2 2 g7 ( X ) z小x3 x2 AHT小(1 z小 / z大） 0
⑦ 满足轮齿弯曲强度要求，应有
2 g8 ( X ) x3 z小x2 AFT小YF 0
3）选用合适的优化方法求解，得
z1 22 X b 53 m 4. 5
优化设计
将设计问题的 物理模型转化 为数学模型
选用适当的优化方 法和计算机程序
通过计算机 求解得到最 佳设计方案
② 计算机辅助设计(CAD)
CAD能够帮助我们完成机械设计中的图形设计（制图） 及部分分析计算。（以计算机为工具） 计算机辅助设计
传统设计
人工计算、绘图
用计算机设计、 计算、绘图。
设计精度、稳定性 和效率有限，修改 不方便
四、现代设计方法的特点
程式性。研究设计的全过程，要求设计者从产品 规划、方案设计、技术设计到试验、试制进行全面考 虑，按步骤有计划地进行设计。
创造性。突出人的创造性，力求探寻更多新方案， 开发创新性产品。
最优化。设计的目的是得到功能全、性能好、成 本低的最优产品。 综合性。建立在系统工程和创造工程基础上，综 合运用信息论、优化论、相似论、决策论、预测论等 相关理论，提供多种途径解决产品的设计问题。 计算机化。
④ 模数和齿宽之间要求 5m b 17 m
g 4 ( X ) x2 5x3 0 g5 ( X ) 17x3 x2 0
⑤ 保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足
g 6 ( X ) x1 sin

C

1 x1 (i 2)(1 sin ) 0 2 C
⑥ 满足接触强度要求，应有
主要应用于 以下方面
进行复杂结构的静态和动态分析
计算复杂零件的应力分布和变形
零件强度和刚度计算 常用的有限元分析计算软件有IDEAS、ANSYS、MARC、
ABAQUS等。
可以分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机 响应等。
转台结构的有限元分析
可以进行动态特性分析，识别系统的模态参数，从而为转台 的设计提供理论依据。
⑥ 价值分析（价值工程）
价值分析最终目的是 寻求功能与成本的最 佳比例 。
价值分析是产品获得最大价值的一种现代设计方法。
价值分析
以功能分析 为核心
以开发创造性 为基础
以科学分析 为工具
寻求功能与成本的最佳比例
价值分析的一般过程
确定价值分析 的对象
成本分析和功 能价值计算
运用最新科 技成果
对现有的功 能原理和方 法进行革新
T
在满足
gu ( X ) gu ( x1, x2 , , xn ) 0 (u 1,2,, m) hv ( X ) hv ( x1, x2 , , xn ) 0 (v 1,2,, p n)
求目标函数
F ( X ) F ( x1 , x2 , , xn )
min F ( X )
提高了设计精度、 稳定性和效率，修 改方便
常用的计算辅助设计软件有:AUTOCAD、PROE、UG 和CATIA等。
CAD提供了产品设计所需的各种标准、规范、工艺参数
等工程数据。
实际零件
加工过程模拟
CAD还具有设备工作过程模拟和零件加工过程模拟的功能。
③ 模块化设计
以模块化设计理论为指导思想，以快速、提高可靠性和降 低成本为主要目的，进行机械产品模块化设计。 主要目标是用尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多 的种类和规格的产品。
① 优化设计 优化设计 传统设计 重视系统综合，在 各种约束条件下用 计算机求解
设计--评定-再设计
从多种方案中 选取较好方案
在最短时间内寻求 最佳设计方案
最优化问题的举例
正方形铁板
x
a
max{ V }
x
一项设计常常在一定的技术条件下，要求取得一个技术 指标的最佳的设计方案，以期达到最佳的设计目标，如 重量、成本、性能、承载能力等。
选出最佳设计 方案
达到提高产 品价值的最 终目的
⑦ 相似设计 相似设计是相似性理论在机械领域的具体应用，相 似设计是工业产品开发的重要环节。
相似设计过程
先选定某一档 型号的产品为 模型
对它进行最佳 方案的设计
定出其材料 参数和结构 尺寸
再通过相似性原理 求出系列中其他产 品的参数和尺寸
三、现代设计与传统设计的区别
XR n
[例] 行星轮系的优化设计
1）目标函数和设计变量
F ( X ) 0.19635 2 Z12b[4 (i 2)2 C] mm3 m
影响目标函数的独立参数均可作为设计 变量，即
x1 z1 x b X 2 x3 m x4 C
其 他 模 块
空 气 静 压 主 轴
液 体 静 压 主 轴
超 精 高 速 主 轴
空 气 静 压 导 轨
液 体 静 压 导 轨
滚 珠 丝 杠
直 线 电 机 驱 动
摩 擦 驱 动 机 构
压 电 陶 瓷 进 给
磁 致 伸 缩 进 给
振 动 控 制 系 统
温 度 控 制 系 统
双 频 激 光 干 涉 系 统
光 栅 测 量 系 统
卧 式 床 身 结 构
龙 门 立 式 结 构
单 坐 标 联 动 数 控 系 统
双 坐 标 联 动 数 控 系 统
电
刀
吸
机
架
盘
超精密车床和铣床结构示意图
主轴/工件 刀具与工件相互作用 刀具
导轨 立 柱 或 横 梁 结 构
溜 板
主轴 主轴/刀具 支撑
主轴支撑
车床模块
主轴溜板
刀架溜板
MX
Y Z X
MN
.233291
.873646
1.514
2.154
2.795
3.435
4.075
4.716
5.356
5.996
600MW定子机座总体位移云图（最大5.996mm）
1
NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) TOP DMX =5.996 SMN =.012518 SMX =478.7 NOV 26 2008 16:28:17
现代设计方法简介
现代设计方法简介
一、概述
二、现代设计方法简介
优化设计 模块化设计 计算机辅助设计 有限元法 工业设计 价值工程 相似性设计 可靠性设计 动态设计 设计方法学 反求工程设计 …… ……
现代机械设计方法就是研究设计过程中能 够更加高效、高质量、快速地完成机械产 品设计的方法。（以计算机为辅助工具）
超精密机床模块化设计举例
根据武器研制和生产的需要
专用部件若干
十几种
标准的、系列 的模块化部件 解决几个关键技术
多台
各类模块化超精 密加工机床
整体技术方案
超精密机床系列和型普的拟定； 模块的划分； 模块的组配 ； 单元模块有限元力学分析； 静刚度与动刚度； 结构、运动学及功能模型。
主轴系统 导轨及工作台系统 导轨驱动系统 环境控制系统 模块化超 精密机床 微量进给系统 床身系统 位置检测系统 控制系统
铣床模块
工件 回转工作 台
导轨
导轨
床身
床身
隔振 隔振
地基
地基
回转 工作 台支 撑
刀具与工 件互相作 用
刀架
通用模块与专用模块的有效集成技术
超精密车床
空气静压主轴（ZZⅠ） 空气静压导轨（DGⅠ） 卧式床身(CSⅠ) 直线电机（QDⅡ） 隔振系统(HJⅠ) 温度控制系统（HJⅡ） 双坐标联动数控系统（SKⅡ） 双频激光干涉仪(WZⅠ) 主轴驱动电机（QTⅠ） 空气静压尾座 压电陶瓷机构（WJⅡ） 刀架（QTⅡ）
综上所述模块化设计具有如下特点： ① 设计和制造时间短； ② 有利于产品的更新换代和新产品的开发；
③ 有利于降低成本，提高产品的质量，便于产品的维修。
④ 有限元法 有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。
有限元法的计算过程
结构离散化
单元特性分析 与计算
单元组集求 解方程
求解工程中复杂的非线性问题、非稳 态问题
关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各种最优 化计算软件，供工程设计人员使用。
但是，作为使用者必须了解各种最优化方法的特点，才 能针对实际问题选择出合适的最优化方法解决问题。
数学模型是实际设计问题的抽象,一个完整的数学模型 包括:
一个设计方案有n个设计变量
X x1, x2 , , xn （X Rn）
行星轮系机构简图
目标函数可改写为
F ( X ) 0.19635 3 x12 x2[4 (i 2)2 C] x2
2）约束条件的建立 ① 保证小齿轮不根切
g1 ( X ) z小 17 0
② 限制齿宽最小值，得
g 2 ( X ) x2 10 0
③ 限制模数最小值，得
g3 ( X ) x3 2 0
传统设计
凭经验，功能原理分析少，过早进入具体方 案。
现代设计
从抽象思维方法出发，用计算机获得各种方 案，优化选出最佳。
自然优化， “设计-评定-再设计” 从各种设计 重视系统综合，在各种约束条件下用计算机 ， 方案中选取较好方案，凭经验、判断力。 凭经验或自发性地考虑人、机、环境之间的 关系，很难达到三者的协调。 往往强调产品性能，忽视或不能全面考虑精 神因素。 计算机绘图、修改不方便，设计效率低。 在最短时间内寻求最优参数。 从人的生理、心理特征出发，通过功能分析、 系统综合，发挥协调潜力、提高效率。 强调产品适用性同时，考虑产品的美观性、 艺术性和时代性。 计算机绘图，提高设计效率，修改方便。