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计算机辅助范文1
计算机辅助生物制造，也称为快速原型法、分层制造或自由形态固体制造，是一门新技术，包括三维可累加的逐层制造技术，结合添加剂材料的选择，可制造出具有生物特性的结构，这种技术充分运用了计算机辅助设计系统。计算机辅助生物制造诞生于20世纪后期，由几个研究组独立研究发展而来，包括三维系统公司、Stratsys公司、MIT和德州大学Austin分校。在计算机辅助生物制造中，计算机辅助设计的表面被转化为一系列的多边形逼近（称为镶嵌技术）并且切分成一系列的横截面。计算机辅助生物制造分为直接型和间接型两种。直接型方法包括固态、液态和粉末状的辅助添加材料；间接型方法包括用计算机处理可用于计算机生物制造的模型或模具，例如计算机辅助生物制造方法可以用于创建用于熔模铸造、砂型铸造或注塑成型的结构。间接型方法与直接型方法相比，优势在于在结构最终成型之前可以节省具有某些化学的、腐蚀性的、生物的和机械的特性的材料，因为这些材料并不需要在计算机辅助生物制造中出现。本书旨在阐述最近由计算机辅助生物制造技术所制造的大量医疗设备所投入的技术，包括病人特制义肢，微型结构医疗设备，人造组织等。计算机辅助生物制造在未来10年将在医疗护理方面发挥更大的作用，它将主导着生物和医疗设备的结构设计制造。
本书内容共有14章：1.计算机辅助生物制造：导论；2.多尺度骨头诊断的计算机系统：二维微观尺度的有限元分析系统；3.基于淀粉的分层纤维支架结构在骨组织工程中的应用；4.快速原型法制作三维支架的细菌和应用白念珠菌粘附技术制造骨头更替材料；5.生物黏合剂的喷墨式打印技术；6.羟基磷灰石造骨细胞复合的激光细微加工；7.双光子聚会物与陶瓷混合材料在皮肤渗透型药物研制中的应用；8.生物陶瓷药物释放体在三维粉末印刷期间的生物活性的同时稳定性；9.选择性激光熔化工艺制造钛椎间融合器的拓扑结构优化和机械进化过程；10.CT摄像机监控电流刺激切除神经的退化肌肉的生长情况和由电流刺激诱导的组织结构改变及其立体平版的三维建模；11.烧蚀鼻子肿瘤手术后利用计算机辅助设计（CAD）-计算机辅助制造（CAM）技术构造临时假鼻体：一个试验案例的报道；12.个人预制的重构上颚骨假体；13.快速原型法教学模型在胎儿畸形研究中的应用；14.骨架材料通过CT扫描的非入侵性考古和三维结构重建。
本书适合计算机生物辅助设计、生物医疗设备设计、医疗护理等领域相关研究人员阅读。
陈涛，
博士生
（中国传媒大学理学院）
计算机辅助范文2
论文摘要：齿轮是机器、仪器中使用最多的传动零件，尤其是渐开线圆柱齿轮的应用更为广泛。齿轮是一个较复杂的几何体，对单个齿轮的齿廓加工误差国家标准规定了17种控制参数，根据齿轮使用要求的不同，对以上17个参数控制的要求也不同。如何确定齿轮的精度等级以及依据其精度等级确定相关控制参数的公差值，是齿轮设计的关键所在。
传统的设计方法是依据经验用类比法，结合查表及大量繁杂的公式计算，这样的方法一是工作量大，二是不可能对各参数进行优化及筛选，很难保证齿轮精度设计的合理性。因此，借用了辅助软件对齿轮的几何参数进行计算后，对齿轮精度的设计及其相关的数据进行计算机处理，使齿轮的精度设计达到快速、准确、合理，齿轮设计起来就没那么费时和吃力了。
引言
现行的机械行业中在齿轮设计的过程里，非常缺乏对几何参数计算的比较统一的软件，很多时候只是采用手工计算、取大概的数值，对于一些比较复杂的齿轮来说，制造出来的齿轮存在误差较大。传统的设计方法是依据经验用类比法，结合查表及大量繁杂的公式计算，这样的方法一是工作量大，二是不可能对各参数进行优化及筛选，很难保证齿轮精度设计的合理性。因此，借用了辅助软件对其进行计算后，对齿轮精度的设计及其相关的数据进行计算机处理，使齿轮的精度设计达到快速、准确、合理，齿轮设计起来就没那么费时和吃力了。我国现有（1）GB/T10095。1-2001渐开线圆柱齿轮精度第一部分：轮齿等效ISO1328-1。（2）GB/T10095。2-2001渐开线圆柱齿轮精度第二部分：径向综合等效ISO1328-2。
1.渐开线圆柱齿轮几何参数计算相关研究综述
1.1渐开线圆柱齿轮国内的研究现状
1.1.1齿轮的简介
标准齿轮的结构构造图如图1。
图1齿轮构造图
齿轮的组成结构一般有轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆和分度圆。
轮齿简称齿，是齿轮上每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆，是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。
渐开线齿轮比较容易制造，且传动平稳，传递速度稳定，传动比准确，渐开线圆柱齿轮是机械传动量大而广的基础零部件，广泛在汽车、拖拉机、机床、电力、冶金、矿山、工程、起重运输、船舶、机车、农机、轻工、建工、建材和军工等领域中应用。因此现代使用的齿轮中，渐开线齿轮占绝多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较小。
1.1.2研究现状
我国1960年以前没有圆柱齿轮精度标准，直接应用苏联TOCT1643—46标准，1958年起原第一机械工业部组织力量着手研究，经过分析、研究和验证苏联TOCT1643—56标准，制订和颁布JB179—60《圆柱齿轮传动公差》机械工业部部标准。对当时机械工业的发展起到积极推动作用，很快达到世界五十年代水平，在七十年代末国家机械工业改革开放，要求迅速赶上世界齿轮发展步伐，机械工业部领导下决心，直接以ISO1328—1975国际基础修订JB179—60标准，以等效采用ISO1328—1975标准，颁布JB179—81和JB179—83渐开线圆柱齿轮精度机械工业部部标准，大力进行宣贯，促进圆柱齿轮精度质量明显的提高。同时带动国内齿轮机床、刀具和量仪的发展，于1998年由技术监督局颁布为GB10095—88渐开线圆柱齿轮精度国家标准。我国在改革开放，发展经济的政策指示下，大量引进德国、日本等西方工业发达国家的工业机械产品，而配件需要国产化，JB179—83和GB10095—88标准已不相适应，一方面鼓励直接采用德国、日本和美国标准，另一方面以宣贯行政文件形式进行补充。提出齿距偏差、齿距累计误差、齿向误差四个为必检项目评定齿轮精度等级。宣贯中发现达到齿形误差精度最难。其齿形的齿端部规定不够合理，齿形精度达到要求但齿距精度尚有一定的富余而不相协调。部分先进企业总结国内外技术经验，采取积极的技术措施，生产出与世界水平相当的齿轮产品。以上这些与ISO1328-1997标准相对照，在很多关键地方是不谋而合。当前我国在重大机械装备中所需渐开线齿轮都可以国产化。现行GB10095—88渐开线圆柱齿轮精度国家标准是等效采用ISO1328—1975国际标准的，现在国际上已将ISO1328—1975标准作废由ISO1328-1997标准代替。1997年由国家技术监督局下任务对GB10095—88标准进行修订，经过对ISO1328-1997标准翻译、消化和征求各方面意见，绝大多数认为我国齿轮产品应与国际接轨，促进国际和国内齿轮产品的贸易，发展齿轮生产。修订GB10095—88国家标准应等同采用ISO1328-1997国际标准。
目前国家技术监督局和国家机械工业局鼓励要求技术进步迫切和有条件的齿轮制造企业，直接采用ISO1328-1997国际标准作为企业标准生产齿轮先行一步，深入、充分发挥ISO1328-1997国际标准作用，为本企业真正提高齿轮性能质量、降低制造成本提高经济效益，走入国际市场
。
我国现有（1）GB/T10095。1-2001渐开线圆柱齿轮精度第一部分：轮齿等效ISO1328-1。（2）GB/T10095。2-2001渐开线圆柱齿轮精度第二部分：径向综合等效ISO1328-2。
1.2课题研究的意义
齿轮是机器、仪器中使用最多的传动零件，尤其是渐开线圆柱齿轮的应用更为广泛。齿轮是一个较复杂的几何体，对单个齿轮的齿廓加工误差国家标准规定了17种控制参数，根据齿轮使用要求的不同，对以上17个参数控制的要求也不同。如何确定齿轮的精度等级以及依据其精度等级确定相关控制参数的公差值，是齿轮设计的关键所在。传统的设计方法是依据经验用类比法，结合查表及大量繁杂的公式计算，这样的方法一是工作量大，二是不可能对各参数进行优化及筛选，很难保证齿轮精度设计的合理性。因此，借用了辅助软件对其进行计算后，对齿轮精度的设计及其相关的数据进行计算机处理，使齿轮的精度设计达到快速、准确、合理，齿轮设计起来就没那么费时和吃力了。
1.3设计的研究思路与研究的重点
本设计的研究重点是渐开线圆柱齿轮传动设计的计算。研究外啮合齿轮和内啮合齿轮传动的主要几何参数计算、齿轮齿厚计算、精度计算和强度计算，帮助实现齿轮的合理设计。
2.渐开线圆柱齿轮几何参数计算的辅助软件的主要研究内容
2.1齿轮传动设计步骤
齿轮传动设计步骤：
1、简化设计：根据齿轮传动的齿数、啮合角和模数等，确定中心距等主要参数。
2、几何设计计算：设计和计算齿轮的基本参数，并进行几何尺寸计算。如：计算分度圆直径、齿高、齿顶高、齿根高、基圆直径等。
3、齿厚测量尺寸计算：根据上步的计算结果和已知参数，计算齿轮的齿厚参数。如：固定弦齿厚、固定弦齿高等参数。
4、精度计算：计算出齿轮的精度测量参数，如：各级精度等级、齿厚上/下偏差、侧隙公差、最小/大极限侧隙等。
5、强度校核：在基本参数确定后，进行精确的齿面接触强度和齿根弯曲强度校核。分别将计算出的接触/弯曲强度允许传递功率与已知功率相比较，如果都大于实际功率，则所设计的齿轮强度过关。
6、如果校核不满足强度要求，可以返回2)，修改参数，重新计算。课题研究的主要内容就是设计一个进行齿轮设计的计算软件，现在课题是几何尺寸计算，主要应集中在此，精度只是其中一部分。在设计渐开线圆柱齿轮时会计算出其齿数、齿形和齿高等。
2.2渐开线圆柱齿轮几何参数2.2.1外啮合标准圆柱齿轮传动几何尺寸计算
外啮合标准圆柱齿轮传动参数计算如表1。
表1外啮合标准圆柱齿轮传动参数
名称
符号
直齿轮
螺旋齿轮
原始参数
基准齿形
齿形角
α=20°
tgαt=tgα/cosβ
齿顶高系数
ha*=1
hat*=ha*cosβ=cosβ
径向间隙系数
C*=0.25
Ct*=C*cosβ=0.25cosβ
齿根圆角半径系数
γ*=0.38
γt*=γ*cosβ=0.38cosβ
模数
m由强度计算或结构设计确定，一般传递动力的齿轮m>=1
mt=m/cosβ
齿数
Z
设计时选定
设计时选定
分度圆螺旋角
β
β=0°
β按推荐值或按中心距条件确定
主要几何参数的计算（mm）
中心距
a
a=m/2(Z1+Z2)
=1/2(d1+d2)
a=m/2cosβ(Z1+Z2)
=1/2(d1+d2)
一般希望a为标准数值或圆整的数值
分度圆直径
d
d=mZ
d=mZ/cosβ
名称
符号
直齿轮
螺旋齿轮
主要几何参数的计算（mm）
齿顶高
ha
ha=ha*m
齿顶圆直径
da
da=d+2ha=(Z+2)m
da=d+2ha=(Z/cosβ+2)m
齿根高
hf
hf=(ha*+C*)m=1.25m
齿根圆直径
df
df=d-2ht
=(Z-2.5)m
df=d-2ht
=(Z/cosβ-2.5)m
齿高
h
h=ha+hf
基圆直径
db
db=dcosα
db=dcosαt
2.2.2外啮合高度变位齿轮传动的几何尺寸计算
外啮合高度变位齿轮传动的参数计算如表2。
表2外啮合高度变位齿轮传动的参数
项目名称
符号
原始参数
齿数
小轮
Z1
大轮
Z2
模数
m
螺旋角
β
基准齿形
齿形角
α
齿顶高系数
ha*
径向间隙系数
c*
齿根圆半径系数
r*
变位系数
小轮
x1
大轮
x2
切齿方法
小轮及大轮均用滚刀切制
齿宽
小轮
b1
大轮
b2
主要几何参数的计算（mm）
项目名称
符号
计算公式
中心距
a
a=(Z1+Z2)m/2cosβ
端面齿形角
αt
tgαt=tgα/cosβ
分度圆直径
d
d=mZ/cosβ
齿顶高
ha
ha=m(ha*+x)
齿高
h
h=m(2ha*+c*)
齿根高
hf
hf=h-ha=m(ha*+c*-x)
齿顶圆直径
da
da=d+2ha
齿根圆直径
df
df=d-2hf
基圆直径
db
db=dcosαt
基圆螺旋角
βb
sinβb=sinβcosα
法面分度圆齿厚
sn
sn=(0.5π+2xtgα)m
齿厚测量尺寸的计算(mm)
固定弦齿厚
s(_)c
s(_)c=(0.5πcos2α+xsin2α)m或
s(_)c=s(_)c*m(s(_)c*可查表)
固定弦齿高
h(_)c
h(_)c=0.5(da-d-s(_)ctgα)或
h(_)c=0.5(da-d)-h(_)*m(h(_)*可查表)
斜齿轮当量齿数
Zn
Zn=Zn/cos3β
分度圆弦齿厚
s(_)
s(_)=Zsin/cosβ*m,式中
=(π/2Z+2xtgα/z)*cos3β
分度圆弦齿高
h(_)a
h(_)a=0.5[da-(cos-sin2β)
/cos2β*d]
2.2.3内啮合标准齿轮传动的几何尺寸计算
内啮合标准齿轮传动的参数计算如表3。
表3内啮合标准齿轮传动的参数
项目名称
符号
原始参数
齿数
小轮
Z1
内齿轮
Z2
模数
m
基准齿形
齿形角
α
齿顶高系数
ha*
径向间隙系数
c*
齿根圆半径系数
r*
插齿刀
齿数
Z02
齿顶圆直径
da02
齿顶高系数
ha02*
切齿方法
小轮及大轮均用滚刀切制
齿宽
小轮
b1
大轮
b2
工作齿宽
bw
主要几何参数的计算（mm）
项目名称
符号
计算公式
中心距
a
a=(Z2-Z1)m/2
分度圆直径
小轮
d1=mZ1
大轮
d2=mZ2
插齿刀变位系数
X02
X02=da02/2m-(Z02+2ha02*)/2
内齿轮与插齿刀啮合角
invαw02
invαw02=2(x2-x02)tgα/(Z2-Z02)+invα
内齿轮与插齿刀中心距
aw02
aw02=(Z2-Z02)mcosα/2cosaw02
中心距分离系数
y02
y02=aw02/m-(Z2-Z02)/2
主要几何参数的计算（mm）
项目名称
符号
计算公式
齿高
h1
h1=0.5(da1-df1)
h2
h2=0.5(df2-da2)
齿根高
hf
hf=h-ha=m(ha*+c*-x)
齿顶圆直径
da1
da1=d1+2(ha*-Δy02)m
da2
da2=d2-2(ha*-k2)m
齿根圆直径
df1
df1=d1-2(ha*+c*)m
df2
df2=2aw02+da02
齿厚测量尺寸的计算(mm)
固定弦齿厚
s(_)c
s(_)c=0.5πmcos2α或
s(_)c=s(_)c*m(s(_)c*可查表)
固定弦齿高
h(_)c
h(_)c=0.5(da-d-s(_)ctgα)或
h(_)c=0.5(da-d)-h(_)*m(h(_)*可查表)
分度圆弦齿厚
s(_)
s(_)=Zsin/cosβ*m,式中
=(π/2Z+2xtgα/z)*cos3β
分度圆弦齿高
h(_)a
h(_)a=0.5[da-(cos-sin2β)
/cos2β*d]
2.2.4内啮合高度变位齿轮传动的几何尺寸计算
内啮合高度变位齿轮传动的参数计算如表4。
表4内啮合高度变位齿轮传动的参数
项目名称
符号
原始参数
齿数
小轮
Z1
大轮
Z2
项目名称
符号
原始参数
模数
m
螺旋角
β
基准齿形
齿形角
α
齿顶高系数
ha*
径向间隙系数
c*
齿根圆半径系数
r*
斜齿轮当量齿数
Zn
Zn=Z/cos3β
变位系数
小轮
x1
大轮
x2
切齿方法
小轮及大轮均用滚刀切制
插齿刀
齿数
Z02
分度圆直径
d02
齿顶圆直径
da02
齿顶高系数
ha02*
主要几何参数的计算（mm）
项目名称
符号
计算公式
中心距
a
a=(Z1+Z2)m/2cosβ
端面齿形角
αt
tgαtw=tgα/cosβ
分度圆直径
d
d=mZ/cosβ
齿数比
u
u=Z2/Z1
齿顶高
ha
ha=m(ha*+x)
齿高
h
h=m(2ha*+c*)
齿根高
hf
hf=h-ha=m(ha*+c*-x)
齿顶圆直径
da
da=d+2ha
齿根圆直径
df
df=d-2hf
主要几何参数的计算（mm）
项目名称
符号
计算公式
基圆直径
db
db=dcosαt
基圆螺旋角
βb
sinβb=sinβcosα
法面分度圆齿厚
sn
sn=(0.5π+2xtgα)m
齿厚测量尺寸的计算(mm)
固定弦齿厚
s(_)c
s(_)c=(0.5πcos2α+xsin2α)m或
s(_)c=s(_)c*m(s(_)c*可查表)
固定弦齿高
h(_)c
h(_)c=0.5(da-d-s(_)ctgα)或
h(_)c=0.5(da-d)-h(_)*m(h(_)*可查表)
斜齿轮当量齿数
Zn
Zn=Zn/cos3β
分度圆弦齿厚
s(_)
s(_)=Zsin/cosβ*m,式中
=(π/2Z+2xtgα/z)*cos3β
分度圆弦齿高
h(_)a
h(_)a=0.5[da-(cos-sin2β)
/cos2β*d]
2.3本课题研究目标
计算出渐开线齿轮的模数、齿数、齿形、齿高、变位、基准齿形和参数（GB/T1356-1988）、模数系列（GB/T1357-1987）、传动类型和基本参数、变位系数的选择、渐开线圆柱齿轮的齿厚测量计算、精度选择和强度计算。
本课题研究的几何尺寸计算的适用范围包括：
1、标准圆柱齿轮（直，螺旋）
2、外啮合(高度变位)圆柱齿轮（直，螺旋）
3、内啮合标准齿轮（直齿）
4、内啮合(高度变位)圆柱齿轮(直，螺旋)
3.软件的具体实现3.1系统实现的环境
本设计软件使用C#语言开发，开发平台为VS2005软件，运行环境是WindowsXP
3.2软件的总流程图
图2程序总流程图
3.3软件实现的主界面
图3计算外啮合齿轮副时的界面
图4计算外啮合齿轮副时的界面
图5精度计算时的运行界面
3.4实现的部分代码3.4.1实现的主要功能
1、外啮合齿轮几何参数和齿厚计算的功能模块
privatevoidbutton1_Click(objectsender,EventArgse)//外啮合计算
{
if(tBoxα.Text!="20")//判断输入是否为标准输入
str="请输入标准齿形角α！\n";
elseif(Convert.ToInt32(tBoxβ.Text)<0||Convert.ToInt32(tBoxβ.Text)>45)
str+="请选择合理的螺旋角β！\n";
elseif(Convert.ToInt32(tBoxha.Text)!=1)
str+="请选择合理的齿顶高系数！\n";
elseif(Convert.ToDouble(tBoxc.Text)!=0.25)
str+="径向间隙系数选择不正确，请重新填写！\n";
elseif(Convert.ToDouble(tBoxr.Text)!=0.38)
str+="齿根圆角半径系数选择不够准确！\n";
elseif(Convert.ToDouble(Convert.ToInt32(Convert.ToDouble(tBoxZ1.Text)))!=Convert.ToDouble(tBoxZ1.Text)||Convert.ToDouble(Convert.ToInt32(Convert.ToDouble(tBoxZ2.Text)))!=Convert.ToDouble(tBoxZ2.Text))
str+="齿数请输入为整数！\n";
else//分别把输入的值赋给各变量
{
α1=Convert.ToInt32(tBoxα.Text);
β1=Convert.ToDouble(tBoxβ.Text);
α2=Math.PI*α1/180;
β2=Math.PI*β1/180;
n=Math.Cos(β2);
u=1;
m=Convert.ToDouble(tBoxm.Text);
ha=Convert.ToInt32(tBoxha.Text);
hat=ha*n;
c=Convert.ToDouble(tBoxc.Text);
ct=c*n;
r=Convert.ToDouble(tBoxr.Text);
rt=r*n;
if(tBoxpa_s.Enabled)//标准齿轮几何参数计算
{
Z0=Convert.ToInt32(tBoxZ1.Text);
ha01=ha*m;
hf0=1.25*m;
h0=ha01+hf0;
if(tBoxβ.Text!="0")
{
a0=Z0*m/n;
d0=m*Z0/n;
}
else
{
a0=Z0*m;
d0=m*Z0;
}
a=a0;
da0=d0+2*ha01;
df0=d0-2*hf0;
db0=d0+Math.Cos(α2);
pa=Math.PI*m*Math.Cos(α2);
//标准齿轮齿厚计算
sc0=0.5*Math.PI*m*Math.Cos(α2)*Math.Cos(α2);
hc0=ha01-Math.PI*m*Math.Sin(2*α2)/8;
invαt=Math.Tan(α2)-α2;
if(tBoxβ.Text!="0")
{
s0=m*Z0*Math.Sin(Math.PI*n*n*n/(2*Z0))/(n*n*n);
ha02=0.5*da0-(0.5*m*Z0/(n*n*n))*(Math.Cos(Math.PI*n*n*n/(2*Z0))-Math.Sin(β2)*Math.Sin(β2));
k0=(α1/180)*Z0+1;
W0=(Math.PI*(k0-0.5)+Z0*invαt)*m*Math.Cos(α2);
}
else
{
s0=m*Z0*Math.Sin(Math.PI/(2*Z0));
ha02=0.5*da0-0.5*m*Z0*Math.Cos(Math.PI/(2*Z0));
k0=(α1/180)*Z0+1;
W0=(Math.PI*(k0-0.5)+Z0*invαt)*m*Math.Cos(α2);
}
}
计算外啮合和内啮合各种齿轮，原理基本一样，重点注意的是取值的精确度问题，以及弄清各参数之间的关系，以便于计算，避免数值的混淆。
2、确定部分重要精度参数的取值函数
publicstaticintfpb_value(doublex,doubley,stringz)//基节极限偏差fpb取值
{…}
publicstaticintFβ_value(intx,stringy)//齿向公差Fβ取值
{…}
publicstaticdoublefa_value(doublex,stringy)//中心距极限偏差fa取值
{…}
publicstaticintfpt_value(doublex,doubley,stringz)//齿距极限偏差fpb取值
{…}
publicstaticintFr_value(doublex,doubley,stringz)//齿圈径向跳动公差Fr取值
{…}
publicstaticdoublebr_value(stringx,doubled)//切齿径向进刀公差br取值
{…}
publicstaticcharcode_value(doublex)//偏差代号
{…}
3.4.2软件实现和传统人工计算的比较
对齿轮进行设计时，传统的人工计算具有很大的局限性，下面就列举两个比较突出的例子进行比较说明。
1、在计算几何参数时，已知参数invα且invα=tanα-α,要番过来求α的值，此设计中我使用的二分法查找的思想来求解（代码如下），其中取值的精度精确到了10-8。如果如此庞大的计算量进行人工计算，工作量可想而知，而且有存在很大的误差甚至是错误的可能，但借用了此计算机辅助软件，立刻就可以得到满意的答案。
privatedoubleinv(doublex)
{
doublef=0,r=Math.PI/2,b,fun;//设置变量f,r,b,fun
b=Math.PI/4;//因为0<α<(π/2),所以取第一个二分时b=π/4
fun=Math.Tan(b)-b;//求出当b=π/4时fun的值
while(Math.Abs(fun-x)>0.00000001)//当误差小于10-8时跳出循环
{
if(fun-x>0)//若fun大于x，取中间值的左边区间进行循环
{
r=b;
b=(f+r)/2;//取新区间的中值
fun=Math.Tan(b)-b;
}
elseif(fun-x<0)//若fun小于x，取中间值的右边区
{间进行循环
f=b;
b=(f+r)/2;//取新区间的中值
fun=Math.Tan(b)-b;
}
else//若fun与x的值相等，跳出循环
break;
}
return(b);
}
求解过程流程图如下图图6。
图6用二分法求解过程流程图
2、求内啮合高度变位齿轮的齿厚尺寸的大轮固定弦齿高和分度圆弦齿高时，公式如下：
1）固定弦齿高：
hc2=0.5*(d2-da2-sc2*Math.Tan(α2))+0.5*da2*(1-Math.Cos(δa2));
其中,有需要计算参数δa2：
δa2=Math.PI/(2*Z2)-invαt-2*Math.Tan(α2)*x2/Z2+invαa2;
2）分度圆弦齿高：
ha2L=0.5*d2*(Math.Cos(delta)-Math.Sin(β2)*Math.Sin(β2))/(n*n)-0.5*da2+0.5*da2*(1-Math.Cos(δa2));
其中，又需要计算参数delta：
delta=(Math.PI/(2*Z1)+2*x1*Math.Tan(α2)/Z1)*n*n*n;
如此繁杂、工作量大的计算量，进行人工计算同时也是件很苦难、很难实现的事情。
4.结论
正由于在产品的设计过程中齿轮几何参数的选择是影响产品具有良好的啮合和节能低耗效果的重要因素，如果齿轮在设计时参数的选择不够精确，只是采用人工凭经验的估算（而且有存在计算错误的风险），将直接影响所生产产品的质量，有损企业的发展。借助计算机辅助软件，就可以很大程度上减低了这方面的成本和风险。在加工齿轮时，技术人员经常要进行各种齿轮几何及啮合参数的计算。传统方法用手工、计算器及查表计算、速度慢、精度低,即使是价格较贵的可编程计算器也远不能满足高精度复杂计算的要求。而市场上用于齿轮计算的软件都较贵,且不适合部分中小企业的设计需要。为此，设计了此渐开线圆柱齿轮的几何参数计算的计算机辅助软件。
参考文献
①江耕华，胡来瑢，陈启松等.机械传动设计手册（上册）[M].北京：煤炭工业出版社,1982.
②齿轮精度国家标准宣贯工作组.齿轮精度国家标准应用指南[M].北京：兵器工业出版社，1990.
③北京业余机械学院工人班集体.齿轮原理与制造[M].北京：科学出版社，1971.
④马骏.C#网络应用编程基础[M].北京：人民邮电出版社，2008.
计算机辅助范文3
关键词：计算机应用; 装配规划; 综述; 虚拟现实; 软计算; 协同装配
装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。毕业论文 装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。
较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。
随着计算机集成制造CIMS 和并行工程CE技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80 年代初，出现了对计算机辅助装配规划(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技术的研究。到目前为止，CAAP 经历了几个不同的发展阶段，出现了4 种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。
1 经典装配规划方法
早期CAAP 的研究侧重于装配序列的规划，以产品CAD 装配模型为基础，硕士论文 一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1 所示。
1.1产品装配建模
产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct 提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3 种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。
矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。
1.2装配序列推理和表达
基于联系图模型，Bourjauct 采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，医学论文 随后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR 图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N) (N为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。
1.3装配序列评价和选择
装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，职称论文 而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间 (包括子装配体的操作时间、运输时间等 )、整个装配成本 (包括劳动成本、夹紧和加工成本 )、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。
更多的经典装配规划方法研究文献可以参见Texas A&M 大学Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。
2虚拟装配规划方法
虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2 为虚拟装配规划的工作步骤。
国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)为代表，英语论文 通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的CAD 系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。
国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面
向装配设计系统（VirDFA）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（VIRDAS）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3 个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（VAT），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。
应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。
3 装配规划软计算方法
1994 年，Zadeh 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（soft computing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。
3.1 装配规划神经网络方法
神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，留学生论文 单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。
转贴于 Hong 和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled 神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。
3.2 装配规划模拟退火算法
模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。
Saeid 等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。Hong 和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。
模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。
3.3 装配规划遗传算法
在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。工作总结 遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3 为装配规划遗传算法的一般流程。
装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3 段编码，第1 段表示参与装配的零件编号，第2 段表示零件的可行装配方向，第3 段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；Guan 等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5 种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith 等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。
理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限
多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。
4 协同装配规划方法
装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison 大学[31]提出网络环境下的电子化装配（ e-Assembly ），探讨在Internet/Intranet 上利用3D 模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3D 交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D 系统，利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，Visualizer 模块为用户在Web 平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ATS 项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用VRML 作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的VRML 仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。
Web 环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以VRML 为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web 环境下3D 交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于VRML-Java 实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。
5 结论与展望
CAAP 的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。
跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。 参考文献
[1] 苏强， 林志航. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 机械科学与技术， 1999， 18(6): 1006~1012.
[2] 石淼， 唐朔飞， 李明树. 装配序列规划研究综述[J]. 计算机研究与发展， 1994， 31(6): 30~34.
[3] 牛新文， 丁汉， 熊有伦. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 中国机械工程， 2001， 12(12):1440~1443.
计算机辅助范文4
在机械工程中进行机械设计是非常重要的环节，它是进行生产工作的前提，它也关系到机械性能问题，因为机械的性能关系到设计质量的问题。从狭义的角度分析，机械设计主要是进行技术设计的工作，在广义的角度来分析，机械设计就是按照现有的条件以及设计者的需求进行设计。所以，本文将会对机械相关零件形状、能量大小的传递方式、机械相关的工作原理、结构材料的质量等内容进行分析。然后将这些形成较为具体的描述当做进行机械制造的依据。该工作属于一种创造性的设计，同时也是在成功的经验上进行的，所以两种因素更好的结合，才能提高机器制造的质量。在进行机械制造时都是需要计算机进行辅助，比如:计算数据和编辑图片等内容都需要使用计算机中的软件进行。除了这些内容在计算机上完成，还可以现在计算机上把一些图纸数据模拟出来，这样可以利用计算机来分析产品的受力和性能，之后在根据表现的情况进行相应的改善，从而提高产品的质量。在机械设计加工中计算机技术越来越受欢迎了，因此，本文将会对该技术进行详细的分析。
2在机械设计中计算机辅助技术的使用
2．1CAD逆向工程的使用
逆向工程在机械设计领域属于一种的新型的科学技术设计，它对机械设备的使用成效具有很大的帮助。但是在实际的研发过程中，却遇到了很多的现实问题，比如:研发的成本比较高，还有市场中各种因素的限制等，这些因素严重的影响逆向工程研发的时间以及作用的发挥。针对这些问题，在进行机械设计中，研发人员要充分的利用现代科技成果，将新的科技成果和机械技术更好的融合。在机械设计中使用计算机软件技术有利于提高生产的技术，在建设逆向工程时，通过利用仿真模型的方法对实物进行分析。这样以来设计人员可以根据产品的基本特点，对逆向工程相关的零部件进行模型设计。实现逆向工程的基础是要在实物的条件下，对产品相关的零部件逆向构成模型进行了解，从而实现产品生产的创新。在以往的逆向工程研究中主要是对实物进行分析，研究者主要是在原有的产品上，创新实物模型的设计，从而来提高产品的性能，也有通过测量坐标的方式，利用CAD软件进行制图将实物转变成虚拟的模型。而利用计算机辅助技术对产品进行加工，可以实现多种技术的逆向转换进行设计。它主要是通过数据进行网格绘制，然后根据各种数据点进行模拟，如此会得出一个连续的曲面，然后在对曲面进行不同的修复，进而得到事物的模型。之后再利用SCAN－TOOLS技术对已经生成的曲面实施延伸和裁剪的工作，然后将曲面转变成实体，通过计算机软件实现设计的参数化，最后实现重建的模型。
2．2CAD汽车覆盖件设计
汽车覆盖件相关的设计关系到汽车的车型以及个性化设计等方面。在进行汽车模具的设计和实物设计中，经常会出现设计和工艺施工方面不相符合的情况。设计者在设计工作中没有充分的考虑加工和生产方面的问题，从而造成返工现象频繁出现，这样在一定程度上会增加设计的成本，如此生产的时间也会延长，最终会严重的影响企业在市场中的竞争。想要在设计环节避免出现这种现象，首先在汽车模具的设计中要做到几个方面的考虑:在模具的设计中要充分的分析市场需求，还有关于汽车模具的热度和结构都要进行分析，并建立图纸。这样在模具结构的设计中可以根据图纸进行，通过对事物的改造，一旦在设计中出现问题可以及时改正。在事物造型的建设中CAD造型设计技术的使用是关键，在这个过程中出现了问题将会直接影响汽车的生产，因此，提高CAD设计质量非常重要。比如对汽车的车门部位进行设计时，首先要对汽车相关的零部件设计进行相应的了解并建议一个几何模型，通过测量方法的分析，以及将采集到的数据进行处理。然后利用相应的技术对模型进行重建，之后在对模具进行数控控制或是加工，从而实现对汽车车门部位的加工和设计。关于机械设计绘图方面，一般都是设计师通过手绘完成的，这个方法非常的浪费时间，同时也降低了设计者的工作效率。但是通过计算机辅助技术对机械进行设计时，可以利用计算机中的绘图软件进行绘图工作的操作，比如CAD软件，使用计算机中的绘图软件能够在很大程度上提高工作的效率。
2．3观察零件配置的使用
在进行机械的设计中，可以根据装配的不同关联，进行不同效果的设计，同时还能利用计算机将各种装配关系演示出来，如果出现与装配要求不相符的，利用计算机中的查找器就是可以查出来，这样能够减少设计者的修改时间。另外，还可以通过计算机将一些零部件运行的情况进行演示，这样会更加方便设计者对错误修改，而且利用计算实现演示，也能够相应的减少使用产品的费用。利用计算机辅助能够很大程度上加强产品的质量，以此来促进设计质量的提高。
3结语
综上所述，在机械设计中进行计算机的辅助，能够对设计具有很大的帮助。通过计算机能够完成复杂图形的设计，所以，对于企业要注重机械设计相关的计算机技术的研发，以此来提高企业的市场竞争力。
作者:刘昊 单位:山东理工大学国防教育学院
参考文献:
［1］寻耿．刍议计算机辅助设计技术在机械设计中的应用［J］．电子世界，2016(17):126．
计算机辅助范文5
关键词:曲柄滑块;VB;计算机辅助分析;运动仿真
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)05-1184-02
Computer Aided Analysis of Slider-crank Mechanism
REN Xiao-dan
(Electrical Engineering Department, Inner Mongolia Machine Electricity Occupation Technical College, Hohhot 010051, China)
Abstract: In this paper, VB has been used to develop a simple interface andstrong interactive features slider-crank mechanism analysis software. The software can achieve the motion simulation of slider-crank mechanism directly and accurately, and parameter analysis can be carried out during the motion process of slider-crank mechanism. The results show that computer-aided analysis of slider-crank mechanism can provide accurate and reliable parameter solution for mechanical design, and can shorten the design cycle and improve design accuracy.
Key words: slider-crank; visual basic; computer aided analysis; motion simulation
计算机辅助分析是在计算机技术、应用数学和模拟理论的基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术学科,广泛应用于机械工程、自动化控制工程等领域,已成为研究、设计和分析复杂问题的重要工具。随着计算机技术的飞速发展,特别是计算机处理速度的大幅度提高,为数学模型的建立和实验提供了更大的灵活性。
机械工程中最常用的机构之一是平面连杆机构,其中由曲柄摇杆机构演化而来的曲柄滑块机构应用比较广泛。运用计算机辅助分析技术对曲柄滑块机构进行了运动仿真研究,将静态机构变为动态机构,能精确地描绘出整个曲柄滑块机构的运动过程及运动曲线,为曲柄滑块机构的研究设计提供可靠的依据。
1 曲柄滑块机构的运动分析
平面连杆机构是一种应用十分广泛的机构,它在工农业机械和工程机械中得到了广泛的应用,其中尤其以曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构最为常见,例如东风联合收割机曲柄连杆切割机构、曲柄摇杆式水稻分插机构、往复式抽水机、内燃机及冲床等机器中都应用了曲柄滑块机构。曲柄滑块机构又分为偏置曲柄滑块机构和对心曲柄滑块机构。
平面机构的运动分析方法主要有图解法和解析法。如果要精确了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时,就需要采用解析法并借助于计算机进行辅助分析。因此,首先应利用矢量方程解析法对曲柄滑块机构进行运动分析,将为后续程序的开发和运动仿真做好准备。
曲柄滑块机构的运动过程如图1所示,已知各构件的尺寸及原动件1的方位角和等角速度。其中:l1为曲柄半径;l2为连杆长度;e为偏距;ω1为曲柄角速度;φ1为曲柄方位角;φ2为连杆方位角;sc为滑块位移;vc为滑块移动速度;ac为滑块移动加速度。
由图1建立矢量方程:
l1+l2=e+sc
取直角坐标系XOY,各构件的矢量方向和转角如图1所示,向X轴和Y轴投影得:
l1cosφ1+l2cosφ2=sc(1)
l1sinφ1+l2sinφ2=e (2)
将式(1)和式(2)整理得滑块和连杆的位置方程:
将位移对时间进行一次和二次求导,即可得到滑块速度 和加速度 的方程。
2 程序开发及运动仿真
程序开发采用Visual Basic 6.0,根据曲柄滑块的运动分析所建立的数学模型进行程序设计,主界面如图2所示。
曲柄滑块机构的运动仿真主要利用Picture控件,其主要设计内容包括:
1) 对图片框定义坐标系,采用了Scale方法来实现坐标系的定义;
2) 用Line方法绘制水平坐标轴和箭头;
3) 通过循环语句及Circle方法绘制所需要的曲线。
在曲柄滑块机构的计算机辅助分析界面输入参数进行计算机辅助分析。已知参数曲柄长l1=38mm、连杆长l2=960mm、曲柄转速n=300r/min、偏距e=0,点击运动分析按钮,在曲柄滑块运动分析示意图中对曲柄滑块机构(对心曲柄滑块机构)进行运动仿真,同时在滑块瞬时计算分析当中显示滑块在任意位置时的瞬时位移、速度及加速度。点击绘制曲线按钮,在窗体的右侧显示滑块的运动曲线,并以不同的颜色进行区分。
3 结束语
本软件界面友好,操作简单,当需要对曲柄滑块机构进行运动分析时,只需要输入曲柄长、连杆长、曲柄转速及偏距等,就能够对曲柄滑块机构进行运动仿真,观察到整个机构运动过程中滑块的位移、速度和加速度的瞬时值,并绘制出滑块的位移、速度和加速度变化曲线图。因此曲柄滑块机构的计算机辅助分析可实现机构的动态模拟及运动分析,设计者可根据工作要求,键盘输入设计参数即可完成。
参考文献:
[1] 孙桓,陈作模.机械原理教程[M].西安:西北工业大学出版社,2001.
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计算机辅助范文6
一、注意选择性
CAI固然有其不可估量的优越性，但也并非所有的教学内容都适合CAI。作为教师，应该对适合CAI的内容加以精选。比如：四年级数学《平行与垂直》一课中，属于概念课教学。教师先让学生自己想象，再随意画两条线，通过实物展示台展示学生的画法并进行归纳，然后把其中具有代表性的图形通过电脑课件来展示，并编上序号，要求学生对这些图形进行分类。在自主探究，构建新知的过程中，让学生讨论，交流，自主学习课本的知识，勾出重点字词或不理解的地方，边学习边阅读；在说明“同一平面”时，出示实物帮助理解。在巩固时，利用多媒体课件出示精心设计的练习；在拓展部分，要求学生自己动手折出垂线与平行线。本节课运用多种教学手段，并不拘泥于单一地使用多媒体技术，而是充分使用展示台、实物立体图形，还将数学自主阅读纳入数学课堂教学的基本环节中，把传统地教学手段与现代教学技术有机地结合起来，努力发挥它们各自的长处和使用价值。
二、注意辅
不管计算机发展到什么程度，它只能辅助教师的教，只能辅助学生的学。如数学例题的讲解，教师不可能知道所有学生的想法和做法，单靠媒体显然不能预料可能会发生的事情，因此有些必要的分析归纳过程和运算推理过程还应通过板书或板演充分地暴露给学生。在《数学课程标准》已明确指出：教学中，教师要让学生在具体的操作活动中进行独立思考，鼓励学生发表自己的意见，并与同伴进行交流。有效的学习，需要学生进行，自主探索，合作交流，教师提供适当的帮助和指导。如果连最基本的实践活动都被计算机代替，那么数学活动中本应由学生体验感悟的知识，学生根本无法完成。又如：《对称图形》一课教学中，“动手做一做”板块把传统教学与多媒体教学有机结合起来，但对于剪刀的动画既是精彩的“表演”，又是画蛇添足，教师完全可以用一把真实的剪刀进行演示，何必费力调用Flas。多媒体辅助教学虽能实现一些现实中无法完成的任务，但在课堂教学中体现的是“辅助”的作用，借助计算机辅助教学促进学生形象思维与抽象思维、合理推理能力与逻辑推理能力的同步发展。
三、注意必要性
CAI可以向学生模拟演示逼真的现象和过程，提供给学生直观、形象、生动的知识，具有其他媒体不可比拟的优势。在运用时，最好不要将它与普通的媒体（如小黑板、幻灯片）等同用之，要注意运用的必要性。一般来说，教材中难以用言语表达的，学生缺少感情认识而难以领悟的，其他媒体无法呈现的，介入CAI就能起到画龙点睛的作用，使学生茅塞顿开。计算机不可能解决教学中的所有问题。教学过程还是以学生为主体的、教学为主导的活动，师生双边的活动是联接多种教学因素最活跃的因素，是教学过程的主宰，而CAI始终处在辅的作用。
四、适时、适量、适当
并非所有的教学内容都适合计算机辅助教学，有些可以由教师讲清楚，由其他教学手段就可以解决的问题，就没有必要让教师花费大量的时间制作课件。在数学中有如下几个方面的内容适合于进行多媒体教学：函数图像问题、定值问题、轨迹问题、空间图形问题和一些比较复杂的图形或较难画出的图形。并非一堂课全程计算机辅助教学，这样容易忽视教师的主导作用，在突出重点，突破难点时，其它教学手段又无法实现时，用计算机辅助教学更能体现其价值，防止为使用计算机而使用计算机。计算机辅助教学虽然有其它教学方式所不能比拟的优越性，但它对学生学习数学也会产生一定的负面影响。计算机教学生动活泼的方式虽然适合学生的特点，但是也容易使学生在课堂上仅仅“看热闹”而忽视知识的学习；此外工具软件的应用也可能代替学生本身的思考，从而不利于其思维的训练。针对这些情况，数学教师在课件制作过程中应注意课件形式上的简洁明快，不要有过多的修饰效果，不要只注重外在形式，应注重实效，应遵循学生数学学习的心理特征、认知规律和注意力规律。
五、注重交互性、启发性、针对性和及时反馈
计算机辅助教学最突出的特点，是计算机和学生可以进行对话（当然不是以人机对话取代人际对话），在设计课件时不要只出现简单的“对话”，比如可以 采用超文本结构，学生与教师可以在课件运行时改变与控制教学活动的内容和顺序，不仅能呈现信息，而且能接受学生对指定问题的回答，并对回答给予判断和评价，提供反馈信息。可以根据学生的需要，为实现自主学习创造环境，避免出现好学生“吃不饱”，差生“吃不消”的现象，实现因材施教。
