第二章 机械系统设计
合集下载
机械系统设计第2章机械系统的方案设计与总体设计
在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现， 其中有不确定的，过高或过低的，甚至有些是相互矛盾的。
T1
T2
系统
T2>T1，n2>n1
n1
n2
能量不灭定理
设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求逐个分析，明确核心要求和 约束条件，提出修改、补充和完善的建议，对相互矛盾的要求提出两方面都 可兼顾的折衷的解决办法。
可以用树状图像模型功能图形象地表达功能分解的结果：
容纳衣物和水 添加洗涤剂 搅动衣物和水
单向旋转
波轮旋转
双向旋转
时间控制
旋转控制
转速控制
脏衣物 的洗涤
甩干脱水
转向控制
排水 · 能量供应与转换
联接与支承
能量运动传递
功能分解是在系统分解的基础上进行的。对各子系统的功能可逐项分解， 直到得到不能再分解的功能元为止。
由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以看出洗衣机具有的主要分功能： 容纳衣物和水（A）、搅动衣物和水（B）、运动传递（C）和控制（D）， 通过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机相应的形态学矩阵（用 其来表示所有可能组成的总体方案）。
洗衣机的形态学矩阵
分功能 A（容纳衣物水）
1 金属桶
功能载体
2 塑料桶
决策论
原
理
功能载体组合
模糊数学
方
功能原理方案(多个)
案
设
原理试验
计
评价决策
最优原理方案
原理参数表、方案原理图
阶 段
步骤
总体设计
结构设计
造型设计
技 结构价值分析
造型价值分析
结构方案(多个) 外观方案(多个)
第二章机械系统的总体设计
PPT文档演模板
第二章机械系统的总体设计
例2-1 更换普通自行车的传动系统，并改变部分结构后 开发的变速赛车；发动机作四缸、六缸、直列、V形等 改型设计。 多数产品属于变型设计。随着技术水平的提高和市场 需求的变化，应掌握产品生命周期的特征，适时地对 老产品进行改进。 3. 仿型设计（Selecting Design） 它是指有同类产品可供参考，原理和结构完全或部分 已知。原理、结构和性能一般不变，只作工艺性变化 ，以适应本企业的生产特点和技术装备要求。通常采 用反求设计（Reverse Design）方法。
PPT文档演模板
第二章机械系统的总体设计
2.设计任务的来源 （1）指令性设计任务（政府和军队等部门下达的） （2）来自市场的设计任务（用户根据自己的需要提出的） （3）考虑前瞻的预研设计任务（根据市场的发展动向） 3.拟定设计任务书 （1）拟定设计任务书的一般原则
“详细而明确，合理而先进”
详细：针对具体设计项目尽可能列出全部设计要求，特别 是不要遗漏重要的设计要求。 明确：对设计要求尽可能定量化。 合理：对设计要求提得适度，实事求是。 先进：与国内外同类产品相比，在产品功能、技术性能、 经济指标方面都有先进性。
不允许有重复！
下周二（9月7日）上课前交上来！
PPT文档演模板
第二章机械系统的总体设计
任务 功能综合
原理综合
构型综合 确定方案
PPT文档演模板
功能分析 功能分解 功能分类
创新技法 形态矩阵 冲突矩阵 解法目录 资源利用
机构构型 结构构型
方案评价
技术冲突解决原理 （TRIZ理论）
第二章机械系统的总体设计
1.形态学矩阵 形态学矩阵法：一种系统搜索和程式化求解的分功能组合 求解方法。
机电一体化系统设计 第2章 机械系统设计
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式 双推-自由式/简支式
如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈 自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的 丝杠传动系统。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
机械传动部件及其功能要求
➢ 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传 动、各种非线性传动部件等。
➢ 主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换 器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
➢ 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机电一体化系统的精度、稳 定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精 度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧
弹簧自动调整预紧式
如图所示，双螺母中， 一个活动，另一个固定， 用弹簧使其间始终具有 产生轴向位移的推动力， 从而获得预紧力。其特 点是能消除使用过程中 因磨损或弹性变形产生 的间隙，但其结构复杂、 轴向刚度低，适用于轻 载场合。
单螺母变位导程自预紧式 和单螺母滚珠过盈预紧式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式
典型支承方式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
机电一体化系统设计课后习题
机电一体化系统设计课后习题
第一章绪论作业
1、简述机电一体化系统的基本功能要素。
第二章机械系统设计作业
1、图所示为一进给工作台。
电动机M、制动器B、工作台A、齿轮G1~G4以及轴1、丝杠轴的数据如表所示。
试求：此装置换算至电动机轴的等效转动惯量。
2、机电一体化系统对机械传动系统的基本要求是什么？
3、齿轮传动链的级数和各级传动比确定的三个基本原则是什么？如何选择？
第三章传感器检测及其接口电路作业
1、传感器的性能指标有哪两大类，各包括那些内容？
2、传感器的选用原则是什么
3、为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？
4、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？
5、感应同步器的测量方式有几种类型？写出励磁方式和输出信号的表达式。
6、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在t=10s的时间内测轴的脉冲数N=6000，则光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转速是多少？
第四章控制电机及其选择计算作业
1、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？
2、步进电动机的选用原则是什么？
3、直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？
4、交流变频调速有哪几种类型。
机械系统设计 第二章 机械系统的方案设计与总体设计
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。 ③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。 所以，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作 用，设计人员必须给予高度重视。
20
功能原理设计的要求(3项)： 1）应设计出几种不同的功能原理方案； 2）按照机械系统设计的基本原则、设计要求以及系统功能进行 比较，以便从中选出一个较理想的。
26
第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系
2.1.4 系统（产品）原理方案的综合举 例
27
第二步：总功能分解
28
第三步：建立功能结构图
29
第四步：寻找原理解法和原理解组合
序 号
A B C D E F G H I
分功能
1 推压 铲斗 提升 回转 能量转换 能量传递与分配 制动 变速 行走 齿条 正铲斗 油缸 内齿轮传动 柴油机 齿轮箱 带式制动 液压式 履带
首先确定几个 根据一定的理论方法进行方案选择 方案或结构 确定最终 方案或结构
一般设计过程的缺点： 1）带有很大的盲目性 2）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力
23
2.1.3 功能原理设计的设计方法——黑箱法 “黑箱法” 设计特点： 1）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 2）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式(如输入量和输 出量)加以表达。
30
利用相容性矩阵对原理对各个方案进行筛选 为了便于检验和了解有联系的分功能(功能元)之间的相容 性，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物 理效应之间的相容性。
31
1.总体设计的内容
总体设计是机械系统内部设计的主要内容之一，也是进行 系统技术设计的依据。总体设计对机械系统的性能、尺寸、 外形、质量及生产成本具有重大影响。因此，总体设计时 必须在保证实现已定方案的基础上，尽可能充分考虑与
20
功能原理设计的要求(3项)： 1）应设计出几种不同的功能原理方案； 2）按照机械系统设计的基本原则、设计要求以及系统功能进行 比较，以便从中选出一个较理想的。
26
第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系
2.1.4 系统（产品）原理方案的综合举 例
27
第二步：总功能分解
28
第三步：建立功能结构图
29
第四步：寻找原理解法和原理解组合
序 号
A B C D E F G H I
分功能
1 推压 铲斗 提升 回转 能量转换 能量传递与分配 制动 变速 行走 齿条 正铲斗 油缸 内齿轮传动 柴油机 齿轮箱 带式制动 液压式 履带
首先确定几个 根据一定的理论方法进行方案选择 方案或结构 确定最终 方案或结构
一般设计过程的缺点： 1）带有很大的盲目性 2）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力
23
2.1.3 功能原理设计的设计方法——黑箱法 “黑箱法” 设计特点： 1）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 2）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式(如输入量和输 出量)加以表达。
30
利用相容性矩阵对原理对各个方案进行筛选 为了便于检验和了解有联系的分功能(功能元)之间的相容 性，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物 理效应之间的相容性。
31
1.总体设计的内容
总体设计是机械系统内部设计的主要内容之一，也是进行 系统技术设计的依据。总体设计对机械系统的性能、尺寸、 外形、质量及生产成本具有重大影响。因此，总体设计时 必须在保证实现已定方案的基础上，尽可能充分考虑与
2机械系统设计_总体设计(一).
机械系统总体设计
机械系统总体设计的内容：
1.机械系统功能原理设计; 2.总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、 执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）; 3. 主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力 参数等）的确定; 4.技术经济分析等。
机械系统总体设计
§2.1 机械系统的功能原理设计 §2.2 结构总体设计
通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是 所有的方案都具有实际意义，也不是所有的功能元 解都能互相匹配和适应。因此，应首先根据不相容 性和设计边界条件的限制删去不可行方案和明显不 理想的方案，选择较好的几个方案，然后通过综合 评价的方法进行比较、优化，最后求得最佳方案。
方法：
相容性矩阵 选择表
4.功能原理设计的步骤
2.形态学矩阵的要点
⑴尽可能多列分功能解法。对复杂机械，先建立各分功能
的形态学矩阵，分别考虑局部方案，再综合为总体方案。
⑵相容性。分功能解法之间必须相容，否则不能组合。审核
其物理学原理上的相容性和动力性能的匹配性。
⑶舍弃明显不合理的解法。检验其技术的可行性、经济性、
运动性能和尺寸的适宜性等方面。不满足设计要求和约束条 件的应舍弃，例：成本偏高、效率低、污染严重、不安全、 加工困难。
输入
驱动 控制
支架 变速 转向 制动
车轮 转 动
输出
输入
待设计的技术系统 输出 （黑箱）
黑箱法
把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流 S、能量流E和物料流M来描述；输出用相应的S′、 E′、M′来描述。
通过“黑箱”与 输入、输出量及周 围环境的信息联系， 了解系统（产品） 的功能、特性，进 一步探索出系统的 机理和结构，逐步 使“黑箱”透亮，
机械系统设计2章.
如汽车、拖拉机、叉车等的前后轴载荷分配、纵向稳定性横 向稳定性、操纵性及附着性等，对于固定式机械则将影响其基 础的稳定性。
2.2 总体设计
2.2.2 总体布置的基本要求 1. 保证工艺过程的连续和流畅 ——最基本要求 2. 降低质心高度、减小偏置
3. 保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性
a.对于机床、精密机械等设备，为保证被加工件的精 度，总体布置时必须充分考虑精度、刚度、抗振性以及 热稳定性等。
⑴.尽3.量操减少纵构件件的和运布动置副的数目，减小构件的几何尺寸，以
减小其磨损和变形对执行机构运动精度的影响；
⑵.尽量使原动件尽量接近执行机构。在布置相互联系型的多个执
行机构时，应尽量将各原动件集中在一根或少数几根轴上。对外露的执行机
构，最好将原动件隐蔽布置，以提高操作安全性；
⑶.由于执行构件往往与作业对象直接接触，所以布置执行构
b.在总体布置时应使运动和动力的传递尽量简捷，以 简化和缩短传动链，提高机械的传动精度。
c.对于受力较大及自重较大的零部件，更应注意提高 其结构刚度和抗振性，使受力均匀，避免偏载。
d.对于扰力较大的机械应尽量减小扰力的偏心距，提 高支承刚度，必要时还应采取隔振措施，如设置隔振装 置或采用柔性连结，以减小振动的传递。
6. 操作、维修、调整方便 7. 外形美观
2.2.3 总体布置的要点
顺序:
历程:
2.2 总体设计
2.2.1 总体设计的内容
2.2.2 总体布置的基本要求
2.2.3 总体布置的要点
2.2.4 总体布置的内容 依1.据1执拟. 定行执的系行工统系艺的要统布求的置，布将执置行机构和执行构件布置在预定的
工作位2置. ，传然动后系布置统其的原布动件置和中间连接件。要点：
2.2 总体设计
2.2.2 总体布置的基本要求 1. 保证工艺过程的连续和流畅 ——最基本要求 2. 降低质心高度、减小偏置
3. 保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性
a.对于机床、精密机械等设备，为保证被加工件的精 度，总体布置时必须充分考虑精度、刚度、抗振性以及 热稳定性等。
⑴.尽3.量操减少纵构件件的和运布动置副的数目，减小构件的几何尺寸，以
减小其磨损和变形对执行机构运动精度的影响；
⑵.尽量使原动件尽量接近执行机构。在布置相互联系型的多个执
行机构时，应尽量将各原动件集中在一根或少数几根轴上。对外露的执行机
构，最好将原动件隐蔽布置，以提高操作安全性；
⑶.由于执行构件往往与作业对象直接接触，所以布置执行构
b.在总体布置时应使运动和动力的传递尽量简捷，以 简化和缩短传动链，提高机械的传动精度。
c.对于受力较大及自重较大的零部件，更应注意提高 其结构刚度和抗振性，使受力均匀，避免偏载。
d.对于扰力较大的机械应尽量减小扰力的偏心距，提 高支承刚度，必要时还应采取隔振措施，如设置隔振装 置或采用柔性连结，以减小振动的传递。
6. 操作、维修、调整方便 7. 外形美观
2.2.3 总体布置的要点
顺序:
历程:
2.2 总体设计
2.2.1 总体设计的内容
2.2.2 总体布置的基本要求
2.2.3 总体布置的要点
2.2.4 总体布置的内容 依1.据1执拟. 定行执的系行工统系艺的要统布求的置，布将执置行机构和执行构件布置在预定的
工作位2置. ，传然动后系布置统其的原布动件置和中间连接件。要点：
第2章-机械系统设计(8机座和机架)PPT课件
一、机座或机架的作用及基本要求
作用：它既承受其它零部件的重量和工作载荷．又 起保证各零部件相对位置的基准。
分类 机座类——各种机床的床身 底座类——电动绞车的底座 箱体类——减速器的箱体、车床床头箱的箱体
.
3
2 机械系统设计—机座和机架
结构形状
.
4
2 机械系统设计—机座和机架
.
5
2 机械系统设计—机座和机架
2、机座和箱体受到弯曲或扭转载荷时，截面形状对 于它们的强度和刚度有着很大的影响。
3、正确设计机座和箱体的截面形状，在既不增大截 面面积，又不增大零件质量的条件下，来增大截面系 数及截面的惯性距，从而提高它们的刚度和强度。
2 机械系统设计—机座和机架
机座的典型结构
(1)方形截面机座 结构简单，制造方便，箱体内有较 大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷
任何机械都会发生不同程度的振动。动力、锻压一类机械 尤其严重。即使是旋转机械，也常因轴系的质量不平衡等多种 原因而引起振动。机械设备的振动频率一般约在10~100Hz范围。
由于外界因素的干扰，一般生产车间地基的振动频率约为 2~60Hz，振幅约为1~20μm。
隔振的目的就是要尽量隔离和减轻振动波的传递。常用的方 法是在机器或仪器的底座与基础之间设置弹性零件，通常称为 隔振器或隔振垫，使振波的传递很快衰减。
.
22
机体的结构工艺性
1、减小加工面积； 2、加工表面与非加工表面要区分开； 3、被加工面在同一平面内。
机架零件的结构设计
一、机体的结构形式（以减速器为例）
剖分式：装拆方便，但结构复杂
整体式：刚度高，结构简单，装拆不方便
机体的几何造型
1、从工业美学角度考虑； 2、方型箱体，内六角螺钉、内凸缘、内筋板。
作用：它既承受其它零部件的重量和工作载荷．又 起保证各零部件相对位置的基准。
分类 机座类——各种机床的床身 底座类——电动绞车的底座 箱体类——减速器的箱体、车床床头箱的箱体
.
3
2 机械系统设计—机座和机架
结构形状
.
4
2 机械系统设计—机座和机架
.
5
2 机械系统设计—机座和机架
2、机座和箱体受到弯曲或扭转载荷时，截面形状对 于它们的强度和刚度有着很大的影响。
3、正确设计机座和箱体的截面形状，在既不增大截 面面积，又不增大零件质量的条件下，来增大截面系 数及截面的惯性距，从而提高它们的刚度和强度。
2 机械系统设计—机座和机架
机座的典型结构
(1)方形截面机座 结构简单，制造方便，箱体内有较 大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷
任何机械都会发生不同程度的振动。动力、锻压一类机械 尤其严重。即使是旋转机械，也常因轴系的质量不平衡等多种 原因而引起振动。机械设备的振动频率一般约在10~100Hz范围。
由于外界因素的干扰，一般生产车间地基的振动频率约为 2~60Hz，振幅约为1~20μm。
隔振的目的就是要尽量隔离和减轻振动波的传递。常用的方 法是在机器或仪器的底座与基础之间设置弹性零件，通常称为 隔振器或隔振垫，使振波的传递很快衰减。
.
22
机体的结构工艺性
1、减小加工面积； 2、加工表面与非加工表面要区分开； 3、被加工面在同一平面内。
机架零件的结构设计
一、机体的结构形式（以减速器为例）
剖分式：装拆方便，但结构复杂
整体式：刚度高，结构简单，装拆不方便
机体的几何造型
1、从工业美学角度考虑； 2、方型箱体，内六角螺钉、内凸缘、内筋板。
第2章机械系统总体设计
24
2.1.2 功能原理设计及其特点
剪草机功能原理设计
25
2.1.2 功能原理设计及其特点
玻璃制作的功能原理设计
1）垂直引上法（传统方法），此法是把半流体的玻璃从熔 池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后边向上引边凝 固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。 2）浮法制造平面玻璃的新工艺，让液态玻璃飘浮在低熔点 金属的液面上，边向前流动边凝固。用此方法生产出来的玻璃克 服了厚薄不均且有波纹的缺点。
例如，联接两个轴的离合器，其联接方式可以是牙嵌式的、齿形式 的、摩擦锥式的、单片或多片摩擦片式、超越离合器式和电磁离合 器式等。又如对摩擦式的联接，其压力产生又可以是机械式的、液 压式的和电动式的3．联想类推法 该法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法来 解决问题。主要有以下几种方法
11
创新设计方法的应用（补充内容）
仿生机器鱼
游 动 方 向 波 动 方 向
推 进 部 分
推 进 部 分
推 进 部 分
12
创新设计方法的应用（补充内容）
4．系统搜索法（2种） 对于技术系统，可以根据其组成或影响性能的全部参数，系统 地依次分析搜索，以探求更多的解决问题途径。这种方法称为系统 搜索法。 如果产品是功能和动作都要求复杂的机械系统，还有两种具 体指导设计人员进行创新设计的方法。 (1)机构系统搜寻法 针对设计要求，首先系统地找出各种可能的 机构，然后进行评价择优。（并联机构）
机械系统设计 第二章 机械系统总体设计
本章学习重点
功能原理设计 机械系统总体设计 结构总体设计
功能原理设计的方法：黑箱法 ( 功能结构、功能分解、功能元) 结构总体设计的任务、原则、步骤、基本原理
第二章 机械系统设计之滚珠丝杠选择计算
• ② 临界转速 ncr 验证 • 高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高 转速，要求丝杠最高转速 nmax n。 cr • 临界转速可按公式计算：
3.927 0.0458 ncr 9910 9910 10960 2 2 ( l ) ( 1.2) 3 ncr nmax 10000KFFra bibliotek表 2
K H — 硬度系数，按表2选取；
滚道实际硬度 HRC
≥58 1.0 55 1.11 50 1.56 45 2.4 40 3.85
KH
精度系数
K A—精度系数，按表3选取；
表 3 1、2 3、4 5 10
KA
1.0
1.1
1.25
1.43
• 例1 试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。 已知平均工作载荷Fm＝3800N，丝杠工作长度l＝ 1.2m，平均转速nm＝100r/min，最大转速nmax＝ 10000r/min，使用寿命Lh ＝15000h左右，丝杠材 料为CrWMn钢，滚道硬度为58~62HRC，传动精 度要求 0.03mm • 解：(1) 求计算载荷Fc
Fcr 6.93 10 5 安全系数 S 182 .2 [ S ] 2.5 ~ 3.3 Fm 3800
丝杠是安全的，不会失稳。
支承方式 有关系数
[S ]
f
c
双推—自由 F—O 3~4 2 1.875
双推—简支 双推—双推 F—S F—F 2.5~3.3 — 2/3 — 3.927 4.730
主轴
滚珠丝杠副的密封与润滑
（1）密封 1）丝杠的密封
刚带套管 伸缩套管 折叠套管
伸缩套筒
（2）润滑
一般采用脂润滑或滴油润滑，丝杠
02第二章 机械系统设计PPT课件
机电一体化
6
第2章 机械系统设计
2.1 机械系统数学模型的建立
三、基本物理量的折算
x o
轴Ⅲ 轴Ⅱ 轴Ⅰ
mCK G4
G2
J2 T2 K2 G3
JK 11
T1 xi G1
J3 T3 K3
机电一体化
7
第2章 机械系统设计
2.1 机械系统数学模型的建立
三、基本物理量的折算
1、转动惯量的折算
将轴I、II、III上的转动惯量和工作台的质量都折
三、基本物理量的折算
3、刚度系数的折算 1）轴向刚度系数的折算 2）扭转刚度系数的折算
mCK
T3
K
机电一体化
12
第2章 机械系统设计
2.1 机械系统数学模型的建立
三、基本物理量的折算
4、系统的数学模型 将基本物理量折算到某一部件后，即可按单一部件 对系统进行建模。在本例中，设输入量为轴I的转 角xi，输出量为工作台的线位移xo，则可以得到数 控机床进给系统的数学模型:
一、机械移动系统 机械平移系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。
建立机械平移系统数学模型的基本原理是牛顿第二 定律。
组合机床动力滑台铣平面为例说明平移系统的 建模方法。机电一体化 Nhomakorabea3
第2章 机械系统设计
2.1 机械系统数学模型的建立
一、机械移动系统
设动力滑台的质量为m，液压缸的刚度为k，粘性阻
尼系数为c，外力为f（t）。由牛顿第二定律知，系统的
机电一体化
9
第2章 机械系统设计
2.1 机械系统数学模型的建立
三、基本物理量的折算 2、粘性阻尼系数的折算
当只考虑阻尼力时，根据工作台和丝杠之间动 力关系有
第二章机械系统的总体设计
性能
3）社会评价目标 方案实施的社会影响、市场效应、节能、环保、可持续发展等
选择主要的要求和约束条件作为实际评价目标。 6~8项
45
2.加权系数
2.5.1 评价目标
加权系数是反映目标重要程度的量化系数，加权系数大 意味着重要程度高。 加权系数值一般经验确定或采用强制判定法（Forced
Decision，简称FD）计算。
32
陶瓷桶 超声波
分功能
功能解
A
B C
盛装衣物
分离赃物 控制洗剂
铝桶
机械摩擦 人工控制
塑料桶
电磁振荡 机械控制
玻璃钢桶
热胀 电脑自控
陶瓷桶
超声波
A1-B1-C1 A1-B1-C2 A2-B3-C1 A1-B2-C2 热胀增压式
33
2.4.2 总体方案求解
2. 功能集成
功能集成，即如何将求解所得的功能载体进行集成，其
故组合方案数=3×3×2×3×1×2×4×3×4=5184。
42
第五节 机械系统方案的评价
系统评价时应考虑的因素很多，既有客观因素，
又有主观因素。
功能、性能指标、可靠 性、成本、寿命及人类 工程学等
评价人员的经验及其 评价角度
43
在进行系统评价时，遵循的原则 1.客观性原则 2.可比性原则 3.合理性原则 4.整体性原则
皮带传动
圆锥形制动
轨道—车轮
41
第四步：寻找原理解法和原理解组合
序 号 分功能 1 A B C D E F G H I 推压 铲斗 提升 回转 能量转换 能量传递与分配 制动 变速 行走 齿条 正铲斗 油缸 内齿轮传动 柴油机 齿轮箱 带式制动 液压式 履带 油泵 闸瓦制动 齿轮式 轮胎 链传动 片式制动 液压—齿轮 迈步式 轨道—车轮 皮带传动 圆锥形制动 技术物理解方案序号 2 钢丝绳 反铲斗 绳索 外齿轮传动 液轮 3 油缸 抓斗 4
第2章-机械系统设计-new
21
22
尺 寸 系 列 ， 国 际 标 准 化 组 织 (ISO ／ DIS3408-2-1991) 和 GB/T 17587.2-2019 中 规 定：
公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20， 25，32，40，50，63，80，100，125，160及 200。
公称基本导程(mm)：1，2，2．5，3，4， 5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽 可能
(2) 最佳传动比
令
L 0
i
50
求得使负载加速度为最大的i值，即
2
i TLF Tm
TTLmF
JL Jm
51
2．齿轮传动链的级数和各级传动比的分配 按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。
(1)最小等效转动惯量原则
利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电动机轴上的等效转动惯量为最小。
能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复
杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。
30
(5)单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式
结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。
31
6 滚珠丝杠副支承方式的选择
1)单推一单推式 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预 紧力。
轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比 双推一双推式低。
27
(2)双螺母齿差预紧调整式
1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠
可实现定量调整即可进行精密微调(如0.002 mm)，使用中调整 较方便。
28
(3)双螺母垫片调整预紧式
双螺母垫片预紧式 1-垫片； 2-螺母
结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。
22
尺 寸 系 列 ， 国 际 标 准 化 组 织 (ISO ／ DIS3408-2-1991) 和 GB/T 17587.2-2019 中 规 定：
公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20， 25，32，40，50，63，80，100，125，160及 200。
公称基本导程(mm)：1，2，2．5，3，4， 5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽 可能
(2) 最佳传动比
令
L 0
i
50
求得使负载加速度为最大的i值，即
2
i TLF Tm
TTLmF
JL Jm
51
2．齿轮传动链的级数和各级传动比的分配 按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。
(1)最小等效转动惯量原则
利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电动机轴上的等效转动惯量为最小。
能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复
杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。
30
(5)单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式
结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。
31
6 滚珠丝杠副支承方式的选择
1)单推一单推式 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预 紧力。
轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比 双推一双推式低。
27
(2)双螺母齿差预紧调整式
1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠
可实现定量调整即可进行精密微调(如0.002 mm)，使用中调整 较方便。
28
(3)双螺母垫片调整预紧式
双螺母垫片预紧式 1-垫片； 2-螺母
结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第2章 机械系统设计
2.1 概述 2.2 传动机构的设计 2.3 支撑部件的设计 2.4 数控机床的机械结构
2.1 概 述
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通 常对机电一体化系统提出以下要求： (1)高精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品， 其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都 有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度 是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要 求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确， 也无法完成其预定的机械操作。
谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十~ 几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动 平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机 器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到 广泛的应用。
1 谐波齿轮传动的工作原理
2.2.2、谐波齿轮传动
谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内 齿的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通 常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动 件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔 时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径， 故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生 了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭 圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各 处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态， 或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔 轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处 和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之 间就产生了相对位移，从而传递运动。
irHg
r H g H
zg zr
式生中器：的角速g、度；、r H分别为刚轮、柔轮和波形发
z、g z分r 别为刚轮和柔轮的齿数。
(1) 当柔轮固定时， r ，0 则
irHg
0H g H
zg zr
g 1 zr zg zr
H
zg
zg
iHg
H g
zg zg zr
2.2.2、谐波齿轮传动
(2) 当刚轮固定时， g ，0 则
2.2.1 齿轮传动
(5) 锥齿轮传动 (a) 轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理如图，
在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大 小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴 向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿 侧间隙。
2.2.1 齿轮传动
(b) 周向弹簧调整法
将与锥齿轮3啮合的齿轮 做成大小两片(1、2)，在
12
大片锥齿轮1上制有三个
3
周向圆弧槽8，小片锥齿
轮2的端面制有三个可伸
入槽8的凸爪7。弹簧5装
在槽8中，一端顶在凸爪7 8
上，另一端顶在镶在槽8 7 中的镶块4上。止动螺钉6 6 装配时用，安装完毕将其
卸下，则大小片锥齿轮1、
2在弹簧力作用下错齿， 5
从而达到消除间隙的目的。 4
2.2.2、谐波齿轮传动
2.2.2、谐波齿轮传动
在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的 循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的， 称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利 于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的 齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮 数)的整倍数，通常取为等于波数。
三、谐波齿轮传动
2 谐波齿轮传动的传动比计算
2.1 概 述
(2) 快速响应性 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定 的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及 时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使 其准确地完成任务。
(3) 良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响， 抗干扰能力强。
2.2 传动机构的设计
2.2.1 齿轮传动 2.2.2 谐波齿轮传动 2.2.3 同步带传动 2.2.4 滚珠丝杠副传动
上，并将电机2安装在偏心套1(或偏
2.2.1 齿轮传动
1 齿轮传动间隙的调整方法
(1)中心距调节法
如右图所示，将相互啮合 的一对齿轮中的一个齿轮4 装在电机输出轴上，并将电 机2安装在偏心套1(或偏心 轴)上，通过转动偏心套(偏 心轴)的转角，就可调节两 啮合齿轮的中心距，从而消 除圆柱齿轮正、反转时的齿 侧间隙。特点是结构简单， 但其侧隙不能自动补偿。
(3) 双片薄齿轮错齿调整法
这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另 一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧 和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右 两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。
34 56 7
2
1 3
12
4 3
2.2.1 齿轮传动
(4) 斜齿轮传动 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整 法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮 啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小 段距离，这样它的螺旋线便错开了。
irHg
r H 0 H
zg zr
iHr
H r
zr zr zg
r 1 zg zr zg
H
zr
zr
设 zr 200、 z g 202
当柔轮固定时， iHg 101
当柔轮固定时 iHr 100
2.2.2、谐波齿轮传动
3. 谐波齿轮减速器产品及选用 常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图
2.2.1 齿轮传动
1、齿轮传动系统的总传动比及其分配 最佳总传动比 ：等效负载转矩最小或负载加速度
最大的总传动比，即为最佳总传动比 。单级传 动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大 会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。因此，总传 动比要进行分级分配，并在各级之间分配传动比。 传动比分配原则如下：
最小等效转动惯量原则： 重量最轻原则 输出轴转角误差最小原则
2.2.1 齿轮传动
2 齿轮传动间隙的调整方法
(1)中心距调节法
如右图所示，将相互啮合 的一对齿轮中的一个齿轮4 装在电机输出轴心轴)上， 通过转动偏心套(偏心轴)的 转角，就可调节两啮合齿轮 的中心距，从而消除圆柱齿 轮正、反转时的齿侧间隙。 特点是结构简单，但其侧隙 不能பைடு நூலகம்动补偿。
2.2.1 齿轮传动
(2) 轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮1和2相啮合，
其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有 锥度，这样就可以用轴向垫片3 使齿轮2沿轴向移动，从而消除 两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向 垫片3的厚度应使得齿轮1和2之 间既齿侧间隙小，运转又灵活。 特点同偏心套(轴)调整法。
2.2.1 齿轮传动
2.1 概述 2.2 传动机构的设计 2.3 支撑部件的设计 2.4 数控机床的机械结构
2.1 概 述
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通 常对机电一体化系统提出以下要求： (1)高精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品， 其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都 有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度 是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要 求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确， 也无法完成其预定的机械操作。
谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十~ 几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动 平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机 器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到 广泛的应用。
1 谐波齿轮传动的工作原理
2.2.2、谐波齿轮传动
谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内 齿的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通 常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动 件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔 时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径， 故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生 了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭 圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各 处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态， 或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔 轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处 和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之 间就产生了相对位移，从而传递运动。
irHg
r H g H
zg zr
式生中器：的角速g、度；、r H分别为刚轮、柔轮和波形发
z、g z分r 别为刚轮和柔轮的齿数。
(1) 当柔轮固定时， r ，0 则
irHg
0H g H
zg zr
g 1 zr zg zr
H
zg
zg
iHg
H g
zg zg zr
2.2.2、谐波齿轮传动
(2) 当刚轮固定时， g ，0 则
2.2.1 齿轮传动
(5) 锥齿轮传动 (a) 轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理如图，
在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大 小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴 向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿 侧间隙。
2.2.1 齿轮传动
(b) 周向弹簧调整法
将与锥齿轮3啮合的齿轮 做成大小两片(1、2)，在
12
大片锥齿轮1上制有三个
3
周向圆弧槽8，小片锥齿
轮2的端面制有三个可伸
入槽8的凸爪7。弹簧5装
在槽8中，一端顶在凸爪7 8
上，另一端顶在镶在槽8 7 中的镶块4上。止动螺钉6 6 装配时用，安装完毕将其
卸下，则大小片锥齿轮1、
2在弹簧力作用下错齿， 5
从而达到消除间隙的目的。 4
2.2.2、谐波齿轮传动
2.2.2、谐波齿轮传动
在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的 循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的， 称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利 于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的 齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮 数)的整倍数，通常取为等于波数。
三、谐波齿轮传动
2 谐波齿轮传动的传动比计算
2.1 概 述
(2) 快速响应性 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定 的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及 时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使 其准确地完成任务。
(3) 良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响， 抗干扰能力强。
2.2 传动机构的设计
2.2.1 齿轮传动 2.2.2 谐波齿轮传动 2.2.3 同步带传动 2.2.4 滚珠丝杠副传动
上，并将电机2安装在偏心套1(或偏
2.2.1 齿轮传动
1 齿轮传动间隙的调整方法
(1)中心距调节法
如右图所示，将相互啮合 的一对齿轮中的一个齿轮4 装在电机输出轴上，并将电 机2安装在偏心套1(或偏心 轴)上，通过转动偏心套(偏 心轴)的转角，就可调节两 啮合齿轮的中心距，从而消 除圆柱齿轮正、反转时的齿 侧间隙。特点是结构简单， 但其侧隙不能自动补偿。
(3) 双片薄齿轮错齿调整法
这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另 一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧 和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右 两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。
34 56 7
2
1 3
12
4 3
2.2.1 齿轮传动
(4) 斜齿轮传动 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整 法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮 啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小 段距离，这样它的螺旋线便错开了。
irHg
r H 0 H
zg zr
iHr
H r
zr zr zg
r 1 zg zr zg
H
zr
zr
设 zr 200、 z g 202
当柔轮固定时， iHg 101
当柔轮固定时 iHr 100
2.2.2、谐波齿轮传动
3. 谐波齿轮减速器产品及选用 常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图
2.2.1 齿轮传动
1、齿轮传动系统的总传动比及其分配 最佳总传动比 ：等效负载转矩最小或负载加速度
最大的总传动比，即为最佳总传动比 。单级传 动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大 会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。因此，总传 动比要进行分级分配，并在各级之间分配传动比。 传动比分配原则如下：
最小等效转动惯量原则： 重量最轻原则 输出轴转角误差最小原则
2.2.1 齿轮传动
2 齿轮传动间隙的调整方法
(1)中心距调节法
如右图所示，将相互啮合 的一对齿轮中的一个齿轮4 装在电机输出轴心轴)上， 通过转动偏心套(偏心轴)的 转角，就可调节两啮合齿轮 的中心距，从而消除圆柱齿 轮正、反转时的齿侧间隙。 特点是结构简单，但其侧隙 不能பைடு நூலகம்动补偿。
2.2.1 齿轮传动
(2) 轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮1和2相啮合，
其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有 锥度，这样就可以用轴向垫片3 使齿轮2沿轴向移动，从而消除 两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向 垫片3的厚度应使得齿轮1和2之 间既齿侧间隙小，运转又灵活。 特点同偏心套(轴)调整法。
2.2.1 齿轮传动