机电装备设计一

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1、机电装备设计,Design for Electro-Mechanical Equipment,第一章 机电装备创新设计方法 2 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 5 第七章 物流系统设计 3 第八章 典型机电装备设计 15,内 容,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： 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

2、集团.直线运动专辑.天津：海特传动工业集团 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.,课程的目的与任务,本课程是机械设计制造及其自动化专业一门重 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。,本课程与其它课程的关系,学习本课程前，应先

3、学完机械设计、机械原 理、微型计算机原理、数控加工技术、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、典型机械的加工工艺 等，具备一般机械结构的设计能力以及融合上述课程的 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。,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

4、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。,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80%实验成绩10%作业成绩10%,不迟到，上课认真听讲，做好重点内容的笔记。 课前预习，课后复习，及时掌握每次课的要点。 按时完成作业，不抄作业，每章结束后交作业。 有疑难，应及时答疑。 三次旷课取消考试资格,第一章 机电装备创新设计方法,1.1 绪论 1.1.1 概述通过下面的图片，了解回顾机电装备的发展历 史。1785年蒸汽机在纺织厂使用。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。,20

5、世纪制造业的变迁,从手工作坊到机械工厂,从单件小批到大量生产,分工可以提高工作效率,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,20世纪初的制造车间,由集中动力源驱动的架空天轴,变速用的 多级带轮,带传动,工人操作车床,工人劳动强度大,工作环境不安全,拥挤、昏暗、嘈杂,“奔驰”汽车博物馆的车间模型,带传动,架空天轴,车 床,砂轮机,锯 床,铣 床,直流发电机 -电动机组,将动力分配到不同设备,20世纪50年代的机床（1）,普通车床：回转体加工、螺纹加工,主轴齿轮变速箱,进给齿轮变速箱,溜板箱,刀 架,主 轴,尾 架,20世纪50年代的机床（2）,万能升降台铣床：平面加工、成形加

6、工,摇臂钻床：钻孔、铰孔和攻螺纹,牛头刨床：平面加工、沟槽加工,外圆磨床：高精度圆柱表面加工,多轴加工专用组合机床,工件：C6132车床主轴箱体,16根主轴从两面同时加工2个零件,进给驱动采用电气液压控制,我国第一台组合机床 UT-001 大连机床厂1957年为济南第一机床厂制造,多主轴加工，效率显著提高,机械、电气、液压综合自动化,组成自动生产线的基本单元,90年代的数控机床,数控车床,数控系统,机床主轴,回转刀架,大型数控龙门铣床,机床主轴,数控系统,卧式加工中心刀具自动交换托板自动交换,机床主轴,刀 库,托 板,数控系统,数控系统,刀 库,机床主轴,电火化加工机床,激光切割机床,工业机器

7、人,特种机器人,特种机器人,特种机器人,特种机器人,注塑成型机,液压机,冲床,灌装流水线,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。,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

8、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）,1.1.3 机电装备组成,由四个部分组成。 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。 技术支柱：应用力学、机械设计、制造技术和控制技术。 研究的热点问题： 机械零部件的静态、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

9、） 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。,2 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。,3 传感与检测部件装置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

10、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。,4 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、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。,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

11、装备发展的重要趋势。,1.1.4 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。,1.2 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，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 用等； 创造设计出新机器、新产品，以满足新

12、的生产需要。,机电装备创新（Innovation)设计建立在现代机械 设计理论、机电一体化系统理论、微电子技术、自动 控制理论和信息技术基础上，并吸收认知哲学、思维 科学、设计方法学、发明学和创造学等相关学科有益 的设计思想与方法，经过交叉而成的一种设计技术和 方法。, 设计是人类改造自然的创造性劳动，设计的本质 就是创新。 设计是一种从构思到实现的过程。 人类的一切物质文明都是设计的产物。 当今世界，产品竞争日益激烈，而产品竞争说到 底是设计水平和制造能力的竞争。无怪乎有人惊叹： “21世纪将是设计的世纪”。机械设计可分为产品规划、原理方案设计(也称概 念设计)、详细设计和改进设计四个阶段。

13、传统设计：原理方案设计多采用直觉法、类比法、 试凑法或试验纠错法来进行。,详细设计：通常用工程图学、机械零件、机械 原理、理论力学、材料力学、电子、电工等的基 础知识，完成产品的设计、计算，画出零件图、 部件装配图和总装图，亦称常规设计。通常是以古典力学为基础、大量采用经验数 据或半经验性的设计方法。按常规、传统的设计 方法，一项成功的设计往往要经历漫长的时间， 花费较多的代价，设计效率低，产品的性能主要 取决于设计人员的经验、素质等因素，设计质量 和水平难以控制。,机械设计的一般过程, 机械创新设计和传统设计遵循同样的设计过程， 但绝不是重复和模仿； 要求设计者敢于怀疑，有所突破，充分发挥设

14、计 者的创造力和想象力，充分利用已有科学技术的理 论、原理、方法、技术进行创新构思，追求新奇、新 颖、独特和非重复件的创造成果； 在总体方案设计中要充分发挥设计者的主导性和 创造性作用，使产品具有更强的竞争力。,机械创新设计要解决的核心问题：探讨机械产品创造发明的机理、模式、过 程及方法，并尽量将其程式化、定量化，乃至 符号化、算法化，提高设计的可操作性；结合 各种先进的分析和综合手段，提高设计效率和 质量。机械创新设计类型有三种：并发设计变异设计反求设计, 并发设计：从提出方案到完成设计全过程都是全新 的、探索性的创新设计。变异设计：在已有产品的基础上针对原有设计的缺 点或不足，或针对新提出

15、的要求，从工作原理、机构、 结构、参数、尺寸等内容进行变化，开发适应新要求的 新产品的创新设计。反求设计：在消化、吸收了先进产品的关键技术基 础上开发同类型新产品的创新设计。无论哪种设计，创新都要求设计者在设计的每一个 环节上突破常规惯例，追求与人不同的方案，提出新原 理、新方法、新机构、新形式、新材料等，在求异中寻 求创新，将设计者的智慧具体物化在每个设计过程中。,1.2.1创造原理,创新过程中采用的具体方法(创新技法)有数百 种，最常用的方法也有数十种。但这些方法从理论上 均源于一定的创造原理。即，任何创造技法的产生均 有一定的创造理论基础，而创造理论与实践结合产生 出来的可操作的程式、步

16、骤和方法，-创新技法。创造原理是指导人们开展创新实践活动的重要理 论基础，也是指导人们创造新技法的基本理论基础。,创造原理有以下几种：,1、组合原理组合现象十分普通和复杂。如组合机构、组合机 床；生活个如组合音响、组合家具等。将各种技术专长的人组合在一起共同发挥作用， 形成企业、公司，能产生新技术、新产品； 将几片透镜组合在一起可组成望远镜、显微镜； 将碳原子以不向的晶格形式进行组合可形成金刚石 或石墨； “阿波罗”宇宙飞船没有任何一项技术是有新突破的技 术，都是现有技术精确无误的组合结果。,组合方式分为几种类型：, 同类组合指两个或两个以上相同或相似事物的组合。例如：双人自行车、捆绑式火箭也是同类事物的组合。多 根锯条并排在一起作为锉刀；用芦苇杆捆扎做成小舟等都是同 类组合在生活中的创造发明。 异类组合 指两种或两种以上不同类事物的组合。如带万年日历的电话、带游戏机的手机；汽车可看成是发 动机、离合器和传动装置等各种不同机件的组合，航天飞机可 看成是飞机与火箭的组合。 附加组合指在原有事物中补充加入新内容的组合。例如现代汽车的发展并是经过不断的完善，逐步附加雨刮 器、转弯灯、后视镜、收音机、电视机、空调、电话而变得越 来越现代化的。,