：
造紙機刮刀裝置的設(shè)計與應(yīng)用要細致仔細，各種裝置構(gòu)造要嚴(yán)格符合規(guī)范要求，確保整體裝置的協(xié)調(diào)運行。
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1制動控制器機械鎖閉結(jié)構(gòu)操作現(xiàn)狀
DK-2制動系統(tǒng)為HXD1型機車的組成部分，此外，此型機車中還包含克諾爾CCBⅡ制動系統(tǒng)。與克諾爾CCBⅡ制動系統(tǒng)，DK-2制動系統(tǒng)換端有著獨特的操作特點，換端鑰匙為DK-2制動系統(tǒng)制動控制器的操作位置，對于非操作節(jié)制動控制器，以機械的方式將其固定在相應(yīng)的位置，目的是避免司機出現(xiàn)操作錯誤。DK-2制動系統(tǒng)制動控制器的機械鎖閉結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比較高，由此導(dǎo)致故障的發(fā)生率增加，致使乘務(wù)員的正常操作受到影響，嚴(yán)重時，甚至導(dǎo)致機車出現(xiàn)故障，影響機車運行的安全性。
目前，對于HXD1型機車的DK-2制動系統(tǒng)，有著明確的操作規(guī)范要求。將非操作節(jié)機車自動控制器調(diào)節(jié)至“重聯(lián)”位，而單獨控制器調(diào)節(jié)至“運轉(zhuǎn)”位，同時，這兩個控制器的鑰匙手柄都調(diào)節(jié)至“關(guān)閉”位，才可將鑰匙拔出[1]。在機械鎖閉結(jié)構(gòu)的作用下，制動控制器處于鎖定的狀態(tài)，當(dāng)需要再次操作時，利用鑰匙調(diào)節(jié)至“打開”位，實施相應(yīng)的操作。由此一來，在進行換端操作時，需要的時間比較長，加之機械鎖閉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提升了機械故障的發(fā)生率，影響制動控制器的正常操作。
司機操作鑰匙手柄由“打開”位拉至“關(guān)閉”位時，過渡臨界位是鑰匙手柄必須要經(jīng)過的位置，這時，如果司機想將鑰匙手柄向外拔出，由于手柄罩壁厚2.3mm，與之匹配的豁口9mm，拔出7mm時，鑰匙手柄可順利的拔出，但是在實際操作的過程中，受到手柄罩尾部缺口的影響，主軸在撩撥之下移位到“打開”位置，再次插入鑰匙將無法實現(xiàn)。此外，鑰匙手柄在使用的過程中會出現(xiàn)磨損，當(dāng)變成圓的狀態(tài)時，機械鎖閉結(jié)構(gòu)的實用性大大降低，甚至無法使用。
2制動控制器機械鎖閉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
依據(jù)機械鎖閉單元的設(shè)計原理，只有處于“關(guān)閉”位置時，鑰匙才能夠順利的拔出，由此，非“關(guān)閉”位取出基本無法實現(xiàn)，但是在實際的運行考核中，存在鑰匙手柄取出故障，故障產(chǎn)生的主要原因在手柄罩與鑰匙手柄之間，對此，在進行優(yōu)化設(shè)計時，只需優(yōu)化手柄罩的設(shè)計即可。同時，機械鎖閉單元需要具備比較高的機械強度及耐磨性，因此，在進行優(yōu)化設(shè)計時，改進了手柄罩的材料，具體措施如下。
2.1優(yōu)化設(shè)計手柄罩的尺寸
鑰匙手柄與手柄罩之間的上下偏差、左右偏差及解除距離過短是產(chǎn)生鑰匙手柄取出故障的主要原因，因此，對手柄罩的尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，使之與鑰匙手柄之間的匹配度提升[2]。在上下偏差方面，原有的深度尺寸為19.5mm，優(yōu)化設(shè)計之后，改之為15.5mm，由此一來，鑰匙手柄與手柄罩之間的上下距離顯著的減??；在左右偏差方面，原有的橫線開缺尺寸為11mm，優(yōu)化設(shè)計之后，改之為9mm，而鑰匙手柄的尺寸為8mm，二者之間的左右間隙由原來的3mm變?yōu)楝F(xiàn)在的1mm，減少了故障發(fā)生的概率。
2.2優(yōu)化設(shè)計手柄罩豁口厚度
在臨界狀態(tài)下，即使處于非“關(guān)閉”狀態(tài)，依然可以拉拽出鑰匙手柄，之所以會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，主要原因是手柄罩的壁厚過薄，鑰匙手柄上彈性鋼珠外圍脫離手柄罩約束時，脫離時間過早，由此，在晃動拉拽的狀態(tài)下，鑰匙手柄可以被拔出。對此，在進行優(yōu)化設(shè)計時，改變了手柄罩的豁口厚度，原有的手柄罩豁口厚度為2.3mm，改進之后變?yōu)?0.3mm，增加的厚度與鑰匙手柄豁口的長度相等，在進行拉拽鑰匙手柄時，尾部的缺口剛好離開換向主軸，避免了鑰匙手柄取出故障的發(fā)生[3]。
2.3改進手柄罩的材料
改進之前，手柄罩的材料為1Cr13，此種材料的拉伸強度為220MPa，屈服強度為206MPa，機械強度與耐磨性都比較差，使用一段時間之后，會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損，進而產(chǎn)生故障。改進之后，手柄罩的材料采用45圓鋼，此種材料的拉伸強度為600MPa，屈服強度為355MPa，具有良好的機械強度及耐磨性，從而有效地減少了故障發(fā)生的概率。
關(guān)鍵詞：工程機械；一體化；監(jiān)測系統(tǒng)；優(yōu)化
中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）29-0078-02
加強工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計，對于提高工程機械的使用性能、操作效率，提高其自身運行的安全性與可靠性具有十分重要的意義。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，對于工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)進步及優(yōu)化提供了新的物質(zhì)基礎(chǔ)和理論能量。本文將在探討工程機械一體化的基礎(chǔ)上，對于如何認(rèn)識目前工程機械一體化存在的各種問題，提高工程機械的使用效率和操作性能進行深入的探討和分析。
1 工程機械一體化及監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化
1.1 工程機械一體化的定義
工程機械一體化是為了確保工程機械操作的舒適性、安全性以及可靠性而進行的一系列的系統(tǒng)設(shè)計和安排。工程機械一體化主要是為了工程機械自身每個設(shè)備和構(gòu)件的功能得到良好的發(fā)揮，在確保使用工程機械安全可靠的基礎(chǔ)上，通過一系列的系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化，從整體上最大程度的激發(fā)工程機械可以發(fā)揮的潛力和能量，從而使工程機械的使用效率和操作質(zhì)量得到最大程度的提升。工程機械一體化需要強有力的監(jiān)測系統(tǒng)來作為保障，實施工程機械一體化監(jiān)測是為了促進工程機械一體化的有效展開，確保工程機械一體化的進度和質(zhì)量，有效控制工程機械一體化過程中出現(xiàn)的各種問題。
1.2 實施工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的意義
將工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)引入到工程機械當(dāng)中，可以極大的改善工程機械的性能和質(zhì)量，使工程機械的經(jīng)濟性、可靠性以及安全性，操作性大大提高。例如工程機械的液壓技術(shù)與電子控制技術(shù)相結(jié)合，就可以大大提高工程機械的操作效率和質(zhì)量。目前微機處理器在工程機械應(yīng)用到相當(dāng)普及，并且取得了不錯的效果。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，工程機械與機電一體化技術(shù)的融合達到了前所未有的高度，電子監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)深入到工程機械的諸多領(lǐng)域，并且還有拓展和擴大的趨勢。一體化監(jiān)測將確保工程機械使用的可靠性得到極大提升，同時也可以保證工程機械不出現(xiàn)安全事故，提高操作的效率和質(zhì)量。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)一體化監(jiān)測系統(tǒng)對于工程機械的使用性能、操作效率、安全與可靠性、節(jié)能、自動化等多個方面都產(chǎn)生重要影響。但是需要指出的是使用工程機械的畢竟是人，因此在將一體化監(jiān)測系統(tǒng)引入到工程機械當(dāng)中的時候，不能忽略人的主體作用。要充分重視人的主動能量，只有這樣才能更好的發(fā)揮一體化監(jiān)測系統(tǒng)的作用，提高工程機械的使用效率，推動一體化監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和進步。
2 現(xiàn)有工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)常見的問題
現(xiàn)有的工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備由于不具有通用性，因此經(jīng)常出現(xiàn)各種問題，導(dǎo)致工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的功能得不到良好的發(fā)揮，效率得不到提升。因此有必要認(rèn)識到目前監(jiān)測系統(tǒng)存在的各種問題，然后采取針對性的措施加以解決，目前工程機械監(jiān)測系統(tǒng)及設(shè)備存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
2.1 系統(tǒng)監(jiān)測項目不夠齊全
由于應(yīng)用到工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的各種配件不夠齊全，型號不一，類型不同，因此各種測量型的儀表組合并不能完全滿足工程機械的監(jiān)測要求，從而造成對工程機械的一體化監(jiān)測無法發(fā)揮擁有的功能，存在諸多問題，其中一個突出表現(xiàn)就是監(jiān)測的項目不齊全。工程機械一體化監(jiān)測項目涉及的范圍和領(lǐng)域非常豐富，常見的監(jiān)測項目包含了電流、氣壓、電流、氣壓、油壓、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速等，而對于這些項目僅僅依靠一個設(shè)備或者不同類型的設(shè)備組合是不行的，因此在系統(tǒng)監(jiān)測項目不夠齊全，直接影響了工程機械一體化監(jiān)測的效果和質(zhì)量，例如關(guān)于電壓的監(jiān)測設(shè)備就一般具有對油壓的監(jiān)測功能，無法計算相應(yīng)的流量和工作時間數(shù)等。
2.2 監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量不過關(guān)，無法實現(xiàn)系統(tǒng)的正?；?/p>
多數(shù)用于工程機械一體化監(jiān)測的設(shè)備在質(zhì)量上由于無法匹配工程機械的性能和操作系統(tǒng)，因此其監(jiān)測的儀表過多而且比較復(fù)雜，其面板的布置也相當(dāng)不方便?，F(xiàn)有的監(jiān)測儀表大多是很多廠家外購的產(chǎn)品，其種類型號都是不同的，因此用于工程機械一體化監(jiān)測的儀表種類繁多，質(zhì)量上無法完全達到工程機械一體化工作的要求，而且由于大小，樣式存在差異，導(dǎo)致工程機械一體化的儀盤表看起來十分混亂，不容易觀察和監(jiān)測到數(shù)據(jù)，直接影響到了工程機械系統(tǒng)運行的正?；?，影響工程機械一體化的工作效率和質(zhì)量。
2.3 工程機械一體化監(jiān)測設(shè)備容易損壞而出現(xiàn)故障
在工程機械一體化監(jiān)測設(shè)備運行過程中，由于種類、型號繁多，生產(chǎn)廠家不同導(dǎo)致其在工作中無法正常運行。再加上在運行中，如果工程機械的操作使用人員對于某個型號的設(shè)備的工作原理不能理解，或者理解不透，都會帶來種種問題。此外受到生產(chǎn)廠家技術(shù)水平的影響，監(jiān)測設(shè)備由于工作環(huán)境不合理，不恰當(dāng)，導(dǎo)致這些設(shè)備容易損壞和失效。
如果工程機械在使用與操作過程中，一些監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備不能經(jīng)常性的使用，就會導(dǎo)致這些設(shè)備在工程機械操作過程中失去作用，而操作人員只能在工程機械監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，完全依靠自身的經(jīng)驗去判斷和操作，直接影響了工程機械的使用效率和質(zhì)量。
2.4 工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜不容易操作
對于工程機械一體化的監(jiān)測來說，提高其系統(tǒng)的操作性將是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前很多機械上的監(jiān)測系統(tǒng)都是安裝比較復(fù)雜的設(shè)備，在信息的傳遞上效率不高，傳遞所使用的方式也比較落后。例如有些監(jiān)測設(shè)備的信息傳遞主要依靠管路傳遞，這些管路的使用不但增強了監(jiān)測系統(tǒng)難度而且對于安全性以及信息傳遞的可靠性也造成影響。因此優(yōu)化工程機械一體化的監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。
3 工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容
3.1 工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的硬件準(zhǔn)備
本系統(tǒng)主要由傳感器、中央處理器、顯示裝置、控制裝置四大部分組成。由于工程機械監(jiān)測系統(tǒng)所要測量的參數(shù)較多，且類型不同，所以要采用的傳感器也就依具體情況來選用，但總體的原則是均采用現(xiàn)代電子式傳感器，即可提高測量精度，也有利于對信息的傳遞與處理。如電磁式速度傳感器、熱電偶溫度傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、渦流流量傳感器、熱線流量傳感器等。中央處理器可采用目前比較成熟的單片機處理種功能的軟、硬件技術(shù)。以日本東芝公司生產(chǎn)的單片機TMP87CH46N/47U為例，其ROM為16 kB，RAM為512 kB，有8個8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個8位計時器和2個16位計時器等，且具有功能強大的指令系統(tǒng)，其RAM可實時采集并存貯機械在一定時間內(nèi)的測量參數(shù)，需要時可通過處理器的輸出接口輸入到計算機內(nèi)進行處理。顯示裝置可采用目前較為流行的彩色圖文液晶顯示屏，由于采用全固體器件，工作可靠，便于適應(yīng)工程機械的使用要求。目前常見的此種顯示屏可具有內(nèi)置國標(biāo)漢字庫、串行通訊速率20k/s、指令代碼編程、16種顏色、單一電源供電等功能，而且可以以模擬與數(shù)字共同顯示方式顯示所測數(shù)據(jù)，即直觀，又準(zhǔn)確，完全可以適應(yīng)工程機械監(jiān)測的顯示之用?？刂蒲b置可隨時控制顯示模式，選定顯示參數(shù)，各測量參數(shù)即可固定顯示，也可按控制裝置的設(shè)定自動輪流顯示。
系統(tǒng)開始工作后，各個傳感器直接將收集的信號進行轉(zhuǎn)換然后發(fā)送至處理器，處理器通過專家系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)分析并進行判斷，如果經(jīng)過分析判斷系統(tǒng)為正常狀態(tài)，那么則繼續(xù)監(jiān)測工作，如果判斷系統(tǒng)為異常，則開始報警。然后系統(tǒng)會自行開始對出現(xiàn)的故障和問題進行診斷，以發(fā)現(xiàn)其故障原因，并提示出可以采取的維修方式和方法。如果通過診斷發(fā)現(xiàn)不了原因，則需要將發(fā)生故障時的各種技術(shù)參數(shù)記錄下來，然后借助專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫將這些故障記錄下來，從而形成知識庫。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件利用中央處理器自身的控制指令，用匯編語言編寫，通過編程器輸入CPU，機械啟動后，該系統(tǒng)自動加電啟動，經(jīng)對各端口及寄存器進行初始化后，開始接收各傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并對各數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)端口檢驗，將接收到的數(shù)據(jù)與該端口測量參數(shù)的故障極限數(shù)據(jù)進行比較，若超出正常數(shù)據(jù)值，則經(jīng)聲光方式給予報警，若所測數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，則不予報警，并將數(shù)據(jù)存入RAM，然后將數(shù)據(jù)送入顯示模塊進行顯示。為有效利用該系統(tǒng)的功能，各測量數(shù)據(jù)由軟件設(shè)計自動存入其RAM內(nèi)，需要時可通過系統(tǒng)的輸出接口輸入到外部計算機內(nèi)，在計算機上對數(shù)據(jù)進行詳細分析，以進一步了解其工作狀況及故障發(fā)生時的情況。從以上分析來看，關(guān)于工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計應(yīng)該根據(jù)工程機械自身的特點來進行，系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的一個基本目標(biāo)是要注重監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性有穩(wěn)定性，要在注重經(jīng)濟性的同時，采取一些相對簡單而又能應(yīng)付惡劣工作環(huán)境的設(shè)備，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能。
4 結(jié) 語
加強工程機械一體化的監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，已經(jīng)成為改善工程機械一體化作業(yè)精確度和效率的重要途徑。針對目前監(jiān)測設(shè)備容易出現(xiàn)各種問題的實際情況，本文對于工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，可以在某種程度上解決當(dāng)前工程機械一體化操作帶來的問題，從而提高工程機械一體化運行的效率和質(zhì)量?？傊?，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展，將微電子控制技術(shù)作為核心的機電一體化監(jiān)測技術(shù)必將在工程機械使用以及操作、改造中發(fā)揮重要的作用，極大推動工程機械自身性能的改進和技術(shù)的創(chuàng)新，這對于推動工程機械技術(shù)的發(fā)展，提高工程機械的使用效率，將產(chǎn)生重要的影響和價值。相信未來機電一體化技術(shù)在工程機械應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍將會更加的廣泛和深入，因此工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計作為一個理論與實踐相結(jié)合的研究課題具有深遠的意義。
參考文獻：
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[2] 魏建碑.淺談機電一體化在工程機械中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2009，（25）.
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關(guān)鍵詞 項目教學(xué) CDIO 機械優(yōu)化設(shè)計
中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.11.061
Teaching Practice of Optimal Design of Machinery Course Based on CDIO
LI Keqin
（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）
Abstract Higher engineering education is experiencing the huge changes， CDIO education concept is gradually accepted by people. And optimal design of machinery is a professional elective course of mechanical engineering， CDIO education concept， introduced in the teaching， make students take the initiative to explore the essence of optimization algorithm， practical optimization algorithm， combined with the practical problems in mechanical engineering and application. To select two project instruction teaching and achieved good teaching effect.
Key words project instruction; CDIO; optimal design of machinery
1 CDIO概述
CDIO①②③代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達到預(yù)定目標(biāo)。
2 機械優(yōu)化設(shè)計課程體系架構(gòu)
隨著設(shè)計過程的計算機化，自然就要為設(shè)計過程能自動選取最優(yōu)的設(shè)計方案建立一種迅速而行之有效的方法。機械優(yōu)化設(shè)計④應(yīng)運而生。優(yōu)化設(shè)計借助計算機能進行大量的分析計算，從眾多的設(shè)計方案中選出一個既滿足設(shè)計要求又使設(shè)計指標(biāo)最好的最優(yōu)設(shè)計方案。
機械優(yōu)化設(shè)計課程體系大致有四部分：一是優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)基礎(chǔ);二是無約束優(yōu)化方法;三是約束優(yōu)化方法與工程應(yīng)用;四是現(xiàn)代的優(yōu)化方法與工程應(yīng)用。當(dāng)然部分教材只有三部分：優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ);基于導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法;非導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法;而現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計方法的內(nèi)容極其豐富并在進一步發(fā)展完善中。目前的教材以介紹優(yōu)化基本理論占相當(dāng)大的篇幅，而缺乏結(jié)合優(yōu)化商品化軟件包運用來介紹優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)和用的脫節(jié)。
3 CDIO和項目教學(xué)在機械優(yōu)化設(shè)計課程中的教學(xué)實踐
MATLAB④⑤是當(dāng)前最優(yōu)秀的科學(xué)計算軟件之一，也是許多科學(xué)領(lǐng)域中分析、應(yīng)用和開發(fā)的基本工具。MATLAB經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學(xué)計算中的所有問題，使得MATLAB在機械工程、通信、控制和信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
3.1 CDIO項目教學(xué)案例之一
CDIO教育理念別強調(diào)項目教學(xué)和實踐。案例一的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如式（1）。
（） = + + 4
（） = + 2 ≥ 2 （1）
（） = + 1≥ 0
（） = ≥ 0
（） = ≥ 0
在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過程為：（1）構(gòu)思，先將優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式;（2）設(shè)計，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計的結(jié)論。
優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式如式（2）。
（） = + 2 ≤ 0 （2）
（） = + 1≤ 0
（） = ≤ 0
（） = ≤ 0
在MATLAB軟件環(huán)境中求解過程略。
表1給出了求解運行的結(jié)果;圖1為優(yōu)化案例中的目標(biāo)函數(shù)值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系變化趨勢示意圖。
3.2 CDIO項目教學(xué)案例之二
二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計⑥及其MATLAB實現(xiàn)。
如何讓其設(shè)計的二級圓柱齒輪減速器在現(xiàn)有的條件下實現(xiàn)輸出最大、重量最輕或其它目標(biāo)？這些疑問，可以在機械優(yōu)化設(shè)計課程中得到滿意的解決。
案例二的具體要求：二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計問題。要求在滿足強度的條件下，使其體積最小，以達到其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量最小的目的。其輸入?yún)?shù)：給定傳遞的功率 = 6.3kW、總傳動比 = 31.5、輸入轉(zhuǎn)速（高速軸） = 1450rpm，齒寬系數(shù) = 0.4。大齒輪：45鋼正火187～207HBS;小齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)228～255HBS?？偣ぷ鲿r間不少于10年。圖2為二級圓柱齒輪減速器傳動簡圖。
案例二是一個機械工程實際問題，在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過程為：（1）構(gòu)思，利用先修課程，將二級圓柱齒輪減速器問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，即轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式;（2）設(shè)計，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計的結(jié)論。
MATLAB的求解程序和優(yōu)化結(jié)果略。
優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析與處理是很重要的一環(huán)，也是CDIO和項目教學(xué)取得成效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
4 結(jié)束語
CDIO工程教育的最大特點是項目教學(xué)和動手能力的培養(yǎng)。在最近幾屆的機械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)中，嘗試引入MATLAB軟件包，貫徹CDIO和項目教學(xué)教育理念，讓學(xué)生在做中學(xué)，通過項目帶動，設(shè)計應(yīng)用的技能得到強化。教學(xué)實踐表明，學(xué)生的工程實際運用能力有較大的提升。
注釋
① The CDIO Syllabus v2.0.An Updated Statement of Goals for Engineering Education [C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copenhagen，2011.June ：20-23.
② 顧佩華，李N平，沈民奮，等.以設(shè)計為導(dǎo)向的EIP-CDIO創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式[J].中國高等教育，2009（3，4）：47-49.
③ 查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.
④ 王國強，趙凱軍，崔國華.機械優(yōu)化設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.
關(guān)鍵詞：鐵路 大型養(yǎng)路機械 制動控制裝置優(yōu)化設(shè)計
大型養(yǎng)路機械車作為提高鐵路干線的維護保養(yǎng)工作以及提升鐵路綜合運營能力的重要手段，其在我國的鐵路干線的維護與保養(yǎng)中被廣泛的應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)使用最多的大型養(yǎng)路機械車的制動控制裝備上來看，主要是安裝在司機工作室內(nèi)通過制動操縱部件來實現(xiàn)自動發(fā)出制動信號來控制制動，信號的種類也按照功能不同被分為自動制動、單獨自動制動，單獨緩解制動以及主動制動幾個不同的方面。從制動方式上看，主要是由自動制動閥以及單獨制動閥構(gòu)成。其中，自動制動閥以及單獨制動閥都是使用了傳統(tǒng)的DK-1型的空氣制動閥來實現(xiàn)制動的，其中，自動制動閥通過DK-1型空氣制動閥的空位實現(xiàn)，而單獨自動閥則是通過DK-1空氣制動閥的電位來實現(xiàn)。
一、鐵路大型養(yǎng)路機械車制動控制裝置設(shè)計中存在的問題
1.制動的結(jié)構(gòu)功能過于復(fù)雜，利用率較低
當(dāng)前國內(nèi)大型養(yǎng)路機械車的制動控制裝置的設(shè)計存在著嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)功能過意復(fù)雜、利用率較低的問題。在大型養(yǎng)路機械車的正常使用中，由于會頻繁切換自動制動閥以及單獨制動閥，而自動制動閥與單獨制動閥之間存在著明顯的落差，切換的損耗較大，而頻繁切換所帶來的不單單是機械程度上的磨損，更多的是帶來大量的故障發(fā)生幾率，所以當(dāng)前制動的設(shè)計功能過分復(fù)雜，利用率較低的問題會嚴(yán)重影響大型養(yǎng)路機械車的正常使用。
2.安全性差，故障導(dǎo)向不安全
鐵路大型養(yǎng)路機械車制動控制設(shè)計中的安全性問題主要出現(xiàn)在單獨制動閥的開啟時依靠定位彈簧來實現(xiàn)，并且定位彈簧中會安裝柱塞。而由于彈簧本身屬于易損件，在頻繁的切換中往往會逐步失去彈性，而彈性的降低又會加速橡皮圈的磨損程度，長此以往，就會逐漸造成柱塞不能夠到達制動位置，如果沒有做到及時檢修排除故障，極易出現(xiàn)安全事故。所以說，目前鐵路大型養(yǎng)路機械車的制動設(shè)計中存在著明顯的安全性問題，并且故障導(dǎo)向不清晰，容易造成事故。為了解決這個問題，最簡單直接的辦法就是添加一個輔助制動工具，以此來預(yù)防在單獨制動閥使用出現(xiàn)問題時可以實現(xiàn)輔助制動，不至于造成安全事故。
3.操作機械臂設(shè)計不合理，卡滯經(jīng)常出現(xiàn)
制動器的制動手柄設(shè)計不合理，在DK-1空氣制動閥制動時，由于凸輪對于柱塞的定位要求較高，對于彈簧的彈力要求較大，隨意經(jīng)常出現(xiàn)彈力不足，定位不精準(zhǔn)而引起卡滯，手柄一旦卡滯會嚴(yán)重影響到大型養(yǎng)路機械車的正常使用，也會給安全性埋下隱患，所以必須要在機械養(yǎng)路設(shè)計車的設(shè)計過程中予以根除。
4.鏈接可靠性較低
根據(jù)當(dāng)前我國鐵路大型養(yǎng)路車輛的制動裝置的設(shè)計來看，鏈接處基本還是使用了傳統(tǒng)的管式連接，而管式連接存在著明顯的可靠性、安全性問題，再加上在制動裝置內(nèi)部采取了分散式的安裝辦法，一旦出現(xiàn)故障排查難度較大，維護難度較高。
二、鐵路大型養(yǎng)路機械車制動控制裝置優(yōu)化設(shè)計思路
1.重新設(shè)計自動制動閥以及單獨制動閥
對于自動制動閥以及單獨制動閥進行重新設(shè)計，對于傳統(tǒng)設(shè)計中，往往會通過凸輪的定位機構(gòu)以及電控轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)自動制動閥與單獨制動閥的分離，由于這樣的設(shè)計方案存在著安全穩(wěn)定性差，磨損嚴(yán)重，故障排除難度大等問題，所以必須從根源上進行重新設(shè)計才能夠去除。設(shè)計的整體思路是通過定位機構(gòu)的重新調(diào)整，一次來改變DK-1型空氣控制閥的安全導(dǎo)向以及故障導(dǎo)向問題，另外還要通過重新計算手柄的按鍵位置，來解決卡滯的問題。
2.取消各個部件之間的管式連接
由于管式連接存在著可靠性差，鏈接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，所以在本次設(shè)計中要進行重新設(shè)計，取消各個部件之間的管式鏈接關(guān)系?；驹O(shè)計思路是通過板式鏈接的方式對整個制動裝置進行重新設(shè)計，設(shè)計基本方向是降低體積，提高安全可靠性，同時實現(xiàn)自動制動閥以及單獨制動閥之間的按鈕控制需求，實現(xiàn)簡單化、高效化、低故障化。
3.將按鍵做好集成安裝，并且組成固定的安裝部件
