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1、第二章 機械的設(shè)計與相關(guān)課程簡介,機器的認知實踐 通過上周的認知實踐，我們已經(jīng)認識了幾種典型的機器： 內(nèi)燃機 牛頭刨床 汽 車 電池自動分揀機 工業(yè)機器人,回 顧,第一章 機械的組成、分類與發(fā)展 機器和它的分類 機器中的幾個基本概念 機器的組成 機械發(fā)展歷程概述,回 顧,第二章 機械的設(shè)計與相關(guān)課程簡介,內(nèi)容提要,第一節(jié) 機械設(shè)計的要求和內(nèi)容 第二節(jié) 機械設(shè)計的過程和方法 第三節(jié) 機械設(shè)計類課程簡介,,,,,,,什么是機械設(shè)計 ？,第一節(jié) 機械設(shè)計的要求和內(nèi)容,機械設(shè)計的基本內(nèi)容,,,機械設(shè)計的基本要求,,機械設(shè)計的重要地位,,,什么是機械設(shè)計？
2、,機械設(shè)計是一個工作過程。,,返回,,機械設(shè)計的基本要求,功能性要求 可靠性要求 經(jīng)濟性要求 社會性要求,1功能性要求,機械產(chǎn)品必須完成規(guī)定的功能。 機械的功能可表達為一個或幾個功能指標。,,主要功能指標： 每分鐘分揀電池的個數(shù)。,主要功能指標： （1）被加工工件的尺寸范圍； （2）滑枕應(yīng)具有若干種不同的往復(fù)運動速度，以滿足不同切削工藝的要求； （3）工作臺沿橫向應(yīng)能實現(xiàn)若干種不同的進給量； （4）應(yīng)能供給并傳遞足夠的功率，以克服切削力； （5）應(yīng)能保證一定的加工精度。,例：牛頭刨床,機械功能指標的確定： 由用戶提出 由設(shè)計者與用戶協(xié)商確定 機械的功能指標是機械設(shè)計最基本的
3、出發(fā)點。,2可靠性要求,機械零件的內(nèi)部和表面產(chǎn)生應(yīng)力和變形,機械要傳遞力和力矩,有可能導(dǎo)致零件的失效,,,,,,,機械應(yīng)能保證在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi)，零件不發(fā)生各種型式的失效。 為此要進行強度、剛度和壽命的計算，這些計算在整個設(shè)計工作量中占了很大的比例。,3經(jīng)濟性要求,簡化結(jié)構(gòu) 選用適當?shù)牟牧?確定合理的加工精度 標準化、系列化和通用化,降低機械的能量損失 考慮到維修的方便性和經(jīng)濟性,成本,,設(shè)計階段的工作如何，就基本上決定了一個產(chǎn)品成本的高低。,4社會性要求,,所設(shè)計的產(chǎn)品不應(yīng)對人、環(huán)境和社會造成消極影響。 操作者的安全性和舒適性 機械的造型和色彩美觀、大方、宜人 符合國家在環(huán)境保護方面的
4、法規(guī),數(shù)控加工中心,機械是否滿足社會性要求，完全取決于設(shè)計。,例：汽 車, ,耐用性,螺紋加工方法,車削加工,絲錐加工,滾壓加工,例：,例： 選礦機械的 工作原理,選礦機械的工作原理,螺紋加工的工作原理,,機械的工作原理不同，機械的面貌就 完全不同。 確定工作原理是方案設(shè)計的第一步。,,1. 方案設(shè)計 根據(jù)機械的功能要求，確定機械的總體方案。,,確定執(zhí)行構(gòu)件的運動 選擇原動機 采用哪些機構(gòu)實現(xiàn)運動形式的轉(zhuǎn)換 采用哪些機構(gòu)實現(xiàn)運動速度的轉(zhuǎn)換 確定傳動裝置的布局,確定 機械系統(tǒng) 運動方案,方案設(shè)計是機械設(shè)計中至關(guān)重要的一步。 它從根本上影響機械的結(jié)構(gòu)、性能、成本。 應(yīng)充分調(diào)查研究，并集思廣益，
5、提出多種方案，并按照四項基本要求，認真地進行比較、分析，以選擇出最優(yōu)方案。,確定傳動裝置中各機構(gòu)的基本幾何參數(shù)。 例如： 牛頭刨床：確定連桿機構(gòu)的各桿桿長，來保證滑枕的速度規(guī)律符合要求； 內(nèi)燃機：確定連桿機構(gòu)的尺寸，凸輪的輪廓曲線，齒輪的齒數(shù)等。,保證零件在一定的使用期限內(nèi)不發(fā)生失效。通過設(shè)計確定零件的參數(shù)和基本尺寸。 例如： 軸的直徑 齒輪的大小和齒的大小,對運轉(zhuǎn)速度較高的機械，會產(chǎn)生振動和速度波動等有害的動力學(xué)現(xiàn)象，應(yīng)進行必要的動力學(xué)分析。 在此基礎(chǔ)上對參數(shù)進行必要的修改，或采取一些措施減輕其影響。,在確定了各個零件基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，對各零件的結(jié)構(gòu)進行構(gòu)思，確定零件的全部尺寸。 這部
6、分設(shè)計工作主要體現(xiàn)在圖樣上。,作為制造的依據(jù)，應(yīng)繪制出整個機械的裝配圖、組成機械的各個部件的裝配圖，以及全部非標準化零件的零件圖。 圖樣上應(yīng)標明制造所需要的全部信息：材料、熱處理、基本參數(shù)和所有必要的尺寸，以及加工精度等技術(shù)條件。此外，還應(yīng)提出所有外購件的明細表。,,,機械設(shè)計的重要地位,中國啟動了創(chuàng)新型國家的建設(shè),擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)，機械設(shè)計至關(guān)重要,在若干重要領(lǐng)域掌握一批核心技術(shù)，擁有一批自主知識產(chǎn)權(quán)，造就一批具有國際競爭力的企業(yè)，大幅度提高國家競爭力。 培養(yǎng)造就富有創(chuàng)新精神的人才隊伍。,設(shè)計階段的工作如何，就基本上 決定了一個產(chǎn)品成本的高低。,機械是否滿足社會性要求，完全取決于設(shè)計。,,
7、,機械設(shè)計的過程,第二節(jié)機械設(shè)計的過程和方法,,機械設(shè)計的方法,一、機械設(shè)計的過程,,設(shè) 計 的 類 型,三者中至少應(yīng)該有一項是首創(chuàng)的,照相機,,單缸洗衣機,雙缸洗衣機,普通車床,,立式車床,,三者中至少應(yīng)該有一項是首創(chuàng)的,實現(xiàn)自主創(chuàng)新，擁有自主自主知識產(chǎn)權(quán)主要依靠開發(fā)性設(shè)計。 創(chuàng)新性最強、過程最完整。,一、機械設(shè)計的過程,,設(shè) 計 的 類 型,,,,,機械設(shè)計的完整過程,投產(chǎn)以后,,計劃階段,方案設(shè)計階段,試制試驗階段,技術(shù)設(shè)計階段,,,,,提出設(shè)計任務(wù)（市場需求，用戶委托，主管部門下達） 可行性研究 （重大問題應(yīng)召開論證會） 編制設(shè)計任務(wù)書,提出機械的工作原理 （通過調(diào)查研究和必要的分析，
8、還可能需要進行原理性試驗） 提出幾種機械系統(tǒng)運動方案 （進行必要的運動學(xué)設(shè)計，一般是初步的、粗略的） 確定出最佳總體方案 （經(jīng)過分析、對比和評價，作出決策）,運動學(xué)分析與設(shè)計 工作能力分析與設(shè)計 動力學(xué)分析與設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計 裝配圖和零件圖的繪制,通過試制和試驗，發(fā)現(xiàn)問題，加以改進，修改某一部分設(shè)計結(jié)果。,收集用戶反饋意見，研究使用中發(fā)現(xiàn)的問題，進行改進。 收集市場變化的情況，為可能提出新的設(shè)計計劃準備資料。,返回,,二、機械設(shè)計的方法,常規(guī)設(shè)計方法 現(xiàn)代設(shè)計方法,工業(yè)革命以來 力學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展,運動學(xué)分析與設(shè)計 動力學(xué)分析與設(shè)計 工作能力的分析與設(shè)計,20世紀下半頁 計算機的發(fā)明與快速發(fā)展
9、,方案設(shè)計,運動學(xué)分 析與設(shè)計,動力學(xué)分析與設(shè)計,零件工作 能力設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計,創(chuàng)造性,主要依賴于設(shè)計者 的靈感,,常規(guī)設(shè)計方法有如下不足： 方案設(shè)計過分依賴設(shè)計者個人的經(jīng)驗和水平； 一般滿足于獲得一個可用方案，而不是最佳方案； 受計算手段的限制，簡化假定較多，影響了設(shè)計質(zhì)量； 設(shè)計工作周期長、效率低，不能滿足市場競爭激烈、產(chǎn)品更新速度加快的新形勢。,盡管現(xiàn)代設(shè)計方法已經(jīng)興起，但常規(guī)設(shè)計目前仍被廣泛應(yīng)用。 設(shè)計者應(yīng)該首先掌握常規(guī)設(shè)計方法，才能進一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計方法。 本課程的內(nèi)容主要是介紹常規(guī)設(shè)計方法。,現(xiàn)代設(shè)計方法,近數(shù)十年來，社會需求呈現(xiàn)多樣化的趨勢，產(chǎn)品更新速度加快。如果設(shè)計速度
10、慢，就會貽誤商機，造成不可彌補的經(jīng)濟損失。,計算機輔助設(shè)計 （Computer-Aided Design, CAD),,提高設(shè)計速度成為設(shè)計方法革新的最主要的目標。,優(yōu)越性： 提高效率，縮短設(shè)計周期，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，增強市場競爭能力。 給出多個方案，供設(shè)計者比較、選擇，確定最佳方案。 從繁瑣的重復(fù)性工作中解脫出來，將時間和精力集中到創(chuàng)造性的工作上。,計算機輔助設(shè)計,運算快速準確,存儲量大,邏輯判斷功能強,,輔助設(shè)計者 進行設(shè)計,機械設(shè)計專家系統(tǒng) （Expert System） 計算機輔助設(shè)計在上世紀90年代的新發(fā)展。 專家系統(tǒng)是一種計算機程序，它使計算機具有學(xué)習(xí)、推理、決策和創(chuàng)
11、造等智能行為，并能夠在專家的水平上工作。,CAD,機械設(shè)計活動,,數(shù)值計算型的工作 （計算與繪圖）,符號推理型的工作 （方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計）,專家系統(tǒng),優(yōu)化設(shè)計（Optimal Design） 可行方案與最優(yōu)方案 最優(yōu)，就是使某一項指標達到最小（如重量）或最大（如效率）。 機械設(shè)計的問題一般都較復(fù)雜，求最小值或最大值的問題并不是用微分方法求極值就能簡單地予以解決的。 數(shù)學(xué)領(lǐng)域的分支數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，提供了很多求優(yōu)的數(shù)值方法，這些方法都以在計算機上進行的大量的數(shù)值疊代計算為基礎(chǔ)。 為了采用這些優(yōu)化方法，就需要將具體設(shè)計問題的物理模型轉(zhuǎn)化為一個數(shù)學(xué)模型。,、,高速化推動了機械動力學(xué)的發(fā)展。 精密化
12、要求機械的實際運動盡可能與期望運動相一致。在分析誤差時必須盡可能地計入各種因素的影響。 振動和噪聲過大，則會影響車輛的舒適性并污染環(huán)境。 動態(tài)設(shè)計：考慮機械的動態(tài)載荷和系統(tǒng)的動特性，以動力學(xué)分析為基礎(chǔ)來設(shè)計機械。 需要在計算機上用數(shù)值疊代算法求解微分方程。所以，動態(tài)設(shè)計在計算機獲得普遍應(yīng)用后才能發(fā)展起來。,動態(tài)設(shè)計 (Dynamic Design),可靠性設(shè)計（Reliability Design） 將概率論、數(shù)理統(tǒng)計引入機械設(shè)計中而形成的一種設(shè)計技術(shù)。 將物理量都視為按某種規(guī)律分布的隨機變量，用概率統(tǒng)計的方法確定零、部件的主要參數(shù)和尺寸，使機械滿足所提出的可靠性指標。,式中,為桿件的截
13、面積，,為許用應(yīng)力，,為材料的屈服極限，,為安全系數(shù)。,、材料的性能,、截面積,二次世界大戰(zhàn)期間，美國由于飛行故障而損失的飛機比被擊落的飛機多1.5倍。 應(yīng)航天計劃的需要，興起在上世紀60年代的美國。 可靠性設(shè)計已應(yīng)用于從宇宙飛船到家用電器的廣闊領(lǐng)域。,創(chuàng)造性設(shè)計（Creative Design） 利用人類已有的科技成果，充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，設(shè)計出新機構(gòu)和新機械產(chǎn)品的設(shè)計過程。 幾千年來，機械的發(fā)明依靠的是能工巧匠和專家學(xué)者的靈感和創(chuàng)造性的思維。 如何產(chǎn)生靈感？如何進行創(chuàng)造性的思維？在歷史的長河中，這些智慧的火花是零散的而非系統(tǒng)的，多種多樣的而非單一的。 對歷史上大量發(fā)明構(gòu)思的過程進行了分
14、析和歸納，總結(jié)出一些進行創(chuàng)造性思維的方法，形成了“創(chuàng)造學(xué)”。 創(chuàng)造性設(shè)計，特指以創(chuàng)造學(xué)理論為基礎(chǔ)進行機械創(chuàng)新的方法。,現(xiàn)代設(shè)計方法,,,,對設(shè)計者的基本要求,第三節(jié)機械設(shè)計類課程簡介,,機械設(shè)計類課程簡介,,機械原理與機械設(shè)計課程,,,在大學(xué)機械類專業(yè)的教學(xué)計劃中，安排了一組機械設(shè)計類課程。 這些課程的目的是向?qū)W生提供機械設(shè)計方面的基本理論和知識，并通過各種教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生具備進行機械設(shè)計的基本能力，并具備進行機械試驗的動手能力。 通過這些課程和相關(guān)的實踐活動，培養(yǎng)同學(xué)們的創(chuàng)新精神、團隊精神和工作作風(fēng)。,機械設(shè)計類課程簡介,機械設(shè)計系列課程,,,機構(gòu)的組成與分析 機構(gòu)是怎樣組成的? 機構(gòu)具有確定
15、運動的條件 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類 如何用機構(gòu)簡圖表示機構(gòu),,,,常用機構(gòu)及其設(shè)計 連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和間歇運動機構(gòu)等。 分章介紹這些機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、類型、原理、運動、應(yīng)用、分析和設(shè)計。,,,機器動力學(xué) 分析機器在運轉(zhuǎn)過程中的受力情況 分析機器在已知外力下的運動情況 解決機器在運轉(zhuǎn)中的速度波動和振動問題,,,,,機械零部件的工作能力設(shè)計 常用機械零件的類型、原理、標準、應(yīng)用、失效、分析和設(shè)計方法。,,,機械零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 常用機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。,,,,,機械系統(tǒng)方案的設(shè)計 機構(gòu)的選型和組合 機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計 結(jié)合課程設(shè)計，使學(xué)生具有： 初步的擬定機械系統(tǒng)運動方案的能力。 設(shè)計由通用零件組成的機械傳動系統(tǒng)的能力。,掌握了設(shè)計理論與方法 掌握了方案設(shè)計的基本知識 進行了設(shè)計機械的基本訓(xùn)練,學(xué)習(xí)機械原理與機械設(shè)計課程的目的,為后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ),認識機械,分析機械,設(shè)計機械,掌握了分析方法，對機械的認識提高到理性認識的高度 具備了對現(xiàn)有的機械進行分析的能力,為今后參加實際工程中的機械設(shè)計奠定了基礎(chǔ),
機械原理與機械設(shè)計.ppt
