模塊現(xiàn)代機械設計方法簡介課件

1、模塊12 現(xiàn)代機械設計方法簡介學習情境1 計算機輔助設計學習情境2 機電一體化設計 學習情境3 機械優(yōu)化設計與創(chuàng)新設計 【知識目標】了解現(xiàn)代機械設計常用方法；理解計算機輔助設計的內(nèi)涵和應用；理解機械優(yōu)化設計的原則，認識創(chuàng)新設計。模塊12 現(xiàn)代機械設計方法簡介【技能目標】根據(jù)機構設計的需要，能選擇合適設計方法；已知機械的幾個參數(shù)，建立初步的優(yōu)化原則；能進行簡單的機械（機構）創(chuàng)新設計。模塊12 現(xiàn)代機械設計方法簡介模塊12 現(xiàn)代機械設計方法簡介學習情境1 計算機輔助設計12.1.1計算機輔助設計相關概念計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD），它是計算機科學技術發(fā)展和應

2、用中的一門重要技術。所謂CAD技術，就是利用計算機快速的數(shù)值計算和強大的圖文處理功能來輔助工程師、設計師、建筑師等工程技術人員進行產(chǎn)品設計、工程繪圖和數(shù)據(jù)管理的一門計算機應用技術，如制作模型、計算、繪圖等。一般認為CAD的功能可歸納為四大類：建立幾何模型、工程分析、動態(tài)模擬、自動繪圖等。 如圖12-1所示為數(shù)字建模生成的圖形，如圖12-2所示為曲面建模生成的圖形。 12.1.1計算機輔助設計相關概念與計算機輔助設計（CAD）相關的概念有：1)CAE（Computer Aided Engineering ）：計算機輔助分析。2)CAM（Computer Aided Manufacture ）：計

3、算機輔助制造。把CAD、CAE、CAM結合起來，使得一項產(chǎn)品由概念、設計、生產(chǎn)到成品形成，節(jié)省了相當多的時間和投資成本，而且保證了產(chǎn)品質量（如圖12-3所示）。 12.1.2計算機輔助設計發(fā)展概況20世紀50年代，美國誕生了第一臺計算機繪圖系統(tǒng)，開始出現(xiàn)具有簡單繪圖輸出功能的被動式的計算機輔助設計技術。60年代初期，出現(xiàn)了CAD的曲面片技術，中期出現(xiàn)了商品化的計算機繪圖設備。70年代，完整的CAD系統(tǒng)開始形成，后期出現(xiàn)了能產(chǎn)生逼真圖形的光柵掃描顯示器，產(chǎn)生了手動游標、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設備，促進了CAD技術的發(fā)展。 80年代，工程工作站問世，CAD技術在中小型企業(yè)逐步普及。80 年

4、代中期以來，CAD技術向標準化、集成化、智能化方向發(fā)展。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成1. 計算機輔助設計的硬件系統(tǒng)如圖12-4所示為一個CAD系統(tǒng)硬件的基本構成，主要由微型計算機、圖形輸入設備和繪圖輸出設備三部分組成。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)1.AutoCADAutoCAD是美國Autodesk公司開發(fā)研究的一種通用計算機輔助設計軟件包。Autodesk公司在1992年推出了AutoCAD的第一個版本V1.0，隨后相繼開發(fā)出多個版本，其中典型版本有R14、AutoCAD 2000、AutoCAD 2019、AutoCAD 2019等，目前最新

5、的是AutoCAD 2019版。AutoCAD的功能越來越強大和完善，是當今世界上最為流行的計算機輔助設計軟件之一。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)2.PhotoshopPhotoshop是Adobe公司推出的一款功能十分強大、使用范圍廣泛的平面圖像處理軟件。目前，Photoshop是眾多平面設計師進行平面設計，圖形圖像處理的首選軟件。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)3.CorelDrawCorelDraw是Corel公司出品的世界一流的平面矢量繪圖軟件，被專業(yè)設計人員廣泛使用，它的集成環(huán)境（稱為工作區(qū)）為平面設計提供了先

6、進的手段和最方便的工具。在CorelDraw系列的軟件包中，包含了CorelDraw、Corel Paint Photo兩大軟件和一系列的附屬工具軟件，可以完成一幅作品從設計、構圖、草稿、繪制到渲染的全部過程。CorelDraw是系列軟件包中的核心軟件，可以在其集成環(huán)境中集中完成平面矢量繪圖。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)4.Pro/EngineerPro/Engineer系統(tǒng)是美國參數(shù)技術公司（PTC）的產(chǎn)品，它剛一面世（1988年），就以其先進的參數(shù)化設計、基于特征設計的實體造型而深受用戶的歡迎。Pro/Engineer整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上，具

7、有完整而統(tǒng)一的模型，能將整個設計與生產(chǎn)過程集成在一起，它一共有20多個模塊供用戶選擇?；谝陨显颍琍ro/Engineer在最近幾年已成為三維機械設計領域里最富魅力的系統(tǒng)。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)5.SolidWorksSolidWorks是由美國SolidWorks公司于2019年11月研制開發(fā)，最有代表性的三維CAD繪圖軟件，多用于外型設計。SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，與Office兼容，具有較強的參數(shù)化特征造型功能。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系

8、統(tǒng)6.CAXA電子圖版CAXA電子圖板是由北京海爾軟件有限公司于2019年研制開發(fā)的二維微機系統(tǒng)。CAXA電子圖板以交互方式，對幾何模型進行實時的構造、編輯和修改，并能保存各類拓樸信息。目前已在工程和產(chǎn)品設計繪圖中得到廣泛的應用，成為全國制圖員計算機繪圖技能考試的指定軟件。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)7.PICAD PICAD系統(tǒng)及系列軟件是中科院凱思軟件集團及北京凱思博宏應用工程公司開發(fā)的具有自主版權的CAD軟件。該軟件具有智能化、參數(shù)化和較強的開放性，對特征點和特征坐標可自動捕捉及動態(tài)導航。PICAD是國內(nèi)商品化最早、市場占有率最大的CAD支撐平臺及

9、交互式工程繪圖系統(tǒng)。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)8.高華CAD高華CAD由清華大學和廣東科龍（容聲）集團聯(lián)合創(chuàng)建，系列產(chǎn)品包括計算機輔助繪圖支撐系統(tǒng)GHDRAFTING、機械設計及繪圖系統(tǒng)GHMDS、工藝設計系統(tǒng)GHCAPP、三維幾何造型系統(tǒng)GHGEMS、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)GHPDMS及自動數(shù)控編程系統(tǒng)GHCAM。高華CAD也是基于參數(shù)化設計的CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，是全國CAD應用工程的主推產(chǎn)品之一，其中GHGEMS5.0曾獲第二屆全國自主版權CAD支撐軟件評測第一名。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)9.清華X

10、TMCAD清華XTMCAD是清華大學機械CAD中心和北京清華艾克斯特CIMS技術公司共同開發(fā)的基于Windows95和AutoCAD R12及R13二次開發(fā)的CAD軟件。它具有動態(tài)導航、參數(shù)化設計及圖庫建立與管理功能，還具有常用零件優(yōu)化設計、工藝模塊及工程圖紙管理等模塊。作為Autodesk注冊認可的軟件增值開發(fā)商，可直接得到Autodesk公司的技術支持，其優(yōu)勢體現(xiàn)在對CIMS工程支持數(shù)據(jù)的交換與共享上。 12.1.3計算機輔助設計系統(tǒng)組成2.計算機輔助設計的常用軟件系統(tǒng)10.開目CAD開目CAD是華中科技大學機械學院開發(fā)的具有自主版權的基于微機平臺的CAD和圖紙管理軟件，它面向工程實際，模

11、擬人的設計繪圖思路，操作簡便，機械繪圖效率比AutoCAD高得多。開目CAD支持多種幾何約束種類及多視圖同時驅動，具有局部參數(shù)化的功能，能夠處理設計中的過約束和欠約束的情況。開目CAD實現(xiàn)了CAD、CAPP、CAM的集成，適合我國設計人員的習慣，是全國CAD應用工程主推產(chǎn)品之一。 12.1.4計算機輔助機械設計軟件的設計步驟與方法1.設計步驟1）熟悉設計的內(nèi)容、要求、任務、適用范圍和功能；2）熟悉設計的計算準則、計算方法和數(shù)學模型；3）熟悉設計的計算步驟、計算公式、參數(shù)符號及變量；4）根據(jù)設計的計算內(nèi)容、方法、步驟，繪出程序結構流程圖；5）確定功能模塊的結構圖；6）逐個設計每個功能模塊。 12

12、.1.4計算機輔助機械設計軟件的設計步驟與方法2.設計方法1）選擇開發(fā)平臺選擇開發(fā)平臺，需要考慮具體的機械設計任務內(nèi)容。主要涉及兩個方面：（1）機械設計任務內(nèi)容比較復雜，比如，需要大量計算、查詢大量的數(shù)表和線圖， 繪制零件工作圖等；（2）每種計算機開發(fā)語言都有特長與不足，而且不同開發(fā)人員的基礎各有差別。 因此選擇開發(fā)平臺要綜合考慮上述兩方面因素。 12.1.4計算機輔助機械設計軟件的設計步驟與方法2.設計方法選擇開發(fā)平臺，需要考慮具體的機械設計任務內(nèi)容。主要涉及兩個方面：（1）機械設計任務內(nèi)容比較復雜，比如，需要大量計算、查詢大量的數(shù)表和線圖， 繪制零件工作圖等；（2）每種計算機開發(fā)語言都有特

13、長與不足，而且不同開發(fā)人員的基礎各有差別。 因此選擇開發(fā)平臺要綜合考慮上述兩方面因素。 就開發(fā)語言來說，VC(Visual C)語言的功能最強大，適合開發(fā)操作系統(tǒng)軟件及一些綜合功能非常強大的軟件，但所需要的學習時間也最多。 學習情境2 機電一體化設計12.2.1機電一體化系統(tǒng)組成1.系統(tǒng)組成 機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如機器人（如圖12-5所示） 。機電一體化機械系統(tǒng)功能上可以分為傳動、導向和執(zhí)行三大機構。 12.2.1機電一體化系統(tǒng)組成2.相關技術要素1）檢測傳感技術檢測各種物理量，將測得的各種參量轉換為電信號，并輸送到信息處理部分的功能器件統(tǒng)稱為檢測傳感元器件或裝置。傳感器是檢測部分的核心，

14、它相當于人的感覺器官。例如數(shù)控機床在加工過程中，利用力傳感器或聲發(fā)射傳感器等，將刀具磨損情況檢測出來，與給定值進行比較，當?shù)毒吣p到引起負荷轉矩增大并超過規(guī)定的最大允許值時，機械手就自動地進行更換，這是安全運行與提高加工質量的有力保障。 12.2.1機電一體化系統(tǒng)組成2.相關技術要素2）信息處理技術信息處理技術包括信息的輸入、交換、運算、存儲和輸出等技術。它可以通過微機、單片機、單板機、可編程控制器或其他I/O等電子裝置來實現(xiàn)。信息處理部分相當于人的大腦， 指揮整個系統(tǒng)的運行。3）自動控制技術自動控制技術包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等技術。 12

15、.2.1機電一體化系統(tǒng)組成2.相關技術要素4）伺服傳動技術伺服傳動技術是指執(zhí)行系統(tǒng)和機構中的一些技術問題。伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，這部分相當于人的手足，它直接執(zhí)行各種有關的操作，對產(chǎn)品質量產(chǎn)生直接影響。 12.2.1機電一體化系統(tǒng)組成2.相關技術要素5）精密機械技術機電一體化系統(tǒng)中的機械部分較一般的同類型機械，精度要求更高，要有更好的可靠性及維護性，同時要有更新穎的結構，零部件要求模塊化、標準化、規(guī)格化等。也就是說，在機電一體化產(chǎn)品中，對機械本體和機械技術本身都提出了新的要求，這種要求的核心就是精密機械技術。 12.2.1機電一體化系統(tǒng)組成2.相關技術要素6）系統(tǒng)總體

16、技術機電一體化技術不是幾種技術的簡單疊加，而是通過系統(tǒng)總體設計使它們形成一個有機整體。系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將總體分解成若干功能單元，找出能完成各個功能的技術方案，再將各個功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價、優(yōu)選的綜合應用技術。它通過所用技術的協(xié)調(diào)一致，來保證在給定環(huán)境條件下經(jīng)濟、可靠、高效益地實現(xiàn)目標，并使操作、維修方便。 12.2.2機電一體化產(chǎn)品典型應用機電一體化技術的主要應用領域為：數(shù)控機床、計算機集成制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機器人。 12.2.3機電一體化產(chǎn)品設計過程與方法1.設計過程機電一體化系統(tǒng)設計是根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，運用現(xiàn)代設計的方法構

17、造產(chǎn)品結構、賦予產(chǎn)品性能并進行產(chǎn)品設計的過程。機電一體化產(chǎn)品設計典型過程為：市場調(diào)研總體方案設計詳細設計樣機試制與試驗小批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)。 12.2.3機電一體化產(chǎn)品設計過程與方法2.設計方法1）取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機械控制機構。是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或對原系統(tǒng)進行技術改造常用的方法，也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法。2）整體設計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設計。在設計時完全從系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，考慮各子系統(tǒng)的設計。3）組合法選用各種標準功能模塊組合設計成機電一體化系統(tǒng)。 12.2.3機電一體化產(chǎn)品設計過程與方法3.機電一體化系統(tǒng)設計所謂的系統(tǒng)設計，就是用系統(tǒng)思維綜合運用各有關學科的

18、知識、技術和經(jīng)驗，在系統(tǒng)分析的基礎上，通過總體研究和詳細設計，實現(xiàn)滿足設計目標的產(chǎn)品研發(fā)過程。系統(tǒng)設計的基本原則是使設計工作獲得最優(yōu)化效果，在保證目的功能要求與適當使用壽命的前提下不斷降低成本。系統(tǒng)設計的過程就是“目標功能結構效果”的多次分析與綜合的過程。綜合可理解為各種解決問題要素的拼合的模型化過程，這是一種高度的創(chuàng)造行為。分析是綜合的反行為，也是提高綜合水平的必要手段。 12.2.3機電一體化產(chǎn)品設計過程與方法3.機電一體化系統(tǒng)設計設計步驟通常如下：設計預測信號分析科學類比系統(tǒng)分析設計創(chuàng)造設計選擇各種具體的現(xiàn)代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設計

19、法、模糊設計法等）機電一體化系統(tǒng)設計質量的綜合評價。 12.2.4機電一體化的發(fā)展趨勢縱觀國內(nèi)機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和科學技術的提升，機電一體化將朝著以下幾個方向發(fā)展：1.智能化智能化是機電一體化與傳統(tǒng)機械自動化的主要區(qū)別之一。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化，有力地推動著機電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。其產(chǎn)品可以模擬人類智能，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。 12.2.4機電一體化的發(fā)展趨勢2.系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意的剪裁和組合。表現(xiàn)特征之二是通信功能大大加強，遠程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)

20、的局部網(wǎng)絡正逐漸被采用。 12.2.4機電一體化的發(fā)展趨勢3.微型化微型機電一體化系統(tǒng)高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，是機電一體化的一個新的發(fā)展方向。由于微機電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作，其具有廣闊的應用前景。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。 12.2.4機電一體化的發(fā)展趨勢4.模塊化模塊化也是機電一體化產(chǎn)品的一個發(fā)展趨勢。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產(chǎn)品生

21、產(chǎn)企業(yè)可利用標準單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時也可以不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模。顯然，從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè)，還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 12.2.4機電一體化的發(fā)展趨勢5.綠色化綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前景。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指,使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用。學習情境3 機械優(yōu)化設計與創(chuàng)新設計12.3.1機械優(yōu)化設計簡介常規(guī)

22、的機械設計是基于安全概念的“合格設計”各種幾何參數(shù)能夠保證零件安全就認為合格，但這不一定是最優(yōu)的。優(yōu)化設計是根據(jù)設計的目標和要求, 從大量可行方案中尋求一個最佳方案的設計。機械優(yōu)化設計就是把機械設計與最優(yōu)化數(shù)學理論及計算技術密切結合起來處理機械設計的問題。 采用優(yōu)化設計方法，可以綜合考慮多方面的復雜因素，在各種約束條件的限制下，尋求滿足預定目標的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)。 12.3.1機械優(yōu)化設計簡介1.優(yōu)化設計過程與方法機械設計的全過程一般可分為：1）分析優(yōu)化設計問題，建立合用的數(shù)學模型2）選擇優(yōu)化方法進行編程解算3）方案評價與決策12.3.1機械優(yōu)化設計簡介2.優(yōu)化設計應用機械結構優(yōu)化設計，已

23、經(jīng)得到了廣泛的應用和重視。下面以圓柱齒輪減速器為例，簡單說明一下優(yōu)化設計的應用。圓柱齒輪減速器是一種非常廣泛的機械傳動裝置。目前我國減速器存在的問題：體積大，重量重、承載能力低、成本高和使用壽命短等問題。 12.3.1機械優(yōu)化設計簡介2.優(yōu)化設計應用對減速器進行優(yōu)化設計，就要考慮提高承載能力、減輕重量和降低經(jīng)濟成本。減速器的優(yōu)化設計一般是在給定功率P、齒數(shù)比u、輸入轉速n以及其他技術條件和要求下，找出一組使減速器的某項經(jīng)濟技術指標達到最優(yōu)的設計參數(shù)。 減速器類型、結構形式不同，約束函數(shù)也不完全相同。主要包括邊界約束和性能約束。12.3.1機械優(yōu)化設計簡介3. 優(yōu)化設計的發(fā)展現(xiàn)狀1）優(yōu)化設計方法

24、的發(fā)展 早在14世紀，即出現(xiàn)黃金分割法和分數(shù)法的一維搜索法的基本思想，到本世紀50年代才從數(shù)學上完成嚴格證明。本世紀50年代提出線性規(guī)劃和梯度法，60年代出現(xiàn)多維非線性約束規(guī)劃的罰函數(shù)法。6070年代，各種優(yōu)化方法的提出達到一個高峰，并在理論上有重大突破，還出現(xiàn)了一批商品化的優(yōu)化方法軟件，對推動應用起了很大作用。進入80年代，原來留下的難題和應用中提出的新需求取得重要進展。 12.3.1機械優(yōu)化設計簡介3. 優(yōu)化設計的發(fā)展現(xiàn)狀2）建立數(shù)學模型的發(fā)展 建立正確、實用的數(shù)學模型是優(yōu)化設計成敗的關鍵。但在建模方法和技巧方面遠遠落后與優(yōu)化方法的發(fā)展，其原因是優(yōu)化方法的發(fā)展才推動優(yōu)化設計的應用，且應用的早期只限于簡單的零部件。由于建模與具體設計對象密切有關