第二章机械系统的总体设计
机电一体化系统设计 学习指南
机电一体化系统设计学习指南一、理论教学第一章绪论[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化的基本涵义。
2．掌握机电一体化系统及其组成。
3．了解机电一体化控制系统。
[本章主要内容]：1.1 什么是机电一体化?1.2 机电一体化实例—机器人介绍1.3 机电一体化系统基本组成1.4 机电一体化设计方法[本章重点]：1．机电一体化系统基本概念2．机电一体化系统基本组成[本章难点]：1．机电一体化系统基本组成第二章机电一体化系统总体设计[教学目的与要求]：1．了解机电一体化系统的总体设计方法2．掌握机电一体化产品的工程路线3．掌握几种典型机电一体化装置的基本组成[本章主要内容]：2.1 机电一体化产品设计过程2.2 机电一体化系统设计方法2.3 机电一体化产品设计实例[本章重点]：1．机电一体化总体设计的内容及方法2．典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构[本章难点]：1．机电一体化系统设计的方法2．典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法第三章传感检测系统[教学目的与要求]：1．了解传感检测系统的基本组成和传感器的基本评价指标。
2．掌握机电一体化系统中常用传感器的基本原理与适用场合。
3．了解传感检测系统中常用信号预处理技术的基本原理。
[本章主要内容]：3.1 检测的基本概念3.2 传感器概述3.3 常见传感器原理及应用3.4 信号处理[本章重点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）4．信号变换技术(传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换)[本章难点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）第四章机械系统设计[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化系统中传动机构的种类、特点、基本要求。
2．了解常用工业机器人的基本构型。
3．掌握机电一体化系统常用精密传动机构的基本原理与设计方法。
[本章主要内容]：4.1 机电一体化系统典型机构4.2 机器人机构4.3 精密齿轮传动4.4 同步带传动4.5 滚珠丝杠传动4.6 导轨设计4.7 机械系统设计综合应用实例[本章重点]：1．滚珠丝杠副传动机构[本章难点]：1．传动机构的设计方法2．滚珠丝杠副传动机构3．谐波齿轮传动第五章伺服驱动系统[教学目的与要求]：1．了解伺服系统的一般组成、分类和基本组成形式。
机械系统设计_总体设计(一)
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。
机械系统总体设计
抽象
搜索
求总功能
总功能分解
组合
形态学矩阵 各种评价法
收敛
分解
子功能求解
2.1.1 功能
系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。 产品或系统特定工作能力抽象化描述。 系统输入/输出间参数或状态变化的一种抽象描述。
基本功能
必要功能 分 类
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功能的描述 ——准确、简洁、合理
一般技术系统都比较复杂，难以直接求出满足总功能的原理解。 可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、…、功能 元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得系统解。
物料 能量 信息 分功能1
功 能 分 解 模 型 Pahl和Beitz
总功能
分功能2
物料 能量 信息
分功能3 分功能4
原理方案解：
2.1.6 原理解的组合与评价方法简介
形态学矩阵：
把系统功能元和其所对应的各个解分别作为坐标，列 出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个 对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。
相容性矩阵
评 价 方 法
选择表
多目标多级模糊综合评价法
2.1.7 功能原理设计综合实例
——露天矿开采挖掘机（1）
执行系统 传动系统 动力系统 操纵系统 支撑系统
从粗到细 从简到繁
反复多次
2.2.3 结构总体设计的原理
任务分配原理 稳定性原理 合理力流原理 自补偿原理 变形协调原理 力平衡原理 等强度原理 自增强 自平衡 自保护
2.2.4 总体参数的确定
性能参数 尺寸参数
初选总体参数 结构设计 校核确定总体参数
功能原理设计举例
——设计草坪剪草机（2）
机械系统设计课后答案
机械系统设计课后答案【篇一：机械系统设计习题(有答案版)】：具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。
2、机械系统的组成：1、动力系统。
2、执行系统。
3、传动系统。
4、操纵、控制系统。
5、支承系统。
6、润滑、冷却与密封系统。
3、产品设计类型：完全创新设计、适应性设计、变异性设计。
4、机械系统的设计要求：功能、适应性、可靠性、生产能力、使用经济性、成本六方面的要求。
5、产品的产生过程分哪几个阶段？产品策划---产品设计---产品生产---产品运转---产品报废或回收。
6、产品的设计过程分哪几个阶段？功能原理方案设计阶段---结构总体设计阶段---技术设计阶段第二章机械系统总体设计1、功能原理方案设计步骤设计任务-求总功能-总共能分解-寻求子功能解-原理解功能-评价与决策-最佳原理方案2、什么是“黑箱法”：根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。
3、功能元、功能结构功能元：在一个系统中，总功能可以分解为一些分功能，其中可以分解到最低层次的分功能，并且分解到最后不能再分解的基本功能单位叫做功能元。
功能结构：将总功能分解为分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。
反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层次功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。
这种功能的分解和组合关系称为功能结构。
4、机械系统总体参数包括哪些性能参数、结构参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。
5、七个标准公比为：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2。
第三章执行系统设计1、执行系统的组成：由执行末端和与之相连的执行机构。
2、以机床执行轴机构——主轴组件为例介绍执行轴机构设计的内容和要求。
机电系统设计优秀PPT
❖ 主要内容 §2-1 机械系统的方案设计 §2-2 机械系统的总体设计
❖ 学习方法建议
理解各种设计分析方法的应用领域， 在解决具体问题上下功夫。
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§2-1 机械系统的方案设计
一﹑设计任务抽象化 二、确定工艺原理 三、确定技术过程 四、引进技术系统并确定系统边界 五、确定功能结构 六、确定设计方案
一、设计任务抽象化 这一过程不涉及具体的解决方案，只需要知道所设计 的机械产品的基本功能和主要约束条件就行了，这样就可 以突出设计中的主要矛盾。抽象过程一般用黑箱原理来表 示。
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如图2－1所示，用黑色 的方框框住待设计的技术系 统，具体如何，我们不去管 它，因为它已经用黑箱框住， 看不见内部结构，所要表示 清楚的就是系统的输入、输 出以及系统与环境的连接。
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对于我们前面介绍的自走式谷物收割机这类比较复杂 的机械系统甚至像石油钻机这种更为复杂的机械系统，它 们本身有许多子系统组成，如收割系统、脱粒系统、清粮 系统、行走系统、传动系统、控制系统、输送系统、支承 系统。要是把这些系统的功能结构都详细地绘在一张 图上，不仅绘制困难，而且很乱，这时可以分别做出各子 系统的功能结构图。并在做图过程中，与功能相当的一系 列机械，如收割机、脱粒机、拖拉机、汽车等的相应系统 进行比较，以取得最佳的功能结构。
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三、确定技术过程 也就是按照选定的工艺原理确定转化所需的程序及其顺 序，如图2－3为技术过程的一般模式。 在一般模式中，包括有各种类型的作业，像信号的检测、 调节、控制，物料的输入、输出、能量的转化等等，其中只 有根据工艺原理所进行的作业对象的转化，为技术过程的主 流程，如状态1经过一系列转化变为状态2，在整个工作过程 中，主流程不断得到物料流、能量流、信息流的支持和补充。 自动式谷物联合收割机的技术过程的主流程（谷物由进 给至分离输出的过程）如图2－4所示。谷物先被切割刀扶持， 然后被切断送至脱粒系统脱粒，脱粒后长茎杆直接输出，谷 粒、断穗、短茎杆，轻混合物等进入清粒系统，经振动，气 流将谷粒、短茎杆、轻混合物（颖壳、灰尘）分离，清选输 出，而一些断穗等还有许多颗粒，丢弃很可惜，收获率低。
机械系统设计 第二章 机械系统的方案设计与总体设计
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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。
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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
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第二步：总功能分解
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第三步：建立功能结构图
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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
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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。
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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。
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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
机电一体化课程设计指导书
机电一体化系统设计课程设计指导书邓春岩编著UESTC 机电工程学院第一章绪论1.1 机电一体化课程设计的目的机电一体和课程设计是一个重要的实践教学环节。
学生需综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计训练，主要目的是：1）学习机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较的方法。
2）对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计计算方法和选用方法。
3）掌握控制用电机的工作原理，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。
4）对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。
5）根据系统的要求，掌握常用传感器的工作原理和选用方法。
6）培养学生独立分析问题、解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。
7）训练学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。
1.2 课程设计的内容与要求课程设计的内容应是典型的机电一体化系统或产品，如数控机床、工业机器人、三坐标测量仪、自动检测仪、全自动洗衣机、电子秤、自动售货机、家用智能装置等。
设计的内容需包扩：机械系统的设计；执行元件的计算与选择；计算机控制系统的选择、电路的设计和软件的设计；传感检测的选择与电路的设计等，根据专业性质的差异，可以适当调整相应部分设计工作量。
本次设计任务是CNC二维工作台的设计，主要包括：机械系统的设计与计算、控制电机的计算与选择、驱动器的选择与接线图的设计。
1.3 课程设计的原始数据试设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。
切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。
其它参数见下表：表1.1 大题目及其参数项目名称大题编号一二三四五六备注行程 mm 500³500500³400500³300400³400400³300300³300X*Y方向的行程X丝杠转速n1200 150 120 80 50 50 单位： r/minY丝杠转速n2200 150 120 80 50 50 单位： r/min理论定位精度δ30 25 20 15 10 5 单位：μm表1.2 小题目（方案）及其参数方案项目名称方案编号ⅠⅡⅢⅣV VIX方向轴向载荷(N)F15000 4500 4000 3500 2000 1200Y方向轴向载荷(N)F24000 3500 3000 2500 1500 1000X方向工作台滑板及组件重量(N) 1000 900 800 700 600 400Y方向工作台滑板及组件重量(N) 600 500 400 400 300 200表1.3 控制实现的轨迹方案项目名称方案编号１２３４二维平台编程控制的轨迹ＮＳＣＬ注：CNC二维工作平台设计题目共五个大题目，每个大题目下面又有三个小题目（即方案）。
机电一体化基础知识考试复习总结
第一章绪论●机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。
●机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。
●机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能节省材料、省能源，使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化，自动化需求。
机电一体化基本结构要素：1．机械本体包括机身、框架机械联接等在内的产品支持结构属于基础部分，实现产品的构造功能。
2．动力源向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。
3．检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。
4．控制与信息处理装置主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。
5．执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。
是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。
机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。
1．功能附加型产品：主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当的提高。
经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类机电一体化产品。
2．功能替代型产品：主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高。
柔性增加，如电子缝纫机、自动照相机等用微电于装置取代了原来复杂的机械控制机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。
3．机电融合型产品：主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑、设计更灵活、成本进一步降低。
第二章 机械传动系统的总体设计
第二章机械传动系统的总体设计机械传动系统的总体设计，主要包括分析和拟定传动方案、选择原动机、确定总传动比和分配各级传动比以及计算传动系统的运动和动力参数。
第一节分析和拟定传动系统方案一、传动系统方案应满足的要求机器通常由原动机（电动机、内燃机等）、传动系统和工作机三部分组成。
根据工作机的要求，传动系统将原动机的运动和动力传递给工作机。
实践表明，传动系统设计的合理性，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸都有很大影响。
因此，合理地设计传动系统是整部机器设计工作中的重要一环，而合理地拟定传动方案又是保证传动系统设计质量的基础。
传动方案一般由运动简图表示，它直接地反映了工作机、传动系统和原动机三者间运动和动力的传递关系。
在课程设计中，学生应根据设计任务书拟定传动方案。
如果设计任务书中已给出传动方案，学生则应分析和了解所给方案的优缺点。
传动方案首先应满足工作机的性能要求，适应工作条件、工作可靠，此外还应结构简单、尺寸紧凑、成本低、传动效率高和操作维护方便等。
要同时满足上述要求往往比较困难，一般应根据具体的设计任务有侧重地保证主要设计要求，选用比较合理的方案。
图2—l所示为矿井输送用带式输送机的三种传动方案。
由于工作机在狭小的矿井巷道中连续工作，因此对传动系统的主要要求是尺寸紧凑、传动效率高。
图2—1（a）方案宽度尺寸较大，带传动也不适应繁重的工作要求和恶劣的工作环境；图2—l（b）方案虽然结构紧凑，但蜗杆传动效率低，长期连续工作，不经济；图2—l（c）方案宽度尺寸较小，传动效率较高，也适于恶劣环境下长期工作，是较为合理的。
图2—l 带式输送机传动方案比较二、拟定传动系统方案时的一般原则由上例方案分析可知，在选定原动机的条件下，根据工作机的工作条件拟定合理的传动方案，主要是合理地确定传动系统，即合理地确定传动机构的类型和多级传动中各传动机构的合理布置。
下面给出传动机构选型和各类传动机构布置及原动机选择的一般原则。
机械设计课程设计ppt课件精选全文
4.确定电动机型号
例：P0 = 5.471 kW
根据电动机功率和同步转速，选定 电动机型号为Y132M2-6。查表查表知 其有关参数：
额定功率 P 5.5kW 电动机满载转速 nm 960r/min
电动机轴伸出直径 D 38mm
电动机轴伸出长度 L 80mm
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四、传动装置总传动比的确定和分配
注意：
1动.按机额工定作功机率所需Pm电计动算机。功率P0 计算，而不按电
2.设计轴时应按其输入功率计算、设计传动零 件时应按主动轴的输出功率计算
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1.各轴转速
Ⅰ轴
n
nm i带
Ⅱ轴
nII＝
n i1齿
Ⅲ轴
nⅢ
nII i2齿
Ⅳ轴（卷筒轴） nⅣ nⅢ
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2.各轴输入功率
Ⅰ轴 PI P00 P0带 Ⅱ轴 PⅡ＝PⅡ P轴承１齿轮 Ⅲ轴 PⅢ PⅡⅡⅢ PⅡ轴承2齿轮
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题目4：搅拌机传动装置设计
6
4
3 5
1
2
1、搅拌机效率0.8，包括搅拌轮与轴承的效率损失；
2、一班制，双向运转，有中等冲击，每年工作300天，工
作寿命10年；
3、动力源为电力，三相交流，电压380V。
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题目5：设计一型砂运输机用的减速装置。传动方案如下图所 示
鼓轮直径D
输出转矩T 输送带带速V
可以参考《机械设计》教科书的例题。
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二、减速器内传动零件设计
1.圆柱齿轮传动
已知条件：所需传递的功率(或转矩)； 主动轮转速和传动比；工作条件和尺寸限 制等。
设计内容：选择齿轮的材料及热处理 方式；确定齿轮传动的参数(中心距、齿数、 模数、齿宽等)；设计齿轮的结构及其他几 何尺寸；作用在轴上力的大小和方向；验 算传动比。
机械系统的方案设计与总体设计
机械系统的方案设计与总体设计1.引言机械系统的方案设计和总体设计是系统工程中的重要环节，它涉及到机械设计的各个方面，包括机械部件的选择、尺寸设计、结构设计等。
本文将主要介绍机械系统的方案设计和总体设计的内容和流程，以便于开展机械系统设计工作。
2.机械系统方案设计机械系统的方案设计是指在机械系统设计的初期阶段，通过对需求和功能的分析，确定机械系统的总体设计方案。
下面是机械系统方案设计的几个关键步骤：2.1 系统需求分析在进行机械系统方案设计之前，需要对系统的需求进行详细的分析。
这包括对系统的工作环境、使用条件、功能需求等方面的分析。
通过需求分析，可以明确系统设计的目标和要求，为后续的方案设计提供依据。
2.2 方案生成根据系统的需求和目标，可以生成多个方案作为设计的候选。
这些方案可以从不同的角度进行思考和设计，以满足系统的需求。
方案的生成可以采用创新设计方法，也可以参考已有的设计方案，进行改进和优化。
2.3 方案评估生成方案后，需要进行方案的评估和比较。
评估的内容包括方案的可行性、技术可行性、经济可行性等方面。
评估的结果将作为确定最终方案的依据，同时也可以为后续的详细设计提供参考。
2.4 最终方案确定在方案评估的基础上，确定最终的系统设计方案。
最终方案是在满足系统需求和目标的基础上，综合考虑各方面因素确定的。
3.机械系统总体设计机械系统的总体设计是在方案设计的基础上，对机械系统的具体细节进行设计。
它包括了机械部件的选择、尺寸设计、结构设计等内容。
3.1 机械部件选择在机械系统总体设计中，需要选择适合的机械部件来满足系统的需求。
机械部件的选择应考虑功耗、使用寿命、稳定性等因素，并符合系统设计方案。
3.2 尺寸设计机械系统总体设计的一个重要内容是尺寸设计。
尺寸设计包括机械部件的尺寸确定和布局设计。
尺寸设计应根据系统的需求和机械部件的要求，合理确定各部件的尺寸，并考虑到安装、维修和使用的方便性。
3.3 结构设计机械系统总体设计还包括结构设计。
机械系统设计课后答案
机械系统设计课后答案【篇一：机械系统设计习题(有答案版)】：具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。
2、机械系统的组成：1、动力系统。
2、执行系统。
3、传动系统。
4、操纵、控制系统。
5、支承系统。
6、润滑、冷却与密封系统。
3、产品设计类型：完全创新设计、适应性设计、变异性设计。
4、机械系统的设计要求：功能、适应性、可靠性、生产能力、使用经济性、成本六方面的要求。
5、产品的产生过程分哪几个阶段？产品策划---产品设计---产品生产---产品运转---产品报废或回收。
6、产品的设计过程分哪几个阶段？功能原理方案设计阶段---结构总体设计阶段---技术设计阶段第二章机械系统总体设计1、功能原理方案设计步骤设计任务-求总功能-总共能分解-寻求子功能解-原理解功能-评价与决策-最佳原理方案2、什么是“黑箱法”：根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。
3、功能元、功能结构功能元：在一个系统中，总功能可以分解为一些分功能，其中可以分解到最低层次的分功能，并且分解到最后不能再分解的基本功能单位叫做功能元。
功能结构：将总功能分解为分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。
反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层次功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。
这种功能的分解和组合关系称为功能结构。
4、机械系统总体参数包括哪些性能参数、结构参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。
5、七个标准公比为：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2。
第三章执行系统设计1、执行系统的组成：由执行末端和与之相连的执行机构。
2、以机床执行轴机构——主轴组件为例介绍执行轴机构设计的内容和要求。
机械系统设计电子教案_机械系统设计
第一章绪论重点：机械，机械系统的相关概念及学科中的位置。
难点：学习机械系统设计课程的重要性。
讲授提示与方法：回顾机械工程的发展历程，注重机械系统的整体性，提高学生对机械系统设计的认知程度。
1.1机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用一、机械工程科学1.机械工程科学的定义：机械工程科学是研究机械产品（或系统）的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学。
2.机械工程科学的组成：P1图1.1（1）机械学：机械设计过程（核心部分）；（2）机械制造：机械制造过程（基础部分）。
3.机械学所包含的内容：P3图1.5二、机械、机械系统、系统1.机械：关于机械的定义，目前尚无严格的定论，一般可归纳为：（1）须由两个以上的零、部件组成；（2）这些零、部件的运动部件，应按设计要求作确定的运动；（3）将外来的能源转变为有用的机械功。
【举例】机械产品：汽车、拖拉机、机床、钟表……2.系统：是指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。
即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。
3.机械系统：由若干个零、部件及装置组成的，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统，称之为机械系统。
4.系统应具有下述特性：（1）目的性：完成特定的功能（2）相关性与整体性：1）相关性：各构成要素之间是相互联系的2）整体性：评价一个系统的好与坏要看该系统的整体功能（3）环境的适应性：系统对外部环境变化和干扰有良好适应性三、机械系统的组成：P4图1.61.动力系统：为系统提供能源（动力源）2.执行系统：是系统的执行输出部分3.传动系统：把运动和动力由动源传递给执行系统的中间环节4.操纵、控制系统：使前三者协调动作和运行5.支承系统：支承和联系各机件6.润滑、冷却与密封系统：四、机械系统的地位与作用几乎任何产品都离不开机械系统，它涉及到社会的各领域。
1.2机械系统设计的任务、基本原则及要求一、机械系统设计的任务及设计类型：1.机械系统设计的任务：是开发新的产品和改造老产品。
工业机器人
工业机器人机械系统设计
2.2 驱动机构
常用的旋转驱动机构包括： 同步皮带
用于传递平行轴间的运动或 将回转运动转换成直线运动。同 步皮带的传动比计算公式为：
i n2 z1 n1 z2
工业机器人机械系统设计
输出： 1、内柱销（套） 2、输出轴
摆线针轮减速器
减速原理
- 当输入轴带着偏心套转动一周 时，由于摆线轮上齿廓曲线的特 点及其受针齿轮上针齿限制之故， 摆线轮的运动成为即有公转又有 自转的平面运动，在输入轴正转 一周时，偏心套亦转动一周，摆 线轮于相反方向上转过一个齿差 从而得到减速，将摆线轮的低速 自转运动通过销轴，传递给输出 轴，从而获得较低的输出转速。
手臂回转运动结构
图为利用齿轮齿条液压缸实现 手臂回转运动的机构。压力油分 别进入液压缸两腔，推动齿条活 塞做往复移动，与齿条啮合的齿 轮即做往复回转运动。齿轮与手 臂固连，从而实现手臂的回转运 动。
工业机器人机械系统设计
手臂回转运动结构 图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压
缸1的两腔通压力油时，连杆2带动曲柄3绕轴心O作90°的上、下摆动。
- 滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚 动，故必须设置滚珠的返回通道，才能 循环使用。为了消除回差(空回)，螺母 分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整 两段螺母的相对轴向位置，从而消除间 隙和施加预紧力，使回差为零。
工业机器人机械系统设计
滚珠丝杠工作特点
工业机器人机械系统设计
液压(气压)缸 将液压泵(或空气压缩
结构简单，体积、质量小； 传动比范围大； 运动精度高，承载能力大；
机械系统的总体方案设计
机械系统的总体方案设计一、方案设计的基本原则1.安全性原则：要确保设计的机械系统在使用过程中不会对人员和设备造成伤害。
2.可靠性原则：要确保设计的机械系统能够稳定运行，具有良好的使用寿命和维修维护性能。
3.经济性原则：要充分考虑制造成本、购买成本、运行成本以及后期维护和升级等因素。
二、方案设计的步骤1.了解用户需求：通过与用户沟通，了解用户对机械系统的功能、性能、外观和使用要求等方面的需求。
可以通过需求调研和用户访谈等方式收集信息。
2.系统分析：在了解用户需求的基础上，对机械系统进行综合分析，包括系统的工作原理、基本构成部分和各个部分之间的关系等。
可以使用形式化分析方法如功能分解与组合、失效模式与影响分析等。
3.确定设计目标：根据用户需求和系统分析结果，制定出机械系统总体设计的目标和约束条件。
目标可以关注系统的性能指标、功能实现等方面。
4.建立系统模型：根据设计目标，利用计算机辅助设计软件或建立物理模型等方法，对机械系统进行模拟和仿真分析。
包括结构分析、运动学分析、动力学分析等。
5.方案设计：通过在系统模型基础上的分析、优化和创新，制定出一个能够满足设计目标和约束条件的总体设计方案。
包括机械结构的设计、驱动系统的设计、控制系统的设计等。
6.方案评估：对设计方案进行评估，主要包括机械系统的性能、成本、安全性等方面。
可以通过实验验证、数值模拟和仿真等方法进行评估。
7.优化改进：根据评估结果，对设计方案进行优化改进。
可以采用机器学习、遗传算法等方法进行优化和改进。
三、方案设计的关键问题1.结构设计：机械系统的结构设计是指确定系统各个部件的类型、数量和布局。
需要综合考虑系统的强度、刚度、重量和成本等因素，避免出现单点故障和过度设计的问题。
2.驱动系统设计：机械系统的驱动系统设计是指选择合适的驱动装置，以满足系统的运动和力学要求。
需要考虑到驱动能力、精度和反应速度等因素。
3.控制系统设计：机械系统的控制系统设计是指选择合适的控制方法和控制器，以实现系统的自动化控制。
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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。
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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！
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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
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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。
因素：指构成机械产品总功能的各个分功能。
形态：相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。
例如：分功能：间歇运动 表现形态：棘轮机构、槽轮机构、间歇凸轮机构
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第二章机械系统的总体设计
形态学矩阵：在形态学中，将各子系统的目标（功能）及 基本可能实现的办法（可以是物理效应、作用原理或功能 载体）列入一个矩阵形式的表中，这个表就称为～，也称 模幅箱图。
机械系统总体设计的主要内容包括：
1.系统的原理方案的构思 2.结构方案设计 3.总体布局与环境设计 4.主要参数及技术指标的确定 5.总体方案的评价与决策
在总体设计过程中，应逐步形成下列技术文件： 系统工作原理简图；主要部件的工作原理图； 方案评价报告；总体设计报告；系统总体布置图。
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切削机床 压力加工机床 激光快速成型设备
在分析或设计一个现代机械系统时，首先应该从主功能着手。
例2：洗衣机的设计
采用搓洗
采用振洗
波轮式的洗衣机 振动式的洗衣机
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第二章机械系统的总体设计
例3：螺纹加工机的总体原理方பைடு நூலகம்分析
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第二章机械系统的总体设计
3.功能分解与功能树
一般情况下，机械系统都比较复杂， 此时满足总功能的系统方案如何确定？
功能→工作原理→功能载体
波纹管水泵；
输 送
负压效应（压力与容积的关系；流速与压力的关系） 惯性力效应 离心泵
柱塞泵； 文丘里喉管
液
体
毛细管效应
热管（用于人造卫星和冻土层输油管保温等）
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第二章机械系统的总体设计
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第二章机械系统的总体设计
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第二章机械系统的总体设计
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第二章机械系统的总体设计
(污)衣物 净水 洗涤剂
主功能
(动洗力涤功衣能物)
(净)衣物 脏水
动力功能
控制功能
驱损 动耗 能能
洗涤方式 输入
洗涤过程 显示
结构
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第二章机械系统的总体设计
2.系统的原理方案总体分析 例1：制造一个零件 采用切削加工；采用挤压成型；采用激光烧结快速成型
全自动微电脑控制单桶洗衣机只采用一个电动机实现脱水与 洗涤（两者不是同时进行的，则产生了关联）。
例如：数控车床在做差补运动时，为复现运动轨迹，要求各 运动轴联动（关联表现在运动学上）；
机器人手臂各关节之间不仅有运动学的关联，也有动力学的 关联。
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第二章机械系统的总体设计
四、机械系统方案的评价
二、机械系统的功能及指标分解
1.系统功能的描述
系
主功能－物料的输入、转换与输出功能（物料流）
统 的
动力功能－能量传递与变换功能（能量流）
总 功
控制功能－信息传递与控制功能（信息流）
能
结构功能
主功能－直接实现系统目的，表明了系统的主要特征和功能； 动力功能－为系统提供必要的能量； 控制功能－包括信息检测、处理和控制，是使系统正常运行， 达到精确、可靠、节能、协调所必需的； 结构功能－系统各要素组合起来，进行空间配置、形成一个统 一的整体，并保证系统工作中的强度和刚度。
洗涤对象:普通衣物;毛毯、牛仔服；羊毛、丝绸等。 入口水压：0.1~0.6MPa 环境：远离热源、振动等，要有水源、电源
动力：额定输入功率400W左右。 外形尺寸：小于550mmX550mmX900mm 整机质量：小于30kg
额定洗涤、脱水容量：3.8kg（干衣）
整机可靠度要求达到99.9%以上。
一次性使用寿命5年，多次性维修使用寿命10年
课堂作业：对于三种设计任务的类型举例说明。
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第二章机械系统的总体设计
在所有的机械设计中75％的机械是已经设计过的， 有样机可供参考，有25％的机械是未曾设计过的，无 样机参考。从有无样机可供参考的角度，机械设计可 分为三类：开发性设计、变型设计和仿型设计。
1. 开发性设计（New Product Design） 在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟 的科学技术或经过试验证明是可行的新技术，设计过 去没有过的新型机械。这是一种完全创新的设计。世 界上第一台电话的设计就属于完全创新设计。 2. 变型设计（Improving Design） 有同类产品可供参考，原理和结构完全已知。原理 不变，为适应用户某些新的要求，或克服产品市场调 查所反映的缺点，所进行的发展性设计。在结构设计 或造型设计方面有创新，可获得实用新型专利或外观 设计专利。
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第二章机械系统的总体设计
2.总体方案求解
（1）求解原则
① 相 容 性 鉴 别
功能结构中的能量流、物料流及信息流能否不
计
受干扰地连续流过？
算
机
功能元的原理方案在几何学和运动学上是否有 完
矛盾？
成
② 从技术、经济效益较好的角度，初选几个较有希望的方案。
a) 要考虑设计要求及附加要求。
b) 不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其他相关的 功能元，最好能将几个功能元用同一类原理实现，使原理 方案简化。
c) 对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决。
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第二章机械系统的总体设计
例1：单缸洗衣机的总体方案设计 功能分解 功能求解 列形态学矩阵并进行方案综合
理论上可组合出4×4×3＝48 种方案 方案1：A1+B1+C1 一种最原始的洗衣机
方案2：A1+B1+C2 最简单的普及型单缸洗衣机
方案3：A2+B3+C1 结构简单的热胀增压式洗衣机
方案4：A1+B2+C2 利用电磁振荡原理分离脏物的洗衣机
方案5：A1+B4+C2
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超声波洗衣机的设想 第二章机械系统的总体设计
例2：挖掘机的总体方案设计
其主要功能有，取物(包括传动、取物)和运物(包括传动、移位)， 可建立其形态学矩阵如表所示，可能的组合方案数为 N＝6×5×4×4×3＝1440
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第二章机械系统的总体设计
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第二章机械系统的总体设计
4.功能求解
分功能的求解就是寻求完成分功能的技术实体——功能载体。 求解的过程是从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，经过 应用研究探明具体的技术原理，然后寻求实现该技术原理的技 术手段和主要结构。 为了简单起见，把科学原理、技术原理一起称作工作原理。 分功能求解的基本思路可以简明地表达为：
本章重点： 1.机械系统总体设计的技术文件； 2.机械系统的功能分解与求解； 3.机械系统总体方案设计和求解；
本章难点： 1.机械系统的功能分解与求解； 2.机械系统的方案求解（形态学矩阵）； 3. 机械系统方案的评价方法（模糊评价法）。
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第二章机械系统的总体设计
机械系统设计的第一个环节是总体设计， 它是产品设计的关键，对产品的技术性能，经 济指标，外观造型等具有决定性意义。
可按系统工程分解性原理进行功能分解，建立功能结构图 即功能树，化繁为简。
总功能
二级分功能1 …… 功能元1
一级分功能1 二级分功能2 …… 功能元2
一级分功能2
…… 功能元：组成总功能或分功能
……
……
的具有确切功能的基本单元。
功能树起于总功能，末端为功能元。 前级功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。 同一层次的功能元组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后合成 的整体功能应能满足系统的要求。
如何将求解所得的功能载体进行集成？ 最主要的工作：接口设计
功能集成需要考虑各功能载体在机械结构上的关联与控制信息 上的关系两个方面，是一个充分考虑如何确定合理的整体布局 形式，采用恰当的传动和支承结构，检测控制硬件、信息处理 方法等的过程。