模块12现代机械设计方法简介

模块12现代机械设计方法简介学习情境1计算机辅助设计学习情境2机电一体化设计学习情境3机械优化设计与创新设计【知识目标】了解现代机械设计常用方法；理解计算机辅助设计的内涵和应用；理解机械优化设计的原则，认识创新设计。模块12现代机械设计方法简介【技能目标】根据机构设计的需要，能选择合适设计方法；已知机械的几个参数，建立初步的优化原则；能进行简单的机械（机构）创新设计。模块12现代机械设计方法简介模块12现代机械设计方法简介学习情境1计算机辅助设计12.1.1计算机辅助设计相关概念计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，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。12.1.1计算机辅助设计相关概念与计算机辅助设计（CAD）相关的概念有：1)CAE（ComputerAidedEngineering）：计算机辅助分析。2)CAM（ComputerAidedManufacture）：计算机辅助制造。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）。12.1.2计算机辅助设计发展概况20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。80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。12.1.3计算机辅助设计系统组成1.计算机辅助设计的硬件系统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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统1.AutoCADAutoCAD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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统2.PhotoshopPhotoshop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。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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统3.CorelDrawCorelDraw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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统4.Pro/EngineerPro/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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统5.SolidWorksSolidWorks是由美国SolidWorks公司于1995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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统6.CAXA电子图版CAXA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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统7.PICADPICAD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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统8.高华CAD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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统9.清华XTMCAD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AutoCADR12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Autodesk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。12.1.3计算机辅助设计系统组成2.计算机辅助设计的常用软件系统10.开目CAD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。12.1.4计算机辅助机械设计软件的设计步骤与方法1.设计步骤1）熟悉设计的内容、要求、任务、适用范围和功能；2）熟悉设计的计算准则、计算方法和数学模型；3）熟悉设计的计算步骤、计算公式、参数符号及变量；4）根据设计的计算内容、方法、步骤，绘出程序结构流程图；5）确定功能模块的结构图；6）逐个设计每个功能模块。12.1.4计算机辅助机械设计软件的设计步骤与方法2.设计方法1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。12.1.4计算机辅助机械设计软件的设计步骤与方法2.设计方法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。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12.2.1机电一体化系统组成1.系统组成机电一体化产品或系统，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。12.2.1机电一体化系统组成2.相关技术要素1）检测传感技术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。12.2.1机电一体化系统组成2.相关技术要素2）信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、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。3）自动控制技术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。12.2.1机电一体化系统组成2.相关技术要素4）伺服传动技术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。12.2.1机电一体化系统组成2.相关技术要素5）精密机械技术机电一体化系统中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。12.2.1机电一体化系统组成2.相关技术要素6）系统总体技术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。12.2.2机电一体化产品典型应用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。12.2.3机电一体化产品设计过程与方法1.设计过程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。12.2.3机电一体化产品设计过程与方法2.设计方法1）取代法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，也是改造传统机械产品的常用方法。2）整体设计法主要