【正文】 發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場上所見到的各種商業(yè)化的CAD軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計計算和分析等功能。1）集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進行產(chǎn)品及其零件的定義。如AutoCAD等。但近年來隨著實體造型技術(shù)的日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實休造型技術(shù)來定義產(chǎn)品的幾何模型，進行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前較為成熟的CAD/CAM集成系統(tǒng)包括：UG，ProEngineer,CATIA,DUCT,CADDS5等。2）計算和分析軟件計算和分析軟件主要用于解決工程設(shè)計中的各種數(shù)值和分析。包括：①數(shù)學(xué)計算軟件，如MATLAB、MATHCAD等。②有限元分析軟件，如I－Deas,SAP5，ADINA，ANSYS等。目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強的前、后處理功能。③優(yōu)化設(shè)計軟件，如IBM公司的ODL、我國的OPB－2等。3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于CAD工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設(shè)計時要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程序。在機械設(shè)計過程中，經(jīng)常需要查閱一些手冊和文獻資料，以獲得有關(guān)的計算公式和大量數(shù)據(jù)，例如零部件的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，材料的機械性能，許用應(yīng)力和各種計算系數(shù)等經(jīng)驗數(shù)據(jù)或?qū)嶒炃€與圖表。在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，主要靠設(shè)計人員手工查取，十分繁瑣和費時。鑒于計算機具有大量存儲與迅速檢索的功能，可以快速、精確無遺漏地處理各種大小數(shù)據(jù)文件，在現(xiàn)代設(shè)計方法中，通常將設(shè)計所需要的計算公式、計算方法和過程以及大量數(shù)據(jù)、表格或線圖以程序、文件和數(shù)據(jù)庫等方式預(yù)先存入計算機的外存和內(nèi)存中，以便設(shè)計時由計算機按照設(shè)計的需要自動檢索，依靠計算機完成大量繁瑣的事務(wù)性工作，使設(shè)計師有更多的時間和精力從事創(chuàng)造性設(shè)計。機械設(shè)計過程中一些常用數(shù)據(jù)表格和線圖在計算機中的存取一般有三種處理方式：（1）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為程序存入內(nèi)存。（2）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為文件存入內(nèi)存。（3）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)的形式）存入數(shù)據(jù)庫。相關(guān)處理方法和計算程序可參閱文獻［17］、［18］。常規(guī)的機械設(shè)計是基于安全概念的“合格設(shè)計”各種幾何參數(shù)能夠保證零件安全就認(rèn)為合格，但這不一定是最優(yōu)的。近年來，由于優(yōu)化理論的發(fā)展和電子計算機廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計中，采用優(yōu)化設(shè)計方法，可以綜合考慮多方面的復(fù)雜因素，在各種約束條件的限制下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)。這樣，在縮短設(shè)計周期的同時，大大提高了設(shè)計質(zhì)量，有效地確保所要求的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。通用優(yōu)化設(shè)計程序的建立以及一些專用零部件優(yōu)化程序的研制成功，以直接調(diào)用或以商品形式提供給設(shè)計部門應(yīng)用。設(shè)計師進行優(yōu)化設(shè)計的主要工作是建立數(shù)學(xué)模型和分析優(yōu)化結(jié)果，相關(guān)處理方法和計算程序可參閱文獻［17］、［18］。 平面連桿機構(gòu)的運動分析和機構(gòu)的運動模擬. 運動分析的目的機構(gòu)的運動分析，就是根據(jù)給定的原動件運動規(guī)律，求出機構(gòu)中其他構(gòu)件的運動，即求出各構(gòu)件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等運動參數(shù)。其目的在于研究評價機構(gòu)的運動及動力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點的軌跡，以確定機構(gòu)的行程或外形尺寸。要在計算機上分析一個連桿機構(gòu)的運動情況，必須首先建立類似于式（3－7）的數(shù)學(xué)模型，在相應(yīng)的支撐軟件系統(tǒng)中編制應(yīng)用程序，通過計算機模擬實際運動狀況，計算出機構(gòu)運動過程中的各構(gòu)件所占據(jù)的位置；獲取相關(guān)的運動參數(shù)和機構(gòu)工作特性等。相關(guān)理論和計算方法讀者可參閱文獻［16］、［17］、［18］。. 2. 程序說明本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。它的優(yōu)點是：（1）AutoCAD具有寬松的運行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考和使用；應(yīng)用軟件可以直接在AutoCAD的圖形編輯狀態(tài)下運行。產(chǎn)生符合機械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。（2）具有強大的圖形調(diào)用和編輯功能，各種指令既可以直接鍵入，又可以用菜單選擇。（3）輸入數(shù)據(jù)方便。當(dāng)需要輸入一個點時，既可以直接鍵入點的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用AutoCAD對光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實體上的特殊點；當(dāng)需要輸入一個值時，既可直接鍵入一個值，也可通過橡皮筋的長度給出。（4）隨時可用AutoCAD的原有命令對已生成圖形進行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以將圖形的幾何或非幾何信息寫入文件，傳遞給后讀的CAPP/CAM，也可以讀取其他外部程序生成的數(shù)據(jù)文件，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的圖形數(shù)據(jù)。限于篇幅，本章只列舉出程序的使用和分析結(jié)果，以滿足教學(xué)使用要求。源程序及安裝說明可通過網(wǎng)址：。. 圖11－2為曲柄搖桿機構(gòu)的運動模擬結(jié)果。圖11－2（a）為用戶在AutoCAD環(huán)境下，通過人機交互輸入方式輸入鉸鏈點A，B，C，D位置坐標(biāo)后，程序自動生成的機構(gòu)簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構(gòu)運動。圖11－2（b）是根據(jù)機構(gòu)運動繪制的搖桿3的擺角Ψ、角速度ω以及傳動角γ隨曲柄γ轉(zhuǎn)動一個周期（2π）的變化規(guī)律。從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：（1）Ψ（Ф）曲線反映搖桿的擺動范圍；ψmax所對應(yīng)的橫坐標(biāo)可以確定曲柄的極位夾角θ和機構(gòu)的行程速度比系數(shù)κ≈。（2）在γ（Ф）曲線中傳動角的變化幅度為（128176?！?8176。），通過多方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動角水平，有利于機構(gòu)的動力特性。（3）機構(gòu)的運動特性主要反映搖桿的角速度ω角加速度ε3的變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。圖11－3為鉸鏈一滑塊機構(gòu)及其模擬運動結(jié)果，導(dǎo)桿EF為運動輸出構(gòu)件，行程速比系數(shù)κ≈。圖11－4所示的是初步設(shè)計的慣性篩機構(gòu)（詳見圖3－3（b）），采用曲柄搖桿機構(gòu)作機構(gòu)的主體，當(dāng)主動曲柄AB等速回轉(zhuǎn)時，從動搖桿CD作擺動，從而使篩體E有較大變化的加速度，利用此加速度產(chǎn)生的慣力使被篩材料達到理想的篩分效果。圖11－5是改進的慣性篩機構(gòu)，利用雙曲柄機構(gòu)作機構(gòu)的主體，通過運動模擬，其加速度曲線變化明顯，可產(chǎn)生更大的慣性力，達到理想篩分效果。同時還可以確定篩體E左右移動的距離以便確定外形尺寸。圖11－6是對曲柄滑塊機構(gòu)連桿上D點的運動軌跡模擬結(jié)果，通過不同的機構(gòu)組合，可以獲得復(fù)雜運動軌跡，以滿足不同要求。相關(guān)設(shè)計理論見文獻［18］、［20］。 帶傳動設(shè)計舉例 程序說明本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。當(dāng)程序加載后運行執(zhí)行指令，通過菜單輸入計算參數(shù)，顯示可行的設(shè)計方案。通過對用戶選擇的設(shè)計方案進行校核，根據(jù)用戶要求自動繪制帶輪的零件圖。【例11－1】設(shè)計帶式運輸機動裝置中的V帶傳動，電動機功率P＝，轉(zhuǎn)速N1＝960r/min，V帶的傳動比i=，兩班制工作，要求傳動比誤差不超過177。5%。解　輸入已知條件：點擊“設(shè)計計算”按鈕，得到下列設(shè)計結(jié)果（見表11－1）：表111　B型帶設(shè)計方案　　小帶輪直徑/mm計算項目125140150160180大輪節(jié)圓直徑/mm帶速/s1帶的計算長度/mm實際中心距/mm小帶輪包角/176。膠帶根數(shù)3151800547160433520005003400200055415434002000548154245020004871482. 結(jié)果分析由上述結(jié)果可知，在合理的帶速范圍內(nèi)，三角膠帶的傳遞功率隨帶速增加而提高。為了充分發(fā)揮帶的傳動能力，在傳動尺寸允許的條件下，可以選用直徑的帶輪。同時，這樣做還可以減少膠帶根數(shù)，使傳動的軸向尺寸減少。在本例中，若對傳動尺寸的大小沒有限制，則取小帶輪直徑D1為160mm較好。 齒輪傳動的優(yōu)化設(shè)計、設(shè)計變量齒輪傳動在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設(shè)計對提高齒輪傳動及其減速器的承載能力、延長壽命和減少其體積和重量等方面具有重要的技術(shù)價值和經(jīng)濟意義。對于給定齒數(shù)u的一對直齒圓柱齒傳動，當(dāng)中心距不確定時，其獨立的參數(shù)有齒數(shù)Z1（或Z2）、齒寬系數(shù)φd、模數(shù)m以及變位系數(shù)XX2。當(dāng)中心距a給定時，其獨立參數(shù)有Zm以及變位系數(shù)X1（或X2）。、目標(biāo)函數(shù)齒輪傳動的目標(biāo)函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。（1）齒輪傳動的體積最小。圓柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積，故齒輪傳動裝置的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為大小齒輪體積之和。（2）齒輪傳動傳遞的功率最大。若以彎曲疲勞強度為限制條件，齒輪傳動設(shè)計理論得到圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為若以接觸疲勞強度為限制條件，圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為由此，極小化目標(biāo)函數(shù)為、約束條件齒輪傳動的優(yōu)化設(shè)計中，約束條件包括：（1）為防止齒面接觸疲勞點蝕失效，齒輪傳動必須滿足接觸疲勞強度條件。（2）為防止齒根彎曲疲勞所折斷，齒輪傳動必須滿足彎曲疲勞強度條件。（3）為防止根切，對最小齒數(shù)的限制。（4）其他一些限制：模數(shù)的要求，齒輪直徑的限制，中心距的限制，齒寬的限制。調(diào)用“常用優(yōu)化法程序庫OPB”就能獲得在滿足約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達到最小的最優(yōu)解?！纠?12】已知圓錐齒輪傳動，輸入功率P＝，主動輪轉(zhuǎn)速n1=664r/min,齒數(shù)比u=,壓力解an=20176。，齒輪材料為20MnVB，HRC＝58，使用壽命為20000h，試以體積最小為目標(biāo)，對齒輪傳動進行優(yōu)化設(shè)計。建立該齒輪傳動的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，調(diào)用優(yōu)化方法程序庫，計算結(jié)果為表112。優(yōu)化結(jié)果表明中心距由原設(shè)計的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。表112齒輪優(yōu)化設(shè)計結(jié)果參數(shù)符號設(shè)計方法齒輪基本參數(shù)MnZ1Z2βX1X2d1/mmd2/mmb/mma/mm原設(shè)計515521072174優(yōu)化設(shè)計41759157參數(shù)符號設(shè)計方法強度參數(shù)/MPaσF1σF2σH原設(shè)計3771228優(yōu)化設(shè)計4044241370注：計算數(shù)據(jù)來源于文獻[17]338