機械系統(tǒng)設計課件

1.1機械系統(tǒng)設計在機械工程科學中的地位及作用

機械工程科學是研究機械產品的性能、設計和制造的基礎理論與技術的科學，機械工程科學可以按其經歷階段分為機械學和機械制造兩大分學科。

1）首先研究的是機械產品的性能

2）從滿足產品性能的目的出發(fā)進行設計（總體設計和技術設計）

3）利用一定的方法和技術手段制造出該產品

注意：產品制造完成后最終的目的還是要出售，要出售的不是產品的本身，而是產品的性能和服務。

表征產品性能主要參數指標：功能、適應性、可靠性、安全性、使用成本等

緒論1機械工程科學的組成及相互關系1）用先進的設計技術設計出“質量很差的產品”；

2）用先進的制造技術生產出“落后的高質量的產品”2機械設計與制造的關系：設計與制造是不可分的統(tǒng)一體。設計是核心，制造是基礎。

1）脫離了制造的設計會導致產品質量的低劣。由于制造系統(tǒng)本身的特定條件，對設計過程有極強的約束作用，所以在設計過程中必須考慮到現有制造系統(tǒng)的工藝能力對所設計產品性能的影響。

2）脫離了設計的制造會導致產品性能的落后。如果設計的產品從理論上或原理上存在先天不足，那么加工制造的質量再好，也無法彌補設計上的缺陷。機械設計與制造的關系：制造對設計的約束作用3

機械學是對機械進行功能綜合并定量描述及控制其性能的基礎技術科學。

機械學的主要任務：把各種知識、信息注入到設計中，加工成機械制造系統(tǒng)能接受的信息，并加工出合乎設計要求的產品的過程。

機械學的研究對象：

1)

機械工程中圖形的表示原理和方法

2)機械運動中的運動和力的變換與傳遞規(guī)律

3)

機械零件與構件中的應力、應變和機械的失效

4)

機械中的摩擦行為

5)

設計過程中的思維活動規(guī)律及其設計手段

6)機械系統(tǒng)與人、環(huán)境的相互影響等機械學/機械學的主要任務/機械學的研究對象4機械學的研究對象(按學科分類)機械學的研究對象按學科來分：1)

制圖學

2)

機構學

3)

機械結構強度學4)

機械振動學

5)

摩擦學

6)

傳動機械學7)

設計理論與方法學

8)

機器人機械學9)人-機工程學等分學科。

5人機工程學：研究機械系統(tǒng)與人和周圍環(huán)境關系的科學。人機工程學的兩種設計思想：1）以人為中心；2）以機器為中心

機械學的研究對象——人機工程學注意：兩種設計思想均正確，針對不同的矛盾采用不同的設計思想以機器為中心通常是設計者考慮問題的出發(fā)點——如何以最佳的原理及結構實現系統(tǒng)的功能。以人為中心通常是用戶或使用者/操作者考慮問題的出發(fā)點——如何以最舒適、最人性化的方式使用機器。要求設計者和用戶溝通，以便實現最佳的產品性能和操作性能6機械學包含的分學科7

機械制造科學：研究機械制造系統(tǒng)、機械制造過程手段的科學。包括：硬件（設備）、軟件（工藝方法）機械制造科學的基本概念機械制造學包括熱加工和冷加工。8熱加工：研究如何將材料加工成產品，如何保證、評估、提高這些產品安全可靠度和壽命的技術科學。主要內容：

1)

研究如何將材料加工成為一定形狀及尺寸的機器部件

2)

研究在加工過程中保證或改進材料的內部組織、化學成分和加工性能

3)

研究發(fā)展機器部件所需的本體材料或其表面層

4)

研究機器部件的疲勞、蠕變、斷裂韌性、應力腐蝕、壽命等使用性能問題

5)

研究加工工藝、加工裝備機器自動流水線機械熱加工學按方法可分為：鑄造、鍛造、焊接、金屬熱處理、無損探測、表面工程等分學科。機械制造學的基本概念——熱加工9冷加工：研究各種機械制造過程和方法的技術科學。冷加工主要研究內容有：

1)

機械加工和裝配工藝過程的生產裝備及其自動化、集成化與智能化

2)

機械加工和裝配工藝的過程和方法

3)機械制造（冷加工）的基礎理論。機械制造學的基本概念——冷加工10機械（無嚴格的定論）：須由兩個以上的零、部件組成；這些零、部件中的運動部件，應按設計要求作確定的運動；把外來的能源變?yōu)橛杏玫臋C械功。機械產品隨處可見。系統(tǒng)：指具有特定功能的、相互間有一定聯系的許多要素構成的整體，即由兩個或兩個以上的要素組成的具有一定結構和特定功能的整體。機械系統(tǒng)：由若干個零、部件及裝置組成的一個特定系統(tǒng)，彼此間有機聯系，并能完成特定功能的系統(tǒng)。系統(tǒng)的特性：

1)目的性；2)相關性與整體性；3)環(huán)境的適應性。二機械、機械系統(tǒng)、系統(tǒng)的基本概念和特點11

目的性：完成特定的功能是系統(tǒng)存在的目的。系統(tǒng)特性

相關性與整體性：系統(tǒng)是由兩個或兩個以上要素構成的，而每個要素之間都是有機地并以特定的關系聯系在一起的，即相關性。這樣，當每個要素自身發(fā)生變化時，就會影響到與此要素相關的其它要素，同時各要素間的相互作用相互影響也會對系統(tǒng)產生影響。

環(huán)境適應性：任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，當環(huán)境變化時，就會對系統(tǒng)產生影響，嚴重時會使系統(tǒng)的功能發(fā)生變化，甚至喪失功能。由于外部環(huán)境總是不斷變化著，而系統(tǒng)本身大多數情況下也總處于動態(tài)的工作過程中，因此，為了使系統(tǒng)運行良好，并完成特定功能，必須使系統(tǒng)對外部環(huán)境的各種變化和干擾有良好的適應性。12

機械系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、操作和控制系統(tǒng)、支承系統(tǒng)及潤滑-冷卻及密封系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。三、機械系統(tǒng)的組成

131）任何系統(tǒng)都離不開機械系統(tǒng)2）機械系統(tǒng)是任何設備的基礎，機械系統(tǒng)的技術指標直接影響設備的性能。四、機械系統(tǒng)的地位與作用14汽車中的機械系統(tǒng)四、機械系統(tǒng)的地位與作用（舉例）15機器人中的機械系統(tǒng)

機器人設計包括機械結構設計，檢測傳感系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術的綜合應用。

下面以工業(yè)機器人為例，介紹機器人的一般組成、各部分作用以及機械手的一般結構。四、機械系統(tǒng)的地位與作用（機器人）1618世紀瑞士的寫字偶人哈工大爬壁機器人爬纜索機器人仿人機器人北航仿生魚管道機器人17

排雷機器人“索杰納”火星車引導機器人

工業(yè)機器人181）機器人的基本組成及各部分功能驅動系統(tǒng)：機器人各個關節(jié)即每個運動自由度的動力裝置機械結構系統(tǒng)由機身、手臂、末端操作器三大件組成．

感受系統(tǒng)：它由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息

機器人—環(huán)境交互系統(tǒng)是實現機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯系和協(xié)調的系統(tǒng)．人—機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯系和參與機器人控制的裝置控制系統(tǒng)的任務是根據機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能．四、機械系統(tǒng)的地位與作用19四、機械系統(tǒng)的地位與作用（舉例：機器人）機器人中的機械系統(tǒng)202）機械手的結構

手臂型機器人通常稱為機械手或機器人手臂。同樣具有機械系統(tǒng)的特征和要素。圖2.3機械手的概念圖四、機械系統(tǒng)的地位與作用（機器人）21常用機械手手臂機構圖2-4油缸和齒輪齒條手臂機構圖2-5氣缸和齒輪齒條增倍手臂機構（手臂回轉運動）

（手臂伸縮運動——增倍）四、機械系統(tǒng)的地位與作用（機器人）22常用機械手手爪機構圖2.6回轉型手爪機構圖2-7平移型手爪機構四、機械系統(tǒng)的地位與作用（機器人）23四、機械系統(tǒng)的地位與作用（轉臺）轉臺分為兩大類：測試轉臺、仿真轉臺用途：

1）測試轉臺用于加速度計、陀螺儀等的標定；

2）仿真用轉臺用于航天器動態(tài)跟蹤精度和性能仿真測試

轉臺中的機械系統(tǒng)主要包括：

1）驅動電機（動力原件，一般用交流無刷力矩電機）；

2）精密機械軸系（高精度軸承）；

3）測角系統(tǒng)；

4）安全保護系統(tǒng)；

5）底座（支承系統(tǒng)）；

6）框架/負載安裝界面（執(zhí)行系統(tǒng)）；

7）潤滑及密封裝置。24功能：標定加速度計；原理：加速度計標定原理分兩種情況

1）小于等于1g；2）大于1g；機械系統(tǒng)結構：

1）轉臺主軸軸系采用密珠支撐，以提高支承剛度和運動精度

2）分度轉臺的定位精度主要有一對端齒盤保證

3）精密測角系統(tǒng)

4）操縱系統(tǒng)

5）執(zhí)行系統(tǒng)（負載安裝盤）1）位置精度1〃2）位置重復性<0.5〃1加速度計、陀螺儀測試用角位置轉臺252單軸位置速率轉臺263三軸伺服轉臺

27典型三軸轉臺機械系統(tǒng)結構圖2829典型三軸轉臺照片——速率模式機電一體化系統(tǒng)有五大要素組成

1）動力；2）機構；3）執(zhí)行器；4）計算機；5）傳感器現代機械系統(tǒng)：由計算機信息網絡協(xié)調與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機電部件相聯系的系統(tǒng)?，F代機械系統(tǒng)的概念機電一體化產品的組成要素30本次課小結機械工程學科及分類機械設計與制造的關系機械、系統(tǒng)和機械系統(tǒng)機器人系統(tǒng)、轉臺系統(tǒng)311.2機械系統(tǒng)設計的任務、基本原則及要求一、機械系統(tǒng)設計的任務及設計類型任務是開發(fā)新的產品和改造老產品，最終目的是為市場提供優(yōu)質高效、物美價廉的機械產品，以取得較好的經濟效益。機械系統(tǒng)設計的特點：

(1)多解性一個設計方案不可能同時滿足所有用戶的要求；能滿足同一用戶需求的設計方案一般來說也不止一個；設計的多解性為同類功能的產品適應不同要求提供了可能。

(2)創(chuàng)新性善于把新的科技成果進行科學而巧妙的構思應用到產品中去

(3)系統(tǒng)性（系統(tǒng)工程，需要考慮的因素很多）32機械系統(tǒng)設計的特點系統(tǒng)性的含義及要考慮的因素：

1）用戶對產品技術性、經濟性的要求；

2）必須考慮與產品加工和制造、產品運輸、產品維修/維護/保養(yǎng)的約束條件；

3）解決技術可行和產品可靠性的問題；（技術成熟程度、可靠性高低，風險大?。?/p>

4）需要解決的關鍵技術及須采取的措施

5）考慮機械產品本身的系統(tǒng)性（有競爭力的機械產品是用系統(tǒng)工程的方法對合格的零部件進行科學組合、合理匹配的結果）

6）面對市場和考慮企業(yè)自身發(fā)展；33機械系統(tǒng)設計的分類大致可以分為三類：

1)完全創(chuàng)新設計

2)適應性設計（適應新要求）（繼承設計）

3)變異性設計（適應某方面有所變更的要求）（變型設計）一、機械系統(tǒng)設計的任務及設計類型完全創(chuàng)新設計：所設計的產品是過去從沒有過的全新產品。此類設計的特點是只知道新產品的功用，但對確保實現該功能應采用的工作原理及結構等問題完全未知，沒有任何參考資料。完全創(chuàng)新設計的特點：

產品的主功能、主功能的工作原理、主功能載體的結構，這三者中至少有一項是首創(chuàng)的34二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求

做好機械系統(tǒng)設計的重要性產品獲得所需要經歷的兩個階段：設計階段、制造階段。

1）由于設計和制造的相互影響和密不可分性，在設計階段要充分考慮到制造的影響；（連接設計與制造的是工藝）

2）在設計階段避免犯顛覆性或原理性的錯誤

3）制造缺陷影響產品質量、而設計缺陷則影響產品的性能35

一般設計原則主要包括滿足：

(1)需求原則；（一切設計都是以滿足客觀需求為出發(fā)點）

(2)信息原則；（在設計前作調查研究，廣泛收集資料和必要信息，不能閉門造車。要記住市場的敏感性，可能已經有了想要的產品，不做市場調查和信息收集往往會導致你作無用功）

(3)系統(tǒng)原則；（從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，抓住主要矛盾，忽略或降低次要矛盾對系統(tǒng)性能的影響進行設計）

(4)優(yōu)化、效益原則；（優(yōu)化的目的是提高效益；優(yōu)化的內容包括原理、設計參數、總體方案、成本、價值、效率優(yōu)化等）

二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求36設計要求的重要性設計要求：既是設計、制造、試驗、鑒定、驗收的依據，同時又是用戶衡量的尺度。所以，在設計前，必須對所設計產品提出詳細、明確的設計要求。

要求我們在設計前必須對所進行的設計要求有一個清晰明確的認識必要時要與用戶進行溝通，詳細了解用戶對產品的性能、產品的使用環(huán)境、維護/保養(yǎng)條件、產品的安裝位置等二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求37

設計要求主要包括：

(1)功能要求

(2)適應性要求、(3)可靠性要求、

(4)生產能力要求

(5)使用經濟性要求(6)成本要求等。功能要求:1）用戶購買的是產品的功能（說明功能的重要性）。

2）功能與技術、經濟性密切相關

3）功能減少可能會喪失市場，要在滿足基本功能的情況下，科學的對功能進行取舍適應性要求：

1）適應性要求指當工作狀態(tài)發(fā)生變化時產品的適應程度；

2）適應性的提高將會給產品的設計、制造、維護等方面帶來很大困難，甚至達不到。二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求38可靠性要求:1）可靠性要求指系統(tǒng)、產品、零件在規(guī)定的使用條件下，在預期的使用時間內完成規(guī)定功能的概率。

設計要求主要包括：

(1)功能要求

(2)適應性要求、(3)可靠性要求、

(4)生產能力要求

(5)使用經濟性要求(6)成本要求等。生產能力要求:1）生產能力要求指單位時間內所能完成工作量的多少，是一項重要的技術指標。

2）提高生產力可能會帶來負面問題，只有負面問題得到妥善解決后去提高生產能力才有意義二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求39

設計要求主要包括：

(1)功能要求

(2)適應性要求、(3)可靠性要求、

(4)生產能力要求

(5)使用經濟性要求(6)成本要求等。使用經濟性要求:1）使用經濟性指單位時間內生產的價值與同時間內使用費用的差值，使用經濟性越高越好；

2）使用費用主要包括：原材料、輔料消耗、能源消耗、保養(yǎng)維修、折舊、工具耗損、操作人員的工資等。（買車時最有體會了）成本要求:1）成本高低直接影響競爭力；

2）在機械產品中，要注意材料費用，主要是材料品質、利用率、廢品率。二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求40

從圖1.11可以看出機械產品的成本組成，它主要由材料費、工資以及附加費三部分組成。介紹機械產品成本組成的目的是學會如何從設計的角度來降低產品的成本。

機械產品成本組成中與設計有關的因素1）材料的數量、質量；2）工序的數量、工序時間、工人技術級別；

3）設計的簡化；4）安全系數（舉例，吊車）；5）零件結構；6）制造方法；7）設計精度機械產品成本的主要組成41圖1-12表示了產品生產過程和壽命階段的大致流程。三、產品設計、產生過程42

在產品設計、生產流程圖中屬于設計過程的主要有產品策劃階段和產品設計階段。產品生產屬于制造過程。43三、產品設計、生產過程產品策劃階段的任務：

1）了解市場需求；

市場需求分析：對產品功能和用戶群體等的定位及市場前景分析

2）何時、為那種市場開發(fā)、創(chuàng)造和銷售那種產品；

3）詳細介紹產品的開發(fā)目的、性能和其他必要數據。

總之，產品策劃階段是為了給某一用戶或某一類用戶而開發(fā)的產品制定詳細的任務書，在整個設計過程中起著指導性的作用。市場需求分析和產品策劃的主要內容：三、產品設計、生產過程2）有關產品的國內外水平和發(fā)展趨勢（*）

3）預期達到的目標

(設計水平、技術特點、經濟和社會效益等)4）提出設計和制造方面所需解決的關鍵問題（*）5）現場條件下開發(fā)產品的可能性及準備采取的措施（*）6）預算投資費用及項目的進度和期限（*）容易被設計者特別是經驗不足的設計者忽略的問題1）產品開發(fā)的必要性和市場需求預測44

設計階段又分為功能原理方案設計階段、結構總體設計階段和技術設計階段。（各階段任務）

功能原理方案設計階段的任務：在功能分析的基礎上，通過創(chuàng)新思維、優(yōu)化篩選、方案綜合及評價決策，最后得到一個較理想的功能原理方案。

結構總體設計階段的任務：把功能原理方案具體化,在此階段主要完成產品的總體布置圖、尺寸參數、運動參數、動力參數的確定以及所需的各種裝配圖。

技術設計階段的任務：根據總裝配圖繪制零件圖，編制技術文件（如設計說明書，各種工藝文件、標準件、外購件明細表，備件、專用工具明細表等）。另外除了教材中列出的工作以外，還應有編制產品的測試方法、使用說明書、維護手冊等

功能原理方案設計階段的重要性：功能原理方案的好壞將決定產品的性能、成本、水平及競爭力，是設計階段的關鍵。三、產品設計、生產過程45功能原理方案設計和結構總體設計的重要性舉例：舉例：投標一般投標時所提供的標書技術文檔包含兩部分內容，一是技術文檔，另外一部分是商業(yè)文檔。技術文檔詳細給出了應標的詳細技術方案，主要是功能原理方案和結構總體方案。各投標方在技術上PK的是功能原理方案和結構總體方案。評標委員會根據你的功能原理方案、報價、技術成熟程度、可靠性等打分，最后確定中標單位。三、產品設計、生產過程46三、產品設計、生產過程——補充內容

商品化設計：其任務是保證產品不僅在技術上可行，而且在市場競爭中也能取得成功。商品化設計的核心是功能原理的新穎性，基礎是產品技術性能的先進性，包裝是市場要求的適應性。需對設計策賂、銷售策略和經營策略進行全面考慮。商品化設計階段的工作重點是：

1）實現性能的實用性變化，包括適應不同使用條件、開發(fā)新的用途、增添附加性能等；

2）零部件標準化、性能尺寸規(guī)格系列化、非標準零部件通用化和零件結構模塊化等；

3）產品的工業(yè)藝術造型設計；

4）產品的價值分析等。47三、產品設計、生產過程——補充內容產品的商品化設計舉例-叉車481.3機械系統(tǒng)設計方法一、機械系統(tǒng)的設計方法

1）傳統(tǒng)設計方法2）現代設計方法傳統(tǒng)設計方法：經驗設計方法、半經驗半理論的設計方法經驗設計方法：設計者主要是憑借直覺和經驗，以生產的經驗數據為設計依據，運用一些基本的設計計算理論，借助類比、模擬和試湊等設計方法來進行設計。經驗設計方法特點：

1）用這種方法設計的機械只能滿足基本功能要求

2）結構的安全系數較大，經濟性差

3）只是依靠對原型機運行試驗進行整機的綜合性能分析。

4）產品研制周期長，產品的質量低、成本高。49一、機械系統(tǒng)的設計方法

傳統(tǒng)設計方法——半經驗半理論的設計方法半經驗半理論設計方法：

1）加強了設計基礎理論和專業(yè)機械設計理論的研究

2）為設計提供了大量的信息，如設計數據、圖表圖冊等；

3）加強了關鍵零部件的試驗研究，使整機試驗趨于完善，大大提高了設計速度和成功率；

4）加強了零件標準化、部件通用化、產品系列化的研究。

半經驗設計方法與經驗設計方法相比，大大減少了設計的盲目性，有效地縮短了設計周期．提高了機械產品的質量和壽命．降低了成本。1.3機械系統(tǒng)設計方法50

傳統(tǒng)設計方法因其簡易方便至今仍被廣泛應用，但其不足之處主要表現在：①在設計理論上，主要集中在揭示設計對象的內在機理，而未將“設計”本身作為一門學科進行研究，對設計對象內在機理的分析也僅局限于采用簡化模型；②在設計方法上，未能將局部與系統(tǒng)、定性與定量、靜態(tài)與動態(tài)、技術與經濟、技術與美學、設計與銷售等關系辯證地統(tǒng)一起來，融會貫通于設計之中，因而設計方法上有很大的局限性；③在設計本質上，未能將創(chuàng)造性設計提高到應有高度來認識和研究，使具體設計缺乏創(chuàng)造性的思維方法。1.3機械系統(tǒng)設計方法511機械系統(tǒng)的現代設計方法現代設計方法現代設計方法是現代廣義設計和分析科學方法學的簡稱。是科學方法論在設計中的應用。這些方法可以應用到各行各業(yè)，應用到機械設計中，則稱為機械系統(tǒng)的現代設計方法。1.3機械系統(tǒng)設計方法52現代設計方法的內容主要包括：信息論方法—如信息分析法、技術預測法，是現代設計方法的前提系統(tǒng)論方法—如系統(tǒng)設計法、人——機工程等控制論方法—如動態(tài)分析設計法優(yōu)化論方法—優(yōu)化設計法是現代設計的目標對應論方法—如相似設計法智能論方法—如CAD、CAM等，是核心壽命論方法—如可靠性設計和價值工程等離散論方法—如有限元和邊界分析設計法模糊論方法—如模糊設計法突變論方法—如創(chuàng)造性設計等，是現代設計法的基礎藝術論方法—如藝術造型設計531設計方法學11模塊化設計2優(yōu)化設計12熱穩(wěn)定性設計3可靠性設計13精度設計4工業(yè)藝術造型設計14相似設計5有限元法15設計專家系統(tǒng)6動態(tài)設計16并行設計7計算機輔助設計17綠色設計8疲勞強度設計18虛擬設計9損傷容限設計19智能工程10摩擦學設計20反求工程54現代設計方法2現代設計方法與傳統(tǒng)設計方法的比較現代設計方法特點：動態(tài)的、科學的、計算機化的方法。將那些在科學領域內得到的所有科學方法論應用到工程設計中。主動的設計產品的參數?？s短產品的設計周期。提高產品的質量并降低其成本。552現代設計方法與傳統(tǒng)設計方法的比較現代設計方法與傳統(tǒng)設計方法的不同之處主要表現在以下幾方面：(1)設計性質(傳統(tǒng)設計偏重于設計技術；現代設計面向功能目標)(2)設計思維(傳統(tǒng)設計朝向結構方案的“收斂性思維”；現代設計面向產品總功能的“發(fā)散性思維”)(3)設計方法(傳統(tǒng)設計采用少數的驗證分析以滿足限定的約束條件；現代設計是用多元性方法直接綜合使其在各種情況下實現方案與全域優(yōu)化目標)(4)設計手段(傳統(tǒng)設計是用計算器、圖板、手冊的個體手工作業(yè)；現代設計充分利用計算機、自動繪圖和數據庫管理，集團分工協(xié)作)56現代設計方法與傳統(tǒng)設計方法的不同之處主要表現在以下幾方面：(5)設計對象(傳統(tǒng)設計局限在零件和結構上；現代設計則注重機械系統(tǒng)的全局構成，包括造型藝術)(6)設計工況(傳統(tǒng)設計避開復雜問題，只按確定工況與靜態(tài)考慮；現代設計則研究動態(tài)的隨機工況、模糊性與其它一系列問題)(7)設計評價(傳統(tǒng)設計采用單項與手冊標準為準則（如強度、成本等）；現代設計方法則用科學的模糊綜合評價)2現代設計方法與傳統(tǒng)設計方法的比較5758為什么采用可靠性設計

可靠性：產品(或系統(tǒng))在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力?？煽啃缘幕靖拍?9可靠性定義主要包括了以下五個基本要素：(2)規(guī)定的條件常指使用條件、環(huán)境條件、操作條件和維護條件等，這些條件對可靠性會有直接影響。(3)規(guī)定的時間一般是指對象的工作期限,該期限可以用時間、次數或距離等表示。(4)規(guī)定的功能每一對象都有其所要求的功能，功能常用各項規(guī)定的指標來表示。產品喪失功能的狀態(tài)稱為發(fā)生故障或失效。(5)能力完成規(guī)定功能的能力不僅有定性的含義而且有定量的指標，描述這種能力一般都要采用概率和數理統(tǒng)計的方法。(1)評價可靠性的對象對機械產品而言可以是一個零件、一個部件，也可以是一臺機械設備或是多個機械設備組成的系統(tǒng)。可靠性的基本概念60

可靠性設計—應用可靠性理論和設計參數的統(tǒng)計數據，對零件、部件、設備或系統(tǒng)等在保證達到給定的可靠度的條件下，進行設計的一種方法。重要內容之一是可靠性預測，其次是可靠性分配。可靠性預測是一種預報方法，即從所得到的失效數據預報一個零、部件或系統(tǒng)實際可能達到的可靠度，預報這些零、部件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率。可靠性分配通過串聯或并聯的方法來保證系統(tǒng)的可靠度指標，對于關鍵零、部件應進行冗余設計，使可靠性指標得到保證。61可靠性設計的步驟確定系統(tǒng)的可靠度指標。按需要、技術水平、研制時間、成本等。從可靠性的角度進行失效分析、影響分析、可靠度預測，估算。進行必要的試驗。進行可靠度分配，賦予各部分直到基本單元的合理的可靠度指標。進行零件的可靠性設計計算。

有限元法目前在機械系統(tǒng)設計中是一種非常重要的分析、計算方法，借助有限元分析軟件，可以替代傳統(tǒng)的根據理論力學、材料力學的基本公式計算結構件的靜態(tài)變形、位移、應力、應變，動態(tài)模態(tài)分析，以及其它如流體力學分析、熱分析、磁場分析等等。有限元法：是將彈性連續(xù)體簡化為有限個單元組成的離散化模型，對離散化模型求出數值解，是在力學模型上進行近似計算，有限元法已經是一種廣泛應用且行之有效的數值近似解法。62現代設計理論與方法—有限元法的基本概念有限元法在轉臺設計中的應用63

為了給大家建立有限元分析的基本概念,首先看一個靜態(tài)分析的例子。分析零件的靜態(tài)變形。首先看傳統(tǒng)方法，也就是利用材料力學的有關知識進行計算。有限元法應用舉例64v——最大撓度P——集中力載荷E——彈性模量I——慣性矩這時出現了一個問題：I值如何確定？I值如何確定是一個與截面形狀有關的量。對于規(guī)則的截面形狀，可以查表得到；對于不規(guī)則的截面形狀如何處理呢？傳統(tǒng)方法計算彎曲變形65存在問題：1）臺面截面不規(guī)則，屬于變截面；2）不受集中力，而是在一定面積區(qū)域受力有限元分析舉例66平面圖三維實體圖有限元分析軟件單元類型確定/材料特性定義/單元劃分施加載荷/約束條件選擇分析類型(靜態(tài)分析/模態(tài)分析)結果輸出二維平面圖有限元法進行靜態(tài)/模態(tài)分析的一般步驟671機械工程科學研究的內容包括幾大分學科?

各分學科之間的相互關系又怎樣?2什么是系統(tǒng)?系統(tǒng)有何特性?什么是機械系統(tǒng)?機械系統(tǒng)由幾大部分組成?

機械系統(tǒng)在產品中的地位與作用?4在設計機械系統(tǒng)時，為什么特別強調和重視從系統(tǒng)的觀點出發(fā)?5機械產品設計有幾種類型?6簡述產品產生過程及設計的一般過程。7什么是機械系統(tǒng)的現代設計方法?此方法與傳統(tǒng)設計階段的設計方法有何聯系與區(qū)別?習題與思考68

執(zhí)行系統(tǒng)設計一、執(zhí)行系統(tǒng)的組成執(zhí)行末端件—直接與工作對象接觸并完成一定工作（夾持、轉動、移動等）或在工作對象上完成一定動作（切削、鍛壓、清洗等）的部件。執(zhí)行機構—給執(zhí)行末端件提供力和帶動它實現運動，即把傳動系統(tǒng)傳遞過來的運動進行必要的轉換，以滿足執(zhí)行末端件的要求。693.1執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類設計一套機械系統(tǒng)的目的是要使所設計的系統(tǒng)具有一定的預期功能，那么在系統(tǒng)中能直接完成預期工作任務的那部分子系統(tǒng)就是執(zhí)行系統(tǒng)。圖3.1臥式車床主軸頂尖或夾盤是執(zhí)行末端件；70執(zhí)行末端件執(zhí)行機構主軸則是執(zhí)行機構圖3.2手爪平行開閉式機械手結構示意圖11是執(zhí)行末端件1、8—滑動齒條；2、3—小齒輪；4—雙面齒條；5—氣缸；6—活塞；7—螺桿；9—滑動齒條導軌；10—壓縮彈簧；11—可換夾爪

71執(zhí)行末端件執(zhí)行機構以上兩例中的執(zhí)行系統(tǒng)都是由純機械結構組成的。隨著科學技術的發(fā)展，執(zhí)行系統(tǒng)的組成也在不斷地發(fā)生變化：

一方面由于機械的含義在不斷地擴展，如電子、電器、光學、液體、氣體等也可以直接與純機械結構結合，組成較先進的機電、機光、機液等執(zhí)行機構；

另一方面又由于傳動系統(tǒng)變得越來越簡單，有時一個機構可以既是傳動系統(tǒng)又是執(zhí)行系統(tǒng)，如連桿機構的應用，所以，執(zhí)行系統(tǒng)可以由一個簡單的結構來組成，也可以由一些基本結構組合成的復雜機構來組成。這主要視系統(tǒng)的功能來決定。一般說來，能完成同一功能的執(zhí)行系統(tǒng)可以有不同的方案，但應選出既能滿足功能要求，又簡單、可靠的一個方案。72二、執(zhí)行系統(tǒng)的功能1、實現運動形式或運動規(guī)律變換的功能

(1)實現預期固定軌跡或簡單可調的軌跡功能(2)勻速運動與非勻速運動的變換(3)連續(xù)運動與間歇式轉動或擺動的變換2、實現開關、聯鎖和檢測等的功能(1)用來實現運動的離合或開停(2)用來換向、超越或反向止動(3)用來實現聯鎖、過載保護、安全制動(4)實現鎖止、定位、夾壓等(5)實現測量、放大、比較、顯示、記錄、運算等3、實現程序控制功能4、實現施力功能如壓力機、礦石粉碎機等73執(zhí)行系統(tǒng)的功能（示例1）圖3.3聯動凸輪機構

凸輪A,B控制E的運動軌跡，可根據運動軌跡的要求設計凸輪曲線。74E—執(zhí)行末端件其它—執(zhí)行機構執(zhí)行末端件執(zhí)行系統(tǒng)的功能（示例2）曲柄搖桿ABCD機構實現刀具的慢進和快退。

AB的長度調節(jié)行程。

M1,M3調節(jié)刀具與工件的相對位置（XY向）。

M2調節(jié)工作臺的高度。曲柄搖桿FGHI驅動棘輪J帶動螺桿K實現每循環(huán)進給量。75有兩個執(zhí)行末端件：刀具和工作臺圖3.4牛頭刨床三、執(zhí)行系統(tǒng)的分類按執(zhí)行系統(tǒng)對運動和動力的要求：動作型：要求執(zhí)行系統(tǒng)實現預期精度的動作(位移、速度、加速度等)，而對執(zhí)行系統(tǒng)中各構件的強度、剛度無特殊要求?？p紉機、包糖機、印刷機等。

動力型：要求執(zhí)行系統(tǒng)能克服較大的生產阻力，做一定的功，因此對執(zhí)行系統(tǒng)中各構件的強度、剛度有嚴格要求，但對運動精度無特殊要求。曲柄壓力機、推土機、挖掘機、碎石機等。動作動力型：要求執(zhí)行系統(tǒng)既能實現預期精度的動作，又要克服較大的生產阻力，做一定的功。滾齒機、插齒機等。

76按執(zhí)行系統(tǒng)中執(zhí)行機構的相互聯系情況三、執(zhí)行系統(tǒng)的分類單一型：在執(zhí)行系統(tǒng)中，只有一個執(zhí)行機構工作。攪拌機、碎石機、皮帶輸送機等。相互獨立型：在執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構進行工作，但它們之間相互獨立、沒有運動及生產阻力等方面的聯系和制約。外圓磨床的磨削進給與砂輪轉動，起重機的起吊與行走動作等。相互聯系型：在執(zhí)行系統(tǒng)中，有多個執(zhí)行機構，且它們之間有運動及生產阻力等方面上的聯系和制約。印刷機、包裝機、縫紉機、紡織機等。773.2執(zhí)行系統(tǒng)設計執(zhí)行系統(tǒng)設計基本要求：保證設計時提出的功能目標。足夠的使用壽命和強度、剛度要求。各執(zhí)行機構應結構合理、配合協(xié)調。通過分析，執(zhí)行末端件的運動無外乎是回轉運動、直線運動或者兩種運動的合成。

回轉運動：圓導軌、軸承、齒輪等；電動機等

直線運動：直線導軌、液壓缸等；直線電機78執(zhí)行系統(tǒng)是總系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，且此系統(tǒng)的一端與被執(zhí)行(加工)對象接觸，另一端與傳動系統(tǒng)連接，因此，在設計執(zhí)行系統(tǒng)時，不但要明確本系統(tǒng)中各零、部件的相互作用及設計要求，同時，還要了解與其它系統(tǒng)的聯系、協(xié)調和分工，進而使總系統(tǒng)處在最佳狀態(tài)下工作。

一、執(zhí)行軸機構的設計（簡介）利用軸的回轉運動來完成執(zhí)行任務的情形很多很多：如機床中執(zhí)行軸帶動工件或刀具，可完成工件表面的成形加工運動；軋鋼機中通過軋輥(相當于機床中的執(zhí)行軸)對鋼材的軋制，以獲得不同形狀、尺寸的型鋼以及一些自動裝配線上使用的各種不等速或間歇回轉機構的軸等。這些執(zhí)行軸由于功用不同，故各自的具體結構及執(zhí)行軸機構的組成及布置也不一樣。但歸結起來執(zhí)行軸機構一般主要由執(zhí)行軸、安裝在其上的傳動件(齒輪、皮帶輪等)、密封件、軸承、軸承間隙調整及固定元件(螺母)等組成，因此，設計執(zhí)行軸機構時主要是各組成元件的布置及設計軸本身。79圖3.9主軸前端結構

1—螺釘2—環(huán)形鎖緊盤3—主軸前端4—撥盤或卡盤5—螺母6—雙頭螺栓

例3.6CA6140普通車床主軸組件80采用錐面配合阻尼套結構向心球軸承推力球軸承斜齒輪滑移齒輪例：萬能外圓磨床砂輪架主軸結構具有高的回轉精度、剛度、抗振性及耐磨性要求81

例：萬能外圓磨床砂輪架主軸結構

砂輪架主軸的徑向支承是“短三瓦”式的滑動軸承。每一滑動軸承由三塊扇形軸瓦組成。每塊軸瓦1都支承在球面支承螺釘的球面上。調節(jié)球面支承螺釘10即可調整軸承的間隙。螺釘11是鎖緊螺釘。短三瓦軸承是液體動壓滑動軸承。82二、導軌設計（簡介）1、導軌的功用

導向和承載。2、導軌的分類(a)按運動軌跡分:直線和圓周運動；

(b)按工作時的摩擦性質分為:滑動導軌和滾動導軌；滑動導軌中又有:普通滑動、液體動壓、

液體靜壓和卸荷導軌等；

滾動導軌按滾動體分為:滾珠、滾柱和滾針導軌；(c)按受力情況可分為:開式和閉式導軌。83

開式導軌閉式導軌

導軌在部件自重和外載作用下，導軌面c和d在導軌全長上始終貼合著當動導軌受到較大的傾覆力矩M時，其自重不能使導軌面e和f始終貼合，所以，必須增加壓板1和2，以形成輔助導軌面g和h。843、導軌的基本要求：(a)導向精度是指動導軌沿支承導軌運動的準確度，即直線運動導軌的直線性、圓周運動導軌的真圓性和導軌與其它運動件之間相互位置的準確性。導軌應具有足夠高的導向精度，且需要在長期工作后仍保持原有的很高的導向精度——精度保持性。影響導軌導向精度的主要因素是導軌的幾何精度和接觸精度。(b)支承剛度表示導軌受載后抵抗變形的能力。導軌變形主要是由導軌自身變形(接觸變形、扭轉、彎曲變形)和導軌支承件變形引起導軌變形組成的。(c)高靈敏度指當動導軌作低速運動或微量位移(以μm為單位)時，應保證其運動的靈敏性及低速運動的平穩(wěn)性，即不出現爬行現象，使動導軌的運動準確到位。影響導軌靈敏度及運動平穩(wěn)性的因素主要是：導軌的結構及材料、動與靜摩擦系數的差值、潤滑及與動導軌相連的傳動鏈的剛度等。85導軌的設計主要有下列內容：根據工作情況選擇合適的導軌類型；根據導向精度要求及制造工藝性，選擇導軌的截面形狀；選擇合適的導軌材料、熱處理及精加工方法；確定導軌的結構尺寸，進行壓強和壓強分布的驗算設計導軌磨損后的補償及間隙調整裝置；設計良好的防護裝置及潤滑系統(tǒng)。4、導軌的設計內容865、導軌間隙的調整—平鑲條875、導軌間隙的調整—楔形鑲條885、導軌間隙的調整—壓板89

傳動系統(tǒng)設計90傳動系統(tǒng):

將動力源(或某個執(zhí)行件)的速度、力矩傳遞

給執(zhí)行件(或另一執(zhí)行件），使該執(zhí)行件具有

某種運動和出力的功能。傳動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)動力系統(tǒng)外聯傳動鏈內聯傳動鏈傳動鏈一、傳動系統(tǒng)的類型

a、按驅動機械系統(tǒng)的動力源分為：電動機驅動、內燃機驅動等，而電動機驅動又有交流異步電動機(單、多速)驅動，直流并激電動機、交流調速主軸電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動，步進電動機驅動等。b、按動力源驅動執(zhí)行件的數目分為：獨立驅動、集中驅動和聯合驅動等。

c、按傳動裝置分為：機械傳動裝置、液壓傳動裝置、電氣傳動裝置以及上述裝置的組合。

機械傳動裝置：輸出速度不變和輸出速度可變兩類。

輸出速度可變：分為有級變速和無級變速。

914.1、傳動系統(tǒng)的類型和組成1.無級變速傳動系統(tǒng)無級變速是指執(zhí)行件的轉速(或速度)在一定的范圍內連續(xù)地變化，這樣可以使執(zhí)行件獲得最有利的速度，能在系統(tǒng)運轉中變速，也便于實現自動化等。依靠摩擦力來傳遞轉矩；存在轉速損失，故不能用于調速精度高的場合；變速范圍小，通常為4～6，少數可達10～15。它的傳動平穩(wěn)運動換向沖擊小易于實現直線運動92特點：(1)機械無級調速器：(2)液壓無級變速裝置：特點：(3)電氣無級變速裝置有級變速：在變速范圍內不能連續(xù)地變換，屬于有級變速。2.有級變速傳動系統(tǒng)CA7620型液壓多刀半自動車床主傳動系統(tǒng)及轉速圖93傳遞的功率大變速范圍寬傳動比準確工作可靠有轉速損失特點：3.固定傳動比的傳動系統(tǒng)如果機械系統(tǒng)的執(zhí)行件要求以某一固定的轉速(速度)工作，則連接動力源與執(zhí)行件的傳動系統(tǒng)屬于固定傳動比的傳動系統(tǒng)，即該系統(tǒng)是由若干個固定傳動比串聯組成。起重機傳動系統(tǒng)簡圖941.獨立驅動傳動系統(tǒng)(1)只有一個執(zhí)行件；(2)有多個運動不相關的執(zhí)行件；(3)數控機械系統(tǒng)。曲柄壓力機傳動系統(tǒng)圖(二)獨立和聯合驅動傳動系統(tǒng)952集中驅動傳動系統(tǒng)是指機械系統(tǒng)的多個執(zhí)行件均由一個動力源驅動。(1)執(zhí)行件間有嚴格的傳動比要求；(2)各執(zhí)行件間運動有順序或協(xié)調的要求；(3)各執(zhí)行件的運動相互獨立。由兩個或多個動力源經各自的傳動鏈聯合驅動一個執(zhí)行件的傳動系統(tǒng)，主要用于低速、重載、大功率、執(zhí)行件少而慣性大的機械。3聯合驅動傳動系統(tǒng)(二)獨立和聯合驅動傳動系統(tǒng)96二、傳動系統(tǒng)的組成971、變速裝置

交換齒輪，滑移齒輪，離合器，前三種的組合，嚙合器2、起停和換向裝置要求省力、可靠、結構簡單、有足夠的動力3、制動裝置要求可靠、方便、平穩(wěn)、結構簡單、尺寸小、磨損小、散熱好4、安全保護裝置銷釘安全聯軸器，鋼珠安全離合器，摩擦安全離合器減小離合器尺寸避免出現超速現象考慮結構因素制動器與離合器必須互鎖確定合理安裝位置閘帶式制動器的操縱力應作用在制動帶的松邊拓展內容：常用傳動981、行星齒輪傳動2、擺線針輪行星傳動3、諧波齒輪傳動1、行星齒輪傳動

99中心輪行星輪內齒輪行星架1、行星齒輪傳動

100一個或一個以上齒輪的軸線繞另一齒輪的固定軸線迴轉的齒輪傳動

。差動輪系：三者都不固定﹐確定機構運動時需要給出兩個構件的角速度﹔行星輪系：固定內齒輪b或太陽輪a。

常見行星齒輪傳動的類型和性能

差動輪系可以把兩個給定運動合成起來﹐也可把一個給定運動按照要求分解成兩個基本件的運動。行星齒輪傳動應用廣泛﹐并可與無級變速器﹑液力耦合器和液力變矩器等聯合使用﹐進一步擴大使用范圍。1、行星齒輪傳動

101(1)齒圈固定，太陽輪主動，行星架被動

動畫演示從演示中可以看出，此種組合為降速傳動，通常傳動比為2.5～5，且轉向相同。

102(2)齒圈固定，行星架主動，太陽輪被動

動畫演示從演示中可以看出，此種組合為升速傳動，傳動比為0.2～0.4，且轉向相同。103(3)太陽輪固定，齒圈主動，行星架被動動畫演示從演示中可以看出，此種組合為降速傳動，傳動比為1.25～1.67，且轉向相同。104(4)太陽輪固定，行星架主動，齒圈被動

動畫演示從演示中可以看出，此種組合為升速傳動，傳動比為0.6～0.8，且轉向相同。105(5)行星架固定，太陽輪主動，齒圈被動

動畫演示從演示中可以看，出此種組合為降速傳動，傳動比為1.5～4，且轉向相反106(6)行星架固定，齒圈主動，太陽輪被動動畫演示從演示中可以看，出此種組合為升速傳動，傳動比為0.25～0.67，且轉向相反。

107(7)把三元件中任意兩元件接合為一體的情況從演示中可以看出，行星齒輪間沒有相對運動，作為一個整體運轉，傳動比為1，且轉向相同。動畫演示1082、擺線針輪行星傳動

1092、擺線針輪行星傳動

1101－擺線行星輪，2－針輪，H－系桿，V－輸出軸2、擺線針輪行星傳動圖示擺線針輪行星傳動機構中，運動由系桿H輸入，通過輸出機構由軸V輸出。擺線針輪行星傳動也是一種K—H—V型一齒差行星傳動。在擺線針輪傳動中，行星輪的齒廓曲線不是漸開線，而是變態(tài)外擺線，中心內齒輪采用了針齒，又稱為針輪。同漸開線少齒差行星傳動一樣，其傳動比為：由于Z1

–Z2=1，故i=-Z2，即擺線針輪行星傳動可獲得大傳動比。擺線針輪行星傳動具有減速比大（一級減速比9-115，多級可獲更大減速比）、結構緊湊、傳動效率高（一般可達90%~94%）、傳動平穩(wěn)、承載能力高、使用壽命長等優(yōu)點，與漸開線少齒差行星傳動相比，無齒頂相碰和齒廓重疊干涉等問題。在軍工、礦山、冶金、化工等工業(yè)部門得到廣泛應用，以其多方面的優(yōu)點取代了一些笨重龐大的傳動裝置。其主要缺點是加工工藝復雜，制造成本較高。i=-Z2/（Z1–Z2）

1113、諧波齒輪傳動諧波傳動是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型傳動。下頁圖為諧波傳動的示意圖。1為具有內齒的剛輪，2為具有外齒的柔輪，H為波發(fā)生器。這三個構件與少齒差行星傳動機構的中心內齒輪、行星輪2和系桿H相當。通常波發(fā)生器為主動件，而剛輪或柔輪之一為從動件，另一個為固定件。當波發(fā)生器裝入柔輪內孔時，由于前者的總長度略大于后者的內孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓，是在橢圓的長軸兩端產生了柔輪與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區(qū)，同時在橢圓的短軸兩端，兩輪輪齒完全脫開。至于在其余各處，根據柔輪回轉方向的不同，或處于嚙入狀態(tài)，或處于嚙出狀態(tài)。當波發(fā)生器連續(xù)轉動時，柔輪長短軸的位置不斷變化，從而使輪齒的嚙合區(qū)和脫開區(qū)也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產生了相對位移，從而傳遞運動。動畫仿真1123、諧波齒輪傳動113在波發(fā)生器轉動一周期間，柔輪上一點變形的循環(huán)次數與波發(fā)生器上的凸起部位數是一致的，稱為波數。常用的有兩波和三波。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數差應等于波發(fā)生器波數（即波發(fā)生器上的滾輪數）的整倍數，通常取作等于波數。由于在諧波齒輪傳動過程中，柔輪與剛輪的嚙合過程與行星齒輪傳動類似，其傳動比可按周轉輪系的計算方法求得。當剛輪1固定，波發(fā)生器H主動，柔輪2從動時，傳動比為：iH2=—Z2/（Z1–Z2）

當柔輪2固定，波發(fā)生器H主動，剛輪1從動時，傳動比為：

iH1=Z1/（Z1–Z2）

3、諧波齒輪傳動114優(yōu)點：傳動比大、范圍寬（一級傳動比范圍為50-500，二級傳動可達2500-250000），且在傳動比很大的情況下，仍具有較高的效率；結構簡單、體積小、重量輕（與一般齒輪減速器相比，零件可減少約50%，體積可減少20%-50%）；承載能力強、傳動平穩(wěn)、運動精度高；能實現密封空間的運動傳遞。

缺點：

是柔輪易發(fā)生疲勞損壞，起動力矩大。

近年來諧波齒輪傳動技術發(fā)展十分迅速，應用日益廣泛。在機械制造、冶金、發(fā)電設備、礦山、造船及國防工業(yè)（如宇航技術、雷達裝置等）中都得到了廣泛應用。3、諧波齒輪傳動115

支承系統(tǒng)設計1165.1支承系統(tǒng)的功用和基本要求117支承系統(tǒng)：是基礎部分，將其它子系統(tǒng)相互有機地聯系

起來，通過支承作用構成總系統(tǒng)。組成：底座、立柱、橫梁、箱體、工作臺和升降臺等一、支承系統(tǒng)的功用支承零、部件保持被支承零、部件間的相互位置關系承受各種力和力矩。一個機械系統(tǒng)的支承件往往不只一個，它們有的相互固定聯接，有的在軌道上運動。機床支承系統(tǒng)118床腿床腿床身機床支承系統(tǒng)119立柱底座轉臺支承系統(tǒng)120底座底座立柱立柱并聯機器人支承系統(tǒng)1215.1支承系統(tǒng)的功用和基本要求二、支承系統(tǒng)的分類122根據形狀分為以下幾類：梁類：一個方向的尺寸比另外兩個方向的尺寸大得多

的零件，如床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。板類：一個方向的尺寸比另外兩個方向的尺寸小得多的零件，如機床的底座、工作臺、刀架等。箱類：三個方向的尺寸大致一樣的零件，

如機床的箱體、升降臺等?？蚣茴悾喝缰Ъ?、橋架、桁架等。三、支承系統(tǒng)的基本要求1231、足夠的靜剛度：支承件在靜載荷作用下抵抗變形的能力稱為支承件的靜剛度。2、較好的動特性：機械系統(tǒng)應具有抵抗振動的能力。在機床上主要包括抵抗強迫振動和自激振動的能力，而且不應產生薄壁振動。

3、良好的熱特性：系統(tǒng)工作時各種原因的發(fā)熱都會使支承件產生不均勻變形，以致破壞被支承零部件的相互位置關系，降低機械系統(tǒng)的工作精度。4、小的內應力：材料內應力如不消除，在使用過程中，內應力會重新分布和逐步消失，引起支承件變形。因此，在設計時要從結構和選材上保證支承件的內應力最小，并在鑄造或焊接和粗加工后進行時效處理。5、其他：在設計支承件時，應考慮吊運安全方便，液壓、電器布置合理以及便于加工和裝配等。而對于機床的支承件，還要考慮便于冷卻液、潤滑液的回收，排屑方便等。5.1支承系統(tǒng)的功用和基本要求5.2支承系統(tǒng)的靜剛度一、機械系統(tǒng)的受力與變形分析支承件的變形一般包括自身變形、局部變形和接觸變形5.2支承系統(tǒng)的靜剛度一、機械系統(tǒng)的受力與變形分析5.2支承系統(tǒng)的靜剛度二、支承件的靜剛度1.自身剛度-支承件抵抗自身變形的能力。拉壓與彎扭2.局部剛度-抵抗局部載荷集中之處變形的能力。3.接觸剛度-是平均壓強p與變形δ之比。Kj=P/δ5.3支承系統(tǒng)結構設計的注意事項一、正確選擇支承件的截面形狀空心截面慣性矩比實心的大方形抗彎，圓形抗扭，矩形抗彎更好封閉截面比非封閉截面剛度大二、合理設置肋板和肋條

縱向隔板主要用來提高支承件的抗彎剛度

橫向隔板主要用來提高支承件的抗扭剛度

斜向隔板既可提高支承件的抗彎剛度，又可提高抗扭剛度縱向隔板必須布置在支承件的彎曲平面內才會顯著提高抗彎剛度128(a)直字形肋條，結構最簡單。常用于窄壁和受載荷較小的內壁上。(b)十字形肋條是呈直角交叉布置，結構也簡單，但易產生內應力，廣泛用于箱形截面的支承件和平板上。(c)三角形肋條可保證足夠的剛度，多用于矩形截面支承件的寬壁上。(d)交叉肋條有時會與支承件壁的橫隔板結合在一起來有效地提高其剛度，常用于重要支承的寬壁和平板上。(e)蜂窩形肋條常用于平板上。由于它在各方向能均勻地收縮，不會在肋條連接處堆積金屬，故內應力小。(f)米字形肋條制造困難，鑄造時金屬堆積嚴重。(g)井字形肋條單元壁板的抗彎剛度接近(f)的米字形肋條，但抗扭剛度是米字形肋條的1/2。鑄造支承件一般用井字形肋條，而焊接支承件用米字形肋條。5.3支承系統(tǒng)結構設計的注意事項肋條布置在支承件的內壁，減小局部變形，防止薄壁振動。三、合理開孔和加蓋129不在與彎曲平面垂直的壁上開孔，不在窄壁上開孔，加嵌入蓋比面覆蓋好。四、提高支承件的局部剛度主要方式：加強受力集中處的剛度，如加肋條五、提高支承件的接觸剛度方式:配磨/研/刮增加實際接觸面積，提高接觸剛度開孔的目的1）安裝機件或清砂2）減重降低開孔對剛度影響的措施1）正確選擇開孔的尺寸和位置2）開孔位置翻邊3）加嵌入蓋5.3支承系統(tǒng)結構設計的注意事項5.3支承系統(tǒng)結構設計的注意事項六、材料的選擇和時效處理鑄鐵：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,QT450-10,QT800-02鋼：3＃,5#,Q235,20,25,15Mn,16Mn,20Mn,15MnTi,15MnSi輕合金：ZAlSi7Mg,ZAlSi9Mg,ZAlSi12CuMg1,ZAlZn1Si7鋼筋混凝土花崗巖七、支承系統(tǒng)的鉚接結構沿力作用線的鉚釘排數不超過5～6排接頭中鉚釘交錯布置多層板鉚接時，接口應錯開鉚釘桿與孔之間不留空隙鉚釘頭附近的孔邊倒成直角或圓角同組結構中采用相同直徑的鉚釘鉚釘孔遠離殼壁，且鉚釘頭外露八、結構工藝性5.4支撐系統(tǒng)的動態(tài)特性動態(tài)特性－主要指支承件的固有頻率、振型和阻尼。要求：系統(tǒng)支承件的固有頻率不能與激振頻率重合或接近；具有較高的動剛度(共振狀態(tài)下，激振力的幅值與振幅之比)和較大的阻尼；支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振動的幅值較小。131一固有頻率和振型單自由度系統(tǒng)只有一個固有頻率和一個振型；二自由度系統(tǒng)有兩個振型。模態(tài)：振型和固有頻率的合稱，由小到大排列，用“階”表示支承件是連續(xù)體，有無窮多階模態(tài)。132一階二階三階四階第一階模態(tài)：整機搖晃振動，頻率：15～30Hz第二階模態(tài)：一次彎曲振動，頻率：80～140Hz第三階模態(tài)：一次扭轉振動，頻率：30～120Hz第四階模態(tài)：二次扭轉振動5.4支撐系統(tǒng)的動態(tài)特性5.4支撐系統(tǒng)的動態(tài)特性薄壁振動：對于某些面積較大而又較薄的壁板、罩、蓋等容易發(fā)生薄壁振動。這類振動的主振系統(tǒng)是薄壁，振動的固有頻率較高，振幅不大，屬于局部振動。對系統(tǒng)的工作質量如機床的加工精度影響不大，但卻是噪聲源或噪聲的傳播媒介。133二提高動剛度的措施Kd:動剛度;：阻尼比;K：靜剛度降低方法:填充發(fā)泡材料

與動剛度有關的因素：

1）靜剛度2）阻尼

提高靜剛度的措施:合理設計截面形狀和尺寸,

合理布置隔板和肋條

增加阻尼的辦法:保留砂芯、預加載荷、振動能量的消耗5.5支承系統(tǒng)的熱特性134一、支承系統(tǒng)的熱變形（1）內部原因機床工作時，電動機輸入的能量，不論通過什么途徑，最后都變成熱。這些熱量：一部分由切屑、冷卻和潤滑油帶走，一部分向周圍散發(fā)，一部分使工件升溫，一部分使機床升溫。（2）外部原因外部環(huán)境溫度變化和陽光照射使機床升溫。內、外部熱源使機床的溫度呈現周期性變化。因此，機床的熱變形不是一個定值。二、提高支承系統(tǒng)熱特性的措施散熱和隔熱及時將工作時產生的熱量擴散到周圍環(huán)境中，則機械系統(tǒng)的溫度不會很快升高。（如：增大散熱面積/增設與氣流方向一致的散熱片/采用風扇或制冷設備，都可加快散熱。）將電動機、液壓油箱、變速箱等熱源移到與機械系統(tǒng)隔離的地基上，使熱源與機床隔離。均熱影響機械系統(tǒng)工作質量的不僅僅是溫升，更重要的是溫度不均勻。因此，使支承件的熱變形均勻也是系統(tǒng)工作質量的一種措施。使熱變形對工件質量的影響最小1355.5支承系統(tǒng)的熱特性均熱：在車床床身B處開一個淺缺口，裝主軸箱的A處是主要熱源，C處是導軌。這樣可使從A處傳來的熱量分散傳至床身各處(如箭頭所示)。床身的溫度就比較均勻。1365.5支承系統(tǒng)的熱特性均熱：圖(a)是一臺立式矩臺平面磨床，由于砂輪電動機的熱量經砂輪架接合面使立柱前壁的溫度高于后壁，造成立柱后傾，使磨出的工件表面與安裝基面不平行。圖(b)是在磨頭側面裝一條管子，將從電動機出來的熱風引向后壁，提高了后壁的溫度，使前后壁的溫差縮小，這樣，加工面的平行度大為提高。1375.5支承系統(tǒng)的熱特性5.6機械系統(tǒng)的基礎塊式柜架式墻式板式138一、基礎的結構形式二、基礎的設計m基－基礎的質量m機－機床的質量m件－最大加工件的質量K－系數，1.1～1.3，1.5～1.7

價值分析139產品功能與成本的綜合反映140什么是價值？V－產品的價值ValueF－功能FunctionC－成本Cost一、價值優(yōu)化意義：用最小的成本，生產出具有最大價值的產品，獲取巨大的經濟效益。6.1價值優(yōu)化1411、基本概念價值分析（ValueAnalysis，簡稱VA）價值工程（Valueengineering，簡稱VE）價值設計（ValueDesign，簡稱VD）價值革新（ValueInnovation，簡稱VI）

以功能分析為核心，以開發(fā)創(chuàng)造性為基礎，以科學分析為工具，尋求功能與成本的最佳比例，以獲得最優(yōu)價值的一種設計方法或管理科學。價值設計和價值革新的特點：

1）是從性能提高和成本兩方面同時采取措施，更有效地提高產品價值；

2）利用創(chuàng)造性方法尋求合理方案，提供最佳功能的產品及最佳經營服務。價值工程或其它方法都是手段，而價值優(yōu)化是指導思想和爭取的目標。2、提高產品實用價值的方法

為了提高產品的實用價值，可以采用或增加產品的功能，或降低產品的成本，或既增加產品的功能，又同時降低成本1426.1價值優(yōu)化1436.1價值優(yōu)化3、提高產品價值的途徑

1）功能分析：從用戶需要出發(fā)，保證產品的必要功能，去除多余功能，調整過剩功能，必要時增加功能；

2）性能分析：研究一定功能下提高性能的措施；

3）成本分析：分析成本的構成，從各方面探求降低成本途徑。二、功能分析功能－系統(tǒng)必須實現的任務，或者說是系統(tǒng)具有轉化能量、運動或其他物理量的特性。1、功能分析的目的－明確用戶的要求和產品所應具有的功能，以便有效地進行設計。2、功能分析的優(yōu)點：

1）可以啟發(fā)創(chuàng)造性；

2）可以全面掌握對產品各方面的要求，不至遺漏；

3）可以避免設計的盲目性；

4）全面考慮功能成本的關系，以求價值優(yōu)化，得到質高價廉的產品。1446.1價值優(yōu)化3、功能的分類

設計中應該重點保證基本功能，兼顧輔助功能，同時考慮使用和外觀功能，去除多余功能，調整過剩功能，分清主次地合理使用成本，才能有的放矢地提高產品價值，求得價值優(yōu)化。1456.1價值優(yōu)化概念辨析

1）功能；2）功用；3）用途；4）性能；5）能力1466.1價值優(yōu)化三、價值分析對象的選擇1、選擇價值分析對象的原則

設計年代久，多年沒有重大改進的產品結構復雜，零部件較多的產品制造成本過高，影響市場競爭的產品使用中功能不滿足要求，性能差，可靠性差，用戶不滿意的產品1476.1價值優(yōu)化2、

選擇價值分析對象的方法必須抓住影響價值的一些主要功能元件作為分析對象（1）價值系數分析法用價值系數分析元件功能與成本的關系，尋找成本與功能不相適應的元件作為重點分析對象和改進的目標。價值系數由功能系數和成本系數所決定。按零件在整個部件中的重要程度排隊評分，求出每個元件相對于產品的功能系數（也稱功能重要度系數fi）。功能系數的數值高，說明零件對部件的功能影響大，重要程度高。1486.1價值優(yōu)化（2）ABC分析法

ABC分析法也稱成本比重分析法。它是一種優(yōu)先選擇占成本比重大的零件、工序或其它要素作為價值分析對象的方法。

A類零件：數量占產品零件總數10~20%左右，成本占產品總成本的60~70%；

C類零件：數量占產品零件總數60~70%，成本占產品總成本10~20%；

B類零件：其余部分的零件稱為B類，它們的零件數與占產品成本的比例相適應。利用這種分類方法，可以找出對產品成本影響最大的A類零件作為分析及降低成本的主要對象。1496.1價值優(yōu)化四、價值分析舉例

某廠ZQ型減速器系列是解放初引進前蘇聯的老產品，壽命短、性能差，決定以此減速器系列作為價值分析的對象。現以圖1所示的PM650（總中心距650mm，總傳動比31.495）舊減速器為例進行分析選擇價值分析對象的原則設計年代久，多年沒有重大改進的產品結構復雜，零部件較多的產品制造成本過高，影響市場競爭的產品使用中功能不滿足要求，性能差，可靠性差產品1506.1價值優(yōu)化1516.1價值優(yōu)化1）用ABC分析法對減速器功能元件進行分析1526.1價值優(yōu)化2）A類零件功能系數分析（利用重要度對比法）

將產品各元件（功能載體）按順序自上而下和自左至右排列起來，將縱列各功能與橫行各功能進行重要性對比，雙方的得分可分為4-0（重要的多），3-1（重要），2-2（同等重要），1-3（次要），0-4（次要得多）五級，將分值Pi填于表中，形成矩陣形式1536.1價值優(yōu)化A類零件的重要程度為：箱體>箱蓋>齒輪軸1>齒輪軸2>（大齒輪=小齒輪）>軸31546.1價值優(yōu)化3）A類零件的成本系數和價值系數分析零件的成本系數ci

零件的價值系數Vi1556.1價值優(yōu)化4）價值優(yōu)化措施價值系數分析結果說明：

箱體和大齒輪的價值系數<<1，成本過高，應著重改進。兩個齒輪軸的價值系數>>1，功能與成本也不適應，可考慮進行調整。價值優(yōu)化的重點是箱體和大齒輪。1566.1價值優(yōu)化4）價值優(yōu)化措施結果箱體、箱蓋由鑄鐵件改為焊接件，φ1200mm以下的齒輪，全部采用鍛鋼件，這兩項措施減低了廢品率和缺陷率，周期短，工時少，外形美觀，使總成本下降6%；1576.1價值優(yōu)化6.2成本估算方法簡介式中：C是生產成本(元)；

W是產品重量(kg)；

fW是重量成本系數

(元/kg)用于方案確定時的成本粗略估算按重量估算法此方法的基本原理是產品的成本是重量的函數，因此可以進行估算：158fW重量成本系數可以通過統(tǒng)計,用最小二乘法正交回歸曲線獲得。

fW也可以通過作圖法計算。式中，K、P均為系數，隨不同產品而異。上式兩端取對數，得如已知任意兩點的值fW1

、W1和fW2

、W2，則可求出K,P

1596.2成本估算方法簡介計算舉例：

圖2所示套類零件在不同重量下的生產成本如表4所示。試求新設計W=76Kg的此類零件的生產成本。1）計算質量成本系數（如上表）1606.2成本估算方法簡介2）用作圖法計算fW在對數坐標中W—fw是一直線關系，如圖6-3所示。由橫坐標上W=76㎏作垂線，與曲線交點的縱坐標即可求得fw=6.7元/㎏