機械工程導(dǎo)論第四章3和8節(jié)

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河北工程大學(xué)——工程師的搖藍主講：孫振軍

河北工程大學(xué)——工程師的搖藍機械工程導(dǎo)論§4.3機械系統(tǒng)的物料流設(shè)計第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.3.1物料流的基本概念及其重要性

物料流指的是機械系統(tǒng)工作過程中一切物料，如毛坯、成品、半成品、廢料、液體等的運動變化過程。

各種物料的流動構(gòu)成了機械工作的整個過程，原材料、零部件在運動中不斷地被變形、組裝，最終形成產(chǎn)品。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計§4.3機械系統(tǒng)的物料流設(shè)計第四章機械系統(tǒng)設(shè)計在物料流中，最主要的物料是機械的作業(yè)對象，其他的物料都是根據(jù)所選定的工藝過程為其服務(wù)的。例如，在數(shù)控加工中心中，最主要的物料是待加工的工件，其他的物料如刀具、切削液等都為加工工件這一任務(wù)服務(wù)。

因此，作業(yè)對象的轉(zhuǎn)化流程也稱主物料流程，簡稱主流程，其他的物料流為輔助物料流程。需注意的是，機械系統(tǒng)中是否需要輔助物料流需要根據(jù)具體條件分析確定。

物料流系統(tǒng)的設(shè)計非常重要，機械系統(tǒng)設(shè)計的過程實際上就是圍繞物料流尤其是主流程展開的。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計1、物料流系統(tǒng)決定了機械系統(tǒng)的總體布置

由于物料的輸入或輸出部分往往要受制于周圍條件，例如，聯(lián)合收割機的輸人物料為生長在田地里的莊稼，因此物料輸入部分就應(yīng)放在貼近莊稼的位置。而當(dāng)輸入或輸出部分決定下來后，與其相連的物料流的其他部分也就可以相應(yīng)地確定下來，從而可以將對應(yīng)的能量流部分(含驅(qū)動及傳動部分)的位置決定下來。因此說，物料流系統(tǒng)決定了機械系統(tǒng)的總體布置情況。例如：聯(lián)合收割機的輸入物料為生長在田地里的莊稼，因此物料輸入部分就應(yīng)放在貼近地的位置。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計第四章機械系統(tǒng)設(shè)計2、物料流系統(tǒng)決定了能量流系統(tǒng)的主要參數(shù)

能量流所提供的能量主要用于物料的運動、變形等目的。能量流中動力機的容量主要取決于物料的量與性質(zhì)。例如，推土機所推土的種類及鏟斗大小將直接決定其發(fā)動機的功率。而物料流動的速度決定了相應(yīng)的傳動部分的速比。例如，傳動帶輸送機的物料所需的輸送速度決定了傳動帶的速度，也就決定了動力機與傳動帶間的速比關(guān)系。洗衣機洗滌與甩干時，物料(衣物)需要不同的轉(zhuǎn)速，因而在洗滌與甩干時就有不同速比的兩條傳動路線。因此說，物料流系統(tǒng)決定了能量流系統(tǒng)的主要參數(shù)。

第四章機械系統(tǒng)設(shè)計第四章機械系統(tǒng)設(shè)計3、物料流系統(tǒng)是信息流系統(tǒng)的主要控制對象

信息流的主要作用就是根據(jù)機械系統(tǒng)工作進程的具體情況對工作進程進行必要的操縱和調(diào)整，而機械系統(tǒng)的工作進程實際上也就是物料流運動與轉(zhuǎn)換進程。例如，軸加工中的啟動、停止、運動方向和速度的變換等實際上也就是加工機床的工作進程，無論這些動作是由人工完成還是由控制系統(tǒng)自動完成的，都是根據(jù)被加工軸所需而定的。另外，機械的工作節(jié)拍也是決定物料流輸入、輸出的節(jié)拍。因此說，信息流系統(tǒng)的設(shè)計也決定于物料流系統(tǒng)。例如，軸加工中的啟動、停止、運動方向和速度的變換等實際上也就是加工機床的工作進程，無論這些動作是由人工完成還是由控制系統(tǒng)自動完成的，都是根據(jù)被加工軸所需而定的。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計凸輪軸的加工：加工時，刀具的行走路線要給凸輪的輪廓相吻合第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.3.2物料流系統(tǒng)的組成

物料流一般由加工、輸送、儲存、檢驗幾部分組成。

1、加工

機械系統(tǒng)用以完成轉(zhuǎn)變或改變加工對象的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、外觀等的動作或運動統(tǒng)稱為加工，如聯(lián)合收割機的切割、脫粒等工作，激光打印機打印指定文檔的過程，車床完成工件車削的過程等都可以稱為“加工”。它通過機械系統(tǒng)及輔助設(shè)施或操作者的共同作用而完成。

第四章機械系統(tǒng)設(shè)計第四章機械系統(tǒng)設(shè)計2、輸送

輸送是指在各工作位置之間移動物料，以改變其空間位置的功能，一般也稱為物料輸送。它也是機械系統(tǒng)完成預(yù)期功能所不可缺少的一項作業(yè)。物料輸送工作的高效化、系統(tǒng)化可以提高機械系統(tǒng)的工作效率。

第四章機械系統(tǒng)設(shè)計3、儲存

儲存又稱為停滯，是指在一段時間內(nèi)，使工件處于無任何形狀和空間位置改變的狀態(tài)。激光打印機及復(fù)印機中紙張在儲紙器中的存放，制造企業(yè)中工件在加工工序前等待和加工后的停放，都是儲存的典型例子。一般的儲存都伴隨著加工和傳送活動之間的不平衡而出現(xiàn)。例如，打印機及復(fù)印機的工作特性是時斷時續(xù)的，實際不可能也沒必要每打印或復(fù)印一頁就加一頁紙，因此需在儲紙器中儲存一定數(shù)量的紙張。在制造企業(yè)中，制造過程中工序之間的停滯，稱為制品儲存。適量的儲存對平滑的和具有柔性的物料流來說，起一種緩沖作用，對于保證用戶的需求和機械系統(tǒng)穩(wěn)定運行有著重要作用。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4、檢驗

在制造系統(tǒng)中，檢驗的含義是廣義的，主要是指對物料的質(zhì)量控制。檢驗是一個和加工相互對立而又相互統(tǒng)一的物料流作業(yè)環(huán)節(jié)，特別是在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，廣義的檢驗功能已愈來愈重要。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計上述物流過程的四種基本形態(tài)一般是交錯和重復(fù)出現(xiàn)的，有時其中的兩個過程或多個過程是一體的。

例如，塑料在普通螺桿擠出機的擠出過程，其中，物料(塑料顆粒)在擠出機中由螺旋輸送的過程也就完成了加工的過程，輸送與加工兩個過程是一體的。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計為實現(xiàn)上述運動，物料流系統(tǒng)的構(gòu)成一般應(yīng)包括：存儲子系統(tǒng)(含物料供應(yīng)、中間儲存及最后的成品儲存)、輸送子系統(tǒng)以及定位與裝夾裝置，執(zhí)行子系統(tǒng)。一個典型的物料流系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示。存儲系統(tǒng)輸送系統(tǒng)定位裝夾物料檢驗輸送系統(tǒng)定位裝夾系統(tǒng)存儲系統(tǒng)物料檢驗加工加工第四章機械系統(tǒng)設(shè)計l-硬幣堆放、輸送；2-排列、分送、選錢；3-分選、計數(shù)；4-碼漯；5-送紙、切紙；6-包卷；7-卷邊圖示為硬幣計數(shù)包卷機的物料流第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.3.1.3生產(chǎn)線物流系統(tǒng)

一切物資實體(物資及其載體)的物理流動過程，即物資場所(位置)的轉(zhuǎn)移及其時間的占用均可稱為物流。有人把物流比做利潤的第三源泉，即在降低成本、銷售成本的同時，更著眼于降低物流成本。

美國是世界上現(xiàn)代化物流發(fā)展得比較早的國家，物流的研究和發(fā)展備受重視，早在1980年的全美物資討論會上，研究者們就指出，在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個過程中，僅僅有5％的時間用于加工和制造。剩余95％的時間都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送。在美國，直接勞動成本所占比例不足工廠總成本的10％，并且這一比例還在不斷下降；而儲存、運輸所支付的費用卻占生產(chǎn)成本的40％。人們深切地感到，生產(chǎn)過程中的“油水”幾乎已被榨干，要想從中取得明顯的效益提高已經(jīng)是相當(dāng)困難的了，而物料輸送、儲存過程還存在著極大的潛力，有待挖掘。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計在生產(chǎn)線的設(shè)計中，物流系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要，它直接影響到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的工作效率。柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一種典型的成組布局的生產(chǎn)線。其思想是，機床或設(shè)備按照成組工藝分組，每一組設(shè)備可以用來生產(chǎn)一個零件族的零件，不同的零件可以按不同的工藝路徑，有不同的物料流。這種方式下，零件(物料)傳輸?shù)穆窂捷^短，生產(chǎn)率較高。圖示為一個柔性制造系統(tǒng)的實例?？梢钥闯?，各種物料(材料、半成品、成品、工具等)在該系統(tǒng)中可以通過計算機硬件及軟件系統(tǒng)的控制在系統(tǒng)中合理地流動。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計l-計算機房；2-工具倉庫；3-機器人；4-裝卸站；5-光纜；6-自動倉庫；7-升降吊車；8-工具推車；9-臥式加工中心；l0-機器人；11-磨床；12-加工件倉庫機器人工上下料；13-立式加工中心；14-立體倉庫；15-立體倉庫；16-無人送料車；17-工作臺；18-夾具零件，裝卸；19-零件倉庫；20-升降吊車；21-裝卸站；22-臥式加工中心；23-無人送料車第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.4機械系統(tǒng)的能量流設(shè)計任何機械的正常工作都必須要有一定的能量來保證。能量是由能量流系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置提供的，故能量流系統(tǒng)設(shè)計是非常重要的。而其中最主要的任務(wù)之一就是選擇合適的驅(qū)動裝置(動力機)。

能量流系統(tǒng)的起點是驅(qū)動裝置，來自機械系統(tǒng)外部的能量(如電能)通過驅(qū)動裝置流向機械系統(tǒng)的各有關(guān)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)。其中：一部分用以維持各環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)的運動；另一部分通過傳遞、損耗、儲存、轉(zhuǎn)化等有關(guān)過程，完成機械系統(tǒng)的有關(guān)功能，即這一部分能量的終點是機械運動系統(tǒng)中的執(zhí)行部件，作用是帶動執(zhí)行部件作功以改變材料或工件的性質(zhì)、形態(tài)、形狀或位置等，實際上就是克服系統(tǒng)所承受的載荷。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動裝置(動力機)可分為電力驅(qū)動(電動機)、液壓驅(qū)動(液壓泵、液壓馬達)、氣壓驅(qū)動(氣馬達)及熱機(內(nèi)燃機、汽輪機等，其中主要是內(nèi)燃機)四大類，當(dāng)用于機械系統(tǒng)時，一般需用減速器輸出需要的轉(zhuǎn)速或利用凸輪等機構(gòu)形式來改變運動形態(tài)。如果應(yīng)用變頻器、伺服驅(qū)動等調(diào)控裝置，則可以省去這些機械裝置。一般來說，進行能量流機械系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)解決如下四個方面的問題：①機械系統(tǒng)中能量流動狀況和特征分折；②工作機械的載荷計算；③驅(qū)動裝置的選擇；④系統(tǒng)能量匹配與設(shè)計。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.5機械運動系統(tǒng)設(shè)計機械運動系統(tǒng)是一系列傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成，在各種機械系統(tǒng)中都大量存在著各種運動構(gòu)件，它們分別具有傳動、操縱和執(zhí)行功用。根據(jù)其功用不同，我們把它們分別稱為傳動系統(tǒng)(包括變速裝置、起停與換向裝置、制動裝置及安全保護裝置)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)，總稱機械運動系統(tǒng)。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.5.1傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)將原動機的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構(gòu)的中間裝置。組成傳動聯(lián)的一系列傳動件稱為傳動鏈，所有傳動鏈及它們之間的相互聯(lián)系組成傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)處于能量流系統(tǒng)的中間位置，它主要用于將原動機的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。

傳動系統(tǒng)主要是由變速裝置、起停與換向裝置、制動裝置以及安全保護裝置組成。如圖所示，離合器4(起停裝置)、變速器5(傳動裝置)、制動裝置6、中間傳動軸7、主傳動軸9以及萬向節(jié)10構(gòu)成普通貨車的傳動系統(tǒng)。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計l-前保險杠；2-轉(zhuǎn)向車輪；3-發(fā)動機；4-離合器；5-變速器；6-制動裝置；7-中間傳動軸；8-車架；9-主傳動軸；10-萬向節(jié)；11-驅(qū)動車輪；12-后鋼板彈簧；13-牽引鉤；14-后橋；15-汽油箱；l6-蓄電池；17-轉(zhuǎn)向盤；18-制動踏板；19-離合器踏板；20-起動機；21-前橋；22-發(fā)電機；23-前鋼板彈簧第四章機械系統(tǒng)設(shè)計1、傳動系統(tǒng)的功能：傳動系統(tǒng)通常是機械系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是連接動力機和執(zhí)行機構(gòu)，并把動力機的運動和動力經(jīng)適當(dāng)變換，以滿足執(zhí)行機構(gòu)的作業(yè)要求。具體來說，傳動系統(tǒng)有如下一些功能：1）減速或增速：將動力機的速度降低或提高，以適應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)的工作需求。2）變速：進行有機或無機變速，以滿足執(zhí)行系統(tǒng)工作速度變化的要求。3）改變運動規(guī)律或運動形式：把動力機的等速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榘矗撤N規(guī)律變化的轉(zhuǎn)動、擺動或移動，其中包括間歇轉(zhuǎn)動或間歇移動。4）傳遞動力：把動力機傳輸?shù)膭恿鬟f給執(zhí)行系統(tǒng)，供執(zhí)行系統(tǒng)完成預(yù)定工藝動作過程所需的驅(qū)動力矩或驅(qū)動力。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計2、傳動系統(tǒng)的任務(wù)：①將動力機輸出的速度降低或增高，以適合執(zhí)行機構(gòu)的需要。②直接用動力機進行調(diào)速不經(jīng)濟或不可能時，采用變速傳動來滿足執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)常變速的要求。③將動力機輸出的轉(zhuǎn)矩，變換為執(zhí)行機構(gòu)所需要的力矩或力。④將動力機輸出的等速旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機構(gòu)所要求的按某種規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)運動。⑤實現(xiàn)由一個或多個動力機驅(qū)動若干個相同或不相同速度的執(zhí)行機構(gòu)。⑥由于受到動力機或執(zhí)行機構(gòu)機體外形、尺寸等的限制，或為了安全和操作方便，執(zhí)行機構(gòu)不宜與動力機直接聯(lián)系，也需要用傳動裝置來連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，傳動系統(tǒng)可分為機械傳動、液壓傳動及氣動傳動、電磁傳動系統(tǒng)。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計3、傳動系統(tǒng)的要求傳動系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮下列要求：1）考慮動力機與執(zhí)行機構(gòu)的匹配，使它們的機械特性相適應(yīng)，并使二者的工作特點接近各自的最佳工況點且工作點穩(wěn)定。2）滿足執(zhí)行機構(gòu)在起動、制動、調(diào)速、反向和空載等方面的要求。3）傳動鏈應(yīng)盡量簡短。力求采用構(gòu)件數(shù)目和運動副數(shù)目最少的構(gòu)件，以簡化結(jié)構(gòu)、減少整機重量，降低制造費用，提高效率，同時也利于提高傳動精度和系統(tǒng)剛度。4）布置緊湊，盡可能減小傳動系統(tǒng)尺寸，減小所占空間。5）當(dāng)載荷變化頻繁，且可能出現(xiàn)過載時，應(yīng)考慮過載保護裝置。6）要有安全防護措施。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.5.2執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的一個重要組成部分，是直接完成機械系統(tǒng)預(yù)期工作任務(wù)的部分。是能量流系統(tǒng)、物料流系統(tǒng)及信息流系統(tǒng)的交匯點。4.5.2.1執(zhí)行系統(tǒng)的組成及分類1．執(zhí)行系統(tǒng)的組成與功能

執(zhí)行系統(tǒng)由執(zhí)行構(gòu)件和與之相連的執(zhí)行機構(gòu)組成，它或是與工作對象直接接觸并攜帶其完成一定的動作(例如銑床的分度裝置)，或是在工作對象上完成一定的動作(例如曲柄壓力機的滑塊即工作頭)。

執(zhí)行機構(gòu)的作用是傳遞和變換運動與動力，即把傳動系統(tǒng)傳遞過來的運動與動力進行必要的變換，以滿足執(zhí)行構(gòu)件的要求。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

執(zhí)行系統(tǒng)的功能主要有以下幾種：(1)夾持夾持機構(gòu)常用于加工或搬運工件，如自動生產(chǎn)線或自動機械中夾持工件或重物的工業(yè)機械手。夾持機構(gòu)主要包括機械式、液壓式、氣壓式和吸附式四種?！笆种浮笔且环N常見的夾持機構(gòu)。(2)搬運搬運是指能把工件從一個位置，移送到另一個位置，并不限定移動路線，常見于生產(chǎn)白動線或自動機械中，如自動銑床的上下料機構(gòu)和齒輪生產(chǎn)線上的兩個工位的工件傳遞機構(gòu)。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

(3)分度與轉(zhuǎn)位分度是指對工件或者是工作臺的角度進行精確的等分，如在插齒加工中要按給定的齒數(shù)等分齒輪。轉(zhuǎn)位則是指將工件或工作臺旋轉(zhuǎn)一個給定的角度，如六角車床的刀架轉(zhuǎn)位換刀等。機床中，分度與轉(zhuǎn)位機構(gòu)都裝有定位裝置，以保證分度與轉(zhuǎn)位的準確和可靠。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

(4)檢測在對工件的尺寸、形狀及性能進行檢驗和測量時常用檢測機構(gòu)。檢測的方法很多，但對于機械式檢測方式，執(zhí)行機構(gòu)多為一個帶有測試儀器或傳感器的探頭。

第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

(5)加載加載指機械要執(zhí)行系統(tǒng)對工作對象施加力或力矩以完成工作，例如材料壓力加工、礦石粉碎機械、重物起吊和搬運等。根據(jù)機械系統(tǒng)的要求往往一個執(zhí)行機構(gòu)要有多個功能，如插齒機中帶動插齒刀的機構(gòu)既要施力又要有讓刀功能。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

2、執(zhí)行系統(tǒng)的分類執(zhí)行系統(tǒng)可按其對運動和動力的不同要求分為動作型、動力型及動作—動力型。系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)數(shù)及其相互間的聯(lián)系情況分為單一型、相互獨立型及相互聯(lián)系型。各類執(zhí)行系統(tǒng)的特點和應(yīng)用舉例見表第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

3、按照機械系統(tǒng)構(gòu)成分析信息流在機械系統(tǒng)中的作用在機械系統(tǒng)設(shè)計過程中，要涉及機械系統(tǒng)能量流中的動力機、執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、人機接口和控制系統(tǒng)設(shè)計等諸多方面，而每個方面的設(shè)計都涉及了信息的采集、處理、傳遞，此外，在信息流的通道中，對信息流的流向施加適當(dāng)?shù)目刂?，選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕刂菩畔⒘髟跈C械系統(tǒng)整體設(shè)計中的正確流向，可以實現(xiàn)和大大改進機械系統(tǒng)的功能。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

4.6.2信號的采集及處理在機械系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器與接口電路是其采集信息和處理信息的兩大重要組成部分。4.6.2.1傳感器

傳感器是一種轉(zhuǎn)換器。

傳感器是測量器具的一部分,它直接用于被測量,是按照一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件.傳感器的性能和可靠性將直接影響著整個測量裝置的性能和可靠性，是對被測量系統(tǒng)實施控制的重要依據(jù)。傳感器可認為是人類感官的延伸,借助傳感器可以去探測那些人們無法用感官直接識別的事物.因此,可以說傳感器是人們認識自然界事物的有力工具.第四章機械系統(tǒng)設(shè)計1、傳感器的組成一般情況下，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件(傳感元件)和其他輔助元件組成。如圖所示為傳感器組成方框圖。敏感元件或單元信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路輔助電源轉(zhuǎn)換元件(傳感元件)被測量電量

敏感元件是一種直接感受被測量(通常為非電量)，并輸出與被測量成某種函數(shù)關(guān)系的能最終轉(zhuǎn)化為電量的其他量的元件。如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性膜片就是一種敏感元件，它的作用是把壓力這個被測量轉(zhuǎn)換成彈性膜片的變形。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)換元件（傳感元件）又稱變換器，它是將由敏感元件輸出的量轉(zhuǎn)換成電量輸出的元件。

仍以應(yīng)變式壓力傳感器為例，轉(zhuǎn)換元件的作用是將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。由此可見，就應(yīng)變式壓力傳感器而言，從被測量到電量的輸出，需要從被測量到容易轉(zhuǎn)換成電量的彈性膜片的變形為一次轉(zhuǎn)換，再由彈性膜片轉(zhuǎn)換成電量的二次轉(zhuǎn)換，這是常規(guī)情況。當(dāng)然，有些傳感器是能實現(xiàn)從被測量到電量輸出的一步到位。壓阻式傳感器就是把熱敏電阻既作為敏感元件又作為轉(zhuǎn)換元件而合二為一的傳感器。光電式傳感器中的許多光電轉(zhuǎn)換器也都是屬于這種傳感器。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

2、傳感器類型常見的有根據(jù)基本效應(yīng)分類的，有根據(jù)構(gòu)成原理分類的，有按照能量關(guān)系分類的，有按照作用原理分類的，也有按照輸入量或者輸出量分類的等。例如：開關(guān)量及接近傳感器:光電傳感器、渦流式傳感器、磁式接近傳感器、霍爾傳感器等；速度、加速度傳感器：測速發(fā)電機等；位移傳感器：光柵式傳感器、電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等；還有力傳感器、力矩傳感器、溫度傳感器等。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

4.6.2.2傳感器的一般特性一個良好的傳感器必須要有良好的一般特性，以確保不失真地實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，傳感器的一般特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。

傳感器的靜態(tài)特性：傳感器的靜態(tài)特性是指輸入的待測信號不隨時間變換，或變化非常緩慢的特性，其重要指標(biāo)分別是線性度、靈敏度、遲滯差（遲環(huán)）、重復(fù)性、閾值和分辨率。

傳感器的動態(tài)特性：傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變換的輸入量響應(yīng)特性。一個靜態(tài)特性很好的傳感器，若它的輸出量不能及時隨輸入量的變化而變化，即響應(yīng)緩慢，就會產(chǎn)生很大的動態(tài)誤差。當(dāng)傳感器用以測量沖擊、振動和壓力等動態(tài)量時，都得考慮動態(tài)指標(biāo)。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

4.6.2.3現(xiàn)代機器對傳感器的基本要求和選用原則1、基本要求1）輸入和輸出之間成比例關(guān)系，直線性好，靈敏度高；2）內(nèi)部發(fā)生的噪音小，不從外部引進噪聲：噪聲將對傳感器的信號傳遞精度產(chǎn)生影響；3）滯后、漂移誤差?。簜鞲衅鞯男盘杺鬟f要求具有較快的響應(yīng)速度和較小的誤差，以滿足實施信號采集和信號處理的要求。在機械系統(tǒng)設(shè)計時，特別要注意以下幾點：1）要求精度高、靈敏度合理選擇、測量范圍寬；2）小型化、系列化、標(biāo)準化；3）可靠性高、穩(wěn)定性好。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計2、選用原則關(guān)于傳感器的性能指標(biāo)目前國內(nèi)外無統(tǒng)一的名詞術(shù)語及定義，通常是根據(jù)若干基本參數(shù)和比較重要的環(huán)境參數(shù)選擇傳感器。下表給出幾種類型指標(biāo)。類型指標(biāo)名稱涉及內(nèi)容基本參數(shù)指標(biāo)量程指標(biāo)量程范圍、過載能力靈敏度指標(biāo)靈敏度、滿量程輸出、分辨率等精度有關(guān)指標(biāo)精度、線性度、重復(fù)性、遲滯等動態(tài)性能指標(biāo)固有頻率、阻尼系數(shù)、衰減率等環(huán)境參數(shù)指標(biāo)溫度指標(biāo)工作溫度范圍、溫度誤差等抗沖振指標(biāo)容許各項抗沖振的頻率、振幅等其它環(huán)境參數(shù)抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力等可靠性指標(biāo)工作壽命平均無故障率時間、保險期、絕緣電阻、耐壓及抗電弧等其它指標(biāo)使用有關(guān)指標(biāo)內(nèi)阻、供電方式各項分布參數(shù)值、外形尺寸、重量、安裝方式等第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.7人—機—環(huán)境工程設(shè)計人機工程學(xué)是研究人、機械及其工作環(huán)境之間相互作用的學(xué)科。該學(xué)科在其自身的發(fā)展過程中，逐步打破各學(xué)科之間的界限，并有機地融合了各相關(guān)學(xué)科的理論，不斷地完善自身的基本概念、理論體系、研究方法以及技術(shù)標(biāo)準和規(guī)范，從而形成了一門研究和應(yīng)用范圍都極為廣泛的綜合性邊緣學(xué)科。因此，它具有現(xiàn)代各門新興邊緣學(xué)科共有的特點，如學(xué)科命名多樣化、學(xué)科定義不統(tǒng)一、學(xué)科邊界模糊、學(xué)科內(nèi)容綜合性強、學(xué)科應(yīng)用范圍廣泛等。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計1、學(xué)科的定義正如其它邊緣學(xué)科一樣，該學(xué)科所下的定義并不統(tǒng)一，隨著學(xué)科的發(fā)展，其定義也在不斷發(fā)生變化。美國人機工程學(xué)家C.C.伍德（CharlesC.Wood）對人機工程學(xué)所下的定義為：設(shè)備設(shè)計必須適合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代價而求得最高的效率。W.B伍德森則認為：人機工程學(xué)研究的是人與機器相互關(guān)系的合理方案，即對人的知覺顯示、操縱控制、人機系統(tǒng)的設(shè)計及其布置和作業(yè)系統(tǒng)的組合進行等進行有效的研究。著名的美國人機工程學(xué)及應(yīng)用心理學(xué)家A.Chapamis說：人機工程學(xué)是在機械設(shè)計中，考慮如何使人獲得操縱簡便而又準確的一門學(xué)科。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

目前，國際人類工效學(xué)學(xué)會（簡稱IEA）為本學(xué)科所下的定義是最權(quán)威、也最全面的定義，即人機工程學(xué)是研究人在某種中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機器及環(huán)境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和休假是怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。我國1979年出版的《辭海》中對人機工程學(xué)下了比較明確的定義：即人機工程學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)。它是運用人體測量學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)和生物力學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科的研究方法和手段，綜合地進行人體結(jié)構(gòu)、功能、心理以及力學(xué)等問題研究的學(xué)科。用以設(shè)計使操作者能發(fā)揮最大效能的機械、儀表和控制裝置、并研究控制臺上各個儀表的最適位置。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

2.人機工程學(xué)的起源與發(fā)展英國是世界上開展人機工程學(xué)研究最早的國家，但本學(xué)科的奠基性工作實際上是在美國完成的。所以，人機工程學(xué)有“起源于歐洲，形成于美洲”之說。人機工程學(xué)的形成與發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：1）經(jīng)驗人機工程學(xué)：20世紀出美國學(xué)者在傳統(tǒng)的管理基礎(chǔ)上，首創(chuàng)了新的管理方法和理論，并據(jù)此制定了一整套以提高工作效率為目的的操作方法，考慮了人使用的機器、工具、材料及作業(yè)環(huán)境的標(biāo)準化問題。學(xué)科發(fā)展的主要特點是機械設(shè)計的主要著眼點在于力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)等工程技術(shù)的優(yōu)選上，在人機關(guān)系上是以選擇和培訓(xùn)操作者為主，使人適應(yīng)機器。2）第二次世界大戰(zhàn)期間：由于軍事的需要開始重視“人的因素”，軍事領(lǐng)域中對人的因素的研究和應(yīng)用，使科學(xué)的人機工程學(xué)應(yīng)運而生。發(fā)展特點是重視工業(yè)與工程設(shè)計中的人的因素，力求使機器適應(yīng)于人。3）現(xiàn)代人機工程學(xué)：從60年代至今，為現(xiàn)代人機工程學(xué)發(fā)展階段。科學(xué)領(lǐng)域中，由于控制論、信息論、系統(tǒng)論和人體科學(xué)等學(xué)科中新理論的建立，在本學(xué)科中應(yīng)用“新三論”來進行人機系統(tǒng)的研究應(yīng)運而生。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

3.研究方法人機工程學(xué)是從系統(tǒng)論的觀點來研究人機環(huán)境組成的系統(tǒng)，研究這三要素及其相互見的關(guān)系。人機工程學(xué)的關(guān)鍵是人機之間的交互作用的問題，研究的重點是人。即從人的生理特征、心理特征考慮，是機、環(huán)境、人相互協(xié)調(diào)。如圖是人機環(huán)境系統(tǒng)中三大要素相互關(guān)聯(lián)的示意圖。

上述即為人一機工程學(xué)的基本研究范疇，而除此之外，機器對人及環(huán)境的影響還有很多，如外觀造型、振動及噪聲等。

第四章機械系統(tǒng)設(shè)計

1）外觀造型過去有人認為，機械產(chǎn)品只要性能好、能使用就行，不必考慮其美觀性，即造型設(shè)計。但隨著時代的進步，這種觀點已被當(dāng)前的市場競爭現(xiàn)實所否定，缺乏美感的機械產(chǎn)品早已不能適應(yīng)市場的需求，人們已不能滿足于追求產(chǎn)品單純的使用目的，產(chǎn)品也應(yīng)具有美的欣賞價值，使人覺得親切、悅目、有人情味，同時，產(chǎn)品還應(yīng)具有良好的舒適性和宜。汽車:第四章機械系統(tǒng)設(shè)計2）振動各種機器都處在各種激勵的作用下，不可避免地要發(fā)生各種各樣的振動。嚴重的振動將對機器儀表設(shè)備本身、人員以及周圍環(huán)境中的其他機械設(shè)備帶來各種危害，概括起來，表現(xiàn)在下面幾個方面。①強烈而持續(xù)的振動會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。②強烈的振動會導(dǎo)致設(shè)備的失效。③強烈的振動不僅損害機器、儀器和人體健康，它也是噪聲的主要來源。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計3）噪聲噪聲環(huán)境會嚴重影響到人的身心健康，人暴露在噪聲環(huán)境中，特別是在強噪聲環(huán)境中工作和生活，時間長了聽覺能力下降，發(fā)生聽覺疲勞和噪聲煩惱，還會引起人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等方面的疾病。此外，噪聲也會對儀器設(shè)備、建筑物產(chǎn)生影響。大功率的強噪聲會妨礙儀器設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，造成儀表讀數(shù)不準、失靈，甚至使金屬材料因聲疲勞而破壞。180dB的噪聲能使金屬變軟，190dB能使鉚釘脫落。大型噴氣式飛機以超音速低空掠過時，它所發(fā)生的大功率沖擊波有時能使建筑物玻璃震裂，甚至房屋倒塌。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計機械系統(tǒng)設(shè)計中的人機工程學(xué)，人、機、環(huán)境構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)，它們之間是相互作用、相互配合、相互制約的關(guān)系，但起主導(dǎo)作用的始終是人。人機工程設(shè)計的對象就是技術(shù)系統(tǒng)與操作者之間的“接口”，同時也要考慮人機之間的分工是否合理。人機工程學(xué)是運用生理學(xué)、心理學(xué)和其他有關(guān)學(xué)科知識，使機器與人相互適應(yīng)，創(chuàng)造舒適和安全的環(huán)境條件，從而提高工效的學(xué)科。它的分析原則是：對人的心理特點，設(shè)計最理想的機器和設(shè)備；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選擇，能對人的能力的開發(fā)起到促進及刺激作用，以期喚起人們的活動樂趣；在人和機器的相互影響過程中能為操作者創(chuàng)造出保持正常情緒及最適當(dāng)?shù)纳罹o張度的條件。1）顯示裝置設(shè)計；2）操作裝置設(shè)計；3）產(chǎn)品造型設(shè)計；4）噪聲的控制；5）振動的控制第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.8機械系統(tǒng)設(shè)計的專家系統(tǒng)及仿真機械系統(tǒng)設(shè)計是對機械系統(tǒng)進行構(gòu)思、計劃并把設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實的技術(shù)實踐活動，過去的設(shè)計多數(shù)都采用傳統(tǒng)設(shè)計方法。首先，繪制工程圖紙，經(jīng)過長時間的方案論證后，制造并試驗物理樣機，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能缺陷時，就修改設(shè)計方案，然后，改進物理樣機并再次進行物理樣機試驗，通常，在試制出合格產(chǎn)品之前，要經(jīng)過多次反復(fù)的過程。這個過程，既延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期，又增大了開發(fā)成本，且機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，這種情況就越嚴重。但隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，這一情況已得到了很大的改善，計算機技術(shù)已被運用到機械系統(tǒng)設(shè)計的整個過程中去，其中，專家系統(tǒng)與系統(tǒng)仿真技術(shù)在機械系統(tǒng)設(shè)計中起到了非常重要的作用。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.8.1專家系統(tǒng)所謂專家系統(tǒng)，實際上是一個(或一組)能在某特定領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家水平去解決該領(lǐng)域中困難問題的計算機程序。例如：壓力容器的設(shè)計，只有經(jīng)國家認證的具有壓力容器設(shè)計資格的單位里的有設(shè)計資格的人員即專家才能進行設(shè)計，但很多生產(chǎn)企業(yè)都不具備設(shè)計資格，壓力容器設(shè)計專家系統(tǒng)就可以幫助解決這個問題，它將國家有關(guān)的設(shè)計計算的標(biāo)準及人類專家的經(jīng)驗存入程序庫或知識庫中，構(gòu)成專家系統(tǒng)，使一般稍具專業(yè)知識的設(shè)計人員就可借助它來進行設(shè)計，也可用來幫助有設(shè)計資格的人員(專家)減輕工作量。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計一個成功的專家系統(tǒng)的作用是：①減少設(shè)計人員的負擔(dān)。②適用于常規(guī)方法和分析程序無能為力的地方。③起快速的作用。④防止設(shè)計人員出錯及保留系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗的領(lǐng)域。應(yīng)用專家系統(tǒng)并不是要代替人類專家，而是使他們從沉重的設(shè)計過程的負擔(dān)中解放出來，以便能集中精力決策。專家系統(tǒng)的主要作用是提高工程師的素質(zhì)和作為工程師的助手。把專家系統(tǒng)引入機械系統(tǒng)設(shè)計，在國外有20年左右的歷史，在國內(nèi)則更短。在這一計算機應(yīng)用的新領(lǐng)域中，將計算機從數(shù)值處理擴展到非數(shù)值處理的范疇，包括知識與經(jīng)驗的集成、推理和決策，能使設(shè)計過程自動化、智能化，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計8.1.2設(shè)計技術(shù)與專家系統(tǒng)從設(shè)計技術(shù)這個角度來看，機械系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)包括三個側(cè)面，如圖所示。在這三個側(cè)面中，理論方面和經(jīng)驗方面的多數(shù)范疇可以以計算機為主體來進行信息處理。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機在理論方面亦即科學(xué)計算方面的應(yīng)用越來越廣泛。目前，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，亦即數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域里，也迅速達到了可應(yīng)用的階段。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計概念方面是以設(shè)計者作為信息處理的主體的部分，因而是最具有創(chuàng)造性方面的要求。狹義的設(shè)計技術(shù)可以定義為：充分利用計算機，進行技術(shù)計算以及設(shè)計中所必需的數(shù)據(jù)處理、生成記錄等工作。將設(shè)計技術(shù)定義成設(shè)計人員和計算機共處的關(guān)系，則如圖所示。設(shè)計技術(shù)（廣義）設(shè)計技術(shù)（狹義）計算力學(xué)數(shù)據(jù)/規(guī)則庫人機接口要求功能產(chǎn)品概念產(chǎn)品構(gòu)思判斷推理創(chuàng)造性工程開發(fā)工程市場概念判斷理論分析想象第四章機械系統(tǒng)設(shè)計8.1.3機械系統(tǒng)仿真分析機械系統(tǒng)仿真分析采用虛擬樣機技術(shù)，可以在計算機平臺上對機械系統(tǒng)進行建模和仿真，確定子系統(tǒng)和零件的技術(shù)要求，是實施并行工程的一項非常重要的技術(shù)。例如，零件加工過程仿真，模擬刀具與零件在加工過程中的運動關(guān)系，在實際加工之前就可對加工過程一清二楚，避免了諸如碰刀、過切、虛切之類可能發(fā)生的問題。1）現(xiàn)代虛擬樣機仿真方法虛擬樣機是優(yōu)化復(fù)雜機械系統(tǒng)的強有力工具。工程師們可以應(yīng)用機械系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，快速分析多種設(shè)計方案，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案。當(dāng)通過計算機模擬機械系統(tǒng)行為時，利用仿真軟件中相應(yīng)的功能，就可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行(成本、時間等不允許)的仿真試驗。通過仿真軟件還可以檢查零件的運動干涉、評價系統(tǒng)振動水平、預(yù)測零件的變形、確定作用在零件上的載荷譜等。第四章機械系統(tǒng)設(shè)計fadongji整機效果圖第四章機械系統(tǒng)設(shè)計2）仿真分析的目的及優(yōu)點①優(yōu)化設(shè)計：對于機械系統(tǒng)尤其是大型復(fù)雜的機械系統(tǒng)，使用仿真分析，可以在建立系統(tǒng)之前能夠預(yù)測系統(tǒng)的性能和參數(shù)，從而使所設(shè)計的系統(tǒng)達到最優(yōu)指標(biāo)。②縮短周期、降低成本：在計算機上建造虛擬樣機，可以大大減少制造一試驗物理樣機的需求。用戶可以使用所建立的虛擬樣機，并在實際試驗條件下進行