机械设计中轴系的结构方案设计毕业论文.doc
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1、大连理工大学硕士学位论文机械设计中轴系的结构方案设计姓名:孙涛申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:王德伦20051201孙涛;机械设计中轴系的结构方案设计摘 要本文源自于机械结构方案设计的下游细化工作,通过对设计模型的研究,以机械设 计中轴系为研究对象,针对轴系主要的功能元进行了分类讨论,提出了运用特征数据属 性一词来描述各个类型的功能元,以滚动轴承的14项特征的提取为基础,讨论了传动 功能元齿轮副的特征属性,轴的属性,并在此基础上建立了合理并有一定扩展性的数掘 结构实现了特征属性按类别的存储。应用符号表达、集合运算等知识对单轴和轴系情况 下的结构布局设计问题分别进行了详细的讨论,对
2、轴系的多种结构模型进行了计算分 析,通过实例给出了圆锥外啮合齿轮传动的9种结构布局形式。结合相关的设计模型,总结出与实际相适应的轴系结构方案设计的总流程,并在其 指导下开发实用的结构方案辅助设计平台。建立系统主流程模型、数据集成模型、图形 生成模块、结构布局多方案生成模块、滚动轴承匹配模块下设计了与下游设计相联系的 设计模块。从而整个设计流程流畅,易于用户理解操作。采用面向对象的方法对系统的层次结构进行分析,根据模块化的思想把系统划分为 显示层、数据层、业务层及存储层,各层之间采用统一接口的形式进行数据交换,从而 保证了系统的稳定性与扩展性。应用企业级关系数据库系统Microsoft SQL
3、Server 2000 作为数据平台构建系统数据模型,采用面向对象的编程语言对系统的业务流程进行实 现,采用AD0/0LEDB技术进行数据访问。最后,本文采用理论结合实践的研究方法, 通过系统在实际例子中的应用对系统的有效性和适用性进行了验证,对解决方案进行了 总结,从而证明了系统的先进性与实用性.关键词:特征属性;存储模型;轴系模型;结构方案Structure Design of Shaft System in Mechanical DesignAbstractThis paper derives from the research and development of detail res
4、earch of structure scheme design,a sub project of the whole system. In this paper advanced design models are analyzed, and the structure characteristics of shaft system arc intcgrated.The main functional item of shaft system is discussed.The feature propery is put forward to summarize a feature-base
5、d design model. The cunent situation of structure conceptual design and the existing problems are analyzed in this papei.The 14 feature items of rolling bearings are studied firefly,then the features of gear pair and shaft is abstracted*At the mean while,an reasonalble and extensible data structure
6、is established to realize the storage of feature data.In the feature-based design model,shaft system modules are adopted microcosmiically to connect the functional concept and structural scheme, while calculate concept is employed macrocosmically to achieve the cooperation of the whole design proces
7、s. The mathematic module is adopted in both single shaft and multi-shaft system to calculate the diversified shaft forms in different structure scheme.Thc 9 structure schemes of bevel gear pair is given out as an example*Thus according to related design module, the main flow chart of structure schem
8、e design adapt to the real design is summarized. On the guidance of the thinking the computer aided structure scheme design system is developed and implemented. The system main flow model, data integration model, graphics building model, multi-structure scheme design uiodulc5rolling bearing design m
9、odel and its sub system for detail design are constructed. These models guarantee the form of a multilayer design system contained the general structure design, data integrated in system on the base of the global design flow*Thus a fluent and user-friendly system is designed under the direction of t
10、he above description and theories.The system hierarchy model is analyzed by the Object-Oriented method* In order to enhance stability and expansibility, the system is divided to display layer, data layer, operation layer and storage layer. And it uses the interface to exchange data between these lay
11、ers. The system data model is build based on Microsoft SQL Server 2000 database system. The applied software is programmed by Object-Oriented program language and ADO/OLE DB data accessing interface. At lastf the system is implemented in the real example, and the practice of software in the example
12、shows that the approaches of the paper are effective and practicable.Key Words: Feature Property, Storage Module, Shaft Module, Structure Scheme独创性说明作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说
13、明并表示了谢意。作者签名:H诱 B期:孙涛:机械设计中轴系的结构方案设计大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版,允许论文被査阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。作者签名: 导师签名:1课题的背景与意义 1.1方案设计的应用背景面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战,世界各国普遍重视提高产品的设计水 平,以增强产品竞争力。产品设计的根本目的就是
14、要创新产品,满足市场需求和占领更 大市场。产品设计本身是创造性的劳动,设计的本质是创新。因此,重视创新设计是增 加机械产品竞争力的根本途径。方案设计是设计过程的早期阶段,其目标是获得产品 的基本形式或形状。广义上的方案设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的 设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。方案 设计的各个环节紧密相连,在设计过程中互相依赖,互为驱动。方案设计在产品设计过 程模型中的地位及其作用如图1.1所示。可见方案设计是设计过程的初步阶段,其目的 是获得足够多的有关产品的基本形式或形状的信息。图1.1方案设计的地位和作用 Fig. 1.1 Th
15、e Position and Function of Structure Scheme Design一般意义上的方案设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下,产品外观造型 的设计过程。方案设计是根据产品生命周期各个阶段的要求,进行产品功能创造、功能 分解以及功能和子功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实 现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。方案设计的过程是一个发散思维 和创新设计的过程,是一个求解实现功能的,满足各种技术和经济指标的,可能存在的 各种方案并最终确定综合最优方案的过程。在方案设计的过程中,要求设计人员掌握现 代设计方法、先进制造技术、专业理论、
16、商用运作等方面知识。现代化工业要求机械产品不断提高性能、缩短设计制造周期并具有柔性,以适应产 品市场激烈竞争的要求,这既是机械制造业赖以生存的关键,也是当前倡导技术创新的 核心。机械产品的性能,包括使用、维护和制造性能在很大程度上取决于设计过程。机 械产品的设计过程往往是首先提出功能原理、其次是运动(力)设计,然后是总体运动 与结构布局方案设计,最后是具体零件结构和工艺设计。有时把功能原理设计、运动(力) 设计与结构布局设计统称为整机方案设计或方案设计,主要是根据机械产品应用的行业 特点,实现使用功能所采取的物理、化学原理设计,相应的某些机械运动(力)设计、 使用操作、外形以及结构布局设计等;
17、而零件与工艺设计是以制造单元实现整机方案设 计中的各个零件及装配细节设计。各部分设计既各有侧重、各有特点,又相互支持、相 互渗透,只有统筹兼顾才能使设计方案趋于完善。整机方案的创新设计是产品更新换代或大幅度提高产品质量的最活跃因素,是知识 密集、技术创新突破点多的并行过程。在整机方案设计过程中,设计人员综合应用各种 知识、经验或思想和方法,产生一些新的思路或概念,包括原理、运动、结构与布局方 案等,都属于创新设计【1。如果在整机方案设计时作出了错误选择,将很难用后续的漂 亮的细节设计来弥补由于机械运动方案设计是在运动单元基础上进行构思,往往主要评价运动(力)性 能,较少涉及如何实现运动方案的零
18、件结构、装配工艺性及经济性能,因而在所构思运 动方案时还有一定的局限性。Welch【3】指出现有工程工具(CAD、CAE软件)只胜任几 何设计任务,方案设计方法和手段需要研究是显而易见的。整机方案设计中的结构布局 设计大多数是在运动(力)方案基础上进行,如果结构布局设计过于复杂或工艺性太差, 有时不得不牺牲运动(力)性能以换取较好的结构与工艺性能,或抛弃所选定的运动方 案重新选择,往往反复几次才能得到一个较好的整机设计方案。近年来采用并行工程进 行结构布局设计有较大进展。1.2国内外研究现状如何实现机械产品的整机方案创新设计,是否有规律可循,国内外学者对此进行了 卓有成效的研究。目前主要体现在
19、功能设计、运动(力)设计和结构布局设计三个方面。 功能原理设计是为了实现使用功能所采取的物理、化学原理设计,Koller41把整机方案 设计用功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数五个设计元素分别描述和确定设计 方案,但现行的功能原理设计方案往往来源于行业特点。对于运动(力)设计方案,也有 称概念设计或机构设计,六十年代中期,用图论对其进行了研究。Sell【5】将寻找、选择、 组合满足设计任务要求的原理解分为“构思,而把具体实现构思阶段的原理解定义为 “设计”阶段。Kota6提出了将机构概念设计进行量化表示方法,把总功能不断分解为 功能子空间,每个子空间又由参数矩阵和一个运动方程表示,可以进
20、行定性的机械运动 仿真。台湾成功大学的颜鸿森171提出了颜氏创造性机构设计方法该方法可以系统的推 导出合乎方案设计要求与约束的拓扑构造,并给出了设计方法。上海交通大学邹慧君等 孙涛:机械设计中轴系的结构方案设计8应用模糊综合评价及专家系统等工具,开发出“机构系统方案设计专家系统”。哈尔 滨工业大学王知行等91运用虚拟现实技术,进行组合机构方案设计。在设计早期的设计活动以综合的观点来看主要是组合各种相关设计单元。纵观各种 设计的种种设计单元都要求定性的分析机构的功能和行为。正因如此,定性推理和表达 被广泛的应用在人工智能这个领域来解决概念设计问题。Kleer和Brown使用复杂机构 的组合单元来
21、定性的预演和解释机构的行为。在他们的研究中首次提出了符号运算这个 基本概念。Nielsen在研究中把符号运算扩展为定性向量来动态的描述运动和力的信息。 在Forbus、Falting和Sun的研究中定性向量和符号运算用来定以运动副的行为。有几篇文献在研究机构概念综合时提到了机构基本单元的概念用来识别和解释复 杂机构。因为基本单元块具有实际的结构而且执行具体功能因此可以让设计者用来表示 机构的功能。Kota和Chiou建立了一个基本单元库,创建了一种利用矩阵来寻求功能 解的机构自动设计方法。在这些研究中它们把构型方向问题直接的或是间接在综合过程 的当作了详细信息。在参考文献151中输入输出方向以
22、矩阵的形式来表示,这个矩阵在通 过一系列变换直到最后能过匹配上某个以有的基本单元。在三维空间构型领域只有有限的一些研究工作。Prabhu和Taylor提供一种方法用 方位和位置信息进行系统分析。他们的方法基本是利用再生过程(插入新元素)来需求 一个满足设计要求的解。因此不适合当前变换的空间构型研究。Chakiabarti和Bligh的 研究产成包含基本结构的所有可能空间结构的机构。他们引入输入输出和长度向量来基 本结构的空间构型信息,使用一种约束再生法把方位、认识、位置问题一个个的解决。 本文所使用的三个基本向量的思路就来源于他们的研究。但是我们把三个向量组合成了 一个矩阵,而且提供一种方法满
23、足空间变换,因此能更高效的解决空间构型问题=在设计方法学方面,Sturges通过定义功能之间的关系,使功能图的语义更加完善 12; Hanburg提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技术;Bracewell 提出分层的信息结构,实现计算机辅助的功能载体映射。在知识表达和建模方面,Qian 通过对功能、行为、结构的表达,由交互方式在领域内产生创新方案131: Umeda将设 计知识表达为功能、行为、状态的组合关系,以产生新方案14】;Culley建立了一个产品 装配模型,以快速找出所需部件。在开发辅助工具方面,人们借助人工智能(AI)技术和数据库技术来推动设计的智能 化 Adzhi
24、ev提出面向代理的方法,有利于并行设计环境下使各种设计变量保持高度一 致性;Tabel2Bendiab应用基于实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来;L i利用定性启发式搜索方法,辅助机构的概念设计15。在基于计算机的设计环境方面. Twente建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境,支持多模型状态;Tom iyama利 用大型数据库建立了.-个设计开发环境;Sharpe主持开发的环境着重于集成,同时利用 了超媒体和超文本技术上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君教授等人自1989年开始进行机械 运动方案设计专家系统的研究,结合机械产品设计开展了较为系统的研究他们以机 械运动系统作
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