机械系统设计 (1).ppt

（1）分析与确定系统的目的和要求 （2）模型化 （3）系统最优化 （4）系统评价
（5）体积和重量：尺寸、重量、功率质量比等；
（6）经济性：设计和制造的经济型、使用和维修 的经济性等；
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（7）环境保护：噪声、振动、防尘、防毒、“三废”
的排放和治理、周围人员和设备的安全保护；
（8）产品造型：外观、色彩、装饰、形体及比例、人 -机-环境的协调等；
（9）其它：一些特殊机械的的特殊要求。
形符号、名词术语等。
我国标准分国家标准、专业标准、企业标准三级。根据 标准性质又分强制标准和推荐性标准。
国际标准化组织ISO 国际电工委员会IEC
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3.采用新技术
设计是要善于学习和掌握使用各种新工
艺、新结构、新材料，提高产品的性能和经 济性。
4.改善零部件结构工艺性
零件结构工艺性包括锻造、铸造、冲压、焊 接、热处理、切削、装配等工艺性，良好的 工艺性时间少加工工时、提高生产率、缩短 生产周期、降低材料消耗和制造成本的前提， 也是实现设计目标、减少差错、提高产品质 量的基本保证
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二、 机械系统的组成
机械系统的定义： 由若干机构、部件、零件组成的系统
机械系统----内部系统 人和环境----外部系统 机械系统的组成： 动力系统、传动系统、执行系统、操控系统
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（一）动力系统
机械系统的动力源
一次动力----把自然界的能源转变为机械能的机械， 如内燃机、汽轮机、燃气轮机等。
二次动力----把二次能源（电能、液能、气能）转变
为机械能的机械，如电动机、液压马达、气动马达 等。
选择动力机应考虑能源条件、执行机械特性，机械

固定足蹬 转变动力 传递力矩 单向传递力矩 减少摩擦
传递力矩
连接各部件、构成车体 控制方向 代 连接前轮 步 承载乘员 、 减低速度 载 承载货物 货来自固定车轮与轴配合
承受拉力 支撑车胎 保持气压 承受压力、摩擦 减少摩擦
承重、转动
二、功能原理设计及特点
功能原理设计:针对所设计产品的主要功能提出一 些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原 理性设计。
②“放大、缩小”功能元——是指各种能量、信号 向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物 料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化 等）；
功能元是能直接从技术效应（如物理效应、化学效 应等）及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小 单位。
机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学 功能元和逻辑功能元。
（1）物理功能元
物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的 基本物理动作。
①“变换”功能元——包括各种类型能量之间的转 变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的 转变及信号种类的转换等；
“黑箱法”是指只知道输入量和输出量而不知道其 内部结构的表述设计任务的一种模式。
“黑箱法”---暂时摒弃那些附加功能和非必要
功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能 用较为抽象的形式（如输入量和输出量）加以表 达。突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。
输入
待设计的技术系统 输出 （黑箱）
自行车系统
思路要广阔，呈发散状。
功能原理设计
特点：
①由一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所 设计系统的工作原理发生根本变化。
②功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、 新工艺……，但首先要求设计人员有一种新想法、 新构思。

工程的方法对合格的零部件进行科学组合、合理匹配的结果） 6）面对市场和考虑企业自身发展；
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一、机械系统设计的任务及设计类型
机械系统设计的分类大致可以分为三类： 1) 完全创新设计 2) 适应性设计 （适应新要求） （继承设计） 3) 变异性设计 （适应某方面有所变更的要求）（变型设计）
完全创新设计：所设计的产品是过去从没有过的全新产品。此类 设计的特点是只知道新产品的功用，但对确保实现该功能应采用 的工作原理及结构等问题完全未知，没有任何参考资料。
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学习目的
1）从系统的角度认识机械系统并开展机械系统的总体设计； 2）引入现代设计方法和理论的基本概念； 3）掌握机械系统中典型子系统的分类、组成、设计方法； 4）掌握利用以前学到的关于机械系统设计有关的基础知识，根据 特定的功能来设计机械系统，这是这门课的核心内容； 5）明确如何判定一个设计方案是否是优秀的方案的原则。
汽车中的机械系统
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四、机械系统的地位与作用（机器人）
机器人中的机械系统
机器人设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设 计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。
下面以工业机器人为例，介绍机器人的一般组成、各部分作用以 及机械手的一般结构。
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哈工大爬壁机器人
18世纪瑞士 的写字偶人
“落后的高质量的产品”
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机械学/机械学的主要任务/机械学的研究对象
机械学是对机械进行功能综合并定量描述及控制其性能的基 础技术科学。
机械学的主要任务：把各种知识、信息注入到设计中，加工 成机械制造系统能接受的信息，并加工出合乎设计要求的产品的 过程。
机械学的研究对象： 1) 机械工程中图形的表示原理和方法 2) 机械运动中的运动和力的变换与传递规律 3) 机械零件与构件中的应力、应变和机械的失效 4) 机械中的摩擦行为 5) 设计过程中的思维活动规律及其设计手段 6) 机械系统与人、环境的相互影响等

2）同一种运动规律，可用（选用或创 造）不同的机构型式来实现；
3）同一种功能，可选用不同的工作原 理，不同的机构来满足功能要求；
4）同一种工作原理，可选用、创造不 同的机构及其组合来实现。
例：衣物洗涤， 如图2-6，2-7。
根据机构在运动转换中的功能，可把 各种机构分成如下五类：
1）实现运动形式变换的机构；
对于工作条件恶劣和工况复杂的机械， 还应考虑运动零部件惯性力、弹性变形、 过载变形及热变形、磨损、制造及装配 误差等因素的影响，确保运动零部件必 需的安全空间，相互间不发生运动干涉。 例如，汽车的货厢与驾驶室后壁之间必 需留有足够的间隙，以免当汽车在行驶 中紧急制动时引起货厢与驾驶室相互撞 击和摩擦。
总体设计的主要内容有：
1 ）总体布置设计； 2 ）确定总体主 要参数； 3 ）绘制总体设计图样； 4 ）编 写总体设计报告书及技术说明书等。
二、总体布置设计
（一）总体布置的基本要求
总体布置是结构布局的细化，需具体 确定各零部件之间的相对位置及联系尺寸、 运动和动力的传递方式及主要技术参数， 并绘制总体布置图。
一、方案设计的方法和步骤
对于机械产品来说，在功能分析和工 作原理确定的基础上进行工艺动作构思 和工艺动作分解，初步拟定各执行构件 动作相互协调配合的运动循环图，提出 机械运动方案和进行机械运动简图的设 计，这就是机械产品方案设计阶段的主 要内容。
（一）方案构思的常用方法
1．黑箱法
对于要解决的问题，设计人员难以 立即认识，犹如对待一个不透明、不知 其内部结构的“黑箱”。利用对未知系 统的外部观测，分析该系统与环境之间 的输入和输出，通过输入和输出的转换 关系确定系统的功能、特性所需具备的 工作原理与内部结构，这种方法称为黑 箱法。

②“放大、缩小”功能元——是指各种能量、信号 向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物 料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化 等）；
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（1）物理功能元
物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的基 本物理动作。
③“合并、分离”功能元——是指包括能量流、物料 流及同一性质或不同性质的信息流在数量上的结 合或分离；
材料拉伸试验机的功能结构图
试件拉伸
力
力测量
－
变
形
变形测量
测
量
动作控制
试件夹持和松开 夹头移动 信号获取 信号放大 力显示 信号获取 信号放大 变形显示 开机 停机 自动停机
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五、功能元（分功能）求解
功能元求解——是寻找或创造实现总功能或分功能的 载体，完成功能元要求的运动指标。
功能元的求解方法主要有： ①参考有关资料、专刊或产品求解法； ②利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法； ③利用设计目录求解法。
⑷优先选用主要分功能的较好解法。由该解法出发，选
择与它相容的其它分功能解法。
⑸特别注意防止按旧框框设计。要处理好继承与创新的
矛盾。
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3.挖掘机的方案设计
1）明确任务要求 2）功能分析
①确定总功能： 挖掘机的总功能为物料取移。
能量（驱动）
能量（力、速度）
物料（待装） 信号
挖挖掘掘机机
物料（装车） 信号
输入
黑箱
灰箱
白箱
输出
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例：硬币计数包卷机
一台硬币计数包卷机，它 的功能是用来整理、清点、 计数，最后按一定的枚数 将硬币用纸包卷起来或装 入袋内。
用黑箱法描述的硬币 机的总功能。
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4．滚珠丝杠副的安装
(1)支承方式的选择 为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度， 应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转 精度的轴承，并保证支承座有足够的刚度。
支承形式 一一端端固固定定 一一端端游自动由 两((端FF--O固S))定
(F-F)
简图
特点
11..同需结F构保-S简持的单螺1 母与两端支承同轴，故结构较复杂， 2工2..若丝艺轴杠较承的困轴无难向间刚隙度，比丝两杠端的固轴定向低刚度为一端固定 的 23.丝4倍杠的轴压向杆刚稳度定和性F和-O临相界同转速都较低
三、其它传动机构
1.同步齿形带传动机构
利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依 次相啮合传递运动和动力。
❖ 能方便地实现较远中心距的传动； ❖ 传动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高； ❖ 齿形带的强度高，厚度小，重量轻，可用于低速及高速传动； ❖ 带无需特别张紧，作用在轴和轴承的载荷小，传动效率高。 ❖ 在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。
特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易 磨损。
螺旋槽式 在螺母3的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母 外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环路。
特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。
端面回珠式 在螺母两端面装上反向器进行回珠。
➢ 可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种
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a)插管式外循环方式 1.压板 2.弯管（回珠管）3.螺母 4.滚珠
3.双片薄齿轮错齿调整法
调节两薄片齿轮l、 2的相对位置，达到 错齿以消除齿侧间 隙，反向时也不会 出现死区。
特点：齿侧间隙可自 动补偿，但结构复 杂。
(二)斜齿轮传动机构
1.垫片调整法
在两薄片斜齿轮1、2中间加 垫片3，改变两薄片斜齿轮 之间的轴向距离，使薄片斜 齿轮1、2的螺旋线错位。

特点
• 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部 分加上电器、液压和机械控制等部分组成
• 机电一体化机械系统是由计算机协调控制的，用于完 成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和 （或）机电部件相互联系的系统组成，其核心是由计 算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服 系统。
• 机电一体化中的机械系统需使伺服电机和负载之间的 转速、转矩及惯量得到匹配，即在满足伺服系统高精 度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有 较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命 长等特点。
• 功能——是传递动力和运动 • 作用——机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影
响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动 的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。
（2） 支承与导向机构
• 作用——为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其 特定方向的运动提供支承和导向。
（3） 执行机构
⑤差动传动方式
作用——是支承做回转运动的轴或丝杠；
弹性膜片联轴器——传递较大扭矩；
（4） 良好的结构工艺性 ：机械加工工艺性和装配工艺性
现代钢带传动产品的特点
表4-3 常用设备推荐寿命（小时）
结构简单，相对刚度低，预紧可靠，用于较小直径丝杠
轴向基本额定动载荷Ca——一组（相当数量）相同参数的滚珠丝杠副，在相同的条件下，运转10e6转时，90%的滚珠丝杠副的螺纹滚道
• 作用——执行机构根据操作指令的要求在动力 源的驱动下，完成预定的操作。一般要求它具 有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等。
• （4） 轴系
• 作用——传递转矩及精确的回转运动，它直接 承受外力（力矩）
• （5） 机座机架
• 作用——承重、支撑、保证各零部件相对位置 的基准作用。