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。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，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：NC Programming）。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，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：①数学计算软件，如MATLAB、MATHCAD等。②有限元分析软件，如I－Deas,SAP-5，ADINA，ANSYS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。③优化设计软件，如IBM公司的ODL、我国的OPB－2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（3－7）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。