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【关键词】精度设计 互换性 探讨

【中图分类号】TH124;G420 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2013)10-0225-01

机械设计的主要内容:强度设计、传动设计、结构设计、精度(公差,下同)设计,涉及强度设计、传动设计、结构设计的课程有材料力学、机械原理、机械设计等,互换性与技术测量主要是讲授精度设计内容。作为一名机械工程师必须很好理解和掌握精度设计,才能把设计意图落实到生产实践中,同时,精度的概念贯穿在生产实践中,产品开发、工艺设计、质量控制、生产管理都离不开精度的知识,“合不合格”、“达不达到要求”都是精度概念的常用表述。但很多学生修完了这门课程后,到做毕业设计时,好像完全忘了这门课似的,没意识要标注精度要求,好像三维建模后转为工程图,把主要尺寸标注完就结束了,即使想到要标注精度要求,但不知如何着手。不少企业反映毕业生对精度的理解和掌握很不深刻。互换性与技术测量这门课如何讲授,笔者根据多年教学经验及调查分析,结合《培养应用型高级专门人才的校企合作支持体系的研究》(2013C060,广西教育厅)的课题研究,总结如下体会:

一、重复强化本课程与其他课程的关系

修完材料力学、机械设计等专业基础课程后,同学们掌握了强度设计、结构设计的理论和方法,接着需要学习精度设计,并准确地表达在图纸上才能进行生产制造。本课程就是讲授精度设计内容,其实是标准范畴的内容,基本术语多、定义多,相对比较枯燥。在讲授过程中必须重复强度设计、结构设计、精度设计三者密不可分,是机械设计工程师必须得掌握的。一个产品完成结构设计、强度设计后,必须标注尺寸精度或标注完尺寸精度是不够的,还需要标注形位精度或表面精度要求。通过重复、递进的灌输方式,使同学们形成思维习惯。这样,同学们对本课程就会更加上心,投入。克服机械设计就是重视三维造型,轻视工程图设计的局限思维。

二、突出讲授互换性的三大要素

严格地说本课程属于标准范畴,就是描述精度和配合的,虽然术语多、定义多,但主线就是描述尺寸精度、形位精度、表面精度及相互配合。如果按照一般教材的章节内容穿插多,对缺乏实践经验的学生而言,很难思维跳跃。因此讲授时先重点讲授尺寸精度、形位精度、表面精度(粗糙度),再根据教学要求讲授测量等其它内容。建议讲授的顺序是:绪论――尺寸精度――形位精度――表面精度――配合――螺纹、轴承等案例――测量,一般教科书中,配合的概念安排在尺寸精度(孔轴的极限与配合)章节中。虽然配合在定义上只与尺寸精度有关,但实际上,必须得考虑形位、表面精度,如果讲授完所有的精度设计(尺寸、形位、表面),再推出重点配合的定义,容易让学生形成精度与配合的有机统一。

三、尽可能用图示描述概念、术语

就像写报告一样,多用图表少用文字描述现象或概念可以简洁、突出。其实本课程最行之有效的办法就是用图示,教材编排按照标准要求一步一步深入没有错,但前提是吸引人,就像电影一样,否则电影没放完,人全睡着了。其实教师本身,讲着讲着也会感到枯燥乏味。比如孔轴极限与配合(尺寸精度)这一章,术语很多,按照图示讲解的来源和定义更加顺其自然,比如在黑板上画出流程图。按照结构设计、强度设计得到一个基本尺寸(设计尺寸),这是一个理论尺寸,接着论述制造过程中(人、机、料、法、环等方面)不可能做到百分之百精确的缘由,也强调从经济角度上说是不必要,于是自然而然产生一个许可的一个范围,从而引出相关公差、最大极限尺寸、上偏差等概念。其实很多术语都是很形象的,用图示讲解可以还原其本来面目,学生容易理解和接受。

四、用典型的工程图纸作为案例讲评

即使学生修完本课程,并不意味着可以进行精度设计了,实际上会感到无从下手。如何让学生将理论过渡到实践,案例讲评很有必要。建议选择装配图、焊接图、板类零件、轴类零件、齿轮零件各一张,装配图讲评常用的配合及要求;焊接图主要讲授焊接时为了防止焊接变形需要注意的形状精度,焊后加工的位置精度;板类零件通常通过等离子切割或者冲剪,如果精度要求不高,可以不用标注精度要求,或者注明总的精度要求,如本图按GB/T 1894(m);轴类零件一般有各级不用作用的阶梯,尺寸精度、形位精度和表面要求高,还有热处理要求,作为零件设计案例讲评很代表性;齿轮作为特殊零件的代表,也要讲评标注有何特殊性。经过这些典型图纸的讲评,学生基本掌握各种图纸的精度要点。以后遇到类似图纸设计时可以得心应手。

参考文献:

[1]廖念钊,互换性与技术测量[M],中国质检出版社,2012

[2]刘丽华,机械精度设计与检测基础,哈尔滨工业大学出版社,2012

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关键字:冶金机械 绿色设计 关键技术

引言

一直以来,我国冶金行业的生产存在很多的问题,其中最为严重的是我国冶金机械设备不能够达到国际上所要求的标准。相对于其他国家的冶金设备来说,我国的冶金设备耗能源更多,产生污染更多。但是很多企业没有认识到这个问题,仍然在高能耗、高投入、高污染的发展模式中徘徊。所选用的机械设备时常伴随噪音、废气排放以及热辐射等问题。为了缓解这一现象,我国冶金机械设备生产行业应当积极采用绿色设计这一概念,鼓励相关企业研究与绿色设计相关的科学技术,通过技术创新,使我国冶金行业实现清洁化生产,生产出能够运用于工业实践的绿色产品,使我国冶金业走上可持续发展的道路,这对我国工程机械的发展前景来说也具有重要的意义。

1.冶金机械产品绿色设计的概念

经济的发展带来了全球化的环境问题,为了缓解这一问题,绿色设计这一概念开始被提出。作为环境问题较为严重的冶金机械工业,环境保护问题也被提到日程上。冶金机械行业开始将目光投向绿色技术。冶金机械产品绿色设计可以被定义为一种设计理念,这种设计理念是围绕产品整个生命周期而创设的,其核心是机械产品的环境资源属性。绿色设计理念需要从两个方面考虑机械产品:第一,绿色设计理念的“绿色”在于机械产品自身的功能、寿命、性能等,这是涉及冶金机械产品的技术特性与经济属性;第二,绿色设计理念的“绿色”是指需要考虑机械产品一旦投入生产对环境以及资源会产生怎样的影响以及如何降低不利影响的发生几率,这是绿色设计理念在冶金机械产品上体现的重要层面。

一般而言,冶金机械产品绿色设计主要包括以下内容:首先,将冶金机械产品的环境资源属性放在产品设计与制造的首要地位,当满足了环境资源属性的要求后,再对产品的经济属性进行要求。其次,在设计冶金机械产品时,应当事先对机械产品的可拆性和回收利用性进行分析,然后根据分析的结果再调整冶金机械产品的设计方案。最后,冶金企业必须认识到冶金机械产品绿色设计对于自然环境和社会可持续发展的重要作用,认识到一个冶金企业在环境保护和资源节约方面应当承担何种责任以及如何承担责任。冶金企业应当重视绿色设计,使自己成为资源节约型、环境友好型企业的一员。

2.冶金机械绿色设计的关键技术

冶金机械绿色设计旨在产品设计、产品制造以及产品使用等方面实现“绿色”,其最终目的是提高资源的利用率、减少生产过程中的废弃物以及解决的环境污染问题。通过此种绿色设计理念可以更好地促使冶金机械企业在资源节约型、环境保护型的可持续发展道路上健康、稳定、快速发展。鉴于此,冶金机械绿色设计作为一种比较新型的概念,其关键技术在很多方面也与传统的机械设计关键技术呈现出显著的差异,主要表现在生产原料的选择、生产中控制“气废”排放、机械的减震除噪、密封技术的研发等方面,笔者接下来进行具体阐述。

2.1.生产原材料的选择

在冶金机械产品的设计与制造过程中,生产原材料的选择具有相对确定性,不能够随意进行选择,只有那些易分解、可再生以及可回收的原材料才可能作为冶金机械的生产材料。此类原材料能保证对环境的污染达到最小,比如在制造冶金机械时,高强高温玻璃和耐热耐高温工程塑料都不是合适的生产原材料,这些材料都是非金属材料,其缺陷是不能够分解,达不到“绿色”的标准。相反,铁、钢以及合金一直以来都是冶金机械产品制造的重要材料,其中最重要的原因便是这些材料可回收,对环境的危害也很小。总而言之,在进行生产原材料选择的过程中,要以环境的利益为指导,对环境有害的原材料禁用或者少用,对环境危害少的原材料可以使用或者扩大使用。

2.2.生产中对“气废”排放的控制

冶金机械制造过程中是没有办法杜绝废气的排放的,但是这些气体对周围环境会造成很大的影响。所以在进行冶金机械制造时,要合理的控制废气物的排放,这也是绿色设计的重要内容之一。而合理控制废弃物的排放措施则有赖于冶金机械企业的积极作为,务必使自己成为环境友好型企业的一员。

2.3.做好机械的减震除噪

冶金机械行业在进行机械制造过程中,要合理控制处理噪音问题。机械震动是噪音污染的重要因素,在对冶金机械进行设计之初就要考虑到其投入生产之后,会不会比较容易发生震动现象,为了杜绝这一现象发生,需要在机械整体与结构的布局中,去设计震动比较小的机械产品。

2.4.提高密封技术,谨防泄泥

冶金机械的泄露问题是所有问题中较为严重的问题,其直接的后果是引起资源的浪费,同时又造成环境的污染。机械自身的使用寿命和工作性能也会直接受到影响。因此,机械的防泄漏是绿色设计的重要内容。要使机械不容易发生泄露现象,就必须采用比较高的密封技术,尽管国内密封技术近十年有较大进步,但与国内工业技术的发展相比仍有较大差距,因此要加快研发新的密封产品。

结语:

随着人们生活水平的不断提高,对良好自然环境的要求也越来越高,开始逐步认识到绿色设计对人们的重要意义。冶金机械行业一直是高污染行业,但又是人们社会生活中必不可少的一部分,因此如何使其在环境保护以及可持续发展的道路上健康发展是非常重要的一个课题。笔者从几个方面对冶金机械制造行业的绿色设计基本内容进行阐述,希望未来冶金机械制造企业能够充分利用绿色设计的理念,走上可持续发展的道路。

参考文献:

[1]韩军霞.机械制造过程中绿色制造技术的应用[J].科技资讯.2011(16).

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关键词:机械产品;方案设计方法;发展趋势

引言

科学技术的飞速发展,产品功能要求的日益增多,复杂性增加,寿命期缩短,更新换代速度加快。然而,产品的设计,尤其是机械产品方案的设计手段,则显得力不从心,跟不上时展的需要。目前,计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究,并初见成效,而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此,作者在阅读了大量文献的基础上,概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法,并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征,可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

1、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是:将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统,每个设计要素具有独立性,各个要素间存在着有机的联系,并具有层次性,所有的设计要素结合后,即可实现设计系统所需完成的任务。

系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出,他们以系统理论为基础,制订了设计的一般模式,倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上,制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。

制定的机械产品方案设计进程模式,基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外,我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想,其中具有代表性的是:

(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础,从产品开发的宏观过程出发,利用质量功能布置方法,系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

(2)将产品看作有机体层次上的生命系统,并借助于生命系统理论,把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求,形成产品功能系统结构。

(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题:一是把要设计的产品作为一个系统处理,最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系;二是将产品设计过程看成一个系统,根据设计目标,正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同,进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”,认为一个产品的五个设计元素值确定之后,产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT,用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息,实现了系统结构、功能关系的图形化建模,以及功能层之间的联接。

将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面,利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点,将设计方法解与信息技术进行集成,实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。

文献[11]将语义设计网作为设计工具,在其开发的活性语义设计网ASK中,采用结点和线条组成的网络描述设计,结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等),线条用以调整和定义结点间不同的语义关系,由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型,使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达,实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。

1.3“构思”—“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为:根据合适的功能结构,寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现,并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”,“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图,先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”,再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置,得到结构示意图。Roper,H.利用图论理论,借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念,以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图,把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述,形成了有效地应用现有知识的方法,并将其应用于“构思”和“设计”阶段。

从设计方法学的观点出发,将明确了设计任务后的设计工作分为三步:1)获取功能和功能结构(简称为“功能”);2)寻找效应(简称为“效应”);3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程:策略1:分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此,可以在各个工作步骤中分别创建变型方案,由此产生广泛的原理解谱。策略2:“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联,单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时,辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验,产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3:“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域,如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件,以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4:针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发,通过零件间不同的排序和连接,获得预期功能。

1.4矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系,得到满足要求的功能设计解集,形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵,以描述满足要求所需功能之间的复杂关系,表示出要求与功能间一一对应的关系。

Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础,把机械系统的设计空间分解为功能子空间,每个子空间只表示方案设计的一个模块,在抽象阶段的高层,每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示;在抽象阶段的低层,每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型,并借用键合图表达元件的功能解,希望将基于功能的模型与键合图结合,实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换,寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

2、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出:定义设计任务时以功能化的产品结构为基础,引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务,即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解,这样,能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾,早期预测生产能力、费用,以及开发设计过程中计划的可调整性,由此提高设计效率和设计的可靠性,同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层,(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录,对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解,而具有新型解的专用功能只是少数,因此,在专用机械设计中采用功能化的产品结构,对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

提倡在产品功能分析的基础上,将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构,通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件,甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部),并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化,具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术,将变形设计与组合设计相结合,根据分级模块化原理,将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级,并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块,再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具,提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排,形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息,非常有利于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征,将其归纳成四种类型:1)元件间直接定位,并具有自调整性的部件;2)结构上具有共性的组合件;3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接;4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则,由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中,用“功能建立”模块对功能进行分解,并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

3、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是:用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验,建立相应的知识库及推理机,再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征,以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策,完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计,必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此,国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作,采用的方法可归纳为下述几种。

3.1编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类,并利用代码描述功能元和机构类别,由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上,将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合,建立了该“专家系统”的推理机制,并用于四工位专用机床的方案设计中。

利用生物进化理论,通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理,在机构方案设计中,运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图,再通过编码技术,把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串,并根据设计要求编制适应值,运用生物进化理论控制繁殖机制,通过选择、交叉、突然变异等手段,淘汰适应值低的不适应个体,以极快的进化过程得到适应性最优的个体,即最符合设计要求的机构方案。

3.2知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计,采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合,这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中,将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起,以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程),按面向对象的编程原则,用框架的槽表示对象的属性,用规则表示对象的动态特征,用过程表示知识的处理,组成一种混合型的知识表达型式,并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中,利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT,借助于面向对象的方法,创建了面向对象的设计方法数据库,为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容,由此寻求出基于知识的解,并开发出直线导轨设计专家系统。

3.4设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录,并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

3.5基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中,采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案,用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”,通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

4、智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是:根据设计方法学理论,借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术,以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在利用数学系统理论的同时,考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221,研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时,把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段,并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性,如色彩、形状、表面质量、人机工程等等,并将最初的设想用CAD立体模型表示出,建立能够体现整个产品外形的简单模型,该模型可以在虚拟环境中建立,借助于数据帽和三维鼠标,用户还可在一定程度上参与到这一环境中,并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据,也是几何图形显示设计变量的依据,同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理,在立体模型上配置和集成解元素,解元素根据设计目标的不同有不同的含义:可以是基本元素,如螺栓、轴或轮毂联接等;也可以是复合元素,如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统;还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后,即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析,产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中,主要论述了装配过程中CAD技术的应用,提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程,即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系,由此发现难点和问题,并找出解决问题的方法,并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段,可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此,可以较早地发现各个阶段中存在的问题,使产品在开发进程中不断地细化和完善。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术,重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统,并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术,在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察,如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善,应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中,例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台,将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计,并以变量设计技术为基础,建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看,其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上,借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能,使原理图随着机构的结构参数变化而变化,并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

5、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述,系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分,拟定出每一层欲实现的目标和方法,由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起,使整个设计过程系统化,使设计有规律可循,有方法可依,易于设计过程的计算机辅助实现。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块,通过结构模块的组合,实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品,由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定,结构模块的划分比较容易,因此,采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系,一个实体通常可以实现若干种功能,一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此,若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计,结构模块的划分和选用都比较困难,而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行,也难以用数学模型进行完整的描述,而需根据产品特征进行形式化的描述,借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此,欲实现计算机辅助产品的方案设计,必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题,由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前,智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计,直观性较好,开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中,但系统性较差,且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定,要求软件具有较高的智能化程度,或者有丰富经验的设计者参与。

值得一提的是:上述各种方法并不是完全孤立的,各类方法之间都存在一定程度上的联系,如结构模块化设计方法中,划分结构模块时就蕴含有系统化思想,建立产品特征及设计方法知识库和推理机时,通常也需运用系统化和结构模块化方法,此外,基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中,视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块,并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中,即将结构模块化方法融于系统化设计方法中,不仅可以保证设计的规范化,而且可以简化设计过程,提高设计效率和质量,降低设计成本。

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概念教学和探究教学一样也是培养学生科学素养的一种途径.它以纠正、补充、完善学生的前意识,建构正确的认知为己任,意在给学生的日常生活、学习及以后的人生产生有意义的影响.就新课标初中物理概念教学谈一下自己粗浅的认识.

一、前置概念的构建

物理概念教学中无论采用何种教学策略,学生之间、师生之间的讨论和交流都不可或缺.只有进行充分的讨论和交流,才能暴露学生学习概念中的困难.进行交流时教师不仅应关注已有共识的同质性回答,更应重视异质性反馈,异质性反馈往往是学生学习物理概念过程中观念的碰撞和思想交锋,能够帮助学生从理性上认识物理概念.在概念的形成过程培养学生的思维能力,使学生学会学习.

概念教学注重学生前意识的了解,并基于学生的认识设计教学,帮助孩子建构概念.在物理教学中就要让学生充分展示前意识.孩子对好多问题都有自己的认识、看法,但是这些认识可能是正确的,也有些是不正确或是不清晰的.例如有的孩子就认为光是沿曲线传播的,转着圈的这串那转的,要不然不会哪哪都有光.基于孩子的这样的认识,老师设计教学时就可以直切主题,公布孩子的各种观点,引起孩子之间相互质疑,让他们争论,真正产生想探究这个问题的迫切愿望.而老师对孩子的想法通过前测已基本了解,在引导孩子设计实验方法时,孩子会基于自己的认识,设计一些相关的实验方法,如有的孩子需要一些尘土,扬起来之后,用手电筒的光射过去,看看光线的传播途径,于是老师提供烟雾箱,建议孩子用烟雾代替尘土――孩子通过探究,会使先前不正确、不清晰的概念变得清晰、正确.长此以往,孩子再遇到问题就会质疑自己的原认识,形成主动探究的科学意识.再如关于物质基本属性的概念 初中物理给学生介绍了很多有关物质基本属性的概念.如质量、密度、熔点、沸点、比热、电阻等.通过这一类概念的教学,要使学生学会认识事物的基本方法,这就是抓住事物的本质属性,以此来认识事物,区别事物.一方面可以在学生初入门时,就激发起学习的兴趣.更重要的一方面,可以使学生由此及彼进行联想:物与物在本质上区别还有没有别的方面属性?为以后其他概念的教学作好必要的铺垫.自然界中的一切物体都在不停的变化之中,而这种变化都按一定的物理规律进行.如能量的转化过程中,在一定条件下,电能、热能、机械能间都可以相互转化,但在转化过程中都遵循一个规律即能的转化和守恒定律.逐步使学生在前置概念构建时建立起一个“相对的”概念.

二、用探究的方法学习概念

新课标突出了科学探究的应用,科学探究既是学习内容又是学习方法,概念教学中通过对前置概念的质疑,提出问题.结合实际形成猜想,通过实验,观察实验现象以及对实验数据的分析,讨论,突出概念的本质属性.这种方法在概念教学中有着广泛的应用.在课程标准中表述“能通过常见事例或实验,了解……”“通过实验探究,理解……”“通过观察和实验,初步了解……”比比皆是.内能概念的教学,《标准》是这样表述的:了解内能的概念――属于“了解”水平,要求从物体内所有分子的动能和势能之和来定义内能.要通过实例让学生了解内能是能量 一种重要形式,它与人们的生活息息相关.不仅反映概念教学对科学探究的要求,还体现了“从生活到物理,从物理到社会”的新课程理念.

机械效率是抽象的概念,要理解机械效率必须先理解有用功、额外功和总功的概念.概念嵌套,逻辑关系比较复杂.对于较抽象类的概念更要运用科学探究的方法,层层剥离,突出概念的本质属性.解决方法:通过创设物理情境,让学生比较动滑轮提升重物的不同组合方式,引导学生思考如何从功出发研究机械的性能.通过对物理情境和实验的探讨,明确有用功、额外功、总功的含义.通过对数据分析、比较,得出机械效率的定义,并根据测量数据计算各组装置的机械效率.结合实际让学生体会机械效率的意义,为下一课时分析简单机械的机械效率与哪些因素有关,如何提高机械效率等问题打好基础,从而更加深入的理解机械效率.

物理教学中老师觉得抽象概念难讲,学生觉得抽象概念难学,像这样的抽象概念通过科学探究的方法,联系实际的例子可以变抽象为具体,让学生更容易建立对概念的理解.再通过课件演示,使抽象的知识变得形象、具体,便于学生接受.

三、概念教学应注意的问题

如果在教学中能够注意到以下几点,肯定可以事半功倍.

1.重视创设情境引入概念

从学生熟悉的生活现象引入概念,因为生活实践留在记忆中的形象(表象)容易为学生理解.尤其对于初中学生,从生产生活中感知到的大量的、丰富的物理现象是他们认识物理概念的必要的感性材料.这些感性材料为他们创造了一个良好的物理环境.教师利用好这些生活素材布置学生观察或动手实验往往能起到事半功倍的效果. 为了激发学生学习物理概念强烈欲望,教师必须充分发挥课堂演示实验的作用.对初中学生,尤其要讲究实验形象、鲜明、生动.在讲授新概念之前,教师千方百计要从形象入手.一开头就抄黑板写定义的方法,注定不会收到好的教学效果的.

2.通过应用,对物理概念加深认识

学生对物理概念的理解往往停留在表面的认识上,不能抓住物理现象的本质属性并加以联结概括,深入不下去.这时就需要教师在学习中不断加以引导.从正面、反面、侧面全方位地启发学生的思维活动,使他们深入理解概念的本质属性.对于物理实验中的各种物理现象,初中学生往往出于好奇心,而不是有目的地去观察,只停留在物理现象的个别特征上.这样不利于物理概念的形成. 因此教师应把学生的好奇心引导到善于观察物理事实方面,不仅要发现物理现象的个别特征,而且要发现特征间的联系,从而培养学生的观察能力. 此外,教师的主导作用还应表现在对学生抽象概括能力的培养.如在惯性教学中,学生往往能根据紧急刹车等现象列举出某一具体物体在某一状态下具有惯性的实例,这时教师就应在此基础上引导学生概括出任何物体在任何情况下都具有惯性,由此进一步得出惯性是物体的一种属性的结论.

3.合理运用概念,分析概念间的相互联系

运用物理概念进行分析,解决实际问题,既是深化认识的过程,也是检验学生对概念认识是否正确的主要标志.必须对概念规律的内在联系加以挖掘.有些同学对每节课的单个概念理解,却不善于把这些概念有机地联系起来.物理概念之所以有用,不仅在于它是具体的物理现象的概括和抽象,而且在于它与其他概念的联系.学生不能把相关概念综合成一个相连相容的概念网络,也就不能把它们应用于各种物理场合.事实上,初中物理的许多概念前后都有联系,只要教师精心设计,即可收到一石数鸟之效.这样,使学生的知识形成系统化.

4.在物理概念教学中,注意教法的多样化

(1)从错误中强化概念的认识,物理概念的学习重在理解.

(2)应用“类比法”帮助理解物理概念.初中物理的许多概念如速度、功率、密度、电阻等等,在定义的时候思路上是完全相同的:通过两个物理量的比值反映物体本身的某种属性.对这些概念,通过类比,使学生能够融会贯通.

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关键词:工程教育认证;模块;工程能力;权重

一、引言

我国高等院校培养出的工科技术人才总量居世界前列,但我国工程教育还没有使企业和学生满意,主要表现是,学生工程意识较弱,实践能力较差[1]。开展工程教育认证,一方面给我们带来新颖的育人理念,另一方面有助于我国未来工程专业毕业生获得国际执业资格。对于机械设计、制造及自动化专业来说,准备和通过工程认证,是学校培养合格机械工程师的有效保障,就是要以国家机械类工程教育专业认证标准为指针,对该专业的培养目标,教学理念、教学内容、教学方法、评价机制等方面进行相应的改革。

二、工程教育认证与“模块化”教学改革理念

工程教育专业认证就是工程技术行业的相关协会连同工程教育者对工程技术领域相关专业(如机械工程、土木工程)的高等教育质量加以控制,以保证工程技术的从业人员达到相应教育要求的过程[2]。工程教育认证是对工程教育最低标准的检查,保证未来工程师从业人员获得质量可靠的,与其职业发展密切联系在一起的专业教育,促进了工程教育的职业化和专业化,保证了工程教育与工程师职业密切联系,促进工程界与教育界密切联系[3]。其核心理念是,工程教育要以学生学习成果为目标导向,通过有力引导,确保工程专业毕业生达到专业认可的既定质量标准要求,这就需要将学生的培养目标和毕业出口导向要求放在极其重要的位置,以此做为合格性指标,推进工程教育工作。具体到专业课体系设置乃至每门课程安排,其要求和内容应把学生放在教学主体地位,围绕学生能力培养,以学生能力的全面提升为目标导向来组织和持续改进[4]。德国高等教学中“模块Module”通常由几个相关联的教学课程组成,一个模块构成一个相对独立的教学单元[5,6]。模块以培养学生的能力为目标,不过分强调学科的知识性和内在逻辑性。德国应用科技大学把能力分成三类,即专业能力(与专业相关的知识技能储备)、方法能力(用恰当方法解决实际问题的能力)、社会能力和自我能力(交际能力、团队精神、自学能力)。为了实现不同的能力可采取不同的教学活动,要有讲座课、研讨课、练习课、实验训练课、项目教学课、学生自学等。为了实现专业能力,多使用讲座课,而实现方法能力、社会能力和自我能力多采用研讨课、练习课、项目教学课等不同形式的教学活动。国际工程认证与德国高等教育“模块化”共同的教育理念是,把学生放在教学的主体地位,以学生的能力培养为主要目标,而专业认证更加注重学生的培养目标与学生学习成果的达成度,更加强调持续改进性。

三、面向工程认证的模块化教学改革探讨

(一)专业培养目标、毕业要求及课程模块化整合

通过走访用人单位,分析了机械行业对机械设计、制造及自动化专业人才的需求,及本地区的特殊需求,提出了本专业培养目标及毕业要求。其中,专业培养目标是学生经过五年的学习之后所达到的要求。该专业培养目标是,培养德、智、体、美全面发展,具有较高的思想道德、文化修养和较强的工程实践能力及创新精神,具备机械设计、制造、自动化基础知识及其应用能力,能在复杂的机械工程及相关领域从事机械设计、制造、技术开发、设备维护、生产管理等方面工作的工程应用型人才。针对培养目标,我们提出了学生毕业时达到的要求,即毕业要求。毕业要求共有7条,关于机械设计制造我们提出这样的毕业要求:能运用机械设计制造原理,正确理解和绘制复杂的机械加工零件图、产品装配图及加工工艺过程流程图,并综合分析经济、社会及相关工程因素,使用计算机进行复杂机械产品的辅助设计和制造。鉴于上述毕业要求,分析了从事机械制造领域工作的毕业生应具有如下几方面的能力。1.从事机械制造工艺规程编制与实施的工作能力。2.从事工艺工装的设计制造工作能力。3.对机械制造装备进行设计、维护、改造的能力。4.运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力;运用计算机进行辅助设计、制造的能力。围绕上述能力,我们对教学内容进行了模块化重组,把切削原理与刀具的内容与数控技术中数控编程并入机械制造技术I模块,而把数控机床的电控内容并入机械制造装备及其控制模块内容。这样处理的好处是机械制造I、机械制造II模块以编制机械制造工艺规程为主线,系统介绍了编制工艺规程所需要的知识,包括数控加工知识,从而大大提高编制工艺规程能力[7]。

(二)细化可评测的学习目标

机械制造技术模块的学习,有助于学生具备从事机械制造方面工作的能力,对专业培养目标及毕业要求达成,做出自己应有的贡献。为了实现上述能力,比如能从事机械制造工艺规程的编制与实施的工作能力,提出了如下学习目标及其权重值,如表1所示。目标要求2、3对于学生提高从事机械制造工艺规程的编制与实施的工作能力含权值较高。另外,编制工艺规程所需的基本概念,主要指工艺过程及其组成,生产纲领、生产类型、零件结构工艺性等问题,目标的实现,不是死记硬背,主要体现在能在实践中灵活运用,因而学生的实践能力,分析问题和解决问题能力也是也是很重要的。

(三)围绕学习目标设计学习任务和学习活动

根据学习目标的权重值,设计不同的学习任务及学习活动。对于权重值较高的学习目标,可以通过讲课、作业、实验、实习、项目驱动来达到目标要求。对于表1中含权值较高的学习目标,牵涉的概念较多,比如工序基准、定位基准、限位基准、粗精基准选用原则及工艺路线安排原则等。这些概念,大多都是在实践中进行的总结及理论提升。学生大部分来自学校,实践经验不足,对上述概念原则无法理解,因此会感到枯燥乏味,只能死记硬背通过考试,达不到学习目标要求。为了达到学习目标,除了讲课、作业等正常教学活动以外还可以通过以下教学活动来解决。1.夹具拆装实验。夹具拆装实验就是把学生分组对某个夹具及其工件进行测绘、组装,并画成相应的装配图。通过该实验,学生对夹具的功能、组成有所了解。尤其对定位元件及其作用有了较强的感性认识,加深对工序基准、定位基准、限位基准概念的理解,同时对精基准选择原则中基准重合原则有了直观的了解,锻炼学生的实践能力,促进了学习目标2达成。2.实习,项目驱动教学。机械制造技术模块中的工艺规程编制这一章的内容,大部分是如何编制的规则,如果在教学中照本宣科,学生无法理解,只能死记硬背通过考试,无助于提高学生的工程能力。因此,我们以项目驱动方法来完成教学。所谓项目驱动教学法,是指在教学过程中,以项目的展开为主线,将相关知识点融入到各个项目环节中去,进行层层推进,安排学生分小组围绕工程项目进行讨论,协作学习,最后通过共同完成项目的情况来评价学生是否达到教学目的的一种教和学的模式。为了达到使学生具有编制工艺规程的能力这一教学目的,使学生置身于工作现场中,以一个典型零件的工艺规程编制为项目,通过学生自主、互动学习编制工艺规程有关的理论知识,例如,加工零件粗、精基准的选择,加工工艺路线制定等理论,在老师的指导下,以学生为主,来完成该项目。通过教学实践,发现该种教学方法的特点是,由以教师为中心转变为以学生中心,由以教材为中心转变为以项目为中心,学生能真正理解编制规则,提高编制工艺规程能力。

(四)评估实际学习效果

通过不同的学习任务和学习活动,来促进学习目标达成。要想合理评估学生的学习效果,必须有一个正确的学习效果评价标准。过去只是以考试或者项目报告书作为评价标准,而不考核全过程,导致学生项目报告互相抄袭,考前重视背诵讲义内容,没有达到提高学生工程能力的目的。我们以考核学生的全过程作为学习效果评价标准,现推出一种n+2考核方法,n里面包括项目、论文、测验等多种考核方式,占总成绩的50%,平时笔记占10%,考试成绩占40%,考试成绩不超过50分或过程考试不及格,最终成绩均不及格。这样,不是以考试成绩作为最终成绩,使学生对过程更加重视,有助于提高学生的工程能力,考试中围绕学习目标及含权值出题目,题目源于各个教学环节,很多试题答案并不唯一,重点考查学生的工程能力及迁移能力。

(五)反思与持续改进

通过一学期的教学实践,学生对机械加工路线拟定掌握并不十分理想,平均得分较低,未达到预期的教学效果。究其原因,该部分内容是教学难点,学生在对口工厂实习机会较少,对加工手段认知较少,另外,学生的识图能力较差。下学期准备增加加工手段视频播放,以弥补学生的现场经验不足;和机械制图老师沟通,多进行识图方面的训练。

四、结语

通过上述面向国际工程认证和模块化教学改革的研究,我们得到如下结论。1.以工程教育认证及“模块化”教学理念,分析了机械设计制造及自动化专业培养目标及毕业要求,提出了从事机械制造领域工作所应具备的能力,并对教学内容进行模块重组,打破了学科的界限,突出学生工程应用能力培养,从而更容易促进培养目标及毕业要求达成。2.围绕某一工程能力的提高,提出了不同的学习目标及权重值,根据权重值不同,设计不同的教学活动,以加强学习目标达成;围绕不同的学习活动,提出了过程考核的考核标准,考试题目源于各个教学活动,以考查学生是否达到相应的毕业要求。3.围绕着工程认证所进行的教学改革,虽取得一定成绩,但也存在一些问题,学生的实践认知能力有待进一步提高,学生的识图能力较差,学习主动性有待进一步加强。在以后的教学中,我应继续深入研究,持续改进。

参考文献:

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[2]陈文松.工程教育专业认证及其对高等工程教育的影响[J].高教论坛,2011,(7):29-32.

[3]韩晓燕,张彦通.工程教育专业认证制度及其对工程教育的影响[J].大学研究与评价,2008,(1):86-89.

[4]万林林,伍俏平,郑朝晖.工程教育认证下机械制造装备设计课程改革[J].当代教育理论与实践,2015,(4):40-42.

[5]宿静瑶,汪木兰,曹雪虹等.德中应用高校机械类本科专业模块化教学体系比较研究[J].中国现代教育装备,2013,179(19):89-92.

[6]张鸣放,窦力军,于雷.中德应用型大学课程设置比较分析[J].高教研究,2011,(6):50-55.

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Abstract: In recent years, people are paying more and more attention to the safety of mechanical system and have raised new requirements for the intelligent level of mechanical system. In order to enter the team of machinery manufacturing power, China must promote the original innovation of mechanical system. This paper makes comprehensive analysis of the monitoring possibility design of mechanical system and studies the influence of system theory and life cycle theory on the construction of monitoring possibility design theory of mechanical system.

关键词: 机械系统;可监测性;状态监测

Key words: mechanical system;monitoring possibility;situation monitoring

中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)24-0032-02

1 概述

机械对于人类文明的发展而言,有着非常重大的意义,它是人们转换能量、改造社会,提高社会生产率的主要工具。机械工业的发展水平标志着一个国家生产力的发展水平。随着科学技术的不断发展,机械装置的体积、质量不断增大,复杂程度也在不断的提高,机械系统运行参数个数不断地增多。机械系统这些方面的改变与发展,势必会提高整个系统运行过程中的不确定性,导致经济生产活动以及科学探索活动突发、中断事故的增多。机械系统体积的增大,复杂程度的提高,对系统安全可靠运行有着很大的影响,很容易增加系统的研发成本;科技的发展使得机械系统所应用的环境有着飞速的扩展,更多的复杂恶劣环境都对机械系统性能有着更大的考验;很多领域都需要机械系统能够长时间的安全可靠运行,对于无故障运行时间有着新的更高的要求;很多机械系统均与操作人员的生命息息相关,这不得不促使人们关注机械系统运行的安全可靠性。所以,不论是从机械系统的发展方向上,还是从社会对机械系统新的要求上,均要求其有着更高的可靠性与安全性,机械设备状态监测技术是未来机械设备发展的重要方向。

2 可监测性设计理论体系的理论基础

2.1 系统理论 所谓系统,就是相对于个体而言整体的寓意。不同学科对于系统的定义也不同,所以至于系统的确切含义与理解,不同学科之间也存在着很大的差别。系统论指出,系统就是不同数量的元素之间按照一定的结构组成具备某种功能的有机的统一整体,它不仅仅需要确定结构以及组成要素,还需要对各个组成要素之间的关系做出明确的定义。现如今,普遍接受的系统论是由美籍奥地利人、理论生物学家-贝塔朗菲所创立的,它针对系统的模式、结构以及内部规律进行了深入的分析与研究,按照数学理论定量的对系统特征(整体性、结构等级分层、相互关联、动态平衡、时序性等)进行了全方面的描述。

2.1.1 系统论核心思想 系统论的核心思想就是系统整体性,该理论把世间所有的事物均看做是一个整体,统称为一个系统,这个系统是由很多不同的组成部分按照一定的逻辑,合理的组合在一起的,并不是这些组成部分随机组合的。系统所表现出来的整体性是单独的组成部分所不具备的,只有每一个组成部分有机的结合在一起,相互关联才能够共同发挥作用。同样,系统如果失去了任何一个组成部分,那么其整体性能也会出现很大的变化,从而影响其整体特性。

2.1.2 系统论研究方法 使用系统论去研究问题,最核心的方法就是把被研究对象看做是一个整体,是一个系统,通过系统论的思想去分析与研究对象的各种特性,去把握

被研究对象各个组成部分之间的关系以及相互之间所存在的变化规律,最终实现被研究对象的全面性能优化。

2.1.3 系统的种类 我们可以把整个世界看作是很多系统的集合,在这个集合当中存在着多种多样的系统,不同的系统其组成成分也有着很大的区别。区分不同系统的方法有很多种,所使用的方法以及出发的角度均会划分出很多种不同的系统集合。譬如,所谓大小系统之说,就是从系统的容量大小角度出发来划分系统的。

2.1.4 系统论研究的目的和意义 之所以要对系统论进行深入的分析与研究,就是为了能够更加全面的认识系统普遍存在的特点及共性,从而能够更好的把握系统的发展规律,去管理并控制系统,进而创造出新的优化的更加符合社会发展方向及程度的系统。总之,对系统论的研究可以全面的优化现有系统结构,促进所涉及学科更加合理快速的发展,为现代科学理论提供更有价值的技术支持,能够解决社会发展过程中出现的越来越复杂的问题。

2.1.5 系统论发展趋势 从当前的发展方向来看,系统论有着越来越多新技术、新知识的融合,使得该理论得以快速健康的发展,未来的发展趋势可以归纳为两个方面:当前先进的科学技术、新兴学科与系统论相互融合;信息论、控制论在系统论的基础之上,共同向着同一个方向发展。

2.2 层次分析法

2.2.1 层次分析法 上世纪70年代初,美国著名的运筹学专家萨蒂在网络系统理论和多目标综合评价方法的应用基础之上,提出了层次分析法这一概念。这种方法实质上就是针对层次权重分析所提出的一种最为合理科学的方法。随着工业水平的不断发展,层次分析法在解决复杂决策问题的定性与定量分析上有着非常明显的优势。对问题进行定性定量,根据所反映的综合信息,通过专业判断来对目标标准进行加权处理,从而匹配出标准相对重要度,这样就可以根据所得到的相对重要度来排列解决方法的优先顺序。该方法在1982年就已经进入我国,并在很多行业中得到了应用。正是由于其在定性与定量结合处理复杂问题上的优势,使得其在我国很多领域内都有着广泛的认同。

2.2.2 基本原理和基本流程 通过层次分析法来对问题进行研究,其基本原理就是根据问题的性质以及所要实现的最终目标,把被研究问题划分为多个不同的组成成分,同时根据成分与成分之间的相互关系再细分为不同层次的组合,从而构建出一个多层次的用于分析研究的模型结构。这样所要研究的问题就变成了对不同层次相对重要权值的确定,或者说优劣情况的排序。使用层次分析法来研究具体问题,可以将整个步骤用图1来表示。

3 可监测性设计理论体系研究

3.1 机械系统可监测性设计研究的必要性

①机械产品设备及系统逐渐的向大型化、复杂化、高集成、多参数以及自动化方向发展,工业发展需要更为可靠、更加智能的机械水平,对工作环境有着更高的要求,而且机械设备的维护也越发的复杂与困难。显然,机械产品设计需要全面的更新改革。②现在很多产品在设计时并不会考虑到未来的监测问题,所以大部分产品机械系统的可监测性能较差,对于其使用过程中状态信息的收集十分复杂困难。即使通过其他手段采集到了状态信息,也因为各种因素导致信息的过时或者缺失。这些情况均无法准确实时的反映出系统的实际状态。

3.2 基于系统工程论的机械系统可监测性设计理论

3.2.1 可监测性设计研究对象及相关的技术领域

①可监测性设计研究的对象。相对于整个庞大的系统而言,产品最为重要的一个设计属性就是可监测性。也就是说,对于某一个组成部分或者某一块组成部分进行可监测性研究是没有任何意义的,必须是对于整个系统而言,才有可监测性这一概念。基于此可以得到,可监测性设计所要研究的对象首先是机械,其次是整个系统。

②可监测性设计相关的技术领域。可监测性设计理论是多种学科交叉的一门基础理论,它涉及到机械学学科、信息学学科、数学学科、材料学科等多个领域。从整体上来看,想要进行一个全面的可监测性设计,必须要使用到计算机、网络通信、系统工程、优化算法等多种技术。

3.2.2 可监测性设计的研究内容

根据上述的研究知道,可监测性设计是对于系统而言的,对于系统中的任何一个组成部分均没有可监测性设计这一概念。实质上,可监测性设计是一个综合性设计,它需要全面综合考虑系统的每一个部分以及他们之间的相互关系,综合考虑系统的运行过程以及各种监测技术的相互配合。通过对系统监测可观性、可达性的分析与研究,实现内外部监测设备通力配合,保证系统状态监测的全寿命周期设计。图2给出了可监测性设计理论体系的主要内容。

①可监测性设计相关术语研究。这一部分的研究主要是通过CMFD技术、PHM技术、现代机械设计理论等,加之系统的科学调研过程以及领域内专家的研讨等方式,全面的对机械系统状态监测以及现代设计理论进行研究,形成可监测性设计体系所使用的基本术语。

②可监测性分配方法研究。可监测性设计的关键就在于科学的选取测点,这对于最终设计的实施效果有着非常重要的影响。实质上,可监测性分配方法就是对系统监测点优化的一个过程。具体来说,就是通过可靠性、维修性等分配方法理论,按照机械系统高可靠性、高安全性以及智能化的设计目标,最终实现准确反映机械系统运行状态信息的可靠获取。

③可监测性设计方法研究。在对机械系统设计方法全面深入研究的基础之上,通过可靠性设计、可维修性设计以及保障性设计等方法上,对可监测性设计的设计标准、实施过程,采用并行工程思想以及全生命周期设计理念进行系统效益、安全、可靠等多参数分析,共同构建可监测性设计方法体系。

④可监测性设计评价研究。进行科学评价制度的构建是可监测性设计的关键部分,这个研究过程影响着这个可监测性设计的内容。这里面不仅仅包含了对设计阶段的评价,还包含着生产阶段、使用阶段的评价内容。简单来说,就是依靠已有的系统评价理论以及相关方法,对所收集到的各种机械系统运行数据信息,构建一个各种特征参数信息均可研究的机械系统可监测性设计评价体系,从而实现对系统可监测性设计各个阶段的科学有效评价。

参考文献:

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[2]王权伟,蒋里强,王维兴.武器系统维修性分配的线性规划方法研究[J].装备指挥技术学院学报,2006,17(3):33-36.

[3]李昕,张春良,李建.机械故障诊断技术的发展及其在核机械中的应用[J].装备制造技术,2009(10):104-109.

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机械可靠性设计的任务就是提供实际计算的数学模型和方法,在机械产品的研发阶段预测其在规定工作条件下的工作能力或寿命。本文通过结合可靠性理论研究的历史及现状对机械可靠性设计理论进行深入分析,阐明了可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计、可靠性稳健设计、可靠性试验、传统设计方法与可靠性设计相结合等机械零件可靠性设计理论与方法的内涵,为今后机械零件可靠性设计提供系统的理论和方法。

关键词:机械零件;可靠性优化设计;机械产品

中图分类号: F407 文献标识码: A

现在,可靠性设计,又称机械概率设计,是机械零件现代设计方法之一。目前,该设计方法广泛应用机、汽车等重要产品以及其它机械产品内重要部件的设计过程中。作为常见的建材机械,我们在设计挤砖机及其辅助机组的结构、部件、零件时,仍主要使用传统的设计方法。能不能把先进、科学的可靠性设计方法应用到挤砖机等机械产品的设计中去,本文通过研究可靠性设计理念,给出上述问题一定的借鉴。

1.机械零件可靠性设计基本理论

在实际工程中,人们逐渐认识到,除了随机性以外,在工程中还存在着另一类重要信息:模糊信息。所以传统的可靠性方法就是用概率论和模糊理论处理不确定性,但概率可靠性和模糊可靠性模型都需要用较多的数据去定义参数的概率分布或隶属函数,且计算量较大。通过研究,建立了结构概率-模糊-非概率混合可靠性模型,该混合可靠性模型能够综合各单一模型的优点。最大限度地将已有的信息利用到产品的可靠性分析中去,并能够更加客观和全面地反映结构的实际安全状况,为分析和设计决策提供更全面而且更真实的有用信息。可靠性设计的精确性和先进性是建立在应力、强度、寿命等数据的真实性、精确性基础上的,重视试验数据的收集和分析,建立可靠性数据库。对设计新产品时有很重大的参考价值,用概率-模糊-非概率的方法解决不确定问题的框图见下图。

2.机械零件可靠性设计理念研究

2.1.可靠性优化设计

可靠性优化设计是在可靠性基础上进行优化设计。既能定量地满足产品在运行中的可靠性。又能使产品的尺寸、成本、质量、体积和安全性等参数得到优化。从而保证结构的预测工作性能与实际工作性能更符合。该方法将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起,在对各参数进行可靠性优化设计时。首先以机械零件的可靠度作为优化的目标函数,使零件的某些指标、成本、质量、体积或尺寸最小化,再以强度、刚度、稳定性等设计要求为约束条件建立可靠性优化设计数学模型。根据模型的规模、性态、复杂程度等因素选择合适的优化方法,最后求出最优设计变量。

2.2.可靠性灵敏度设计

可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行灵敏度设计,充分反映各设计参数对机械产品失效影响的不同程度。便于找出哪些随机变量对机械零件可靠性设计的敏感性影响较大,并对此参数进行重分析和再设计。通过估计设计变量变差和约束变差对质量性能指标影响的大小,改变设计参数中影响较大的参数以使产品对可控因素变差和不可控因素变差的影响失去灵敏性。可靠性灵敏度设计首先建立极限状态方程,然后对各设计参数求偏导数,得到可靠性的灵敏度计算公式,进而确定各设计参数的灵敏度,用灵敏度数值作为再设计时修改设计参数的依据,从而使得参数修改和再设计工作事半功倍。

2.3.可靠性稳健设计

稳健设计能使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感,并使产品在其寿命周期内,不管其参数、结构发生漂移或老化的小范围内,都能持续可靠地工作的一种设计方法。可靠性稳健设计在设计阶段通过灵敏度分析,使产品在不消除和不减少不确定性因素的情况下。通过设计使不确定性因素对产品质量影响的敏感程度最小,从而提高产品质量和降低产品成本。

2.4.可靠性试验

可靠性试验是对产品的可靠性进行调研分析和评价的一种手段。其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。为改善产品的战备完好性,提高任务成功率,减少维修费用及保障费用提供信息。确认是否符合可靠性定量要求,我们通过试验一方面要获取可靠性数据。另一方面要通过产品在试验中发生的各种故障,找出其原因并进行细致的分析和研究以提高产品的可靠性。但实际机械零件的设计方案如果有改变,就必须重新进行一次试验分析,这需要花费很大的人力、物力和财力。所以在可靠性试验前利用一些高性能的软件进行模拟分析能减少试验次数,节约时间和研究基金。

2.5.传统设计方法与可靠性设计相结合

目前采用概率设计法的概念去完善和改进传统的安全系数,使可靠性和安全系数直接联系。广泛应用现有的各种设计方法对产品进行设计计算,并与采用可靠性概率设计方法得出的结果以及实物试验的结果进行比较,从而积累经验,收集和整理可靠性设计。

3、具体实施修复时应考虑的问题

修复时,既要考虑修理损伤处,又要考虑保护不修表面的精度和材料的力学性能不受影响。 零件制造时的加工定位基准往往受损,为此,修复加工时须预先修复定位基准或给出新的定位基准。待修零件的磨损通常不均匀,而且需补偿的尺寸一般较小,可通过机械加工及选择合适的修复方法应对。待修表面在使用中常会产生冷作硬化,并沾有油污等,修理前须有整理和清洗工序。修复中采用各种技术方法,批量小、辅助工时比例较高,尤其对于非专业化维修单位而言,多为单件修复。安排计划、计算工时要留有余地。有些工序会引起零件变形,应注意把变形大的工序安排在前面, 并增加矫正工序,对于精度要求较高、表面粗糙度小的工序放在后面。有些修复手段可能导致零件材料内部和表面产生微裂y等,为保证其疲劳强度,要注意安排提高疲劳强度的工艺措施和实施必要的探伤检验手段。高速运转的零件修复后应安排平衡工序,以保证其平衡性的要求。

4.合理地规定表面的精度等级和粗糙度的数值

在满足产品使用性能的条件下,零件图上标注的尺寸精度等级和表面粗糙度要求应取最经济值

在对机械产品设计进行机械加工工艺性评价时,必须对主要工作表面的尺寸公差、极限偏差逐一加以校核。在没有特殊要求的情况下,表面粗糙度值应与该表面加工精度等级相对应。

尽量选用切削加工性好的材料材料的切削加工性是指在一定生产条件下,材料切削加工的难易程度。材料切削加工性评价与加工要求有关,粗加工时要求具有较高的切削效率;精加工时则要求被加工表面能获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度。

材料的强度高,切削力大,切削温度高,刀具磨损快,切削加工性差;材料强度相同时,塑性较大的材料切削大较大,切削温度也较高,易与刀具发生粘接,刀具磨损加剧,表面粗糙度值增大,切削加工性差;在钢材中适当添加磷、硫等元素,可以降低钢的塑性,对提高钢材的切削加工性有利。

结语:

可靠性是产品的一种动态质量指标。在现代化生产中已经贯穿在产品的开发、设计、制造、试验,使用及维修保养的各个环节之中。对于可靠性知识掌握越多,主观经验的运用就会越少,自然机械结构的设计也就越合理。这正是机械工程技术研究追求的目标。本文通过了解机械工程结构可靠性的研究不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决,而且将其应用到机械结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。所以该课题的研究内容是相当丰富和有意义的。

参考文献:

[1] 陈艳红. 机械零件可靠性设计示例一则[J]. 开封大学学报,1995,04:65-69.

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关键词:概念教学;误区;改进;策略

对生物学科来说,概念多而复杂,概念教学显得非常重要。在生物概念教学的研究上,研究一般策略的比较多,研究具体概念教学的过程则少有涉及。然而,在观察生物日常课堂教学时发现,机械套用概念习得方式进行教学的现状十分普遍,为增强生物概念教学的灵活性、针对性和有效性,就概念教学存在的误区和相应的改进策略探讨如下。

一、对机械套用概念习得方式开展概念教学的误区

人类在认识过程中,把所感知事物的共同特点抽出来,加以概括,就成为概念,这是哲学上大家比较熟悉的对概念的解释。在理论上,概念的习得有两种主要方式:概念形成和概念同化。一个孩子通过别人指称某些交通工具为“轿车”之后,在以后大量接触交通工具以后,直到能区分开“轿车”和“非轿车”时,我们说孩子就获得了“轿车”的概念,人们把这种在校外学习时形成概念的自然方式称为“概念形成”方式。根据“概念形成”模式,有的老师就将一些概念的实例,比如鹦鹉、鸡、鹰、鸵鸟、鸽子等放在一起,让孩子“探究”出什么是“鸟”,看起来因循的是建构主义理论,其实只能算是误用而也。杜威明确地批评过这种做法,“概念不是把很多具有特定意义且早被人们完全理解的事物拿来,将它们一个对一个、一点对一点地加以比较,直至排除相异的性质,保留这些事物所具有的核心。”姑且不说我们可能举不完一个概念所涵盖的例子,也不可能列出这些例子所有的属性来一一进行对比,更何况在没有“反例”存在的情况下,何以界定概念的边界?如果仅从上面的几个例子来归纳,可以归纳出“生物、动物、脊椎动物、肺呼吸动物”等很多共有特征。可见,将这种方式作为概念教学的前奏,让学生熟悉概念的对象情境,尝试推测概念可能的内涵是可以的,要得出较精确的内涵仍得靠“概念同化”方式――定义的途径。维果茨基也批评过这种传统的机械式概念形成观,将其戏称为“集体照相式”――实例叠加找共性。姑且不说这种机械式概念教学的过程是错误的,即便是真正的自发的儿童“概念形成”方式,奥苏贝尔认为也只能出现在学前儿童身上,而对于年龄较大的儿童和成人,则“概念同化”是概念习得的主要方式。

“概念同化”方式,是指利用学习者认知结构中原有的概念,以定义的方式直接向学习者揭示概念的标准属性,从而使学习者获得概念的方式,称之为“演绎法”。据其定义,在教学中常采用的方式就是“定义+举例(正例+反例)”,似乎成了概念教学的两个“标准”步骤。对这种“两步骤”的概念教学,杜威也提出过强烈的批评,“当代所有教育改革都反对从所谓的‘演绎法’入手,反对从定义、分类、解释法则的体系着手,这种反对意见实质上表明,逻辑型知识代表的是较基本的系统知识的、成熟的、专门化较迟的发展阶段;因而当孤立地或作为起点呈现给学生时,逻辑型知识就无意义,而且在教育上是有害的。”维果茨基对这种直接教授概念也持批评态度,并认为直接教授概念实际上始终是不可能的,在教学上是无效的,试图走这条路的教师一般是除了使学生掌握空洞的词语、空洞的言语表达之外什么也达不到。

二、概念习得的活动过程分析

概念的教学过程究竟该如何进行呢?根据皮亚杰的研究,中学生的智力发育已经具备形式运算能力,所以中学生的概念获得不像学龄儿童那样习得概念需要依赖于具体经验的支持,应该主要以“概念同化”的方式来习得。那么,为什么杜威、维果茨基却要批判“两步骤”的概念教学呢?要让学生从真正的意义上理解概念,需要审视概念习得的主要要素:感性(知觉)经验、与原认知结构(已获得概念)的联系、概念的应用。

1.概念习得需要获得完整的表象

从“概念是感知事物的共同特点抽出来,加以概括而形成的”定义可知,概念是起于经验的,但概念显然不能等同于原初的知觉现实,但就其属性来讲,概念总是指向“所代表的具有共同标准属性的对象、事件、情境或性质”,即概念不是虚无的,概念的习得必须以获得完整的表象为基础。虽然中学生的一般智力水平发展已经达到形式运算能力的水平,但中学生学习的科学概念所指称的实例已经逐渐进入微观的领域,此时概念与所指称的知觉经验就容易脱节,比如“原核生物”“遗传物质”“质壁分离”等,杜威认为此时的概念就易成为“空架子”,概念本身倒成为不可理解的神秘物。奥苏贝尔也特别关注过这个问题,并得出了精辟的见解:“即使一个青年或成人思考问题的方式已经处于抽象的认知发展水平,但在第一次介入一门完全不熟悉的学科领域时,他或者她起初总是倾向于以具体的、直觉的方式来思考问题。”作为成年人,当我们第一次通过别人的讲授来学习一个新东西时,比如个人电脑、智能手机等,还会体验到这种脱节的苦恼和无效。

中学阶段的生物概念,除少部分可以借助于日常生活经验的储备外,大多数的科学概念(如器官、细胞、输导组织、呼吸作用)指称和表征的事物多是解剖、探究或显微的,即远离学生的经验世界,此时提供鲜活的感知对象,供学生观察、探究是极其重要的。虽然一些比较抽象的“大概念”(如遗传信息、生物多样性、生物进化等)看起来好像跟具体的表象无关,但正如加涅所说,它们总得以具象的初级概念为基础,仍是离不开感性经验的,这样形成的概念才是接“地气”的、有生命力的。正如大卫・休谟所说,“我们不可能思考任何我们事先没有通过外部或内部感觉过的东西”;康德也说,“思维无感性则空,直观无概念则盲”。产生表象的方式很多,也不限于实物、实验,像模型、图片、视频等皆可,戴尔将这样的经验称为设计的经验。

2.概念习得需要与原有的认知结构建立内在的逻辑联系

与日常概念不同的是,科学概念是有自己的“标准”和系统属性的,同时概念的意义也会随着认识的深化和新的发现而发展变化,比如基因、中心法则等。一个概念无论是基于什么方式获得,都得与“学习者的认知结构中已有的观念联系起来而习得新概念的意义”,这是通过对概念的定义获得概念的标准属性而与其他概念建立联系的。正是由于科学概念有其标准属性,栖居在学科概念的系统中,成为从上下文结构、语境中获得概念意义的基础,也是奥苏贝尔认知结构同化学习论及建构主义学习论的基础。每个生物概念通常都有一个相对稳定的标准属性和意义,这是从事生物研究的共同体成员间长期交往互动的产物,有些概念还具有较强的文化烙印,比如动物、植物、微生物等概念的内涵就与生物分界思想高度相关。因此,通过对概念下定义、举例(包括正例、反例)等方式来明确概念的标准内涵和外延是非常重要的,这正是区别日常概念的关键所在。

3.对概念的真正理解需要在应用中不断发展

概念的应用环节所达成的不只是行为主义意义上的简单的巩固作用。概念是认知和交流的工具,习得概念的目的是用来服务于认知活动的。即便是对概念本身的内涵,也绝非止步于定义,因为概念在从指称到定义及其应用等过程中是不断发展的。当需要习得新的概念或应用概念性知识解决问题等情境时,都涉及已经习得概念的迁移应用,以此来达成对概念的完整理解。杜威认为,“通过这些过程,学习者的概念就获得了整体性、稳定性和明晰性,一个概念就这样形成了”,所以,概念的意义是因使用而更加确定、更加具有普遍性。正如随机通达教学所主张的,“教学要避免抽象地谈概念的一般运用,而是把概念具体到一定的实例中,并与具体情境联系起来。每个概念的教学都要涵盖充分的实例(变式)……使学习者可以形成对概念的多角度理解,形成背景性经验”,从而增加认知的弹性。应注意的是,概念的应用不仅仅是限于列举实例的外延,而是指在学习新知识、联系实际解决新问题的情境中,学习个体将其归摄到某一概念或多个概念下来完成任务的思维活动,这是一种创造性的使用,是深层理解概念、形成概念性理解的重要举措。

三、概念教学的改进策略

通过对概念习得要素的分析,明确了概念教学必备的活动要件,能够理解《义务教育生物学课程标准》的建议,“一方面教师需要向学生提供各种丰富的有代表性的事实来为学生的概念形成提供支撑;另一方面,教学活动不应仅仅停留在让学生记住一些生物学事实,而是要帮助学生通过对事实的抽象和概括,建立生物学重要概念”,也能明白杜威、奥苏贝尔、维果茨基之所以对机械套用概念习得方式开展概念教学进行批判的原因,因为无论是“演绎法”还是“形成式”,都片面割断了概念意义的整体性,前者缺少知觉表象基础,后者背离了科学概念的协商本质――标准与系统性。从理论上看,如班杜拉所言,由于人具有使用符号、存储符号的能力,学习者可以“借助符号”将不同的时空条件下“给自己经受的经验以意义、形式和连续性”,因此,在概念教学的过程顺序上,注意因学情而灵活调整。

结合日常教学中概念教学的情况,在改进策略上,应重点关注两点:一是概念获得的教学过程要素一定要完整;二是因“概念”施教,重视概念获得的活动顺序。下面重点阐述后者,有三种类型。

如果概念的实例对于学生是有一定的经验和熟悉度的,相当于在实例的上面再建立一个上位的概念,应该采用的教学路径是:举例、激活原有表象指称新的概念名称深入分析归纳表象定义概念的内涵、外延概念的应用。比如人教版关于“哺乳动物”概念的编写就是这样。先举“野马、猕猴、鲸、蝙蝠等这些都是哺乳动物,它们形态各异,生活环境差别很大,为什么都属于哺乳动物呢?”,通过这段文字就完成了概念的对象“指称”,能初步激发学生的原有表象。然后是“哺乳动物的主要特征介绍……”,其实是进一步深入介绍这些对象的表象及特点,并在与鸟类等比较和联系的基础上经过总结上升到“哺乳动物”的内涵,再后是关于哺乳动物与人类的关系,相当于概念的应用。值得注意的是,在概念“指称”前举出的实例是为了在实例和“哺乳动物”概念之间建立联系。在阐述“哺乳动物”的实例表象属性时,基于完整性原则,限于篇幅和时间,在教材编写和组织教学时有两种处理方式,一是同时分析少量实例,在初中生物教材中通常如此,另一种方式是先透彻分析一个实例,再采用类比的方法介绍其他实例,这就是原来的动物学、植物学教材编写中大家最熟悉的代表生物法,如鲫鱼、青蛙、鸽子都是大家很熟悉的代表生物,这实际上就是源自德国的案例教学原理。正如奥苏贝尔所说,学校中的概念教学主要属于“概念同化”方式,即便看起来是“概念形成”途径的教学设计,其实最后仍是通过“概念同化”方式介入才能解决。当然,在上面的外延举例中是需要进一步举反例的。类似教学途径的概念还有很多,比如鱼、两栖动物、鸟、性状、真菌等。

如果概念的实例对于学生是完全陌生的,通常是远离生活世界或微观领域的概念,比如减数分裂、转录、翻译、病毒、质壁分离、胚胎移植等,这类概念的教学路径是:转录的“定义”转录的过程应用。在该教学路径中,转录的“定义”其实主要是起到了指称和引出后续的“转录的过程”的作用,如果在学习了转录的“定义”后就让学生复述,其实就相当于机械学习了,因为缺少转录过程的表象,一开始学生是不能理解和关注其准确定义的。因此,在后续的教学中,宜在“转录的过程”学习后,需要再细细地诠释、总结转录的概念。

在生物中,总有少数概念是先使用,经过一段时间后再定义完形的,这种处理方法相当于“留白”,比如人教版《分子与细胞》模块中的“基因差异性表达”。

综上所述,为养成有效概念教学的自觉性,一是需要在教学设计时优先考虑概念教学要素的完整,二是根据学生对概念实例的熟悉程度来调整教学序列,倘若在教学时能辅以图式组织信息的策略,以充分降低学习时的认知负荷,将会进一步增强生物概念教学的有效性。

参考文献:

[1][美]杜威.我们怎样思维.姜文闵,译.经验与教育[M].北京:人民教育出版社,2004:131,155,153,133.

[2][苏]维果茨基.维果茨基教育论著选[M].余震球,译.北京:人民教育出版社,2004:178-180,186,220,185-186.

[3][美]D.P.奥苏贝尔.教育心理学一认知观点[M].佘南星,宋钧,译.北京:人民教育出版社,1994:110,104,288,111.

[4]陈琦.当代教育心理学[M].北京:北京师范大学出版社,1997:102,142.

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关键词:机械设计自动化;发展方向分析;发展前景

DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.200

本文在阐述机械设计及其制造的基本概念的同时,展示了当前机械设计制造的发展水平。并对此行业的发展前景和方向进行了比较全面的分析。

1 机械设计的概念

机械设计的概念产生于1984年的美国,美国机械工程师协会曾经对这一概念进行了贴切并且客观的描述与概括,指出机械设计用于完成机械力学、能量力学以及运动力学的过程中,通过计算机网络进行协调和控制,达到机械和机电部件相互联系效果的自动化系统。这一概括完整的展现了机械制造的内容,从此,机械有了比较基础的理论。该项研究的特征是以机械设计作为系统研究的开始,结合计算机技术、机械技术、信息技术、传感检测技术、微电子技术、机械技术、计算机技术、信息变换技术、自动控制技术、电力电子技术以及软件编程技术等群体先进技术,为的是实现一系列系统功能,以使整体组织结构得到优化。同时可以保持系统的多功能、高质量、高可靠性,为后期实现特定功能奠定基础,并且可以让整个系统处于最良好的工作状态。

因此我们可以了解到,这门技术的无比复杂性与挑战性。此门技术不仅可以充分满足机械对一些精密功能的要求,创造出能够协助不同工作的机械产品,而且还可以让产品的功能完美体现,只需要通过完成从输入端输入随后输出的过程。这门技术的发展方向研究非常重要[1]。随着社会发展,我国机械制造行业也进入了飞速发展期,表面上是机械设计和机械设计制造及其自动化技术的稳步提高,其实质与核心还是科学技术的发展。是科学技术的发展为机械设计带来了春天。把握好机械设计发展方向对机械制造行业的未来有着举足轻重的影响,这使得我们必须提高对相关科技的研究与重视,为机械制造水平的提高创造良好的外部环境。

2 机械自动化设计特征以及应用原理

自动化技术的基础是控制理论,在这过程中有机地将生产过程和人工改进作用结合,使机械设计过程得以实现自动化。进一步说,自动化技术有以下几个方面的特征和原则:首先努力创新。科技水平是不断发展的,那么传统设计方法必定会凸现一些弊端,比如无法满足结构复杂的过程、误差率大、工作量不足等。在当今变革下,规模化、智能化、自动化已经成为整个设计新领域的新要求,只有不断改革创新,使设计水平得到提高,才能满足日益增长的机械设计要求,在面临新挑战时从容不迫;其次借鉴各科技领域等先进成果。此门技术与多领域、多学科交叉、相互融合,想要获得新的科技成就,必须具有高度的前瞻性,积极地融入最新相关理念,积极引入一些新科技例如电子学、计算机仿真技术、机械力学电子学等学;最后注重管理水平提高等。

如今的机械设计与传统的机械设计相比,对我们的管理水平要求更高。曾经等管理经验有很多不再适用于当前设计的要求,这就对研发人员自身管理水平提出了新的挑战,使得广大管理人员不得不将现代化管理模式手段与机械设计本身结合。并且技术人员也要不断提升自身技术素养和专业技能,只有与技术发展大浪潮保持一致,才能不被市场无情淘汰。

随着机械设计及其自动化在一些行业中的运用,其本身与现代技术、传统机电设备结合,自身加以优化提高,不断满足其智能化和自动化的基本技能要求。在实际运用中,微结合了机械技术与电子技术,并且在机电相关行业加入了产品设计、质量检测、制造、开发等工作,也可以加快微型机电系统、加工中心、机器人等方向的发展速度。随着机械设计制造及其自动化行业的飞快发展,加上它全面的功能,已经成为了机械各行业中的基础技术学科,在微电子工业和计算机工业已经被广泛应用[2]。控制系统对机械设备具有精密化的管理,在航空航天、高端武器装备的研制开发中都有着不可替代的技术力量。当前方方面面对机械设备的要求越来越严格,机械自动化设备有着自己更加精密化、科学化、多功能化等发展动力。

3 机械自动化设计的发展方形分析

第一,区域互联网程度提高。自动化设备具有良好的信息控制和自动化处理能力,数控机床是实施操作的介质。如果一些机械工程较大,工作过程不是十分复杂的情况下,很难控制产品的生产品质;如今网络技术不断向前,手机也可以成为机床联网操控的新手段。系统建模后,自成网络系统得以实施,这时候就具备了各机械设备通过信息传导的好机会,可以建立区域网络化的管理控制系统,并利用控制中心进行细节控制;当然,区域网络系统应该具有合理分配好各机床应该负责的工作范围的能力,对于不同的情况,可以合力开展,并且同时保证效率;重要的是,要防止电路故障发生引起的工作瘫痪,在区域网络管理模式下应引起我们的足够重视。

第二,大型机械的小型化趋势。随着计算机小型化发展,越来越多的信息自动化设备也逐渐进入小型化发展趋势的浪潮中,而在社生产工有着重要地位的机械自动化设备也紧随时展潮流,积极地进行着小型化微型化发展方向发展,国外已经研发出的微型全新自动化系统,它们的目标甚至是微米、纳米级。微型自动化产品的特点有操作灵活、体积小、耗能少等,但是如何同时具备传统机械设备的主体功能确是一个存在的难题,如何进行精密度的机械过程同样是个棘手问题。有意义的研究是如何能减少企业中的占地,能提高机械自动化设备的数量,但微机械自动化的加工产品有限制,只能应用于采用超精密科技的设备。

第三,机械设计的环保理念提升。如今国人乃至世界越来越重视环境保护,机械工业可以追求工作效率、经济利益,但是也该意识到保护生态环境的重要性。机械自动化系统电损耗高,而且会排放大量有毒有害气体,危害自然环境以及附近居民的人身健康。因此在机械设计和自动化技术的的科技进步中,更加应该主张绿色环保。减少在工作过程中有害气体产生是我们的社会责任,为此我们可以对机械设备功率进行限制,或者积极寻找可代替能源。

第四,数字化发展。机械设计及其自动化只是机械设计其中的一个重要有机组成部分,机电一体化还包含传感检测、机械、动力、电子信息处理、执行元件这五大组成部分,为了能有更加广阔的市场空间,朝机电一体化方向发展成为一种必然。

第五,智能化发展。智能化是自动化技术的一种体现。何为智能化,是以控制理论为指导,加以心理学、模糊数学、人工智能、计算机科学、和运筹学等新措施、新思想,模拟人类的思想,让过程具有推理、自主决策、逻辑判断的能力,向更高的控制目标发起进攻。大大降低工作强度及错误率,智能化的实现使人类摆脱人力脑力劳动成为可能。

第六,模块化发展。复杂和多样是机械设计的特点,在整个机械设计及自动化方面发挥着重要作用的还有模块化。模块化标准的要求下,实现在设计过程中多零件组分同时适用于同一模块成为现实。不仅可以大大降低设计成本,而且可以缩短机械设计的时间,使后期零配件的更换维护更加便捷。设计的模块化规范,使机械制造企业的模化生产可以在短时间内完成,提高经济效益。机械设计制造及其自动化产业前景广阔,还可以通过培养高素质高技能人才推进行业整体进步,需要相关技术人员努力学习,进行经验技术的高度提炼总结。机械设计制造及其自动化课程,已经纳入国家高等教育的体系很多年,在许多学校都已经开设这门课程,这显示出社会对此方面的人才量的大需求,因此来说学习相关知识的学生,就业前景可以说很广阔。在我国很多地区,这个产业具有很高的竞争性,高素质人才一代代更替、创新[3]。机械制造产业还广泛应用于航空航天、兵器、汽车等领域的发展中,如果想要获得更加长久的发展,并且想要一直存在这广泛的空间,立足于运行管理、设计制造、科研开发等方面的话,都需要机械制造产业自身的不断提高与创新。目前我国经济发展进入高速路,将机械设计制造及其自动化作为制造强国的手段之一,给予研发生产等方面的大力度支持,足以见得行业本身的重要地位。

综上所述,机械设计制造及其自动化必须把握好自己的发展方向,应该去遵循社会变革对机械制造行业提出的新标准。机械设计及其自动化技术拥有巨大的发展前景,该技术一直在迎合现代工业及生产的需求,但是工业产业飞速发展下,现有的机械设计与自动化技术能力和管理水平暴露出很多不足,面对自动化的大蛋糕,科研人员要提升自身素质,努力攻坚克难,争取努力提高国家的科研技术水平,使我国科研发展迈向一个新的台阶,用不断探索与创新的精神影响整个行业,兢兢业业使行业健康迅速发展。

参考文献:

[1]周德x.机械设计及其自动化发展方向的思考[J].民营科技,2015(10):9.

[2]杨近松.机械设计及其自动化发展方向的思考[J].山东工业技术,2015(21):288.

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Abstract: This article based on three-dimensional design software Inventor2008, takes the machining parts for the basis of original design, using the derivative functions and adaptive characteristics of software to effectively associate the data and make the design automatic update with the change of the key size of original design to improve the efficiency of fixture design.

关键词: Inventor;夹具设计;关联设计

Key words: Inventor;fixture design;associated design

中图分类号:T-652文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0142-01

0引言

随着计算机技术的发展,对于检索设计,二维设计效率较高,许多细节不需要再次配凑,设计数据的构建和表达已很明晰。对于创成设计,三维设计效率较高,在现有软件的支持下,三维模型有可能表达出设计构思的全部几何参数,这样就比较容易建立完整的设计数据库,使设计的全部流程都能使用统一的数据库。在二维参数化软件前景不甚明确的条件下,基于特征的三维参数化软件已进入设计领域。

数控车床夹具设计是机械制造业工艺的重要组成部分,夹具设计的主要依据是被加工零件,基于装配的关联设计可最大程度地表达这种设计构思。本文以一个简单的齿轮类零件为例,利用概念草图进行车夹具设计,阐述该夹具的关联设计方法。

被加工零件如图1所示,车削时的定位基准为内花键孔A和端面B,因此将该工件的内花键小径?准50mm和工件厚度30mm定为关键尺寸。设计时首先建立概念草图,将关键尺寸在草图的fx表中建立起来,并设置为可导出参数。

1零件设计

夹具装配示意图如图2所示,该夹具主要由拉杆、夹具本体和弹性涨套三部分组成。使用弹性涨套作为盘类零件加工的定位元件,可使夹具结构简单、定心精确、夹紧可靠,在实际应用中可明显提高生产效率。

1.1 弹性涨套的设计弹性涨套外径尺寸应等于工件内花键小径尺寸,利用Inventor的衍生机制将概念草图中的用户参数进行衍生,步骤如下:①创建一个新零件文件,然后单击“命令”栏上的“返回”,关闭默认的草图。②在“特征”工具栏上,单击“衍生零部件”工具。③在“打开”对话框中,浏览要作为基础零部件的零件文件,单击“打开”。④在“衍生零件”对话框中选择包含在衍生零件中的“参数”,排除不需要的元素。⑤单击“确定”,创建衍生零件。

在零件草图设计编辑尺寸时选择“列出参数”,即可以得到衍生后所需的参数,从而将该尺寸和被衍生零件相关联。

1.2 夹具本体的设计夹具本体的设计过程中,本体上的锥面是一重要的工作面,实际加工中要求该锥面与弹性涨套的锥面进行配磨。基于这种需求,设计时利用Inventor的衍生机制将弹性涨套的锥面进行衍生,用来定义本体的锥面。此时在“衍生零件”对话框中选择包含在衍生零件中的“曲面”,排除不需要的元素,创建衍生曲面,并在此基础上进行本体相关特征设计。

零件草图设计时,本体内孔尺寸未作定义,指定该草图几何图元为自适应,在装配环境下通过添加约束允许改变该几何图元。

1.3 拉杆设计拉杆是本夹具设计中一个较重要的零件,要求其具有足够的强度,设计时需要对其进行强度校核而不断的调整特征尺寸。拉杆与本体之间采用间隙配合,装配后应使其能活动自如。

2基于装配的关联设计

为适应设计的改动,需要频繁地调整部件中相互配合的零件尺寸,Inventor的自适应功能可以使这项操作简化。自适应特征可以根据装配约束的条件来自动的改变自身特征的大小以满足装配约束的限制。设计过程中,需要先对零件或特征使用不完全约束进行初步设计,然后在部件中根据装配的需要,再合理和细化零件或特征。在本夹具设计中,拉杆与本体存在配合关系,将本体上的内孔特征设为自适应,装配环境下,使用配合装配约束将拉杆和本体内孔配合,本体内孔特征自动调整其大小以适应装配约束,实现了一种基于装配的尺寸关联。

综上所述,完成了基于概念草图的车夹具设计,重新打开概念草图,修改关键尺寸存盘后,再次打开个零件图和装配图,均能正确的进行更新,实现了各零部件之间的数据关联。在此基础上,Inventor还提供了依据三维模型创建二维工程图,工程图跟随三维模型自动更新,通过简单的修改就可以生成具有实际生产意义的零件工程图和装配工程图。

3结束语

本文以利用三维设计软件Inventor的衍生功能和装配环境下的自适应特性,以概念草图为设计基础,阐述了车夹具的设计过程,实现了各零部件之间的数据关联,使设计跟随原始零件关键尺寸的变化而自动更新,提高了夹具的设计效率,对工装夹具的设计具有良好的指导意义。

参考文献:

[1]陈伯雄.Inventor R6机械设计与应用.北京:机械工业出版社,2003.