机床设计论文范文1
关键词：现代工业设计理念；产品设计；数控机床
一、机床设计的现状，以数控机床为例
随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。
1.1对工业设计的重要性认识不足
工业设计是工业革命的产物，是科学技术和文化艺术多学科交叉的新兴学科，其核心任务是产品造型设计。对工业设计的重要性认识的不足，最直接的反映就是产品造型粗放，缺少设计感；色彩单调，缺乏时代性；使用界面混乱，缺乏人文关怀。中国的机床设计在生产和制造上完全不输给国外的企业，缺少的就是工业设计的意识。就市场而言，在功能、性能、质量、技术水平差不多的情况下，产品的造型，色彩，使用的界面的人性化设计就显得越来越重要，甚至直接决定产品的销售量。英国工业设计委员会1998-1999年度对英国企业的工业设计投入与市场收益作比较，该年度采用工业设计的企业，销售额平均增长43%；而未采用工业设计的企业，销售额平均仅增长15%，企业对设计的前期投资，平均在15个月内即口收回，有90%的(工业设计)项目都获得了商业上的成功。这表明：设计对于企业的意义不只是产品表面上的好看，好用，而是实实在在的商业利益。
1.2数控机床的工业设计缺少品牌意识
缺少品牌的意识，基本上是所有行业的通病，尤其是中小企业，由于大环境的原因，中小企业在品牌化的过程中存在着很多客观的原因，但不管情况怎么样，品牌化是一个必经之路。1992年，邓小平在南巡讲话中鼓励中国企业：“我们应该有自己的拳头产品，拥有中国自己的品牌；否则就要受人欺负”。数控机床生产企业也是一样，多数的企业还是缺乏这方面的意识。具体表现在：
1.2.1产品的工业设计缺乏企业策略性的考量
重视工业设计的多数企业把产品的工业设计只局限在单纯的造型设计上，而不是把设计纳入“设计-开发-生产制造、宣传销售-售后服务”这样一个系统当中。
1.2.2系列产品造型设计缺乏品牌连贯性
系列产品造型的品牌连贯性体现在两个方面：一个是指系列内产品。另一个指的是系列间的产品。他们构成系列间产品。品牌的连贯性要求在对产品进行造型设计时既要有共同的识别特征，同时，每个产品之间造型上又要有所差别。即要做到“和而不同”。
二、现代工业设计理念的引入与应用
2.1现代设计理念的引入
现代设计理念主要指绿色设计、人性化设计、产品语意的设计和产品的系统设计等。在设计上，这些主要设计理念与之相对应分别体现在：在环境方面，要体现对环境的关注；在人使用方面，要体现对人的关怀；在产品语意方面，要体现当地的文化特色；在品牌经营层面，要关注产品内在的品质，使得设计成为品牌营销的有效手段。
2.2现代设计理念的应用
现代设计理念在机床产品设计中的运用主要有以下几个方面。
2.2.1绿色设计
绿色设计源于人们对现代技术文化所引起的环境及生态的破坏的反思。对于工业设计来说，3R原则是绿色设计的核心。所谓的3R是指：Reduce、Recycle和Reuse。绿色设计要求考虑产品在生命周期内的每一个环节：从产品的创意构思到制造、运输，从产品被消费者使用到最后产品的回收。确保每一个环节对环境的影响最小。
对于机床产品来说，绿色设计最主要最常见的体现在一下两个方面：
1)可拆卸性设计
可拆卸性设计是一种使产品容易拆卸并能从材料回收和零件重新使用中获得最高利润的设计方法，是绿色产品设计的主要内容之一。例如，在机床设计中可以用螺纹联接来代替焊接和铆接等。螺纹联接不仅易于拆装而且联结可靠，即具有重复使用的特点。为了减少零件数量，还可使用螺钉集成结构来代替普通螺钉和垫片、防松垫圈等。可拆卸性设计原则：一是减少拆卸的工作量；二是易于拆卸、分离；三是多用标准件。
2)可回收性设计
可回收性设计也是绿色设计的主要内容之一，就是在产品设计初期时考虑其零件回收及再利用的可能性，即在其它新产品中可以利用使用过的或废弃产品中的零部件及材料。
2.2.2以人为本，注重人性化设计
人性化设计，就是要设计以人为本。他是针对功能主义设计思想的缺陷，提出设计不应该以机器的功能为出发点，而应该把人作为设计的出发点。以人对产品的使用为基础，使机器能够很好的为人服务。随着技术的发展，社会的进步，人们对产品的人性化要求也越来越高，尤其是一些关乎人们使用安全的设计—诸如机床产品的设计—在这个方面的要求更高。
以人为本，注重人性化有两个概念：一是符合人的尺度；二是要有很好的操作界面。符合人的尺度，要求在农机产品设计过程当中，可以运用人机工程学的所提供的数据，对操作的空间大小，操作台面的高低等等进行综合考量。比如设计数控机床的操作空间时，就要根据人在操作时动态关系来确定空间的大小合理与否。第二，良好的操作界面，可以使操作起来更加的方便、快捷、安全可靠。
2.2.3要兼顾文化特色
产品语意学告诉我们，产品不仅仅有他的物质功能之外，还体现了一定的文化特征。机床的造型设计犹如给新娘做嫁衣，新娘的嫁衣不仅可以使新娘子漂亮起来，而且最能体现民族特征和深厚的文化内涵。在追求机床的科学价值的同时追求艺术和文化价值，甚至将民族的个性特征融入其中。机床造型体现一个国家、一个行业的形象和设计水平。机床造型风格的形成受两方面因素的影响。一是与当时的科技水平有关，二是离不开当时的时尚风格。要想实现其科学价值与艺术文化价值的融合，文化元素的如何应用显得尤为重要。
2.2.4产品造型的品牌特性的维持
产品系统设计理论告诉我们，设计不再是一个单纯的造型活动，而应该把设计纳入到生产制造、宣传、使用到最后产品废弃回收这一大的循环过程当中，是品牌经营的一个手段。很多企业忽视了这一点。比如，很多市场上的农机产品，如果撕去上面的标签，你无法确定它是哪个厂商生产的，造型上缺少品牌的独特性，因此，在产品造型设计时要注意的问题是：产品的造型能否体现品牌的特性。要体现品牌的特性要注意两点：一点是要注重产品整体要素的统一。即是要求农机产品在形态、色彩、材料、细节方
面的选择要有利于企业形象的识别；第二点是系列产品品牌形象要保持统一。此外，这还是个长期的工程，需要我们持之以恒的努力。
三、结束语
过去的30年机床设计的发展取了一定的成绩，值得肯定。自从加入WTO以后，中国的农机企业将面临多方的压力，其中最主要的压力是来自国外的企业。新的环境，需要新的设计理念。著名科学家杨振宁指出：“21世纪将是工业设计的世纪，一个不重视工业设计的国家将是落伍者”。对于国家而言是这样，对于机床设计工业而言也是同样的道理。
参考文献：
[1]吴琼.工业设计——提升中国制造业价值的重要途径[J].农业机械，2008，(1)：60-61
[2]何人可.工业设计史[M].北京：理工大学出版社，2000.
[3]丁玉兰.人机工程学[M].北京：理工大学出版社，1991.
[4]胡飞.设计符号与产品语意[M].北京：中国建筑工业出版社，1991.
[5]张同.产品系统设计[M].上海：上海人民美术出版社，2004.
机床设计论文范文2
五轴数控铣床方案设计
1总体方案设计
笔者所研究的五轴数控铣床,是一种针对模具加工的高速、高效率机床,并可以选配五轴功能,可使工件在一次装夹下,完成五面的加工。为了实现高性能动态特性,其基本结构考虑为工作台固定,横梁-滑座-主轴箱移动分别实现三坐标进给,具有三坐标自动定位和三坐标联动机能。固定工作台可以换成双摆工作台,实现五轴联动。主要技术指标如表2所示。
2具体方案设计
2.1第1种方案
第1种方案将该五轴数控铣床设计为龙门式,具体工作形式可以描述为:龙门架则沿床身作纵向(x方向)运动,滑枕沿着龙门架作横向(y方向)移动,主轴箱沿着滑枕作z方向的移动。工件固定在平转台上,平转台固定在立转台上。平转台绕z轴作转动,立转台又同时绕x轴转动。这样就实现了两个坐标轴的转动,如图2所示。
2.2第2种方案
该方案为立式五轴数控铣床,其底座固定,滑枕沿着底座作x方向移动,立柱在滑枕上作y方向移动,主轴箱沿着立柱作z方向移动,这样就实现了三轴联动。工件固定在平转台上,平转台又固定在立转台上。平转台绕z轴转动,立转台又同时绕x轴转动,这样就实现了两个坐标轴的转动。当给该数控铣床输入程序时就会实现五轴联动。五轴分别为3个平动轴和2个转动轴,如图3所示。
该立式五轴与龙门式五轴的运动方案基本相同,不同的是布局上有区别。龙门式数控铣床的主轴箱沿着滑枕作z方向移动,而该立式五轴数控铣床的主轴箱则沿着立柱进行z方向移动。
2.3第3种方案
该方案也是立式五轴数控铣床,床身固定在地面上,滑枕在床身上沿着y轴方向移动,支座在床身上沿着z轴方向移动,同时工作台在支座上沿着x轴方向移动,这样就实现了三轴联动。平转台固定在工作台上绕着z轴方向作回转运动,刀具固定在立转台上,立转台在滑枕上绕着y轴作回转运动,如图4所示。
基于ADAMS运动仿真
1对3种设计方案的运动仿真
应用SolidWorks三维绘图软件对每种设计方案中的数控铣床进行建模,然后导入到ADAMS软件中。在ADAMS软件中把模型加入约束、驱动并对运动方式进行编程仿真,模拟出五轴数控机床的运转情况,可以在虚拟的条件下看到机床的物理形态和动态运转情况,达到可视化目的。
在设计该机床运动轨迹时,ADAMS软件虽然可以实现五轴联动,但是五轴联动后的运动轨迹并不直观,因此决定采用三轴联动。
第1种方案中先设置床身与横梁处的Motion3、横梁与滑枕处的Motion2、滑枕与滑板处的Motion4,然后设定仿真时间为9,共为500步,结果形成的轨迹为一螺旋线。图5、图6所示为第1种设计方案的三维模型和刀具轨迹。
第2种方案中先设置床身与滑枕处的Motion1、滑板1与滑枕处的Motion2、滑板1与滑板2处的Motion3,然后设定仿真时间为9,共为500步,结果形成的轨迹为一螺旋线。图7、图8所示为第2种方案的三维模型和刀具轨迹。第3种方案中先设置底座与滑枕处的Motion1、底座与滑板处的Motion3、支撑台与滑板处的Motion4,然后设定仿真时间为9,共为500步。该方案与前两个方案的不同之处在于不是由刀具直接形成螺旋线,而是工件在工作台上作圆周运动,刀具作直线运动,由这两种运动形成螺旋线。图9、图10所示为第3种方案的三维模型和合成轨迹。
2结果分析
2.1第1种方案
该布局形式为龙门架移动式,其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动,而龙门架则沿床身作纵向运动。如图6所示方案1中的刀具运行轨迹为螺旋线,该方案采用x,y轴的对称布局形式,提高了机床的热稳定性及加工精度。这种布局适用于加工较重的工件,可以减小铣床的结构尺寸和质量。该龙门铣床的优点是:
1)占地面积小。工作台移动式龙门铣床,整机长度必须两倍于纵向行程长度,而第1种方案设计的龙门铣床的整机长度只需纵向行程加上龙门架侧面宽度即可;
2)动态响应好。该移动式龙门铣床采用的是固定工作台,一般与床身整体铸出,龙门框架纵向运动的驱动力矩等值不变,不会因工件的承载重量的改变而变化,从而保证了加工精度和机床的响应性能。
2.2第2种方案
该机床为立式数控铣床,采用工作台转动,且主轴沿垂直溜板上、下运动。由滑枕和滑板实现x,y两个坐标的移动,主轴沿立柱上下实现z坐标移动。如图8所示的方案2中的刀具运行轨迹,主要优点在于z轴导轨的承重是固定不变的,有利于提高z轴的定位精度和精度的稳定性;但是由于本铣床的z轴承载较重,不利于提高z轴的快速性。
2.3第3种方案
该机床为立式数控铣床,工作台沿z坐标上、下移动,主轴头为转动式。图10所示为方案3的合成轨迹,该方案由工作台和滑枕实现了x,y坐标的移动。其主要优点是适用于加工质量较小的工件,缺点是机床的结构不太稳定,导致加工精度受到影响。
综上所述,根据表2给出的技术要求可知,龙门式五轴数控铣床工作行程要求较大,承重要求较高,因此第3种方案不符合设计要求。从机床布局的结构来看,龙门式的布局更为合理,而第2种方案设计的立式五轴数控铣床的热稳定性及刚性都不如第1种方案设计的龙门式五轴数控铣床。
结论
1)将可视优化设计与概念设计相结合,提出了数控机床概念设计流程,并应用于某五轴数控铣床的方案设计。
机床设计论文范文3
关键字：计算机；TRIZ理论；平面设计
TRIZ理论不单是一种创新理论，也是一种独特的思维模式，为创新计算机平面设计作品提供最活跃的元素。对于上述问题，尝试融入TRIZ理念对清代床榻雕花在计算机平面设计中的创新设计方法展开研究。本文选取清代床榻雕花为对象，对其进行提取、重构等操作，深入分析清代床榻雕花图案存在的特征及其文化内涵，以期为类似研究提供重要的参考。
一、TRIZ理论与创意思维的关联
（一）概述TRIZ理论
TRIZ作为苏联G.S.Altshuller提出来用于解决发明创造相关问题的理论，在对世界上250多万件专利进行分析基础上，归纳出技术发展应遵循一定的规律及解决不同类型工程之间矛盾的新理论，其体系包含发明创造问题情境与描述方式；理想化以及理想设计等[1-2]。与传统创新方式相比，TRIZ理论能够揭示创造发明过程中出现的内在规律及原理，重点分析系统之中出现的矛盾，并非不逃避矛盾，旨在有效解决矛盾，从而获取最终的理想解。TRIZ理论并非使用折中或妥协的对策，其根据技术演化规律对设计及开发过程展开研究，并非是一种随机行为。分析实践情况发现，利用TRIZ理论有助于加快人们进行创造发明的进程，也能得到质量较高的新产品。TRIZ理论有助于用户系统分析问题的情境，快速掌握问题的本质或矛盾，可以进一步明确问题探索方向，打破传统的思维定式，采用新视角深入分析问题，根据技术进化规律对其未来发展情况予以预测，有利于开发具有竞争力的新产品。
（二）TRIZ理论与创意思维的结合
TRIZ创新理论就是通过科学发现理论及其方法对于问题开展理性的分析及解决，其蕴含着人们创新需要遵守的共性原理，也是TRIZ理论最早、最核心的内容，且简单易学[3]。创意思维就是大脑对客观事物本质属性计算机平面设计中TRIZ理论的应用文|蒙兰兰及其内在联系进行抽象概况的潜能。思维方法作为人们根据思维活动实现目标用到的工具及手段，根据其范围划分成一般、具体、各学科特有的一种思维方式。创意思维作为一种系统的思考模式，其可以物化的心理活动及表现形式，成为实现创意设计的灵魂和行为导航。传统创意思维方法提到的反散思维就是大脑所显示多维扩散的思维模式，经一个思维起点提出与之相关的设想，找出多个途径有效解决问题的思维方式，这种思维不拘泥于传统做法，具有更多的创造可能[4]。转换思维则是通过联系及发展的眼光，由不同方面、视角观察物体，转变新视角，防止采用不同思维定式，进而获得对物体的全面认识及理想的解决方案。聚合思维是指根据已有表象升华得到逻辑结论，降广阔思路聚集成相应的焦点，被称为有范围、有方向的一种收敛性思维模式。
二、TRIZ理论下平面设计创意思维分析
采用TRIZ理论，有利于激发传统,创意思维内的发散、聚合及转换思维，从而产生满足计算机平面设计的创意思维方法，这一过程通过理性准则引导人们的感性思维，寻找计算机平面设计本质的思维原点，采用多功能原理对发散思维进行激发。德国哲学家黑格尔指出：“创造性思维要具有丰富的想象”。计算机平面设计中发散思维被称为创造性思维之首。依据TRIZ理论中的多功能原则，运用一个物体拥有不同的功能这个原则促使发散性思维产生。即：一个主题包含多种不同的解释，一个物品用处多样化，这就是多功能原则的表现。处于任意时间或环境下，如果物体具有多用性，能促使其拥有良好的协作及增值效应。TRIZ理论中的组合原理就是把空间或时间层面相同的物体或者实现类似操作的物体进行组合。对设计元素进行结构重组，把新色彩或材料等引入旧物体内，这也是组合原理一种重要的手段，进一步激发聚合思维。蒙兰兰（1982.11.29-），女，壮族，广西来宾，本科，讲师，研究方向：平面设计。摘要：针对计算机平面设计在创新方面的不足之处，下文在阐述TRIZ理论及其与创意思维相关性基础上，对其在计算机平面设计创意思维的表现进行分析。在此基础上，以清代床榻雕花图案为依据，利用TRIZ理论对清代床榻雕花图案进行提取、重构等处理，把图案用于平面设计内，成为一种行之有效的实践方式。这种设计能够为我国传统文化在计算机平面设计中的应用提供新思路与方法，促使传统图案与平面设计相融合，为我国传统文化精神内涵有更好的解读。关键字：计算机；TRIZ理论；平面设计例如：对完整的形象进行拆分处理，变成单一视觉元素并将其分布在画面内，借助相同或相近手法实施加工处理，促使其主体反复出现并设计相应的秩序，恰当调整其规格或者色彩肌理等，确保获取具有意境及视觉冲击力的设计效果。例2：创作宣扬我国民间传统文化的平面作品。选定具有典故且耳熟能详形容文化的词汇“百花齐放”作为主题，选取花朵图案作为设计元素，对其主体大小、方向或位置进行秩序重组。对同一种本体元素开展“加工”，挑选比较典型的视觉元素碎花布，对其色彩、肌理实施相应的调整。采用盛开花朵这个造型及传统印花布纹样，代表我国民间传统文化大放异彩，最终的效果图也形象饱满，具有明确的意义。
三、TRIZ理论在计算机平面设计中的应用实例
（一）清代床榻雕花
我国明清时期制造出来的家具作为重要的艺术瑰宝，与明代家具的清新雅致不同，清代床榻雕花重视在图案方面下功夫，绚丽、复杂的图案也是清代家具的主要特点。床榻家居发展至清代，这个时期的雕花图案风格、表现手法等与这个时期的历史环境等因素存在密切的关联。清代家具前期沿袭明代时期的朴实、简洁等特点，在后期的产设计风格有显著的变化。清代后期在床榻装饰纹样设计中下足功夫，表现为雕花图案非常复杂，展现出多元化的特点。而把我国传统图案用于床榻不同部件，展现出统治人员炫耀财富以及广大人民对美好生活的憧憬。除使用传统装饰纹样之外，由于受到西方科学艺术的影响，床榻雕花图案也会选用西洋图案为装饰，构成中西合璧的文化装饰风格。清代床榻雕花图案主要特点为丰富多样、形态变化万千等，由题材方面分析，主要划分如下：龙、鹿、凤等动物纹案；葫芦纹、缠枝纹等植物纹；云纹、如意纹等几何文字纹；这些丰富多彩的雕花图案共同组成清代床榻雕花图案的“形”。这里的“形”表示床榻雕花图案的外部轮廓，也是广大人民所创作事物的外在形式。清代床榻雕花图案相关元素不仅拥有良好的审美外形，也有独特的象征内涵，进而表达相应的寓意。如：蝙蝠纹内的“蝠”与“福”同音，代表着福气、幸福，这种纹案与其他图案完美组合，构成独特的寓意。蝙蝠纹与云纹交织起来，寓意为“福从天降”。这也充分说明，清代床榻雕花不单拥有绚丽的外观，也充分利用有象征意义的图案丰富其内涵。装饰图案通过形表达意，雕花图案多种多样，均代表着吉祥。床榻上的装饰图案，能够日日警醒着人们，也寄托着百姓的美好祝福及愿望，显示出理性与感性、人与自然之间的和谐统一。
（二）TRIZ理论在计算机平面设计中的应用
TRIZ是俄语的缩写形式，在苏联著名的科学家阿奇舒勒及研究团队对世界上多数专利及科学知识深入研究、分析基础上，提出接近发明创造问题一种设计方法。经过长时间的发展，TRIZ理论也是有效解决发明创造问题的有效武器。目前，这个理论体系发展得比较成熟，总结多项发明创造原理。由计算机平面设计层面展开研究，经过深入分析TRIZ理论，总结其可用在计算机平面设计中的发明原理，并归结五大类，其分类如表1所示。通过分析上述类别可知，每一个类别原则上均能相互组合，进而组成不同的设计方案。此外，不同类别的原理支持单个或多个进行组合，获取不同的表达形式。
（三）床榻雕花提取及特征
清代的床榻雕花图案题材比较复杂，且体系庞大，对图案进行提取时，主要选取图案题材作为类别，例如：几何文字纹中对寿字、十字纹进行提取；植物花纹类别内提取灵芝纹等；禽瑞兽类提取鹿纹、象纹等。在此基础上，通过直接提取法对上述雕花图案予以总结及特征分析，获得相应的床榻雕花图案。提取清代床榻雕花图案相关元素后，通过深入分析发现，清代床榻外观大多属于四方形有柱有顶结构，且展现出对称、重叠、分割、辐射等方法，组成相应的有序性。与此同时，依照形式美法则，在对比操、对称中展现均衡，在重复环节随之发生渐变。而所使用的禽瑞兽类、浮雕人事景物雕花栩栩如生，清代床榻雕花所用纹饰部分是人们通过真人真事改编，再通过夸大手法流传而来的故事，有些则是人们发挥自身想象塑造出的神话故事。
（四）重构清代床榻雕花图案
对清代床榻雕花图案进行提取操作，使用上文提及的18条TRIZ发明创造原理进一步演绎图案，确保其构成线条清晰、节奏明快的基本图案，演绎结果如表2所示。由于不同类型展示的结构有所差异，设计不同的图案会给受众带来不同的心理感受。对清代床榻雕花图案实施重构处理，应立足于图案自身，在此基础上，运用TRIZ原理在计算机平面设计中的应用，促使上述提取元素通过TRIZ发明理论进行重构，获得与此相关的图案设计元素。
四、TRIZ理论下计算机平面设计实现
（一）设计步骤
通过TRIZ理论对清代床榻雕花图案进行一系列处理后，获得相应的图案设计元素，并把上述元素用于计算机平面设计中。那些外形简单、意蕴深厚的图案，不单满足现代人的审美要求，也保留着我国传统文化图案的魅力，从而为更多的现代人接受。通过上述分析，制定与之相应的设计流程，将提取而来的元素与计算机平面设计作品进行结合。实施步骤如下：通过整理、归纳清代床榻相关资料，找到清代床榻雕花重要元素；利用TRIZ理论对清代床榻雕花图案进行重构；设计、评估后再次回归至实施步骤，开展设计与评估，直至获取满意的设计结构，设计流程如图1。
（二）设计实现
遵循TRIZ理论对清代床榻雕花展开创新设计，将其用于计算机平面设计内。设计中选取清代床榻雕花图案作为出发点，结合TRIZ有关理论，自形、意这两个方面依次设计相应的方案，这种做法不单可以延续雕花图案外形，对于我国传统文化精神内涵有着深入的解读，顺利实现传统文化和平面设计间的完美融合。方案1：这个方案采用TRIZ理论复制等方式，把图案设计元素以平面化形式附加至有关的衍生品内，例如：抱枕、明信片等。依托不同中介物展现清代床榻雕花元素中的“形”，利用计算机平面设计方法显示在大众面前，进而得到对其外星的延续形式。方案2：这个方案旨在诠释清代床榻雕花图案蕴含的文化元素。利用TRIZ理论进行合并、嵌套等处理，以“禄、寿、祥”这个主题进行设计。这组设计将床榻雕花图案中“鹿”、“兽”、“象”表达的寓意，其内在用到相应的招贴设计中，代表着人们所向往的美好寓意，如：长寿、吉祥等。从构图方面分析，开展动静、虚实、繁简之间的比较，分别挑选鹿、兽、象作为主体，结合灵芝纹、十字纹等进一步装饰，确保上述装饰图案文化内涵及其寓意融到计算机平面设计中，有利于深入解读中国传统文化的独特内涵，也对其赋予新的表现形式，从而获取具有节奏感、秩序感的图案。
五、结束语
机床设计论文范文4
关键词 机床；主轴；优化设计；数学模型
中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0145-01
1 数控机床的主轴结构改进
数控机床设计中，如何设计主轴结构对数控机床的运行来说十分重要。主轴设计中，结构设计是其中的首要问题，即在机床的主轴设计中，其结构设计是首先要解决的问题，且在加工与装配的过程中，工艺问题也是需要设计者考虑的设计因素。如图1-1所示，是机床主轴的设计中所普遍采用的结构。其中，轴承4、5、8支撑主轴1，主轴上的3个压块紧锁螺母3、7、9用来实现轴承的轴向定位。主轴的装配质量，主轴及其相关零件的加工精度等级、轴承的精度等级对主轴系统的精度起决定作用。主轴的双列圆锥滚子轴承4和主轴的外锥配合程度直接对轴承的工作精度造成影响，一般情况下，要求它们之间配合时的接触面积应大于75%。所以，为了达到要求，在购买轴承时，应对轴承的等级与品牌严格要求；且在设计时，将主轴的高度较高的两端的同轴度设置为0.005mm。而对相关零件，例如螺母3、7、9与隔套6的端面对主轴线的跳动为0.008mm以内。一般压块螺母在进行实际加工时，精度难以达到要求，使装配时，主轴精度很低，以至于需要反复调整圆螺母的松紧来达到要求，但是这种达标也仅仅是刚刚符合，很难做到精准。最终导致轴承偏紧，且精度、稳定性较差，安装的位置也不准确，出现游隙不均匀的现象。那么在机床运行时，就会出现噪声大、工作温度过高，震动严重，对工件的加工质量与轴承的寿命均造成不利的影响。用圆锥滚子轴承来代替原有轴承，可平稳的运行，并可承载的负荷较大，精度调整好后，可保持机床精度；高速与轻型机床的运行要求却不能很好的满足。
1.主轴；2.法兰盘；3.圆螺母；4.双列圆锥滚子轴承；5.球轴承；6.调整垫；7.圆螺母；8.双列圆锥滚子轴承；9.螺母
根据这种情况，需对机床主轴结构的设计做一定的改进，在原有的设计中，取消双列圆锥滚子轴承，将其替换为角接触球轴承，改善主轴装配与加工工艺。在新的设计中，由于取消了主轴两端的圆锥部分，使加工变得易于操作，且可保证主轴较高两端的同轴度，对压块紧锁螺母的加工，要求也可适度的降低。
2 模型建立
机床主轴通常为支撑空心阶梯轴，基于计算要求，将阶梯轴简化成当量直径的截面轴。本文以两支撑机床的主轴为例，优化其设计。机床主轴的参数为：机床的最大直径Dmax=350mm，主电机的功率P=7.5kW，等公比φ=1.26，Z=12级转速，最低转速nmin=30r/min， 切削力F=15 000N，材质为40Cr。孔径d，外径D，跨距L，外伸长度a。其中，取d/D=0.55。以体积最小，刚度最好为目标，满足机床主轴的传动、节约材料、降低成本与减轻重量的要求。建立如下目标函数： （1-1）截面C的惯性矩，则有：（1-2） 由式1-2，以及机床计算的原理可以将主轴结构设计的变量设置为：（1-3）根据机床主轴刚度的要求与材料力学的要求，对本模型的参数作如下约束：主轴的外伸端挠度y小于规定值y0。轴允许的偏角＜[]，[]为允许值，=则： g3(x)= -[]≤0。轴扭转的变形条件，则： =，其中，T为机床轴的扭矩: ，G为其材料剪切的弹性模量：，Ip是其轴面的惯性矩：，则有： g4(x)=≤0。机床的切削力其中，则有：g5(x)=。
3 优化方法及其结果分析
由于；属于3变量5约束的多目标混合的最优化问题，隶属于小型优化设计问题。所以选择优化内点惩罚函数法得到最终优化的参数为： 圆整后：，刚度提高：（5.853-5.216）/5.853x100%=10.9%，体积减少：(44.577-38.640)/44.577x100%=15.56% 即，本优化设计可提高刚度，且减少了体积，满足优化的要求。
4 结论
改进设计方案后的主轴结构，在动刚性与精度上均达到了较好的效果，且在加工时不会引起超负荷的运转，轴承配合良好，通过理论分析与实践验证，设计合理。机械优化设计方法作为传统机械设计的延伸，其实际应用的意义也就更为明显，在设计中所得到的主轴结构参数也更为合理。
参考文献
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计学习指导(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2010.
机床设计论文范文5
针对现代幼儿园中儿童床的空间问题进行讨论，并应用TRIZ理论对儿童床进行了创新设计。使用了矛盾矩阵表，找到相关的发明原理，并在此基础上进行二类比，得到新型组合床具。新的儿童床在午睡时可以打开使用，午睡后收起，从节省了幼儿园内的空间。在设计时考虑到幼儿的参与性与产品使用中的趣味性。
关键词：
TRIZ理论；儿童床；发明原理；创新设计
1TRIZ理论
TRIZ理论是起于前苏联的一种现代创新方法。TRIZ是俄文发明问题解决理论的缩写（TheoryofInnovativeProblemSolving,TIPS），这是一套能创造出系统性的创新与改善设计者思考过程的方法论[1]。20世纪90年代初，TRIZ理论在世界范围内推广应用以来，世界很多大公司都应用TRIZ理论进行了新产品的开发和研制。特别是三星公司和波音公司等国际大公司，应用TRIZ理论取得了惊人的效益。TRIZ是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统。技术系统演变的8个进化法则、39个通用工程参数、40条发明原理、39×39矛盾解决矩阵、76个标准解、发明问题解决算法(ARIZ)以及工程知识效应库等一同构成了TRIZ的理论与方法体系[2]。利用TRIZ理论创新的过程如图1TRIZ理论发明问题的解决过程所示，TRIZ解决问题是把专业的工程问题转化为TRIZ问题，通过TRIZ工具找TRIZ解，最后通过类比转化为特定的解决方案。
2超系统的变化对儿童床的要求
调查显示，截至2013年底，中国共有幼儿园19.86万所，在幼儿园3894.69万人，全国学前教育三年纯入园率达到67.5%。全国3~7岁的入园学龄儿童占总人口的7.03%，已接近1亿人。3~7岁的幼儿的主要生活环境是家庭和幼儿园，有着人群细分后相对特殊的活动空间与产品需求。随着细儿园数量的增长，幼儿园专用家具的设计相对滞后。
2.1幼儿园对儿童床设计制造的要求幼儿园是童床存在的空间，从TRIZ理论系统分析的角度来讲，幼儿园是儿童床的超系统。幼儿园的变化决定了儿童床设计制造需要有以下几个趋势。1）幼儿园教育中对儿童成长的关注，使儿童床具更加人性化。幼儿园是儿童成长的重要场所，幼儿一天中有一半的时间在幼儿园中渡过。随着现代教育理念的形成，幼儿的成长得到越来越多的关注。人本化的思想贯穿始终。幼儿用具的设计对幼儿的成长起到至关重要的作用，通过幼儿用具，体现以人为本的思想是幼儿家具、用具设计制造的标准。儿童床的设计要符合幼儿成长的需求，不仅要安全，而且在尺度和使用上要切合儿童的生理要求。2）幼儿园的集体生活中相互合作，共同成长的特点，要体现在家具和床具的设计中。幼儿园是年龄相同的孩子集体生活，培养孩子的团队意识和合作精神尤为重要。这种意识的养成不仅在课堂教育中体现，在日常生活中也要有相关的体现。在游戏和日常生活中培养相互合作，让孩子共同成长，是幼儿园家具设计的一个新要求。3）幼儿的成长期的特点，决定幼儿用具充满趣味。好奇是人的天性，求知是人的本能。幼小的孩子可以说个个好奇、好问、好探究。好奇心是幼儿学习的动力和内驱力，是幼儿探索科学的奥秘，是将来创造的种子。因此，我们必须保护好幼儿的好奇心。在幼儿园家具设计上，加入趣味性，符合幼儿心理的需求。4）幼儿园空间和利用率使儿童床具有机动性。幼儿园的教室、通道及其他活动空间是建筑师依据相应的活动流量、人体工效学和建筑标准设计的，而繁多的家具、教具和玩具设施，往往与有限的空间产生冲突。保证儿童有宽敞的活动场地是幼儿园内部环境建设要考虑的重点问题。儿童床的设计在结构上应更具有机动性，可以尝试进行形态的变化，以节约空间的利用率。结合以上观点。在TRIZ理论，可以找到这样的一组矛盾。幼儿园儿童床的设计与幼儿游戏和上课的空间存在着矛盾。幼儿园的儿童床体积小，则幼儿的活动空间相对就会变大。反之幼儿活动的空间就会相对变小。
2.2现有幼儿园儿童床存在的问题幼儿园现有儿童床的设计存在着诸多问题。如图2（a）所示的独立儿童床幼儿园现在使用中的独立的儿童床显然存在着占地面积大，儿童游戏学习空间相对缩小。幼儿园要有一间专门的睡房来解决幼儿午睡的问题。这对于幼儿园，特别是私立幼儿园来说，会影响招生人数，直接增加幼儿园的动作成本。而对于图2（b）所示的由柜门改变成的幼儿午睡床，存在着使用不便的问题：做为柜子使用时，开、关柜门程序繁琐；作为床使用时，需要展开柜门，且被褥的存放与铺装麻烦。因此，这两款床的都不能满足幼儿园的要求。
3应用TRIZ理论进行解决儿童床的创新设计
TRIZ理论是把问题描述成矛盾后，通过消除矛盾来解决问题。发现和消除矛盾是产品进化和发展的主导力量，而找到矛盾准确地定义矛盾是解决问题的关键[2]。显而易见，矛盾的双方面是对立存在的。但一个系统内部会有很多个相对出现的矛盾。TRIZ进而又把矛盾分为概括地分为管理矛盾、技术矛盾和物理矛盾3个类型。在这3种类型的矛盾中，管理矛盾是问题的提出，技术矛盾和物理矛盾才是解决问题的根本。
3.1应用技术矛盾矩阵找到发明原理解在系统中存在着两个相互依存、相互制约的因素，如果改进了其中的一个技术参数，必然会使另外一个参数恶化，这便是产品的技术矛盾。在TRIZ理论当中，消除技术矛盾即改进其中的一个参数，而不使另外一个参数恶化，则消除了技术矛盾，从而改进的产品。在儿童床的设计当中，就图2（a）所示的床而言，由于床的占地面积过大，希望改善的因素是———让床变小。但床变小后其强度就会恶化。在床的体积与强度之间存在着矛盾。而图2（b）所示的床的使用面积和体积则得到了改变，优化了幼儿园的现有环境，但床的使用过程序复杂。幼儿午睡要经过的过程为：搭床铺床睡觉起床叠被收纳被褥收床。如果保持这一产品的使用效果，但对使用过程进行裁减优化，则必然使儿童床的系统变得更为复杂。需要介入更多机械元素。因此对于图2（b）所示的儿童床，其系统的主要矛盾在使用的效率和系统的复杂性。根据TRIZ理论的矛盾矩阵表，查得如表1，儿童床设计解决方案创新原理矩阵表所示的结果。在矩阵表中，得到以下发明原理：原理9预先反作用法，原理12等势法，原理14曲线、曲面化法，原理15动态法，原理17多维法，原理24中介法，原理28机械系统的替代法。
3.2应用发明原理进行儿童床创新设计找到相应的发明原理，只是对幼儿园用儿童床的设计方向提供了指导。具体的儿童床设计还要在原理的指导提示下，通过二次类比进行系统创新再设计。综合前文提到的原理，经过TRIZ理论的完备性法则分析，17号、15号、28号原理具有可行性，如表2所示。根据表2中所拟定的创新方案，进行了儿童的设计，完成最终的模型，如图3所示。在床栏设计中，为了使用安全，床栏应该高一些，但收起时，高的床栏会占用较大的空间，增加床的高度。床护栏有着高和低的两个要求，这是典型的物理矛盾。从时间的角度看，使用时要求床栏要高，收起时要求床栏低，从时间的角度可以进行分离。重复使用第15号原理动态法，可以得到如图4所示的床栏设计示意图。
3.3儿童床创新设计的评价该儿童床的设计，午睡使用时拉开，睡后收起的设计形式，节约了幼儿园的内部空间。床下有轮可以移动到任意位置。幼儿的睡具可以平铺在床上，随床移动，减少了睡觉时铺床的时间。睡觉时儿童或以从儿童床设计的梯子爬上床，也可以从低的床一级一级地上床。增加了使用方式的同时，也增加了使用的乐趣。在拉开使用时，可以由幼儿教师操作，也可以在幼儿教师的协助下由幼儿自己操作，即锻炼了幼儿的动手能力与锻炼了幼儿的合作精神。
4结论
本文将TRIZ理论应用于儿童床创新设计中。由对原有儿童床的分析入手，找到相应的矛盾，应用矛盾矩阵所示的发明原理进行类比。在儿童床的设计中考虑到超系统环境对系统的要求，并在设计中与以体现，充分说明了设计以人为本的设计理念。
［参考文献］
［1］张简一，张莉，王义文.以自行车为例看产品的创新设计［J］．哈尔滨理工大学学报，2007（3）：144-147.
［2］潘承怡．TRIZ理论与创新设计方法［M］．北京：清华大学出版社，2015.
［3］贝尔多诺索夫，多洛托夫．黑龙江省技术创新方法（TRIZ理论）培训教材［Z］．2007.
机床设计论文范文6
考虑到护理床为监护人和病患者共同使用，故在设计阶段就需按照其生理、心理特征考虑产品的造型设计，从人的行为、身体尺度、视野等角度考虑产品具体的尺寸。按照Ⅰ型产品设计尺寸要求，护理床需同时满足女性第5百分位下限和男性第95百分位上限确定尺寸界限值。根据GB/T10000—1988中国成年人人体尺寸标准，女性第5百分位身高1484mm，手功能高650mm，男性第95百分位身高1775mm，手功能高801mm，满足监护人的床面高度升降范围为650～800mm，但是为了方便患者上、下床，床面最低降至520mm。根据人体其他部位的百分位尺寸，综合考虑功能修正尺寸和心理修正尺寸，侧护板的高度定为320mm，侧护板、床头和床尾板抓握处直径40mm，床尾板液晶显示部分倾斜角度40°。此外，抬身角度最大可达85°，翻身部分上翻最大可达80°，然后可自动回正20°。上屈腿板可上折45°，下屈腿可下折90°，这些数据保证了使用过程的易用、舒适。根据以上数据确定了护理床的基本功能尺寸。
2结构及外观优化设计
2．1床架机构及尺寸优化设计
使用行为是人机工学研究的重要内容，产品使用舒适度成为功能型产品市场接受的重要指标。在护理床的研发过程中，通过充分的调研及人机数据分析，对床架升降结构进行了调整，使其床面最低高度比目前其他同类产品降低30mm，适用范围更广，大大方便了患者上、下床。根据医用电梯标准及病床标准，对护理床尺寸进行了优化，能轻松放入医疗电梯2台，运输包装尺寸也相应减小，并以此作为外观设计的依据。
2．2外观设计
功能型产品有别于其他产品的设计研发，需严格按照相关标准及技术指标，在满足功能的前提下才能进行形态上的创新设计，实现其易用、舒适、安全的使用目的。将艺术美学与技术手段紧密融合才能设计出符合实际需要的护理产品。利用情景设计法等手段将人机工学原理在护理床上的应用进行反复论证与实验，进行了护理床的外观设计。外观创新设计遵循的原则如下：
（1）外观符合人机工程原理，使用者使用产品时舒适、方便。
（2）造型上整体、统一、协调，体现柔和、亲切之感。为更好地体现企业理念———呵护生命，特别注重床头和床尾板及侧护板的造型设计，融入产品语义学理念，将相关感性意向元素进行提炼，应用到床头和床尾板的造型特征上，赋予产品生命元素特征。
（3）造型设计简洁，床头和床尾板、侧护板的造型需符合吸塑工艺，满足美观的同时，通过外观的凹凸曲面起到加强面板韧性及强度的作用。曲线及曲面应用应保持相互的呼应关系。依据以上设计要点，进行了草图方案设计。
3计算机辅助造型设计
现代产品设计中，计算机辅助设计起到重要的作用，是设计方案转化为实际产品必经环节，也是验证设计成果是否具有生产可行性的重要手段。计算机辅助造型设计的数据也为产品的工程设计提供重要依据。文中利用RHINO软件进行了护理床的最终造型设计，同时渲染了外观效果图。NURBS数据确定后，可将该数据文件转换成UG或Pro/E等工程软件可识别的文件格式，进行相应的工程设计。在工程设计软件中，不仅可检验各部件间运动时机构的干涉情况，也可进行力学仿真实验，根据检验结果可对各造型部件进行微调，形成最终模具加工工序所需的数据文件，为产品的量产做好准备。
4结论
