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1、福 州 大 学毕业设计说明书题目：基于灰色聚类的机床主传动系统优化设计优化设计模块说明书姓 名： 罗建春 学 号： 0200422年 级： 2000级院 别： 机械工程及自动化专 业： 机械设计制造及其自动化指导教师： 金怡果2004 年 6 月 13 日文献综述优化设计是60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算技术运用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用与各个工业部门。一、 从传统设计到优化设计一项机械产品的
2、设计，一般需要经过调查分析、方案拟定、技术设计、零件工作图绘制等环节。传统设计方法通常在调查分析的基础上，参照同类产品通过估算、经验类比或试验来确定初始设计方案。然而，根据初始设计方案的设计参数进行强度、刚度、稳定性等性能分析计算，检查各性能是否满足设计指标要求。如果不满足性能指标要求，设计人员将凭借经验或直观判断对参数进行修改。这样反复进行分析计算性能检验参数修改，直到性能完全满足设计指标的要求为止。整个设计过程就是人工试凑和定性分析比较的过程，主要的工作是性能的重复分析，至于每次参数的修改，仅仅凭借经验或直观判断，并不是根据某种理论精确计算出来的。实践证明，按照传统方法设计出来的设计方案，
3、大部分都有改进提高的余地，而不是最佳设计方案。传统设计方法只是被动地重复分析产品的性能，而不是主动的设计产品的参数。从这个意义上讲它没有真正体现“设计”的含义。其实“设计”一词本身就包含优化的概念。作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。设计中的优化思想在古代就有所体现。例如，我国宋代建筑著作营造发式一书中曾指出：圆木做成矩形截面梁的高度比为3：2。根据梁的弯矩理论，最佳截面尺寸应使梁截面抗弯系数W最大。设截面宽为b、高为h，则要求W=。若圆木直径为d，有d2=b2+h2，W=，。当b=时，W取极大值（），而h=，则有h/b=。这与h/b=3/2=1.5很接近
4、。像这样简单的优化问题用古典的微分方法很容易求解，但对于一般工程化问题的求解，需要采用数学规划理论并借助于电子计算机才能完成。基于这一原因，“设计”中优化的概念一直未能的一很好的体现。直到60年代，计算机和计算技术迅速发展，优化设计才有条件日益发展起来。近20年来，随着计算机的应用，在机械设计领域内，已经可以用现代化的设计方法和手段进行设计，来满足对机械产品提出的要求。现代化的设计工作已不再是过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案，也不是像过去“安全寿命可行设计”方法那样：在满足所提出的要求的前提下，先确定结构方案，再安全寿命等准则，对该方案进行强度、刚度等的分析、校核，然后进行修改，以确定
5、结构尺寸。而是借助计算机，应用一些精度较高的力学的数值分析方法（如有限元等）进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。优化方法在机械中的应用，既可以使方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果，又不必耗费过多的计算工作量。因此，产品结构、生产工艺等的优化已经成为市场竞争的一种手段。例如，据资料介绍，利用一个化工优化系统（CHEOPS）的计算机手段，对一个化工厂进行设计。根据所给数据，在16h内，进行16000个可行性设计的选择，从中选择一个成本最低、产量最大的方案，并给出必需的
6、精确数据。而在这之前，求解这个问题，曾用一组工程师工作了一年，但仅做了三个方案，而它们的效率却没有一个可以和上述优化方案相比。又例如，美国贝尔（Bell）飞机公司采用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。在对一个机翼进行质量计算中，减轻质量35%。二、 机械优化设计发展概况最优化技术成功应用于机械设计开始于60年代，短短几十年来，机械优化设计发展迅速，尤其在机构综合、机械零部件设计、专用机械设计和工艺设计方面都成果显著。机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域，不仅研究了连杆机构、凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题 ，而且还提出一些标准化程序。机械零部件设计主要是研究
7、各种减速器的优化设计、液压轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化。除此以外，在机床、锻压设备、压延设备、起重运输设备、汽车等的基本参数、基本工作机构和主体结构方面也进行了优化设计。虽然机械优化设计的运用越来越广，但还面临着许多问题需要解决。例如，机械产品设计中零、部件通用化、系列化和标准化，整机优化设计方法模型及方法研究，机械优化设计中离散变量优化方法的研究，更为有效的优化设计方法的发掘等一系列问题，都需要做较大努力才能适应机械工业发展的需要。计算机辅助设计（CAD）引入优化设计方法后，使得在设计过程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可以加快设计速度，缩短设
8、计周期。第一章 主传动系统设计理论1、主传动系统简介主传动系统设计主要是运用转速图的基本原理，拟定满足转速数列的经济，合理的传动方案，确定主要传动部件的空间布置。其主要内容包括选择变速数组及其传动副数，确定各个变速组中的传动比，计算齿轮数目和皮带轮直径，及其设计主要传动件的空间布置，轴向定位及其结构尺寸。主传动系统一般由动力源，变速装置及其执行件，以及开停，换向和制动等部分组成。动力源进给执行件提供动力，变速装置传递动力以及变换运动速度;执行件执行所需要的运动，完成旋转或直线运动。主传动应该满足的基本要求：满足机电装备使用性能要求，首先要满足机电装备的运动特性。满足机电装备传递动力要求。具有足
9、够的精度和刚度，传动平稳。具有足够的抗振性和热稳定性，噪音低。满足产品设计经济性的要求。调整维修方便，结构简单，合理，工艺性好，防护性好。 分级变速传动系统常采用变速齿轮传动或变速带传动，在一定的变速范围内，其输出轴只能得到有限级数的转速。在设计分级变速传动系统时，常用到转速图。使用转速图可以直观地表达出传动系统中各轴转速的变化规律和传动副的速比关系。有级变速主传动系统设计：有级变速主传动系统设计就是根据已经确定的主运动参数，合理地排列转速数列，拟定结构式，转速图，分配各变速组中传动副地传动比，确定齿轮齿数和带轮直径等，绘制主传动系统图在采用转速图进行传动系统的设计时一般可按照下列步骤进行：确
10、定传动顺序；确定变速顺序；确定各变速组的传动比。2、转速数列地设计转速数列地合理排列方式：确定了主轴地最低地转速和最高转速之后，该变速范围若采用有级变速，就应该确定中间各级转速。目前大多数地机床都采用地主轴转速是等级数排列地。主轴转速按等比级数排列的方式有如下几点：1 转速范围内地转速误差相对损失均匀。2 简化变速传动系统地设计。(1)公比地标准值和标准转速数列1 由于转速有nmin到nmax递增，故公比应该大于1。为了限制最大转速地相对损失率不超过50%，则相应地公比不大于2。2 对便于采用双速或多速电机驱动，简化机床地变速机构，应该满足。(E1为正整数)。3 为了便于设计和使用机床，希望转
11、速数列是十进位地(注:我国机床专业规定了七个标准公比。1.06，1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2)。(2)公比的选择的值小则相对转速损失小，但是当变速范围一定时变速级数将增多，结构复杂。通常，对于，通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般区=1.26或=1.41;对于大批，大量生产用的专所用机床， =1.12或1.26，而非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，故取=1.58或1.78或2。3、转速图介绍在转速图上有以下特点距离相等的一组竖线代表传动系统的各轴，轴号写在上面。坚线间的距离不代表中心距。距离相等的一组水平线代表各级转
12、速，与各竖线的相交点的小圆代表各轴的转速。于转速的分级是按等比级数排列的，故采用对数坐标表示。相邻两水平线之间的间隔为igP。通常习惯在转速图上直接写出转速的数值。相邻两轴各小圆之间的连线代表相应传动副的传动比。传动比的大小以连线的倾斜方向和倾斜度表示，从左向下斜表示降速传动，向上斜表式升速传动，而水平连线则表示等速传动。根据上述分析，可以看出：传动系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。如上述传动系统，其变速级数为 3X2X212在结构上，变速组按照从电机到主轴传动的先后排列顺序称为传动顺序。变速组传动比之间有如下关系： 在第一变速组的三个传动比之间变速组内相邻传动比之间的比值称为级比，级比
13、指数x0成为变速组的级比指数。级比指数在转速图中表现为相邻传动比间隔的格数。为了获得连续的等比数列的转速，必须使几个变速组串连而成的传动系统符合级比规律，否则会出现转速重复或空缺的现象。 各变速组的变速范围是该变速组内传动副的最大传动比和最小传动比的比值。在设计传动系统时，一般均应遵守上述规律。这样，传动系统所得到的转速数列是连续的等比数列，这种传动系统成为正常传动系统。4、结构网和结构式介绍在设计传动系统时，往往首先比较和选择各传动比的相对关系。只表示传动比的相对关系而不表示转速数值的线图称为结构网。结构网也可看成是转速图的对称形式，因结构网只表示传动关系，而不表示转速数值，故可画成对称形式
14、。但结构网和转速图有一致的变速特性，一个转速图将对应一个结构网，如图所示为12级传动系统的结构网。 结构网表示出了各变速组的传动副数和各变速组的级比指数，还表示出其传动顺序和扩大顺序。结构网又可以简化为结构式，如图所示的结构网可用下面的结构式表示：12=31*23*26。其中 12代表转速级数，3、2、2表示变速组的传动副数和传动顺序，下标 1、3、6表示各对应变速组的级比指数。结构网和结构式表达的内容是相同的，但结构网更加直观5、转速图的拟定：通过对转速图的拟定和分析可找出最佳的传动系统方案，它是传动系统设计中不可缺少的重要环节。(1)变速组及其传动副数的确定：一定变速级数的传动系统可由不同
15、数目的变速组组成。减少变速组的数目可以缩短传动链，但在总变速级数一定的情况下，势必会增加各变速组内传动副数目，并且降速过快，因而导致齿轮的径向尺寸增大。现以 18级转速的传动系统为例，其组成方案有下列三种：18=9*2 18=6*3 18=3*3*2为使传动系统中齿轮总个数为最少，每个变速组的传动副数最好取2或3，并采用双联或三联齿轮进行变速。而上方案中，方案需92=11对齿轮，方案需6十3=9对齿轮，方案只需332=8对齿轮，虽然增加了一个变速组，且相应多了一根轴，但总的结构尺寸却可以减小，并且结构也比较合理。(2)传动顺序确定：传动顺序是指从动力机到执行机构各变速组传动副数的排列顺序。在传动系统中，如果对各变速组的顺序进行不同的排列，则可以得到若干不同的传动方案。例如上述18级转速的传动系统，按传动顺序排列可得：183X3X218=3X2X318=2X3X3为了能从这些方案中确定出最佳方案，一般应遵循“前多后少”的原则，即传动副数较多的变速组安排在传动顺序前面，传动副数较少的变速组安排在后面。这是由于传动系统一般为降速传动，如果把传动副数较多的变速组安排在前面，可使其转速较高，从而扭矩较小，因此可减小传
