机械结构论文范文

机械结构论文篇1

为满足系统的刚度和稳定性，选择3轴XX'YZ型拱架机器人结构，

1.1XY直线运动平台驱动方式和结构设计

由于XY平台要求大行程、高速、精确、平稳定位，因此自动配液机的x轴及y轴采用同步带柔性驱动，如图3所示。同步带柔性驱动方式相对于刚性传动定位系统，具有传动平稳、冲击小、无需、噪声小、传动距离远、成本低等优点，主要用于对加速度和速度要求较高的应用场合。虽然同步带的弹性可减少冲击，但同时也带来定位误差和振动问题，如何有效抑制系统定位误差，充分发挥柔性驱动直线定位技术的优势，成为本文需要解决的主要问题之一。一般同步带按照中心距大小和带轮尺寸设计选择同步带基准长度，然后将环形同步带安装在两个带轮上。在此设计中为保持同步带张紧力和便于在支撑轨道型材安装，同步带有接头而两端用压板同滑块连接，以便于安装和调节。同步带在位于型材两端托架上的两个同步带轮之间进行运转。一个带轮安装在电机上，另一个则安装在张紧装置上。同步带带动滑块在导轨上移动，滑块支撑在滚珠导轨上，同步带纵向穿过支撑导轨的异型铝合金型材。

1.2运动平台导向结构

低速运动平稳就是当导轨作低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳不出现“爬行”现象。数控工作台的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，它常以极低的速度运动，这是要求工作台对数控装置发出的指令要做出准确响应，这与运动件之间的摩擦特性有直接的关系。滚动导轨的静摩擦力较小，而且还由于油的作用，使它们的摩擦力随运动速度的提高而增大，这就有效地避免了低速爬行现象，从而提高工作台的运动平稳性和定位精度。但滚动导轨抗振性较差、对防护要求较高、结构复杂、制造比较困难、成本较高。

1.3工作头夹持手结构设计

按照移液管夹持手的工作流程，要求夹持手到达母液瓶位置下降，下夹持手夹持住母液瓶里的吸管，上夹持手夹持住活塞吸取一定的母液，然后带动吸管整体上移到脱离母液瓶，移动到计量区，夹持手推动吸管活塞将母液按配方剂量注入到染料瓶里，然后回到母液区，将吸管放回到的原来的位置。手爪通常是由手指、传动机构和驱动机构组成，其结构要根据作业对象的大小形状和位姿等几何条件以及重量、硬度、表面质量等物理条件来综合考虑,同时还要考虑手爪与被抓物体接触后产生的约束和自由度等问题。设计摆动式夹持器，夹持手左右手爪为对称结构，由两个气缸驱动带动连杆机构将移液管夹持住。将活塞连杆手爪和移液管外壳手爪设计为一体，当气缸动作时两个手爪同时动作，方便快捷。在工作的时候手指只有两个工作位置，采用气压驱动能够快速达到工作位置，节约时间。

2柔性同步带驱动定位动态分析

在该系统中，电机的运动通过同步带传输到移动装置。在啮合齿之间必须有足够的间隙，以确保运动的流畅，没有干涉，但这种间隙的存在导致滞后现象的产生和噪音。当运动方向改变时，在外部激励支配下动力传输齿产生脱离和微小滑移。这一现象的结果是带慢慢滑移直到下一对齿进入啮合。

3试验测量装置

柔性同步带定位系统的运动误差特性，弹性变形的影响和间隙的影响，对于弹性变形所引起的误差，采用两个编码器分别测量主动轮和从动轮转速。为精确控制移动负载的加速或减速，本试验装置采用线性坐标测量装置（CMM），结合高分辨率刻线尺搭建模型来验证模型预期的性能。在系统中使用了常规的控制器PC104PMAC卡，为确定传动系统引起的位置误差，采用位置测量的基本旋转编码器（PE）以和高分辨率刻线尺（LS）的测量结果进行对比。控制电机速度按照梯形路径输入，叠加获得定位误差图形（ΔX=XLS-XPE）。ΔX包含与支承元件（如抗摩轴承、轴承轴）等相关的几何和运动误差，如前所述定位误差具有延时滞后的特点，具有相当的重复性。

4结束语

由于染液自动配液系统工作区域较大，工作头的运动为点对点形式，对精度和效率的要求高，要求小的冲击或残余振动，故采用拱架机器人作为主体结构，为补偿同步带定位误差，建立定位系统的物理模型，并搭建试验装置测量定位误差，为更好的设计控制系统提供依据。

机械结构论文篇2

按照移液管夹持手的工作流程，要求夹持手到达母液瓶位置下降，下夹持手夹持住母液瓶里的吸管，上夹持手夹持住活塞吸取一定的母液，然后带动吸管整体上移到脱离母液瓶，移动到计量区，夹持手推动吸管活塞将母液按配方剂量注入到染料瓶里，然后回到母液区，将吸管放回到的原来的位置。手爪通常是由手指、传动机构和驱动机构组成，其结构要根据作业对象的大小形状和位姿等几何条件以及重量、硬度、表面质量等物理条件来综合考虑,同时还要考虑手爪与被抓物体接触后产生的约束和自由度等问题。设计摆动式夹持器，夹持手左右手爪为对称结构，由两个气缸驱动带动连杆机构将移液管夹持住。将活塞连杆手爪和移液管外壳手爪设计为一体，当气缸动作时两个手爪同时动作，方便快捷。在工作的时候手指只有两个工作位置，采用气压驱动能够快速达到工作位置，节约时间。夹持手结构简图如图4所示。图5为夹持手实物照片。

2柔性同步带驱动定位动态分析

在该系统中，电机的运动通过同步带传输到移动装置。在啮合齿之间必须有足够的间隙，以确保运动的流畅，没有干涉，但这种间隙的存在导致滞后现象的产生和噪音。当运动方向改变时，在外部激励支配下动力传输齿产生脱离和微小滑移。这一现象的结果是带慢慢滑移直到下一对齿进入啮合。mxfxFFfc21sgn()(1)fc代表移动载荷的库仑摩擦力，在同步带与带轮齿啮合中有弹性变形，因此在同步带上产生附加的张紧力差值Δf，其大小与指同步带和带轮齿之间的齿侧隙及齿的刚度等有关。在同步带两侧的张紧力变为：2211FFFFFF(2)这里F0是作用在带上的载荷或预紧力。在带上的附加力（12F与F）全是非负量。预紧力大小决定带的承载能力。带的张力之间的关系满足柔韧体欧拉公式[5]：()1212ueFFFFFF(3)式中，α为带轮的包角，由于同步带传动比i=1，所以α=π；（u）为动态摩擦系数，其依赖带轮和带之间的相对圆周速度，u为相对滑动速度。因为带的总体长度不应有变化，则根据变形协调条件，带紧边长度的变化量与松边长度变化量应该相等。AEFLxAEF(LLx)()2010Δ+=Δ(4)式中，A为带截面面积，E为带弹性模量。将式(2)～式(4)联立解出：()(1)()000012LxLLxFLLxLxFF++++Δ+Δ=γγ(5)()(1)sgn()0021LxLLxFLmxfxFFfc(6)动态系统可以用式（6）进行描述。上述同步带驱动装置的运动动态模型，可用于运动控制系统的设计。

3试验测量装置

柔性同步带定位系统的运动误差特性，弹性变形的影响和间隙的影响，对于弹性变形所引起的误差，文献[6]采用两个编码器分别测量主动轮和从动轮转速。为精确控制移动负载的加速或减速，本试验装置采用线性坐标测量装置（CMM），结合高分辨率刻线尺搭建模型来验证模型预期的性能。在系统中使用了常规的控制器PC104PMAC卡，为确定传动系统引起的位置误差，采用位置测量的基本旋转编码器（PE）以和高分辨率刻线尺（LS）的测量结果进行对比。控制电机速度按照梯形路径输入，叠加获得定位误差图形（ΔX=XLS-XPE）。ΔX包含与支承元件（如抗摩轴承、轴承轴）等相关的几何和运动误差，如前所述定位误差具有延时滞后的特点，具有相当的重复性，在文献[7]中也介绍了这个特性。

4结束语

由于染液自动配液系统工作区域较大，工作头的运动为点对点形式，对精度和效率的要求高，要求小的冲击或残余振动，故采用拱架机器人作为主体结构，为补偿同步带定位误差，建立定位系统的物理模型，并搭建试验装置测量定位误差，为更好的设计控制系统提供依据。

机械结构论文篇3

【关键词】机械零件；结构设计；可靠性；分析

很久以来，人们便利用可靠性分析评判产品质量，在初始评判阶段，单纯地依赖人们的工作经验来评判产品是否可靠，此时并没有规范化的衡量指标。可靠性分析从以概率论为基础的随机可靠性过渡到以模糊理论为基础的模糊可靠性，又过渡到非概率可靠性，直到今天的混合可靠性，现阶段的可靠性主要包含结构系统、模糊以及非概率这三种理论，这表明可靠性发生了一定的转变，并取得了进步，对于结构繁琐的复杂参数而言，由最初的概率以及非概率可靠性分析到现在的可靠性灵敏度分析，将可靠性分析理论变得日益成熟，并被广泛地应用到不同领域中。目前，可靠性已经成为影响产品效能的主要因素之一，它与国民经济发展和国防科技紧密相连，具有宽泛的研究范围和广阔的应用前景。

一、可靠性概述

机械零件结构设计的可靠性建立在传统设计之上，将与待设计对象相关的参数等要素进行一定的处理，使之转变成随机变量，参照设计原则构建概率数学模式，依据概率论、统计学理论和强度理论，计算出机械零件出现破坏的概率公式，然后参照公式明确该可靠性条件下的零件外观尺寸、使用寿命，在满足基本的运行使用要求的同时，还能获得最理想的设计参数，这有效填补了常规设计中的缺陷，并使得设计方案更加真实、可行。现阶段，可靠性设计被大范围地应用在飞机、汽车等关键产品以及机械零件结构设计中，它具有以下特点：

1.人为应力以及强度均属于随机变量，在设计的过程依据不同标准的设计要求，合理选择相应的特征函数，除了要考虑均值，还应考虑离散性，通过概率统计方法计算；

2.人为设计的机械产品不可避免地存在失效概率，在实际设计过程中应依据实际需求提前监控失效概率可靠性，全面考虑所有参数的随机性和分布规律，进而准确映射机械零件的实际工作状态；

3.可靠性设计分析与普通的安全系数法相比，更加合理，通过这种设计方法可获得最理想的设计，而安全系数法较为保守。由此可知，机械零件结构设计的可靠性分析可获得较为理想的结构，并节省材料成本、缩减加工制作时间，为机械加工制造创造更多的经济效益。

二、可靠性分析理论

在机械零件结构设计过程中，零件材料的极限应力属于随机变量，且该随机变量服从概率密度函数，而工作在机械零件危险截面的工作应力也属于随机变量，这两个随机变量有各自服从的概率密度函数，然后再借助强度应力理论推算相应的可靠性或者设计出该可靠性条件下的零件外形尺寸。可靠性分析中以概率论、统计学等理论知识为基础，主观人为因素作用较小，全面综合了外部环境变化，与实际生产更加接近，具有广阔的应用前景。

三、机械结构设计的可靠性分析

在机械产品的生产制造过程中，质量提高、设计理论优化、技术改进、设计周期缩短等至关重要，以上内容与可靠性紧密相连。可靠性分析贯穿于机械产品设计全过程，这表明可靠性分析已经步入实用阶段。目前，机械零件结构设计的可靠性分析研究已经成为机械制造中的主要研究题目，大量理论文献有力地证实机械零件结构设计的可靠性分析理论趋于成熟，未来将朝着以下方向发展。

（一）可靠性灵敏度设计

可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。

（二）可靠性优化设计

可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。

（三）可靠性试验

现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。

结语

可靠性是衡量产品效能的动态指标，目前，可靠性贯穿于现代机械设计全过程，因此，可靠性分析是机械工业发展的主要研究方向，对于机械工程而言，掌握越多的可靠性理论，便会较少地应用主观经验，产品机械结构设计也会更加合理，这也是机械工程中的根本目标。机械零件结构设计的可靠性分析正处在发展阶段，在具体的应用过程中还存在一些细节问题，仍需要我们进一步探索。

参考文献

[1]卓红艳，刘志强，金晓等.基于机械结构产品的可靠性设计分析[J].工业控制计算机，2013，26（3）：124-125.

[2]张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[J].机械工程学报，2010，46（14）：167-188.

[3]邓宇.关于机械可靠性设计的内涵分析[J].电子世界，2014，（16）：448-448.

机械结构论文篇4

关键词：仿人 机械手 单片机STC15F204EA 驱动器 步进电机

中图分类号： TP241 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2015）04（a）-0000-00

中国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，把“服务机器人”研发作为重点项目。机械手是“服务机器人”的关键部位，在各种护理机器人、陪护机器人、中医按摩机器人中，机械手是机器人完成“服务”任务必不可缺的一部分。设计并制造具有感知能力的拟人化机器手，并对拟人机械手的材质、机械结构、控制技术进行了深入的调查研究。将微小型步进电机和齿轮减速器引入拟人化灵巧机械手设计结构中，实现机械手的大扭矩抓取和拟人化；机械手装有位置、力、力矩等多种传感器，可实现机械手认知能力，且所有部件均集成在手指和手掌内。开发具有认知能力的拟人化灵巧机械手集机、电、计算机软硬件、信号源处理于一体。有5个相同结构的模块化手指，具有拟人化手形外观及认知抓取能力。通过对拟人化灵巧机械手的研究，带动更多前沿学科与机器人技术的交叉和融合，促进我国“机器人”的进一步发展，提高其技术水平和国际竞争力。

1 仿人机械手工作机理分析

仿人机械手主要由手掌、手指机构、拇指机构和所有的手指驱动机构组成。手掌内放的驱动直流小电机，节约了手的空间，缩小了体积；手指机构包括小指、无名指、中指和食指，它们都由相同的构件组成，包括两个关节前指和后指，前指和后指使用螺钉连接，可以减小手指的大小。各指之间使用轴连接，用轴套保持之间的距离，防止发生碰撞。拇指机构是单独的零件体，单独与四指机构用连杆连接，减小了机构的复杂性，有利于优化机构。传动机构包括电机轴齿轮、减速齿轮、驱动手指机构的半齿和带动拇指的连杆组成。仿人机械手运动的过程是以手掌为基座，电机固定在手掌内，带动齿轮实现各级减速，半齿连接在四指上，当半齿转动时带动四指张合，四指和拇指是由连杆连接，所以四指动的时候拇指也随之而动，且与四指相反，从而最终实现物体抓握。

2仿人机械手控制系统硬件设计

2.1控制系统硬件结构设计

图3-1仿人机械手控制系统结构框图

如图3-1所示为基于单片机系统设计的仿人机械手控制系统的结构框图。其工作方式如下：

其中MCU为单片机处理器，信号采集模块包括位置传感器模块和力矩传感器模块。这两个传感器模块的主要功能是检测对被抓物体的夹紧力地大小，同时生成模拟量的电信号，然后再通过单片机内部自带有的A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，单片机将得到的数字信息存储起来，等到要处理的时候进行处理。

当单片机根据采集到的夹紧力对应的电压信号来算得手指的运动的位移，向外部驱动电路发送不同的位移信息。外部的电机驱动器将接收到的数字信息进行处理，最后进行对电机运行的控制。

2.2控制器芯片的选择

在设计控制系统的过程中，对控制芯片的选择至关重要，从系统的稳定性，性能和价格等方面考虑选择STC15F204EA单片机。

STC15F204EA系列单片机是STC公司生产的单时钟机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、抗干扰的新一代8051单片机，可设置5MHZ-35MHZ宽范围频率，可彻底省掉外部昂贵的晶振，自带8路高速A/D转换功能，无需在系统再搭建模数转换电路。

2.3电机驱动模块的设计

2.3.1驱动芯片的选择

L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。引脚P1用于M1电机PWM输入控制，引脚P2用于M2电机PWM输入控制。

2.3.2单片机与驱动器之间的接线与参数设置

本文所采用的单片机STC15F204EA可以控制驱动器L293驱动两台微电机。分别是M1和M2。引脚P1、P2可用于接收单片机输出的PWM脉宽调制信号以实现对电机进行调速控制。实现电机正反转是通过D1和D2两个端口控制的，输入信号端D1接高电平，电机M1正转，如果接低电平，电机就反转。控制另一台电机是同样的方式，驱动器L293输入信号端D2接高电平，电机M2正转，反之则反转，PWM信号端P1控制电机M1速度，PWM信号端P2控制电机M2速度。下图3-2为仿人机械手控制系统接线原理图，详细地绘制了单片机控制驱动器并连接两台电动机的工作过程。

图3-2 控制系统接线原理图

3控制系统软件设计

本控制系统所采用STC15F204EA单片机对应晶振为12MHZ，利用定时器控制产生占空比可变的PWM脉冲信号。PWM输出范围为0% -100%，PWM的周期1ms，频率1KHZ，且输出低电平有效。

如下是控制机器人左右机械手运动的两台直流电机PWM调速的部分程序

#include；

Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：启动或停止；

Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正转或反转；

Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；

Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM减一；

Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：启动或停止；

Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正转或反转；

Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；

Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM减一；

//输出控制引脚；

Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的输出脚；

sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：电机转向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的输出脚；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：电机转向控制；

sbit BEEP=P3^7；//蜂鸣器；

//电机的占空比；

Unsigned char PWM1_value=50；//赋初值 50%；

Unsigned char PWM2_value=50；//赋初值 50%；

主程序

Void main（void）

{

PWM_INIT（）：//PWM初始化

While（1）

{

KEY_SCAN（）：//按键扫描

}

}

4结论

本文设计了一种仿人机械手运动控制系统，该系统充分利用了仿人机械手结构简单、体积小、重量轻，拆卸方便，各手指间都可安装传感器的优点，能使控制更加灵活，安全性增强，满足了仿人机械手对控制系统的要求。以STC15F204EA单片机为控制核心，通过与位移及力矩采集模块之间的通信，实现了信息的良好通讯。通过驱动芯片L293驱动步进电机运转实现对机械手抓握物体的良好控制。

参考文献

[1] 蔡自兴机器人学.2009.

[2] 高焕兵，鲁守银，王涛。中医按摩机器人研制与开发【期刊论文】-机器人 2011（05）

[3] 陈殿生，刘静华，殷兰兰。服务机器人辅助老年人生活的新模式与必要性 2011（02）

[4].高微，杨中平，赵荣飞。机械手臂结构优化设计【期刊论文】-机械设计与制造 2006（01）

[5]周惠明。关节机械手的结构创新设计【期刊论文】-煤矿机械 2007（10）

[6]满翠华，范迅，张华。类人机器人研究现状和展望【期刊论文】-农业机械学报 2006（09）

[7]邓志东，程振波。我国助老助残机器人产业与技术发展现状调研【期刊论文】-机器人技术与应用 2009（02）

机械结构论文篇5

关键词：PROE软件；教学；机械类课程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）48-0255-02

一、引言

复合型机械应用型人才培养是伴随着社会科技发展而来的，主要以培养高级工程技术应用型人才为目的。机械类课程应用实践性较强，传统的教学以理论教学为主，教材中的机械结构装配图和原理图多为一些平面图，学生很难理解，教师往往要花费大量的时间和精力进行讲解[1]。而在校学生往往缺乏工程应用背景，仅仅依靠讲解是很难讲清楚一个机械的立体结构，致使学生感觉课程枯燥乏味，无法培养出对专业的兴趣，达不到应有的教学效果。为了适应现代科学技术的发展和满足机械类应用人才的培养需要，将PROE三维数字化软件应用到机械类课程的实践教学中，对机械类课程的教学进行改革，对于培养现代化机械类科技应用人才以及培养其科技创新能力具有重要的现实意义。

Pro/ENGINEER软件是一款计算机三维设计软件，是利用计算机完成产品的零件建模、部件装配、产品整体装配和机构仿真。在大多数院校，该软件成为模具、数控、机制等专业学生必须掌握的专业软件。它在机械制造业，尤其是机械设计与性能仿真中应用广泛，且在高校机械类课程教学中同样重要。在教学中运用PROE软件强大的三维造型、工程图绘制、运动仿真等功能进行辅助教学，有助于培养学生的学习兴趣，加强学生对机械类课程的理解和掌握。

二、PROE软件在机械制图课程教学中的应用

机械制图是一门重要的专业基础课，是学好其他机械专业课的基础。对工程技术人员来说，熟练掌握工程图纸的绘制方法、标注以及技术要求等是进行机械设计及制造的基础。机械类课程对学生的逻辑性和抽象性思维要求较高，而对刚入学的大学生来说，他们往往缺乏这种能力，渐渐地会失去学习兴趣，甚至对本课程产生厌恶感，致使本门课学习效果很差，以至于影响到后续课程的学习。

教学中可以利用PROE三维造型软件绘制机械零部件的立体模型、截断体、相贯体和装配体等进行直观的课堂演示，并能对零部件进行缩放、旋转、修改和再生等，对机械机构还可以进行动态模拟仿真[2]。通过三维立体模型和仿真模拟使学生直观地进入真实的三维空间，从感性上理解了立体模型的空间结构与相对位置。同时能够更好地理解模型各投影视图之间的关系，加强学生对课程知识的理解和掌握，以实例具体说明。

课堂在讲解此部分内容时，教师通常对着零件图纸进行讲解，学生要发挥他们的空间想象能力，在脑海里构建零件的立体模型，而有些同学的识图能力及空间想象力不足，这时他们的思考会滞后，很难理解零件的真实结构，或者仅凭投影规律完成由零件轴测图绘制出正确的零件三视图，相关的虚线及相贯线很难正确画出。利用Pro/E软件及多媒体技术，可以直观的显示零件的三维造型，且能从不同的视角进行展示。教师还可以在课堂上进行三维立体模型的绘制，帮助学生直观地理解零部件的形成过程，培养学生的空间想象力以及对复杂机械结构的看图及绘图能力。

三、PROE软件在机械原理课程教学中的应用

机械原理是高校机械类专业的一门重要专业基础课，主要以机器和机构为研究对象。对机构进行运动学和动力学分析是贯穿于这门课程的主线，具有知识点多而难的特点，在课堂的教学过程中常涉及到较多的理论分析计算以及机械运动方案的设计实现等问题，由于理论教学占用了大量的时间，往往使学生对课堂教学的兴趣越来越少，导致教学效果较差[3]。在机构运动分析教学中可充分发挥三维造型模拟软件的优势，使教学环节变得生动易懂。

如图2所示的牛头刨床，机械结构较复杂，很难确定出里面的每一个构件及各构件之间的运动关系。针对这种情况，教师可以按照传动的理论分析方法讲解一遍，给学生留出思考空间，然后应用PROE三维软件，将提前绘制的机构零部件展示出来，如图2所示，采用虚拟装配及运动模拟的方式来实现机构的运动，会使学生的理解更加深刻，并能逐渐培养学生的学习兴趣和思考能力，久而久之学生的识图和空间想象力也得到了提高。

四、PROE软件在机械设计课程教学中的应用

机械设计是高校机械类专业的一门主干课，与很多其他机械类课程知识相关，也可以说，机械类很多课程知识的学习是为了机械设计服务。课程设计是机械设计教学中极为重要的实践环节，很多的理论教学内容以及机械结构的设计在学生课程设计中均有所体现。机械设计课程中很多机械结构都是装配体，如单独割裂开零件进行讲解，学生很难理解。PROE三维软件有着强大的装配体模块，可以在课堂演示中通过虚拟装配将各个零件进行组装，给学生展示一个部件的装配过程，能够很好的激发学生的求知欲和好奇心[4]。比如，在讲解轴系结构及其上的零件固定时，可以先建立阶梯轴、键、齿轮、轴承等零部件的三维模型，在课堂上操作这些零部件的虚拟装配过程，使学生对轴的结构、键连接、轴系零件定位等知识掌握得更加透彻。在指导学生课程设计时，让学生在绘图前先建立减速机的三维实体模型，模拟减速机中各零件的装配过程，对减速机知识形成一个完整的概念，再进行图纸绘制，这样能达到很好的教学效果。

五、PROE软件在毕业设计中的应用

毕业设计是大学教学过程最后阶段采用的一种综合性很强的实践教学环节。在毕业设计过程中，学生可以综合应用所学的各种理论知识和技能进行全面、系统、严格的技术及基本能力的练习。指导学生将PROE软件应用于毕业设计中，可以更为综合地提高学生计算机辅助绘图的灵活应用能力及机械设计能力，为以后的工作打下良好的基础。图3为学生在毕业设计中对压路机振动轮设计的三维模型，该模型直观地表达了振动轮的结构特征及质量属性。将该模型与动力学分析软件相结合，可以很方便地进行振动轮的振动分析，获得振动轮各个部位的振动特性曲线，给设计者进入整个工作过程的真实感受。

六、结语

为了满足复合型机械应用型人才的培养需要，将PROE三维软件应用于机械类课程教学中，能够提高学生对机械类课程知识的理解和掌握，锻炼学生解决实际工程技术问题的能力，也因此极大地调动了学生学习机械类专业课的兴趣和创造性，对学生实践能力以及创新能力的培养具有积极的促进作用。

参考文献：

[1]赵燕，王琨.CAD/CAM软件在独立院校机械类课程教学中的应用[J].制造业信息化，2013，（7）：76-77.

[2]谢晖，赵火英.Pro/E软件在机械类课程多媒体教学中的应用[J].萍乡高等专科学校学报，2006，（6）：19-22.

[3]孙健.基于虚拟样机技术的机械原理辅助教学研究[J].大学教育，2015，（3）：125-126，129.

机械结构论文篇6

关键词：机械原理课程设计；机械系统运动方案设计；机构尺度综合；机构仿真

《机械原理》是高等工科院校机械专业必修的一门重要的专业技术基础课[1，2]，《机械原理课程设计》则是使学生较全面系统地掌握及深化机械原理课程的基本原理和方法，培养学生综合运用所学知识，提高分析和解决工程实际问题的能力的重要实践环节。

一、问题的提出

我校《机械原理课程设计》所选用的设计题目以往多为针对不同类型的连杆机构进行运动分析及动态静力分析。机构的类型机构及尺寸由教师指定，一般为平面六杆机构。班级各学生所需分析的机构类型或机构的尺寸不同。

随着科技的进步与发展，对高等教育的要求也在不断提高。培养具有创新精神和实践能力的人才，提高工科学生的综合能力已成为机械工程教育工作者的共识。在此大环境下，对《机械原理课程设计》进行改革，将以分析为主的《机械原理课程设计》改变为“机械系统运动方案设计[3，4]——型综合——尺度综合——运动动力分析”的设计型《机械原理课程设计》，势在必行。

二、设计型《机械原理课程设计》

课题组首次在大三詹天佑班及车辆专业部分学生中试点，进行了设计型《机械原理课程设计》的探索与实践。

课题组在充分调研查阅的基础上，选用文献[5]作为主要参考教材，并自编了与之配套的任务书等教学资料。

1.设计的目的及任务。设计型《机械原理课程设计》的目的在于：使学生巩固理论知识，并使其对于机械的组成结构、运动学以及动力学的分析与设计建立较完整的概念；掌握机械运动方案设计的内容、方法和步骤，培养机构选型与组合和确定运动方案的能力；培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。其任务为：针对某种简单机器（它的工艺动作过程比较简单）进行机械运动简图设计，包括机械系统运动方案的设计与评定，机构尺度综合等。

2.设计题目。本次《机械原理课程设计》选择了“圆盘型自动包本机进本系统”、“水稻插秧机”等六种机械系统作为设计与分析的对象。各个机械系统由多个能够完成具体工作的机构组成，其各组成机构必须动作协调，方能实现预期要求的功能。教师根据各机械系统所包含的具体工作机构的数目，将学生分为2～4人一组，每位学生在完成所要求的整体机械系统运动方案设计的前提下，还须独立完成该机械系统中的指定工作机构的型综合、尺度综合及其运动分析（动力分析部分为选作）。因此，任意一名学生的工作均需各自完成，不可能“拷贝”他人成果。

3.设计内容及要求。设计型《机械原理课程设计》要求学生根据教师下达的任务书完成：①全组讨论及提出两个以上系统设计方案；②经比较、选优，确定系统最终方案；③每个学生设计分析总体系统中的一个机构；④每个学生对自己设计的机构运用解析法完成机构运动分析；运用解析法选作机构受力分析；⑤每个学生运用软件选作机构的仿真与验证；⑥完成设计说明书。

三、《机械原理课程设计》指导方法的改革

1.《机械原理课程设计》前期工作。《机械原理课程设计》为期两周，为使学生能够有充分的时间消化理解《机械原理课程设计》的内容，做好先期准备工作，我们提前一周半进行《机械原理课程设计》授课。许多学生听课后即开始查阅资料，重温课程设计中所用到的相关先修课程的知识，讨论方案，主动找老师答疑等，教师也插空到班级辅导，收到良好的效果。

2.集思广益，确定机械系统运动方案。各组学生拟定出两个以上机械系统运动设计方案。所有参加设计型《机械原理课程设计》的六十多名学生一起进行讨论，集思广益，优选机械系统运动方案。具体做法为：每组选派一名学生主讲，其他学生补充，借助PPT介绍本组初定的几种设计方案，指出各方案的优缺点及筛选原因，其他学生提出问题及建议。通过讨论，学生对许多概念、基本理论有了新的认识和理解，巩固了课堂教学中学到的知识，并且各组学生取长补短，相互学习，开阔了思路，对本组原有的设计方案又有了许多新的设想。

3.理论联系实际，完成机构设计。由于所承担的任务不同，每个学生必须独立完成总体系统中一个机构的设计，难度较大。指导教师与实验室老师一道，带领学生参观各类机构模型，演示各类机构动画，讲解各类机构的优缺点及适用场合，一一解答学生的各种问题。指导学生运用solidworks软件对自己设计的机构进行仿真与验证。

4.综合运用知识，对机构进行运动分析和力分析。教师对运用解析法对机构进行运动分析和动态静力分析进行了较为详细的讲解，对运用solidworks软件和ADAMS软件进行机构的运动分析和力分析的方法及常见问题的解决进行了辅导，使得学生在求解机构的运动过程中即“知其然”又“知其所以然”。

5.在课程设计的各环节中强化学生综合素质的培养。教师在课程设计整个过程中注重对学生查阅文献、基础理论知识的掌握、各科知识的融会贯通、理论联系实际、独立思考、综合运用所学知识解决实际问题、动手能力、克服困难、创新意识、团队协作精神等多方面的能力进行培养，并在对每位学生单独进行答辩的过程中加以考核。强化了对学生综合素质的培养，效果较为理想。许多学生感慨，这次课设虽经历了许多困难，但收获了知识，获得了成功的喜悦。

四、结束语

开展“设计型《机械原理课程设计》”，收效明显：

1.使学生进一步巩固和加深了对理论知识的理解，并逐步掌握了工科学生应具备的理论联系实际的学习方法。

2.调动了学生学习的主动性和积极性，使学生动手实践能力、创新设计能力、团结协作精神和综合素质得到了提高。

3.促进了师资的培养，教师自身的业务水平得到提高，队伍得到了锻炼。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理[M].第二版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]孟宪源，姜琪.机构构型与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]邹慧君.机械原理课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1998.

[5]张晓玲.机械原理课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

机械结构论文篇7

关键词：动态优化方法；农业机械；机械设计

引言

近年来，各国对机械设备振动过程中造成的损害以及事故越来越重视。农业机械作为农业技术路线选择的重点，体现了农业生产水平的基础，也受到了广泛重视。在传统的农业机械设计中，科研人员和生产制造商通常对农业机械采用数学模型的方法进行设计，并且利用模拟优化的方法对结构进行优化设计。这通常造成的误差较大，不能很好地适应市场，且生产的农业机械质量较差。动态优化方法是近几十年来新兴的一种消除以及减少机械有害振动和噪声的方法。它基于农业机械的动力学性能对农业机械进行结构改造，以达到最优结构设计的一种方法。一般来说，它是基于数学建模的方法，对模型结构进行研究和分析得出其动态特性。即在合理条件下对机械结构进行修改或者重新设计，得出农业机械最合理的机构。在农业机械设计中采用动态优化方法，可以有效提高农业机械的质量，并提升和培养其市场竞争力，因此得到了广大专业人士的响应。

1动态优化方法的概述

目前，机械产品越来越高速，其精度也越来越高，质量越来越轻。对机械机构的动态特性进行分析，可以对机械结构的优化提供可靠的依据。机械结构的动态特性指的是基于机构的弹性变形、运动副的变形、原动机的输入速度波动等因素，对机械机构本身的频率、阻尼以及机械在动载荷作用下产生的响应进行分析，得出响应结果。随着社会的进步和科技的发展，动态优化设计在机械设计方面的运用越来越广泛。现代动态优化设计指的是在产品的研发过程中，对机械产品的运动学和动力学进行求解，并且分析和计算与之相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题，从而确保所研发的产品满足实际生产、生活所需要的结构性能。而现代农业机械在现今科技化的社会中，其所要求的速度越来越高、结构越来越复杂、精度越来越高、功能也越来越齐全。在这样的要求下，对产品的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题的研究成了必不可少的一环。因此，产品的动态优化方法也越来越重要，它可将问题解决在设计阶段，从而大大减少生产成本，在激烈的市场竞争中相对传统机械设计有更强的适应能力，对实际生产有十分重要的意义。农业机械设计中，动态优化方法的研究与应用可分为狭义动态优化方法和广义动态优化方法。狭义的动态优化方法主要通过对农业机械零部件进行研究，采用理论研究结合模型试验的方法，从而找出产品设计中的缺陷，进而对零部件的结构进行修改。而现代农业机械中，越来越向广义动态优化方法过渡，其大大扩展了狭义动态优化方法的内容。它研究的是有关机械运动过程中的动力学、运动学以及动态特性等问题。简单来说，农业机械中的动态优化方法是对系统参数的数值进行优化，结合数学规划理论、机械振动理论以及数值计算，以计算机为工具，建立一套对产品的动态可靠性、安全性、疲劳强度问题的优化方法。它主要分为两步，第一是建立符合实际情况的数学模型，第二是选择合适的动态优化设计方法。它与传统的机械设计方法不同的是，它将产品的动态特性首先考虑到产品的设计中，解决了传统机械设计需要制作出样品且不断对样品进行修改的问题，在一定程度上节省了生产制造成本。但在我国的农业机械设计中，仍然是一门发展中的技术。它涉及到计算机技术、产品结构动力学运动学理论以及现代动态优化分析方法等多个学科的内容，具有一定的复杂性。

2建立农业机械数学模型

2.1农业机械作用特征

与传统农业相比，现代农业对农机的应用越来越广泛，机械化发展越来越强。其中，高新技术在农业机械中应用更加广泛，因此对农业机械使用过程中的方便性、自动化、舒适性以及智能化要求越来越高。为使农业生产中的新技术与新装备有新的突破，结合动态优化方法，可以更好地在设计阶段发现问题并且解决问题。另外，也可以相对准确地预测产品的性能和寿命。因而，动态优化方法的应用必不可少。农业机械相对其他机械设计有着复杂性和随机性两个特点。复杂性指的是农业机械有着若干变量的多维系统，其一个输入可影响到几个输出变量。另外，农业机械状态也容易因零件的磨损和变形导致机构尺寸的变化，而这也在一定程度上影响数学模型的精准。比如，高速的农业机械结构会产生较大的惯性力，较大的惯性力会降低机械系统的固有频率，而高速运转也同时会增加激振频率，随着激振频率和固有频率的接近，机械运转会产生较大的振动和噪声。随机性是模型的本质特征。在对模型进行动态分析中，它可分为两种类型：一种是随机但并非本质的，这种可以通过设定一定的范围进行精确预测从而忽略；另一种在模型建立分析中起到很重要的作用，只能采用概率统计分析和随机过程理论建立数学模型。

2.2农业机械数学模型

目前，农业机械设计的动态优化方法主要对机械的各个结构进行分解，对农业机械的功能、结构、操作以及系统各个部分进行分析，建立相关的数学模型。这对农业机械设计的质量提高有很大帮助。总体来说，农业机械设计的动态优化方法主要通过以下三个方法进行建模。2.2.1有限元法有限元法在农业机械设计的动态优化方法中广泛应用，基本原理是将农业机械结构进行离散，然后采用弹性力学中的变分原理，将机械结构的几何、材料、载荷、约束等各个特性条件进行约束，把机械结构分为多个小单元，从而建立机械结构的动力学运动学方程，对机械结构进行求解，输出需要的计算结果。最后，对输入结果进行评估和分析，以帮助农业机械设计进行相关的优化以及改进设计。但是，有限元法产生的结果容易产生误差，如边界条件、几何模型和机构模型的关系不准确，都会对模型的动态响应产生一定的影响。因此，在进行有限元数学模型建立的过程中，要对有限元数学模型进行修正。2.2.2传递矩阵法传递矩阵法相对于有限元法简单，其主要针对具有集中质量的离散系统模型和具有分布质量的连续系统模型，且具有易于编写计算机程序的特点，计算规模也不会随着模型自由度数的增加而剧增。它主要应用在轴类组件中，对结构的弯曲振动和扭转振动进行研究。它的基本原理是将轴以及轴上的各个结构按照相应的理论分别写出各自的传递矩阵，并将各元件的传递矩阵按一定顺序进行相乘，最后得到轴类组件的传递矩阵，从而建立整个机械结构的数学模型。2.2.3实验模态法实验模态法是将复杂的实际结构简化成模态模型进行系统的参数识别，其简化了系统的数学运算。实验模态分析法主要应用于测量振动和对农业机械结构进行动力学分析，可得到比较精准的机械结构的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量以及模态刚度。同时，实验模态法可以与有限元法相结合，用其结果对有限元理论模型进行修正，使机械结构的设计更趋完善和合理。另外，它也可以对农业机械设计进行动力学修改、灵敏度分析以及载荷识别。总的来说，这种方法对农业机械的系统特性分析有很大帮助，现今已在农业机械设计中得到了广泛应用。

3农业机械设计动态优化方法

农业机械设计动态优化方法指的是对机械结构设计问题进行动态优化，其涉及到多个学科，特别是机械设计、现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论。对农业机械设计的优化，简单来说，指的就是在指定的运动参数的条件下，求得相对理想的工艺指标，从而确定机械设计中最佳或次佳的运动学参数。它一般可有两种方法对农业机械设计进行优化。

3.1通过农业机械设计的约束条件进行优化

该方法可根据农业机械设计的核心工作和主导思想，确定机械结构各个特性参数的变化范围。例如：可在农业机械结构充分考虑动载荷和满足约束条件的情况下，确定结构的质量、刚度和阻尼的最优分布参数，从而使结构具有更加优良的动态性。目前，业界主要通过三种方法对农业机械设计的约束进行优化：第一，基于变分原理，即将泛函数作为目标函数，求满足在约束条件下的泛函数的极值；第二，基于极小值原理，即确定一个影响机械结构动态性能的形状函数，求解在约束条件下机械的最优形状；第三，基于模态柔度以及能量平衡，这种方法将机械结构的质量、刚度等作为约束条件，以动柔度最为优化目标，求出抗振性能最好的机械结构。例如，要提高农业机械结构抗振性能，就要让机械结构中的各个零部件避免共振，并减小各阶模态柔度，增大模态阻尼。这种情况下，可首先在无阻尼情况下，优化机械结构的质量和刚度，并在此基础上再优化阻尼配置，从而使整个机械结构满足特性要求。

3.2在农业机械设计的数字变量上进行优化

根据数字变量的设置对农业机械设计进行动态优化，可以提高农业机械的质量。一般，对农业机械设计的数字变量进行优化，应该根据行业规范、传统的设计经验以及相关的标准来确定农业机械结构中的强度、规格。这对农业机械在实际工作中的规范、效率、安全等有重要的影响。提高数字变量的准确性，对整个农业机械的设计有很重要的意义。就目前来说，很多农业机械都在连续大振动情况下进行工作。因此，与其他机械设计相比，对农业机械的设计既要考虑到对有利振动的利用，又要考虑对有害振动的消除。总体过程来说，可由如图1所示的流程图简单表示。

4结语

动态优化方法的可调节性已大大促进了现代农业机械设计的发展。本文首先介绍动态优化方法的定义和作用，继而叙述动态优化方法在农业机械设计中的作用。采用动态优化方法，就是在建立适当的数学模型的基础上，采取各类数学优化算法，实现对农业机械更加科学、合理的设计。当代农业机械的发展，不仅要提高设计的可行性，而且要提高设计的效率。合理运用动态优化设计，将大大提升农业机械制造设计的水平，具有很好的发展前景。

机械结构论文篇8

关键词：机械；结构；动态设计

0引言

机械结构动态设计优化，是机械领域市场发展的结果，打破传统设计方式的限制，提高动态设计的综合能力。目前，随着机械行业的进步，如何优化机械结构的动态设计，成为主要的问题，应该根据机械结构的需求，优化动态设计的过程，确保其具备充足的市场竞争力，体现动态设计的优势，最主要的是符合机械结构的设计要求。

1机械结构动态设计分析

机械结构动态设计是指根据机械产品的特性，构建动力选模型，应用到机床设计的流程内。动态化的机械结构设计，能够找出机械产品设计中的薄弱项目，根据模型的模拟状态，提出相关的改进措施。机械结构动态设计中需要选择有效的变量信息，完善初始参数和修改后参数的使用，促使结构动态设计达到优化的状态，强化机械产品的实践设计[1]。机械结构动态设计方法，符合现代机械产品精细化的设计要求，提供稳定的设计模型，为机械结构设计提供稳定的模型和设计方法，规范机械产品的设计。

2机械结构动态设计中的技术

机械结构动态设计中的技术，主要体现在两个方面，分别是有限元建模技术和ANSYS软件技术，对其做如下分析：

2.1有限元建模技术

机械结构动态设计是一项复杂、繁琐的工作，将有限元做为设计建模的理论基础，积极分析机械结构的动态设计。有限元建模技术，促使机械结构动态设计的结构，趋向于真实的求解区域，可以将机械动态设计的不同单元体，组合到同一个求解区域内，规划出机械产品所需的设计结构，有限元建模技术根据几类设计结构，模拟可能使用的几何形状，体现数值分析方法的优势。有限元建模技术在机械动态设计中，需要注重单元函数的求解过程，得出未知函数的准确表达。

2.2ANSYS软件技术

ANSYS软件降低了机械动态设计中的计算难度，提供可靠的操作和计算。ANSYS软件，能够根据机械产品动态设计的需求，规划出问题的范畴，在此基础上辅助构建有限元，优化机械产品动态设计的步骤[2]。ANSYS软件技术中，可以根据机械设计的优化需求，引入CAD软件，完善计算数据的使用。ANSYS软件技术，广泛应用在交通、家电等行业的机械产品设计中，清晰的反馈设计结果，表达机械产品的非线性动态变化，有利于提升动态设计的准确性，消除潜在的设计误差。

3机械结构动态设计的优化措施

结合机械结构动态设计的技术应用，分析优化措施，确保优化措施在机械结构动态设计中的落实效果。首先机械结构动态设计的类型多样，涉及到复杂的工艺技术，直接增加了动态设计的压力，需要在机械结构动态设计、结构修改等方面，实行相关的优化处理，提高动态设计的灵敏度。例如：机械结构动态设计的优化措施中，以特征向量为分析因素，全面完善与机械结构动态设计相关的数据计算，明确机械动态优化设计中潜在的影响因素，假如机械结构动态设计中的变量较小时，可以按照原有的理论基础，更改设计方法，充分模拟机械动态的设计特征，此类优化设计方法比较注重局部近似分析，其在变量较小的环境中比较实用，但是变量较大时，需要引入人工神经网络设计方式，特别是在机械动态设计的结构振动分析内，为优化设计提供稳定的基础。然后针对机械动态设计中的逆向问题，提出优化的措施，专门用于解决逆向型问题。机械动态设计的过程中，逆向问题是指设计过程中可以满足动态特征的需求，但结构机械的结构参数与刚度矩阵，无法实现有效的融合，因此，设计人员将系统结构中的设计参数，转为逆特征值，推理得出设计的对象信息，较为常见的是有限元逆特征值的求解，通过研究机械结构的设计参数，利用线性求解方法，求出机械结构的尺寸数值。目前，在逆向问题的优化中，设计人员汇总机械动态设计中出现的问题，将模糊理论等内容，引入到优化设计中，实际案例证实动态优化的可行性，进而完善构建有限元模型，辅助解决机械动态设计中的逆向问题，提高机械动态设计的准确性。最后在优化机械动态设计的过程中，强化计算机信息技术的应用，深入落实仿真技术的使用，同时配合信息化建模，体现机械动态设计中智能化、自动化的特性[3]。例如：设计人员在机械动态设计的有限元分析中，引入多项学科知识，如虚拟技术、机械动力技术等，提升机械动态设计的综合性，映射计算机环境中的机械动态设计方式，而且计算机信息技术，能够根据机械动态设计的需求，提供虚拟的环境状态，促进虚拟机械设备的开发发展，即使机械动态设计中出现误差，也能在虚拟环境中迅速更改，减轻设计中的计算量，一方面确保机械动态化设计的水平，另一方面提升真实机械产品设计的精确度。

4结束语

机械结构动态设计的优化过程中，融入了诸多科学领域的内容，如：电子、动力等，为优化设计提供有效的支持。根据机械结构动态设计和技术应用，全面落实优化措施的应用，改善机械结构动态设计的方式，促使其可跟上行业的发展速度，体现优化设计的价值和作用。

参考文献：

[1]韩俊平.试论机械结构动态优化设计及其相关技术[J].机电信息,2014(03):110-111.

[2]张志强,郭京波.机械动态优化设计综述[J].石家庄铁道学院学报,2011(01):74-76+95.

[3]杨秀琴,杨家军.浅谈机械结构动态优化设计及其相关技术[J].甘肃科技,2010(08):117-118.