机械系统设计综合应用实例
机械最优化设计及应用实例
—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。
第14章 机械系统的方案设计--举例
1 2
图10-1 摩擦轮传动
槽轮机构 棘轮机构 ②实现间歇旋 转运动的机构
——适用于转角固定的转位运动 ——每次转角小,或转角大小可调的低 速场合 ——大转角而速度不高的场合
不完全齿轮机构
凸轮式间歇运动机构 ——运动平稳,分度,定位准确,但 制造困难,高精度定位,高速场合 齿轮--连杆机构 ——特殊要求的输送机构
连杆机构(如图10-2所示搅拌机构) ④再现轨迹 的机构 凸轮——连杆组合机构(如图10-3所示) 齿轮——连杆组合机构(如图10-4所示) 联动凸轮机构(如图10-5所示)
图10-2 搅拌机构
图10-3 凸轮-连杆组合机构
图10-4 齿轮-连杆组合机构
图10-5 联动凸轮机构
一般而言,除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外,其他机构都只 能近似实现预定的曲线轨迹.
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②微电脑全自动洗衣机的功能树 衣物 主功能 (洗涤)
水 洗涤剂,软化剂
盛装衣物 分离脏物 干燥处理 进水 排水 加入 排出 电动机,减速装置, 脱水桶
微电脑全自 动洗衣机
用于洗涤 动力功能 用于干燥 用于控制 洗涤控制 水位控制 保护控制 人机交互 分功能 微电脑 输入 信息显示 分功能 手动 存储 指示灯 分功能
控制功能 结构 总功能 分功能
③微电脑全自动洗衣机的功能求解 可用形态学矩阵法进行方案综合求解,如表10-3 所示.
表10-3 洗衣机形态学矩阵
分功能 1 A B C 盛装衣物 分离脏物 控制洗涤 铝桶 机械摩擦 人工手控 2
功能求解 3 玻璃钢桶 热胀 电脑自控 4 陶瓷桶 超声波 塑料桶 电磁振荡 机械定时
去掉某些明显不太合理的方案,如A1—B4—C1,表10-3中具有代表性 的方案如下: 方案1:A1—B1—C1是一种最原始的洗衣机. 方案2:A1—B1—C2是最简单的普及型单缸洗衣机.这种洗衣机通过 电动机和V带传动,使洗衣桶底部的波轮旋转,产生涡流并与衣物相互摩 擦,再借助洗衣粉的化学作用达到洗净衣物的目的. 方案3:A2—B3—C1是一种结构简单的热胀增压式洗衣机.它在桶中 装热水并加进洗衣粉,用手摇动使桶旋转增压,也可实现洗净衣物的目的. 方案4:A1—B2—C2所对应的方案,是一种利用电磁振荡原理进行分 离脏物的洗衣机.这种洗衣机可以不用洗涤波轮,把水排干后还可利用电磁 振荡使衣物脱水. 方案5:A1—B4—C2是超声波洗衣机的设想,即考虑利用超声波产生 很强的水压,使衣物纤维振动,同时借助气泡上升的力使衣物运动而产生摩 擦,达到洗涤去脏的目的.
简单机械综合应用实例
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。
第6章 机电一体化系统设计及应用举例
1、步进电动机与丝杠联接
直连式示意图 1—车床支架 2—销钉 3—联轴套 4—步进电动机
齿轮连接示意图
6 机电一体化系统设计及应用举例
2、步进电动机与床身的联接
固定板联接示意图 1—床身 2—齿轮箱 3—变速齿轮 4—丝杠支架
变速箱联接示意图 1—床身 2—圆柱套筒 3—联接板 4—步近电动机 5—齿轮 6—丝杠托架 7—丝 杠
6 机电一体化系统设计及应用举例
六、制作与调试
制作与调试是系统设计方案实施的一项重要内容。根据循环设 计及系统设计的原理，制作与调试分为两个步骤：第一步是功 能模块的制作与调试；第二步是系统整体安装与调试。
6 机电一体化系统设计及应用举例
第二节 机电一体化系统设计应用举例 ———数控机床
一、数控机床的组成
控制软件是为完成机床数控而编制的系统软件，因为各数控系统的功能 设置、控制方案、硬件线路均不相同，因此在软件结构和规模上相差很 大，但从数控的要求上看，控制软件应包括输入数据预处理、插补运算、 速度控制、自诊断和管理程序等模块。
6 机电一体化系统设计及应用举例
1、数据输入模块 系统输入的数据主要是零件的加工程序 （指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入， 也有从上一级微机直接传入的（如CAD/CAM系统）。系统中所 设计的输入管理程序通常采用中断方式。例如，当读带机读 入一个数据后，就立即向CPU发出中断，由中断服务程序将该 数据读入内存。每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求， CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对相应的按键命令进行 处理。 2、数据处理模块 输入的零件加工程序是用标准的数控语言 编写的ASCII字符串，因此，需要把输入的数控代码转换成系 统能进行运算操作的二进制代码，还要进行必要的单位换算 和数控代码的功能识别，以便确定下一步的操作内容。
机械设计中的机械设计案例分析
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。
吉林大学机械系统设计实例--第7章机械系统总体设计
3．各执行机构综合
确定各执行构件的运动参数和生产阻力，选 择合适的原动机。然后选择各机构的类型，进 行综合。在进行机构综合时要考虑机构功能、 结构、尺寸、动力特性等多种因素，同时要考 虑机械运动循环图所提出的运动协调配合要求。 机构选型时应该进行综合评价，择优选用。
1. 基本功能结构 任何功能结构图，都由下面三种基本结
构形式组成：
（1）串联结构 反映了分功能之间的因果 关系或时间、空间顺序关系。
（2）并联结构 又称选择结构，几个分功 能作为手段共同完成一个目的，或同时 完成某些分功能后才能继续执行下一个 分功能，则这几个分功能处于并联关系 。 例如车床需要工件与刀具共同运动来完 成加工物料的任务 。
二、设计任务抽象化与功能结构
功能是抽象地描述机械产品输入量 和输出量之间的因果关系。对具体产品 来说，功能是指产品的效能、用途和作 用。人们购置的是产品功能，人们使用 的也是产品功能。
按照功能的重要程度，功能可分为 两类：基本的功能和辅助功能。基本功 能是实现产品使用价值必不可少的功能， 辅助功能即产品的附加功能。
总体布置的基本要求如下：
1．保证工艺过程的连续和流畅
通常机械系统工作的工艺过程包含多项 作业工序，例如一台联合收割机从作物切 割、脱粒、分离、清选直至获得清洁的谷 粒要经过许多工序；包装机械则有供料、 充填、裹包、封口、甚至清洗、堆码、盖 印、计量等多项工序。保证工艺过程的连 续和流畅是总体布置的最基本要求。
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。
机械最优化设计及应用实例
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。
10机械系统创新设计实例分析-文档资料
10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例
5. 主要创新点
(1) 工件回转运动采用标准分度头传动，简化了设计制造，降低了研制 成本。在研制过程中，通过分析对比选择了合理的驱动位置，保证了传动 精度，这种方法在国内尚属 首次。 (2) 工作台的直线运动采用先进的滚珠丝杠传动，并采用滚动导轨支承， 其传动灵活、精度高、刚度大。 (3) 该装置采用简易CNC系统控制，采用CAD/CAM一体化编程，选择廉 价的CAXA/ME作为支撑软件，利用反求设计创新思维进行了创新改造，并进 行了二次开发，对编程方法进行了合理的改进，使数控编程精确、直观、 方便、灵活。因而其操作方便，使用灵活，能满足各种圆柱凸轮的加工。 (4) 该装置可在普通铣床上完成各种复杂圆柱凸轮曲线的精确、高效、自 动化加工，其操作方便、价格低廉。此外，该装置也可用于各种平面凸轮 的加工，因此颇具推广应用价值。该装置已在东北大学机械厂投入使用，
1.5∶1，这样转子转一周，使曲轴转3周，输出转速较高。 根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即产生一个动力冲程，相
对四冲程往复式发动机，曲轴每转两周才产生一个动力冲程，可知旋转
式发动机的功率容量比是四冲程往复式发动机的两倍。 (3) 结构设计。旋转式发动机结构简单，只有三角形转子和输出轴两 个运动构件。它需要一个化油器和若干火花塞，但无须连杆、活塞以及 复杂的阀门控制装置。零件数量比往复式发动机少40%，体积减少50%， 重量下降1/2～2/3。
10.1 新型内燃机的开发实例
2) 旋转式发动机的设计特点 (1) 功能设计。内燃机的功能是将燃气的能量转化为回 转的输出动力，通过内部容积变化，完成燃气的吸气、压缩、 燃爆和排气4个动作以达到目的。旋转式发动机抓住容积变化
这个主要特征，以三角形转子在椭圆形气缸中偏心回转的方
机械设计类行业应用实例
（2）设置轴线层为当前图层，单击“绘图”工具栏中的“直 线”按钮 ，在绘图窗口中绘制两条相互垂直的辅助线，效果如 图14.2.3所示。
图14.2.3 绘制辅助线
（3）单击“修改”工具栏中的“旋转”按钮 ，以辅助线的交 点为中心点，设置旋转角度为30°，复制并旋转水平辅助线， 效果如图14.2.4所示。
机械设计类行业应用实 例
2020年7月17日星期五
实例1 连接件侧视图
实现目标： 本例将绘制连接件侧视图，如图14.1.1所示。
图14.1.1 效果图
设计思路：在绘制图形的过程中，将会用到直线、圆、 偏移、修剪和镜像等命令。
操作步骤 （1）单击“图层”工具栏中的“图层特性管理器”按钮 ，在 弹出的“图层特性管理器”对话框中新建名称为“轴线”和“轮廓线” 的两个图层，参数设置如图14.1.2所示。
图14.1.9 倒角效果
图14.1.10 绘制直线
实例2 间 歇 轮
实现目标： 本例将绘制间歇轮，如图14.2.1所示。 设计思路：在绘制图形的过程中，将用到直线、圆、阵列 和修剪等命令。
图14.2.1 效果图
操作步骤 （1）单击“图层”工具栏中的“图层特性管理器”按钮 ，在 弹出的“图层特性管理器”对话框中新建名称为“轴线”和“轮廓线” 的两个图层，参数设置如图14.2.2所示。
图14.3.6 修剪图形
（6）执行绘制直线命令，以辅助线交点为圆心绘制两条直 线，直线的端点坐标分别为（@ 50 < 85）和（@ 50 <95）， 然后用修剪命令对其进行修剪，效果如图14.3.7所示。
图14.3.7 绘制直线并修剪图形
（7）单击“标准”工具栏中的“窗口缩放”按钮 ，局部放大 显示绘制的图形，效果如图14.3.8所示。新建UCS如图14.3.8 所示，单击“绘图”工具栏中的“圆弧”按钮 ，分别指定圆弧上 的3个点坐标为（-0.5,5），（-1.6,2.4）和（-2.1,-0.5），效果 如图14.3.8所示。
机械机电系统工程案例分析
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实例
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。
机械系统创新设计机械系统创新实例
图7－3
第九页，共69页。
图7－4的左上图就不能用A·凯莱作图法，因为 三个连杆机构压缩成一条直线。把O1ABO2作为一 个原始机构，为了找到连杆AB延长线上K点的同轨 迹机构，在机架O1O2 的延长线上作O3，使O1O2： O2O3＝AB：BK，然后，依次作三个平行四边形。 于是得到了同迹四杆机构 O2O3B2C2，C2B2延长 线上点K与原始机构中的K点轨迹相同。
由外激波摆动活齿传动与带传动机构的从动带轮合二为一形成的 行星减速带轮，是一种新型减速装置。它具有带传动可靠性高、减振 能力强等优点，又保持了摆动活齿传动无W输出机构带来的一系列优 点，并成功地克服了外激波摆动活齿传动外激波器尺寸大带来的动平 衡性能差的缺点。 ⑴带轮与外激波器的组合(zǔhé) ⑵带轮激波器使绕固定轴传动的带轮成为外激波器的一部分 ⑶卸荷带轮设计
素，运用各种创造技法对可变元素进行变化，列出形态矩阵表，从 表中组合，获得新方案。确定元素为：A－联接功能；B－传递功能； C－补偿调节功能，运用智力激励法、相似类比法等创造技法，对 可变元素进行变化，分析如下(rúxià)： ①实现联接的作用效应有形联接、力联接、化学分子联接等。联接 性质：刚性、弹性。 ②实现传递功能。作用效应有：摩擦效应、啮合效应、磁效应、粘 附效应等。措施有：齿轮传动、带传动、摩擦轮传动、链传动、液 压传动、蜗杆传动等。
图7－11
第二十四页，共69页。
图7－12
第二十五页，共69页。
第五节 过载(guò zà i)保护装置的机械结 构设计
1.偏心轮连杆机构 图7－13所示的偏心轮连杆机构。主动轮1通过
偏心轮2驱动连杆头3。连杆4将运动传递给摇臂5， 从而驱动从动轴6。要求设计(shèjì)一个功能可靠、 制造方便的过载保护装置，它可使得当从动轴过载时， 连杆机构的运动和力的传递中断，但主动轴仍可继续 运转。此外，要求过载中断以后，该装置容易恢复到 先前状态。过载精度为±3%，主动轴转速50r/min， 转矩400N·m，生产批量2台。
机电一体化综合设计实例
四、机器人控制系统设计
上
运
位
动
计
控
算
制
机
器
驱动器1 编码器1 驱动器2 编码器2
驱动器3 编码器3 驱动器4 编码器4
伺服电机1
伺服电机2 伺服电机3
SCARA 机器人 机构
伺服电机4
图7.28 控制系统连线图
图7.29 伺服驱动器控制信号连线
Fz : Fx : Fy 1: 0.25 : 0.4 横切端面时的主切削力可取纵向切削力的1/2。
3. 计算丝杠的进给牵引力
Fm Fl W fg Fv Fc
fg
式中： ——导轨动摩擦系数
f g ——镶条紧固力
W ——拖板及刀架移动部分的重量
⒋ 计算丝杠的最大动载荷
Cam
3
60nm Lh
二、总体方案设计
1. 堆垛机的布置方式
直线式分布，堆垛机在巷道中取其左右单元内的货物
2. 堆垛机的机架结构
选用自重较轻的单立柱型堆垛机
3. 堆垛机水平行走机构
地面驱动式
4. 堆垛机起升机构
钢丝绳作为柔性件
5. 堆垛机的货叉机构
差动齿轮方式传动
三、堆垛机的机械系统设计
➢载荷 ➢循环寿命 ➢堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 ➢堆垛机行走机构的设计计算 ➢堆垛机升降机构的设计计算 ➢堆垛机门架的结构设计计算
➢ 定位精度 X/Z：0.03/0.04mm。
➢ 重复定位精度 X/Z： 0.012/0.016mm。
➢ 最小进给单位 X方向（横向）：0.005mm/脉冲； Z方向（纵向）： 0.01mm/脉冲。
4.7 机械系统设计综合应用实例
五、副面精调系统关键零件
根据设计图生产出来的套筒和滚珠丝杠
五、副面精调系统关键零件
装配完成的直线运动单元
五、副面精调系统整装准备
整体装配前对各 驱动分支电气系统进 行进一步调试，确保 运行的稳定性。
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
轴向间隙（预压）的选择 导程：
滚珠丝杠底径：
预压载荷为：
Fa 0 5500 N
Ph 10 mm
d1 75 mm 挫曲载荷 P 1 >2500N 拉伸压缩载荷 P 2 >2500N
N2>132rpm
拟采用双螺母
BNFN 8010-5
容许轴向负荷：
容许转速 螺母的选择 初选型号 静态安全系数
65米射电望远镜落成典礼
上海 65 米射电望远镜天线 系统已于 2012 年 10 月 28 日正式 落成，研发的基于 Stewart 并联 机构的副反射面调整系统运行 状况良好，完全满足高运动精 度、恶劣环境适应性及工作可 靠性要求。
4.7机械系统设计案例2—翻转机构设计
一、自动翻转机构技术指标
分支杆结构设计
直线运 动单元 虎 克 铰
分支杆具体结构
球铰
三、副面精调系统结构设计
连接箱体 端盖 蜗轮蜗杆 减速器 双螺母 套筒 丝杠螺母 吊环 端盖 组合轴承 滚珠丝杠 磁栅尺
导向单元
直线运动单元内部结构
伺服电机的选型——瑞诺FP0711
额定功率1.92KW 实现真正无间隙转矩 高动态响应
额定转矩6.10Nm
± 100mm +8度至-2度 ±2度 大于1600Kg X γ Y β Z
吉林大学机械系统设计实例第7章机械系统总体设计
吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
• 1）功能的进一步分解或重新组合。
• 2）顺序的改变。例如能量进入系统 以后，其转换与传递顺序不同，实体解 答方案亦将不同。
• 3）分功能联接型式改变。
• 4）系统边界的改变。必要时可扩大 或缩小系统的功能，以求得更合理的解 答方案。提高系统机械化、自动化程度 是其重要方面。
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吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
• 4.筛选法
• 将有可能实现该功能要求的工作原理、 工艺动作及实现该运动的基本机构和组 合机构尽可能按层次罗列出来，进行排 列组合；再按可行性、先进性、方便性、 经济性逐个分析审查，淘汰不适合的。 经过不断筛选，剩下两三个方案再按方 案设计的有关步骤进行 。
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吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
•（二）方案设计的一般步骤
• 根据产品功能要求、工作性质及动作 过程等基本要求进行新机械的方案设计时， ①要将总功能分解为各分功能以及各功能 元，并找出各功能元的动作要求和运动规 律；②按各功能元的动作要求和运动规律 确定机械示意图（亦可称为机械运动方 案）；③按各功能元的运动规律、动作过 程、动力性能等要求来进行机械运动简图 的尺度综合。
•（1）串联结构 反映了分功能之间的因果 关系或时间、空间顺序关系。
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•（2）并联结构 又称选择结构，几个分 功能作为手段共同完成一个目的，或同 时完成某些分功能后才能继续执行下一 个分功能，则这几个分功能处于并联关 系 。例如车床需要工件与刀具共同运动 来完成加工物料的任务 。
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机电一体化系统设计及应用实例
6.3
6.3.1 有轨小车（RGV） 有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行
走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动 有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条 啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小 车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向 销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟 槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。
图6-2 柔性制造单元
图6-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元 主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双 机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环 形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧 的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。
图6-3 带托盘库的柔性制造单元
6.1.3柔性制造系统(FMS) 柔 性 制 造 系 统 （ FlexibleManufacturingSystem ） 由
图6-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局 图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸 铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面， 因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。
图6-1 (a)正视图；(b)俯视图
该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工 位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工 件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式 传动装置驱动。
6.2 数控机床
6.2.1 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数
控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系 统是非常重要的。
1. 2.自动化程度高 3.加工精度高且质量稳定
4.生产效率较高
5.
6. 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计 算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之 间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。 通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。 图6-10是数控装置的基本组成框图。图6-10中的4为数 控系统，它是数控机床的核心环节。
第八章 机械系统运动方案设计示例
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。
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四、关键性能指标的实现
3、防护 调整机构各元器件在设计或选型时均认真考虑防
护要求，注意维护的方便性，合理进行密封和防水 结构设计。
四、关键性能指标的实现
4、安全性
五、副面精调系统关键零件
考虑加工性能，进行虎克铰结构的再优化，设计工程图，生产出虎克铰
五、副面精调系统关键零件
根据设计图生产出来的套筒和滚珠丝杠
0.05mm=硬币厚度的1/32
10角秒=秒针跳动一下转过角度的1/2160
副面精调系统设计指标
设计指标：
➢ 抗风能力： ≤ 20 m/s保精度工作； ≤ 28 m/s可以驱动； ≤ 45 m/s在收藏位置不破环。
➢ 工作温度：-10℃～+50℃ ➢ 工作湿度：5%～95% ➢ 下雨：雨量100 mm/h时不积水 ➢ 积雪：积雪20 cm不产生永久变形 ➢ 抗震：地面加速度：水平分量0.20 g，垂直分量0.10 g
二、机构方案的选型与设计
Z
B5 B6
A5
A4
B4
B3
Y
OB
R
Φ1
X
B2
θ1
B1
Z
H
Y
A3
OA
A2
r
θ2
X
Φ2
A6
A1
H=1450mm
B4
B3
R=1661mm OB
B5 B6
B2 B1
A5
A4
OA
r=1535mm
A3 A2
A6
A1
副面精调系统结构尺寸参数优化
150
100
50
0
-50
-100
-150
副面精调系统静力学分析
通过静力学计算分析，对调整机构的静态承载能力进行了验证
副面精调系统动力学分析
通过动力学仿真，对运动过程中调整机构各部件的受力进行了分析
三、副面精调系统结构设计
分支杆结构设计
直线运 动单元 虎 克 铰
分支杆具体结构
球铰
三、副面精调系统结构设计
蜗轮蜗杆 减速器
双螺母
套筒 丝杠螺母
第四章 机械系统设计
4.7机械系统设计案例—副面精调机构
主反射面 桁架 副反射面
1.6吨
65米射电望远镜
பைடு நூலகம்
修正副面的指向误差
在频段L、S、C、X、Ku、Ka之间 进行转换
一、副面调整机构技术指标
X、Y、Z 最大调整范围
± 100mm
Z
X方向旋转
+8度至-2度
Y方向旋转 最大承载力
X、Y、Z 方向平移 定位精度
坚固耐用工 业传感器
无接触 测量、 寿命长
非线性度低于 0.01%
线性测量、 绝对输出
分辨率 0.001mm
磁栅尺的选型—MTS RD4
湿度/露点 90% 不能结露
工作温度 -40 ℃至+70 ℃
温度系数 <15ppm/ ℃
工作环境
放射 EN 50081-1
抗扰 EN 50082-2
天线副面调整机构结构设计
具有自锁性能 齿隙空回小
（< 1 arcminutes)
结构紧凑，采用高性能的聚乙二稀润滑剂， 确保长寿命润滑，免维护。
滚轴丝杠副的初选—THK BNFN8010-5
轴向间隙（预压）的选择 导程：
滚珠丝杠底径：
容许轴向负荷：
容许转速 螺母的选择
初选型号 静态安全系数
预压载荷为： Fa0 5500 N
导向推杆
直线导向单元结构图
副面精调系统关键零件强度校核
对不同转角情况下虎克铰的受力变形进行了分析
副面精调系统关键零件强度校核
轴向力25000N作用下丝杠变形 轴向力25000N作用下丝杠应力
副面精调系统关键零件强度校核
轴向力25000N作用下轴承端盖变形 轴向力25000N作用下轴承端盖应力
副面精调系统整体刚度校核
五、副面精调系统关键零件
装配完成的直线运动单元
五、副面精调系统整装准备
整体装配前对各 驱动分支电气系统进 行进一步调试，确保 运行的稳定性。
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
整体装配完成
副面精调系统电气施工 电装完成的副面调整机构电气控制系统
100
100 0
0
-100
-100
期望工作空间范围
（满足姿态能力）
100 50 0 -50
-100 200
100
0 -100 -200 -200
0 -100
200 100
设计的最小工作空间 （满足姿态能力）
基本机构参数优化流程
实际工作空间与要求工作空间对比分析
优化后实际工作空间XY视图
优化后实际工作空间45°视图
实际型号：FFZD8010TR-6-P2/1294×1020
➢ 磁致伸缩位移传感器具体型号： RD4MD3B1025MD70S2G821
分辨率为0.001mm，保证了各分支定位精度的测量实现。
四、关键性能指标的实现
2、调整时间 在满足给定工作空间要求前提下，各分支最大行
程为690mm，丝杠导程为10mm，减速器速比为45， 为实现副面调整机构最大调整时间小于30秒，所需 电机最大转速为6210rpm，而所选电机最高转速为 6300rpm，故调整时间满足要求。
Ph 10 mm
d1 75 mm 挫曲载荷 P1 >2500N 拉伸压缩载荷 P2 >2500N
N2>132rpm
拟采用双螺母
BNFN 8010-5
fs 11.3
FFZD8010TR-6-P2/1294×1020
磁栅尺的选型—MTS RD4
磁栅尺的选型—MTS RD4
重复精度 0.001%
±2度
大于1600Kg
γ
X
Y β
X、Y方向旋转定位精度
副面精调系统设计指标
设计指标: 1、调整范围
位移：-100mm<X<100mm; -100mm<Y<100mm; -100mm<Z<100mm。 姿态：-2°<X<6°; -2°<Y<2°;Z=0°
2、位置精度：
优于0.05mm。姿态精度：优于10角秒
连接箱体
端盖
组合轴承
滚珠丝杠
磁栅尺
导向单元
吊环
端盖
直线运动单元内部结构
伺服电机的选型——瑞诺FP0711
额定功率1.92KW 实现真正无间隙转矩
高动态响应
特性
额定转矩6.10Nm 波纹转矩降低到最小
体积紧凑
工作温度范围-40 ℃ 至+70 ℃ 线圈工作温度可达150 ℃
减速器的选型—Danabox蜗轮蜗杆减速器
副面精调系统安装 上海佘山基地现场副面调整设备吊装
副面精调系统安装
地面调试完毕后， 进行设备的最终安装。
此图为工人师傅正在 使用600T吊车将电控 柜安装在距离地面40 米的馈源仓中。
副面精调系统 安装在近70米高空的副面并联调整机构
65米射电望远镜落成典礼
上 海 65 米 射 电 望 远 镜 天 线 系统已于2012年10月28日正式 落成，研发的基于Stewart并联 机构的副反射面调整系统运行 状况良好，完全满足高运动精 度、恶劣环境适应性及工作可 靠性要求。
副面精调系统EMC测试
对电气系统EMC性能进 行测试，以避免对天线系 统信号造成干扰
副面精调系统调试 对电气系统进行调试，以确保各项性能指标达到设计要求
副面精调系统调试
副面精调人机界面
副面精调系统标定
上海天文台松 江佘山基地现场天 线副面倾斜45°标定 现场
副面精调系统标定
为降低温度、振动对测量 精度的影响，在晚上对副面 调整机构进行了标定。
天线处于90°时机构整体形变 天线处于0°时机构整体形变
系统精度的保证
虎克铰 减速器箱体 分支杆套筒
球铰
分支杆装配图
关键精度保证：通过设计精密的定位措施，保证球铰和虎 克铰中心位于各分支丝杠轴线。
四、关键性能指标的实现
1、定位精度 ➢ 所选滚珠丝杠等级为C1，其运行距离误差为±10μm
每变动300mm误差为7μm 定位精度可达0.02mm。 具体型号为：BNFN7010-7.5RRGT+1075C1