机械结构设计

i
R V1 K b
i
1 dV V dV R dt L dt
V Ri |0 (t 0 )

L R
b K
V2 2 F
b
dV dF KV dt dt
(3
F 1
F
F |0 (t 0 ) b

3、机电系统的简化图
机电耦合系统中第K个机械节点的平衡力为：
P K [ f K ( fm )K ( fe )K ] 0
等强度原理
利用等强度原理设计的结构，材料可得到充分利用，从而减轻 了重量、降低了成本。
增加约束变形附件的结构 1—主体构件 2—附助构件
合力力流原理
力在传递路线上形成力 线，这些力线汇成力流。 力流在构件中不会中断， 任一条力线都不会突然消失， 必然是从一处传入，从另一 处传出。 力流的另一个特性是倾向 于沿最短路线传递，从而在 最短路线附近力流密集，形 成高应力区。其它部位力流 稀疏。 当力流方向急剧转折时， 力流在转折处会过于密集， 从而引起应力集中，设计中 应在结构上采取相应措施， 使力流转向平缓。。
机械结构设计
结构方案的设计的基本原则
结构方案的设计的原理
一、结构方案设计的基本原则

原则：明确、简单、安全可靠
明确——对产品设计中应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的 体现与分担。
（1）功能明确 （2）工作原理明确 （3）使用工况及应力状态明确 （4）其它 简单 在确定结构方案时，应使所含零件数目和加工工序类型尽可能 减少，零件外形力求简单，尽量减少加工面、机械加工次数、热处 理工序，减少或简化与相关零件的装配关系及调整措施。
di i dV13 R dt C dt
机械网络(机械系统)
(1)达朗贝尔原理
含义:作用在物体上的全部力平衡且总和为零.
F
Fm m
Fb b
dV Fm m dt
V Vm Vb
F Fm Fb
Fb bV
dV m bV F dt
（2）空间连续律
含义:绕任意一个机械回路的全部位移或速度和必须为零.
所谓系统的结构稳定是 指当干扰使系统状态发 生改变的同时，会产生 一些与干扰作用相反的、 使系统恢复稳定的效应。
活塞导向的稳定性
轴承的热稳定性
第一章
思考题
1.机电一体化包括哪两方面的内容？其重要实质是 什么？ 2.试举例说明常见的分别属于开发性设计、适应性 设计和变异性设计的情况。
3.机电一体化有哪些关键共性技术？
安全可靠
1、安全技术的分类
直接安全技术——在结构中直接满足安全要求，使用中不 存在危险性的技术。 间接安全技术——通常采用防护系统或保护装置来保证安 全的技术。 提示性安全技术——既不能直接保证安全可靠，又没有保护 或防护措施，仅能在发生危险之前进行预报和报警的技术。
2、安全可靠的衡量
含义：在规定的载荷下，在规定的使用条件和时间内，构 件不发生过度变形、过度磨损，不丧失稳定或不发生破坏，机 器在规定的条件下不丧失功能，不产生对人及环境的危害。
电气网络方程与机械网络方程连接是通过能量守恒定律得到的，即电磁 转矩恒等于机械转矩。即： M m
KI Ia
；
k I ——力矩常数
V Rn I a La 故有： a

dIa ke m dt

中心冲工作时的力流
不同形状的杆件
变形协调原理
变形协调就是使相联结的两零件在外载荷的作用下所 产生的变形的方向相同并且使其相对变形尽可能小。
轴毂联接的不同情况 不同搭接形式
力平衡原理
采取结构措施部分或全部平衡掉无功 力，以减轻或消除不良影响（平衡元件、 对称布置等）。
任务分配原理
任务分配是确定功能与载体间的相互关系,即选择零件承担功 能。有三种方式： （1）一载多功能；（2）一载一功能；（3）多载一功能 例题分析：螺栓、蜗轮、三角胶带、轴颈表面、多根皮带、链。 多轴承。
1 t V21 dt f 0 0 L
2
电感
1 t i V21 dt i0 L 0
1 l Lf 2
V21 L
di dt
名称 阻尼
符号
方程
能量或功率
广义方程
V2 F 2
V1 b 1 F
F bV21
V21
T
T
旋转阻尼
ω2 2
i
ω1 B 1
F b
2 V21 Rf P bV21
机械网络 y(t)或 y(nT)
达朗贝尔原理 和空间连续律 导出的运动方程
fi或fu
u(t)[u(nT)]
第二节 机电系统动力学方程与传递函数
电动机与旋转变换器相连的系统方程
(1) 机械网络
直流伺服电机 负载
变换器结构图
ia + +
Ra La rs θ s ML JL Mm Jm θ m Ja Bm rm BL
式中： P K —惯性力； f K —外加机械力；
.
.
( f m ) K —机电耦合场所施予的力； ( f e ) K —机械弹簧所施予的力；
式中正负号的解释：弹簧力、惯性力相当于阻力； 外加的机械力、机电耦合场的作用力相当于主动力。
机电系统简化图
电网络 i(t)[i(nT)]或 u(t)[u(nT)] 基尔霍夫定 律导出的运 动方程 i(t)[i(nT)]或 u(t)[u(nT)] 电或 磁的 耦合 场
K
1 2 J 2 2
V
1 t fdt (V21 ) 0 C 0
i
电容
iC
V1 1
2
dV21 dt
V2
C
1 t V21 idt (V21 ) 0 C 0
1 2 K CV 21 2
2 a CV 21
1 2
名称 弹簧
符号
方程
能量或功率
广义方程
V2,X2 F 2 K
偏心夹紧示意图 1、工件 2、偏心轮 3、支承轴 4、基座
（2）自平衡 它是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到 平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。 （3）自保护(超载时) 如安全联轴器、摩擦离合器、带传动过载打滑等。
离心式调速器
1、 竖轴 2、重锤 3、滑套 4、杠杆 5、阀门
稳定性原理
T B21
21
1 T B
2 P B21
f
1 V21 R
电阻
2
V2
R V1
1
1 i V21 R
1 2 P V21 R
2 (V21 ) P R
V21 Ri
2、机电系统元件的连接原则
电的系统（电网络） 机械系统（机械网络）
电的系统（电网络）
i
iC 1 iR
C iC R 2
i 1
V 0(t
C
0 )
m b
dV V i dt R
RC
V 0(t 0 )
1 R F V1 1
2 L V2 2
3 V3 3 F
L
di Ri V dt

i 0(t 0 )
1 dF F V K dt b
L R
b K

F 0(t 0 )
自补偿原理
含义：通过选择系统元件及其在系统中的配置来实现加强 功能的相互支持作用，称为自补偿。 自补偿在正常情况下（额定载荷）下有加强功能、减载 和平衡的含义，而在紧急情况（超载）下有保护或救援的 含义。它有三种形式： （1）自增强 当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效 应加强，就是所谓自增强。
i iC iR 0
dV12 iC C dt
i iC iR
V12 iR R
dV12 V12 C i dt R
R 1 VR
i 2
C 3 VC
V13
V13 VR VC
1 t VC idt (V21 ) 0 C 0
VR iR
1 t idt (V21 ) iR V13 0 0 C
V1,X1 1 F
F K V21 dt F0
0
t
V21
T
t 0
扭簧
T
ω2 2
2 V2
ω1 K
i
1 dF K dt
1 F2 K 2 K
V21 L
df dt
1
L V1 1
T K 21 dt T0
1T2 P 2 K
f
21
1 dF K dt
m
1 2 Li 2
Be Bm n 2 BL ——等效到电机轴上的阻尼系数；
（2）电气网络
ia + + Lf Va Vf Rf + + Ja Bm Mm Jm θ m rm BL Ra La rs θ s ML JL
动力学方程： Va Ra I a La
dIa ke m ； ke ——电势常数 dt
电网络 机械网络 电网络 机械网络
i
R
C
F
1 b
V
F
L R
1 C
m
1 b
m
1 K
L
K
当电流i相似于F时
当电压V相似于F时
dV m bV F dt
dV12 V12 C i dt R
机电系统的相似性(2) 结构 方程式 时间常数
F
V m C 1 b i R 2
m
dV bV F dt
F
Vb 1b
Vm Fb 2 m Fm
F Fm Fb
V Vm Vb
F Vb b
F 1 t Fdt (V23 ) V 0 b m 0
1 t Vm Fdt (V23 ) 0 m 0
1 dF F dV b dt m dt
电网络与机械网络的相似性（1）
第二章 习题与思考题
1、机械系统用来实现机电一体化产品中的什么功能？ 相对于传统的机械产品来说，机电一体化产品中的机 械系统在设计中应考虑哪些问题？ 2、机电一体化产品对机械系统设计有哪些具体要求？ 3、哪些机构常用来作为执行机构，每种各举一个实际 例子。 4、哪些机构常用来作为传动机械，每种各举一个实际 例子。 5、举例说明机械结构设计的基本原则和原理
衡量指标：
构件的可靠性、功能的可靠性、工作的安全性、环境安全性
直接安全技术
首先要确保构件的可靠性。（特定功能元件、冗余配置）
间接安全技术
主要采用防护系统和防护装置。
二、结构方案设计的原理

等强度原理 合理力流原理 变形协调原理 力平衡原理 任务分配原理 自补偿原理 稳定性原理 最小阻尼原理
电 网 络 与 机 械 网 络 的 相 似 ）
结构
方程式
时间常数
R 1
i 2
C iC 3
R
di i dV dt C dt
V| i 0 (t 0 ) R
RC
m b
V1 F
V2 m
1 b 2
1 dF F dV b dt m dt

F bV |0 (t 0 )
名称 质量
符号
方程
能量或功率
广义方程
V2 F 2 m V1 1
ref
F m
V21
t
dV2 dt
K
1 Fdt (V21 ) 0 m 0
1 mV 22 2
f C
惯量
V2 T ω2 2
TJ
J ω1 1
ref
d 2 dt
0
dV21 dt
21
1 J

t
0
Tdt ( 21 )
.
.
n m ，故有
.. . .. .
M m ( J a J m n 2 J L ) m ( Bm n 2 BL ) m nM L J e m Be m nM L
2 J J J n J L ——等效到电机轴上的转动惯量； a m 式中： e
第四章 机电系统的动态模型及传递函数
机电系统原理简化图
机电系统动力学方程和传递函数
第一节 机电系统原理简化图
机电系统的动力学必须包括以下三方面内容： （1）系统的物理描述； （2）系统运动微分方程的推导； （3）符合所关心的运动条件的方程解。
1、元件方程 （1）系统元件的分类 a. 能源（力、电压或电流）； b. 能量储存元件（质量、惯量、弹簧；电容电压、电 感电流）； c. 能量消耗元件（阻尼、电阻）； d. 能量变换元件（电动机、发电机）； e. 能量传输和调节元件（传动机构、执行机构、导线、 增力机构、放大器等）。
BL
ห้องสมุดไป่ตู้
ia + +
Ra La rs θ s ML JL Mm Jm θ m Ja Bm rm BL
Lf Va Vf Rf + +
动力学方程
M m (J a J m )
由于： s
. .
. d m d s Bm m n[ J L BL s M L ] 0 dt dt .
Lf Va Vf Rf + +
图中： J a ——电动机转动惯量； J m ——电动机侧转动惯量；
J L ——负载转动惯量。 Bm ——电动机侧阻尼系数； BL ——负载侧的阻尼系数；
M m ——电动机侧的转矩； M L ——负载侧转矩；n——减速比， n
rm rs
。
n
Mm
Ja+Jm
JL
ML
Bm