畢業(yè)設(shè)計(jì)方案翻譯zhongwen

2.5快速成型一種新的生產(chǎn)產(chǎn)品的概念最近被引進(jìn)制造過程。在這些觀念中，一些是對已經(jīng)存在的觀念的修飾，但是另一些完全是革命性的。在前一類的實(shí)例中，我們可以運(yùn)用數(shù)控機(jī)床來切割各種各樣的材料，使用激光和噴氣機(jī)可以切割從木頭到陶瓷的各種材料。對于后一類，我們可以描述零件的建模和三維快速加工過程。這個(gè)概念在內(nèi)容和工業(yè)上很有潛力，因此值得簡易討論一下。它在很大程度上是基于計(jì)算機(jī)能力發(fā)展的結(jié)果。對于第一組，工作效率的大幅度提高主要是由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，雖然，至少在原則上，這些過程可以以手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。對于第二組，沒有計(jì)算機(jī)的幫助是很難執(zhí)行這些過程的。現(xiàn)在制造依賴于大量的由塑料和金屬做成的模具。這些零件有時(shí)會有非常復(fù)雜的形狀和華麗的表面。這些圖形是不能在傳統(tǒng)機(jī)床上處理的，因?yàn)閮H完成單一部分的加工是非常浪費(fèi)時(shí)間和金錢的。同樣，使用模具去生產(chǎn)可能檢驗(yàn)后需要改變的個(gè)人模式的工件也是非常昂貴的〈這種情況發(fā)生在非傳統(tǒng)工具的生產(chǎn)中，并且這個(gè)過程非常昂貴，消耗時(shí)間和勞力）。在最近幾年中，一個(gè)新的解決這種情況的概念被提出。它被稱為快速成型，在H.D.Kochan編寫的《自由制造》一書中描述了立體雕刻，模具快速原型和快速成型〈德累斯頓科技大學(xué)，德國，科學(xué)技術(shù)出版社）。我們用圖2.19a中的模型來解釋這種觀念下的制造過程。這個(gè)模型代表了具有特殊齒形的螺旋齒輪，齒是由相互之間具有角度的平面層組成。換句話說，一個(gè)具有復(fù)雜形狀的三維模型是由簡單形狀的薄平面層組成的。概念和布局圖2.19a）快速原型演示工件。注意看齒輪上清晰可見的層。每一個(gè)層都按一定的角度旋轉(zhuǎn)，從而形成了螺旋齒輪的形狀（在這里為了形象的說明，每個(gè)層的厚度變化是夸張的）b>這是按照這種技術(shù)生產(chǎn)最終設(shè)計(jì)完成前的模型<ConceptlandLtd.,Ra'anana,Israel的產(chǎn)品）。有好幾種不同的技術(shù)，利用這種原理并應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助加工具有復(fù)雜空間的零件。我們將在這里簡單的描述這個(gè)概念的本質(zhì)。電腦的內(nèi)存用來存儲要加工零件的幾何圖形信息，以至于零件的每個(gè)幾何薄層〈通常0.3-0.5mm）都可以用數(shù)值定義。

根據(jù)這種概念，在創(chuàng)造半層體中一個(gè)可能的方案如圖2.20所圖2.20快速建模布局圖1）容器；2）聚合液體；3）金屬板；4）電腦；5）激光器；6）旋轉(zhuǎn)鏡這樣的布局由容器1充滿了一種特殊的液體2,這種液體在紫外線的照射下會變成固體。液體的表面覆蓋著板3,板3的垂直位置由電腦系統(tǒng)控制。紫外線由激光器5產(chǎn)生并且在鏡子6的輔助作用下聚焦，這也是由電腦系統(tǒng)控制的，因此，激光可以按照一定的程序在液體表面移動(dòng)。這種操作的結(jié)果就是，產(chǎn)生了一個(gè)事先確定了的薄層。下一步，板3向下移動(dòng)一個(gè)薄層厚度的距離，并且重復(fù)上一步的程序。在這個(gè)過程中，激光的運(yùn)行軌跡可以根據(jù)新的薄層的形狀需要而改變。因此，零件一層一層的被構(gòu)成所期望的形狀。圖2.19b列舉了一個(gè)用這種方法生產(chǎn)的一個(gè)產(chǎn)品的例子。練習(xí)題試著設(shè)計(jì)下面情況的運(yùn)動(dòng)布局：.縫紉機(jī).按照圖2.2中給出的生產(chǎn)布局來設(shè)計(jì)如圖1所示的設(shè)備生產(chǎn)鏈條.內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī).家用面團(tuán)攪拌器＜揉面機(jī)）.打字機(jī).彈簧驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)的機(jī)械玩具.機(jī)關(guān)槍.唱片機(jī).影印機(jī)3剛體的動(dòng)態(tài)分析在這一章，我們將舉例子說明計(jì)算自然物理運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間。我們從最簡單的開始一一一個(gè)純粹的機(jī)械傳動(dòng)。3.1做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的剛體我們所討論的第一個(gè)例子可以作為一個(gè)自然現(xiàn)象。這種狀況發(fā)生在例如當(dāng)一大堆部件在料斗或分配器里垂直向下移動(dòng)的情況下。在圖3.1中提出了最簡單的例子，剛體落下L的高度，假設(shè)下落過程沒有任何的阻力，那么我們就可以寫出下落所需時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式：圖3.1自由落體剛體運(yùn)動(dòng)模型圖3.2顯示了一個(gè)用于自動(dòng)機(jī)器（車床＞的進(jìn)料裝置。重物塊M通過纏繞在滑輪上的線1作用在滑塊2上。滑塊2推動(dòng)由摩擦面3支撐的桿m。因此，推力F二重物必須克服的摩擦阻力F1，F(xiàn)1可以被表示為：【3.2】其中f=摩擦系數(shù)，m為棒的質(zhì)量。另外，力F使滑輪有了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I因此，方程式以下面的方式達(dá)到平衡【3.3】±1

其中：a為重力加速度r為滑輪半徑」為滑輪的角加速度因此a=」r【3.4】從方程（3.3>,我們就可以推導(dǎo)出a的一種表達(dá)形式【3.5】桿運(yùn)動(dòng)L距離所需時(shí)間t可以用下面的方程計(jì)算出【3.6】〈滑輪的影響可以忽略不計(jì)），公圖3.2桿運(yùn)動(dòng)L距離所需時(shí)間t可以用下面的方程計(jì)算出【3.6】〈滑輪的影響可以忽略不計(jì)），公圖3.2由重力驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)布局原理非常明顯，由于式3.6可以寫3.7在下面的例子中，我們分析剛體沿著斜面運(yùn)動(dòng)的情況。這種情況發(fā)生在例如，零件像圖3.3所示那樣隨著送料機(jī)運(yùn)動(dòng)。其中8是送料機(jī)的斜度。零件和傳送帶之間的摩擦力可以由方程」來表示?！丛谶@里，f為抵抗零件在傳送帶上滑動(dòng)的摩擦系數(shù)）力F力F可以從已知公式里得到?！?.8]方程式還可以寫為:【3.9】從方程3.9中我們從方程3.9中我們I得到:【3.10]運(yùn)動(dòng)L距離所需時(shí)間【3.11]注：當(dāng)于無窮長。或者 時(shí)，剛體將沒有運(yùn)動(dòng)，時(shí)間趨向注：當(dāng)于無窮長。或者 時(shí)，剛體將沒有運(yùn)動(dòng)，時(shí)間趨向a在這里，我們分析彈性運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的原理圖如圖 3.4a所在這里，示。作為驅(qū)動(dòng)源的彈簧的特性如圖3.5所示。這個(gè)特征表明力P的大小由彈簧的變形決定（無論是拉伸還是壓縮）。當(dāng)這個(gè)關(guān)系是線性的，像圖3.5所示那樣，彈簧的彈性系數(shù)c就是一個(gè)常量。換句話說，彈簧的彈性系數(shù)是表示彈簧的壓力和變形之間關(guān)系的比例常數(shù)。它也定義了斜坡角度的值并且可以被描述為【3.12]Fxl圖3.4由彈簧驅(qū)動(dòng)的剛體運(yùn)動(dòng)a＞沒有外力作用；b）有外力F作用并且[3.13]作后P總是與X方向相反。因此，質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)可以由Dalamber方程式來描述這個(gè)【3.14]方程有一個(gè)簡單的計(jì)算方法這個(gè)【3.14]方程有一個(gè)簡單的計(jì)算方法【3.15]一定要3.14,我們可確定未知一定要3.14,我們可確定未知以得到|參數(shù)A、B和」。把公式3.15帶入公式并且參數(shù)系統(tǒng)淬。我們必須使用系統(tǒng)的A始條件去解決參數(shù)并且參數(shù)系統(tǒng)淬。我們必須使用系統(tǒng)的A始條件去解決參數(shù)A和B。假設(shè)，在t=0時(shí)刻彈簧的變形I,并且」。然后我們把這些時(shí)刻代入公式xl3.15就可以直接得到 ?, ?。因此公式3.14的完全解為H囚公式3.171解釋表達(dá)圖見圖3.6

圖3.6彈簧驅(qū)動(dòng)剛體運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間關(guān)系為了找到把質(zhì)量塊從X0點(diǎn)移動(dòng)到任何一個(gè)距離L的店X1所需時(shí)間，我們把公式3.17寫成一下形式【3.18]在實(shí)際情況中，我們必須要考慮質(zhì)量塊m在運(yùn)動(dòng)中所受到的阻力，如圖3.4b所示。因?yàn)樽匀涣梢允嵌喾N多樣的，例如，如果它是由干摩擦引起的，這個(gè)力可以被描述為解讀力的形勢。[3.19]方程式」的圖解如圖3.7所示。圖3.7剛體快速運(yùn)動(dòng)中由干摩擦產(chǎn)生的力質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)可以被描述為【3.20]可以被一系列的方程來代替【3.22]方程式兩邊同時(shí)平方，可以得到【3.22]方程式兩邊同時(shí)平方，可以得到| [3?21]中用K來代替?,可以得到-Kujj—-Kui我們可以用圖3.8-Kujj—-Kui我們可以用圖3.8[3.23]演示質(zhì)量塊在相位面上的運(yùn)動(dòng)。圖3.8剛體運(yùn)動(dòng)中干摩擦引起的震動(dòng)對速度和位移的影響當(dāng)時(shí)，質(zhì)量塊的震蕩運(yùn)動(dòng)停止在我們的例子中，彈簧使質(zhì)量塊從」點(diǎn)運(yùn)動(dòng)L的距離到j(luò)點(diǎn)，根據(jù)給定的圖3.8,R的值等于 。這使得我們能夠以以下方式重寫公式3.23中的第一個(gè)等式—1【3.24]并且[3.25]25對K=0的情況253.26]因此，在K=0的相同情況下，公式3.26和公式3.18是相等的＜在n=0的情況下）3C現(xiàn)在我們考慮例子中方FI不變的情況＜如圖3.4b）。這種情況出現(xiàn)在質(zhì)量塊的重力由彈簧驅(qū)動(dòng)的情況下。例如在圖2.16中，彈簧9拉動(dòng)升降機(jī)6、刀具7和電樞的磁鐵5.下面的方程描述了這樣的狀況程的解包括兩個(gè)組成部分x'是齊次方程的解并且方程3.15已經(jīng)給出了具體形式，剩下的解x〃必須是一個(gè)常量x〃=D=常量。把x〃二D代入方程3.27,我們可以得到廠【3.29]因此，我們就可以把方程式3.28寫成一下的形式[3.30]因?yàn)槌跏紬l件t=0, ，那么結(jié)果是通常，在運(yùn)功的初始階段彈簧A的變形包括引起質(zhì)量塊改變初始位置的力F產(chǎn)生的變形方程3.27寫成角運(yùn)動(dòng)的形式其中：II為旋轉(zhuǎn)剛體的力矩CQ為彈簧的角位移T為抗力矩T=Fr,R力F的作用半徑O為旋轉(zhuǎn)角度我們不要忘記，這里的尺寸和公式3.27中的不同。公式3.32的解有一個(gè)類似方程3.30的形式，如下所示：岡這里0是由初始條件￡=0,0=00,and0=0計(jì)算出來的，并且可以寫成一下的形式圖3.9彈簧驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)2.5RapidPrototypingNewproductionconceptsofadifferentnaturehaverecentlybeenintroducedintomanufacturingprocesses.Amongtheseconcepts,somearemodificationsofalreadyexistingideas,butothersarecompletelyrevolutionary.Asexamplesoftheformergroup,wemaycitecomputerizednumericallycontrolled(CNC>cuttingofavarietyofmaterials,fromwoodtoceramics,withalaserbeamandawater-plus-abrasivejet.Withregardtothelattergroup,wemaydescribetheprocessofrapidmodelingorthree-dimensionalprocessingofparts.Thisconceptisrichincontentandindustrialpotential,anditisthereforeworthwhilediscussingitinbrief.Itisbasedonaprinciplethathasbeenpossibletoformulatelargelyasaconsequenceofthepowerofthecomputer.Theproductivityofthefirstgroupofmanufacturingprocessesmentionedaboveisvastlyimprovedbytheapplicationofcomputers,although,atleastinprinciple,theseprocessesmaybecarriedoutinamanualmode.Forthesecondgroup,itisimpossibletoexecutetheprocesseswithoutacomputer.Modernmanufacturingreliesonalargenumberofmoldedpartsmadeofplasticsandmetals.Thesepartssometimeshaveverycomplicatedshapesandornatesurfaces.Suchshapescannotbeprocessedonconventionalmachines,whichmakesanyattempttoproduceasinglepartofthiskindverytimeandmoneyconsuming.Forthesamereason,theuseofamoldtoproduceindividualpatterns,whichmayrequirechangesaftertheyareexamined,isevenmoreexpensive(thisisthecaseinwhichnonconventionaltoolsareusedandtheprocessisexpensiveandtimeandlaborconsuming>.Inrecentyears,anewconceptforprovidingthesolutiontothisproblemhasbeenproposed.Itisknownasrapidprototyping,stereolithography,quickprototypetooling,orrapidmodeling,andisdescribedinthebookSolidFreeformManufacturing,byH.D.Kochan(TechnicalUniversityDresden,Germany,ElsevierScientificPublishers>.Toexplaintheideaunderlyingthismanufacturingprocess,weusethemodelshowninFigure2.19a.Themodelrepresentsahelicalwheelprovidedwithspeciallyformedteeth,consistingofplanelayersthatareangularlyshiftedrelativetooneanother.Inotherwords,athree-dimensionalmodelwithacomplicatedshapeiscomposedofanumberofthin,planar,andsimplyshapedlayers.FIGURE2.19a>Illustrationofarapidlymodeledsubject.Payattentiontotheclearlyvisiblelayersofthematerialcomprisingthewheel.Eachlayerisdisplacedbyacertainangle,thuscreatingtheimageofahelicalgear(here,forpurposesofillustration,thethicknessofthelayersisexaggerated>,b>Examplesofpatternsmadebythistechniquebeforethefinaldesign(productionofConceptlandLtd.,Ra'anana,Israel>.Thereareanumberofdifferenttechniquesthatexploitthisideaforthecomputeraidedprocessingofspatiallycumbersomeparts.Wewilldescribehere,inbrief,theessenceoftheconcept.Thememoryofthecomputerisloadedwithgeometricinformationabouttheparttobeprocessedsothattheconfigurationofeachthin(say,0.3-0.5mm>sliceofthepartcanbenumericallydefined.Apossiblelayoutforaprocess—basedonthisconceptforcreatinglamellarbodies—foranintricatethree-dimensionalshapeisshowninFigure2.20.Thislayoutconsistsofavessel1filledwithaspecialliquid2,whichpolymerizestoasolidunderultravioletirradiation.Thesurfaceoftheliquidcoversaplate3,theverticallocationofwhichisFIGURE2.20FIGURE2.20Layoutoftherapidmodelingprocess.1)Vessel;2)Polymerizingliquid;3)Plate;4)Computer;5)Laser;6)Rotatingmirror.controlledbythesystemscomputer4.Theultravioletbeamgeneratedbymeansoflaser5isfocussedwiththeaidofamirror6,whichisalsocontrolledbyacomputer,sothatthebeammovesonthesurfaceoftheliquidaccordingtoagivenprogram.Asaresultofthisoperation,athinplanelayeriscreatedwithapredeterminedshape.Inthenextstep,theplate3movesdownforadistancecorrespondingtothethicknessofonelayer,andtheprocedureisrepeated.Atthispointintheprocess,thetrajectoryofthebeammaybechangedaccordingtotheconfigurationofthenewlayer.Thus,thebodygrows,layerbylayer,toformamodelofthedesiredshape.Figure2.19b>showsexamplesofpossibleunitsproducedinthiswayExercisesTrytodesignthekinematiclayoutofa:Sewingmachine.MachineforproducingthechainshowninFigure2.1inaccordancewiththeproductionlayoutgiveninFigure2.2.Internalcombustionengine.Domesticdoughmixer(doughkneader>.Typewriter.Mechanicaltoy,springorelectricallydriven.Machinegun.Automaticrecordplayer.Photocopyingmachine.3DynamicAnalysisofDrivesInthischapterweshalldiscussexamplesillustratingtheoperationtimecomputationtechniquesfordrivesofdifferentphysicalnatures.Webeginwiththesimplest—apurelymechanicaldrive.MechanicallyDrivenBodiesThefirstcaseweshallconsiderinthissectionmaybeclassifiedasafree-fallphenomenon.Thisisthesituationwhichoccurs,forinstance,whenastackofpartsmovesverticallydownwardsinamagazine-typehopper(ordispenser>.ThesimplestexampleispresentedinFigure3.1,whichshowsabodyfallingfromlevelItolevelIIthroughadistanceLAssumingthatthereisnoresistanceofanykind,wecanwritethefollowingexpressionforthetimetrequiredforthisprocess:【3.1】一?Figure3.2showsamechanismusedinautomaticmachines(lathes>forfeedingrod-likematerialduringprocessing.TheweightMactsontheslider2viaacableIwhichmI1~U1—1 FIGURE3.1Modelofafree-fallingbody.passesoverarollerwithmomentofinertia/.Theslider2pushestherodmwhichissupportedbyfrictionalguide3.Thus,theactingforceF=MgmustovercomethefrictionF1intheguides。Flmaybeexpressedas:【3.2】 一'where/=thedryfrictioncoefficientandmisthemassoftherod.Inaddition,theforceFrotatestherollerwithmomentofinertia/.Therefore,theequilibriumequationofforcestakestheform【3.3】wherea=thelinearaccelerationoftheweight(orrod>,r=theradiusoftheroller,anda=theangularaccelerationoftheroller.Sincea二」 r【3.4】fromEquation(3.3>wecanderiveanexpressionforaintheform【3.5】Thetime]neededtodisplacetherodthroughdistanceLcanbecalculatedfromtheFormula【3.6】Obviously^forI/」《(M+m>(i.e.,theinfluenceoftherollerisnegligibleincomparisonwiththatofthemovingmasses>,Equation(3.6>canberewrittenintheform【3.7】【3.7】Inthiscaseweanalyzemovementalonganinclinedplane.Thisisthecasethatoccurswhen,forinstance,

partsslidealongatrayfromafeeder,asisshowninFigure3.3.Here<j>istheinclinationangleofthetray.Thefrictionbetweenthepartsandthetrayisdescribedby/=thedryfrictiontheforceFl=frngcos0(hereagain,/=thedryfrictioncoefficientwhichfigure3.2Layoutofarodfeedingmechanismdrivenbytheforceofgravity.resiststhemovementalongthetray>.ThedrivingforceFinthiscasecanbefoundfromtheknownformulacoefficientwhichfigure3.2Layoutofarodfeedingmechanismdrivenbytheforceofgravity.resiststhemovementalongthetray>.ThedrivingforceFinthiscasecanbefoundfromtheknownformula【3.8]TheequilibriumequationthushastheformTheequilibriumFromEquatio](3.9>weobtainThetimetrequiredtodisplaceapartthroughadistanceLequals【3.11]rji[Note:dWhensin<f>=/cos0or/=tan0,nomovementwilloccur?Thetimetendstoinfinitelylongvalues.]Hereweanalyzethemovementofamassdrivenbyapreviouslydeformedspring.ThelayoutofsuchamechanismisshowninFigure3.4a>.AspringasadrivingsourceisdescribedbyitscharacteristicshowninFigure3.5.ThischaracteristicshowsthedependenceoftheforcePdevelopedbythespringonthevaluesofthedeformationjc(inboththestretchedandcompressedmodes>.Whenthisdependenceislinear,asshowninFigure3.5,parameterc,whichisthestiffnessofthespring,isconstantforthiscase.Inotherwords,stiffnessofthespringisaproportionalitycoefficienttyingthedeformationofthespringtotheforcePitdevelops.Italsodefinesthevalueoftheslopeofthecharacteristicandcanbedescribedas回[3.12]And【3.13]FIGURE3.5Characteristicofthespring:forceversusdeformation.TheforcePalwaysactsinthedirectionoppositetox.Thus,themovementofthemassmisdescribedbythefollowingequationbasedontheDalamberprinciple:Thisdi[3.14]ntialhomogeneousequationhasasimplesolution:unknownparametersA,B,andcomustbedetermined.SubstitutingExpression(3.15>intoEquation⑶14>,weobtainAnd【3.16]Equation(3.14>isEquation(3.14>is[3.17] xlTheparametercoisknownasthenaturalfrequencyofthesystem.TofindtheunknownparametersAandB,wehavetousetheinitialconditionsofthesystem.Say,atthemomentt=0thedeformationofthespringx=x0andx=0.Wethensubstitutethesedataintoexpression(3.15>andobtaindirectlyA=x0andB=0.ThusthecompletesolutionofFIGURE3.6Displacementversustimeforabodydrivenbyaspring.Expression(3.17>isinterpretedgraphicallyinFigure3.6.TofindthetimeneededtomovethemassfromthepointJCQtoanyotherpointxllocatedatadistanceLfromJCG,werewriteExpression(3.17>inthefollowingway:

【3.18]orereInalisticapproach,wemustconsideraresistingforceactingonthemassmduringitsmotion,asshowninFigure3.4b>.Sincethenatureoftheforcecanvary,socanitsanalyticdescription.Forexample,ifitiscausedbydryfriction,theforcemaybedescribedanalyticallyintheform[3.19]_|【3.18]orereInaFigure3.7.Themovementofmassmcanbedescribedby[3.20]whichcanbeJbyasystemofequationsintheformThisgraphicinterpretationofEquation(3.19>isgiveninFigure3.7.Themovementofmassmcanbedescribedby[3.20]whichcanbeJbyasystemofequationsintheformstitutingk=[3.21]stitutingk=I.,inEquations(3.21>,weobtains[3.22]Itisconvenienttotransformtheseequationsmultiplyingthemby2xandintegratingthemintothefollowingform:ThevalueRisanintegrationconstantwhichmustbedefinedforeverychangeofsgnx.ThisformofinterpretationpermitsustoexpressthebehaviorofthemassinthetermsofthephaseplanewhichisshowninFigure3.8.TheoscillatingmovementofthemassceasesatthemomentwhenRn=￡2kco.Inourcase,thespringmovesthemassfromapointx=x0throughadistanceLtoapointx=x^InaccordancewiththediagramgiveninFigure3.8,thevalueRequalscox0-cok.ThisenablesustorewritethefirstofthetwoEquations(3.23>inthefollowingway：【3.24] ?FIGURE3.7Forcedevelopedbydryfrictionversusspeedofthebody.

AndFIGURE3.8Speedversusdisplacementforanoscillatingbodyinfluencedbydryfriction.【3.25]ForthecaowsfromEquation(3.25>that[3.26]AndFIGURE3.8Speedversusdisplacementforanoscillatingbodyinfluencedbydryfriction.【3.25]ForthecaowsfromEquation(3.25>thatThus,Equatwhichdescri=0inthisessaase>.(3.26>ncoincideswiththeFormula(3.18>Thus,Equatwhichdescri=0inthisessaase>.(3.26>nsituationk=0(asaresult