1、机械制造行业现代机械设计方法第11章现代机械设计方法机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计评价再设计的反复过程。传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综合运用。生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。
2、缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成为当前机械设计的必然趋势。11.1 计算机辅助设计由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。这种人机交互式的设计方法，就是计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）。产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都可用计算机实现，从而构成了CAD过程。制造过程是指从工艺过程设计开始，
3、经产品装配直到进入市场为止。在这个过程中，工艺设计以及采用数控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以用计算机实现，由此构成了广义的CAM过程。在CAM过程中主要包括两个软件，一类叫计算机辅助工艺规程设计（CAPP：Computer Aider Proess Planning），另一类叫数据编程（NCP：NCProgramming）。这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程度。自动化程度的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此奠定了现代计算机集成制造系统（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基础。必
4、须指出，CAD不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非常困难的，为此曾经走过弯路。CAD是将人的主导性和与创造性放在首要地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信息交流及交互工作方式是CAD系统最显著的特点。11.1.1计算机车辅助设计的软件系统CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。如图11-1所示。1、系统软件系统软件与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输入和输出设备的控制等。2、支撑软件支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工具软件，目前市场上所见到的各种商业化的CAD软件大多属于支撑软件。支撑软件主要用
5、来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。1）集成化CAD/CAM软件集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。如AutoCAD等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少CAD系统转向采用实休造型技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。目前较为成熟的CAD/CAM集成系统包括：UG，Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5等。2）计算和分析软件计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。包括：数学计算软件，如MATLAB、MATHCAD等。有限元分析软件，如IDeas,SAP-5，ADINA，ANSYS
6、等。目前有限元分析的理论和方法已日趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。优化设计软件，如IBM公司的ODL、我国的OPB2等。3）数据库管理系统软件目前流行的数据库管理软件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它们都属于关系型数据库管理系统，常用于商业和事物管理中。适用于CAD工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此，在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。11.1.2工程数据处理方法在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得有关的计算公式和大量数据，例如零部件的
7、标准和规范，材料的机械性能，许用应力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。在传统的设计方法中，主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。鉴于计算机具有大量存储与迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程以及大量数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处理方式：（1）将数据表格和线图转化为程序存入内存。（2
8、）将数据表格和线图转化为文件存入内存。（3）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据库。相关处理方法和计算程序可参阅文献17、18。11.1.3优化设计方法常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑多方面的复杂因素，在各种约束条件的限制下，寻求满足预定目标的最优化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量，有效地确保所要求的技术经济指标。通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直接调用
9、或以商品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献17、18。11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟11.2.1. 运动分析的目的机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（37）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟实际运动状况，计算
10、出机构运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关的运动参数和机构工作特性等。相关理论和计算方法读者可参阅文献16、17、18。11.2. 2. 程序说明本程序使用AutoCAD的内部编程语言AutoLISP编程。它的优点是：（1）AutoCAD具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软件供用户参考和使用；应用软件可以直接在AutoCAD的图形编辑状态下运行。产生符合机械制图规范的图形或图形文件。（2）具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以用菜单选择。（3）输入数据方便。当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也可以用光标给出位置，还可以利用AutoCAD对光标的
11、约束功能，捕捉已有实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过橡皮筋的长度给出。（4）随时可用AutoCAD的原有命令对已生成图形进行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何信息写入文件，传递给后读的CAPP/CAM，也可以读取其他外部程序生成的数据文件，作为结构设计的图形数据。限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。源程序及安装说明可通过网址： dan wen/下载。11.2. 3.模拟结果及分析图112为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。图112（a）为用户在AutoCAD环境下，通过人机交互输入方式输入铰链
12、点A，B，C，D位置坐标后，程序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。图112（b）是根据机构运动绘制的摇杆3的摆角、角速度3、以及传动角随曲柄转动一个周期（2）的变化规律。从模拟结果可以得到以下结论：（1）（）曲线反映摇杆的摆动范围；max所对应的横坐标可以确定曲柄的极位夹角和机构的行程速度比系数1.3。（2）在（）曲线中传动角的变化幅度为（12858），通过多方案优化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。（3）机构的运动特性主要反映摇杆的角速度3、角加速度3的变化，通过调整几何参数，可获得不同的运动特性。图113为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆EF为
13、运动输出构件，行程速比系数1.8。图114所示的是初步设计的惯性筛机构（详见图33（b），采用曲柄摇杆机构作机构的主体，当主动曲柄AB等速回转时，从动摇杆CD作摆动，从而使筛体E有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料达到理想的筛分效果。图115是改进的惯性筛机构，利用双曲柄机构作机构的主体，通过运动模拟，其加速度曲线变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果。同时还可以确定筛体E左右移动的距离以便确定外形尺寸。图116是对曲柄滑块机构连杆上D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。相关设计理论见文献18、20。11.3 带传动设计举例1
14、1.3.1 程序说明本程序使用AutoCAD的内部编程语言AutoLISP编程。当程序加载后运行执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。通过对用户选择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图。【例111】设计带式运输机动装置中的V带传动，电动机功率P5.5kw，转速N1960r/min，V带的传动比i=3.2，两班制工作，要求传动比误差不超过5%。解输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表111）：表11-1B型带设计方案小带轮直径/mm计算项目125140150160180大轮节圆直径/mm带速/s-1带的计算长度/mm实际中心距/mm小带轮包角/胶
15、带根数3159.41800547160433510.52000500155.3340011.32000554154340012.02000548154245013.62000487148211.2. 2、结果分析由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加而提高。为了充分发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选用直径的带轮。同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减少。在本例中，若对传动尺寸的大小没有限制，则取小带轮直径D1为160mm较好。11.4 齿轮传动的优化设计11.4.1、设计变量齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对提高
16、齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减少其体积和重量等方面具有重要的技术价值和经济意义。对于给定齿数u的一对直齿圆柱齿传动，当中心距不确定时，其独立的参数有齿数Z1（或Z2）、齿宽系数d、模数m以及变位系数X1、X2。当中心距a给定时，其独立参数有Z1、m以及变位系数X1（或X2）。11.4.2、目标函数齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。（1）齿轮传动的体积最小。圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和齿宽的乘积，故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和。（2）齿轮传动传递的功率最大。若以弯曲疲劳强度为限制条件，齿轮传动设计理论得到圆柱齿轮传动能传递的最大功率为若以
17、接触疲劳强度为限制条件，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为由此，极小化目标函数为11.4.3、约束条件齿轮传动的优化设计中，约束条件包括：（1）为防止齿面接触疲劳点蚀失效，齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件。（2）为防止齿根弯曲疲劳所折断，齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件。（3）为防止根切，对最小齿数的限制。（4）其他一些限制：模数的要求，齿轮直径的限制，中心距的限制，齿宽的限制。调用“常用优化法程序库OPB”就能获得在满足约束条件下，使目标函数达到最小的最优解。【例11-2】已知圆锥齿轮传动，输入功率P37.26kw，主动轮转速n1=664r/min,齿数比u=3.4667,压力解an=20，齿轮
18、材料为20MnVB，HRC58，使用寿命为20000h，试以体积最小为目标，对齿轮传动进行优化设计。建立该齿轮传动的优化设计数学模型，调用优化方法程序库，计算结果为表11-2。优化结果表明中心距由原设计的174mm减小到157mm，缩短了10%左右。表11-2齿轮优化设计结果参数符号设计方法齿轮基本参数MnZ1Z2X1X2d1/mmd2/mmb/mma/mm原设计51552100.576.16264.0172174优化设计4175917.40.480.1968.98239.4151.8157参数符号设计方法强度参数/MPaF1F2H原设计351.93771228优化设计4044241370注：
19、计算数据来源于文献17第11章现代机械设计方法机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计评价再设计的反复过程。传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综合运用。生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。缩短设
20、计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成为当前机械设计的必然趋势。11.1 计算机辅助设计由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。这种人机交互式的设计方法，就是计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）。产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都可用计算机实现，从而构成了CAD过程。制造过程是指从工艺过程设计开始，经产品
21、装配直到进入市场为止。在这个过程中，工艺设计以及采用数控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以用计算机实现，由此构成了广义的CAM过程。在CAM过程中主要包括两个软件，一类叫计算机辅助工艺规程设计（CAPP：Computer Aider Proess Planning），另一类叫数据编程（NCP：NCProgramming）。这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程度。自动化程度的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此奠定了现代计算机集成制造系统（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基础。必须指出
22、，CAD不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非常困难的，为此曾经走过弯路。CAD是将人的主导性和与创造性放在首要地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信息交流及交互工作方式是CAD系统最显著的特点。11.1.1计算机车辅助设计的软件系统CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。如图11-1所示。1、系统软件系统软件与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输入和输出设备的控制等。2、支撑软件支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工具软件，目前市场上所见到的各种商业化的CAD软件大多属于支撑软件。支撑软件主要用来实现
23、几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。1）集成化CAD/CAM软件集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。如AutoCAD等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少CAD系统转向采用实休造型技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。目前较为成熟的CAD/CAM集成系统包括：UG，Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5等。2）计算和分析软件计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。包括：数学计算软件，如MATLAB、MATHCAD等。有限元分析软件，如IDeas,SAP-5，ADINA，ANSYS等。目
24、前有限元分析的理论和方法已日趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。优化设计软件，如IBM公司的ODL、我国的OPB2等。3）数据库管理系统软件目前流行的数据库管理软件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它们都属于关系型数据库管理系统，常用于商业和事物管理中。适用于CAD工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此，在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。11.1.2工程数据处理方法在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得有关的计算公式和大量数据，例如零部件的标准和
25、规范，材料的机械性能，许用应力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。在传统的设计方法中，主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。鉴于计算机具有大量存储与迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程以及大量数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处理方式：（1）将数据表格和线图转化为程序存入内存。（2）将数
26、据表格和线图转化为文件存入内存。（3）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据库。相关处理方法和计算程序可参阅文献17、18。11.1.3优化设计方法常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑多方面的复杂因素，在各种约束条件的限制下，寻求满足预定目标的最优化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量，有效地确保所要求的技术经济指标。通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直接调用或以商
27、品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献17、18。11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟11.2.1. 运动分析的目的机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（37）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟实际运动状况，计算出机构
28、运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关的运动参数和机构工作特性等。相关理论和计算方法读者可参阅文献16、17、18。11.2. 2. 程序说明本程序使用AutoCAD的内部编程语言AutoLISP编程。它的优点是：（1）AutoCAD具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软件供用户参考和使用；应用软件可以直接在AutoCAD的图形编辑状态下运行。产生符合机械制图规范的图形或图形文件。（2）具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以用菜单选择。（3）输入数据方便。当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也可以用光标给出位置，还可以利用AutoCAD对光标的约束功
29、能，捕捉已有实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过橡皮筋的长度给出。（4）随时可用AutoCAD的原有命令对已生成图形进行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何信息写入文件，传递给后读的CAPP/CAM，也可以读取其他外部程序生成的数据文件，作为结构设计的图形数据。限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。源程序及安装说明可通过网址： dan wen/下载。11.2. 3.模拟结果及分析图112为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。图112（a）为用户在AutoCAD环境下，通过人机交互输入方式输入铰链点A，
30、B，C，D位置坐标后，程序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。图112（b）是根据机构运动绘制的摇杆3的摆角、角速度3、以及传动角随曲柄转动一个周期（2）的变化规律。从模拟结果可以得到以下结论：（1）（）曲线反映摇杆的摆动范围；max所对应的横坐标可以确定曲柄的极位夹角和机构的行程速度比系数1.3。（2）在（）曲线中传动角的变化幅度为（12858），通过多方案优化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。（3）机构的运动特性主要反映摇杆的角速度3、角加速度3的变化，通过调整几何参数，可获得不同的运动特性。图113为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆EF为运动输出构件，行程速比系数1.8。图114所示的是初步设计的惯性筛机构（详见图33（b），采用曲柄摇杆机构作机构的主体，当主动曲柄AB等速回转时，从动摇杆CD作摆动，从而使筛体E有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料达到理想的筛分效果。图115是改进的惯性筛机构，利用双曲柄机构作机构的主体，通过运动模拟，其加速度曲线变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果。同时还可以确定筛体E左右移动的距离以便确定外形尺寸。图116是对曲柄滑块机构连杆上D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。相关设计理论见文献18、20。11.
