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1、模块模块12 12 现代机械设计方法简介现代机械设计方法简介v学习情境1 计算机辅助设计v学习情境2 机电一体化设计 v学习情境3 机械优化设计与创新设计v【知识目标】【知识目标】v了解现代机械设计常用方法；了解现代机械设计常用方法；v理解计算机辅助设计的内涵和应用；理解计算机辅助设计的内涵和应用；v理解机械优化设计的原则，认识创新设计。理解机械优化设计的原则，认识创新设计。模块模块12 12 现代机械设计方法简介现代机械设计方法简介v【技能目标】【技能目标】v根据机构设计的需要，能选择合适设计方法；根据机构设计的需要，能选择合适设计方法；v已知机械的几个参数，建立初步的优化原则；已知机械的几
2、个参数，建立初步的优化原则；v能进行简单的机械（机构）创新设计。能进行简单的机械（机构）创新设计。模块模块12 12 现代机械设计方法简介现代机械设计方法简介模块模块12 12 现代机械设计方法简介现代机械设计方法简介学习情境1计算机辅助设计计算机辅助设计相关概念v计 算 机 辅 助 设 计（Computer Aided Design，CAD），它是计算机科学技术发展和应用中的一门重要技术。所谓CAD技术，就是利用计算机快速的数值计算和强大的图文处理功能来辅助工程师、设计师、建筑师等工程技术人员进行产品设计、工程绘图和数据管理的一门计算机应用技术，如制作模型、计算、绘图等。一般认为CAD的功能
3、可归纳为四大类：建立几何模型、工程分析、动态模拟、自动绘图等。如图12-1所示为数字建模生成的图形，如图12-2所示为曲面建模生成的图形。计算机辅助设计相关概念v与计算机辅助设计（CAD）相关的概念有：v1)CAE（ComputerAidedEngineering）：计算机辅助分析。v2)CAM（ComputerAidedManufacture）：计算机辅助制造。v把CAD、CAE、CAM结合起来，使得一项产品由概念、设计、生产到成品形成，节省了相当多的时间和投资成本，而且保证了产品质量（如图12-3所示）。计算机辅助设计发展概况v20世纪50年代，美国诞生了第一台计算机绘图系统，开始出现具有
4、简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期，出现了CAD的曲面片技术，中期出现了商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，产生了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。v80年代，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。计算机辅助设计系统组成v1.计算机辅助设计的硬件系统v如图12-4所示为一个CAD系统硬件的基本构成，主要由微型计算机、图形输入设备和绘图输出设备三部分组成。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常
5、用软件系统v1.AutoCADvAutoCAD是美国Autodesk公司开发研究的一种通用计算机辅助设计软件包。Autodesk公司在1992年推出了AutoCAD的第一个版本V1.0，随后相继开发出多个版本，其中典型版本有R14、AutoCAD2000、AutoCAD2002、AutoCAD2005等，目前最新的是AutoCAD2012版。AutoCAD的功能越来越强大和完善，是当今世界上最为流行的计算机辅助设计软件之一。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v2.PhotoshopvPhotoshop是Adobe公司推出的一款功能十分强大、使用范围广泛的平面图像处理软件。
6、目前，Photoshop是众多平面设计师进行平面设计，图形图像处理的首选软件。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v3.CorelDrawvCorelDraw是Corel公司出品的世界一流的平面矢量绘图软件，被专业设计人员广泛使用，它的集成环境（称为工作区）为平面设计提供了先进的手段和最方便的工具。在CorelDraw系列的软件包中，包含了CorelDraw、CorelPaintPhoto两大软件和一系列的附属工具软件，可以完成一幅作品从设计、构图、草稿、绘制到渲染的全部过程。CorelDraw是系列软件包中的核心软件，可以在其集成环境中集中完成平面矢量绘图。计算机辅助设计
7、系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v4.Pro/EngineervPro/Engineer系统是美国参数技术公司（PTC）的产品，它刚一面世（1988年），就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计与生产过程集成在一起，它一共有20多个模块供用户选择。基于以上原因，Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富魅力的系统。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v5.SolidWorksvSolidWorks是由美国SolidWorks公司于19
8、95年11月研制开发，最有代表性的三维CAD绘图软件，多用于外型设计。SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，与Office兼容，具有较强的参数化特征造型功能。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v6.CAXA电子图版电子图版vCAXA电子图板是由北京海尔软件有限公司于1996年研制开发的二维微机系统。CAXA电子图板以交互方式，对几何模型进行实时的构造、编辑和修改，并能保存各类拓朴信息。目前已在工程和产品设计绘图中得到广泛的应用，成为全国制图员计算机绘图技能考试的指定软件。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软
9、件系统v7.PICAD vPICAD系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发的具有自主版权的CAD软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性，对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航。PICAD是国内商品化最早、市场占有率最大的CAD支撑平台及交互式工程绘图系统。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v8.高华高华CADv高华CAD由清华大学和广东科龙（容声）集团联合创建，系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDRAFTING、机械设计及绘图系统GHMDS、工 艺 设 计 系 统 GHCAPP、三 维 几 何 造 型 系 统GHGEMS、产品数据管理系
10、统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。高华CAD也是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，是全国CAD应用工程的主推产品之一，其中GHGEMS5.0曾获第二届全国自主版权CAD支撑软件评测第一名。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v9.清华清华XTMCADv清华XTMCAD是清华大学机械CAD中心和北京清华艾 克 斯 特 CIMS技 术 公 司 共 同 开 发 的 基 于Windows95和AutoCAD R12及R13二次开发的CAD软件。它具有动态导航、参数化设计及图库建立与管理功能，还具有常用零件优化设计、工艺模块及工程图纸管理等模块。作为Autod
11、esk注册认可的软件增值开发商，可直接得到Autodesk公司的技术支持，其优势体现在对CIMS工程支持数据的交换与共享上。计算机辅助设计系统组成v2.计算机辅助设计的常用软件系统v10.开目开目CADv开目CAD是华中科技大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。计算机辅助
12、机械设计软件的设计步骤与方法v1.设计步骤设计步骤v1）熟悉设计的内容、要求、任务、适用范围和功能；v2）熟悉设计的计算准则、计算方法和数学模型；v3）熟悉设计的计算步骤、计算公式、参数符号及变量；v4）根据设计的计算内容、方法、步骤，绘出程序结构流程图；v5）确定功能模块的结构图；v6）逐个设计每个功能模块。计算机辅助机械设计软件的设计步骤与方法v2.设计方法设计方法v1）选择开发平台v选择开发平台，需要考虑具体的机械设计任务内容。主要涉及两个方面：（1）机械设计任务内容比较复杂，比如，需要大量计算、查询大量的数表和线图，绘制零件工作图等；（2）每种计算机开发语言都有特长与不足，而且不同开发
13、人员的基础各有差别。因此选择开发平台要综合考虑上述两方面因素。计算机辅助机械设计软件的设计步骤与方法v2.设计方法设计方法v选择开发平台，需要考虑具体的机械设计任务内容。主要涉及两个方面：（1）机械设计任务内容比较复杂，比如，需要大量计算、查询大量的数表和线图，绘制零件工作图等；（2）每种计算机开发语言都有特长与不足，而且不同开发人员的基础各有差别。因此选择开发平台要综合考虑上述两方面因素。v就开发语言来说，VC(VisualC)语言的功能最强大，适合开发操作系统软件及一些综合功能非常强大的软件，但所需要的学习时间也最多。学习情境2机电一体化设计机电一体化系统组成v1.系统组成系统组成v机电一
14、体化产品或系统，例如机器人（如图12-5所示）。机电一体化机械系统功能上可以分为传动、导向和执行三大机构。机电一体化系统组成v2.相关技术要素v1）检测传感技术v检测各种物理量，将测得的各种参量转换为电信号，并输送到信息处理部分的功能器件统称为检测传感元器件或装置。传感器是检测部分的核心，它相当于人的感觉器官。例如数控机床在加工过程中，利用力传感器或声发射传感器等，将刀具磨损情况检测出来，与给定值进行比较，当刀具磨损到引起负荷转矩增大并超过规定的最大允许值时，机械手就自动地进行更换，这是安全运行与提高加工质量的有力保障。机电一体化系统组成v2.相关技术要素v2）信息处理技术v信息处理技术包括信
15、息的输入、交换、运算、存储和输出等技术。它可以通过微机、单片机、单板机、可编程控制器或其他I/O等电子装置来实现。信息处理部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。v3）自动控制技术v自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。机电一体化系统组成v2.相关技术要素相关技术要素v4）伺服传动技术v伺服传动技术是指执行系统和机构中的一些技术问题。伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，这部分相当于人的手足，它直接执行各种有关的操作，对产品质量产生直接影响。机电一体化系统组成v2.相关技术要素相关技术要素v5）精密机械技术v机电一体化系统中
16、的机械部分较一般的同类型机械，精度要求更高，要有更好的可靠性及维护性，同时要有更新颖的结构，零部件要求模块化、标准化、规格化等。也就是说，在机电一体化产品中，对机械本体和机械技术本身都提出了新的要求，这种要求的核心就是精密机械技术。机电一体化系统组成v2.相关技术要素相关技术要素v6）系统总体技术v机电一体化技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。它通过所用技术的协调一致，来保证在给定
17、环境条件下经济、可靠、高效益地实现目标，并使操作、维修方便。机电一体化产品典型应用v机电一体化技术的主要应用领域为：数控机床、计算机集成制造系统、柔性制造系统、工业机器人。机电一体化产品设计过程与方法v1.设计过程设计过程v机电一体化系统设计是根据系统论的观点，运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计的过程。机电一体化产品设计典型过程为：市场调研总体方案设计详细设计样机试制与试验小批量生产大批量生产。机电一体化产品设计过程与方法v2.设计方法设计方法v1）取代法v就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法，也是改造传统机
18、械产品的常用方法。v2）整体设计法v主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发，考虑各子系统的设计。v3）组合法v选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。机电一体化产品设计过程与方法v3.机电一体化系统设计机电一体化系统设计v所谓的系统设计，就是用系统思维综合运用各有关学科的知识、技术和经验，在系统分析的基础上，通过总体研究和详细设计，实现满足设计目标的产品研发过程。系统设计的基本原则是使设计工作获得最优化效果，在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。系统设计的过程就是“目标功能结构效果”的多次分析与综合的过程。综合可理解为各种解决问题要素的拼合的模型化过程
19、，这是一种高度的创造行为。分析是综合的反行为，也是提高综合水平的必要手段。机电一体化产品设计过程与方法v3.机电一体化系统设计机电一体化系统设计v设计步骤通常如下：v设计预测信号分析科学类比系统分析设计创造设计选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）机电一体化系统设计质量的综合评价。机电一体化的发展趋势v纵观国内机电一体化的发展现状和科学技术的提升，机电一体化将朝着以下几个方向发展：v1.智能化智能化v智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化，有力地
20、推动着机电一体化产品向智能化方向发展。其产品可以模拟人类智能，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。机电一体化的发展趋势v2.系统化系统化v系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合。表现特征之二是通信功能大大加强，远程及多系统通信联网的局部网络正逐渐被采用。机电一体化的发展趋势v3.微型化微型化v微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，其具有广阔的应用前景。微机电一体化发
21、展的瓶颈在于微机械技术。微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。机电一体化的发展趋势v4.模块化模块化v模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业，还是对生产机电一体化产品的企业，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。机电一体化的发展趋势v5.绿色化绿色化v绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制
22、造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前景。机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。学习情境3机械优化设计与创新设计机械优化设计简介v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。优化设计是根据设计的目标和要求,从大量可行方案中寻求一个最佳方案的设计。机械优化设计就是把机械设计与最优化数学理论及计算技术密切结合起来处理机械设计的问题。v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
23、制下，寻求满足预定目标的最优化方案和最佳参数。机械优化设计简介v1.优化设计过程与方法优化设计过程与方法v机械设计的全过程一般可分为：v1）分析优化设计问题，建立合用的数学模型v2）选择优化方法进行编程解算v3）方案评价与决策机械优化设计简介v2.优化设计应用优化设计应用v机械结构优化设计，已经得到了广泛的应用和重视。下面以圆柱齿轮减速器为例，简单说明一下优化设计的应用。v圆柱齿轮减速器是一种非常广泛的机械传动装置。目前我国减速器存在的问题：体积大，重量重、承载能力低、成本高和使用寿命短等问题。机械优化设计简介v2.优化设计应用优化设计应用v对减速器进行优化设计，就要考虑提高承载能力、减轻重量
24、和降低经济成本。减速器的优化设计一般是在给定功率P、齿数比u、输入转速n以及其他技术条件和要求下，找出一组使减速器的某项经济技术指标达到最优的设计参数。v减速器类型、结构形式不同，约束函数也不完全相同。主要包括边界约束和性能约束。机械优化设计简介v3.优化设计的发展现状优化设计的发展现状v1）优化设计方法的发展v早在14世纪，即出现黄金分割法和分数法的一维搜索法的基本思想，到本世纪50年代才从数学上完成严格证明。本世纪50年代提出线性规划和梯度法，60年代出现多维非线性约束规划的罚函数法。6070年代，各种优化方法的提出达到一个高峰，并在理论上有重大突破，还出现了一批商品化的优化方法软件，对推
25、动应用起了很大作用。进入80年代，原来留下的难题和应用中提出的新需求取得重要进展。机械优化设计简介v3.优化设计的发展现状优化设计的发展现状v2）建立数学模型的发展v建立正确、实用的数学模型是优化设计成败的关键。但在建模方法和技巧方面远远落后与优化方法的发展，其原因是优化方法的发展才推动优化设计的应用，且应用的早期只限于简单的零部件。由于建模与具体设计对象密切有关，机械设计又具有较强的个性，使建模理论一时还难以形成。6070年代国际上出现一些建模专家，但对机械优化设计缺乏具体的指导作用。80年代，国际上每2年举行一次数学建模学术会议，在数学建模方面已有实质性的进展。机械优化设计简介v3.优化设
26、计的发展现状优化设计的发展现状v3）作为CAD/CAM中资源库的发展v目前CAD主要限于分析计算和绘图功能，是设计后期的重要工作。如何构思设计本身，向设计的前沿渗透，是CAD的发展方向之一。作为设计过程来说，当设计方案和原理初步形成，采用优化设计可以在确定结构参数过程中评价方案的优劣和技术性能的满足程度，是解决设计本身向设计前沿的一个桥梁或过渡。把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计过程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。机械创新设计简介v1.机械创新设计特点机械创新设计特点v特点有：v1)独创性：指机械创新设计必须具有独创性和新颖性。v2)实用性：指机械创新设计必须具有实用
27、性。v3)多学科交叉：机械创新设计涉及多种学科，如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等科技的交叉、渗透与融合。机械创新设计简介v2.机械创新设计方法机械创新设计方法v机械创新设计的方法很多，如运用机构组合原理、机构运动副演变原理、再生运动链原理等方法均能创新出新型机构。例如电动玩具马的主体运动机构能模仿马飞奔前进的运动形态，如图12-6所示。机械创新设计简介v2.机械创新设计方法机械创新设计方法v采用叠加式机构组合，即将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上，其功能是实现特定的输出，完成复杂动作。此机构是将曲柄摇块机构ABC安装在两杆机构(4-5)的转动导杆4上组合而成的。工作时分别由转动构件4和曲柄1输入转动，使曲柄摇杆机构中导杆2的摇摆和其上M点的轨迹实现马的俯仰和升降(跳跃)，以两杆机构作为基础机构，使马作前进运动。三种运动形态合成马飞奔前进的运动状态。