机械系统设计课程总结

2011—2012学年第1学期《机械系统设计》结课综合设计（论文）专业班级机械设计制造及其自动化 08-4姓名 123456789学号 08041406开课系室机电工程学院机电工程系结课日期 2011年 11月30日机械系统设计课程总结总体概述：本门课程名叫机械系统设计，不同于我们以前所学的机械设计。

上学期我们所学的机械设计是以机械零件为研究对象进行具体的设计；而在本门课程中的研究对象是整个机械系统，包括原动机、传动系统、执行系统、控制系统以及辅助系统，进行的是整机设计。

下面就根据本课程所学的内容，对机械系统设计过程做一个较为详细的介绍：一：方案设计在接到一个设计任务后，首先要明确设计任务是什么，并对其进行功能方面的分析，针对要实现的功能设计出合理的方案，大体步骤如下：1、设计任务抽象化——一般用黑箱原理来表示。

2、确定工艺原理——设法确定黑箱所要求的能实现作业对象转化的工艺原理。

3、确定技术过程——按照选定的工艺原理确定转化所需的程序及其顺序。

4、引进技术系统并确定系统边界——根据技术过程的要求确定机械系统的具体任务，并把这些任务分配给各个子系统。

5、确定功能结构——进行功能分解。

6、确定设计方案——分以下三步：寻找实现分功能的方法和载体；构建形态学矩阵；确定基本结构布局。

二：总体设计1、初步总体设计——根据设计方案绘制总体布置草图，进行初步计算和运动分析，并进行初步技术经济分析。

注意改进薄弱环节，必要时应对方案中的关键技术系统进行试验研究。

2总体设计——对初步总体设计做进一步完善，形成技术文件和图纸。

1）设计任务书、技术任务书；2）机构运动简图和系统简图；3）总装配图及关键部件装配图；4）电、光、气、液控制图；5）总体设计报告书及技术说明书。

在此过程中，主要涉及步骤有：执行系统的布置、传动系统的设置、操纵件的布置、总体主要参数的确定等。

三：原动机的选择动力机的选取的依据是工作载荷的类型，常用的原动机主要类型有：电动机、液压马达、气压马达、以及内燃机。

电动机作动力有以下优点：驱动效率高，与工作机连接简便，种类和型号较多，可以满足不同类型机械的工作要求。

此外，电动机还具有良好的调速性能，起动、制动、反向和调速的控制简单，可实现远距离测量和控制，便于集中管理和实现生产过程自动化。

其不足之处就是要用电源，这对野外工作的机械及移动式机械如钻机来讲，使用受到限制，因为可能有时无电源。

液压马达作动力机时有以下优点：可以获得很大的机械力或转矩。

与电动机相比，功率/重量比大，因而运动件惯性相对小，快速响应灵敏度高。

液马达还可以通过改变流量来调节执行机构的速度，改变运动速度方便，易实现无级调速。

其局限性为：要有高压油供给系统，液压元件加工、装配要求高，易漏油并影响工作效率和工作机械的运动精度。

气动马达作动力机时有以下优点：与液压马达相比，工作介质为空气，易获得、无污染。

维护简单，成本低，对易燃、易爆、多尘和振动环境适应性好。

其不足之处在于：由于空气可压缩，因而气动马达工作稳定性差，噪音大，输出扭矩不大，只适用于小型和轻型机械。

内燃机作动力时有以下优点：自持能力高（只要备足燃料和油料，可独立工作），功率范围宽。

其缺点是：对燃料（柴油或汽油）的要求高，内燃机排气污染。

噪音都较大，而且结构复杂，对零部件的加工精度要求较高。

不能带负载启动。

在进行机械系统设计时，如何选择动力机的类型，主要从以下三个方向考虑：1、工作机的负载特性和要求：包括工作机的载荷特性、工作制度、结构布置和工作环境等。

2、动力机本身的机械特性：包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及对工作环境的适应性，要使动力机的机械特性和工作机械的负载特性相匹配。

3、进行经济性比较：包括能源的供应和消耗，动力机的制造、运行和维修成本的对比等。

除上面所说的三个方面外，有些动力机的选择还要考虑对环境的污染，包括空气污染和噪声污染等。

例如，室内工作的机械就尽量不要用内燃机作动力机。

四：传动系统设计传动系统的作用是联接动力机与工作机，即把动力机的运动和动力传给执行机构或执行构件。

在实际应用中，常用的传动系统有：带传动、链传动、齿轮传动、液力传动、气力传动。

传动系统通常包括以下几个组成部分：变速装置，起停和换向装置，制动装置及安全保护装置。

变速装置是传动系统中最重要的组成部分，它的作用是改变动力机的输出转速和转矩，以满足执行机构的要求；常见的变速装置有以下几种：变速齿轮变速机构、滑移齿轮变速机构、离合器变速机构、啮合器变速机构。

起停和换向装置的作用是控制执行机构的起动、停车以及改变运动方向，那么对起停和换向装置的基本要求是：起停和换向方便省力，操作安全可靠，结构简单，能传递足够的动力。

常用的起停和换向装置有两类：一类是通过按钮或操纵杆直接控制电动机实现起停和换向，另一类是用离合器实现起停和换向。

选择方案时应考虑执行机构所要求的起停和换向的频繁程度、动力机的类型与功率大小。

制动装置：动构件具有惯性，所以制动停车时不能立即停止，而是逐渐减速后才能停止运动。

为节省停车时间，对于起停频繁或运动构件惯性大、速度高的系统，要设置制动装置。

制动装置还可用于机械一旦发生事故时紧急停车，或使运动构件可靠地停在某个位置上。

机械系统对制动装置的基本要求是：工作可靠、操纵方便、制动平稳、时间短，结构简单、尺寸小、磨损小、散热良好。

常用的制动器有摩擦式或非摩擦式两大类：带式制动器、外抱块式制动器、张蹄式制动器、磁粉制动器安全保护装置：有些机械在工作过程中载荷经常变化，并且变化幅度较大，因此可能过载，如这时本身无保护装置的话，应在传动链中设置安全保护装置，以免传动机构破坏。

本身具有保护作用的传动链有带传动、摩擦离合器等，而传动链中的安全保护装置常见的有安全离合器或安全销等。

当传动链所传递的转矩超过规定值时，安全保护装置中联接件会折断、分离或打滑来停止或限制转矩的传递。

常用的有如下几种：销钉安全联轴器、钢珠安全离合器、摩擦式安全离合器等。

另外，从系统的变速形式（是否连续）来看，变速部分可分为有级变速传动和无级变速传动：有级变速传动系统常有变速齿轮传动、链传动或变速带传动组成。

在一定的变速范围内，其输出轴只能得到有限级数的转速。

在有级变速传动中最基本的变速装置是二轴变速运动，即在两根轴之间用一个变速组进行传动，二轴变速传动可实现二至四级变速。

若要求的变速级数多于四级时，可以采用两个或两个以上变速组串联而成的多轴传动装置。

无级变速传动系统：主要用于下列场合：（1）要求转速在工作中连续变化；（2）探求机械的最佳工作状态；（3）带负载启动的机械要求在低速启动；（4）需要协调机械系统中几个执行机构之间的运转速度。

无级变速的类型主要有：电力的（直流变速、交流变速）、流体的（液力的耦合器、变矩器、液压变速）和机械的（利用摩擦传动机构实现）。

五：执行系统的选择执行系统是用来完成机器预定功能的组成部分。

一部机器可以只有一个执行部分，也可以有多个执行部分。

常见的可用于执行系统的机构有：连杆机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等，在选用时要根据预定功能的运动形式选择合理的机构来完成预定的运动。

六：控制系统的构建机械系统在工作过程中，各执行机构应根据生产要求，以一定的顺序和规律运动，而各执行机构的开始、结束及其顺序一般由控制系统保证。

机械控制系统的主要任务有：1）使各执行机构按一定的顺序和规律运动。

2）改变各运动构件的运动方向和速度大小。

3）使各运动构件间有协调的动作，完成给定的作业环节要求。

4）对产品进行检测、分类以及防止事故，对工作中出现的不正常现象及时报警并消除。

控制系统的要求:1）稳定性要求系统的稳定性是系统的固有特性，系统稳定与否取决于系统本身的结构与参数，与输入无关。

若控制系统在任何足够小的初始偏差作用下，其响应过程随着时间的推移逐渐衰减为0，则称该系统具有渐近稳定性。

反之，在初始条件影响下，若控制系统的响应过程随时间的推移而发散，输入无法控制输出，则这样的系统为不稳定系统。

任何一个系统能进行正常工作的首要条件是系统必须是稳定的。

2）响应特性要求系统的响应特性包括动态特性和稳态特性。

①动态特性：过渡过程中系统的动态性能常用系统的阻尼特性和响应速度来表征。

②稳态特性：闭环控制系统的稳态性能用稳态误差表示和度量，它是当∞→t时，即过渡过程结束时，系统的实际输出)(t y与参考输入所调之间的差值。

整的期望值)(tyr控制系统的组成：无论多么复杂的控制系统，都是由一些基本环节或元件组成的。

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

给定环节给出的信号可以是电量、非电量，也可以是数字量或模拟量。

2）测量环节：用于测量被控变量，并将被控变量转变为便于传送的另一物理量（一般为电量）的环节，常用的有电位计可将机械转角→电压信号，测速发电机将转速 电压信号，光栅测量装置将直线位移→数字信号。

3）比较环节：比较环节是将输入信号)(sX与测量环节发出的有关被控变量)(sB进行比较的环节。

Y的反馈信号)(s4）校正及放大环节：通常偏差信号很小，为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，然后进行功率放大以便推动执行环节，常用的放大类型有电流放大，电气—液压放大等。

5）执行环节：执行环节用来接收放大信号的控制信号，驱动被控对象按照预期规律运动的环节。

执行环节一般是能将外部能量传递给被控对象的有源功率放大装置，工作中要进行能量转换，如把电能通过电机转换成机械能，驱动被控对象作机械运动。

七：其他辅助系统的配备1、操纵系统：是把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体。

操纵系统的作用和要求操纵系统的作用是完成信号转换，也就是把人施加于机械的信号，经过转换传递到执行系统，以实现机械的起动、停止、转向、变速、变力及制动等目的。

操纵系统虽然不直接参与机械做功，对机械的精度、强度、刚度和寿命没有直接影响，但机械系统性能的好坏，功能完成情况及操作者工作强度等，都与操纵系统有直接的关系。

因此，对操纵系统的设计有下列主要要求：1）操纵轻便省力。

尽可能地减小操纵力，这样不但可以减轻操作者的劳动强度，符合人机工学的要求，以提高劳动生产力；同时还可提高操纵系统灵敏度，达到对机械系统的灵活操纵。

2）操纵行程适当。

操纵的行程应尽量在保证人体不动的情况下，上、下肢能舒适达到的范围。

3）操纵件定位可靠。

操纵件应能长时间可靠地保持在某一操作状态的位置，不能因其它操纵力的作用而改变其操作状态。

4）操纵系统的反馈准确迅速。

操纵系统应具有良好的反馈性，使操纵信号准确迅速地反馈给操作者，以便操作者及时判断操作的效果，并作出新的操纵决策。

5）操纵系统应具有可调性。

操纵系统应能进行必要的调节，以保证系统的元件磨损后，经过调节仍能达到操纵的效果。