有限元法是一种高效能常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛的应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。有限元法的应用最早出现在1969年，当时早就有学者利用加权法则得到了有限元法的应用方程，而且，将其广泛的应用在了各种物理场中，得到了很多重要的结论。说到其原理，有限元法的应用原理也十分简单易懂。主要可以理解为函数求导，举个例子，比如说给了一个比较复杂的未知场函数需要求解，这时可以将整个场函数离散成若干个可以求解的函数进行求解，另外也可以将这个未知场函数在已知空间里大致画出简图，并且利用函数的节点标注出来数值，例如比较有用的最大值，最小值等，这时就会把一个未知的场函数变成多个已知的离散形函数，这就是有限元法最简单的应用原理。
2.有限元法的基本应用步骤
有限元法的基本原理和概念已经了解，以后应该了解的就是有限元法的基本步骤，掌握了基本的步骤才能够更快速的掌握工作原理。首先进行剖分，顾名思义，就是对需要求解的未知数进行离解，将未知数离解成多个元素的集合，并且，每个元素都是每一处离解过方程的解，之后通过剖分的方法得到函数的最大值和最小值，这里可以叫其节点。第二个步骤是单元分析，单元分析听起来十分的简单，但是依然是要考虑细节的一个步骤。要进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网络点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数。第三个步骤是对变分方程进行求解，在整个方程的求解过程中可以看出，有些方程的解并不是用简单的方法就可以计算出来，通常情况下要有很大的逻辑思维，要能够将多种方法在一起分析计算。用有限元法对已知的单元进行离散，然后将每一个数据和不同的问题进行结合求解，这是物理学上解决问题常用的方法。离散，顾名思义，就是指对待一个比较复杂的方程，要有能够将其分解计算的能力。有限元法把连续体离散成有限个单元。
3.有限元法在机械设计中的应用
有限元法在日常的生产生活中都有很广泛的应用。如今在机械设计中也有很广泛的应用。机械设计在机械制造过程中起到至关重要的作用，因为机械设计是整体工程的第一步。机械设计，顾名思义，首先要考虑的是设计，就是根据整体的零件大小，程度，应用高度和范围和整个工程的施工特点来制造最适合的方案和图纸，不错，机械设计对产品的尺寸大小，相对位置的计算等方面都有很大的要求，这时运用有限元法大大的加快了运算的速率，得到需要的数据。
4.有限元法的在机械设计中的具体应用
传统的机械设计方法为何会在如今的时代越来越被淘汰，究其原因可以发现，传统的机械设计方法比较笨重，耗费的人力物力较大，不能够快速的完成工程项目，所以造成的工作效率不会很高，进而大大的减少利润增大了成本的消耗，而且，在成本上也会有很大的消耗，如果设计质量不高，甚至会有赔本的可能。造成这种结果的原因是传统设计一般都是采用对比分析法，简单来说，就是在几个比较合理的方案中选择一个最优方案进行设计，这样看来设计具有很大的盲目性。同时选择的方案也没有一个十分精确的评价标准来衡量其优劣情况。如何通过比较来进行选择呢，这就需要不断地对比，修改，之后再重新确认设计方案，由此可见，传统的机械设计方法太过浪费时间，而且在设计方案上不能做到别具一格，引人入胜。而这时就要引入有限元法，在机械设计中将有限元法融汇贯通。这样的办法可以大大优化产品生产的效率，可以准确的得到数据，也可以在得到数据的同时通过整体的调控分析来确定设计的合理性。另外，因为在传统设计方案中往往忽略了机器设备自重性这个因素，所以对人力物力的损失很大。目前，在机械设计中有限元法应用在如下几个方面，首先是静力学分析，顾名思义，可以说是在静态下的应用。当整体的受力情况并不明显的时候，可以说物体处于静止或匀速运动的时候，内部存在的载荷不动或运动的浮动特别小的时候，此时就可以用有限元法进行静态分析。其次是模态分析。模态分析，其实就是指载荷有位移之后的分析。当物体处于运动状态时，而且内部两个接触物体会有一定的接触受力时，这时可以作用模态的动态分析和应用有限分析法，这样也可以准确的得到数据，进而完成机械设计。之后，在机械设计中还要在热应力方面上应用有限元法。主要考虑到在机械设计中温度的不同改变了内部的应力，所以需要有限元法进行分析调整。
5.结语
关键词：机电一体化；计算机控制；传感器
1 机电一体化的概念
人类从使用简单工具到现代的机器发生了巨大的变化。特别是计算机控制技术出现以后，传统机械又有了一个飞跃。
机器应该是机械和电器的合成。传统的机械工程和自动控制工程从专业学习到工程设计应该一体化。目前，关于机电一体化的定义与概念，许多书籍都是根据国外书籍的定义和概念而引用。对于国外的概念基本强调机器人跟数控机床的概念。虽然，机器人和数控机床是机电一体化中具有一定代表性的产品，但绝非是机电一体化的全部内容，机械的内容很多：化工机械、轻工机械、重工机械、纺织机械等。机电一体化强调的是机械产品的自动化和智能化的问题。
2 机电一体化的基础知识
机电一体化涉及的知识还是比较广泛的。在机电一体化设计中常常会涉及到机械做功，液体压力做功等理论力学和材料力学的相关知识。对于机械零件还涉及到机械零件的加工方法一些工艺性问题。尤为重要的是数控加工技术。零件的加工精度、材料的选择都是需要学习的。一些机械零件例如：轴和轴承、齿轮、凸轮、链条、链轮等可以说是机电一体化设备中应用极广泛的一类机械零件。对于零件的学习使是我们应具备的基础。还有自动控制和人工控制的内容，电路电器的基本知识。
3 传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定的规律变换成为电信号或其他所需的形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器大致可分为物理传感器和化学传感器两大类。在机电一体化中起着至关重要的作用。常见的传感器有：压力传感器、位移传感器、位置传感器、温度传感器、湿度传感器、气敏传感器等等。
4 绦凶爸
所谓执行装，就是把从电源、液压、气压等动力源获得的能量变换成旋转运动或者直线运动的一种装置。执行装置主要由执行元件、传动原件等构成。主要的执行装置有如下几种：步进电机装置、伺服电机装置、普通电机装置、液压油缸装置、液压马达装置、气压装置、气动马达装置。这些机械装置是控制系统的控制对象，也叫控制系统的执行装置。普通电机装置也是控制系统的控制对象，如采用变频器可以控制转速，PLC也可以控制转速和角位移。普通电机采用控制器的控制精度和效率没有步进电机和伺服电机高，但是在一些控制要求不太高的机电一体化设备中，目前应用还是比较广泛的，毕竟普通电机价格比步进电机和伺服电机低得多。
5 计算机控
机械设备的控制系统从最初的的强电控制到现在的计算机控制，经历了如下过程：简单的开关控制――继电器控制――单片机控制――单板机控制――PLC控制――PC控制。事实上，到现在为止机械设备的控制系统无论从简单的开关控制，继电器控制到复杂的单片机控制、单板机控制、PLC控制、PC控制都有它们的使用价值。随着时间的发展，使用的比例肯定会按上述顺序，前面的越来越少，后面的越来越多。目前来看单片机控制、PLC控制系统在机电一体化应用领域的数量上应该是最多的。
数控技术是指用数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是为止、角度、速度、等机械量和开关量，以及温度、流量、压力等物理量。数控技术和计算机控制技术是相互关联的。数控技术的特点：精度高、速度快、可靠性高。
6 机电一体化的设计方法
机电一体化设计类型可分为：
根据受控对象的不同，进行机电一体化设计；
改进型机电一体化设计；
创造发明性机电一体化设计；
不同的机电一体化设计类型，也有不同的设计方法。所谓根据受控对象的不同进行机电一体化设计，也就是不同行业有不同的受控对象。比如数控机床、包装机械一类的受控对象基本上是机械动作；在化工机械中，处理机械动作外还有对温度、流量、压力、配比等物理量的控制；也有将化学量作为受控对象的，如土壤分析仪对土壤酸碱度、钙、镁、磷的分析等。当然受控对象最多的还是机械动作问题。
改进型机电一体化设计是应用非常广泛的一类设计。比如，我国数控机场普及度不高的现状的主要原因一方面是数控机床的售价太贵，对于许多企业来说很难承担这笔开支的。所以对现有机床进行数控化改造，提高现有机床的生产效率和质量、节约成本等起到很好的效果。
在机电一体化设计中，我们主要考虑3部分的设计：机械部分、控制部分、传感器部分。事实上，为了简化问题，机电一体化的设计思路完全可以从两部分来考虑。即机械部分和控制部分，因为传感器完全可以在控制部分中一起考虑。机电一体化设计发展到今天，机械部分的设计仍然是这三部分中最重要的部分。过去在机电一体化设计的学习和实际工作中存在一种错误的认识和看法：认为机械设计直观简单，技术含量没有控制部分高。这是一种本末倒置的认识。
参考文献
1 专业综合实验
专业综合实验是电子信息工程专业集中实践教学环节，目的是使学生能综合运用所学相关课程的基础理论和基本知识，完成电子功能模块电路或电子系统设计、仿真和电路测试，为以后毕业设计和工作奠定坚实的技术基础。要求学生完成相关电子功能模块系统的电路设计、仿真到硬件实现和指标测试，写出详细的工程实践报告。近年来，专业综合实验内容是使用“探索者”机器人实验系统提供的零件和模块，进行运行方案、机械结构和控制电路的设计并编写控制程序，拼接完成机器人的组装，运行测试，实现机器人的既定功能。
2 机械设计在专业综合实验中的作用
国内外很多高校都已开展了机器人的教学工作[1][2]。并且国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
无论是哪种情况，机器人的运动都离不开身体的配合，其中包括机械本体系统和运动动力控制系统两大部分[3]。机械本体是机器人存在的基本和功能实现的前提，是将各种机械零件有机地组合起来，使得机械结构既巧妙又有效率。机器人的动力来源一般是电动机，通过一套机械传动装置，按照机器人内的程序控制，将动力传到机器人的执行机构，机器人的执行机构就开始运动了。机器人如果想要动起来，机械本体和运动动力系统这两大部分缺一不可。
一个完整的机器人设计应该是机械、电子、软件和外观等有机组合在一起的结果。必须根据功能先用机械零件搭建出各式各样的机械结构，再选择适当的电子器件，结合编写程序，最后加以外观美工修饰。
设计机器人之前先要思考以下问题：要做什么样的机器人，需完成什么功能，要有什么动作，在什么环境下运作，是否要人机交互等。只有把这些问题弄明白了，确实明确了设计任务，才能动手进行机械设计。进行机械设计不是单纯的将零件搭建成机械结构那么简单，而是需要根据机器人的运行方式、运动原理和运行环境，拟定运动方案，确定结构组成。机械设计的任务就是根据机构运动方案将机械零件拼装完成机械装置。
3 如何提高学生的机械设计能力
3.1 了解机构运动方式
自然界中物体位置发生变化的运动，叫做机械运动。平动、转动和振动，是机械运动的三种基本形式。任何一种功能机器人都需要完成一种或同时参?c几种形式的运动，因此学生需要根据机器人的运动特点确定运动方式，选择适当零件拼装成机械装置。
3.2 学习机械装置运动原理
不同的机械装置的运动原理不一样，要求学生根据不同的机械装置的原理，选择零件组成实现。比如曲柄摇杆装置是由一个曲柄一个摇杆组成，可将连续的旋转运动转化为摆动运动。常见的雷达天线俯仰搜索结构就是这样的曲柄摇杆装置。选择电机和连杆型零件就可实现曲柄摇杆装置。
3.3 学看机构简图
结构简图表示机械运动配合情况和机构组成情况，代表机械运动系统的方案。结构简图是把实际机构加以科学的抽象，从原理方面表达机构的组成和运动性质，以便进行机构的设计和拼装。学生要会看机构简图，从简图上确定构件的种类数目、构件的相互位置以及所表达的机构运动性质，选择机械零件，完成拼装。
3.4 动手拼装机械装置
学生通过学习认识组装机器人所需的各种机械零件图形、特点及用途，了解其参数；掌握机械装置运动原理、主要用途、组装方法；掌握典型机械装置拼装所用零件及工具。进而利用利用“探索者”机器人实验系统提供的零件进行机械装置的拼装，从简单到复杂，从单一到组合，训练机械装置的拼装能力。再提高到通过组合不同的典型装置可完成不同的机器人功能需要，提升能力到设计机械装置。
[关键词]矿山机械；绿色设计；方法
中图分类号：TD402 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0030-01
矿山机械有一定特殊性，在使用时与周围环境关系密切，如土壤、水和空气等，设计应综合性考虑环境问题及资源问题，融入绿色设计理念，提高产品经济性、环保性及回收性。
一、 矿山机械绿色设计方法
1、 生命周期设计
主要包括五部分，绿色规划与设计开发，产品制造及生产，产品使用，产品维护及服务，淘汰废弃产品回收、处理和重用。在生命周期设计过程中，应综合性考虑产品调研、设计、研制、制造和销售等，确保方案与环保要求相符。
2、 并行式设计
并行式设计为重要内容，实际应用时应加强设计各要素综合性分析，并加强各环节信息交流与反馈；若某环节出现问题，需及时探讨分析，合理制定解决措施，继而保证产品设计达到最佳性能[1]。此外，并行式设计对于产品优化、产品开发等有重要意义，可有效提高产品质量。
3、 计算机辅助设计
近些年，电子计算机在各行各业广泛应用，在矿山机械设计方面也不例外。绿色设计包含知识面较广，仅对这些知识作出简单排列与组合，无法满足需求，故设计人员应运用先进计算机技术，对设计知识进行有机组合，确保设计方案更加准确、科学。绿色设计涉及数据和知识非常复杂，且具有不确定性及动态性特点，人工设计难度较大，而计算机技术具有快速、精准、简便特点，为现代设计必然选择。
4、 模块化设计
模块化设计指在一定范围内对产品规格、功能及性能等进行划分，制定设计方案时综合性考虑各个模块，并针对功能不同的模块，作出排列组合，使之形成符合要求的产品。在设计时，应合理科学的分析客户对产品的需求，确保模块化设计方案能满足实际生产要求；设计人员应始终遵循绿色环保理念，确保产品满足绿色设计特征，如易回收、易拆卸等[2]。
二、 矿山机械绿色设计内容
1、 选择设计材料
对设计材料选择予以足够重视，选择时除了保证材料满足机械使用基础功能外，还必须保证材料与环境之间协调。在矿山机械设计中，所用材料必须利用简单，来源充足，可回收再利用，对环境影响较小。
2、 可拆卸设计
可拆卸设计指产品拆卸工艺简单，部分材料可回收利用，以此提高设计产品经济效益。比如，螺纹连接是矿山机械常用连接方式，拆卸简单，拆卸后的螺钉仍能继续使用，充分体现了经济效益。在可拆卸设计时，应保证①拆卸简单，拆卸量较少；②部分分离简单，可回收零件单一。
3、 可回收设计
矿山机械可回收性是绿色设计主要内容，也是重点内容，在设计初期应受到足够重视。可回收性包括①可回收材料的识别及基本标志；②可回收材料制作工艺；③可回收材料经济性分析；④可回收材料结构特性。
三、 如何进行绿色设计
1、 清洁化处理
在生产过程中，采用一定技术处理使用的材料及能源等，达到清洁化目的，减轻环境破坏。对于很多矿山机械，清洁化水平偏低，应加强对无污染技术或污染较小技术的研究，减少生产中废物、废气及废液排放。针对无法回收机械零部件，需采用易降解生产材料，减少土壤污染。
2、 噪音污染处理
噪音污染是矿山机械环境污染的严重问题，齿轮泵噪音大，直接影响周围居民生活及现场生产。应加强分析噪音原因，主要因素为机械设备运转导致。齿轮泵的轮速越大，压力增加，则噪音越大；齿轮可采用双压力角和双模数，增大出油区和进油区体积，提高吸排油能力，减少压力波动，从而控制噪声[3]。矿山机械传统使用的柴油机属于高污染动力设备，大量排放颗粒物，污染环境，且噪音较大。应积极改良动力设备，采用绿色环保柴油机，电控喷油型柴油机排放物较少，噪音小，可作为环保动力设备广泛应用。除改变原料选择之外，也要加强后期消音、减震等设备应用，降低矿山机械对于环境的影响。
3、 油污泄漏治理
在矿山生产时难免发生油泄漏现象，既对机械设备正常运转造成影响，也易引起石油资源浪费，污染周围环境。应加强对新型油料及密封技术的研究，采用水、植物油等代替矿物油，降低噪音污染，减少机械油泄漏污染。
4、 绿色设计技术
矿山机械绿色设计技术主要有数据管理技术（PDM）、建模仿真技术等。（1）PDM是绿色设计关键技术，是对生命周期设计各环节信息及数据的有效管理，包括技术文档、绿色资源及工程规范等。（2）为达到绿色设计目的，运用建模仿真技术，大量收集整理产品设计及运行中的信息和数据，以此建立生命周期设计模型。通过建模促进各部门之间相互合作，并利用仿真技术，进行产品开发及设计、产品制作及测试、后期回收与二次处理等。
结束语：
矿山机械绿色设计对其长远发展有重要现实意义，有利于促进矿产企业长久、可持续发展。矿产企业应认识到绿色设计重要性，加大研究力度，促进环保，保证能源产量。
参考文献：
[1] 李艳萍.矿山机械的绿色设计分析[J].西部资源，2016，03：98-99.
1.1课程教学体系现状
《机械设计基础》课程开设在大学农牧学院的能源与动力工程专业，共有三个模块，分别为理论教学模块60学时、实验教学模块4学时以及课程设计1周。
1.2教学体系中存在的问题
课堂教学模式陈旧，重讲轻练。课堂教学中，教师常过分强调知识的全面性，造成课堂教授内容过多，与学生互动较少，同时没有给学生留下足够“学”的时间。例如在讲平面四杆机构设计时，课堂时间大部分在讲授其设计基本思路与方法，很少讲习题，更没有时间让学生练习，严重阻碍知识体系的掌握。实验教学条件和内容不完善，学生缺乏参与感。受实验教学条件的限制，现有实验教学内容仅包括机械原理认识实验与机械零件认识实验，均为参观性实验。学生在实验过程中只能对常用机械零件产生感性认识，而没有实际动手操作，致使参与感严重缺失。课程设计时间短，题目单一，且与实际脱节。课程设计的时间为一周，只能做一个题目，即二级变速器的设计。在这一周的时间内，需对设计的各环节进行分析、计算、选型和作图等，时间非常仓促，学生非常吃力。加之设计题目与实际脱节，学生对设计内容不感兴趣，阻碍了学生设计能力的提高。课程考核方式单一，偏重于理论知识的考核，实验等实践内容几乎不在考核之列，造成学生对实验课程和课程设计不重视，专心于理论知识的学习，不利于学生机械设计综合设计能力的提高。
2教学体系改革措施
课堂教学、课程设计、实验教学是机械设计课程整个教学体系中不可忽略的三个重要环节，本课程的教学改革也应从这三个环节入手。课堂教学应提高教学效率，课程设计应提高学生的工程设计能力，实验教学应以培养学生的动手能力和创新能力为目的。同时理顺课堂教学、课程设计与实验教学之间的关系，建立多元化的教学体系。
2.1改革课堂教学方法，整合教学内容，提高教学效率
针对教学模式陈旧、重讲轻练的现状，课堂教学应遵循精讲多练的原则。在理论授课时精讲基本概念、基本理论和基本方法，使知识易于理解、掌握和记忆。同时给学生留出一定的思维空间，避免满堂灌和填压式的教学方法。同时课堂教学应多采用现代教学手段，例如对于一些较为复杂的空间模型和机械运动规律的讲授，应采用幻灯片、动画或录像等方式，更有利于对常用机械零件的结构和特点的认识和掌握。在课程教学体系改革的大背景下，课程教学内容需要整合，应以机械零件设计为主线，以基础理论侧重实用为原则。机械原理和机械零件设计都是以机构运动简图为研究模型建立机械运动简图，因此应把结构分析，机构运动简图的定义、性质和常用运动副的代号，机构运动简图的建立作为重点讲授内容。对于机构原理部分的内容，过去主要是采用讲授图解法。随着计算机辅助机械设计的应用与推广，其教学内容应该以讲授解析法为主，并增加计算机辅助机械设计的内容，向学生简单介绍AutoCAD的操作知识以进行机械设计，课后要求学生利用计算机完成简单机构的设计任务。对于机械传动和零件设计，应尽量减少理论计算公式的推导，增加零件细部结构的设计介绍和常用设计参数的选取原则的介绍，并加强对机械组合的介绍，比如多种传动方式的组合、原理、特点以及工程实际中的应用、维护等。多向学生介绍机械方面的新发展、新思路，以开阔学生的眼界。此外，参考教材的选用应着眼应用性和先进性。将版本较老、内容较难的教材改为内容较为简单、学生感兴趣、应用型强的教材。
2.2完善实验条件，注重实验教学，重点培养学生的动手和创新能力
针对学生对本课程的学习积极性很高，但学习很吃力的现状，分析其原因，主要是因为学生对理论推导的课程内容有所排斥。但学生对事物的感性认识能力较强，且比较爱动手操作。应对实验条件和实验教学内容做出调整。例如建设机械设计综合实验室，购买机械设计课程相关教学仪器设备，用于满足教学实验条件，并在维持总学时（64学时）不变的情况下，大幅加大实验学时所占的比例。其中，理论学时由60学时压缩至36学时，实验学时由4学时增加至28学时。为增加学生对机械机构的操作能力和创新能力，实验教学在课程教学中所占的比例大幅增加，实验教学内容也有了相应的调整，包括认识实验、操作实验和创新实验。其中，认识实验主要是参观机构工作原理，4个实验共8学时；操作实验主要是常用机械模型的制作，3个实验共14学时；创新实验主要是根据学生的兴趣进行机械模型创新设计，1个实验共6学时。
2.3健全课程设计内容，全面提高学生机械设计能力
机械设计课程设计是提高学生机械零件设计能力的一个重要环节。课程设计给定的时间短，涉及知识面广，完成的内容多，计算量大，绘图工作繁重，有时一个普通的传动方案就需要几个小时甚至几天的时间。鉴于该现状，应使课程设计的题目多样化，并给出设计功能要求，让学生根据自己的兴趣选题并拟定结构方案，指导教师给出合理建议，并尽量借助于现代设计手段、设计方法指导学生完成课程设计任务。在课程设计过程中，要求学生在手工计算的基础上，完成装配草图设计，并运用CAD软件完成装配工作图和零件工作图的绘制。这样不仅能使学生在学习期间接触和掌握计算机辅助绘图技巧，又可以加深学生对行业标准和设计规范的理解掌握，全面提高学生的机械设计能力，为其今后从事设计工作打下良好基础。
2.4考核形式多样化，全面考察学生的学习成果
传统的机械设计课程的课堂教学多，考核多以闭卷考试为主，因而导致学生对实验、设计不感兴趣，偏重于书本知识的掌握，形成了“高分低能”的不良现象。而社会的发展要求学生具有理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，因此，课程的考核形式应多样化，以全面考察学生的学习成果为目的，不能单纯以书面考试为主。按照这一思路，课程的考核形式也应作出相应的调整。例如新制定的考试方案中，闭卷（或开卷）考试占30%，实验完成情况占30%，课程小论文占20%，平时表现占20%。其中，闭卷（或开卷）考试内容为课堂教学的重点及难点；实验成绩包括实验模型制作水平、实验积极性及实验团队合作情况；学生可自行拟定课程小论文题目及内容，但论文中必须能反应学生对本课程结构体系的认识及学习感受（需对课程教学提出合理建议或意见）或对课程某一典型章节（典型机械结构）的深入理解；平时表现包括课堂教学及实验教学出勤率、学习积极性及作业完成情况。
3结论
3.1《机械设计基础》课程教学体系的改革应从课堂教学、课程设计和实验教学三个环节着手，应理顺课堂教学、课程设计和实验教学之间的关系，建立多元化且结构合理的教学体系。
关键词 机械手 结构设计 控制系统
0引言
随着科技的飞速发展，机械手在大规模劳动密集型生产中得到了重要应用，成为自动化生产线上不可或缺的一员。机械手提高了生产自动化程度，降低了劳动强度和用工成本，提高了生产效率和产品合格率，提高了生产自动化程度。机械手在生产中仍有许多机械结构和控制系统问题存在，不断加大对机械手的研究，增强其智能性、适应性、准确性和稳定性，满足日益提高的F代化生产要求。
1机械手臂机构设计
1.1底座结构设计
底座是整个机械手臂的支撑部分，是执行腰部360度回转的机构，也是安装动力源、控制系统和驱动系统的部位。
1.2手臂结构设计
手臂是支撑和带动手腕和手部的重要部件，分为有关节臂和无关节臂，本文所设计的机械手臂试验装置为无关节臂，并采用直流电机驱动，锥齿轮或内啮合齿轮传动。
1.3手腕结构设计
手腕是用于连接手臂和手部的部件，通过左右旋转平移和俯仰转动，可以调整机械手执行操作时的位置和姿态。
1.4手部结构设计
手部是直接于物体接触的部件。根据手部与物体接触形式的不同可分为夹持式和吸附式。夹持式通过模仿人手指的结构形式，可分为无关节、固定关节和自由关节三种类型。根据手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中二指应用最多。根据传力结构又可分为回转型和平移型，回转型结构简单，方便制造，因此常使用此类型；平移型可夹持范围大，但结构复杂，成本较高。本文采用二指回转型夹持式结构，手部有两个自由度，一个自由度用于夹持物体，一个自由度用于反转手腕，通过直流电机驱动。
设计所得机械臂采用的回转型机械手臂与人的手臂结构相似，前三个关节都是回转关节，底座与手臂形成类似人手臂的肩关节，手臂中大臂和小臂形成肘关节，大臂可以做回转运动，小臂可以做俯仰运动。此类机械臂工作范围大、运动灵活迅速、适应性强、通用性好。
2机械手臂驱动设计
驱动系统通过传动装置为整个机械手臂提供动力，关节型机械手的驱动系统主要由驱动装置和传动装置两部分组成。常见的驱动型式有液压传动、气动传动和电气传动，液压传动具有作用力大、结构紧凑、作用平稳、动作灵敏等优点，但其易产生漏油污染、结构复杂、成本较高；气动传动动作迅速、结构简单、无污染、维修方便，但由于空气易被压缩，工作不线性。工业机械手臂常使用液压传动和气动传动，但液压传动和气动传动结构复杂、成本较高，本文机械手臂作为实验装置，机械手臂不需要进行高强度、高负载的工作，故使用电气传动，具有运动速度快、可靠性好、运动精确、安装维修简单等优点，完全可以满足实验设备的需要。
3机械手臂控制系统设计
机械手臂控制系统控制着机械手臂按所发出指令要求运动。目前，工业机械手多采用程序控制系统和电气定位系统进行控制。机械手臂实验装置的控制系统较为简单，用单片机输出六路PWM脉冲信号分别控制机械手臂的六个舵机，需要输出一个20ms的脉冲来控制舵机，即可实现机械臂的六个自由度。对机械手臂的控制即对各电机的控制，计算机为控制系统的核心，分别由计算机、伺服控制卡、4套步进电机驱动单元和4套步进电机组成。
机械手臂控制系统设计主要时对驱动系统的设计、上位机控制界面的设计和上、下位机之间串口通信的设计等。
在对上位机控制界面设计时，主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区和机械手运行示意图等方面。五路舵机控制区采用滚轮条的形式，在右侧的编辑框中实时显示各舵机的转动角度；一路电机控制区采用速度控制的形式，显示电机的正转、反转和停止；用机械手运行示意图实时显示机械手的运行情况，当相应舵机或电机运行时，会在相应的舵机或电机位置上加亮以表示正处于运行状态。
4结语
随着生产中对机械手需求量的不断增大，对机械手智能性、适应性、准确性和稳定性提出了越来越高的要求。我国对于机械手的研究和应用起步相对较晚，不能适应生产中对机械手提出的要求。对六自由度机械手臂实验装置的设计，实现对机械手的实时精确控制，解决存在各种问题，可以为控制算法和控制理论的测试、检验提供更佳的实验平台，更好地对机械手进行精确而又复杂的控制研究。
参考文献
[1] 范小兰，赵春锋.基于PLC的机械手控制在MCGS中的实现[J].制造业自动化，2012（18）.
1有限元法的概念及发展
有限元法是在20世纪诞生的。有限元法的概念就是通过应用比较简单的问题来代替比较复杂的问题之后再进行求解，将求解域看作是由很多比较小的有限元连接而成的并且具有一定联系的互连子域组成的，用一个比较合适的近似解来进行推算和演绎，得出总域的满足条件。但最后得出的结果不是准确解，而是近似值。因为很多实际问题都不能通过一定的解决方法得出非常准确的结果，有限元法相对能够准确计算问题的解，并且对各种各样复杂的情况都能够适应，因此，有效元法在工程分析手段中是一个比较有效的方法[2]。随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法已经在计算力学和计算工程领域中广发应用，解决了许多工程分析的难题，在给出的定边界条件下解决控制方程的问题。比如，最常见的固体力学中位移场和应力场问题的分析、电磁学中的电磁场分析以及流体力学的流畅分析都能够应用有限元法进行解决。有限元法在机械设计中做出了一定的贡献，对机械企业的发展有很大的促进作用，能够更好地促进社会的发展，推动我国经济的可持续发展。
2有限元法在机械设计中的应用
2.1模型简化和单元格划分。模型简化是在一定程度和范围内对不会给模型整体造成非常大变化的部分进行去除。例如，机械设备中的圆角或者倒角都可以用这种方法进行去除。而进行模型简化的根本目的就是防止这些因素对机械单元格的整体质量造成不良的影响，特别是在运算比较大的情况下这些影响因素会使分析结果比较难收敛。模型简化在计算过程中是有一定意义的，还能够提高计算的效率，使计算过程更加简洁，同时对计算结果的准确性也没有很大的影响。例如在对橡胶衬套的径向裁剪的过程中，对其固定和形变进行分析，增加径向不带孔的方向适当地增加力度，并且保持加载速度。而单元格划分就是对整个机械模型进行离散处理，这样做的好处是能够帮助技术人员将模拟研究的规律从离散的数据中找出，并且依据不同机械模型需求来创建有限集合，从而确定设计结束后的采取和边界条件的确定[3]。2.2机械几何属性。设计人员应该对制造出的产品的几何属性进行分析，而几何属性也是创建相应的模型的依据。设计人员在制作模型之前应该对产品的几何属性进行定性分析。例如，机械中某些零件里的变化和热属性的研究。但不同的机械模型对创建条件也是不同的，因此设计人员应该根据实际情况，在最大限度内制造出最适宜的机械模型。已经制造出的机械模型应该创建才来参数，必要的情况可以借助电脑的拟合确定相对应的参数。2.3接触条件和载荷情况。机械模型中各个部分所构成的接触情况是对接触条件进行定义的依据。例如，在橡胶衬套的研究过程中，橡胶会因为受到力的压迫之后产生形变，这就是橡胶之间的接触。但是在压迫中，外衬套和内衬套作为一种刚体不会很容易地出现形变。模型材料和受力情况基本确定是接触条件进行定义的前提条件，并且随着边界条件和载荷条件的确立，有限元法的定义收敛发也应该进行确定。并且在已经完成定义的载荷情况，设计人员应该更加地严谨，将其带入作业中更仔细地处理也是不可缺少的一个步骤。同时，也应该利用现代的电脑技术定义单元类型。
3结束语
有限元法是一种比较高效率、准确度比较高的并且已经被机械设计领域广泛应用的计算方法，为一些比较难解决的问题提供了良好的解决途径，为机器实现高效、高速、高温、低耗和低成本的现代化发展提供了可借鉴的经验和前提条件，并且还能够提高机器的寿命和安全程度。在一定程度上推进了我国机械制造业的改头换面，推动了我国成为制造强国的进程。
作者:常豆豆 单位:运城职业技术学院
参考文献：
[1]潘伟,安鹏,车军平.机械设计制造及其自动化的设计原则及发展趋势[J].南方农机,2017,48(1):100+108.
关键词：机械优化设计；理论；方法
随着现代社会科学技术的发展，机械设计领域的概念和思维方式也在不断发生变化，机械设计能够在一定程度上反映出社会群体对客观世界的认知，并且遵循客观事物的发展规律来开展优化设计。因此加大力度探讨机械优化设计理论方法，能够为机械优化设计的未来发展指明方向。
1 机械传统设计与优化设计的对比
机械优化设计是基于最优化设计的，主要以数学模型作为优化设计的基本途径。优化设计的方法及思维属于优化方法的范畴之内，这种设计思想会使得各种参数顺着理想的方向能够自我调节，在这种模型精确计算的条件下，从各种可行性相对较强的设计方案中择优选取最佳的设计方案。由于设计方案较多，那么就需要使用电子计算机加以筛选，这主要得益于电子计算机的运行速度非常快，从而从诸多设计方案中筛选出最优方案。虽然在实际的数学建模过程中需要进行一定地简化处理，可能会导致计算所得的结果与实际值存在一定的差距，但是其基于客观规律以及数据，又无需花费太高的费用，所以说，这种建模计算的方法具有经验类比或者试验途径不可比拟方面的优势之处，再加上一定的经验依据，就能够获得一个非常理想的设计结果。虽然传统设计也追求最优化的设计结果，一般是基于调查、分析，按照实际需求以及实践经验，参照类似于工程设计，经估算、类比以及试验等过程，对寻优过程进行构思、评估、再构思以及再评估等，从而最终确定设计方案，最后开展刚度、强度以及稳定性等方面的计算。然而在传统设计过程中，存在主观方面、时间以及工作量过多等方面的影响，由于这些影响因素的存在，使得设计结果的最优化选择无法正常进行，这些设计结果的计算也仅仅具有校对、核验以及补充等方面的作用，只能对原有方案的可行性加以证实。传统设计往往需要花费高额的资金以及人力，而且最终结果也与初始设计试验范围差不离。所以说，传统设计主要受到主观因素的影响，得到的仅仅属于满足最初设计要求的设计结果，并非最优化设计结果。
2 优化设计方法的评判指标
效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序、稳定性要好。另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。
3 机械优化设计理论方法
3.1 准则优化法
在机械优化设计理论方法中，所谓准则优化法，就是指以物理学和力学等原则来构造并优化机械设计的方案，以促进机械优化设计的顺利进行。准则优化法在实际应用中具有良好的优势，其概念直观性较强，并且计算过程简便，即便是在约束条件相对较少的条件下，准则优化法的实际优化效率相对较高，因此在工程中具有良好的应用效果。但就机械优化设计的实际情况来看，准则优化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在实际应用中，其所考虑的范围具有一定局限性，一旦实际约束条件较多，会严重影响机械优化设计的效率，因此在机械优化设计中，应当对此项因素进行深入衡量和分析，以全面提高机械优化设计的质量和效果。
3.2 线性规划法
在机械优化设计理论方法中，线性规划法是基于数学极值的基本原理上所提出的，以目标函数、约束条件以及设计变形的线性优化为主要因素进行分析，以此作为主要的求解方式。线性规划法中常用的两种方式是单纯形法与序列线性规划法。
其中单纯形法是美国学者所提出的一种具有直观性的线性问题求解方法。单纯形法在机械优化设计中也存在一定不足，极易受到收敛条件、压缩因子以及扩展因子等多种因素的影响导致难以准确计算出机械优化设计的最优解。因此为保障机械优化设计的实际效果，应当全面衡量各项因素，包括初始单纯形的各顶点线性独立情况以及新单纯形构成后对实际收敛情况进行准确的验算，并严格检查计算结果是否满足相关精度要求，从而全面提高机械优化设计的质量和效果。
序列线性规划法则相对简单，主要是在初始位置将目标函数集约条件进行展开，促使非线性规划向近似线性规划逐渐转化，并对最优结果进行求解，并采取科学合理的计算方式进行反复求解，直至满足机械优化设计的精度标准，从而提高机械优化设计的质量和效果。
3.3 非线性规划法
就机械工程的实际情况来看，大部分机械工程的性质都属于非线性规划，随着非线性程度的不断加大，难以将其完全简化为线性问题。非线性规划正是基于数学极值的原理所开展的机械优化设计，通过无约束直接法、无约束间接法和约束直接法、约束间接法等对优化问题进行不断求解，以保证机械优化设计的质量和效果。
3.4 现代优化设计理论方法
在机械优化设计中，往往存在不同种类的约束、变量及目标函数，为保证机械优化设计的质量和效果，机械优化准则法能够结合机械优化设计的实际情况，积极推导出不同的优化准则，但其实际通用性并不理想。规划法在实际应用中需要进行多次重复验算，此种情况下往往需投入大量的人力物力资源，并且实际优化设计的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了规划法在现代机械工程项目优化设计中的应用深度和广度。随着现代社会科学技术的发展，机械工程中优化设计的难度也不断加大，有必要积极选取合理的优化设计方法来提高机械优化设计的总体质量和效果。
结束语
总而言之，机械设计优化是基于传统机械设计理论基础上所提出的，通过与现代设计方法的协调配合，促进一种科学化的优化设计方法的形成，在机械工程中，有助于改善机械优化设计的质量和效果，促进机械产品达到高质量和高水平。随着现代社会科学技术的发展，机械优化设计方法也不断进步，每一种机械优化设计方法都具有各自的特点和应用领域，能够针对机械产品的性能及其他因素选取核实的设计变量和最优的设计方法，从而促进机械优化设计目标的实现，为机械优化设计的发展奠定坚实的基础。
参考文献
[1]吴亚明.机械优化设计的应用发展分析[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2015（6）.
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