机械系统设计综合应用实例

—145—《装备维修技术》2021年第5期1引言多年来，机械设计人员在机械设计中大都是采用传统的设计方法、凭借经验、图表和类比的办法，借助有限的计算次数，得到有限的设计方案，然而确定出的设计结果却不能令人满意。

如何使自己设计的结果能够获得公认最优，设计出的机械产品经济技术效果最佳，这是机械设计人员毕生的愿望，为此他们在设计中绞尽脑汁。

随着科学技术的发展、数学规划理论进一步完善以及计算机的普及、机械设计方法与技术能力渐趋提高，机械设计方法技术有了突破的跃进条件和可能。

机械最优设计技术、计算机辅助设计、现代设计方法学等新型设计技术由此而生。

这些新技术的应用，对加速机械产品的开发与应用、改变机械工业的面貌起到非常重要的作用。

1.1最优化的基本概念最优化设计是现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。

是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或“自动探索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法［1］。

其设计原则是最优设计；设计手段是电子计算机及计算程序；设计方法是采用最优化数学方法。

近年来，为了普及和推广应用优化技术，已经将各种优化计算程序组成使用十分方便的程序包，并已进展到建立最优化技术的专家系统，这种系统能帮助使用者自动选择算法，自动运算以及评价计算结果，用户只需很少的优化数学理论和程序知识，就可有效地解决实际优化问题。

虽然如此，但最优化的理论和计算方法至今还未十分完善，有许多问题仍有待进一步研究探索。

1.2最优化在机械设计中的位置机械设计最优化和与其对应的新技术的研究领域正处于一个孕育和创新的阶段。

机械最优设计技术是将数学规划理论、计算机技术和机械设计理论三者揉合在一起的。

它既不同于传统的机械设计理论，也不同于机械优化设计，它特别强调了一个“最”字，是将机械设计问题通过数学模型的建立，转变为数学函数格式化，然后采用数学规划理论，有计算机寻求迭代确定设计问题的极值，其结果的唯一性充分体现了设计公认最优。

简单机械综合应用实例引言简单机械是指构成简单且不可再分的机械，它们是许多复杂机械的基本组成部分。

简单机械的运用广泛，可以在各种场景中发挥重要作用。

本文将介绍几个简单机械的综合应用实例，包括杠杆、滑轮和斜面。

杠杆应用实例杠杆是一种简单机械，由一个杠杆臂和一个支点组成。

在杠杆应用实例中，我们将讨论两个常见的应用场景：撬动和天平。

撬动杠杆的一个主要用途是在需要施加大力的情况下，通过撬动来实现。

一个经典的撬动应用实例是使用撬棍打开一个沉重的物体，如移动家具或打开被卡住的门。

撬动的原理是利用杠杆臂和支点的结构，在施加力的一端实现较小的力量，然后通过杠杆臂所产生的倍率作用，实现对另一端大力的施加。

这种应用实例中的杠杆可以起到减轻人力劳动的作用，提高工作效率。

天平天平也是杠杆的一种应用形式，它用于比较不同物体的重量。

天平通常由一个支点和两个杠杆臂组成，物体被放置在两个臂上的称盘上。

通过加入物体进行称重，我们可以比较物体的重量差异。

天平的运作原理是当两边的杠杆臂长度或质量不平衡时，称盘将倾斜朝较重的一方。

通过不断调整杠杆臂上的配重物，使得天平保持平衡，我们可以确定物体的重量。

这种应用实例中的杠杆可以实现准确的重量测量，例如在商业领域中常用的秤。

滑轮应用实例滑轮是一种简单的机械装置，常用于改变力的方向和幅度。

在滑轮应用实例中，我们将讨论提升系统和滑轮组合。

提升系统提升系统是滑轮的典型应用形式，用于举升重物。

系统由滑轮和绳索组成，可以通过施加力来提升重物。

提升系统的原理是利用滑轮的力量翻倍效应。

通过增加滑轮的数量，我们可以减小每个滑轮承受的重量，从而减轻施加在绳索上的力量。

这种应用实例中的滑轮可以帮助人们处理重物，如建筑工地上使用的起重机。

滑轮组合滑轮组合是由多个滑轮组合而成的复杂系统。

滑轮组合可以提供更大的力量增益，并改变力的方向。

这种应用实例中的滑轮组合可以用于提供大力量的场景，如船只上的绞车。

滑轮组合的原理是通过将滑轮串联或并联，使得力的方向和大小的变化。

机械设计中的机械设计案例分析机械设计是一门综合性学科，涉及到多个专业领域的知识和技术。

在实际的机械设计过程中，通过分析不同的机械设计案例，可以更好地理解机械设计的原理和方法。

本文将通过对几个典型的机械设计案例的分析，来探讨机械设计的重要性和应用。

案例一：汽车发动机设计在汽车发动机设计中，需要考虑到各个部件之间的协调和配合，以达到最佳的性能和效率。

通过对发动机的结构和工作原理的深入分析，可以发现不同的设计参数对其性能的影响。

例如，缸径和活塞行程的选择会直接影响到发动机的排量和功率输出。

同时，曲轴和连杆的设计对发动机的平衡性和振动也有着重要的影响。

案例二：机械振动减震设计在机械系统中，振动是一个常见的问题。

通过合理设计和选用减振装置，可以有效地控制机械系统的振动幅度，提高工作的稳定性和可靠性。

例如，在建筑机械中，通过对支座和减振材料的选择，可以减小机械振动对周围环境的影响，保护机械系统的安全和稳定工作。

案例三：飞机机翼设计飞机机翼的设计是一个复杂而关键的过程。

通过对飞机的重心、气动力学原理和结构强度等因素的综合分析，可以得出最佳的机翼设计方案。

例如，翼型的选择和机翼的几何构造对于飞机的升力和阻力产生巨大的影响。

同时，机翼材料和结构设计也需要考虑到飞机在不同工况下的安全性和可靠性。

结语通过对上述机械设计案例的分析，我们可以看到机械设计在实际工程中的重要性和应用。

合理的机械设计可以提高机械系统的性能和效率，减少能源消耗和环境影响。

因此，在机械设计过程中，需要综合考虑各个因素，运用科学的方法和技术，以实现最佳的设计效果。

注意：此文章为机械设计案例分析，为了使篇幅符合要求，只涵盖了三个典型案例。

实际上，机械设计领域涉及的案例和内容非常丰富多样。

不同类型的机械设备和系统都有各自的设计要求和特点。

因此，在实际的机械设计工作中，需要根据具体情况进行综合分析和设计方案的制定。

机械最优化设计及应用实例
机械最优化设计是指基于数学模型和优化算法，通过对机械系统的设计参数进行优化，以使系统满足一定的性能指标或者达到最优的设计目标。

以下是机械最优化设计的一些应用实例：
1. 汽车设计：汽车是一个复杂的机械系统，涉及到多个设计参数，如引擎排量、车身重量、气动设计等。

通过机械最优化设计，可以优化汽车的燃料效率、行驶稳定性等性能指标。

2. 飞机设计：飞机的设计涉及到多个参数，如机翼形状、机身结构等。

通过机械最优化设计，可以优化飞机的升力、阻力等性能指标，提高飞机的飞行效率和安全性。

3. 增材制造：增材制造是一种先进的制造技术，通过逐层加工材料来制造复杂的结构。

机械最优化设计可以用来优化增材制造的工艺参数，如激光功率、扫描速度等，以实现高质量、高效率的制造过程。

4. 结构优化：机械系统的结构设计是一个关键的环节，通过机械最优化设计，可以优化结构的刚度、强度、耐久性等性能指标，提高系统的工作性能和使用寿命。

5. 机器人设计：机器人是一种复杂的机械系统，涉及到多个参数，如关节结构、连杆长度等。

通过机械最优化设计，可以优化机器人的运动性能、负载能力等指标，提高机器人的工作效
率和精度。

总之，机械最优化设计在各个领域具有广泛的应用，可以提高机械系统的性能和效率，推动科技进步和工业发展。

机械机电系统工程案例分析机械机电系统工程是一门综合性较强的工程技术学科，涉及机电一体化设计、控制与运行等多个方面。

在实际工程领域中，机械机电系统往往扮演着重要角色，下面就通过一个案例来分析机械机电系统工程的具体应用。

在一个工业生产场景中，一家食品加工企业在生产线上需要使用一台全自动化的包装机器，以提高生产效率和产品质量。

为了满足生产需求，工程师团队设计了一套基于机械机电系统的全自动包装机。

首先，在机械设计方面，工程师们通过对产品包装的特性和尺寸进行分析，确定了合适的包装尺寸和结构。

基于这些要求，他们设计了一个能够根据产品尺寸自动调整包装形态的自适应机构。

同时，在机械运动方面，他们选择了高精度的伺服电机作为包装机器的动力源，确保了包装速度和精度的要求。

其次，在控制系统方面，工程师们采用了先进的PLC控制技术，实现了对整个包装过程的精确控制。

通过编写复杂的控制程序，他们成功实现了产品料盘的自动传送、抓取、靠边定位和封口等功能。

在保障产品包装完好的同时，还实现了高效生产和降低人力成本的目标。

再者，在电气系统方面，工程师们设计了一个复杂的电气布线图，将不同的传感器、执行器和电机等各种电气元件有机地连接起来。

通过电气系统的稳定运行，保证了包装机器在长时间工作时不发生故障或事故，同时也便于后期的维护和升级。

最后，在系统集成方面，工程师们将所有机械、电气和控制设备进行了整合和调试，确保包装机器的各个部件能够协调工作，实现整体性能的最大化。

通过对系统的不断优化和改进，最终得到了一个稳定可靠、效率高、性能优越的全自动包装机，为企业生产增加了极大的价值。

综上所述，机械机电系统工程在实际案例中展现了其重要性和广泛应用性。

通过合理的设计、精密的控制和高效的运行，机械机电系统能够有效地提升工业生产的效率和品质，为企业创造更大的经济效益。

在未来的发展中，随着科技的不断进步和工程技术的深化，机械机电系统工程必将发挥更为重要的作用，推动工业领域的持续创新和进步。

机械最优化设计及其应用徐华伟（三峡大学机械与材料学院2009106130）摘要：机械优化设计是将数学规划理论、计算机技术、最优化原理与方法和机械设计相结合的一项新的科学技术。

它是一门综合性的学科，具有丰厚的理论和应用价值，是解决复杂设计问题的一种有效工具。

它是以最优化理论和方法为基础，以计算机为运算工具从众多的设计方案中寻找出最优的机械设计参数的一种现代设计方法。

因此，优化设计可以形象的表示为：专业理论+数学规划+计算机技术。

优化设计其内容包括：最优化问题基础知识、一维探索、无约束最优化问题的求解方法、约束最优化问题的求解方法、多目标函数的优化设计方法、遗传算法简介、最优化方法在压力加工、机构设计、拟合公式中的应用等。

其在工程设计中的应用如：具有独立悬挂汽车的双桥转向机构的最优化设计、内燃机连杆结构的最优化设计、凸轮机构的最优化设计、汽车变速器的最优化设计、弹簧的最优化设计、制动器的最优化设计、离合器盖结构形状的最优化设计等等。

关键词：设计机械最优化目标函数变量约束常规的设计方法进行工程设计，特别是当影响设计的因素很多时，只能得到有限候选方案中的最好方案，而不可能得到众多可能方案中的“最优设计方案”。

优秀的工程设计人员总是准备好几种候选设计方案，再从中择其“最优”，如此这样才会让所设计的项目达到更精。

然而，由于设计时间和经费的制约，所设计的候选方案的数目会受到很大限制。

“最优化设计”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。

是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或“自动探索”方式在计算机上进行的半自动或自动设计以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。

其设计原则是最优设计，设计手段是电子计算机及计算程序，设计方法是采用最优化数学方法。

实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效设计方法。

同时也可使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来使之有更多的精力从事创造性的设计并大大提高设计效率。

第八章机械系统运动方案设计举例为了加深对上述各章内容的理解，我们选择冲压式蜂窝煤成型机的系统设计作为案例进行分析设计。

8.1机器的功能和设计要求冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤生产厂的主要设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。

这种设备由于具有结构简单、质量可靠、成型性能好、经久耐用、维修方便等优点而被广泛采用。

1．机器的功能为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机应完成如下五个动作：（1）煤粉加料；（2）冲头将蜂窝煤压制成型；（3）扫除冲头和出煤盘的煤屑；（4）模筒内蜂窝煤的脱模；（5）蜂窝煤的输送。

２．设计要求：（1）蜂窝煤成型机的生产能力：30次/min；（2）冲压成型的生产阻力为50000N；（3）为改善蜂窝煤冲压成型的质量，希望冲压后有一短暂的保压时间；（4）冲压机构的行程速比系数Ｋ≥1.3；（5）由于冲头压力较大，希望冲压机构具有增力功能，以增大有效力的作用，减小原动机的功率。

（6）机械运动方案应力求简单。

8.2 工作原理和工艺动作1．工作原理蜂窝煤成型机的工作原理可用图8.1表示。

当冲头3下冲时，冲头将煤粉压成蜂窝煤，模筒转盘换位，脱模盘将已压成的蜂窝煤脱模。

扫屑刷清除冲头和脱模盘上粘附的煤粉。

模筒盘上均布若干模筒，转盘的间歇转动使模筒依次经过加料、冲压、脱模三个位置。

图8.1 冲压式蜂窝煤成型机工作原理2．工艺动作在上述五个动作中，可以将脱模盘与冲头固接在一起进行上下往复运动。

此外，为了实现连续生产，需要转盘能够间歇转动。

因此冲压式蜂窝煤成型机要求完成以下五个工艺动作：（1）煤粉加料：可利用煤粉自重从料斗中自动加料；（2）冲压成型及脱模：冲头和脱模盘上下往复运动，在冲压行程的后二分之一进行冲压成型；（3）扫屑：在冲头、脱模盘向下运动过程的前半段用扫屑刷扫除煤粉；（4）模筒转盘间歇转动：使模筒依次通过冲压、脱模、加料三个位置；（5）输出：成型的蜂窝煤脱模后落在输送带上送出。