現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

1、第11章現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法機(jī)械設(shè)計(jì)是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，直接影響機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果，因此，設(shè)計(jì)的過程是設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)再設(shè)計(jì)的反復(fù)過程。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)說明書。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。生產(chǎn)技術(shù)的需要和先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的出現(xiàn)，必須促進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的改革和發(fā)展，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來說幾乎是更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法受到很大沖擊，用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法代替經(jīng)驗(yàn)的、類比的設(shè)計(jì)方法已勢(shì)在必行。縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、

2、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。11.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲(chǔ)量大和具有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析、計(jì)算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互式的設(shè)計(jì)方法，就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）。產(chǎn)品的生產(chǎn)分設(shè)計(jì)與制造兩大部分，設(shè)計(jì)過程中除了需求分析及可行性研究與分析這兩個(gè)環(huán)節(jié)很難用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)外，其余從概念設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)結(jié)果都可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了CAD過程。制造過程是指從工藝過程設(shè)計(jì)開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場(chǎng)為止。

3、在這個(gè)過程中，工藝設(shè)計(jì)以及采用數(shù)控機(jī)床時(shí)的加工編程等，從工藝過程設(shè)計(jì)到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，由此構(gòu)成了廣義的CAM過程。在CAM過程中主要包括兩個(gè)軟件，一類叫計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP：Computer Aider Proess Planning），另一類叫數(shù)據(jù)編程（NCP：NCProgramming）。這兩個(gè)過程的計(jì)算機(jī)化促進(jìn)了設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的程度。自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高是有賴于這兩個(gè)過程的進(jìn)一步集成，并由此奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基礎(chǔ)。必須指出，CAD不是完全的設(shè)計(jì)

4、自動(dòng)化，實(shí)踐證明完全的設(shè)計(jì)自動(dòng)化是非常困難的，為此曾經(jīng)走過彎路。CAD是將人的主導(dǎo)性和與創(chuàng)造性放在首要地位，同時(shí)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的長(zhǎng)處，使二者有機(jī)地結(jié)合起來，因此人機(jī)信息交流及交互工作方式是CAD系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)車輔助設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)CAD的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)層次。如圖11-1所示。1、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對(duì)系統(tǒng)資源的管理，對(duì)輸入和輸出設(shè)備的控制等。2、支撐軟件支撐軟件是系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場(chǎng)上所見到的各種商業(yè)化的CAD軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實(shí)現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計(jì)計(jì)算和分析

5、等功能。1）集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。如AutoCAD等。但近年來隨著實(shí)體造型技術(shù)的日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實(shí)休造型技術(shù)來定義產(chǎn)品的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前較為成熟的CAD/CAM集成系統(tǒng)包括：UG，Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5等。2）計(jì)算和分析軟件計(jì)算和分析軟件主要用于解決工程設(shè)計(jì)中的各種數(shù)值和分析。包括：數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，如MATLAB、MATHCAD等。有限元分析軟件，如IDeas,SAP-5，ADINA，ANSYS等。目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟

6、，這些軟件還包含了較強(qiáng)的前、后處理功能。優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如IBM公司的ODL、我國(guó)的OPB2等。3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于CAD工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動(dòng)態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程序。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常需要查閱一些手冊(cè)和文獻(xiàn)資料，以獲得有關(guān)的計(jì)算公式和大量數(shù)據(jù)，例如零部件的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，材料的機(jī)械性能，許用應(yīng)力和各種計(jì)算系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)曲

7、線與圖表。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，主要靠設(shè)計(jì)人員手工查取，十分繁瑣和費(fèi)時(shí)。鑒于計(jì)算機(jī)具有大量存儲(chǔ)與迅速檢索的功能，可以快速、精確無遺漏地處理各種大小數(shù)據(jù)文件，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中，通常將設(shè)計(jì)所需要的計(jì)算公式、計(jì)算方法和過程以及大量數(shù)據(jù)、表格或線圖以程序、文件和數(shù)據(jù)庫等方式預(yù)先存入計(jì)算機(jī)的外存和內(nèi)存中，以便設(shè)計(jì)時(shí)由計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)的需要自動(dòng)檢索，依靠計(jì)算機(jī)完成大量繁瑣的事務(wù)性工作，使設(shè)計(jì)師有更多的時(shí)間和精力從事創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)過程中一些常用數(shù)據(jù)表格和線圖在計(jì)算機(jī)中的存取一般有三種處理方式：（1）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為程序存入內(nèi)存。（2）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為文件存入內(nèi)存。（3）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為數(shù)

8、據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)的形式）存入數(shù)據(jù)庫。相關(guān)處理方法和計(jì)算程序可參閱文獻(xiàn)17、18。常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)是基于安全概念的“合格設(shè)計(jì)”各種幾何參數(shù)能夠保證零件安全就認(rèn)為合格，但這不一定是最優(yōu)的。近年來，由于優(yōu)化理論的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以綜合考慮多方面的復(fù)雜因素，在各種約束條件的限制下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)。這樣，在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效地確保所要求的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通用優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的建立以及一些專用零部件優(yōu)化程序的研制成功，以直接調(diào)用或以商品形式提供給設(shè)計(jì)部門應(yīng)用。設(shè)計(jì)師進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要工作是建立數(shù)學(xué)模型和分析優(yōu)化結(jié)果，相

9、關(guān)處理方法和計(jì)算程序可參閱文獻(xiàn)17、18。11.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，就是根據(jù)給定的原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，即求出各構(gòu)件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其目的在于研究評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。要在計(jì)算機(jī)上分析一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，必須首先建立類似于式（37）的數(shù)學(xué)模型，在相應(yīng)的支撐軟件系統(tǒng)中編制應(yīng)用程序，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，計(jì)算出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的各構(gòu)件所占據(jù)的位置；獲取相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和機(jī)構(gòu)工作特性等。相關(guān)理論和計(jì)算方法讀者可參閱文獻(xiàn)16、17、18

10、。11.2. 2. 程序說明本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）AutoCAD具有寬松的運(yùn)行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考和使用；應(yīng)用軟件可以直接在AutoCAD的圖形編輯狀態(tài)下運(yùn)行。產(chǎn)生符合機(jī)械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。（2）具有強(qiáng)大的圖形調(diào)用和編輯功能，各種指令既可以直接鍵入，又可以用菜單選擇。（3）輸入數(shù)據(jù)方便。當(dāng)需要輸入一個(gè)點(diǎn)時(shí)，既可以直接鍵入點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用AutoCAD對(duì)光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實(shí)體上的特殊點(diǎn)；當(dāng)需要輸入一個(gè)值時(shí)，既可直接鍵入一個(gè)值，也可通過橡皮筋的長(zhǎng)度給出。（4）隨時(shí)可用Auto

11、CAD的原有命令對(duì)已生成圖形進(jìn)行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以將圖形的幾何或非幾何信息寫入文件，傳遞給后讀的CAPP/CAM，也可以讀取其他外部程序生成的數(shù)據(jù)文件，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖形數(shù)據(jù)。限于篇幅，本章只列舉出程序的使用和分析結(jié)果，以滿足教學(xué)使用要求。源程序及安裝說明可通過網(wǎng)址：下載。11.2. 3.模擬結(jié)果及分析圖112為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果。圖112（a）為用戶在AutoCAD環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式輸入鉸鏈點(diǎn)A，B，C，D位置坐標(biāo)后，程序自動(dòng)生成的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并按運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。圖112（b）是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)繪制的搖桿3的擺角、角速度3、以

12、及傳動(dòng)角隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期（2）的變化規(guī)律。從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：（1）（）曲線反映搖桿的擺動(dòng)范圍；max所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)可以確定曲柄的極位夾角和機(jī)構(gòu)的行程速度比系數(shù)1.3。（2）在（）曲線中傳動(dòng)角的變化幅度為（128°58°），通過多方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動(dòng)角水平，有利于機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。（3）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性主要反映搖桿的角速度3、角加速度3的變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動(dòng)特性。圖113為鉸鏈一滑塊機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動(dòng)結(jié)果，導(dǎo)桿EF為運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件，行程速比系數(shù)1.8。圖114所示的是初步設(shè)計(jì)的慣性篩機(jī)構(gòu)（詳見圖33（b），采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)的主

13、體，當(dāng)主動(dòng)曲柄AB等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)搖桿CD作擺動(dòng)，從而使篩體E有較大變化的加速度，利用此加速度產(chǎn)生的慣力使被篩材料達(dá)到理想的篩分效果。圖115是改進(jìn)的慣性篩機(jī)構(gòu)，利用雙曲柄機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)的主體，通過運(yùn)動(dòng)模擬，其加速度曲線變化明顯，可產(chǎn)生更大的慣性力，達(dá)到理想篩分效果。同時(shí)還可以確定篩體E左右移動(dòng)的距離以便確定外形尺寸。圖116是對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿上D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬結(jié)果，通過不同的機(jī)構(gòu)組合，可以獲得復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡，以滿足不同要求。相關(guān)設(shè)計(jì)理論見文獻(xiàn)18、20。11.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)舉例本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。當(dāng)程序加載后運(yùn)行執(zhí)行指令，通過菜單輸入計(jì)算參數(shù)，顯示可行的

14、設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)用戶選擇的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核，根據(jù)用戶要求自動(dòng)繪制帶輪的零件圖。【例111】設(shè)計(jì)帶式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)裝置中的V帶傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率P5.5kw，轉(zhuǎn)速N1960r/min，V帶的傳動(dòng)比i=3.2，兩班制工作，要求傳動(dòng)比誤差不超過±5%。解輸入已知條件：點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)計(jì)算”按鈕，得到下列設(shè)計(jì)結(jié)果（見表111）：表11-1B型帶設(shè)計(jì)方案小帶輪直徑/mm計(jì)算項(xiàng)目125140150160180大輪節(jié)圓直徑/mm帶速/·s-1帶的計(jì)算長(zhǎng)度/mm實(shí)際中心距/mm小帶輪包角/°膠帶根數(shù)3159.41800547160433510.52000500155.3340011.32000

15、554154340012.02000548154245013.62000487148211.2. 2、結(jié)果分析由上述結(jié)果可知，在合理的帶速范圍內(nèi)，三角膠帶的傳遞功率隨帶速增加而提高。為了充分發(fā)揮帶的傳動(dòng)能力，在傳動(dòng)尺寸允許的條件下，可以選用直徑的帶輪。同時(shí)，這樣做還可以減少膠帶根數(shù)，使傳動(dòng)的軸向尺寸減少。在本例中，若對(duì)傳動(dòng)尺寸的大小沒有限制，則取小帶輪直徑D1為160mm較好。11.4 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)變量齒輪傳動(dòng)在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高齒輪傳動(dòng)及其減速器的承載能力、延長(zhǎng)壽命和減少其體積和重量等方面具有重要的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)于給定齒數(shù)u的一對(duì)直

16、齒圓柱齒傳動(dòng)，當(dāng)中心距不確定時(shí)，其獨(dú)立的參數(shù)有齒數(shù)Z1（或Z2）、齒寬系數(shù)d、模數(shù)m以及變位系數(shù)X1、X2。當(dāng)中心距a給定時(shí)，其獨(dú)立參數(shù)有Z1、m以及變位系數(shù)X1（或X2）。、目標(biāo)函數(shù)齒輪傳動(dòng)的目標(biāo)函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。（1）齒輪傳動(dòng)的體積最小。圓柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積，故齒輪傳動(dòng)裝置的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為大小齒輪體積之和。（2）齒輪傳動(dòng)傳遞的功率最大。若以彎曲疲勞強(qiáng)度為限制條件，齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論得到圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為若以接觸疲勞強(qiáng)度為限制條件，圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為由此，極小化目標(biāo)函數(shù)為、約束條件齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，約束條件包括：（1

17、）為防止齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕失效，齒輪傳動(dòng)必須滿足接觸疲勞強(qiáng)度條件。（2）為防止齒根彎曲疲勞所折斷，齒輪傳動(dòng)必須滿足彎曲疲勞強(qiáng)度條件。（3）為防止根切，對(duì)最小齒數(shù)的限制。（4）其他一些限制：模數(shù)的要求，齒輪直徑的限制，中心距的限制，齒寬的限制。調(diào)用“常用優(yōu)化法程序庫OPB”就能獲得在滿足約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小的最優(yōu)解?！纠?1-2】已知圓錐齒輪傳動(dòng)，輸入功率P37.26kw，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1=664r/min,齒數(shù)比u=3.4667,壓力解an=20°，齒輪材料為20MnVB，HRC58，使用壽命為20000h，試以體積最小為目標(biāo)，對(duì)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立該齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)

18、學(xué)模型，調(diào)用優(yōu)化方法程序庫，計(jì)算結(jié)果為表11-2。優(yōu)化結(jié)果表明中心距由原設(shè)計(jì)的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。表11-2齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)方法齒輪基本參數(shù)MnZ1Z2X1X2d1/mmd2/mmb/mma/mm原設(shè)計(jì)51552100.576.16264.0172174優(yōu)化設(shè)計(jì)4175917.40.480.1968.98239.4151.8157參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)方法強(qiáng)度參數(shù)/MPaF1F2H原設(shè)計(jì)351.93771228優(yōu)化設(shè)計(jì)4044241370注：計(jì)算數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)17第11章現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法機(jī)械設(shè)計(jì)是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，直接影響機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和

19、經(jīng)濟(jì)效果，因此，設(shè)計(jì)的過程是設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)再設(shè)計(jì)的反復(fù)過程。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)說明書。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。生產(chǎn)技術(shù)的需要和先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的出現(xiàn)，必須促進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的改革和發(fā)展，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來說幾乎是更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法受到很大沖擊，用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法代替經(jīng)驗(yàn)的、類比的設(shè)計(jì)方法已勢(shì)在必行。縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。11.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算

20、速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲(chǔ)量大和具有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析、計(jì)算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互式的設(shè)計(jì)方法，就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）。產(chǎn)品的生產(chǎn)分設(shè)計(jì)與制造兩大部分，設(shè)計(jì)過程中除了需求分析及可行性研究與分析這兩個(gè)環(huán)節(jié)很難用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)外，其余從概念設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)結(jié)果都可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了CAD過程。制造過程是指從工藝過程設(shè)計(jì)開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場(chǎng)為止。在這個(gè)過程中，工藝設(shè)計(jì)以及采用數(shù)控機(jī)床時(shí)的加工編程等，從工藝過程設(shè)計(jì)到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計(jì)算機(jī)

21、實(shí)現(xiàn)，由此構(gòu)成了廣義的CAM過程。在CAM過程中主要包括兩個(gè)軟件，一類叫計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP：Computer Aider Proess Planning），另一類叫數(shù)據(jù)編程（NCP：NCProgramming）。這兩個(gè)過程的計(jì)算機(jī)化促進(jìn)了設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的程度。自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高是有賴于這兩個(gè)過程的進(jìn)一步集成，并由此奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基礎(chǔ)。必須指出，CAD不是完全的設(shè)計(jì)自動(dòng)化，實(shí)踐證明完全的設(shè)計(jì)自動(dòng)化是非常困難的，為此曾經(jīng)走過彎路。CAD是將人的主導(dǎo)性和與創(chuàng)造性放在首要地

22、位，同時(shí)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的長(zhǎng)處，使二者有機(jī)地結(jié)合起來，因此人機(jī)信息交流及交互工作方式是CAD系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)。CAD的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)層次。如圖11-1所示。1、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對(duì)系統(tǒng)資源的管理，對(duì)輸入和輸出設(shè)備的控制等。2、支撐軟件支撐軟件是系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場(chǎng)上所見到的各種商業(yè)化的CAD軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實(shí)現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計(jì)計(jì)算和分析等功能。1）集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。如AutoCAD等。

23、但近年來隨著實(shí)體造型技術(shù)的日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實(shí)休造型技術(shù)來定義產(chǎn)品的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前較為成熟的CAD/CAM集成系統(tǒng)包括：UG，Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5等。2）計(jì)算和分析軟件計(jì)算和分析軟件主要用于解決工程設(shè)計(jì)中的各種數(shù)值和分析。包括：數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，如MATLAB、MATHCAD等。有限元分析軟件，如IDeas,SAP-5，ADINA，ANSYS等。目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強(qiáng)的前、后處理功能。優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如IBM公司的ODL、我國(guó)的OPB2等。3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件目前流行的數(shù)據(jù)

24、庫管理軟件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于CAD工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動(dòng)態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程序。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常需要查閱一些手冊(cè)和文獻(xiàn)資料，以獲得有關(guān)的計(jì)算公式和大量數(shù)據(jù)，例如零部件的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，材料的機(jī)械性能，許用應(yīng)力和各種計(jì)算系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)曲線與圖表。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，主要靠設(shè)計(jì)人員手工查取，十分繁瑣和費(fèi)時(shí)。鑒于計(jì)算機(jī)具有大量存儲(chǔ)與迅速檢索的功能，可以快速、精確無遺漏

25、地處理各種大小數(shù)據(jù)文件，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中，通常將設(shè)計(jì)所需要的計(jì)算公式、計(jì)算方法和過程以及大量數(shù)據(jù)、表格或線圖以程序、文件和數(shù)據(jù)庫等方式預(yù)先存入計(jì)算機(jī)的外存和內(nèi)存中，以便設(shè)計(jì)時(shí)由計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)的需要自動(dòng)檢索，依靠計(jì)算機(jī)完成大量繁瑣的事務(wù)性工作，使設(shè)計(jì)師有更多的時(shí)間和精力從事創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)過程中一些常用數(shù)據(jù)表格和線圖在計(jì)算機(jī)中的存取一般有三種處理方式：（1）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為程序存入內(nèi)存。（2）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為文件存入內(nèi)存。（3）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)的形式）存入數(shù)據(jù)庫。相關(guān)處理方法和計(jì)算程序可參閱文獻(xiàn)17、18。常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)是基于安全概念的“合格設(shè)計(jì)”各種

26、幾何參數(shù)能夠保證零件安全就認(rèn)為合格，但這不一定是最優(yōu)的。近年來，由于優(yōu)化理論的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以綜合考慮多方面的復(fù)雜因素，在各種約束條件的限制下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)。這樣，在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效地確保所要求的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通用優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的建立以及一些專用零部件優(yōu)化程序的研制成功，以直接調(diào)用或以商品形式提供給設(shè)計(jì)部門應(yīng)用。設(shè)計(jì)師進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要工作是建立數(shù)學(xué)模型和分析優(yōu)化結(jié)果，相關(guān)處理方法和計(jì)算程序可參閱文獻(xiàn)17、18。11.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，就是根據(jù)給定的原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)

27、規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，即求出各構(gòu)件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其目的在于研究評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。要在計(jì)算機(jī)上分析一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，必須首先建立類似于式（37）的數(shù)學(xué)模型，在相應(yīng)的支撐軟件系統(tǒng)中編制應(yīng)用程序，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，計(jì)算出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的各構(gòu)件所占據(jù)的位置；獲取相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和機(jī)構(gòu)工作特性等。相關(guān)理論和計(jì)算方法讀者可參閱文獻(xiàn)16、17、18。11.2. 2. 程序說明本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）AutoCAD具有寬松的

28、運(yùn)行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考和使用；應(yīng)用軟件可以直接在AutoCAD的圖形編輯狀態(tài)下運(yùn)行。產(chǎn)生符合機(jī)械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。（2）具有強(qiáng)大的圖形調(diào)用和編輯功能，各種指令既可以直接鍵入，又可以用菜單選擇。（3）輸入數(shù)據(jù)方便。當(dāng)需要輸入一個(gè)點(diǎn)時(shí)，既可以直接鍵入點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用AutoCAD對(duì)光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實(shí)體上的特殊點(diǎn)；當(dāng)需要輸入一個(gè)值時(shí)，既可直接鍵入一個(gè)值，也可通過橡皮筋的長(zhǎng)度給出。（4）隨時(shí)可用AutoCAD的原有命令對(duì)已生成圖形進(jìn)行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以將圖形的幾何或非幾何信息寫入文件，

29、傳遞給后讀的CAPP/CAM，也可以讀取其他外部程序生成的數(shù)據(jù)文件，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖形數(shù)據(jù)。限于篇幅，本章只列舉出程序的使用和分析結(jié)果，以滿足教學(xué)使用要求。源程序及安裝說明可通過網(wǎng)址：下載。11.2. 3.模擬結(jié)果及分析圖112為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果。圖112（a）為用戶在AutoCAD環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式輸入鉸鏈點(diǎn)A，B，C，D位置坐標(biāo)后，程序自動(dòng)生成的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并按運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。圖112（b）是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)繪制的搖桿3的擺角、角速度3、以及傳動(dòng)角隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期（2）的變化規(guī)律。從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：（1）（）曲線反映搖桿的擺動(dòng)范圍；max所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)可以

30、確定曲柄的極位夾角和機(jī)構(gòu)的行程速度比系數(shù)1.3。（2）在（）曲線中傳動(dòng)角的變化幅度為（128°58°），通過多方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動(dòng)角水平，有利于機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。（3）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性主要反映搖桿的角速度3、角加速度3的變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動(dòng)特性。圖113為鉸鏈一滑塊機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動(dòng)結(jié)果，導(dǎo)桿EF為運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件，行程速比系數(shù)1.8。圖114所示的是初步設(shè)計(jì)的慣性篩機(jī)構(gòu)（詳見圖33（b），采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)的主體，當(dāng)主動(dòng)曲柄AB等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)搖桿CD作擺動(dòng)，從而使篩體E有較大變化的加速度，利用此加速度產(chǎn)生的慣力使被篩材料達(dá)到理想的篩分效

31、果。圖115是改進(jìn)的慣性篩機(jī)構(gòu)，利用雙曲柄機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)的主體，通過運(yùn)動(dòng)模擬，其加速度曲線變化明顯，可產(chǎn)生更大的慣性力，達(dá)到理想篩分效果。同時(shí)還可以確定篩體E左右移動(dòng)的距離以便確定外形尺寸。圖116是對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿上D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬結(jié)果，通過不同的機(jī)構(gòu)組合，可以獲得復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡，以滿足不同要求。相關(guān)設(shè)計(jì)理論見文獻(xiàn)18、20。11.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)舉例本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。當(dāng)程序加載后運(yùn)行執(zhí)行指令，通過菜單輸入計(jì)算參數(shù)，顯示可行的設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)用戶選擇的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核，根據(jù)用戶要求自動(dòng)繪制帶輪的零件圖?！纠?11】設(shè)計(jì)帶式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)裝置中的V帶傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)

32、功率P5.5kw，轉(zhuǎn)速N1960r/min，V帶的傳動(dòng)比i=3.2，兩班制工作，要求傳動(dòng)比誤差不超過±5%。解輸入已知條件：點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)計(jì)算”按鈕，得到下列設(shè)計(jì)結(jié)果（見表111）：表11-1B型帶設(shè)計(jì)方案小帶輪直徑/mm計(jì)算項(xiàng)目125140150160180大輪節(jié)圓直徑/mm帶速/·s-1帶的計(jì)算長(zhǎng)度/mm實(shí)際中心距/mm小帶輪包角/°膠帶根數(shù)3159.41800547160433510.52000500155.3340011.32000554154340012.02000548154245013.62000487148211.2. 2、結(jié)果分析由上述結(jié)果可知，在合

33、理的帶速范圍內(nèi)，三角膠帶的傳遞功率隨帶速增加而提高。為了充分發(fā)揮帶的傳動(dòng)能力，在傳動(dòng)尺寸允許的條件下，可以選用直徑的帶輪。同時(shí)，這樣做還可以減少膠帶根數(shù)，使傳動(dòng)的軸向尺寸減少。在本例中，若對(duì)傳動(dòng)尺寸的大小沒有限制，則取小帶輪直徑D1為160mm較好。11.4 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)變量齒輪傳動(dòng)在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高齒輪傳動(dòng)及其減速器的承載能力、延長(zhǎng)壽命和減少其體積和重量等方面具有重要的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)于給定齒數(shù)u的一對(duì)直齒圓柱齒傳動(dòng)，當(dāng)中心距不確定時(shí)，其獨(dú)立的參數(shù)有齒數(shù)Z1（或Z2）、齒寬系數(shù)d、模數(shù)m以及變位系數(shù)X1、X2。當(dāng)中心距a給定時(shí)，其獨(dú)

34、立參數(shù)有Z1、m以及變位系數(shù)X1（或X2）。、目標(biāo)函數(shù)齒輪傳動(dòng)的目標(biāo)函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。（1）齒輪傳動(dòng)的體積最小。圓柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積，故齒輪傳動(dòng)裝置的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為大小齒輪體積之和。（2）齒輪傳動(dòng)傳遞的功率最大。若以彎曲疲勞強(qiáng)度為限制條件，齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論得到圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為若以接觸疲勞強(qiáng)度為限制條件，圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為由此，極小化目標(biāo)函數(shù)為、約束條件齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，約束條件包括：（1）為防止齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕失效，齒輪傳動(dòng)必須滿足接觸疲勞強(qiáng)度條件。（2）為防止齒根彎曲疲勞所折斷，齒輪傳動(dòng)必須滿足彎曲疲勞強(qiáng)度條件。

35、（3）為防止根切，對(duì)最小齒數(shù)的限制。（4）其他一些限制：模數(shù)的要求，齒輪直徑的限制，中心距的限制，齒寬的限制。調(diào)用“常用優(yōu)化法程序庫OPB”就能獲得在滿足約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小的最優(yōu)解?！纠?1-2】已知圓錐齒輪傳動(dòng)，輸入功率P37.26kw，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1=664r/min,齒數(shù)比u=3.4667,壓力解an=20°，齒輪材料為20MnVB，HRC58，使用壽命為20000h，試以體積最小為目標(biāo)，對(duì)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立該齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，調(diào)用優(yōu)化方法程序庫，計(jì)算結(jié)果為表11-2。優(yōu)化結(jié)果表明中心距由原設(shè)計(jì)的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。表11

36、-2齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)方法齒輪基本參數(shù)MnZ1Z2X1X2d1/mmd2/mmb/mma/mm原設(shè)計(jì)51552100.576.16264.0172174優(yōu)化設(shè)計(jì)4175917.40.480.1968.98239.4151.8157參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)方法強(qiáng)度參數(shù)/MPaF1F2H原設(shè)計(jì)351.93771228優(yōu)化設(shè)計(jì)4044241370注：計(jì)算數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)17第11章現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法機(jī)械設(shè)計(jì)是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，直接影響機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果，因此，設(shè)計(jì)的過程是設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)再設(shè)計(jì)的反復(fù)過程。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公

37、式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)說明書。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。生產(chǎn)技術(shù)的需要和先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的出現(xiàn)，必須促進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的改革和發(fā)展，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來說幾乎是更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法受到很大沖擊，用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法代替經(jīng)驗(yàn)的、類比的設(shè)計(jì)方法已勢(shì)在必行。縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。11.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲(chǔ)量大和具有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析、計(jì)算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和

38、與各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互式的設(shè)計(jì)方法，就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）。產(chǎn)品的生產(chǎn)分設(shè)計(jì)與制造兩大部分，設(shè)計(jì)過程中除了需求分析及可行性研究與分析這兩個(gè)環(huán)節(jié)很難用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)外，其余從概念設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)結(jié)果都可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了CAD過程。制造過程是指從工藝過程設(shè)計(jì)開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場(chǎng)為止。在這個(gè)過程中，工藝設(shè)計(jì)以及采用數(shù)控機(jī)床時(shí)的加工編程等，從工藝過程設(shè)計(jì)到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，由此構(gòu)成了廣義的CAM過程。在CAM過程中主要包括兩個(gè)軟件，一類叫計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP：Computer Aid

39、er Proess Planning），另一類叫數(shù)據(jù)編程（NCP：NCProgramming）。這兩個(gè)過程的計(jì)算機(jī)化促進(jìn)了設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的程度。自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高是有賴于這兩個(gè)過程的進(jìn)一步集成，并由此奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基礎(chǔ)。必須指出，CAD不是完全的設(shè)計(jì)自動(dòng)化，實(shí)踐證明完全的設(shè)計(jì)自動(dòng)化是非常困難的，為此曾經(jīng)走過彎路。CAD是將人的主導(dǎo)性和與創(chuàng)造性放在首要地位，同時(shí)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的長(zhǎng)處，使二者有機(jī)地結(jié)合起來，因此人機(jī)信息交流及交互工作方式是CAD系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)。CAD的軟件系統(tǒng)包括系

40、統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)層次。如圖11-1所示。1、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對(duì)系統(tǒng)資源的管理，對(duì)輸入和輸出設(shè)備的控制等。2、支撐軟件支撐軟件是系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場(chǎng)上所見到的各種商業(yè)化的CAD軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實(shí)現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計(jì)計(jì)算和分析等功能。1）集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。如AutoCAD等。但近年來隨著實(shí)體造型技術(shù)的日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實(shí)休造型技術(shù)來定義產(chǎn)品的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前

41、較為成熟的CAD/CAM集成系統(tǒng)包括：UG，Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5等。2）計(jì)算和分析軟件計(jì)算和分析軟件主要用于解決工程設(shè)計(jì)中的各種數(shù)值和分析。包括：數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，如MATLAB、MATHCAD等。有限元分析軟件，如IDeas,SAP-5，ADINA，ANSYS等。目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強(qiáng)的前、后處理功能。優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如IBM公司的ODL、我國(guó)的OPB2等。3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于CAD

42、工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動(dòng)態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程序。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常需要查閱一些手冊(cè)和文獻(xiàn)資料，以獲得有關(guān)的計(jì)算公式和大量數(shù)據(jù)，例如零部件的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，材料的機(jī)械性能，許用應(yīng)力和各種計(jì)算系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)曲線與圖表。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，主要靠設(shè)計(jì)人員手工查取，十分繁瑣和費(fèi)時(shí)。鑒于計(jì)算機(jī)具有大量存儲(chǔ)與迅速檢索的功能，可以快速、精確無遺漏地處理各種大小數(shù)據(jù)文件，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中，通常將設(shè)計(jì)所需要的計(jì)算公式、計(jì)算方法和過程以及大量數(shù)據(jù)、表格或線圖以程序、文件和數(shù)據(jù)庫等

43、方式預(yù)先存入計(jì)算機(jī)的外存和內(nèi)存中，以便設(shè)計(jì)時(shí)由計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)的需要自動(dòng)檢索，依靠計(jì)算機(jī)完成大量繁瑣的事務(wù)性工作，使設(shè)計(jì)師有更多的時(shí)間和精力從事創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)過程中一些常用數(shù)據(jù)表格和線圖在計(jì)算機(jī)中的存取一般有三種處理方式：（1）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為程序存入內(nèi)存。（2）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為文件存入內(nèi)存。（3）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)的形式）存入數(shù)據(jù)庫。相關(guān)處理方法和計(jì)算程序可參閱文獻(xiàn)17、18。常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)是基于安全概念的“合格設(shè)計(jì)”各種幾何參數(shù)能夠保證零件安全就認(rèn)為合格，但這不一定是最優(yōu)的。近年來，由于優(yōu)化理論的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方

44、法，可以綜合考慮多方面的復(fù)雜因素，在各種約束條件的限制下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)。這樣，在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效地確保所要求的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通用優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的建立以及一些專用零部件優(yōu)化程序的研制成功，以直接調(diào)用或以商品形式提供給設(shè)計(jì)部門應(yīng)用。設(shè)計(jì)師進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要工作是建立數(shù)學(xué)模型和分析優(yōu)化結(jié)果，相關(guān)處理方法和計(jì)算程序可參閱文獻(xiàn)17、18。11.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，就是根據(jù)給定的原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，即求出各構(gòu)件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其目的在于研究評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)

45、及動(dòng)力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。要在計(jì)算機(jī)上分析一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，必須首先建立類似于式（37）的數(shù)學(xué)模型，在相應(yīng)的支撐軟件系統(tǒng)中編制應(yīng)用程序，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，計(jì)算出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的各構(gòu)件所占據(jù)的位置；獲取相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和機(jī)構(gòu)工作特性等。相關(guān)理論和計(jì)算方法讀者可參閱文獻(xiàn)16、17、18。11.2. 2. 程序說明本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）AutoCAD具有寬松的運(yùn)行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考和使用；應(yīng)用軟件可以直接在AutoCAD的圖形編輯狀態(tài)下運(yùn)行。產(chǎn)生符合機(jī)械制圖

46、規(guī)范的圖形或圖形文件。（2）具有強(qiáng)大的圖形調(diào)用和編輯功能，各種指令既可以直接鍵入，又可以用菜單選擇。（3）輸入數(shù)據(jù)方便。當(dāng)需要輸入一個(gè)點(diǎn)時(shí)，既可以直接鍵入點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用AutoCAD對(duì)光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實(shí)體上的特殊點(diǎn)；當(dāng)需要輸入一個(gè)值時(shí)，既可直接鍵入一個(gè)值，也可通過橡皮筋的長(zhǎng)度給出。（4）隨時(shí)可用AutoCAD的原有命令對(duì)已生成圖形進(jìn)行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以將圖形的幾何或非幾何信息寫入文件，傳遞給后讀的CAPP/CAM，也可以讀取其他外部程序生成的數(shù)據(jù)文件，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖形數(shù)據(jù)。限于篇幅，本章只列舉出程序的使用和分析

47、結(jié)果，以滿足教學(xué)使用要求。源程序及安裝說明可通過網(wǎng)址：下載。11.2. 3.模擬結(jié)果及分析圖112為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果。圖112（a）為用戶在AutoCAD環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式輸入鉸鏈點(diǎn)A，B，C，D位置坐標(biāo)后，程序自動(dòng)生成的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并按運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。圖112（b）是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)繪制的搖桿3的擺角、角速度3、以及傳動(dòng)角隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期（2）的變化規(guī)律。從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：（1）（）曲線反映搖桿的擺動(dòng)范圍；max所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)可以確定曲柄的極位夾角和機(jī)構(gòu)的行程速度比系數(shù)1.3。（2）在（）曲線中傳動(dòng)角的變化幅度為（128°58°），通過多

48、方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動(dòng)角水平，有利于機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。（3）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性主要反映搖桿的角速度3、角加速度3的變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動(dòng)特性。圖113為鉸鏈一滑塊機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動(dòng)結(jié)果，導(dǎo)桿EF為運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件，行程速比系數(shù)1.8。圖114所示的是初步設(shè)計(jì)的慣性篩機(jī)構(gòu)（詳見圖33（b），采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)的主體，當(dāng)主動(dòng)曲柄AB等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)搖桿CD作擺動(dòng)，從而使篩體E有較大變化的加速度，利用此加速度產(chǎn)生的慣力使被篩材料達(dá)到理想的篩分效果。圖115是改進(jìn)的慣性篩機(jī)構(gòu)，利用雙曲柄機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)的主體，通過運(yùn)動(dòng)模擬，其加速度曲線變化明顯，可產(chǎn)生更大的慣性力，達(dá)到理想篩分效

49、果。同時(shí)還可以確定篩體E左右移動(dòng)的距離以便確定外形尺寸。圖116是對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿上D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬結(jié)果，通過不同的機(jī)構(gòu)組合，可以獲得復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡，以滿足不同要求。相關(guān)設(shè)計(jì)理論見文獻(xiàn)18、20。11.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)舉例本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。當(dāng)程序加載后運(yùn)行執(zhí)行指令，通過菜單輸入計(jì)算參數(shù)，顯示可行的設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)用戶選擇的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核，根據(jù)用戶要求自動(dòng)繪制帶輪的零件圖?！纠?11】設(shè)計(jì)帶式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)裝置中的V帶傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率P5.5kw，轉(zhuǎn)速N1960r/min，V帶的傳動(dòng)比i=3.2，兩班制工作，要求傳動(dòng)比誤差不超過±5%。解輸入已知條

50、件：點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)計(jì)算”按鈕，得到下列設(shè)計(jì)結(jié)果（見表111）：表11-1B型帶設(shè)計(jì)方案小帶輪直徑/mm計(jì)算項(xiàng)目125140150160180大輪節(jié)圓直徑/mm帶速/·s-1帶的計(jì)算長(zhǎng)度/mm實(shí)際中心距/mm小帶輪包角/°膠帶根數(shù)3159.41800547160433510.52000500155.3340011.32000554154340012.02000548154245013.62000487148211.2. 2、結(jié)果分析由上述結(jié)果可知，在合理的帶速范圍內(nèi)，三角膠帶的傳遞功率隨帶速增加而提高。為了充分發(fā)揮帶的傳動(dòng)能力，在傳動(dòng)尺寸允許的條件下，可以選用直徑的帶輪。同時(shí)，這

51、樣做還可以減少膠帶根數(shù)，使傳動(dòng)的軸向尺寸減少。在本例中，若對(duì)傳動(dòng)尺寸的大小沒有限制，則取小帶輪直徑D1為160mm較好。11.4 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)變量齒輪傳動(dòng)在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高齒輪傳動(dòng)及其減速器的承載能力、延長(zhǎng)壽命和減少其體積和重量等方面具有重要的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)于給定齒數(shù)u的一對(duì)直齒圓柱齒傳動(dòng)，當(dāng)中心距不確定時(shí)，其獨(dú)立的參數(shù)有齒數(shù)Z1（或Z2）、齒寬系數(shù)d、模數(shù)m以及變位系數(shù)X1、X2。當(dāng)中心距a給定時(shí)，其獨(dú)立參數(shù)有Z1、m以及變位系數(shù)X1（或X2）。、目標(biāo)函數(shù)齒輪傳動(dòng)的目標(biāo)函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。（1）齒輪傳動(dòng)的體積最小

52、。圓柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積，故齒輪傳動(dòng)裝置的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為大小齒輪體積之和。（2）齒輪傳動(dòng)傳遞的功率最大。若以彎曲疲勞強(qiáng)度為限制條件，齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論得到圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為若以接觸疲勞強(qiáng)度為限制條件，圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為由此，極小化目標(biāo)函數(shù)為、約束條件齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，約束條件包括：（1）為防止齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕失效，齒輪傳動(dòng)必須滿足接觸疲勞強(qiáng)度條件。（2）為防止齒根彎曲疲勞所折斷，齒輪傳動(dòng)必須滿足彎曲疲勞強(qiáng)度條件。（3）為防止根切，對(duì)最小齒數(shù)的限制。（4）其他一些限制：模數(shù)的要求，齒輪直徑的限制，中心距的限制，齒寬的限制。調(diào)用“常用優(yōu)化法程序

53、庫OPB”就能獲得在滿足約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小的最優(yōu)解。【例11-2】已知圓錐齒輪傳動(dòng)，輸入功率P37.26kw，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1=664r/min,齒數(shù)比u=3.4667,壓力解an=20°，齒輪材料為20MnVB，HRC58，使用壽命為20000h，試以體積最小為目標(biāo)，對(duì)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立該齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，調(diào)用優(yōu)化方法程序庫，計(jì)算結(jié)果為表11-2。優(yōu)化結(jié)果表明中心距由原設(shè)計(jì)的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。表11-2齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)方法齒輪基本參數(shù)MnZ1Z2X1X2d1/mmd2/mmb/mma/mm原設(shè)計(jì)51552100.5

54、76.16264.0172174優(yōu)化設(shè)計(jì)4175917.40.480.1968.98239.4151.8157參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)方法強(qiáng)度參數(shù)/MPaF1F2H原設(shè)計(jì)351.93771228優(yōu)化設(shè)計(jì)4044241370注：計(jì)算數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)17第11章現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法機(jī)械設(shè)計(jì)是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，直接影響機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果，因此，設(shè)計(jì)的過程是設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)再設(shè)計(jì)的反復(fù)過程。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)說明書。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。生產(chǎn)技術(shù)的需要和先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的出現(xiàn)，必須促進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的改革和發(fā)展，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來說幾乎是更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法受到很大沖擊，用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法代替經(jīng)驗(yàn)的、類比的設(shè)計(jì)方法已勢(shì)在必行。縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。11.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲(chǔ)量大和具有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析、計(jì)算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)的不可替代的重要工具。這種人