動控舞臺傳動部分機構(gòu)設(shè)計【舞臺傳動機構(gòu)設(shè)計】

動控舞臺傳動部分機構(gòu)設(shè)計【舞臺傳動機構(gòu)設(shè)計】,舞臺傳動機構(gòu)設(shè)計,動控舞臺傳動部分機構(gòu)設(shè)計【舞臺傳動機構(gòu)設(shè)計】,舞臺,傳動,部分,部份,機構(gòu),設(shè)計 舞臺傳動部分機構(gòu)設(shè)計Design of stage transmission organization system設(shè)計： 指導(dǎo)教師： 摘 要隨著人們文化生活水平的提高，對舞臺演出節(jié)目的質(zhì)量要求越來越高。舞臺的現(xiàn)代化、智能化是必然的發(fā)展趨勢。國內(nèi)雖有部分舞臺參照了國外的舞臺形式，但整體的技術(shù)水平較低，不能滿足舞臺使用的各種功能要求。本文以北京廣播電視中心800演播廳舞臺與長影舞臺為例，通過選擇合理的傳動機構(gòu)使舞臺實現(xiàn)平穩(wěn)傳動，長度達到12米的現(xiàn)代化動控舞臺。通過舞臺伸縮的最佳速度8m/min，選擇相匹配的電動機與減速器，并通過對槽輪的設(shè)計使舞臺達到速度要求，從而依據(jù)完成主軸的設(shè)計。選擇合理的傳動機構(gòu)（鋼絲繩傳動）實現(xiàn)舞臺平穩(wěn)傳動。并注意舞臺傳動機構(gòu)與拖動機構(gòu)相匹配，共同達到舞臺設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：動控舞臺、傳動機構(gòu)、鋼絲繩傳動、主軸設(shè)計AbstractAlong with the people culture living standard enhancement, is more and more high to the stage items on the program quality requirement. The stage modernization, the intellectualization are the inevitable development tendency. The home although had a part of stage to refer to the overseas stage form, but the whole technical level was lower, could not satisfy the stage use each kind of function to request. This article take the Beijing broadcast television center 800telecasts halls stage and the Changchun Movie Studio stage as an example, enables the stage realization steady transmission through the choicereasonable transmission system, the length to achieve 12 meters modernizations move control the stage.Optimum velocity 8m/min expands and contracts which through the stage, the electric motor and the reduction gear which the choice matches, and through enables the stage to the V-belt pulley design to meet the speed requirements, thus rests on completes the main axle the design. Chooses the reasonable transmission system (rope drive) to realize the stage steady transmission. And pays attention to the stage transmission system with to drive the organization to match, meets the stage design requirements together.Key word: Moves controls the stage, the transmission system, the rope drive, the main axle design目 錄前言（2）第一章 智能舞臺控制系統(tǒng)構(gòu)成（3）第二章 舞臺設(shè)計總體原則（15）第三章 舞臺電動機的選擇要求與原則（17）第四章 減速器的選擇要求與原則（19）第五章 舞臺拖動設(shè)計（19）第六章 主軸的設(shè)計（21）結(jié)論（30）致謝（31）參考文獻（32）前 言舞臺機械是舞臺設(shè)備的主干，是影劇院禮演堂和各種綜藝活動的重要組成部分，對舞臺幕布、舞臺燈光的設(shè)計起至關(guān)重要的作用！舞臺機械設(shè)計的好壞直接影響到舞臺的整體效果，他就好比一幢大樓的根基一樣！而且舞臺機械設(shè)計和安全也有很大的關(guān)系，舞臺機械主要由舞臺吊桿組成-有幕布吊桿、燈光吊桿和景物吊桿！舞臺吊標(biāo)分為電動和手動兩種,它主要用于懸吊和升降各種幕布、燈具、布景等物，是上下左右頻繁移動機械,所以吊桿也是舞臺安全的主要系數(shù)。電動吊桿的作用可以降低工作人員的勞動強度，起至事半功倍的效果,如果一個舞臺的深度有14米,我們可以為他設(shè)置電動吊桿38道，其中24道景桿（含一道前沿幕）、14道備用吊桿【包括2道二維側(cè)光燈架】，一道升降電影銀幕架、1道燈光渡橋及無極均勻伸縮大幕機1套。通過我們多年使用舞臺吊桿機械的經(jīng)驗,我們認為泰州長江影視工程設(shè)備廠生產(chǎn)的產(chǎn)品，性能最穩(wěn)定，安全最可靠，已經(jīng)被上百家劇院采用。其運用了蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)、材質(zhì)為錫青銅，磨擦系數(shù)小，傳動效率高。有防沖頂保護、上下限保護。滑輪為鍍鋅防跳繩花輪，安裝不須焊接在滑輪梁上，如焊死，以后維修、調(diào)整極不方便。長江影視設(shè)備廠的滑輪都是用抱箍羅栓固定。當(dāng)?shù)鯒U升、降至某一位置時，ABS抱死系統(tǒng)立即斷火緊鎖馬達，這樣確保吊桿停至此位置下滑系數(shù)最小,安全性達到最高。且強弱電分開控制。所以在這里設(shè)計了舞臺機械的具體參數(shù):A、景物吊桿技術(shù)參數(shù)如下：電機功率：2.2KW吊點數(shù)：4個升降速度：0.27m/s桿體長暫定：16米電機轉(zhuǎn)速：1400轉(zhuǎn)/分速比為：40：1提升荷載為：400KG桿體為鋼管控制方式：點控該型吊相具有上下限位，沖頂保護裝置。制動形式：蝸輪、蝸桿自鎖，電磁抱閘。噪音45dB.吊桿桿體用兩根50黑鐵管焊接成吊桿，中間接頭內(nèi)襯鋼管。最后均刷防銹漆兩遍，外層噴黑色油漆。B、燈光吊桿技術(shù)參數(shù)如下：電機功率：3KW吊點數(shù)：4個升降速度：0.18m/s桿體長暫定：14米電機轉(zhuǎn)速：1400轉(zhuǎn)/分速比為：50：1提升荷載為：600KG桿體為?50黑鐵管吊桿控制方式：點控該型吊桿具有上下限位，沖頂保護裝置。制動形式：蝸輪、蝸桿自鎖，電磁抱閘。噪音45dB。吊桿桿體用50；黑鐵管焊接成吊桿，中間接頭內(nèi)襯鋼管。最后均刷防銹漆兩遍，外層噴黑色油漆。第一章 智能舞臺控制系統(tǒng)構(gòu)成1 舞臺臺面組成舞臺臺面運動可以實現(xiàn)舞臺的升降、移動升降、旋轉(zhuǎn)、升降旋轉(zhuǎn)、伸縮、伸縮升降等運動，舞臺的基礎(chǔ)變化將達到數(shù)十到近百種，從而達到舞臺與舞美、演員、場景、燈光等協(xié)調(diào)變化功能，避免了傳統(tǒng)的為一次性使用而反復(fù)搭建基礎(chǔ)舞臺造成的人力、物力、財力的浪費，縮短了節(jié)目舞臺準(zhǔn)備周期，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩、變幻無窮。智能舞臺臺面控制系統(tǒng)主要針對單元舞臺臺面運動進行控制。圖1為某廣播電視中心800mm演播廳智能舞臺臺面結(jié)構(gòu)，包括5個升降臺面，一個通道臺面，一個旋轉(zhuǎn)臺面和一個T型臺面，其中1#5#為升降臺，6#為通道臺，7#為旋轉(zhuǎn)臺，8#為帶伸縮功能的T型臺。8塊活動臺面均有現(xiàn)場手動和自動工作方式選擇，當(dāng)選擇工作方式時，其所有動作均由PLC完成。通過上位機（監(jiān)控計算機）可實現(xiàn)整體舞臺活動臺面的監(jiān)視和控制。T形臺8#升降臺1#升降臺2#升降臺3#升降臺4#升降臺5#旋轉(zhuǎn)臺7#通道臺6#圖1 舞臺臺面構(gòu)成2 臺面運動控制原理以升降臺面控制系統(tǒng)為例，說明升降臺面控制回路工作原理2。如圖2所示，舞臺的臺面運動部分由單元舞臺臺面、叉臂升降和液壓傳動結(jié)構(gòu)組成，而臺面監(jiān)控部分由上位監(jiān)控機和 PLC組成，泵站提供液壓源。系統(tǒng)啟動時，由上位機下達舞臺臺面運動量的指令，PLC接受指令，判斷決策，然后向泵站電流及液壓傳動機構(gòu)發(fā)出命令。泵站開始工作，液壓傳動機構(gòu)中油缸活塞推動叉臂機構(gòu)按輸入要求帶動升降舞臺進行升降運動。此時安裝在叉臂移動滾輪上的編碼器開始旋轉(zhuǎn)記錄行程，它隨時檢測升降臺的升降高度。系統(tǒng)中采用型號為KSJ1200編碼器，其旋轉(zhuǎn)速度為0.8圈/秒，在整個1200mm行程上編碼器約旋轉(zhuǎn)5圈，每圈產(chǎn)生500個脈沖，共產(chǎn)生5500=2500個脈沖，平均1個脈沖代表1200/2500=0.5mm。這樣，控制精度可控制在1mm。各升降舞臺即可獨立運行，也可同步運行。根據(jù)各個舞臺的不同要求組合成各種不同尺寸、不同形狀及不同面積、不同功能的舞臺。同理伸縮舞臺控制系統(tǒng)的工作原理大致相同。單元臺面叉臂結(jié)構(gòu)液壓傳動機構(gòu)泵站機構(gòu)編碼器PLC上位監(jiān)控機操作圖2 升降臺臺面控制回路示意圖通過各單元舞臺的升降、伸縮或旋轉(zhuǎn)變化，滿足演出過程中對舞臺整體變化、各種道具及人員升降或旋轉(zhuǎn)的要求。3 臺面運動控制系統(tǒng)配置如圖3所示，舞臺臺面控制系統(tǒng)主要由四大部分組成。分別是操作臺、PLC控制柜、液壓傳動機構(gòu)和各活動單元舞臺臺面。操作臺觸摸屏IPCADAM4520PLC柜電源控制柜液壓傳動機構(gòu)臺面1#臺面2#臺面3#臺面4#臺面5#臺面6#臺面7#臺面8#圖3 臺面運動控制系統(tǒng)示意圖1） 操作臺操作臺主要完成系統(tǒng)的操作任務(wù)。觸摸屏和工控機各自獨立工作。在觸摸屏操作界面上可以完成系統(tǒng)的操作任務(wù)，具體就是單元舞臺的各種工作，在IPC編程界面上可以完成系統(tǒng)的編程。2） ADAM4520亞當(dāng)姆塊為通訊接口，將上位機與PLC的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-422/RS-458串行通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，起通訊作用。3） 控制柜控制部分由PLC柜和電源控制柜組成。PLC柜主要完成系統(tǒng)的控制任務(wù)，包括PLC主機、通信模塊、輸入模塊、輸出模塊等。PLC主機接收到給定值及反饋值信號后，根據(jù)其內(nèi)部的程序進行邏輯運算，按設(shè)計要求控制各個輸出點，由執(zhí)行元件實施具體的動作，電源控制柜主要完成系統(tǒng)供電、保護系統(tǒng)供電和液壓系統(tǒng)泵站電機的供電任務(wù)，包括斷路器、缺相檢測單元和見機保護設(shè)備等組成。當(dāng)操作員發(fā)出啟動油泵指令后，程序邏輯控制器（PLC）就給泵站主變頻電機的接觸器的線圈KM上電，主油泵電機工作，油壓上升到設(shè)計要求后，自動通知操作員。然后操作員可選擇舞臺效果，如按上升命令時，舞臺上升。若所選擇的單元舞臺上升到位后，就給程序邏輯控制器（PLC）發(fā)出一個信號，程序邏輯控制器（PLC）接到此信號后，啟動維持正常油壓的維持油泵電機，當(dāng)維持油泵電機正常工作后，切斷主油泵電機，主油泵電機停止工作。這樣，主油泵電機僅在單元舞臺上升和下降時工作，油壓的維持靠維持電機來實現(xiàn)，既減少了噪音，同時起到節(jié)能的作用。油泵電機控制流程圖見圖4所示。啟動PLC主油泵電機啟動主油泵電機工作臺面運動控制臺面到位否？關(guān)斷主電機YN啟動維持電機下次啟動圖4 油泵電機控制流程圖4. 臺面運動控制回路的組成舞臺臺面控制回路是由臺面、叉臂傳動機構(gòu)4、液壓傳動機構(gòu)3、PLC、上位監(jiān)控機5等部分組成，其控制回路原理圖參見圖5。操作人員通過人機界面向PLC發(fā)出給定指令，測量裝置對舞臺升降及旋轉(zhuǎn)位置進行實時監(jiān)測，檢測值與給定值比較，PLC經(jīng)邏輯運算，命令執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動舞臺升降或旋轉(zhuǎn)。給定值上位機+PLC決策e液壓傳動裝置檢測裝置檢測值-圖5 臺面控制回路原理圖5. 控制系統(tǒng)設(shè)計 1）臺面尺寸1#5#升降臺位于舞臺后部，尺寸為3700mm3000mm，主臺面凈升降高度1200mm，臺面閉合高度600mm，單元舞臺組合成單排五列布置安裝在地平面上。6#通道臺位于旋轉(zhuǎn)升降臺與臺階升降臺之間，為方便演員在演出過程中順利地從升降臺到旋轉(zhuǎn)臺而設(shè)計。當(dāng)演員登上旋轉(zhuǎn)臺時，通道臺落到與地面齊平。臺面尺寸為1800mm940mm，臺面凈升降高度1200mm，臺面閉合高度600mm，臺階升降臺的靜載300Kg/m，動載150 Kg/m，升降速度2400mm/min。旋轉(zhuǎn)臺面及通道升降臺面用有機玻璃裝修而成。通道升降臺與旋轉(zhuǎn)升降臺組成互動升降，使旋轉(zhuǎn)升降臺形成多種立體藝術(shù)效果。7#旋轉(zhuǎn)臺位于智能舞臺中部，臺面尺寸3600mm，靜載400Kg/m，動載為150Kg/m；凈升降高度1200mm，升降速度2400mm/min，旋轉(zhuǎn)速度6004000mm/min可調(diào)；最低高度600mm，臺面可正反向旋轉(zhuǎn)。智能化舞臺的前部有1個單元伸縮、升降舞臺6，也就是8#臺。伸縮活動舞臺臺面尺寸為3700mm5400mm（由3個3700mm1800mm臺面組成），伸縮距離分別為1800mm3600mm5400mm；伸縮舞臺基礎(chǔ)高度為450mm，舞臺上3個升降臺，其臺面尺寸為3700mm1800mm，升降高度150mm左右與固定臺補平；伸縮臺靜載為300Kg/m，伸縮速度2000mm/min。固定舞臺大小面積為20000mm9600mm，高度為600mm，載荷為500Kg/m，由鋼框架及木版制成。臺口臺階尺寸為3700mm300mm150mm，靜載為300Kg/m。2）控制程序流程在控制系統(tǒng)中單元舞臺臺面是一個非常特殊控制對象，與液壓傳動機構(gòu)相比，它質(zhì)量大，從幾噸到幾十噸都有，臺面運動與叉臂運動是一致的，其傳遞函數(shù)近似地看成是一個比例環(huán)節(jié)。液壓傳動機構(gòu)時間常數(shù)不大，所以這里采取邏輯控制策略。因為伸縮升降臺和旋轉(zhuǎn)臺決策原理同升降臺一樣，以升降臺為例說明其控制原理。根據(jù)廣電中心演播廳的現(xiàn)場要求及技術(shù)指標(biāo)，要求5個升降臺閉合高度為600mm，凈升降高度為1200mm，整個升降高度共分四個階段完成，每一階段高度為300mm。每個升降臺即可以一次性升降到指定高度后停止，也可以分階段升降，即每次只升降300mm停止，多次升降到指定高度。五個升降臺可以同步進行升降到指定高度值。臺面高度指定值i，按照分四個階段共有五個高度值分別賦值給五個變量：i=1200，i=900，i=600，i=300，i=0。下面以1#升降單元舞臺為例，闡述其具體的工作過程，程序流程如圖6所示。EM232操作臺ADAM1520電源CPU226通訊塊接口EM223EM223EM223變頻器泵站電機旋轉(zhuǎn)臺液壓傳動機構(gòu)1#-5#升降臺液壓傳動機構(gòu)通道臺液壓傳動機構(gòu)伸縮梯形臺備用圖6 PLC網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖6. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)備800m演播廳智能化舞臺主要由前區(qū)伸縮T形臺、中區(qū)旋轉(zhuǎn)升降臺及通道升降臺、固定臺、后區(qū)臺階升降臺、電氣驅(qū)動及液壓傳動系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)及軟件等部分組成?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)備如附表。附表 基本配置表品號設(shè)備名稱型號規(guī)格單位數(shù)量Z-1臺階升降臺HSJ1200型套5Z-2通道升降臺HTDSJ1200型套1Z-3旋轉(zhuǎn)升降臺HXS3600/1200型套1Z-4伸縮升降臺HSS5400型套1Z-5固定臺HGD600型套1Z-6固定臺階HTJ150型套5Z-7油缸CJT140-CA100C1套1Z-8減速器RDY100-60Y1.1-ZA-B11套1Z-9觸摸屏臺達PWS-1700-STN套1Z-10PLCSiemens s7-200CPU226套17. 控制系統(tǒng)監(jiān)控點統(tǒng)計針對本文所描述的廣電中心800m演播廳單元舞臺控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，共需要監(jiān)控點96個，其中輸入點57個，輸出點39個。根據(jù)廣電中心800m演播廳活動舞臺設(shè)計要求，采用一臺PLCS7-200，其配置如下：CPU226 1個 主機EM223 3個 （擴展模塊）EM232 1個 （擴展模塊）其中，CPU226控制泵站電機變頻器，1#3#泵站及旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)動作。1#EM223輸出點驅(qū)動1#5#升降臺升降運動；2#EM223輸出點驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺升降及通道臺升降運動；3#EM223輸出點驅(qū)動伸縮T形臺伸縮及升降運動。EM232作備用。PLC網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。啟動油泵電機主油泵電機是否故障？1#升降舞臺工作方式？取給定值i計算偏差e=給定值反饋值E0？PLCQ1輸出1#升降舞臺上升電磁閥SV1上電1#升降舞臺上升iPLCQ1輸出1#升降舞臺上升電磁閥SV1上電1#升降舞臺下降i取反饋值取反饋值1#升降舞臺上升1#升降舞臺下降1#升降舞臺是否上升到最高位？PLCQ1輸出1#升降舞臺上升電磁閥SV1上電1#升降舞臺上升i按上升命令手動方式Y(jié)NYNNNYN自動方式圖7 1#舞臺升降程序流程示意圖由上面的實例，可借鑒到本舞臺設(shè)計中。下面為舞臺設(shè)計內(nèi)容。第二章 舞臺設(shè)計總體原則1、鋼結(jié)構(gòu)a)所有承重的鋼結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)剛度大于1：1000b)鋼結(jié)構(gòu)件應(yīng)設(shè)計合理，鋼結(jié)構(gòu)及其接頭應(yīng)能承受最大額定載荷和由緊急停車造成的沖擊載荷；c)鋼結(jié)構(gòu)件所用材料應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；d)鋼結(jié)構(gòu)焊縫須符合有關(guān)規(guī)定，主要焊縫應(yīng)進行無損探傷檢查；2、吊物與卷揚裝置卷揚機卷揚機上的電動機和制動器應(yīng)聯(lián)合動作，只有電動機電源接通時，才能許可制動器打開；萬一制動器打開，而電動機沒有接通電源時，只許吊桿（負載）靜止或低速下降；卷筒組件卷筒直徑不小于鋼絲繩直徑的30倍；卷筒用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或厚壁無縫鋼管焊接并經(jīng)精確機械加工而成；鋼絲繩嶼卷筒繩槽中心線的夾角應(yīng)中于2.5度；卷筒組件應(yīng)設(shè)計防止鋼絲繩在負荷或松馳狀態(tài)下跳槽的裝置?；喕喌墓?jié)圓直徑，不應(yīng)小于鋼索直徑的28倍；滑輪及滑輪組應(yīng)采用滾動軸承支承；滑輪及滑輪組應(yīng)有防止鋼絲繩脫槽的保護裝置。鋼絲繩與滑輪的偏角不超過2.5度。鋼絲繩懸吊鋼絲繩應(yīng)為帶有人造纖維芯的軟鋼絲繩；預(yù)先檢驗：供貨時所有的鋼絲繩均應(yīng)分批測試；現(xiàn)場處理：鋼絲繩在安裝期間應(yīng)小心處理，不能以任何方式技術(shù)打結(jié)或損壞；受損或變形的鋼絲繩不予接收。所有切斷頭都應(yīng)妥善處理；安裝：鋼絲繩不應(yīng)與設(shè)備的固定或移動部分磨擦，在有損壞或卡住風(fēng)險的地方，應(yīng)采取正確防護措施；懸掛支承：穿過頂樓的轉(zhuǎn)向滑輪或在其它需要懸掛支承的地方，鋼絲繩應(yīng)在滑輪上進行支承。鋼絲繩配件鋼絲繩配件應(yīng)采用表面鍍鋅的標(biāo)準(zhǔn)配件；鋼絲繩配件規(guī)格尺寸與鋼絲繩匹配；使用鋼絲繩夾的地方，每個接頭至少使便用3個正確安裝的繩夾。3、吊桿a)吊桿采用圓管桿或桁架桿，管子或構(gòu)架應(yīng)平直、無扭曲變形；b)管桿采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管制造；c)桿的接頭應(yīng)盡量少，接頭采用實心圓棒與管子配合；d)懸吊鋼絲繩的端頭用單獨安裝于桿上的調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)整；e)管端：管端應(yīng)配有帶醒目顏色的永久性塑料帽或鋼封頭；4、限位、定位、超程開關(guān)a)限位及定位開關(guān)i.行程終止限們開關(guān)：行程終止限位開關(guān)應(yīng)能測出設(shè)備正常行程綹并使之停車；ii.中間定位開關(guān)：在合適的地方配置中間定位開關(guān)和減速開關(guān)；iii.直接碰撞限位開關(guān)：行程終止限位開關(guān)也可選用直接碰撞限位開關(guān)。b)超程限位開關(guān)超程限位開關(guān)：所有電動設(shè)備都應(yīng)安裝單獨的超程限位開關(guān)，以防行程終止限位開關(guān)發(fā)生故障導(dǎo)致機械損傷。5、電動機a)工作循環(huán)：舞臺機械按斷續(xù)操作設(shè)定。每個工作循環(huán)規(guī)定為在載荷條件下6次全行程運轉(zhuǎn)并有15min停頓；b)電動機型號：舞臺機械的偉動裝置，采用國內(nèi)第一品牌上海躍進電動機。c)功率因素：所有電動機的功率因素應(yīng)大于或等于0.85。第三章 舞臺電動機的選擇要求與原則步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當(dāng)量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應(yīng)當(dāng)估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算：（1）計算齒輪的減速比根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比i計算如下:i=(S)/(360) (1-1) 式中-步進電機的步距角（/脈沖）S-絲桿螺距（mm)-(mm/脈沖）（2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。Jt=J1+（1/i)(J2+Js）+W/g（S/2) （1-2）式中Jt-折算至電機軸上的慣量(Kgcms)J1、J2-齒輪慣量(Kgcms)Js-絲桿慣量(Kgcms)W-工作臺重量（N）S-絲桿螺距（cm）（3）計算電機輸出的總力矩MM=Ma+Mf+Mt （1-3）Ma=（Jm+Jt) n/T1.0210（1-4）式中Ma-電機啟動加速力矩（Nm)Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kgcms)n-電機所需達到的轉(zhuǎn)速（r/min）T-電機升速時間（s）Mf=(uWs)/(2i)10（1-5）Mf-導(dǎo)軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（Nm)u-摩擦系數(shù)-傳遞效率Mt=(Pts)/(2i)10（1-6）Mt-切削力折算至電機力矩（Nm)Pt-最大切削力（N）（4）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為fq=fq0(1-(Mf+Mt)/）(1+Jt/Jm)1/2（1-7）式中fq-帶載起動頻率（Hz）fq0-空載起動頻率Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（Nm)若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算。（5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。（6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.20.4)Mmax。第四章 減速器的選擇要求與原則通過對電動機的性能了解以及舞臺動空的要求，選擇適當(dāng)?shù)臏p速器。蝸桿減速器的特點是在外輪廓尺寸不大的情況下，可以獲得大的傳動比，工作穩(wěn)定，噪聲較小，但效率較低。其中應(yīng)用最廣的是單級蝸桿減速器，兩級蝸桿減速器則應(yīng)用較少。單級蝸桿減速器根據(jù)蝸桿的位置可分為上蝸桿、下蝸桿及側(cè)蝸桿三種。單級蝸桿減速器常用的傳動比i=1070。選擇蝸桿配置方案時，應(yīng)盡可能地選用下蝸桿的結(jié)構(gòu)。因為此時的潤滑和冷卻問題均較易解決，同時蝸桿軸承的潤滑也很方便。當(dāng)蝸桿的圓周速度大于45m/s時，為了減少攪油和飛濺時損耗的功率，可采用上蝸桿結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計所需的傳動比與圓周速度，選擇單級下蝸桿結(jié)構(gòu)減速器。第五章 舞臺傳動設(shè)計國內(nèi)有大多數(shù)劇場采用的是3米舞臺的伸縮來實現(xiàn)舞臺效果，例如藍桂坊。這些只能滿足比較小的場合。所以過內(nèi)需要一些比較大點的T型舞臺，例如長影所設(shè)計的，應(yīng)用的合理。下面所設(shè)計的是12米T型舞臺的伸縮。舞臺的行進速度控制在8m/min左右時，舞臺上的模特才能正常行走，不至于不適應(yīng)。怎樣能把舞臺進速度控制在8m/min呢？從總體設(shè)計角度看，應(yīng)由舞臺行進速度往前推，來選擇電動機和減速器。如果還達不到要求，應(yīng)從滾輪直徑上找，設(shè)計要求主軸轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/min。初步估算槽輪的直徑D=250mm，這樣主軸旋轉(zhuǎn)一分鐘時前進8m左右，而槽輪旋轉(zhuǎn)一周舞臺將前進S=D=3.14250=758mm，L=758mm10轉(zhuǎn)/min=7.58m，近似于8m，所以舞臺的速度就可以控制在8m/min。估算皮帶傳動的傳動比為1.8，則減速器所輸出的轉(zhuǎn)速約為18轉(zhuǎn)/min，選擇的減速器的傳動比為1：50，則推算出電動機的轉(zhuǎn)速n=18轉(zhuǎn)/min50=900轉(zhuǎn)/min，所以選擇電動機的轉(zhuǎn)速為910轉(zhuǎn)/min。經(jīng)計算電動機轉(zhuǎn)速為910轉(zhuǎn)/min,，滾輪直徑為254，這樣舞臺行進速度剛好為8m/min。所以選定電機型號為Y90S-6步電電機。外購減速器型號為WHT08-53-II的蝸桿減速器。電機與減速器布置在舞臺前半端。如何選用傳動機構(gòu)是非常關(guān)鍵的，齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。而鏈傳動只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動，運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時有很大的噪聲，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應(yīng)用，且也不宜用于傳動距離過大的場合。故應(yīng)選擇適合本設(shè)計的傳動方式，所以采用鋼絲繩傳動。鋼絲繩傳動價格合適，安裝簡易，傳動平穩(wěn)，適合傳動距離很大的傳動場合。鋼絲繩的直徑選擇應(yīng)滿足拉力校核強度，選用4.7的鋼絲繩。由于動控裝置有非常大的慣性，必須配置一個制動器，作用是把主軸抱住不動，不至于舞臺沖出軌道。根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)，可以外購制動器。整套系統(tǒng)裝置得用膨脹螺絲固定在地面上，地面需光滑，有了這些基礎(chǔ)系統(tǒng)才能平穩(wěn)的運行。各部件應(yīng)按裝配圖擺放。（見圖紙DKET-01-00）舞臺由鋼絲繩拉動行進，鋼絲繩纏繞在滾輪上，為減輕鋼絲繩所受拉力負載過大，可減輕滾輪重量，即滾輪設(shè)計為空心。這樣可以避免鋼絲繩被拉斷。為了使鋼絲繩不打滑，不丟轉(zhuǎn)，鋼絲繩必須張緊，可用連接在鋼絲繩兩端的連接軸銜接，連接軸后端設(shè)有螺母，用來回擰鋼絲繩，調(diào)節(jié)張緊力。連接軸上必須設(shè)有彈簧來控制鋼絲繩的張緊力，使鋼絲繩不松不緊，松緊適中，不打滑和丟轉(zhuǎn)。如果沒有彈簧來控制鋼絲繩的張緊力，舞臺則在行進開始和結(jié)束時，裝置會因慣性發(fā)出聲響，沒有緩沖，影響整體效果。選擇彈簧時，應(yīng)選擇彈簧張緊力適當(dāng)?shù)闹行詮椈?，直徑?0mm左右，可以外購。已知滾輪直徑為D=254mm，長度為h=220mm，纏繞的兩條鋼絲繩相距為l=7mm，鋼絲繩用螺母鎖緊在滾輪表面中心，故Q=(h/2)/l=(110/2)/716圈C=D=3.14254800mmL=CQ=8001613000mm其中,Q為鋼絲繩所繞的圈數(shù)，C為鋼絲繩繞滾輪一圈的長度，L為所需鋼絲繩的總長。由上可知，滾輪在轉(zhuǎn)15圈左右時，鋼絲繩能出去13m左右?？刂其摻z繩拉動舞臺行進在13m時，鋼絲繩能正好繞滿滾輪，如果超出13m，鋼絲繩將繞出滾輪。外購鋼絲繩，選擇GB1102-74，674.7的鋼絲繩，總長為13m。另外，整套裝置的高度應(yīng)低于舞臺中間高度，也就是低于410mm。如果不夠，必須在地面上挖出一條供裝置行走的軌道，這樣才能使裝置在行進過程中不能碰到舞臺支架。整套裝置用膨脹螺栓固定在地面上，地面要求光滑、結(jié)實，如果地面比較軟，則需打水泥基礎(chǔ)。第六章 主軸的設(shè)計1. 求減速器輸出軸上的功率P3、轉(zhuǎn)速n3和轉(zhuǎn)矩T3 若取每級齒輪傳動的效率（包括軸承效率在內(nèi)）=0.97，則 P3=P=0.750.97KW=0.73 KW又 n3= n11/i=9101/50 r/min =18.2 r/min于是 T3=9550000 P3/n3=95500000.73/18.2 Nmm383050 Nmm2. 初步確定軸的最小直徑（見圖1） 先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機械設(shè)計表15-3，取A0=112，于是得 dmin= A0 =112 mm=39.1 mm 輸出軸的最小直徑顯然是安裝制動器處軸的直徑d-。為了使所選的軸直徑d-與制動器的孔徑相適應(yīng)，故需同時選取制動器型號。購買的制動器的孔徑d=40mm,故取d-=40mm；制動器長度L=42mm。圖1 軸的結(jié)構(gòu)簡圖3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計1) 擬訂軸上零件的裝配方案軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，并且生產(chǎn)率高，成本低。一般地說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡化。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出45的倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。它們的尺寸可參看標(biāo)準(zhǔn)或手冊。2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 （1）為了滿足制動器的軸向定位要求，-與-軸段左端需制出一軸肩，故取-段與-段的直徑d-=d-=45mm;右端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=55mm。制動器與軸配合的轂孔長度L1=40mm，為了保證軸端擋圈只壓在制動器上而不壓在軸的端面上，故-段的長度應(yīng)比L1略短一些，現(xiàn)取l-=40mm。（2）制動器與軸承座支架應(yīng)有一端距離，故取l-=l-=42mm.（3）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)d-=45mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級的單列圓錐滾子軸承30309，GB276-82其尺寸為dDT=45mm120mm30mm,故d-=d-=45mm;而l-=l-=30mm。 （4）軸承左端應(yīng)有軸肩進行軸向定位，又有圓螺母對槽輪進行軸向定位，選取圓螺母為M48，螺母高度為15，故d-=48mm,切削螺紋時應(yīng)有退刀槽，取長度 l-=51mm。 （5）根據(jù)設(shè)計出的槽輪長度，取l-=215mm，槽輪兩端用元盤固定，根據(jù)設(shè)計出的元盤結(jié)構(gòu)，元盤轂孔直徑為50mm，長度為40mm，故取d-=d-=50mm，d-=49mm。槽輪左端采用軸肩進行軸向定位，定位軸肩高度h=2.5mm,因此，取d-=55mm,l-=30mm。 （6）根據(jù)大皮帶輪結(jié)構(gòu)，取安裝大皮帶輪處的軸段-的直徑d-=40mm,大皮帶輪左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=55mm.大皮帶輪與軸配合的轂孔長度L=52mm,為了保證軸端擋圈只壓在大皮帶輪上而不壓在軸的端面上，故-段的長度應(yīng)比L略短一些，現(xiàn)取l-=50mm。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 3）軸上零件的周向定位 制動器、元盤與大皮帶輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。按d-由手冊查得平鍵截面bh=12mm4.8mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為35mm，同時為了保證制動器與軸配合有良好的對中性，故選擇制動器輪轂與軸的配合為H7/n6；元盤與軸的聯(lián)接，選用平鍵為16mm4mm40mm，元盤與軸的配合為H7/k6；同樣，大皮帶輪與軸的聯(lián)接，選用平鍵為12mm4.8mm40mm，大皮帶輪與軸餓配合為H7/n6。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 4）確定軸上圓角和倒角尺寸 參考機械設(shè)計中表15-2，取軸端倒角為145，各軸肩處的圓角半徑為245。4.求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（圖DKWT-01-08）作出軸的計算簡圖（圖2） 圖2 軸的載荷分析圖 在確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取a值。對于30309型圓錐滾子軸承，由手冊中查得a=28mm。因此，作為簡支梁的軸的支承跨距L2+L3=122.5mm+143.5mm=266mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖（圖1）。 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面。計算出截面C處的MH、MV及M的值支反力F：FNH1=3327N，F(xiàn)NH2=1675N，F(xiàn)NV1=1869N，F(xiàn)NV2=-30N彎矩M ：MH=236217 Nmm ，MV1=132699 Nmm，MV2=-4140 Nmm 總彎矩 ：M1=270938 Nmm M2=236217+4140=236253 Nmm 扭矩T ：T3=960000 Nmm5.抗彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。取=0.6，軸的計算應(yīng)力 ca= M+（T3）/W= 270938+（0.6960000）MPa=18.6MPa 前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由機械設(shè)計中表15-1查得 -1=60MPa。因此caS=1.5故可知其安全。3）截面左側(cè)抗彎截面系數(shù)W按機械設(shè)計中表15-4中的公式計算：W=0.1d=0.148mm=11059.2mm抗扭截面系數(shù)WT為WT =0.2d=0.245mm=22118.4mm彎矩M及彎曲應(yīng)力為M=270938(122.5-30)/122.5 Nmm =204586 Nmm b=M/W=204586/11059.2 MPa=18.50 MPa扭矩T3及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為T3=960000 NmmT = T3/WT =960000/22118.4 MPa =43.40 MPa過盈配合處的k/值，由機械設(shè)計中附表3-8用插入法求出，并取k/=0.8k/，于是得k/=3.16 k/=0.83.16=2.53軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)為=0.92故得綜合系數(shù)為K= k/ +1/ -1=3.16+1/0.92 -1=3.25 K= k/ +1/ -1=2.53+1/0.92 -1=2.62所以軸在截面左側(cè)的安全系數(shù)為S=-1/( Ka+m)=275/(3.2518.50+0.10)=4.56 S=-1/( Ka+m)=155/(2.6221.70+0.0521.70)=2.68 Sca= SS/ S + S =4.562.68/ 4.56 +2.68 =3.15S=1.5故該軸在截面左側(cè)的強度也是足夠的。因本裝置的瞬時過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。至此，軸的設(shè)計計算即告結(jié)束。最后，按總體要求進行裝配，零件圖與裝配圖見圖紙。結(jié) 論本設(shè)計所涉及的知識面有機械零件設(shè)計手冊的內(nèi)容、機械傳動（繩傳動）原理和焊接技術(shù)及材料選用。所以，通過本次題目設(shè)計可更好的掌握機械設(shè)計原理與應(yīng)用和舞臺設(shè)計的基本了解，對以后的學(xué)習(xí)和工作起到了很關(guān)鍵的作用。致 謝經(jīng)過兩個多月的畢業(yè)設(shè)計，終于完成了這篇論文。此間，我查閱并參考了國內(nèi)外大量的文獻書刊對機械知識有了全面、系統(tǒng)、深入的認識，增強了所學(xué)知識的綜合運用能力，同時又翻譯了一定的外文資料，整個過程使我受益匪淺。在整個寫作過程中，張廣杰老師給我提供了大量國內(nèi)外寶貴機械專業(yè)資料，且給予我耐心的指導(dǎo)，他們嚴(yán)謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)給我留下了難忘的記憶，在他們的幫助下，我學(xué)到了許多知識，相信這些在我以后的工作中會有很大的引導(dǎo)作用。在此，我向張老師表示衷心的感謝！同時也向曾給予我大力支持和幫助的老師同學(xué)表示感謝！由于本人才疏學(xué)淺，知識水平有限，且時間倉促，沒有工作中的實際動手能力，在寫作過程中難免有疏漏和不完善之處，敬請諸位老師和同學(xué)給予批評指正。謝謝！參考文獻1.機械零件設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社 1991年2.機械工程手冊機械工業(yè)出版社 1996年3.機械工程圖學(xué) 科學(xué)出版社 ISBN7-03-009529-4/TH.73 1992年4.焊工手冊機械工業(yè)出版社 1991年5機械傳動設(shè)計手冊 江耕華等主編 煤炭工業(yè)出版社 1989年6.機械設(shè)計 濮良貴、紀(jì)名剛主編 高等教育出版社 2004年機械產(chǎn)品方案的現(xiàn)代設(shè)計方法及發(fā)展趨勢摘要：根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能四種類型。指出四種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。引言科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設(shè)計，尤其是機械產(chǎn)品方案的設(shè)計手段，則顯得力不從心，跟不上時代發(fā)展的需要。目前，計算機輔助產(chǎn)品的設(shè)計繪圖、設(shè)計計算、加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初期方案的計算機輔助設(shè)計卻遠遠不能滿足設(shè)計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的基礎(chǔ)上，概括總結(jié)了國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行方案設(shè)計時采用的方法，并討論了各種方法之間的有機聯(lián)系和機械產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的發(fā)展趨勢。根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品方案設(shè)計所用方法的主要特征，可以將方案的現(xiàn)代設(shè)計方法概括為下述四大類型。1、系統(tǒng)化設(shè)計方法系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221“技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。 制定的機械產(chǎn)品方案設(shè)計進程模式，基本上沿用了德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2221的設(shè)計方式。除此之外，我國許多設(shè)計學(xué)者在進行產(chǎn)品方案設(shè)計時還借鑒和引用了其他發(fā)達國家的系統(tǒng)化設(shè)計思想，其中具有代表性的是：(1)將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。(2)將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。(3)將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題： 一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段 。由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。1.1設(shè)計元素法用五個設(shè)計元素(功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù))描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。1.2圖形建模法研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接 。將設(shè)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。文獻11將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。1.3“構(gòu)思”“設(shè)計”法將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”階段。從設(shè)計方法學(xué)的觀點出發(fā)，將明確了設(shè)計任務(wù)后的設(shè)計工作分為三步：1) 獲取功能和功能結(jié)構(gòu)(簡稱為“功能”)；2) 尋找效應(yīng)(簡稱為“效應(yīng)”)；3) 尋找結(jié)構(gòu)(簡稱為“構(gòu)形規(guī)則”)。并用下述四種策略描述機械產(chǎn)品構(gòu)思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應(yīng)”和“構(gòu)形規(guī)則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創(chuàng)建變型方案，由此產(chǎn)生廣泛的原理解譜。策略2：“效應(yīng)”與“構(gòu)形規(guī)則”(包括設(shè)計者創(chuàng)建的規(guī)則)關(guān)聯(lián)，單獨考慮功能(通常與設(shè)計任務(wù)相關(guān))。此時，辨別典型的構(gòu)形規(guī)則及其所屬效應(yīng)需要有豐富的經(jīng)驗，產(chǎn)生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應(yīng)”、“構(gòu)形規(guī)則”三者密切相關(guān)。適用于功能、效應(yīng)和構(gòu)形規(guī)則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領(lǐng)域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對設(shè)計要求進行結(jié)構(gòu)化求解。該策略從已有的零件出發(fā)，通過零件間不同的排序和連接，獲得預(yù)期功能 。1.4矩陣設(shè)計法 在方案設(shè)計過程中采用“要求功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關(guān)系，得到滿足要求的功能設(shè)計解集，形成不同的設(shè)計方案。再根據(jù)“要求功能”邏輯樹建立“要求功能”關(guān)聯(lián)矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復(fù)雜關(guān)系，表示出要求與功能間一一對應(yīng)的關(guān)系。 Kotaetal將矩陣作為機械系統(tǒng)方案設(shè)計的基礎(chǔ)，把機械系統(tǒng)的設(shè)計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設(shè)計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設(shè)計模塊用運動轉(zhuǎn)換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設(shè)計模塊被表示為參數(shù)矩陣和一個運動方程。1.5鍵合圖法 將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方 法。 2、結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法 從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設(shè)計任務(wù)時以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引用已有的產(chǎn)品解(如通用零件部件等)描述設(shè)計任務(wù)，即分解任務(wù)時就考慮每個分任務(wù)是否存在對應(yīng)的產(chǎn)品解，這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設(shè)計任務(wù)中可能存在的矛盾，早期預(yù)測生產(chǎn)能力、費用，以及開發(fā)設(shè)計過程中計劃的可調(diào)整性，由此提高設(shè)計效率和設(shè)計的可靠性，同時也降低新產(chǎn)品的成本。Feldmann將描述設(shè)計任務(wù)的功能化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為四層，(1)產(chǎn)品(2)功能組成(3)主要功能組件(4)功能元件。并采用面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產(chǎn)品開發(fā)早期和設(shè)計初期使用的工具軟件STRAT。認為專用機械中多數(shù)功能可以采用已有的產(chǎn)品解，而具有新型解的專用功能只是少數(shù)，因此，在專用機械設(shè)計中采用功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對于評價專用機械的設(shè)計、制造風(fēng) 險十分有利。 提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。理想的模塊化基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。 以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。 根據(jù)機械零部件的聯(lián)接特征，將其歸納成四種類型：1)元件間直接定位，并具 有自調(diào)整性的部件；2) 結(jié)構(gòu)上具有共性的組合件；3)具有嵌套式結(jié)構(gòu)及嵌套式元件的聯(lián)接 ；4)具有模塊化結(jié)構(gòu)和模塊化元件的聯(lián)接。并采用準(zhǔn)符號表示典型元件和元件間的連接規(guī)則，由此實現(xiàn)元件間聯(lián)接的算法化和概念的可視化。 在進行機械系統(tǒng)的方案設(shè)計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規(guī)定功能分解的最佳“?；背潭仁枪δ芘c機構(gòu)型式的一一對應(yīng)。“結(jié)構(gòu)建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現(xiàn)映射算法。 3、基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計方法 基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。 機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。3.1編碼法 根據(jù)“運動轉(zhuǎn)換”功能(簡稱功能元)將機構(gòu)進行分類，并利用代碼描述功能元和機構(gòu)類別，由此建立起“機構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計專家系統(tǒng)”知識庫。在此基礎(chǔ)上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結(jié)合，建立了該“專家系統(tǒng)”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設(shè)計中。利用生物進化理論，通過自然選擇和有性繁殖使生物體得以演化的原理，在機構(gòu)方案設(shè)計中，運用網(wǎng)絡(luò)圖論方法將機構(gòu)的結(jié)構(gòu)表達為拓撲圖，再通過編碼技術(shù)，把機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能轉(zhuǎn)化為個體染色體的二進制數(shù)串，并根據(jù)設(shè)計要求編制適應(yīng)值，運用生物進化理論控制繁殖機制，通過選擇、交叉、突然變異等手段，淘汰適應(yīng)值低的不適應(yīng)個體，以極快的進化過程得到適應(yīng)性最優(yōu)的個體，即最符合設(shè)計要求的機構(gòu)方案