發(fā)布時(shí)間：2023-06-21 09:07:31
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；CATID技術(shù)
機(jī)械設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶的使用要求對(duì)專用機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力學(xué)和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)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(guò)程。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)人員根據(jù)具體情況權(quán)衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設(shè)計(jì)的機(jī)械具有最優(yōu)異的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)歷過(guò)手工繪圖——計(jì)算機(jī)二維繪圖（AutoCAD軟件等）——計(jì)算機(jī)三維繪圖（CATIA軟件等）等幾個(gè)階段。
機(jī)械設(shè)計(jì)本身是繁鎖的工作過(guò)程，手工繪圖需要具一相當(dāng)?shù)墓ぷ鹘?jīng)驗(yàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了日益廣泛的使用。運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不僅可以減少設(shè)計(jì)勞動(dòng)量、提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。且采用CATIA繪圖則更加利于設(shè)計(jì)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(jì)知識(shí)，縮短開發(fā)周期，解決機(jī)械設(shè)計(jì)方案加快企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的反應(yīng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分利用CATIA提供的變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能力實(shí)現(xiàn)變量和參數(shù)化混合建模。也可以利用CATIA實(shí)現(xiàn)幾何和智能工程混合建模以便將多年的經(jīng)驗(yàn)積累到CATIA的知識(shí)庫(kù)中，用于指導(dǎo)新產(chǎn)品新型號(hào)產(chǎn)品的開發(fā)，加速新型號(hào)推向市場(chǎng)的時(shí)間。CATIA具有在整個(gè)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(jì)過(guò)程中交互式捕捉設(shè)計(jì)意圖，定義產(chǎn)品的性能和變化。隱式的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)變成了顯式的專用知識(shí)，提高設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度，降低設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可方便快捷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對(duì)原有方案的更新?lián)Q代，對(duì)于CATIA來(lái)說(shuō)，都是非常容易的事。
CATIA覆蓋了產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過(guò)程，提供了完備的設(shè)計(jì)能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)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(gè)零件的設(shè)計(jì)到最終電子樣機(jī)的建立； CATIA將機(jī)械設(shè)計(jì)，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(jī)的結(jié)合在一起，提供嚴(yán)密的無(wú)紙工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費(fèi)用。
CATIA帶有自有標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，且可以方便地鏈接第三方CATIA零部件數(shù)據(jù)資源庫(kù)：囊括數(shù)百家國(guó)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(jì)人員完成設(shè)計(jì)工作，提升效率。
采用CATIA設(shè)計(jì)者可以非常方便地調(diào)用型材、通用件庫(kù)。并可以充分利用EXECEL設(shè)計(jì)表實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
CATIA 可以從數(shù)字化定義的產(chǎn)品，生成具有真實(shí)效果的渲染照片。在真實(shí)產(chǎn)品生成之前，即可促進(jìn)產(chǎn)品的銷售。
通過(guò)實(shí)際應(yīng)用CATIA系統(tǒng)軟件，筆者體會(huì)到CATIA系統(tǒng)軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)：
一、零件設(shè)計(jì)更加方便
使用CATIA系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來(lái)設(shè)計(jì)新零件，既方便又快捷,避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)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(guò)程通過(guò)動(dòng)畫演示出來(lái)，使人一目了然。
二、裝配零件更加直觀
在裝配過(guò)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(shí)候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示，對(duì)于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的，可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(bào)廢。
三、縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期
采用CATIA技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3，大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在用CATIA系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只需對(duì)其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造，而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息，使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了3～5倍。同時(shí)，CATIA系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力，能夠通過(guò)快速重構(gòu)，得到一種全新的機(jī)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(jī)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(jī)器設(shè)備。其錯(cuò)綜復(fù)雜的液壓管路及電氣線路的完整表達(dá)，需要強(qiáng)大的軟件來(lái)完成。CATIA正好是我司引進(jìn)的主要設(shè)計(jì)軟件。北京五路居垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用強(qiáng)力預(yù)壓塊裝式的垃圾壓縮設(shè)備，國(guó)內(nèi)外可參考的資料極少。根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)備工藝要求，壓縮垃圾的壓力要達(dá)到180噸，垃圾重量達(dá)24噸，垃圾打包長(zhǎng)度達(dá)10米。由于壓力大、壓縮行程長(zhǎng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械性通報(bào)要求極高，且需要有良好的生產(chǎn)工藝性。經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)論證和科學(xué)計(jì)算，最后確定了ACP-18型壓縮機(jī)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(dòng)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(dòng)推頭，每組油缸的行程為7.9米，使推頭的總行程達(dá)到了15.8米。由于ACP-18型壓縮機(jī)壓力大，機(jī)體龐大（設(shè)備總長(zhǎng)達(dá)25.5米，自重達(dá)72噸），對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求極高，考慮到要求強(qiáng)度及生產(chǎn)工藝性，壓縮腔體采用厚度達(dá)16mm的低合金鋼板（16Mn），且用“C”型槽扶強(qiáng)。在油缸支架及滑動(dòng)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(qiáng)度，又減輕了自重。為保證壓縮機(jī)機(jī)體具有良好的剛性，機(jī)體底部布置了兩條460x190mm的大型工字鋼。經(jīng)過(guò)應(yīng)用CATID系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備運(yùn)行中的驗(yàn)證。并在此基礎(chǔ)上完成了設(shè)備的設(shè)計(jì)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(guò)實(shí)際運(yùn)行，證明ACP-18型壓縮機(jī)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)可靠，各項(xiàng)性能均完全滿足垃圾運(yùn)轉(zhuǎn)站的工藝要求，勝利通過(guò)了驗(yàn)收。該工程被北京市列為“國(guó)慶50周年獻(xiàn)禮工程”。
我司也曾使用AutoCAD、SolidWorks、 Pro/E進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，但通過(guò)一段時(shí)間的試用比較，發(fā)現(xiàn)CATIA設(shè)計(jì)軟件更能適應(yīng)我司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于環(huán)衛(wèi)設(shè)備環(huán)境惡劣，設(shè)備需長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，維修少維護(hù)簡(jiǎn)單的特殊要求；機(jī)場(chǎng)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(jì)的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)方面突顯優(yōu)勢(shì),并帶來(lái)可觀的收益。
參考文獻(xiàn)
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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用
傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大多應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強(qiáng)度結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(duì)部分兩岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運(yùn)動(dòng)平衡性，提高了傳力性能。這樣看來(lái)，傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法依然能夠取得良好的效果，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)方法的一些改進(jìn)
在新的設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)后，傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些改進(jìn)：設(shè)計(jì)中普遍采用最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)策略，幫助達(dá)到最優(yōu)組合性能;建立能夠反映設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性;利用計(jì)算機(jī)選擇最優(yōu)方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序解決更加復(fù)雜的計(jì)算;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，降低人工設(shè)計(jì)的誤差。
2 現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用和發(fā)展
隨著機(jī)械設(shè)計(jì)要求不斷提高，設(shè)計(jì)工作需要考慮的問(wèn)題也越來(lái)越多，整體需要解決的問(wèn)題規(guī)模和復(fù)雜度都有所增強(qiáng)，傳統(tǒng)優(yōu)化方法的問(wèn)題暴露出來(lái)，局部?jī)?yōu)化和最優(yōu)解不再適用于大規(guī)模問(wèn)題的設(shè)計(jì)，這使得機(jī)械設(shè)計(jì)工作者廣泛吸取其他學(xué)科的理論知識(shí)，產(chǎn)生全新的機(jī)械設(shè)計(jì)思路，通過(guò)算法來(lái)解決一些復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題。
2.1 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)神經(jīng)元之間的連接都具有特別的權(quán)值，這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于輸出和反饋能夠統(tǒng)一應(yīng)用，這樣將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)映射起來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化過(guò)程則與機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)過(guò)程對(duì)應(yīng)起來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用中，尋找神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與問(wèn)題的解的過(guò)程十分關(guān)鍵。
2.2 多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)輸入層、隱層和輸出層，將模型輸入信息進(jìn)行單項(xiàng)的傳播輸出，整個(gè)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(yùn)算速度，非線性的映射能力也更突出，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，能夠利用這種模型的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)工作中，比如MATLAB，作為功能強(qiáng)大的工程數(shù)據(jù)計(jì)算軟件，能夠很好的將計(jì)算問(wèn)題與實(shí)際問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，其中配置了大量的工程函數(shù)，在解決大部分工程問(wèn)題時(shí)能夠節(jié)約大量的時(shí)間，而且計(jì)算結(jié)構(gòu)也非常精確，所以在自動(dòng)化控制和機(jī)械設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jìn)化的特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)于隨機(jī)對(duì)象進(jìn)行自然選擇，按照自然界的適者生存法則來(lái)循環(huán)處理數(shù)據(jù)，最終產(chǎn)生的隨機(jī)群體會(huì)收斂于整體的最優(yōu)解。遺傳算法有很強(qiáng)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(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)遺傳算法是潛在的并行計(jì)算算法，所以擁有很高的計(jì)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(jī)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中。
3.1 遺傳算法與機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)單的遺傳算法線性適應(yīng)度非常理想，通過(guò)非線性適度與自適應(yīng)的變異概率來(lái)優(yōu)化一般的遺傳算法，以此來(lái)解決機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題，多峰值函數(shù)極值等都具有實(shí)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(jìn)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(gè)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(diǎn)交叉變異能夠?qū)﹄S機(jī)對(duì)象進(jìn)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)專用軟件開發(fā)和使用的都比較少，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)還需要積累足夠的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)功能組成專用軟件。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的使用，能夠幫助解決很多機(jī)械設(shè)計(jì)中的工程問(wèn)題，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，開發(fā)計(jì)算與圖形化功能，專業(yè)軟件的發(fā)展速度也是越來(lái)越快。
4.2 網(wǎng)絡(luò)在線機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件
優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績(jī)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(jì)使用。對(duì)于在線機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件來(lái)說(shuō)，亟待解決的問(wèn)題就是模型問(wèn)題，對(duì)于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jì)算對(duì)象比較模糊，運(yùn)算效率會(huì)受到嚴(yán)重的影響，這就給在線優(yōu)化軟件帶來(lái)了巨大的困難。為了解決這種情況，通過(guò)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)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(guó)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(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作中。
【關(guān)鍵詞】 機(jī)械 優(yōu)化設(shè)計(jì) 理論 方法
中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)機(jī)械工程規(guī)模開始加大，機(jī)械工程速度也開始變得迅猛，人對(duì)于機(jī)械行業(yè)來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)的工作，機(jī)械設(shè)計(jì)的治療關(guān)系到工程質(zhì)量的好壞，因此，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員而言，做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)，符合實(shí)際的實(shí)際是設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡的責(zé)任。
一、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論概述
1、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是指最優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立能夠正確反映實(shí)際工程設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)手段和計(jì)算技術(shù)，在眾多的方法中快速找出最優(yōu)方案。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)把機(jī)械問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，加以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，在滿足眾多設(shè)計(jì)目的和約束條件的情況下，獲得最令人滿意、經(jīng)濟(jì)效益最高的方案。目前，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為解決機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題的有效方法。
2、 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)變量、列出約束條件、確定目標(biāo)函數(shù)。其中，設(shè)計(jì)變量是指在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)逐步調(diào)整，最后達(dá)到最優(yōu)值的獨(dú)立參數(shù)。設(shè)計(jì)變量的數(shù)目確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的維數(shù)，維數(shù)越大，優(yōu)化設(shè)計(jì)工作越復(fù)雜，但效益越高，所以選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量顯得尤為重要。約束條件即是對(duì)約束變量的限制條件，起著降低設(shè)計(jì)變量自由度的作用。目標(biāo)函數(shù)即是指各個(gè)設(shè)計(jì)變量的函數(shù)表達(dá)式，工程中的優(yōu)化過(guò)程即是指找出目標(biāo)函數(shù)的最小值（最大值）的過(guò)程。一般而言，目標(biāo)函數(shù)的確定相對(duì)容易，但約束條件的選取顯得比較困難。
二、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)力學(xué)以及物理或者是其他原則構(gòu)造評(píng)優(yōu)準(zhǔn)則所應(yīng)用的，然后在進(jìn)行尋優(yōu)。這個(gè)項(xiàng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)就是有著直觀的概念以及簡(jiǎn)單的計(jì)算方式，同時(shí)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(xiàng)方式只是考慮了很少的方面或者是一個(gè)點(diǎn)，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(guò)數(shù)學(xué)極值原理所對(duì)于目標(biāo)函數(shù)為設(shè)計(jì)變量線性優(yōu)化所設(shè)計(jì)的，可以說(shuō)是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中最為常用的一個(gè)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(shuō)是一個(gè)大型的自適應(yīng)非線性動(dòng)力能夠，所具備的有點(diǎn)為聯(lián)想、概括、類比，同時(shí)要是局部出現(xiàn)問(wèn)題對(duì)于整個(gè)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(guó)物理學(xué)家Hopfield ，根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，將系統(tǒng)穩(wěn)定性以及最優(yōu)化對(duì)策，同時(shí)系統(tǒng)能量函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化相互之間對(duì)應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相對(duì)應(yīng)，在整個(gè)系統(tǒng)逐漸演變的過(guò)程中，在1986Tank首次提出了求解線性優(yōu)化問(wèn)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(diǎn)是這項(xiàng)方式的主要點(diǎn)，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)極小點(diǎn)所進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)較為強(qiáng)大的計(jì)算方式以及近似分析、非線性建模能量將計(jì)算效率進(jìn)行優(yōu)化，所進(jìn)行這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)所追求的最終目的就是優(yōu)化功能、強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)性，但是在實(shí)際工作中機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)都是優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)方式。在實(shí)施目標(biāo)優(yōu)化的過(guò)程中還是存在著很多的困難，對(duì)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(gè)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法
1、利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。
在產(chǎn)品開發(fā)初期借助于設(shè)計(jì)方法學(xué)，利用多媒體工具進(jìn)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(shí)考慮系統(tǒng)工程理論產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件。根據(jù)這一設(shè)計(jì)方法，往往把產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過(guò)程概括為產(chǎn)品規(guī)劃、開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)劃三個(gè)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(shí)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(jī)工程等，并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表現(xiàn)出來(lái)，建立能夠體現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品外形的簡(jiǎn)裝模型。（2）、開發(fā)D設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)產(chǎn)品的配置進(jìn)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(yùn)用CAD技術(shù)，用計(jì)算機(jī)圖案顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過(guò)程，即通過(guò)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(diǎn)問(wèn)題，并找出解決問(wèn)題的方法。借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，通過(guò)三維圖形軟件、多媒體和超媒體技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2、積極開發(fā)發(fā)展綠色設(shè)計(jì)、制造。
（1）、綠色設(shè)計(jì)制造時(shí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造的可持續(xù)發(fā)展模式。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(wèn)題，必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式和消費(fèi)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(jìn)步，節(jié)約資源和能源，提高效益，減少?gòu)U物排放，實(shí)施清潔生產(chǎn)和文明消費(fèi)，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(gè)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(jì)制造將為企業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。開發(fā)綠色設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)效益不如直接抓成本、抓質(zhì)量、抓品種等見效快，因而無(wú)視對(duì)環(huán)境的污染，甚至寧愿被罰款，也不愿意采取措施。實(shí)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(dòng)性和工作效率，以創(chuàng)造出最大的利潤(rùn)，使企業(yè)具有更好的社會(huì)形象，為企業(yè)增加無(wú)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(jìng)爭(zhēng)激烈的背景下，利用高新技術(shù)和現(xiàn)代化管理來(lái)提高生產(chǎn)率，節(jié)約自然資源投入，以及節(jié)約勞動(dòng)和各種形式的資本，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與發(fā)展的主要源泉。
四、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的前景
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化理論、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械工程相結(jié)合的一門學(xué)科，包括機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)等。近年來(lái)，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計(jì)算機(jī)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)具有廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)給機(jī)械工程界帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，但其工程效應(yīng)比起預(yù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小得多。歸結(jié)其原因，主要有以下兩點(diǎn)：（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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yǔ)
縱觀幾十年來(lái)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論與方法無(wú)論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益方面都具有研究意義。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】：造紙機(jī)刮刀；運(yùn)行原理與功能；分類與優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用與維護(hù)；注意事項(xiàng)
造紙機(jī)的刮刀裝置是現(xiàn)代造紙生產(chǎn)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它對(duì)于提高整個(gè)造紙生產(chǎn)線路的運(yùn)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(jī)刮刀裝置的運(yùn)行原理與功能
造紙機(jī)的刮刀裝置包括三個(gè)部分，即刮刀體、加卸壓裝置和擺動(dòng)裝置。整個(gè)刮刀裝置為全不銹鋼制造，刮刀體為可轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)氣囊，即加壓氣囊和卸壓囊。當(dāng)加壓氣囊通壓力氣時(shí)，刮刀片與輥面接觸；當(dāng)向卸壓囊輸氣，同時(shí)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(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)刮刀的勻速軸向往復(fù)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)紙片的剝離。[1]
一個(gè)規(guī)格合理的造紙機(jī)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(guò)程中，紙頁(yè)難免會(huì)粘黏一些水分、細(xì)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(huì)將這些臟污粘黏到輥面上，造成輥面難以運(yùn)行，損害造紙裝置。刮刀裝置通過(guò)勻速往復(fù)的運(yùn)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(huì)導(dǎo)致斷紙和紙張孔洞。刮刀裝置的勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(jì)
為了保證輥面的清潔和紙片剝離的速率、合格率，必須對(duì)整體刮刀裝置進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)范設(shè)計(jì)，保證整體造紙機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。整體的刮刀裝置還可以細(xì)分，包括刮刀體、刮刀夾具、刮刀片、加卸壓裝置和擺動(dòng)裝置。
刮刀裝置可以分為以下幾個(gè)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(guò)活塞式汽油缸、加壓氣囊或?qū)ｉT的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行加卸壓；擺動(dòng)裝置則分為固定式和擺動(dòng)式兩種，各有自己的優(yōu)劣之處。在造紙過(guò)程的多個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)都需要用到刮刀裝置，各個(gè)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(huì)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(shí)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(shí)際材質(zhì)來(lái)定；刀片的直線度要與輥筒的直線度相對(duì)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(duì)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(jī)械結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)。
3.2.各個(gè)裝置的維護(hù)
由于在整個(gè)造紙過(guò)程中，難免會(huì)產(chǎn)生臟物積聚現(xiàn)象，有時(shí)就會(huì)造成機(jī)器設(shè)備故障。因此，加強(qiáng)造紙機(jī)刮刀裝置的維護(hù)工作是非常必要的。
刀片的選用要與輥面材料、輥筒運(yùn)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(lái)決定。刮刀體的設(shè)計(jì)要確定好刮刀體的重心位置，其應(yīng)該位于轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)和刮刀與輥筒表面接觸線的中間，必須計(jì)算好刮刀線壓力能否滿足使用需要，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算適當(dāng)?shù)卣{(diào)整重心位置。
4.注意事項(xiàng)
刮刀裝置的使用需要注意以下事項(xiàng)：
4.1.刮刀已使用很長(zhǎng)時(shí)間之后，與輥筒表面已經(jīng)密切磨合，這時(shí)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(jī)在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，不要經(jīng)常性變動(dòng)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(jì)要根據(jù)嚴(yán)格的尺寸和技術(shù)要求來(lái)完成，從而進(jìn)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(duì)刮刀片進(jìn)行檢修，已經(jīng)出現(xiàn)磨損狀況的要及時(shí)替換，另外還要找出磨損原因，防止二次磨損。
5.結(jié)束語(yǔ)：
造紙機(jī)刮刀裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用要細(xì)致仔細(xì)，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(yùn)行。
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1制動(dòng)控制器機(jī)械鎖閉結(jié)構(gòu)操作現(xiàn)狀
DK-2制動(dòng)系統(tǒng)為HXD1型機(jī)車的組成部分，此外，此型機(jī)車中還包含克諾爾CCBⅡ制動(dòng)系統(tǒng)。與克諾爾CCBⅡ制動(dòng)系統(tǒng)，DK-2制動(dòng)系統(tǒng)換端有著獨(dú)特的操作特點(diǎn)，換端鑰匙為DK-2制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)控制器的操作位置，對(duì)于非操作節(jié)制動(dòng)控制器，以機(jī)械的方式將其固定在相應(yīng)的位置，目的是避免司機(jī)出現(xiàn)操作錯(cuò)誤。DK-2制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)控制器的機(jī)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(shí)，甚至導(dǎo)致機(jī)車出現(xiàn)故障，影響機(jī)車運(yùn)行的安全性。
目前，對(duì)于HXD1型機(jī)車的DK-2制動(dòng)系統(tǒng)，有著明確的操作規(guī)范要求。將非操作節(jié)機(jī)車自動(dòng)控制器調(diào)節(jié)至“重聯(lián)”位，而單獨(dú)控制器調(diào)節(jié)至“運(yùn)轉(zhuǎn)”位，同時(shí)，這兩個(gè)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(jī)械鎖閉結(jié)構(gòu)的作用下，制動(dòng)控制器處于鎖定的狀態(tài)，當(dāng)需要再次操作時(shí)，利用鑰匙調(diào)節(jié)至“打開”位，實(shí)施相應(yīng)的操作。由此一來(lái)，在進(jìn)行換端操作時(shí)，需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，加之機(jī)械鎖閉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提升了機(jī)械故障的發(fā)生率，影響制動(dòng)控制器的正常操作。
司機(jī)操作鑰匙手柄由“打開”位拉至“關(guān)閉”位時(shí)，過(guò)渡臨界位是鑰匙手柄必須要經(jīng)過(guò)的位置，這時(shí)，如果司機(jī)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(shí)，鑰匙手柄可順利的拔出，但是在實(shí)際操作的過(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，鑰匙手柄在使用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨損，當(dāng)變成圓的狀態(tài)時(shí)，機(jī)械鎖閉結(jié)構(gòu)的實(shí)用性大大降低，甚至無(wú)法使用。
2制動(dòng)控制器機(jī)械鎖閉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
依據(jù)機(jī)械鎖閉單元的設(shè)計(jì)原理，只有處于“關(guān)閉”位置時(shí)，鑰匙才能夠順利的拔出，由此，非“關(guān)閉”位取出基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際的運(yùn)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(duì)此，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只需優(yōu)化手柄罩的設(shè)計(jì)即可。同時(shí)，機(jī)械鎖閉單元需要具備比較高的機(jī)械強(qiáng)度及耐磨性，因此，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，改進(jìn)了手柄罩的材料，具體措施如下。
2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)短是產(chǎn)生鑰匙手柄取出故障的主要原因，因此，對(duì)手柄罩的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)之后，改之為15.5mm，由此一來(lái)，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(jì)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(lái)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(jì)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(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，主要原因是手柄罩的壁厚過(guò)薄，鑰匙手柄上彈性鋼珠外圍脫離手柄罩約束時(shí)，脫離時(shí)間過(guò)早，由此，在晃動(dòng)拉拽的狀態(tài)下，鑰匙手柄可以被拔出。對(duì)此，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)之后變?yōu)?0.3mm，增加的厚度與鑰匙手柄豁口的長(zhǎng)度相等，在進(jìn)行拉拽鑰匙手柄時(shí)，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(jìn)手柄罩的材料
改進(jìn)之前，手柄罩的材料為1Cr13，此種材料的拉伸強(qiáng)度為220MPa，屈服強(qiáng)度為206MPa，機(jī)械強(qiáng)度與耐磨性都比較差，使用一段時(shí)間之后，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損，進(jìn)而產(chǎn)生故障。改進(jìn)之后，手柄罩的材料采用45圓鋼，此種材料的拉伸強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為355MPa，具有良好的機(jī)械強(qiáng)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(jī)械；一體化；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；優(yōu)化
中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）29-0078-02
加強(qiáng)工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，對(duì)于提高工程機(jī)械的使用性能、操作效率，提高其自身運(yùn)行的安全性與可靠性具有十分重要的意義。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)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(jī)械一體化的基礎(chǔ)上，對(duì)于如何認(rèn)識(shí)目前工程機(jī)械一體化存在的各種問(wèn)題，提高工程機(jī)械的使用效率和操作性能進(jìn)行深入的探討和分析。
1 工程機(jī)械一體化及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化
1.1 工程機(jī)械一體化的定義
工程機(jī)械一體化是為了確保工程機(jī)械操作的舒適性、安全性以及可靠性而進(jìn)行的一系列的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安排。工程機(jī)械一體化主要是為了工程機(jī)械自身每個(gè)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(jī)械安全可靠的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從整體上最大程度的激發(fā)工程機(jī)械可以發(fā)揮的潛力和能量，從而使工程機(jī)械的使用效率和操作質(zhì)量得到最大程度的提升。工程機(jī)械一體化需要強(qiáng)有力的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)作為保障，實(shí)施工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)是為了促進(jìn)工程機(jī)械一體化的有效展開，確保工程機(jī)械一體化的進(jìn)度和質(zhì)量，有效控制工程機(jī)械一體化過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。
1.2 實(shí)施工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義
將工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)引入到工程機(jī)械當(dāng)中，可以極大的改善工程機(jī)械的性能和質(zhì)量，使工程機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及安全性，操作性大大提高。例如工程機(jī)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(jī)械的操作效率和質(zhì)量。目前微機(jī)處理器在工程機(jī)械應(yīng)用到相當(dāng)普及，并且取得了不錯(cuò)的效果。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械與機(jī)電一體化技術(shù)的融合達(dá)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(jī)械的諸多領(lǐng)域，并且還有拓展和擴(kuò)大的趨勢(shì)。一體化監(jiān)測(cè)將確保工程機(jī)械使用的可靠性得到極大提升，同時(shí)也可以保證工程機(jī)械不出現(xiàn)安全事故，提高操作的效率和質(zhì)量。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于工程機(jī)械的使用性能、操作效率、安全與可靠性、節(jié)能、自動(dòng)化等多個(gè)方面都產(chǎn)生重要影響。但是需要指出的是使用工程機(jī)械的畢竟是人，因此在將一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入到工程機(jī)械當(dāng)中的時(shí)候，不能忽略人的主體作用。要充分重視人的主動(dòng)能量，只有這樣才能更好的發(fā)揮一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，提高工程機(jī)械的使用效率，推動(dòng)一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步。
2 現(xiàn)有工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常見的問(wèn)題
現(xiàn)有的工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)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(wèn)題，導(dǎo)致工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)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(shí)到目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的各種問(wèn)題，然后采取針對(duì)性的措施加以解決，目前工程機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
2.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不夠齊全
由于應(yīng)用到工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種配件不夠齊全，型號(hào)不一，類型不同，因此各種測(cè)量型的儀表組合并不能完全滿足工程機(jī)械的監(jiān)測(cè)要求，從而造成對(duì)工程機(jī)械的一體化監(jiān)測(cè)無(wú)法發(fā)揮擁有的功能，存在諸多問(wèn)題，其中一個(gè)突出表現(xiàn)就是監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目不齊全。工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及的范圍和領(lǐng)域非常豐富，常見的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含了電流、氣壓、電流、氣壓、油壓、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速等，而對(duì)于這些項(xiàng)目?jī)H僅依靠一個(gè)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(cè)項(xiàng)目不夠齊全，直接影響了工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)的效果和質(zhì)量，例如關(guān)于電壓的監(jiān)測(cè)設(shè)備就一般具有對(duì)油壓的監(jiān)測(cè)功能，無(wú)法計(jì)算相應(yīng)的流量和工作時(shí)間數(shù)等。
2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備質(zhì)量不過(guò)關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正?；?/p>
多數(shù)用于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)的設(shè)備在質(zhì)量上由于無(wú)法匹配工程機(jī)械的性能和操作系統(tǒng)，因此其監(jiān)測(cè)的儀表過(guò)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(cè)儀表大多是很多廠家外購(gòu)的產(chǎn)品，其種類型號(hào)都是不同的，因此用于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)的儀表種類繁多，質(zhì)量上無(wú)法完全達(dá)到工程機(jī)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(jī)械一體化的儀盤表看起來(lái)十分混亂，不容易觀察和監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)，直接影響到了工程機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的正?；?，影響工程機(jī)械一體化的工作效率和質(zhì)量。
2.3 工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)設(shè)備容易損壞而出現(xiàn)故障
在工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于種類、型號(hào)繁多，生產(chǎn)廠家不同導(dǎo)致其在工作中無(wú)法正常運(yùn)行。再加上在運(yùn)行中，如果工程機(jī)械的操作使用人員對(duì)于某個(gè)型號(hào)的設(shè)備的工作原理不能理解，或者理解不透，都會(huì)帶來(lái)種種問(wèn)題。此外受到生產(chǎn)廠家技術(shù)水平的影響，監(jiān)測(cè)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(jī)械在使用與操作過(guò)程中，一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備不能經(jīng)常性的使用，就會(huì)導(dǎo)致這些設(shè)備在工程機(jī)械操作過(guò)程中失去作用，而操作人員只能在工程機(jī)械監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，完全依靠自身的經(jīng)驗(yàn)去判斷和操作，直接影響了工程機(jī)械的使用效率和質(zhì)量。
2.4 工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜不容易操作
對(duì)于工程機(jī)械一體化的監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，提高其系統(tǒng)的操作性將是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前很多機(jī)械上的監(jiān)測(cè)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(cè)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(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難度而且對(duì)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(jī)械一體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。
3 工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容
3.1 工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)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(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所要測(cè)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(lái)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(cè)量精度，也有利于對(duì)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(jī)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(jī)TMP87CH46N/47U為例，其ROM為16 kB，RAM為512 kB，有8個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)8位計(jì)時(shí)器和2個(gè)16位計(jì)時(shí)器等，且具有功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，其RAM可實(shí)時(shí)采集并存貯機(jī)械在一定時(shí)間內(nèi)的測(cè)量參數(shù)，需要時(shí)可通過(guò)處理器的輸出接口輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)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(jī)械的使用要求。目前常見的此種顯示屏可具有內(nèi)置國(guó)標(biāo)漢字庫(kù)、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(cè)數(shù)據(jù)，即直觀，又準(zhǔn)確，完全可以適應(yīng)工程機(jī)械監(jiān)測(cè)的顯示之用?？刂蒲b置可隨時(shí)控制顯示模式，選定顯示參數(shù)，各測(cè)量參數(shù)即可固定顯示，也可按控制裝置的設(shè)定自動(dòng)輪流顯示。
系統(tǒng)開始工作后，各個(gè)傳感器直接將收集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換然后發(fā)送至處理器，處理器通過(guò)專家系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行判斷，如果經(jīng)過(guò)分析判斷系統(tǒng)為正常狀態(tài)，那么則繼續(xù)監(jiān)測(cè)工作，如果判斷系統(tǒng)為異常，則開始報(bào)警。然后系統(tǒng)會(huì)自行開始對(duì)出現(xiàn)的故障和問(wèn)題進(jìn)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(guò)診斷發(fā)現(xiàn)不了原因，則需要將發(fā)生故障時(shí)的各種技術(shù)參數(shù)記錄下來(lái)，然后借助專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)將這些故障記錄下來(lái)，從而形成知識(shí)庫(kù)。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件利用中央處理器自身的控制指令，用匯編語(yǔ)言編寫，通過(guò)編程器輸入CPU，機(jī)械啟動(dòng)后，該系統(tǒng)自動(dòng)加電啟動(dòng)，經(jīng)對(duì)各端口及寄存器進(jìn)行初始化后，開始接收各傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)端口檢驗(yàn)，將接收到的數(shù)據(jù)與該端口測(cè)量參數(shù)的故障極限數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超出正常數(shù)據(jù)值，則經(jīng)聲光方式給予報(bào)警，若所測(cè)數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，則不予報(bào)警，并將數(shù)據(jù)存入RAM，然后將數(shù)據(jù)送入顯示模塊進(jìn)行顯示。為有效利用該系統(tǒng)的功能，各測(cè)量數(shù)據(jù)由軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)存入其RAM內(nèi)，需要時(shí)可通過(guò)系統(tǒng)的輸出接口輸入到外部計(jì)算機(jī)內(nèi)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，以進(jìn)一步了解其工作狀況及故障發(fā)生時(shí)的情況。從以上分析來(lái)看，關(guān)于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)工程機(jī)械自身的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)基本目標(biāo)是要注重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性有穩(wěn)定性，要在注重經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，采取一些相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)的整體性能。
4 結(jié) 語(yǔ)
加強(qiáng)工程機(jī)械一體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為改善工程機(jī)械一體化作業(yè)精確度和效率的重要途徑。針對(duì)目前監(jiān)測(cè)設(shè)備容易出現(xiàn)各種問(wèn)題的實(shí)際情況，本文對(duì)于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可以在某種程度上解決當(dāng)前工程機(jī)械一體化操作帶來(lái)的問(wèn)題，從而提高工程機(jī)械一體化運(yùn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將微電子控制技術(shù)作為核心的機(jī)電一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)必將在工程機(jī)械使用以及操作、改造中發(fā)揮重要的作用，極大推動(dòng)工程機(jī)械自身性能的改進(jìn)和技術(shù)的創(chuàng)新，這對(duì)于推動(dòng)工程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，提高工程機(jī)械的使用效率，將產(chǎn)生重要的影響和價(jià)值。相信未來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍將會(huì)更加的廣泛和深入，因此工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)作為一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究課題具有深遠(yuǎn)的意義。
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關(guān)鍵詞 項(xiàng)目教學(xué) CDIO 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)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(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。
2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系架構(gòu)
隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的計(jì)算機(jī)化，自然就要為設(shè)計(jì)過(guò)程能自動(dòng)選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案建立一種迅速而行之有效的方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)④應(yīng)運(yùn)而生。優(yōu)化設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)能進(jìn)行大量的分析計(jì)算，從眾多的設(shè)計(jì)方案中選出一個(gè)既滿足設(shè)計(jì)要求又使設(shè)計(jì)指標(biāo)最好的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系大致有四部分：一是優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ);二是無(wú)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(jì)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(jì)方法的內(nèi)容極其豐富并在進(jìn)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(yùn)用來(lái)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)和用的脫節(jié)。
3 CDIO和項(xiàng)目教學(xué)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中的教學(xué)實(shí)踐
MATLAB④⑤是當(dāng)前最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)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(guò)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(jì)算中的所有問(wèn)題，使得MATLAB在機(jī)械工程、通信、控制和信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
3.1 CDIO項(xiàng)目教學(xué)案例之一
CDIO教育理念別強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目教學(xué)和實(shí)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(guò)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(jì)，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實(shí)現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運(yùn)作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)程略。
表1給出了求解運(yùn)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(shì)示意圖。
3.2 CDIO項(xiàng)目教學(xué)案例之二
二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)⑥及其MATLAB實(shí)現(xiàn)。
如何讓其設(shè)計(jì)的二級(jí)圓柱齒輪減速器在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)輸出最大、重量最輕或其它目標(biāo)？這些疑問(wèn)，可以在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中得到滿意的解決。
案例二的具體要求：二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。要求在滿足強(qiáng)度的條件下，使其體積最小，以達(dá)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(dòng)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(shí)間不少于10年。圖2為二級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。
案例二是一個(gè)機(jī)械工程實(shí)際問(wèn)題，在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過(guò)程為：（1）構(gòu)思，利用先修課程，將二級(jí)圓柱齒輪減速器問(wèn)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(jì)，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實(shí)現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運(yùn)作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論。
MATLAB的求解程序和優(yōu)化結(jié)果略。
優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析與處理是很重要的一環(huán)，也是CDIO和項(xiàng)目教學(xué)取得成效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
4 結(jié)束語(yǔ)
CDIO工程教育的最大特點(diǎn)是項(xiàng)目教學(xué)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在最近幾屆的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，嘗試引入MATLAB軟件包，貫徹CDIO和項(xiàng)目教學(xué)教育理念，讓學(xué)生在做中學(xué)，通過(guò)項(xiàng)目帶動(dòng)，設(shè)計(jì)應(yīng)用的技能得到強(qiáng)化。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的工程實(shí)際運(yùn)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(jì)為導(dǎo)向的EIP-CDIO創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式[J].中國(guó)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(guó)強(qiáng)，趙凱軍，崔國(guó)華.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.
關(guān)鍵詞：鐵路 大型養(yǎng)路機(jī)械 制動(dòng)控制裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)
大型養(yǎng)路機(jī)械車作為提高鐵路干線的維護(hù)保養(yǎng)工作以及提升鐵路綜合運(yùn)營(yíng)能力的重要手段，其在我國(guó)的鐵路干線的維護(hù)與保養(yǎng)中被廣泛的應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用最多的大型養(yǎng)路機(jī)械車的制動(dòng)控制裝備上來(lái)看，主要是安裝在司機(jī)工作室內(nèi)通過(guò)制動(dòng)操縱部件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)來(lái)控制制動(dòng)，信號(hào)的種類也按照功能不同被分為自動(dòng)制動(dòng)、單獨(dú)自動(dòng)制動(dòng)，單獨(dú)緩解制動(dòng)以及主動(dòng)制動(dòng)幾個(gè)不同的方面。從制動(dòng)方式上看，主要是由自動(dòng)制動(dòng)閥以及單獨(dú)制動(dòng)閥構(gòu)成。其中，自動(dòng)制動(dòng)閥以及單獨(dú)制動(dòng)閥都是使用了傳統(tǒng)的DK-1型的空氣制動(dòng)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的，其中，自動(dòng)制動(dòng)閥通過(guò)DK-1型空氣制動(dòng)閥的空位實(shí)現(xiàn)，而單獨(dú)自動(dòng)閥則是通過(guò)DK-1空氣制動(dòng)閥的電位來(lái)實(shí)現(xiàn)。
一、鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械車制動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題
1.制動(dòng)的結(jié)構(gòu)功能過(guò)于復(fù)雜，利用率較低
當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型養(yǎng)路機(jī)械車的制動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)存在著嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)功能過(guò)意復(fù)雜、利用率較低的問(wèn)題。在大型養(yǎng)路機(jī)械車的正常使用中，由于會(huì)頻繁切換自動(dòng)制動(dòng)閥以及單獨(dú)制動(dòng)閥，而自動(dòng)制動(dòng)閥與單獨(dú)制動(dòng)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(lái)的不單單是機(jī)械程度上的磨損，更多的是帶來(lái)大量的故障發(fā)生幾率，所以當(dāng)前制動(dòng)的設(shè)計(jì)功能過(guò)分復(fù)雜，利用率較低的問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響大型養(yǎng)路機(jī)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(jī)械車制動(dòng)控制設(shè)計(jì)中的安全性問(wèn)題主要出現(xiàn)在單獨(dú)制動(dòng)閥的開啟時(shí)依靠定位彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且定位彈簧中會(huì)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(huì)逐步失去彈性，而彈性的降低又會(huì)加速橡皮圈的磨損程度，長(zhǎng)此以往，就會(huì)逐漸造成柱塞不能夠到達(dá)制動(dòng)位置，如果沒有做到及時(shí)檢修排除故障，極易出現(xiàn)安全事故。所以說(shuō)，目前鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械車的制動(dòng)設(shè)計(jì)中存在著明顯的安全性問(wèn)題，并且故障導(dǎo)向不清晰，容易造成事故。為了解決這個(gè)問(wèn)題，最簡(jiǎn)單直接的辦法就是添加一個(gè)輔助制動(dòng)工具，以此來(lái)預(yù)防在單獨(dú)制動(dòng)閥使用出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輔助制動(dòng)，不至于造成安全事故。
3.操作機(jī)械臂設(shè)計(jì)不合理，卡滯經(jīng)常出現(xiàn)
制動(dòng)器的制動(dòng)手柄設(shè)計(jì)不合理，在DK-1空氣制動(dòng)閥制動(dòng)時(shí)，由于凸輪對(duì)于柱塞的定位要求較高，對(duì)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(huì)嚴(yán)重影響到大型養(yǎng)路機(jī)械車的正常使用，也會(huì)給安全性埋下隱患，所以必須要在機(jī)械養(yǎng)路設(shè)計(jì)車的設(shè)計(jì)過(guò)程中予以根除。
4.鏈接可靠性較低
根據(jù)當(dāng)前我國(guó)鐵路大型養(yǎng)路車輛的制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)來(lái)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(wèn)題，再加上在制動(dòng)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(hù)難度較高。
二、鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械車制動(dòng)控制裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)思路
1.重新設(shè)計(jì)自動(dòng)制動(dòng)閥以及單獨(dú)制動(dòng)閥
對(duì)于自動(dòng)制動(dòng)閥以及單獨(dú)制動(dòng)閥進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往會(huì)通過(guò)凸輪的定位機(jī)構(gòu)以及電控轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)閥與單獨(dú)制動(dòng)閥的分離，由于這樣的設(shè)計(jì)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(wèn)題，所以必須從根源上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)才能夠去除。設(shè)計(jì)的整體思路是通過(guò)定位機(jī)構(gòu)的重新調(diào)整，一次來(lái)改變DK-1型空氣控制閥的安全導(dǎo)向以及故障導(dǎo)向問(wèn)題，另外還要通過(guò)重新計(jì)算手柄的按鍵位置，來(lái)解決卡滯的問(wèn)題。
2.取消各個(gè)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(wèn)題，所以在本次設(shè)計(jì)中要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，取消各個(gè)部件之間的管式鏈接關(guān)系。基本設(shè)計(jì)思路是通過(guò)板式鏈接的方式對(duì)整個(gè)制動(dòng)裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基本方向是降低體積，提高安全可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)閥以及單獨(dú)制動(dòng)閥之間的按鈕控制需求，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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
