机电装备设计第一章(2学时)

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1、机电装备设计Design for Electro-Mechanical Equipment1课程有关事项及纪律要求 课程考核方式 考试成绩考试笔试成绩70%实验成绩10%作业成绩10% 出勤率10%不迟到不早退。 带着脑子上课。 上课做好笔记。 独立完成作业。 遇事及时交流。Email： TEL：152481092782教材与参考书教材：林述温.机电装备设计.北京：机械工业出版社，2002. 参考书：参考书： 1 姜培刚等.机电一体化系统设计.北京：机械工业出 版社，2004 2 戴曙主编.金属切削机床设计.北京:机械工业出版 社,1985. 3 海特传动工业集团.直线运动专辑.天津：海特传动

2、 工业集团 4 机电一体化技术手册编委会编. 机电一体化技术手 册.北京:机械工业出版社,1999.3本课程与其它课程的关系学习本课程前，应先学完机械设计、机械原 理、微型计算机原理、数控技术、机械工 程控制基础、机械制造技术基础、测试技 术、机电控制技术等课程。后续要完成的教学环 节是毕业设计。在掌握机械结构的基本原理、典型的机械加工工艺 、具备一般机械结构的设计能力及融合上述课程的基础 上，对机电一体化装备的设计方法、传动设计、部件设 计、系统设计以及机电一体化装备进行介绍，知识体系 更加实用和具体，机电结合的目标更加明确。4课程的目的与任务本课程是机械设计制造及其自动化、机械电子 工程专

3、业一门重要且实践性较强的专业课，是研究 如何利用系统设计原理和综合集成技巧，将机械系 统、驱动装置、传感检测部件、自控和信息处理系 统等机电一体化要素组成各种性能优良、可靠的机 电装备。内容以机为主，机电结合。学习相关的设计理 论和方法、典型机电装备的设计和课程设计，增强 学生的动手能力、设计能力和相关知识的融合能 力，为毕业设计及今后在中小型机电装备设计方面 打下基础。5 第一章 机电装备设计方法 3 第二章 机电装备传动系统设计 6 第三章 机电装备传动部件设计 6 第四章 机电装备支承及导轨设计 4 第五章 机电装备伺服系统设计 5 第六章 金属切削机床与数控化 7 第七章 物流系统设计

4、 3 第八章 典型机电装备设计 4 授课 38学时 实验 10学时课设 3周内内 容容6学习方法 注意共性问题每一种机电装备，都是以机为主，在其机械功能 的基础上，扩展了控制或检测部分，因此，机械部分 是构成装备的共性问题。 注意课程主线不管是简单装备，还是复杂装备，如何进行合理 有效地设计是课程的主线。 注意理论联系实际认真做好相关实验，在实验中学习解决实际问题 的方法，注意培养解决工程实际问题的能力。 7第一章 机电装备设计方法 1.1 绪论 1.1.1 概述人类用机器体系代替手工劳动生产是在1785年 蒸汽机在纺织厂使用开始的。1873年出现的第一台 凸轮控制车床，开始了机械自动化的进程

5、。通过下面的图片，了解回顾机电装备的发展历 史。820世纪制造业的变迁从手工作坊到机械工厂从手工作坊到机械工厂从单件小批到大量生产从单件小批到大量生产分工可以提高工作效率分工可以提高工作效率机械化生产可以实现零件互换机械化生产可以实现零件互换大量生产可以降低成本、提高质量大量生产可以降低成本、提高质量920世纪初的制造车间由集中动力源驱由集中动力源驱 动的架空天轴动的架空天轴 变速用的变速用的 多级带轮多级带轮带传动带传动工人操作车床工人操作车床工人劳动强度大工人劳动强度大工作环境不安全工作环境不安全拥挤、昏暗、嘈杂拥挤、昏暗、嘈杂10“奔驰”汽车博物馆的车间模型带传动带传动架空天轴架空天轴车

6、车 床床砂轮机砂轮机锯锯 床床铣铣 床床直流发电机直流发电机 - -电动机组电动机组将动力分配将动力分配 到不同设备到不同设备1120世纪50年代的机床（1）普通车床：回转体加工、螺纹加工普通车床：回转体加工、螺纹加工主轴齿轮主轴齿轮 变速箱变速箱进给齿轮进给齿轮 变速箱变速箱溜板箱溜板箱刀刀 架架主主 轴轴尾尾 架架1220世纪50年代的机床（2）主主 轴轴升降工作台升降工作台万能升降台铣床：平面加工、成形加工万能升降台铣床：平面加工、成形加工齿轮变速箱齿轮变速箱主电动机主电动机摇臂升降摇臂升降 电动机电动机摇摇 臂臂主主 轴轴摇臂钻床：钻孔、铰孔和攻螺纹摇臂钻床：钻孔、铰孔和攻螺纹往复滑枕

7、往复滑枕齿轮变速箱齿轮变速箱电动机电动机移动工作台移动工作台牛头刨床：平面加工、沟槽加工牛头刨床：平面加工、沟槽加工砂轮电动机砂轮电动机 工件电动机工件电动机往复工作台往复工作台外圆磨床：高精度圆柱表面加工外圆磨床：高精度圆柱表面加工13多轴加工专用组合机床工件：工件：C6132C6132 车床主轴箱体车床主轴箱体1616根主轴从两面根主轴从两面 同时加工同时加工2 2个零件个零件进给驱动采用进给驱动采用 电气液压控制电气液压控制我国第一台组合机床我国第一台组合机床 UT-001UT-001 大连机床厂大连机床厂19571957年为济南第一机床厂制造年为济南第一机床厂制造多主轴加工，效率显著提

8、高多主轴加工，效率显著提高机械、电气、液压综合自动化机械、电气、液压综合自动化组成自动生产线的基本单元组成自动生产线的基本单元1490年代的数控机床数控车床数控车床卧式加工中心卧式加工中心 刀具自动交换刀具自动交换 托板自动交换托板自动交换立式加工中心立式加工中心电火化加工机床电火化加工机床激光切割机床激光切割机床1520公斤点焊机器人点焊机器人在工作中6公斤弧焊机器人 工业机器人弧焊机器人在工作中16涂胶机器人龙门式喷漆机器人SCARA型装配机器人工业机器人搬运机器人码垛机器人喷漆机器人17“双鹰”水下机器人水下扫雷机器人“探索者号”水下机器人Spirit火星漫游车 Marshod 火星漫游

9、车Canada Arm 太空机械臂特种机器人18美国“别动队”无人机法国“红隼”无人机微型无人机特种机器人豹式排雷机器人“徘徊者”侦察机器人“手推车”机器人机器人助手19特种机器人足球机器人AIBO机器狗指挥机器人迎宾机器人导盲机器人跳舞机器人医疗机器人20特种机器人管内机器人隧道凿岩机器人大型喷浆机器人室外保安机器人德国排爆机器人消防机器人防暴机器人21大狗机器人22注塑成型机23液压机冲床24瓶奶灌装流水线 25 20世纪70年代以来，微型计算机和微电子技术应用到机械工业中，使机械工业突飞猛进发展。 微电子技术控制的机械、仪器和军械装备； 柔性制造线FML、FMS和自动化制造系统等。大幅度

10、提高了产品质量和劳动生产率，适应了市场对产品多样化的要求，丰富了人类的物质文明。当今，机械装备的面貌已经焕然一新，成为机与电高度融合的整体，不仅成为人类体力的延伸，而且成为人类智力的延伸。26 1.1.2 本课程研究对象 定义：机电一体化装备简称机电装备，是指将机械系 统、液压、气动系统、检测部件、微电子自动控制系统 和驱动装置以及信息处理技术按系统工程和整体优化的 方法组成满足特定功能要求的有机整体。特点： 机电装备的结构明显区别于传统的机械装备； 传感器和微电子控制系统成为现代机电装备重要组 成部分； 机构学和微电子学有机融为一体；（Mechatronics）271.1.3 机电装备组成由

11、四个部分组成。 1 机械系统是机电装备中的传动机构和工作执行机构。 要求：重量轻，体积小，精度高，刚度大，摩擦、磨损 小及动态性能好。 研究热点：机械零部件静动态刚度和热变形的研究； 提高关键零部件的精度；（精密滚动导轨、精密滚珠 丝杆、高精度主轴轴承和高精度齿轮） 超精加工和精密测量技术的研究； 零部件的模块化和标准化等。 282 驱动系统既是动力源，同时还接收控制信息，以实现转向、 转速、位移的可控。分类：各种电动、气动、液压等直接执行装置。机电装备中，步进电动机、伺服电动机、液压马 达和气马达等执行元件的精度、可靠性要求更高，响 应速度更快。研究的问题： 提高机电转换件的精度、可靠性和快

12、速响应性； 提高直流伺服电动机的分辨率和灵敏性； 变频调速、电子逆变和矢量变换等技术的研究； 高性能直线电动机的研制。293 传感与检测部件安装在机械的各敏感部位，实时采集温度、速度、力、振动、声学与光学信号，及时反馈给控制系统，实现对机械工作的实时控制以及对工作状态的监控。 研究的问题有： 提高各种敏感材料和元件的灵敏度和可靠性； 改进传感器结构； 开发温度与湿度，视觉与触觉功能兼备的复合传感器； 研究具有自诊断与自动补偿功能的智能传感器。304 自动控制与信息处理系统通过该部分传递信息流，进行决策，保证全系统的协调工作。包括：高精度定位控制，速度控制，力控制，自适应控制及自诊断、仿真、校正

13、、补偿、再现检索等。经典控制理论和现代控制理论是自动控制的理论基础，微电子技术的发展为控制理论的应用和实施提供了条件。31研究的问题有： 自适应控制研究； 柔性自动化仿真技术的研究； 自诊断监控技术及容错技术的研究； 智能控制系统研究； 机械智能化是当今机电装备发展的重要趋势。321.1.4 机电装备的分类包括: 加工机电装备； 包装机电装备； 仓储输送机电装备； 工业机器人； 自动导引车系统(AGVS)； 塑料成形机电装备； 皮革机电装备； 纺织机电装备等。331.2 设计类型机电装备设计可分为：创新设计、变型设计和组合 设计等类型。创新设计：依据市场需求发展预测，在无样机可供 参考的条件下

14、，根据对新产品预期的功能要求和性能指 标，发挥设计者的创造力，利用已有技术成果进行创新 构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机电装备 的一种实践活动。包含两部分： 改进完善现有机电装备功能、技术性能、经济性和适 用性等； 创造设计出新机器、新产品，以满足新的生产需要。 34 创新设计的特点1）多学科交叉；2）在知识和经验积累的基础上思考、推理、判断；3）多方案的优选；4）反复设计、多次筛选的过程 创新设计中的注意事项1）是否具有社会效益和经济效益？2）国内外是否已经存在这样的产品或专利？3）以知识为支撑点，提倡在熟悉的领域内进行发明创造。4）正确的思维方法+长期的工作积累+设计灵感=创新的

15、成功之路351.4 设计过程1.41 典型步骤机电装备设计步骤可划分为产品规划、方案设计、技术设 计和施工设计等四个阶段。 1 1、产品规划阶段、产品规划阶段在产品设计前必须进行产品规划，产品规划阶段的任务是明 确设计任务。应识别产品需求，确定新产品功能、技术性能和开发日程 表，保证产品及时，或适当超前地研制出来，投放市场，以减 少产品开发的盲目性。 1）需求分析市场需求分析的任务是将需求具体化和恰到好处，明确设 计任务的要求。需求分析自始至终指导设计工作的进行。36识别需求是一个创造性的过程，细心观察发现那些社会上没有注意的潜在需求。 需求分析包括对销售市场和原材料市场的分析，如： 明确社会消费群体对产品功能、技术性能、质量、数量和价格等方面的要求； 分析现有类似产品的功能、技术性能、价格、市场占有情况和发展趋势。 分析竞争对手在技术、经济方面的优势和劣势及发展趋向。 分析主要原材料、配件、半成品等的供应情况、价格及变化趋势等。372）调查研究调研包括市场调研、技术调研和社会环境调研三部分。 市场调研 用户需求有关产品功能、性能、质量、使用、保养。维 修、外观、颜色、风格、需求量和价格等方面的要求。 产品情况产品在其