第二章机械系统的总体设计

机电一体化系统设计学习指南一、理论教学第一章绪论[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化的基本涵义。

2．掌握机电一体化系统及其组成。

3．了解机电一体化控制系统。

[本章主要内容]：1.1 什么是机电一体化?1.2 机电一体化实例—机器人介绍1.3 机电一体化系统基本组成1.4 机电一体化设计方法[本章重点]：1．机电一体化系统基本概念2．机电一体化系统基本组成[本章难点]：1．机电一体化系统基本组成第二章机电一体化系统总体设计[教学目的与要求]：1．了解机电一体化系统的总体设计方法2．掌握机电一体化产品的工程路线3．掌握几种典型机电一体化装置的基本组成[本章主要内容]：2.1 机电一体化产品设计过程2.2 机电一体化系统设计方法2.3 机电一体化产品设计实例[本章重点]：1．机电一体化总体设计的内容及方法2．典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构[本章难点]：1．机电一体化系统设计的方法2．典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法第三章传感检测系统[教学目的与要求]：1．了解传感检测系统的基本组成和传感器的基本评价指标。

2．掌握机电一体化系统中常用传感器的基本原理与适用场合。

3．了解传感检测系统中常用信号预处理技术的基本原理。

[本章主要内容]：3.1 检测的基本概念3.2 传感器概述3.3 常见传感器原理及应用3.4 信号处理[本章重点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）4．信号变换技术(传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换)[本章难点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）第四章机械系统设计[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化系统中传动机构的种类、特点、基本要求。

2．了解常用工业机器人的基本构型。

3．掌握机电一体化系统常用精密传动机构的基本原理与设计方法。

[本章主要内容]：4.1 机电一体化系统典型机构4.2 机器人机构4.3 精密齿轮传动4.4 同步带传动4.5 滚珠丝杠传动4.6 导轨设计4.7 机械系统设计综合应用实例[本章重点]：1．滚珠丝杠副传动机构[本章难点]：1．传动机构的设计方法2．滚珠丝杠副传动机构3．谐波齿轮传动第五章伺服驱动系统[教学目的与要求]：1．了解伺服系统的一般组成、分类和基本组成形式。

机械系统设计课后答案【篇一：机械系统设计习题(有答案版)】：具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。

2、机械系统的组成：1、动力系统。

2、执行系统。

3、传动系统。

4、操纵、控制系统。

5、支承系统。

6、润滑、冷却与密封系统。

3、产品设计类型：完全创新设计、适应性设计、变异性设计。

4、机械系统的设计要求：功能、适应性、可靠性、生产能力、使用经济性、成本六方面的要求。

5、产品的产生过程分哪几个阶段？产品策划---产品设计---产品生产---产品运转---产品报废或回收。

6、产品的设计过程分哪几个阶段？功能原理方案设计阶段---结构总体设计阶段---技术设计阶段第二章机械系统总体设计1、功能原理方案设计步骤设计任务-求总功能-总共能分解-寻求子功能解-原理解功能-评价与决策-最佳原理方案2、什么是“黑箱法”：根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。

3、功能元、功能结构功能元：在一个系统中，总功能可以分解为一些分功能，其中可以分解到最低层次的分功能，并且分解到最后不能再分解的基本功能单位叫做功能元。

功能结构：将总功能分解为分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。

反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层次功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。

这种功能的分解和组合关系称为功能结构。

4、机械系统总体参数包括哪些性能参数、结构参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。

5、七个标准公比为：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2。

第三章执行系统设计1、执行系统的组成：由执行末端和与之相连的执行机构。

2、以机床执行轴机构——主轴组件为例介绍执行轴机构设计的内容和要求。

机电一体化系统设计课程设计指导书邓春岩编著UESTC 机电工程学院第一章绪论1.1 机电一体化课程设计的目的机电一体和课程设计是一个重要的实践教学环节。

学生需综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计训练，主要目的是：1）学习机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较的方法。

2）对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计计算方法和选用方法。

3）掌握控制用电机的工作原理，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。

4）对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。

5）根据系统的要求，掌握常用传感器的工作原理和选用方法。

6）培养学生独立分析问题、解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。

7）训练学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。

1.2 课程设计的内容与要求课程设计的内容应是典型的机电一体化系统或产品，如数控机床、工业机器人、三坐标测量仪、自动检测仪、全自动洗衣机、电子秤、自动售货机、家用智能装置等。

设计的内容需包扩：机械系统的设计；执行元件的计算与选择；计算机控制系统的选择、电路的设计和软件的设计；传感检测的选择与电路的设计等，根据专业性质的差异，可以适当调整相应部分设计工作量。

本次设计任务是CNC二维工作台的设计，主要包括：机械系统的设计与计算、控制电机的计算与选择、驱动器的选择与接线图的设计。

1.3 课程设计的原始数据试设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。

切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。

其它参数见下表：表1.1 大题目及其参数项目名称大题编号一二三四五六备注行程 mm 500³500500³400500³300400³400400³300300³300X*Y方向的行程X丝杠转速n1200 150 120 80 50 50 单位： r/minY丝杠转速n2200 150 120 80 50 50 单位： r/min理论定位精度δ30 25 20 15 10 5 单位：μm表1.2 小题目（方案）及其参数方案项目名称方案编号ⅠⅡⅢⅣV VIX方向轴向载荷(N)F15000 4500 4000 3500 2000 1200Y方向轴向载荷(N)F24000 3500 3000 2500 1500 1000X方向工作台滑板及组件重量(N) 1000 900 800 700 600 400Y方向工作台滑板及组件重量(N) 600 500 400 400 300 200表1.3 控制实现的轨迹方案项目名称方案编号１２３４二维平台编程控制的轨迹ＮＳＣＬ注：CNC二维工作平台设计题目共五个大题目，每个大题目下面又有三个小题目（即方案）。

第一章绪论●机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。

●机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。

●机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能节省材料、省能源，使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化，自动化需求。

机电一体化基本结构要素：1．机械本体包括机身、框架机械联接等在内的产品支持结构属于基础部分，实现产品的构造功能。

2．动力源向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。

3．检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。

4．控制与信息处理装置主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。

5．执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。

机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

1．功能附加型产品：主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当的提高。

经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类机电一体化产品。

2．功能替代型产品：主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高。

柔性增加，如电子缝纫机、自动照相机等用微电于装置取代了原来复杂的机械控制机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。

3．机电融合型产品：主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑、设计更灵活、成本进一步降低。

第二章机械传动系统的总体设计机械传动系统的总体设计，主要包括分析和拟定传动方案、选择原动机、确定总传动比和分配各级传动比以及计算传动系统的运动和动力参数。

第一节分析和拟定传动系统方案一、传动系统方案应满足的要求机器通常由原动机（电动机、内燃机等）、传动系统和工作机三部分组成。

根据工作机的要求，传动系统将原动机的运动和动力传递给工作机。

实践表明，传动系统设计的合理性，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸都有很大影响。

因此，合理地设计传动系统是整部机器设计工作中的重要一环，而合理地拟定传动方案又是保证传动系统设计质量的基础。

传动方案一般由运动简图表示，它直接地反映了工作机、传动系统和原动机三者间运动和动力的传递关系。

在课程设计中，学生应根据设计任务书拟定传动方案。

如果设计任务书中已给出传动方案，学生则应分析和了解所给方案的优缺点。

传动方案首先应满足工作机的性能要求，适应工作条件、工作可靠，此外还应结构简单、尺寸紧凑、成本低、传动效率高和操作维护方便等。

要同时满足上述要求往往比较困难，一般应根据具体的设计任务有侧重地保证主要设计要求，选用比较合理的方案。

图2—l所示为矿井输送用带式输送机的三种传动方案。

由于工作机在狭小的矿井巷道中连续工作，因此对传动系统的主要要求是尺寸紧凑、传动效率高。

图2—1（a）方案宽度尺寸较大，带传动也不适应繁重的工作要求和恶劣的工作环境；图2—l（b）方案虽然结构紧凑，但蜗杆传动效率低，长期连续工作，不经济；图2—l（c）方案宽度尺寸较小，传动效率较高，也适于恶劣环境下长期工作，是较为合理的。

图2—l 带式输送机传动方案比较二、拟定传动系统方案时的一般原则由上例方案分析可知，在选定原动机的条件下，根据工作机的工作条件拟定合理的传动方案，主要是合理地确定传动系统，即合理地确定传动机构的类型和多级传动中各传动机构的合理布置。

下面给出传动机构选型和各类传动机构布置及原动机选择的一般原则。