机械工程中的计算机应用教学课件

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1、机械工程中的 计算机应用,机械工程及自动化系王三武 教授,第一章 机械工程中计算机应用概述,第一节 计算机在机械设计中的应用一、CAD技术的应用1. CAD的基本应用绘图（几何实体造型）基本功能标准件库与调用标注标准和规范的引用数据库零件的设计计算二次开发工具将制图工具设计工具将通用的设计工具平台专用的设计系统,第一章 机械工程中计算机应用概述,2. CAD与设计方法的集成应用基于模块化设计方法的CAD基于DFX设计方法的CAD基于优化设计方法的CAD基于可靠性设计方法的CAD支持自顶向下方式的CAD智能CAD网络协同设计CAD常用软件：UG、Pro/E、Solidworks、I-deas、O

2、utocadCAXA,第一章 机械工程中计算机应用概述,二、CAE技术的应用1.有限元分析使用有限元软件对机械结构进行性能分析:强度(应力)、刚度（应变和变形）、动态特性（固有频率、振动模态）、热态特性（温度场、热变形）。有限元建模：网格划分、边界条件的确定。常用软件：ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN等2.优化化设计运用优化设计算法，以机械的某项或多项性能指标最优为目标，求解其设计参数。选定优化目标，构造目标函数。确定设计参数和约束条件 软件：ISIGHT、OPB2,第一章 机械工程中计算机应用概述,三、计算机仿真技术的应用通过建立真实系统的计算机模型，分析实际系统的行为特征。1

3、. 运动学仿真 2. 动力学仿真3.装配关系仿真 4.其它性能的仿真5. 过程和系统状态仿真关键：建立真实系统的计算机模型，包括数学模型（形式化描述）和仿真模型（仿真算法）。MATLAB、SolidWorks中COSMOSMotion、 ADAMS,第一章 机械工程中计算机应用概述,第二节 计算机在机械制造中的应用一、CAM技术的应用利用计算机辅助编制CNC机床的零件加工程序。刀位轨迹计算（优化）、编辑、验证（仿真）、后置处理。二、CAPP技术的应用利用计算机辅助制定零件的加工工艺过程。零件信息的描述、毛坯选择、工艺过程拟定（工艺方案分析）、工艺参数计算、工艺文件的生成。派生式、创成式、半创成

4、式、工具式。,第一章 机械工程中计算机应用概述,第三节 计算机在机械设备中的应用机电一体化一、计算机检测技术利用计算机采集、分析处理、存储机械设备的运行状态数据。设备的在线监控和诊断。,第一章 机械工程中计算机应用概述,二、计算机控制利用计算机作为控制器对机械设备的运行过程和运行状态进行自动控制。程序控制 计算机直接控制顺序控制 计算机监督控制恒值控制 计算机分级控制最优控制 计算机分布式控制自适应控制伺服控制鲁棒控制,第二章 参数化设计技术,第一节 参数化设计的概念参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计人员进行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸值来完成最终的设计；

5、对已有的设计则可通过改动原设计的某一部分或某几部分的尺寸，或修改以定义好的零件参数，自动完成对设计中相关几何形状的改动，从而获得一个新的改进或改型设计的一种计算机辅助设计方法。一、 约束约束是指构成图形的几何尺寸及其图形各元素之间的几何关系的集合，以参数等式或不等式描述。广义的约束包括：尺寸约束、拓扑约束、几何关系约束、工程关系约束,第二章 参数化设计技术,1. 尺寸约束指几何图形的尺寸描述。2. 拓扑约束指几何图形的形体特征和关系的描述。3. 几何关系约束指具有几何意义的点、线、面、体等图形元素之间的所有几何关系的描述。4. 工程关系约束指表达设计对象的原理、应力、性能、材料等方面的非几何信

6、息描述。约束造型：通过定义（描述）来改变这些约束关系,从而改变设计（形状）,第二章 参数化设计技术,二、 尺寸驱动参数化技术将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来控制形状。即是基于尺寸约束的造型。通过编辑尺寸参数的数值来驱动形状的改变。机械设计过程是一个根据功能、性能等方面的设计要求（约束），通过反复迭代、不断修改，对零件形状和尺寸进行综合协调和优化，最后获得满足要求的设计结果的过程。即：设计就是修改。尺寸驱动为设计过程提供了方便快捷的设计方法和工具。,第二章 参数化设计技术,三、参数化设计的过程过程一：新设计,规划 零件,建立参数化零件模型,确定、修改设计参数的尺寸值,生成所设计的零件,满

7、足要求？,设计要求,设计结果,N,Y,形状结构。,特征造型； 定义尺寸参数； 建立尺寸参数之间的关系表达式。,利用各种设计方法确定设计参数的尺寸值； 编辑、输入所确定的尺寸值。,对设计进行： 分析； 校核； 评价。,第二章 参数化设计技术,过程二：变形设计、系列化设计、模块设计,检索调用已存在的设计,确定、修改设计参数的尺寸值,生成所设计的设计,满足要求？,用户要求,N,Y,根据用户要求，在已设计出的系列化、模块化、产品族的参数化产品模型中，通过相似性检索，调出相应设计模型。,根据用户要求，从系列参数表、模块化参数表、产品族表中或以其它方式确定设计参数的尺寸值； 编辑、输入所确定的尺寸值。,用

8、户满意度评价； 功能、性能评价。,第二章 参数化设计技术,第二节 参数化设计的实现一、尺寸参数的规划1. 构建便于参数化设计的尺寸约束,D1,D3,D2,L1,L2,L3,需要根据设计修改、便于建立尺寸参数的联系、与其他零件的关联、工程图标注等具体情况确定尺寸约束,第二章 参数化设计技术,2. 合理确定设计参数和导出参数设计参数是在设计中有设计者根据功能、性能以及与其它零件的尺寸协调确定的、需要经常改变的参数。导出参数是可以根据设计参数，通过与设计参数的关系，计算得出的参数。,设计参数：D1、D3、L1、L3 导出参数：D2、L2,第二章 参数化设计技术,设计参数应尽可能的少。应尽可能多的建立

9、尺寸参数之间的关系描述。尺寸参数的关系可以由设计原理、设计规范、工艺要求等方便获得。,设计参数：D1、L1 导出参数：D2、D3、L2、L2 D3=D1，D2=D1+1 L3=L1，L2=2L1+56尺寸参数之间的关系是需要研究的问题。,D3,D2,L1,L2,L3,D1,第二章 参数化设计技术,二、设计参数的确定、输入以及尺寸参数关系表达式的建立1.设计参数的确定根据零件设计原理、设计规范、其它设计方法进行计算；根据较核、评价结果进行修改。（利用计算机辅助计算来确定。二次开发）根据与其它零件的尺寸的协调。,第二章 参数化设计技术,2.输入以及尺寸参数关系表达式的建立利用CAD软件提供的工具。

10、以Pro/ENGNEER为例：1）族表（Family Tab）族表是Pro/ENGINEER中的一个利用表格来驱动模型的工具。在通过族表设计时,对建立的零件模型根据零件的相关参数和关系编辑族表中的项目,例如特征(Feature)、尺寸(Dimension)、参数(Parameter)等, 编辑完族表的可变项目后，进行校验，随后系统会自动生成子零件。,第二章 参数化设计技术,2）程序（Pro/Program）Pro/Program程序由五个部分构成:程序标题、输入提示信息、输入关系式、添加特征(或零件)和质量特性。用户可根据需要在输入提示信息部分(INPUT和END INPUT)之间加入可修改的

11、参数名（设计参数）。可以编辑参数的关系表达式。输入参数值即可生成需要的零件。通过Pro/Program程序还可以继承装配体的参数(EXECUTE)、建立与相关零件的尺寸关联，实现部件、产品的参数化设计。,第二章 参数化设计技术,3）Pro/Toolkit Pro/Toolkit是Pro/ENGINEER的开发软件工具包。设者可以通过C程序代码来调用Pro/ENGINEER软件中的函数。能利用Pro/Toolkit提供的UI对话框、菜单和VC+可视化界面技术,设计出人机对话界面,从而大大提高系统的使用效率。提供二次开发相宜的开发函数库文件和头文件,不但可以安全地控制和访问Pro/ENGINEER

12、,并可以实现应用程序模块与Pro/ENGINEER系统之间的无缝集成。从模型对象中调用参数：如ProparameterValueGet（）将参数值返回参数：如：如ProparameterValueSet（）,第二章 参数化设计技术,第三节 产品（部件）参数化设计利用 Pro/Program进行二次开发实现产品（部件）的三维参数化设计的主要过程如下：,（1）确定产品（部件）模型的独立可变参数，利用产品（部件）装配模型的Pro/Program的 INPUT语句来接收用户输入的各个独立可变参数的参数值。 确定独立可变参数时应该保证这些参数所含有的信息是充分的，即它们足够表示整个装配件的尺寸变化情况，

13、且使各参数之间相互独立，互不相关，以尽量避免或减少各参数间产生耦合的可能!,独立参数：D1，ZLI，CL3，TL4,第二章 参数化设计技术,（2 ）根据装配的功能、原理及结构组成，分析各子装配间的装配关系，得到总装配及各个子装配之间的参数协调关系。并按照这些参数协调关系，使用 Pro/Program的各种运算关系语句得到各个子装配中所需的可变参数的参数值。然后使用 Pro/Program的 EXECUTE 语句 ，将这些参数值传递到各个子装配 。EXECUTE语句中所传递的变量只能是相邻一层的关系，所以参数值的传递只能在具有相邻装配关系的装配件和子装配之间进行。,D3,D1,L3,L1,D2,

14、L2,ZL1,CL3,TL4,ZD1,TD4,参数协调关系： ZD1=D1，D2=D1+1，CD2=D2， TD4=D2，L1=ZL1-1，,CD2,第二章 参数化设计技术,（3）在最底层一级的子装配中，确定各零件间的参数协调关系，根据协调关系，将子装配接收到的可变参数的参数值转化为各个零件所需的可变参数值及各零件间装配位置尺寸值，利用EXECUTE语句将各个零件所需的可变参数值传递到相应的零件中。（4）在零件中接收其父装配传递来的可变参数，根据零件的装配关系、功能及结构的需要，将所接收的各可变参数转化为自身的各可变尺寸值，在模型重生Regenerate时，利用新的参数值重新生成该零件，实现参

15、数化造型!,第二章 参数化设计技术,基于三维CAD软件的某零件或简单装配体的参数化设计。基于某方法的三维参数化设计。,第三章 计算机控制技术,第一节 计算机控制系统的结构和组成一、几个实例1.轧钢机计算机控制系统控制轧钢机轧制钢板时的张力和钢板厚度,张力传感器,数字计算机,张力控制,厚度控制,张力给定,厚度给定,轧辊,开卷机,卷取机,厚度传感器,张紧辊,液压伺服系统,改变张紧辊的位置 张力 改变轧辊的间距 厚度,由张力传感器和厚度传感器检测实际张力和钢板实际厚度，将数据反馈给计算机，与张力和厚度的给定值比较，经计算机按一定的规律计算，输出控制信号给液压伺服系统，由液压伺服系统执行改变张紧辊的位置 和轧辊的间距，从而调节张力和钢板厚度到给定值。,第三章 计算机控制技术,2.发电机计算机控制系统控制发电机的转速和电压,发电机,涡轮机,阀门,数字计算机,励磁器,电液转换器,转速传感器,电压计,速度给定,电压给定,转速控制,电压控制,改变励磁电压 电压 改变阀门开度 转速,