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摘要：20世纪以来的人们充分利用现有的杰出机械设计技术，完善的设计理论和优良的外界设备设施，以这些为基础不断发挥其最大优势。随着社会的不断进步，现代机械设计表现出创新性、开放性、独创性、多向性的特点，设计方法也不断优化而朝着数字化、智能化方向发展。综述了近年来国内外现代机械设计的主要理论和方法，对功能原理设计进行系统阐释和举例论证，并基于现代机械设计和功能原理设计，对自动送料机构进行案例分析，重点说明其工作原理和动作周期。
关键词：现代机械设计 功能原理 机构运动系统 自动送料
1、前言
现代机械的类别与结构多种多样且繁杂，各项功能的实现性是现代机械设计的一项审查标准，可以从系统、操作、执行等方面来判定。随着自动化的发展，现代机械设计也与时俱进利用计算机等设备，不断发明制造出与现代先进技术互相融合的产品，大幅度提高了机械设计效率以及企业生产的效率。
2、国外现代机械设计理论
现代机械设计理念[1]指的是：以信息科学学科、计算机技术学科、思维科学学科以及系统工程学科等为支撑，对机械产品本身的设计技术、设计规律、设计方法以及设计工具进行研究的工程技术的科学。
2.1 综合设计理论
上个世纪七十年代，Pahl和Beitz结合当时德国的先进设计思想和方法总结提出了普适性设计方法学这一理论[2]。这一理论将产品设计定义为信息由定性到定量的发展过程，将设计分为确定任务、概念设计、物化设计和详细设计四个阶段，这一理论将信息变化过程在CAD上体现出来。
2.2 公理化设计理论
美国MIT的Suh教授提出了公理化设计理论，这一理论将产品设计过程定义为用户域、功能域、物理域、工艺域的映射过程。公理化设计理论参照两条设计准则，分别是功能独立性公理和最小信息公理。公理化设计的意义是在指导设计过程中灵活运用这两条设计准则从而完成设计求解和决策，同时以清晰的设计思路获得最合适优异的设计结果。
2.3 三次设计法理论
日本学者提出了三次设计法理论，该理论将设计过程分为系统设计、参数设计和容差设计这三步。（1）整个机械设计基于系统设计；（2）参数设计的目的是让系统中得各个参数组合呈现最佳性，减小产品的负面影响；（3）容差设计旨在检验整体机械设计，确认各个参数在哪一区间内变动，同时降低制作成本。
3、国内现代机械设计方法
3.1 计算机辅助设计
随着计算机技术快速发展，各行各业开始用计算机对机械产品进行辅助设计。设计人员可以用计算机做很多工作，例如设计和画图等，这样不仅节省人力，还减少产品的设计绘图时间，提高了产品的设计质量[3]。
3.2 系统化设计
系统化设计[5]不像传统设计一样只追求功能性，旨在高智能化、高系统化以及高信息化，对于用户的信息资料加强管理，对于程序也设置一定的权限，将用户利益最大化并且维持系统的正常运行。
3.3 全局设计或局部设计
全局设计或局部设计的设计方法是设计理论的具体化和实用化。传统经验设计往往存在一定的盲目性和随意性，现代设计方法突出各类技术互相融合，在理论指导设计的帮助下可以降低这些盲目性和随意性，从而提高设计的主动性、科学性和准确性。
4、功能原理设计
机械产品设计的第一步就是对要设计的产品功能有个大致框架，称为“功能原理设计”。功能原理设计[4]旨在创新构思的出现，鼓励‘brainstorm头脑风暴’，尽可能提出众多想法构思以便挑选优异的那一个。功能原理构思常用简图或示意图来表达。优异的功能原理设计不仅要包含新颖的构思，还要考虑到新产品是否在市场上存在竞争力，只有这两者结合才有意义。功能的分类在图1中显示。
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图1 功能分类情况
功能原理共有五种求解思路，分别为几何形体组合法、基本机构组合法、物—场分析法（S-Field法）、技术矛盾分析法、物理效应引入法。
4.1 几何形体组合法
简单的动作功能是由大于等于两个的构件组成，由于构件自身特殊的几何形状，它们能够实现互相动作或者锁合动作。在应用这个方法时，首要的就是确定功能，然后以此为目标对构件的几何形状进行设想。比如螺纹（如图2所示），利用两个构件螺纹形状的啮合来完成联接、传动、密封等工作。
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图2 几何形体组合的螺纹
4.2 基本机构组合法
复杂的动作功能主要利用常见的基本机构，例如凸轮、多杆机构和齿轮等，组合起来实现复杂运动。根据现有的理论和经验更容易实现复杂的功能目标。基本机构组合法能够有效地帮助完成复杂的动作功能。
4.3 物—场分析法（S-Field法）
物场分析法是指通过分析技术系统内部构成要素间相互关系、相互作用而导致技术创造的一种方法，它可以作为求解工艺功能很有效的思路，S指对象或物体（Substance）。这个方法的基础是对“最小技术系统”的理解和分析，不管技术系统的规模有多么小，一个主体（S1），一个客体（S2）和一个场（F）这三个要素都是不可忽视省略的。S1通过F作用于S2，其模型如图3 所示。
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图3 S-Field法模型与实例
4.4 技术矛盾分析法
产品中的关键技术涉及材料、制造工艺和设计，也就是说这几方面存在着现在技术无法解决的难点，或是其他人无法达到的技术高度，因此矛盾形成，运用技术矛盾分析法可以来求解关键技术。技术矛盾分析法旨在寻求解决问题的途径，而非直接帮助解决问题。例如为了帮助老年人和视力低下的人解决穿针引线的困难而设计出来的穿针器，如图5所示。
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图5 利用技术矛盾分析法设计的穿针器
4.5 物理效应引入法
综合技术功能的一个特点就是运用广义物理效应在特定情况下能比纯机械方法获得更好的工艺。但是纯机械功能并不能完全被代替，在很多情况下工艺和动作还是简易可靠的。综合技术功能的求解方法是应用物理效应引入法。比如声控灯利用声波来控制点灯的开闭，液压机利用液体压力实现动力传输（如图6所示）等。
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图6 液压机工作原理图
1—小柱塞 2—大柱塞 3—毛坯
5、机构运动系统的方案设计分析
图7为自动送料机构，不需外加动力、利用工件自重就能实现工件的自动传送。基于现代设计理论与方法，可以方便的分析该机构的动作原理，建立动作周期分析计算的数学模型，还可以考虑这样一个问题：质量分别为m、2m、3m的工件是否可以用同一套装置送进，作何调整可以实现该功能，即解决如下几个问题：
（1）在不计及摩擦和冲击的条件下，建立该机构运动的数学模型，并求解机构的动作周期（从工件3进入摆杆4的槽口至工件2进入摆杆4的槽口）；
（2）分析说明影响机构动作周期的主要因素，并分别说明其是如何影响的。
（3）试分析说明摩擦、碰撞因素对机构动作周期的影响。可能时，建立计及摩擦和冲击条件下该机构运动的数学模型。
（4）从使用角度，分析说明该机构动作周期的可能调整空间有多大。（最好分别按“不计及摩擦和碰撞”、“计及摩擦”、“计及碰撞”、以及综合计及摩擦和碰撞等情况分析）。
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1.进料导板 2、3.工件 4.摆杆 5.配重 6.机架 7.出料导板
图7 自动送料机构动作过程示意图
5.1 自动送料机构的动作原理
自动进料机构的工作原理为：工件2、3在自身重力的作用下，从倾斜进料导板1滑入到摆杆4的进料槽中，摆杆在工件重力作用、配重5和机架的共同作用下，向下摆动。转动一定角度后，摆杆与出料导板7相碰，工件从出料导板滑出。随后，摆杆失去工件重力作用后，自动回复到初始状态，进料机构如此重复上述动作，进行连续工作。
5.2自动送料机构运动的数学模型、动作周期分析
在不计及摩擦和冲击的条件下，建立该机构运动的数学模型，并求解机构的动作周期（从工件3进入摆杆4的槽口至工件2进入摆杆4的槽口）。
在此模型中，定义参量如表1所示：
表1 案例分析定义参量一览表
（1）
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（2） 对于转动构件，有
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（1）
1. 当工件进入送料口时，整个机构绕机架的转动惯量为：
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（2）
整个机构绕机架的力矩为：
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（3）
公式（2）、（3）代入（1）后得：
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（4）
不妨令
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，在此模型中，假定摆杆的转角很小，有
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，
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，此时，摆杆的角加速度α是一定值，根据公式
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（5）
在送料机构从进料离开至到出料口时：
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（6）
2. 当工件进入送料口时，整个机构绕机架的转动惯量为：
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（7）
整个机构绕机架的力矩为：
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（8）
公式（7）、（8）代入（1）后得：
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（9）
不妨令
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，则有：
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，由上述假定得
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（10）
所以，在不计及任何外力的情况下：
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（11）
（3） 从（11）式中可以看出：
影响周期T大小的因素有：摆角θ、杆长l、杆长比λ、工件质量m0、摆杆质量m、配重质量M、重力加速度g。
摆角θ、杆长l增大时，周期T变大；
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在上式中，在根号下，将杆长比λ作为未知数，通过对T的表达式进行改写可知：λ 增大时，T减小。
而工件质量m0、摆杆质量m、配重质量M必须在杆长比λ给定或变化范围确定时讨论才能得出确切的结论。
重力加速度g的增大使得周期变小，说明在不同经度地区该构件的周期会发生变化。
6、结语
现代设计理论和方法覆盖了所有机械产品的设计及制作过程，对于提高生产率，加快国民经济的发展有着重要的意义。我国对于现代设计理论与方法的研究还是稍微落后于发达国家，特别是在材料学的研究与制作上。现代机械设计理论为现代机械设计提供基础，是机械行业中的核心理论，因此人们需要正确的指导来对这一繁琐的系统工程有细致的了解并且可以加以应用。由此可见，大家急需重视因现代机械设计理论的缺失而造成的影响，现代机械设计理论需要更加深入细致的研究学习，这不仅反映并影响着现代机械设计的水平，更代表了学术价值与行业前景。
参考文献：
[1]谷朝臣.基于原理—结构—参数模型的机电产品设计研究[D].上海交通大学，2013.
[2]Suski A.Special Issue：Design Theory and Methodology（DTM）[J].Journal of Mechanical Design，2015.
[3]刘慧茹.现代机械设计理论与方法最新进展[J].中国新技术新产品，2015，08期：40-40.
[4]任俊青.现代机械设计方法的几点思考[J].城市建设理论研究：电子版，2015.