关于机械系统设计的综述报告

关于机械系统设计的综述报告摘要：阐述了机械系统的组成部分和机械系统设计的各个组成部分; 并对机械系统设计的五大子系统进行了说明，介绍了每个子系统的概念以及设计重点。

从总体总结了机械系统设计的一般步骤，每个环节所要完成的工作与注意部分。

最后展望未来机械系统设计将与现代设计理论方法结合展现更大的优势。

关键词：机械系统；机械系统设计；子系统1.引言机械工业历来是发达国家的重要支柱产业，是一个国家的工业基础。

但从70年代开始，世界传统工业因不适应科技水平和社会生产力的飞速发展而产生大幅度滑坡，一度曾被称之为“夕阳工业”。

而现代机械系统以传统机械工业为基础，融合控制理论、计算科学和信息技术、体现系统论、优化论、对应论、智能论、寿命论、突变论、艺术论等现代设计思想，不但能代替人的体力劳动，更能解放人的一部分脑力劳动，已经成为现代人类改造客观世界的重要工具。

同时，也使机械工业逐渐摆脱窘境，日益显示出其新的活力。

2.机械系统设计2.1机械系统组成机械系统是机电一体化系统的最基本要素，由若干机构，零件，部件组成，包括动力系统，执行机构，传动机构，支撑机构，控制机构等，用于完成指定的动作，传递功率，运动或者信息。

(1)动力系统动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源。

动力机输出的运动通常为转动，而且转速较高。

选择动力机时，应全面考虑执行系统的运动和工作载荷、机械系统的使用环境和工况以及工作载荷的机械特性等要求，使系统既有良好的动态性能，又有较好的经济性。

(2)传动系统传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中问装置。

如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求，传动系统也可省略，而将动力机与执行系统直接连接。

(3)执行系统执行系统包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置，或对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置。

执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作业对象接触，是机械系统的主要输出系统。

(4)操纵系统和控制系统操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。

二者的主要区别是:操纵系统一般是指通过人工操作来实现启动、离合、制动、变速、换向等要求的装置;控制系统是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置。

此外，根据机械系统的功能要求，还可有润滑、计数、行走、转向等系统。

2.2机械系统设计组成机械系统总体设计包括功能原理设计和结构总体设计，设计的最终结果是形成技术设计阶段的技术指导文件，主要包括原理图和装配图。

机械系统设计是产品设计的关键，它对产品的技术性能，经济指标和外观造型均具有决定性意义。

在机械系统设计时，除了考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素和整个伺服系统的性能参数、电气参数匹配，才能获得良好的机电产品性能。

3.机械系统子系统设计3.1传动系统设计为了满足机电一体化机械系统良好的伺服性能，要求机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振动性能好、空隙小的要求，并且机械部分的动态特性与电机速度环节的动态特性相匹配。

传动链尽可能短，简化结构，减少整机重量，提高效率，有利于提高传动精度和系统刚度。

当载荷变化频繁且可能出现过载时，应设置过载保护装置。

按传动比或输出速度是否变化分为：1)固定传动比的传动系统：执行机构和传动链的所有环节都具有固定传动比，例如：起重机传动系统。

2)可调传动比的传动系统：执行机构在预定转速范围内工作，传动系统具有可调传动比。

在变速级数较少或不频繁采用交换带轮或交换齿轮传动，当变速级数较多采用多级变速齿轮传动。

按动力机被驱动执行机构或执行机构数量分为：1)独立驱动的传动系统：每个动力机只驱动一个执行机构或执行构件，同执行机构的关系是一对一。

例如曲柄压力机传动系统只有一个执行机构，龙门起重机主要运动系统是多个无关执行机构，数控机械在实现复杂运动是采用数字指令进行自动控制，每个执行机构由各自动力机单独驱动。

2)集中驱动的传动系统：动力机同执行机构的关系是一对多。

例如高精度丝杠车床有传动比要求，电阻压帽自动机有动作顺序要求。

3)联合驱动的传动系统：由两个或多个动力机经各自传动链联合驱动一个执行机构或执行构件。

适用于低速，重载，大功率执行机构少儿惯性大的机械。

例如双输入轴圆弧齿轮减速机。

按工作原理分：机械传动，流体传动，电力传动3.2执行系统设计执行系统包括执行末端件—直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、转动、移动等），或在工作对象上完成一定动作（切削、锻压、清洗等）的部件。

以及执行机构—给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动进行必要的转换，以满足执行末端件的要求。

执行系统的设计要求：1)实现预期精度的运动或动作2)各执行机构间动作要协调配合3)有足够的强度、刚度4)结构合理、造型美观、便于制造与安装5.)工作安全可靠，有足够的使用寿命导轨设计的内容：1)根据工作情况选择合适的导轨类型；2)根据导向精度要求及制造工艺性，选择导轨的截面形状；3)选择合适的导轨材料、热处理及精加工方法；4)确定导轨的结构尺寸，进行压强和压强分布的验算5)设计导轨磨损后的补偿及间隙调整装置；6)设计良好的防护装置及润滑系统。

主轴设计：1)中高转速、较大载荷、采用滚动轴承的主轴部件: 这类主轴的支承通常以角接触球轴承或双列向心短圆柱滚子轴承为主进行组配，也可以用圆锥滚子轴承。

2)以轴向载荷为主、采用滚动轴承的主轴部件: 这一类的主要是钻床类主轴部件。

3)高转速、采用滚动轴承的主轴部件: 这类主轴转速较高且常恒定不变，通常采用角接触球轴承。

4)采用液体动压滑动轴承的主轴部件: 滑动轴承因其具有良好运转平稳性和抗振性（阻尼大）等滚动轴承难以替代的优点，在精密机床（如磨床）中得到广泛应用。

3.3动力系统设计机械动力系统设计的一般程序是：1．机构选型：根据机器的功能要求，工作机构对动力、传动比或速度变化的要求，以及原动机的工作特性，选择机械传动系统所需的机构类型。

2．拟定传动系统总体布置方案：根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动机构的特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成原动机到工作机构之间的传动系统的总体布置方案。

3．选择电动机，确定传动系统的总传动比。

4．总传动比分配：根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配到各级传动机构。

5．传动系统的运动和动力参数计算：机械传动系统的运动和动力参数主要指各级传动比、各轴的转速、转矩、功率等。

6．确定机械传动系统的主要参数和几何尺寸：通过各级传动机构的承载能力计算，确定主要参数。

在此基础上，进行传动零件及传动系统主要几何尺寸计算，最后绘制出传动系统运动简图及总装配图。

3.4支撑机构设计支承系统的分类：梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。

板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件，如机床的底座、工作台、刀架等。

箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件，如机床的箱体、升降台等。

框架类：如支架、桥架、桁架等。

支承件的变形一般包括自身变形、局部变形和接触变形支承系统结构设计的注意事项：1)正确选择支承件的截面形状2) 合理设置肋板和肋条纵向隔板主要用来提高支承件的抗弯刚度;横向隔板主要用来提高支承件的抗扭刚度;斜向隔板既可提高支承件的抗弯刚度，又可提高抗扭刚度;纵向隔板必须布置在支承件的弯曲平面内才会显著提高抗弯刚度。

3)合理开孔和加盖 4)提高支承件的局部刚度5)提高支承件的接触刚度支承系统的热变形: 机床工作时，电动机输入的能量，不论通过什么途径，最后都变成热。

这些热量：一部分由切屑、冷却和润滑油带走，一部分向周围散发，一部分使工件升温，一部分使机床升温。

措施：散热和隔热；均热3.5控制系统设计控制系统主要由控制部分和被控制对象组成。

控制部分是接受指令信号和被控制对象的反馈信号，对被控部分发出控制信号。

被控部分接受信号发出反馈信号，在控制信号的作用下实现被控运动。

给定环节：给出与反馈信号同样形式和因此的控制信号，确定被控对象“目标值”的环节。

此环节的物理特性决定给出信号可以是电量，非电量，也可以是数字量或模拟量。

主要包括：1)测量环节：用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一变量的环节。

例如电位计将角转为电压信号，测速发电机将转速转为电压信号。

2)比较环节：将输入信号x(s)与测量环节发出有关被控变量Y(s)反馈量信号B(s)进行比较的环节，得到一个小功率的偏差信号，如幅值偏差，相位偏差。

3)校正及放大环节：为实现控制必须将偏差信号校正，进行功率放大推动执行环节。

4)执行环节：接受放大环节的控制信号，驱动被控对象按照预期规律运动的环节。

控制电机主要有三种：步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机。

位置检测装置是伺服系统的重要组成部分。

作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制或半闭环控制。

4.机械系统设计步骤4.1执行系统的运动方案设计机械执行系统的方案设计是机械总体方案设计的核心，也是整个机械设计工作的基础。

执行系统方案设计的好坏，对机械能否完成预期的功能目标，起着决定性的作用。

机械执行系统的方案设计应满足以下基本要求：1)保证设计时提出的功能目标2)足够的使用寿命和强度、刚度要求3)各执行机构应结构合理、配合协调执行机构的型式设计即根据机械系统的运动方案设计要求，针对不同的执行构件运动形式和运动规律，选择合适的执行机构。

1)满足执行构件的工艺动作和运动要求。

2)尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构。

3)尽量减小机构的尺寸4)选择合适的运动副形式5)考虑动力源的形式6)使执行系统具有良好的传力条件和动力特性7)使机械具有调节某些运动参数的能力8)保证机构的安全运转4.2机械传动系统的方案设计和原动机选择传动系统方案设计的好坏，在很大程度上决定了所设计机械产品是否先进合理、质高价廉及具有市场竞争力。

在完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。

传动系统方案设计过程:1)确定传动系统的总传动比。

2) 选择传动类型。

3)拟定传动链的布置方案。

4)分配传动比。

5)确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数，为各级传动装置的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。

6)绘制传动系统运动简图。

原动机的选择原动机的选择，主要根据机械系统的工作环境（温度、湿度、粉尘、酸碱等）、工作特点（起动频繁程度、起动载荷大小等），并考虑各种电动机的特点及供应情况等来确定。