1.1概述1.2智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢1.3智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程第一章緒論1.智能機電系統(tǒng)的基本概念及組成1.1概述

基本概念

智能機電系統(tǒng)通常是在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)，將機械裝置和電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而成的系統(tǒng)。智能機電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于制造、汽車、航空、航天、航海、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域，例如數(shù)控機床、智能汽車、火星探測器、深海探測器、機器人以及裝配生產(chǎn)線等。1.智能機電系統(tǒng)的基本概念及組成1.1概述

系統(tǒng)組成

一個典型的智能機電系統(tǒng)通常由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、感知系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)五個子系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)主要包括支承部件、傳動部件和執(zhí)行部件等，用于連接其他要素并形成一個有機整體。1.智能機電系統(tǒng)的基本概念及組成1.1概述

驅(qū)動系統(tǒng)：主要包括電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動等幾種類型，其作用是為機械系統(tǒng)提供所需要的運動和動力。

1.智能機電系統(tǒng)的基本概念及組成1.1概述

動力系統(tǒng)：為驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供動力源，以確保其他系統(tǒng)正常工作，如電源、液壓源、氣源等。

1.智能機電系統(tǒng)的基本概念及組成1.1概述

感知系統(tǒng)：利用傳感器及檢測等技術(shù)將產(chǎn)品運行過程中自身和外界環(huán)境中的各種參數(shù)。1.智能機電系統(tǒng)的基本概念及組成1.1概述

控制系統(tǒng)：利用計算機、運動控制卡、以及輸入輸出設(shè)備等硬件和控制軟件，對來自傳感系統(tǒng)的反饋信息和外部輸入命令進行處理、運算和決策。2.智能機電系統(tǒng)的主要特點及應(yīng)用1.1概述

綜合性、系統(tǒng)性強結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，效率高精度高，功能全可靠性高、穩(wěn)定性好自動化、柔性化、智能化程度高

主要特點

2.智能機電系統(tǒng)的主要特點及應(yīng)用1.1概述

工業(yè)生產(chǎn)

應(yīng)用

2.智能機電系統(tǒng)的主要特點及應(yīng)用1.1概述

社會服務(wù)

2.智能機電系統(tǒng)的主要特點及應(yīng)用1.1概述

科學(xué)探索

1.關(guān)鍵技術(shù)1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

機械技術(shù)

機械技術(shù)是智能機電系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的基礎(chǔ)，主要包括機械設(shè)計、加工工藝和制造技術(shù)等。感知技術(shù)

感知技術(shù)是指對產(chǎn)品運行狀態(tài)和環(huán)境進行實時檢測及反饋的技術(shù)，主要包括傳感信號的感知、辨識、提取與處理技術(shù)等，是產(chǎn)品實現(xiàn)自動化、智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)1.關(guān)鍵技術(shù)1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

伺服驅(qū)動技術(shù)

伺服驅(qū)動技術(shù)的主要研究對象是伺服驅(qū)動單元及其驅(qū)動裝置，作用是根據(jù)控制指令，控制驅(qū)動元件使機械運動部件按照指令要求動作，并保持良好的工作性能。自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)主要包括自動控制方法、控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)、現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)及運行測試技術(shù)等方向。常見控制方法有程序控制、PID控制、前饋控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制等方法。1.關(guān)鍵技術(shù)1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)主要是指產(chǎn)品在工作過程中信息的交換、存取、運算、診斷和決策等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（InternetofThings，IoT）是指通過信息傳感設(shè)備實時采集物體或過程中的各種有用信息，并按約定協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接，通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能的技術(shù)。1.關(guān)鍵技術(shù)1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)是指綜合利用各種監(jiān)測、檢查和測試手段，進行故障發(fā)現(xiàn)、故障診斷、故障預(yù)測的技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是指圍繞系統(tǒng)整體目標(biāo)，使用系統(tǒng)工程設(shè)計方法，將系統(tǒng)分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，找出各功能單元的具體實現(xiàn)技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合并進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。2.發(fā)展趨勢1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，我們已經(jīng)或即將邁入全面數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化時代。面向我國智能機電行業(yè)領(lǐng)域需求的不斷擴大和對產(chǎn)品功能、性能要求的不斷提高，未來的智能機電系統(tǒng)將向高性能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、微型化、集成化、綠色化以及人性化等方向發(fā)展。2.發(fā)展趨勢1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

高性能化

在產(chǎn)品的高速度、高精度、高效率和高可靠性等方面，一直是產(chǎn)品開發(fā)持續(xù)追求的目標(biāo)。模塊化主要體現(xiàn)產(chǎn)品零部件的通用性和互換性，提高產(chǎn)品的可裝配性、可維修性，以減少產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)成本。網(wǎng)絡(luò)化主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)分析、智慧管理以及智能服務(wù)等方面。智能化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護的智能化等方面。2.發(fā)展趨勢1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

微型化

主要體現(xiàn)在微觀領(lǐng)域的發(fā)展。例如，微機電一體化系統(tǒng)（MEMS，一般幾何尺寸不超過1cm3）因體積小、能耗少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有很好的發(fā)展前景。2.發(fā)展趨勢1.2

智能機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

綠色化

主要體現(xiàn)在低能源消耗、低材料消耗、健康環(huán)保以及可再生利用等方面。人性化主要體現(xiàn)在人-機-環(huán)的協(xié)同上，強調(diào)以人為本，注重使用者在產(chǎn)品的便利性以及心理甚至精神需求方面的尊重和滿足。1.開發(fā)類型1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

智能機電系統(tǒng)種類繁多，覆蓋面極為廣泛，且涉及多學(xué)科專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，其開發(fā)目的是綜合運用各項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品（或系統(tǒng)）內(nèi)部各單元之間的合理匹配和最佳的整體效能。智能機電系統(tǒng)常見的開發(fā)類型分為原創(chuàng)型和適應(yīng)型兩種。1.開發(fā)類型1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

原創(chuàng)型

原創(chuàng)型開發(fā)就是指在既無參考產(chǎn)品又無具體方案的情況下，根據(jù)產(chǎn)品功能、性能等要求進行原創(chuàng)性研究開發(fā)，是一個從無到有的創(chuàng)造過程。例如，最初的新能源汽車、人形機器人、空間站以及天文望遠(yuǎn)鏡等均屬于原創(chuàng)型智能機電系統(tǒng)。1.開發(fā)類型1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

適應(yīng)型

適應(yīng)型開發(fā)就是指在產(chǎn)品主要原理和設(shè)計方案基本保持不變的情況下，通過技術(shù)更新、功能及結(jié)構(gòu)改進等方式，使產(chǎn)品功能增加、性能和質(zhì)量提高、成本降低、效率提升等的開發(fā)方式。2.開發(fā)流程1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，人們對開發(fā)新產(chǎn)品的要求越來越高，不但要物美、價廉，更要被消費者所接受。因此，基于產(chǎn)品全生命周期管理理念，智能機電系統(tǒng)的開發(fā)一般從市場或需求出發(fā)，其研發(fā)流程通常包括產(chǎn)品規(guī)劃、總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)制造以及運營服務(wù)等五個環(huán)節(jié)。2.開發(fā)流程1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

產(chǎn)品規(guī)劃階段

在產(chǎn)品規(guī)劃階段，需要圍繞總體目標(biāo)開展市場調(diào)研、資料收集、需求分析、市場預(yù)測、可行性分析、經(jīng)濟性分析以及機理分析等工作，確定產(chǎn)品用途、工作方式、主要參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)以及使用環(huán)境等要求，最終形成設(shè)計任務(wù)書，作為后續(xù)開發(fā)環(huán)節(jié)的依據(jù)。2.開發(fā)流程1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

總體設(shè)計階段

在總體設(shè)計階段，需要根據(jù)設(shè)計任務(wù)書中提出的一系列要求，從智能機電系統(tǒng)的基本組成入手，進行總體方案設(shè)計與評價。主要包括產(chǎn)品的總體布局設(shè)計、概念設(shè)計等部分。2.開發(fā)流程1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

詳細(xì)設(shè)計階段

在詳細(xì)設(shè)計階段，是根據(jù)確定后的原理方案從技術(shù)層面完成所有細(xì)節(jié)內(nèi)容具體化實現(xiàn)的過程，最終形成產(chǎn)品樣機試制所需全部技術(shù)圖紙、設(shè)計說明書及相關(guān)技術(shù)文件。該階段的目的是為產(chǎn)品樣機試制提供詳細(xì)的技術(shù)檔案資料和參考依據(jù)。2.開發(fā)流程1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

生產(chǎn)制造階段

在生產(chǎn)制造階段，需要進行產(chǎn)品的樣機試制、試驗與運行測試、評價與定型等工作。樣機試制主要包括零部件的工藝設(shè)計與加工、外購件的采購以及機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等內(nèi)容。2.開發(fā)流程1.3

智能機電系統(tǒng)的開發(fā)類型及流程

運營服務(wù)階段

在運營服務(wù)階段，主要目標(biāo)是通過不斷改進和創(chuàng)新，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高、市場份額的不斷擴大和用戶滿意度的持續(xù)提升，保持產(chǎn)品的競爭力不斷增強。產(chǎn)品運營服務(wù)主要包括市場推廣、銷售、售后服務(wù)、產(chǎn)品改進以及報廢回收等多個方面的內(nèi)容。思考題與習(xí)題

1-1試給出一具體智能機電系統(tǒng)案例，并分析其基本組成及主要特點？1-2試結(jié)合感知領(lǐng)域的新技術(shù)，闡述智能機電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢？1-3針對智能機電系統(tǒng)的不同開發(fā)類型，試各舉一例并簡要說明？1-4針對某一現(xiàn)有智能機電系統(tǒng)，簡要介紹其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)？1-5試提出一種原創(chuàng)型智能機電系統(tǒng)思路，并簡要介紹其開發(fā)流程？2.1概述2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法2.3典型案例2.4思考題與習(xí)題第二章先進設(shè)計理論與方法2.1概述

1.設(shè)計的歷史設(shè)計已經(jīng)從“原始社會的有意識、有目的的加工制作”，隨著物質(zhì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，發(fā)展到“以機械化大批量生產(chǎn)”為特色的現(xiàn)代設(shè)計階段，具有許多鮮明的設(shè)計特征。20世紀(jì)前早期，一個人就可以完成整個產(chǎn)品的設(shè)計和制造20世紀(jì)的中葉人們組成不同的團隊分別負(fù)責(zé)市場、設(shè)計、制造和整體管理等20世紀(jì)80年代初期并行工程強調(diào)制造過程的改進要與產(chǎn)品的更新同步20世紀(jì)80年代協(xié)同設(shè)計以及集成生成與過程設(shè)計20世紀(jì)90年代精益與六西格瑪?shù)母拍钤谥圃鞓I(yè)中變得流行并開始影響到設(shè)計21世紀(jì)計算機輔助設(shè)計得到了廣泛應(yīng)用，人工智能技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加2.1概述

2.設(shè)計的基本活動所有這些方法和最好的實踐都是圍繞10個關(guān)鍵特征建立起來的。這10個特征基本的焦點是對團隊成員、設(shè)計工具和技術(shù)、產(chǎn)品信息以及用于產(chǎn)品開發(fā)和制造過程的集成。無論需要設(shè)計的問題是什么，總是有意或無意地進行著六個活動最佳實踐設(shè)計的10個關(guān)鍵特征1.關(guān)注產(chǎn)品的整個壽命周期2.設(shè)計團隊的作用和支持3.認(rèn)識到過程和產(chǎn)品同樣重要4.關(guān)注以信息為中心的任務(wù)規(guī)劃5.關(guān)心產(chǎn)品需求的發(fā)展6.鼓勵產(chǎn)生多種概念并進行評價7.明確決策過程8.在設(shè)計的全過程中關(guān)注設(shè)計質(zhì)量9.產(chǎn)品開發(fā)和加工過程協(xié)同發(fā)展10.強調(diào)在恰當(dāng)?shù)臅r機將正確的信息于適當(dāng)?shù)娜藛T交流設(shè)計的六個活動1）確定設(shè)計要求或認(rèn)識到要解決什么問題。2）計劃如何去解決這個問題。3）通過完善需求和分析現(xiàn)有類似問題的解決方案來理解問題。4）產(chǎn)生可供選擇的解決方案。5）通過將備選方案與設(shè)計要求比較和將它們互相比較的方法來評價備選方案。6）決定可采用的方案。2.1概述

3.設(shè)計關(guān)注全生命周期先進設(shè)計理論不僅關(guān)注產(chǎn)品的開發(fā)，還關(guān)注產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售、使用、報廢等產(chǎn)品的全壽期過程。產(chǎn)品設(shè)計的全壽命周期產(chǎn)品設(shè)計壽命周期管理2.1概述

4.設(shè)計的解決方案通過解決問題的過程，可以獲得關(guān)于問題的知識和解決問題的可能答案。設(shè)計問題可以有很多滿足要求的答案，但沒有明顯的最佳解答。設(shè)計過程模型設(shè)計過程中的自相矛盾2.1概述

5.設(shè)計思維在先進設(shè)計過程中，設(shè)計理論與方法固然重要，但設(shè)計思維也必不可少。設(shè)計思維是一種綜合性的思考方式和解決問題的方法，它不僅僅局限于設(shè)計領(lǐng)域，而是適用于各個行業(yè)和領(lǐng)域。設(shè)計思維強調(diào)以用戶為中心、創(chuàng)新和跨學(xué)科的合作和快速迭代和持續(xù)改進。設(shè)計思維工具是支撐設(shè)計思維實現(xiàn)的通用手段或方法，常用的設(shè)計思維工具主要有思維導(dǎo)圖、客戶旅程地圖、移情圖等。斯坦福大學(xué)將設(shè)計思維分為五個階段共情定義問題形成概念建立原型測試1.概述2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在激烈的市場競爭環(huán)境下，快速設(shè)計并推出新產(chǎn)品已成為企業(yè)生存的關(guān)鍵，其中設(shè)計理論在產(chǎn)品創(chuàng)新中發(fā)揮著重要的作用，大量學(xué)者從事相關(guān)研究并提出了多種理論與設(shè)計模型。對具有代表性的、被學(xué)界廣泛接受認(rèn)可的現(xiàn)代設(shè)計理論進行介紹，如：TRIZ理論及其九大手法、公理設(shè)計及其域和映射機制、系統(tǒng)化設(shè)計及其內(nèi)涵。2.TRIZ2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法TRIZ是拉丁文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯(lián)C.S.Altshulder等人自1946年開始，在分析研究各國250萬件專利的基礎(chǔ)上所提出的，是解決技術(shù)難題的原理和知識體系。TRIZ理論的簡化過程TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化法則最終理想解40個發(fā)明原理39個工程參數(shù)和矛盾矩陣物理矛盾的分離原理物場模型標(biāo)準(zhǔn)解法發(fā)明問題解決算法科學(xué)效應(yīng)和知識庫2.TRIZ——技術(shù)系統(tǒng)進化法則2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法阿奇舒勒的技術(shù)系統(tǒng)進化論可以與自然科學(xué)中的達(dá)爾文生物進化論和斯賓塞的社會達(dá)爾文主義齊肩，被稱為“三大進化論”。技術(shù)系統(tǒng)進化分為嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期四個階段。TRIZ的技術(shù)系統(tǒng)八大進化法則分別是提高理想度法則、完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、子系統(tǒng)的不均衡進化法則、向超系統(tǒng)進化法則、向微觀級進化法則、動態(tài)性和可控性進化法則。技術(shù)系統(tǒng)進化過程2.TRIZ——最終理想解2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法系統(tǒng)的進化過程就是創(chuàng)新的過程，即系統(tǒng)總是向著更理想化的方向發(fā)展，最終理想解是進化的頂峰。最終理想解是TRIZ理論保證解法過程收斂性的重要手段。最終理想解有4個特點：a.保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點；b.消除了原系統(tǒng)的不足；c.沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜；d.沒有引入新的缺陷。2.TRIZ——40個發(fā)明原理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法阿奇舒勒對250萬份專利進行了研究、分析和總結(jié)，提煉出了TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40個共性發(fā)明原理。它們主要應(yīng)用于解決系統(tǒng)中存在的技術(shù)矛盾，為一般發(fā)明問題的解決提供了強有力的工具。2.TRIZ——矛盾矩陣2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在對專利分析和研究過程中，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，有39個工程參數(shù)在彼此相對改善和惡化，而這些專利都是在不同的領(lǐng)域上解決這些工程參數(shù)的沖突與矛盾。這些矛盾不斷地出現(xiàn)，又不斷地被解決。39個通用工程參數(shù)分為以下三大類。①物理及幾何參數(shù)：是描述物體的物理及幾何特性的參數(shù)，共15個。②技術(shù)負(fù)向參數(shù)：是指這些參數(shù)變大時，使系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能變差，共11個。③技術(shù)正向參數(shù)：是指這些參數(shù)變大時，使系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能變好，共13個。技術(shù)矛盾矩陣：橫軸表示希望得到改善的參數(shù)，縱軸表示某技術(shù)特性改善引起惡化的參數(shù)，交叉處的數(shù)字表示用來解決系統(tǒng)矛盾時所使用創(chuàng)新原理的編號。2.TRIZ——矛盾矩陣2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法矛盾矩陣2.TRIZ——物理矛盾的分離原理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法空間分離，將矛盾雙方在不同的空間上分離開來，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度時間分離，將矛盾雙方在不同的時間段分離開來，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度2.TRIZ——物理矛盾的分離原理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法條件分離，將矛盾雙方在不同的條件下分離，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度整體與部分分離，將矛盾雙方在不同的系統(tǒng)級別分離開來，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度3.公理設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法公理設(shè)計的目標(biāo)是為設(shè)計建立一個科學(xué)基礎(chǔ)，通過為設(shè)計者提供一個基于邏輯和理性思維過程及工具的理論基礎(chǔ)來改進設(shè)計活動。該理論認(rèn)為設(shè)計是一個自頂向下的過程，為從概念設(shè)計到制造的整個產(chǎn)品開發(fā)過程提供了實用性指導(dǎo)框架，設(shè)計公理為設(shè)計的合理性與優(yōu)劣以及設(shè)計方案的選擇提供了有效的評判準(zhǔn)則。利用公理設(shè)計理論可增強設(shè)計的創(chuàng)造性、設(shè)計方案的穩(wěn)健性、可制造性及可維護性，建立能使企業(yè)受益的設(shè)計科學(xué)基礎(chǔ)，提升設(shè)計學(xué)的科學(xué)性。3.公理設(shè)計——域2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法域是公理設(shè)計中最基本和最重要的概念，貫穿于整個設(shè)計過程。公理設(shè)計理論將整個設(shè)計過程劃分為四個不同的設(shè)計活動，即四個域，它們分別為用戶域、功能域、物理域和過程域。域的結(jié)構(gòu)3.公理設(shè)計——映射2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法產(chǎn)品的設(shè)計過程實際上就是四個域之間的映射過程。四個域之間可以建立三種映射關(guān)系。功能域與物理域之間“之字形”的映射關(guān)系建立用戶域和功能域之間映射關(guān)系的過程相應(yīng)于產(chǎn)品定義階段。建立功能域和物理域之間映射的過程相應(yīng)于產(chǎn)品設(shè)計階段。建立物理域和過程域之間映射關(guān)系的過程相應(yīng)于過程設(shè)計階段。3.公理設(shè)計——設(shè)計公理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法獨立公理

當(dāng)有兩個以上的功能要求時，設(shè)計方案必須滿足每一個功能要求，而不影響其他的功能要求，這就要求選擇設(shè)計參數(shù)時，保持功能要求的獨立性。信息公理

在所有滿足獨立性公理的設(shè)計中，信息含量最少的設(shè)計是最好的設(shè)計，它是用來對設(shè)計方案進行評價和比較的原則第一公理第二公理3.系統(tǒng)化設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法20世紀(jì)70年代，德國學(xué)者Pahl和Beitz提出最有代表性、權(quán)威性和系統(tǒng)性的產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)，將工程設(shè)計過程主要分為四個階段：明確任務(wù)階段、概念設(shè)計階段、具體化設(shè)計階段和詳細(xì)設(shè)計階段。該方法中概念設(shè)計階段的核心是建立待設(shè)計產(chǎn)品或稱技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。利用黑箱圖表征系統(tǒng)功能，并將物料、能量、信息三種流作為輸入輸出。“黑箱”模型3.系統(tǒng)化設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法系統(tǒng)化設(shè)計的特點主要包括以下三個方面：（1）以輸入、輸出的具體內(nèi)容為思考的出發(fā)點，它要求所有的創(chuàng)造性構(gòu)思必須滿足輸入條件、約束條件和輸出的具體結(jié)果。（2）是構(gòu)思與評價同時進行的設(shè)計方法。（3）思考路徑和方向具有雙向性，即發(fā)散和收斂思維是按“輸入”與“輸出”兩個方向向黑箱內(nèi)部內(nèi)容逐步深入的。3.系統(tǒng)化設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)發(fā)展的加持下，也誕生了許多技術(shù)驅(qū)動型的產(chǎn)品設(shè)計方法和相關(guān)理論，如：智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、眾包設(shè)計、群體智能創(chuàng)新設(shè)計。智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)眾包設(shè)計海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

以一款能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾信息的輸入、系統(tǒng)進行規(guī)劃、對垃圾進行智能回收的海洋垃圾回收系統(tǒng)為例進行案例分析，對系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計流程進行介紹。首先對國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品進行調(diào)研。SEACLEARFREDMr.TrashWheelSeabinClearbotNeo海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

在分析對比其他競品的基礎(chǔ)上，進行新產(chǎn)品開發(fā)，并對本次產(chǎn)品開發(fā)目的和要求進行了詳細(xì)規(guī)劃。設(shè)計人員將其定位為一款市面上的全新產(chǎn)品，目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠有一家公司或研究機構(gòu)的產(chǎn)品集成如此眾多的諸如環(huán)境探測、污染源識別、垃圾回收和處理、自主巡航功能。海洋垃圾回收系統(tǒng)總體功能圖海洋垃圾回收系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

利用公理設(shè)計理論中功能域與物理域之間的映射過程，并在充分考慮第一公理和第二公理的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生多個候選設(shè)計方案。采用形態(tài)矩陣的方式展示，并經(jīng)綜合評估得到最終概念設(shè)計方案子功能實現(xiàn)路徑電池充電（能源自供給）太陽能電能燃油

垃圾收集/處理固體吸濾式機械臂

石油撇油器收集化學(xué)制劑新型方式（電磁吸附等）

垃圾分類機器人工

目標(biāo)識別/避障激光雷達(dá)攝像頭識別聲納混合式路徑規(guī)劃北斗/GPS遙控規(guī)劃WIFI

海洋生態(tài)修復(fù)機器人系統(tǒng)形態(tài)矩陣海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

基于上述概念設(shè)計方案，從中找出主要和次要功能載體，并對主要功能載體，詳細(xì)確定其對應(yīng)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，逐步完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計。確定尺寸探測機器人尺寸≤3m3回收機器人尺寸≥15m3確定性能性能穩(wěn)定伺服電機+32

單片機+NUC迷你電腦續(xù)航時間長大容量鋰電池對環(huán)境友好鋁合金+碳纖維信號收發(fā)穩(wěn)定北斗+GPS平臺算法算法精良，魯棒性好人工智能+強化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)收集精確行業(yè)先進傳感器人機交互界面簡潔操作界面按鍵數(shù)≤5說明準(zhǔn)確說明書頁數(shù)≤50產(chǎn)品設(shè)計準(zhǔn)備表海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

海洋垃圾回收系統(tǒng)的主要功能是檢測海洋垃圾分布情況并進行回收路徑規(guī)劃，最終實現(xiàn)垃圾回收。為了滿足這些主要功能，分別創(chuàng)建了不同的功能載體，明確了其載體特性。功能載體特征儲存能量電池容量≥20000mAh體積Vg=0.02m3控制運動伺服電機扭矩T≥10Nm功能載體特性海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

針對上述功能載體、形態(tài)矩陣和概念設(shè)計方案結(jié)果，完成海洋垃圾回收系統(tǒng)的樣圖繪制。該系統(tǒng)主要由檢測機器人和回收機器人組成。其中，檢測機器人由六個驅(qū)動器控制移動，在機身上安裝有檢測裝置與信號裝置，主要負(fù)責(zé)檢測海洋中垃圾在不同深度的分布情況。海洋垃圾回收機器人布置圖與設(shè)計細(xì)節(jié)圖海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

對于設(shè)計好的海洋垃圾回收系統(tǒng)，每個部件都經(jīng)過分模塊設(shè)計，并可用有序的組裝安排進行裝配。對其生產(chǎn)制造工藝進行了初步設(shè)計。機器人本體制作機器人算法封裝平臺算法封裝與驗證上位機平臺開發(fā)調(diào)試最終封裝海洋垃圾回收系統(tǒng)制造工藝海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

結(jié)合具體工藝流程，從四個部分考慮物料清單組成，生成物料清單表，完成詳細(xì)設(shè)計。

序號數(shù)量名稱材料單價能源系統(tǒng)1.11電池鋰離子和非水電解質(zhì)溶液501.21充電器塑料、銅30檢測系統(tǒng)2.11激光雷達(dá)半導(dǎo)體、金屬等10002.21RGBD相機半導(dǎo)體、金屬等750信號系統(tǒng)3.11北斗基帶芯片半導(dǎo)體、金屬等5003.21USB2CAN轉(zhuǎn)接芯片半導(dǎo)體、金屬等300運算系統(tǒng)4.11IntelNUC半導(dǎo)體、金屬等45004.21STM32F4芯片半導(dǎo)體、金屬等8502.4思考題與習(xí)題2-1請解釋什么是設(shè)計思維,并列舉三種常用的設(shè)計思維工具。2-2請簡述TRIZ理論的定義與起源。2-3請簡述公理設(shè)計的基本概念是什么，并列舉公理設(shè)計的主要設(shè)計公理有哪些。2-4請闡述系統(tǒng)化設(shè)計過程中的物質(zhì)流、能量流和信息流分別是什么含義。2-5請結(jié)合典型案例分析，設(shè)計一款新型的智能老年人手表，并對其定位、目標(biāo)、功能、結(jié)構(gòu)和成本等進行簡要闡述。3.1概述3.2機械系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃3.3執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計3.4機械傳動系統(tǒng)設(shè)計3.5機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.6物料搬運機器人項目設(shè)計實踐第三章機械系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)1.機械系統(tǒng)組成和基本要求3.1概述

機械系統(tǒng)的組成

機械系統(tǒng)是由若干機械要素（如機械零部件、機構(gòu)或機器等）組成的，主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、操控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。1.機械系統(tǒng)組成和基本要求3.1概述

執(zhí)行系統(tǒng)

利用機械能來改變作業(yè)對象的性質(zhì)、狀態(tài)等，對作業(yè)對象進行檢測、度量等任務(wù)。傳動系統(tǒng)

將執(zhí)行系統(tǒng)所需要的運動和動力由驅(qū)動系統(tǒng)傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)。支承系統(tǒng)

機械系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要包括底座、機身、立柱、橫梁、箱體、工作臺、升降臺以及支架等。1.機械系統(tǒng)組成和基本要求3.1概述

操作系統(tǒng)

操控系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，保證整個機械系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠、高效的完成系統(tǒng)功能。輔助系統(tǒng)

主要包括其他機械系統(tǒng)功能要求配備的系統(tǒng)，如潤滑、冷卻、密封、照明以及顯示等系統(tǒng)1.機械系統(tǒng)組成和基本要求3.1概述

機械系統(tǒng)的基本要求

機械系統(tǒng)的設(shè)計要求是產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗、鑒定和驗收的依據(jù)，也是用戶評價的標(biāo)準(zhǔn)。機械系統(tǒng)一般應(yīng)具備如下幾個方面的要求：功能要求性能要求適應(yīng)性要求經(jīng)濟性要求2.機械系統(tǒng)設(shè)計的原則及內(nèi)容3.1概述

基本原則

實用性原則可靠性原則安全性原則經(jīng)濟性原則2.機械系統(tǒng)設(shè)計的原則及內(nèi)容3.1概述

主要內(nèi)容：設(shè)計規(guī)劃、方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計三個階段。1.需求分析3.2機械系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃

物質(zhì)需求和精神需求

物質(zhì)需求通常體現(xiàn)為市場對產(chǎn)品的物質(zhì)形態(tài)和技術(shù)指標(biāo)等要求；而精神需求則通常是指用戶對產(chǎn)品的心理預(yù)期，例如產(chǎn)品的造型、色彩、使用體驗以及售后服務(wù)等需求。生活需求和生產(chǎn)需求

根據(jù)需求的目的來分，可分為生活需求和生產(chǎn)需求兩類。對于生活需求，應(yīng)在滿足功能的同時，使用戶有良好的體驗感；對于生產(chǎn)需求，除滿足功能外，重點應(yīng)關(guān)注其技術(shù)附加值、性能、效率、可靠性以及成本等要求。1.需求分析3.2機械系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃

需求的表征形式

功能是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)，產(chǎn)品需求主要通過其功能來描述和體現(xiàn)。在機械系統(tǒng)開發(fā)過程當(dāng)中，通常需要根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)書，確定合理、明確的功能目標(biāo)，如定性指標(biāo)、定量指標(biāo)以及約束條件等。這些目標(biāo)既是產(chǎn)品開發(fā)的依據(jù)，也是鑒定驗收的標(biāo)準(zhǔn)。因此，制訂功能目標(biāo)應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)、可操作性強。

1.需求分析3.2機械系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃

需求的表征形式

開發(fā)一個可用于自動加工生產(chǎn)線上的3軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，具體功能目標(biāo)可設(shè)計如下表所示。

2.功能分析3.2機械系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃

產(chǎn)品的核心功能與總功能產(chǎn)品開發(fā)的實質(zhì)就是實現(xiàn)產(chǎn)品的功能。按照功能所起的作用，產(chǎn)品功能可分為核心功能和總功能。通常情況下，核心功能的確定是產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵。但產(chǎn)品僅實現(xiàn)核心功能是不夠的，產(chǎn)品核心功能及為了完成核心功能所需的一系列功能的總和，稱為產(chǎn)品的總功能。

2.功能分析3.2

機械系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃

產(chǎn)品的功能分解

對于相對比較復(fù)雜的機械系統(tǒng)，直接實現(xiàn)總功能比較困難。因此，總功能的構(gòu)思、分析和設(shè)計是一項綜合性和創(chuàng)造性的工作，通常可采用功能分解的方法，將產(chǎn)品的總功能分解成比較簡單的功能單元，更有利于尋求產(chǎn)品的功能原理方案。3.3.1執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類3.3執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計

執(zhí)行系統(tǒng)是指機械系統(tǒng)中能直接完成預(yù)期工作任務(wù)的子系統(tǒng)，主要由執(zhí)行末端件和與之相連接的執(zhí)行機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)是將傳動系統(tǒng)傳遞來的運動和動力進行所需的變換并傳遞給執(zhí)行末端件來實現(xiàn)預(yù)期的工作任務(wù)。執(zhí)行機構(gòu)可以是由具有單一功能的基本機構(gòu)組成，也可以是由多個基本機構(gòu)組合而成。

1.執(zhí)行系統(tǒng)的組成3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

在平行開合式機械手中，手指1、2為執(zhí)行末端件，齒輪機構(gòu)（齒輪5、6）和連桿機構(gòu)（構(gòu)件3、4、7、8及手指1、2）共同組成執(zhí)行機構(gòu)；在鄂式破碎機中，活動鄂板2、固定鄂板3為執(zhí)行末端件，偏心輪1、活動鄂板3、搖桿4和機架組成執(zhí)行機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)）。

1.執(zhí)行系統(tǒng)的組成

執(zhí)行系統(tǒng)需要在執(zhí)行機構(gòu)和執(zhí)行末端件的協(xié)調(diào)工作下完成預(yù)期任務(wù)，執(zhí)行機構(gòu)的作用主要是運動和動力的傳遞和變換，以滿足執(zhí)行末端件的工作要求。運動變換通常是指運動形式或運動規(guī)律的變換；動力變換通常是指動力類型或大小之間的變換，例如轉(zhuǎn)矩與力之間的變換，以及動力大小的變換等。

3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

2.執(zhí)行系統(tǒng)的功能執(zhí)行系統(tǒng)的功能主要有轉(zhuǎn)動或移動、力（或扭矩）加載、抓取與夾持、搬運與輸送、分度與轉(zhuǎn)位等。

3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

2.執(zhí)行系統(tǒng)的功能根據(jù)對運動和動力的不同要求，執(zhí)行系統(tǒng)一般可分為動作型、動力型和動作-動力型3類。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量及其相互關(guān)系，執(zhí)行機構(gòu)通常可分為單一型、相互獨立型和相互聯(lián)系型3類。

3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

3.執(zhí)行系統(tǒng)的分類類別主要性能特點應(yīng)用舉例執(zhí)行系統(tǒng)對運動和動力的要求動作型要求執(zhí)行系統(tǒng)能實現(xiàn)預(yù)期精度要求的動作（如位移、速度等），對執(zhí)行系統(tǒng)中各構(gòu)件的強度、剛度等無特殊要求掃地機器人、印刷機、打印機、激光加工設(shè)備及機器人焊接設(shè)備等動力型執(zhí)行系統(tǒng)需克服較大生產(chǎn)阻力做功，對執(zhí)行系統(tǒng)中各構(gòu)件的強度、剛度等有嚴(yán)格要求，但對運動精度無特殊要求沖壓設(shè)備、挖掘機、碎石機以及起重設(shè)備等動作-動力型要求執(zhí)行系統(tǒng)既能實現(xiàn)預(yù)期精度要求的動作，又能克服較大生產(chǎn)阻力做功數(shù)控車床、銑削加工中心、齒輪加工設(shè)備等執(zhí)行系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量及其相互關(guān)系單一型執(zhí)行系統(tǒng)僅由一個執(zhí)行機構(gòu)組成天線俯仰機構(gòu)、顎式破碎機、皮帶輸送機、鶴式起重機、攪拌機等相互獨立型執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構(gòu)工作，但它們之間相互獨立，沒有運動及生產(chǎn)阻力等方面的聯(lián)系和制約車床的工件旋轉(zhuǎn)與刀具的移動、起重機的起吊與行走動作等相互聯(lián)系型執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構(gòu)工作，且它們之間有運動及生產(chǎn)阻力等方面的聯(lián)系和制約印刷機、包裝機、紡織機、液體灌裝機等4.常見執(zhí)行機構(gòu)簡介增力機構(gòu)當(dāng)給機構(gòu)的主動件輸入較小的作用力（或力矩）時，如果可使從動件獲得較大的工作驅(qū)動力（或驅(qū)動力矩），則稱這樣的機構(gòu)為增力機構(gòu)。

肘桿機構(gòu)在工作時，滑塊5做往復(fù)直線移動，通過加在曲柄AB上較小的力F可以克服較大的工作阻力G，即該機構(gòu)可獲得較大的機械增益。3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

4.常見執(zhí)行機構(gòu)簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

行程放大機構(gòu)該機構(gòu)可視為由一個曲柄搖桿機構(gòu)和一個滑塊機構(gòu)串聯(lián)組合而成。其特點是利用杠桿原理，可以用較短的曲柄長度1來獲得滑塊5較長的行程。行程的大小可根據(jù)實際情況由構(gòu)件3中DC與CE的比值及曲柄的長度來確定。

4.常見執(zhí)行機構(gòu)簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

供料機構(gòu)在抓料鉤式供料機構(gòu)中，受鋼球3的鎖定作用，當(dāng)氣缸1的活塞桿向前伸出時，滑塊4先不動，而只帶動擺桿2順時針擺動，從而使擺桿2的彎頭抓住工件5。然后，隨著氣缸活塞桿的繼續(xù)伸長，擺桿2、滑塊4和工件5一起向前移動一個步距p。同樣，在氣缸活塞桿回縮過程中，滑塊4先不動，擺桿2逆時針擺動并使其彎頭脫開工件，之后擺桿2和滑塊4一起向后移動一個步距p，從而使機構(gòu)復(fù)位，至此就完成了一次供料動作。轉(zhuǎn)盤式供料機構(gòu)4.常見執(zhí)行機構(gòu)簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

螺旋機構(gòu)以鏜床中鏜刀的微調(diào)機構(gòu)為例，螺母1與鏜桿固聯(lián)，螺桿與螺母1組成螺旋副A，同時與螺母2組成螺旋副B。鏜刀裝于螺母2的末端，并與螺母1形成移動副C。螺旋副A、B的旋向相同而導(dǎo)程不同，因而為差動螺旋機構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)動螺桿時，鏜刀相對于鏜桿做微量移動，用于調(diào)整鏜孔時的進刀量。彈簧則用于消除螺旋副的間隙。

螺旋機構(gòu)在數(shù)控工作臺中的應(yīng)用4.常見執(zhí)行機構(gòu)簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

螺旋機構(gòu)間歇運動機構(gòu)的主要作用是將主動件的連續(xù)轉(zhuǎn)動或往復(fù)擺動轉(zhuǎn)換為周期性的運動和停歇，通常由槽輪機構(gòu)、棘輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)或凸輪間歇機構(gòu)實現(xiàn)，在自動化生產(chǎn)線或設(shè)備當(dāng)中應(yīng)用比較廣泛。1.參考常用機構(gòu)、相關(guān)專利或類似產(chǎn)品，合理選擇執(zhí)行機構(gòu)類型3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計運動轉(zhuǎn)換形式機構(gòu)類型應(yīng)用舉例連續(xù)轉(zhuǎn)動→連續(xù)轉(zhuǎn)動連桿機構(gòu)（如雙曲柄機構(gòu)、轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)）、齒輪機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、摩擦輪傳動機構(gòu)等蒸汽機車的車輪聯(lián)動機構(gòu)、慣性振動篩機構(gòu)、汽車變速箱、車床主軸箱、汽車發(fā)動機艙中的正時帶傳動、普通車床從電機到主軸箱的帶傳動、生產(chǎn)線上物料的輸送帶機構(gòu)、摩托車中的鏈條傳動、滾輪平盤式無級變速器等連續(xù)轉(zhuǎn)動→往復(fù)擺動連桿機構(gòu)（如曲柄搖桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)）、擺動從動件凸輪機構(gòu)等鄂式破碎機、天線俯仰機構(gòu)、牛頭刨床進給機構(gòu)、擺動式油泵機構(gòu)、繞線機排線凸輪機構(gòu)等連續(xù)轉(zhuǎn)動→往復(fù)移動連桿機構(gòu)（如曲柄滑塊機構(gòu)）、移動從動件凸輪機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)等偏心輪壓力機中的沖頭運動機構(gòu)、內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)、生產(chǎn)線上的自動送料機構(gòu)、普通車床溜板箱的移動機構(gòu)、數(shù)控銑床中的工作臺移動機構(gòu)、臺虎鉗以及鏈條式升降臺等連續(xù)轉(zhuǎn)動→間歇運動槽輪機構(gòu)、分度凸輪機構(gòu)等自動生產(chǎn)線中的槽輪機構(gòu)（如機床刀架轉(zhuǎn)位機構(gòu)、蜂窩煤成型機模盤轉(zhuǎn)位機構(gòu)以及灌裝生產(chǎn)線等）、自動機械中的弧面分度凸輪機構(gòu)（如包裝機械中的間歇式送料和包裝動作、印刷機械中的紙張定位和印刷動作、機床夾具中工件的精確定位和夾緊動作等）連續(xù)轉(zhuǎn)動→平面運動平面連桿機構(gòu)、周轉(zhuǎn)輪系機構(gòu)等連桿攪拌器機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)中連桿作為攪拌構(gòu)件）、行星攪拌器機構(gòu)（行星輪系中行星架作為攪拌構(gòu)件）1.參考常用機構(gòu)、相關(guān)專利或類似產(chǎn)品，合理選擇執(zhí)行機構(gòu)類型3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計運動轉(zhuǎn)換形式機構(gòu)類型應(yīng)用舉例往復(fù)擺動→連續(xù)轉(zhuǎn)動曲柄搖桿機構(gòu)（搖桿主動）縫紉機踏板機構(gòu)往復(fù)擺動→往復(fù)擺動雙搖桿機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)鶴式起重機機構(gòu)、飛機起落架機構(gòu)、車輛前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、手爪開合機構(gòu)等往復(fù)擺動→往復(fù)移動搖桿滑塊機構(gòu)（搖桿主動）、不完全齒輪齒條機構(gòu)割草機割茬高度調(diào)整機構(gòu)、工作臺往復(fù)移動機構(gòu)（扇形齒輪齒條機構(gòu)）等往復(fù)擺動→間歇運動棘輪機構(gòu)棘條式千斤頂、牛頭刨床工作臺橫向進給機構(gòu)等往復(fù)移動→連續(xù)轉(zhuǎn)動曲柄滑塊機構(gòu)（滑塊主動）發(fā)動機的活塞-連桿-曲軸傳動機構(gòu)往復(fù)移動→往復(fù)擺動擺動導(dǎo)桿機構(gòu)自動卸料車斗的俯仰機構(gòu)往復(fù)移動→往復(fù)移動移動凸輪機構(gòu)、雙滑塊機構(gòu)沖床裝卸料凸輪機構(gòu)、橢圓規(guī)機構(gòu)等2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（1）變異創(chuàng)新設(shè)計取不同構(gòu)件為機架2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（1）變異創(chuàng)新設(shè)計改變運動副的尺寸2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（1）變異創(chuàng)新設(shè)計改變構(gòu)件的形狀2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（1）變異創(chuàng)新設(shè)計改變構(gòu)件的尺寸2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（2）組合創(chuàng)新設(shè)計串聯(lián)組合2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（2）組合創(chuàng)新設(shè)計并聯(lián)組合2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（2）組合創(chuàng)新設(shè)計疊加組合a）戶外操作車升降平臺

b）360°轉(zhuǎn)頭風(fēng)扇2.運用創(chuàng)新思維方法，構(gòu)思新型執(zhí)行機構(gòu)3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設(shè)計（2）組合創(chuàng)新設(shè)計封閉組合（3）類比創(chuàng)新設(shè)計（4）技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計1.執(zhí)行系統(tǒng)的工作流程設(shè)計3.3.3

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計某激光打標(biāo)機上下料機器人的執(zhí)行機構(gòu)原理方案及工作流程示意圖a）機構(gòu)運動簡圖

b）基本工作流程1.執(zhí)行系統(tǒng)的工作流程設(shè)計3.3.3

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計（1）升降機構(gòu)（2）擺動機構(gòu)（3）物料抓放機構(gòu)機械手上下料工作流程2.執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)型參數(shù)設(shè)計3.3.3

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計

構(gòu)型參數(shù)設(shè)計是根據(jù)從動件的運動要求，合理設(shè)計出執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)型參數(shù)，如構(gòu)件的幾何尺寸、運動范圍以及運動副位置等參數(shù)。一般情況下，構(gòu)型參數(shù)設(shè)計不涉及到構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、強度、材料、結(jié)構(gòu)、工藝、公差、熱處理以及運動副的具體結(jié)構(gòu)等問題，因此也稱為機構(gòu)的運動設(shè)計。但有時為使設(shè)計更為合理，可考慮幾何條件、動力條件等輔助條件（如壓力角）。

構(gòu)型參數(shù)設(shè)計通常可采用圖解法、解析法和實驗法。圖解法應(yīng)用運動幾何學(xué)的原理進行求解，比較直觀且簡單易行，是執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計的一種基本方法。對于某些簡單要求上，有時比解析法更方便快捷，但缺點是設(shè)計精度低。解析法是通過建立數(shù)學(xué)模型進行求解，設(shè)計精度高。近年來，隨著計算機技術(shù)和數(shù)值方法的飛速發(fā)展，解析法的應(yīng)用越來越廣泛。實驗法一般適用于運動要求比較復(fù)雜的連桿機構(gòu)設(shè)計，或連桿機構(gòu)的初步設(shè)計。3.執(zhí)行機構(gòu)的運動分析3.3.3

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)運動分析的任務(wù)是求解機構(gòu)主動構(gòu)件與輸出構(gòu)件之間的運動關(guān)系，從而得到該機構(gòu)的各種運動學(xué)特性。它主要包含兩方面的內(nèi)容：一是已知主動構(gòu)件的運動規(guī)律,求解未知輸出構(gòu)件的運動規(guī)律，稱為機構(gòu)的運動學(xué)正解；二是已知輸出構(gòu)件的運動規(guī)律,求解未知主動構(gòu)件的運動規(guī)律，稱為機構(gòu)的運動學(xué)逆解。

位置分析、速度分析和加速度分析是機構(gòu)運動學(xué)分析的重要研究內(nèi)容，同時也是機構(gòu)工作空間分析、剛度分析、精度分析以及運動控制的基礎(chǔ)。就機構(gòu)運動學(xué)分析方法而言，主要有圖解法、解析法和軟件法3種。1.工作循環(huán)圖的定義和用途3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計

定義：執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖是表示各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)在執(zhí)行系統(tǒng)工作循環(huán)周期內(nèi)相互關(guān)系的示意圖。

用途：（1）保證各執(zhí)行機構(gòu)按照工藝要求的正確順序和準(zhǔn)確時間進行各種動作，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期功能；（2）保證各執(zhí)行機構(gòu)的動作相互協(xié)調(diào)、緊密配合，避免各執(zhí)行機構(gòu)之間可能出現(xiàn)的空間干涉；（3）通過優(yōu)化設(shè)計，可以減少甚至消除執(zhí)行機構(gòu)的無用停歇時間，為提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率提供依據(jù)；（4）為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計、計算、裝配及調(diào)試等提供依據(jù)。2.執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計(1)運動循環(huán)圖的表示方法TM為執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期，單位為s；TW為工作行程所用時間，單位為s；Tr為空回行程所用時間，單位為s；Td為等待停歇所用時間，單位為s執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期2.執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計(2)運動循環(huán)圖的設(shè)計步驟1）確定執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期；2）確定運動循環(huán)的組成區(qū)段及時間；3）繪制執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖。2.執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計(2)運動循環(huán)圖的設(shè)計步驟以自動壓痕機的壓痕機構(gòu)為例，來說明其運動循環(huán)圖的設(shè)計過程，給定條件壓痕頭應(yīng)在工件上停留的時間為2s。若給定壓痕機構(gòu)的生產(chǎn)率為4800件/班（每班按8小時計算）1）確定壓痕頭的運動循環(huán)；2.執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計壓痕頭應(yīng)在工件上停留的時間為2s。若給定壓痕機構(gòu)的生產(chǎn)率為4800件/班（每班按8小時計算）2）確定運動循環(huán)的組成區(qū)段及時間Tw=2s，Td1=2s，Tr=1s，Td2=1s

根據(jù)工藝要求，壓痕頭一個運動循環(huán)周期TM可由壓痕頭的壓痕工作行程時間TW、壓痕頭在工件上表面上的停留時間Td1、返回初始位置的行程時間Tr及在初始位置的停留時間Td2四部分組成。2.執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計壓痕頭應(yīng)在工件上停留的時間為2s。若給定壓痕機構(gòu)的生產(chǎn)率為4800件/班（每班按8小時計算）3）繪制壓痕機構(gòu)的運動循環(huán)圖Tw=2s，Td1=2s，Tr=1s，Td2=1s3.執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計一般步驟（1）分析對各執(zhí)行機構(gòu)的運動要求及相互之間的動作配合要求；（2）繪制各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖；（3）進行執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)的同步化設(shè)計；（4）繪制執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖。3.執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計以自動壓痕機為例（1）各執(zhí)行機構(gòu)的運動要求及相互之間的動作配合要求1）推料機構(gòu)將工件推送至被壓痕的位置，同時將上一工作循環(huán)中已加工好的工件頂走；

2）推料機構(gòu)的推桿返回初始位置，同時安裝下一個物料；3）壓痕機構(gòu)帶動壓痕頭向下動作，完成壓痕操作；4）壓痕頭返回初始位置。3.執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計以自動壓痕機為例（2）繪制各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖a）推料機構(gòu)

b）壓痕機構(gòu)3.執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計以自動壓痕機為例（3）進行各執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)的同步化設(shè)計推料機構(gòu)和壓痕機構(gòu)的同步化設(shè)計自動壓痕機的最長工作循環(huán)圖TP=TM1=

TM2，生產(chǎn)率提高1倍3.執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖設(shè)計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設(shè)計以自動壓痕機為例（4）繪制執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖自動壓痕機執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖3.4.1傳動系統(tǒng)的功能、類型及設(shè)計要求3.4

機械傳動系統(tǒng)設(shè)計

由于動力系統(tǒng)的運動及動力輸出形式單一（如連續(xù)勻速回轉(zhuǎn)、往復(fù)移動等），一般難以滿足執(zhí)行系統(tǒng)多種多樣的運動及動力要求（如變速、低速或大負(fù)載等）。因此，需要通過傳動系統(tǒng)將動力系統(tǒng)的運動及動力變換成執(zhí)行系統(tǒng)所需要的運動及力學(xué)性能，并傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)完成工作任務(wù)。1.機械傳動系統(tǒng)的功能1.機械傳動系統(tǒng)的功能3.4.1傳動系統(tǒng)的功能、類型及設(shè)計要求

傳動系統(tǒng)是機械系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能如下：變換動力系統(tǒng)的速度變換動力系統(tǒng)的運動形式變換動力系統(tǒng)的動力實現(xiàn)多個運動及動力輸出滿足動力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)在空間布局、安全操作等方面的要求2.機械傳動系統(tǒng)的類型3.4.1傳動系統(tǒng)的功能、類型及設(shè)計要求

按傳動比是否變化定比傳動系統(tǒng)（齒輪減速機、諧波減速器、帶傳動、鏈傳動等）變速傳動系統(tǒng)（有級變速傳動系統(tǒng)（如車床的主軸箱、手動擋汽車變速箱等）和無級變速傳動系統(tǒng)（如各種鋼球式、帶式、摩擦輪式無級變速器等））按驅(qū)動形式獨立驅(qū)動（每個執(zhí)行機構(gòu)均由各自的動力源進行驅(qū)動）集中驅(qū)動（用一個動力源驅(qū)動多個執(zhí)行機構(gòu)）聯(lián)合驅(qū)動（由多個動力源驅(qū)動一個執(zhí)行機構(gòu)）3.機械傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求3.4.1傳動系統(tǒng)的功能、類型及設(shè)計要求

（1）功能要求。滿足執(zhí)行機構(gòu)的運動形式變換、運動和動力的變換及傳遞要求。（2）性能要求。滿足執(zhí)行機構(gòu)工作時所需要的運動、動力性能以及精度、剛度、穩(wěn)定性、慣量等要求。同時，盡量使動力系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的機械特性相匹配，并接近各自的最佳工況。（3）經(jīng)濟要求。滿足結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈短、小型化、輕量化、工作可靠、制造容易和運維方便等要求，以便降低成本。1.齒輪傳動的類型3.4.2齒輪傳動一對相嚙合的齒輪傳動1.齒輪傳動的類型3.4.2齒輪傳動一系列相互嚙合的齒輪傳動a）定軸輪系b）行星輪系c）差動輪系d）混合輪系2.傳動比的確定3.4.2齒輪傳動

根據(jù)負(fù)載角加速度最大原則來確定總傳動比，以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度，最佳的傳動比i

在智能機電系統(tǒng)開發(fā)過程中，齒輪減速器和伺服電機均為外購，選用時很難得到傳動比的最佳值，通常只要在規(guī)定的范圍內(nèi)即可。3.齒輪減速器產(chǎn)品及選用3.4.2齒輪傳動（1）齒輪減速器的常見結(jié)構(gòu)形式同軸減速器平行軸軸減速器直角減速器蝸桿減速器法蘭輸出減速器3.齒輪減速器產(chǎn)品及選用3.4.2齒輪傳動（2）齒輪減速器的選用步驟1）結(jié)構(gòu)形式的選擇2）傳動比的選擇3）輸出轉(zhuǎn)矩的選擇4）輸入轉(zhuǎn)速的選擇5）徑向載荷和軸向載荷的選擇6）精度的選擇7）慣量比驗算3.齒輪減速器產(chǎn)品及選用3.4.2齒輪傳動（2）齒輪減速器的選用步驟2）傳動比的選擇nmA為電機的額定轉(zhuǎn)速，nLA為執(zhí)行系統(tǒng)的平均工作轉(zhuǎn)速計算完成后，可根據(jù)計算結(jié)果ic，結(jié)合產(chǎn)品樣本選擇合適的齒輪減速器傳動比i。在滿足執(zhí)行系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速要求的前提下，一般可取i稍大于ic，有利于動力端和執(zhí)行端的特性匹配。3.齒輪減速器產(chǎn)品及選用3.4.2齒輪傳動（2）齒輪減速器的選用步驟3）輸出轉(zhuǎn)矩的選擇TGA和TGB分別為齒輪減速器的額定輸出轉(zhuǎn)矩和最大加減速力矩，單位為Nm；TWA和TWB分別為負(fù)載端的平均轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；KS為負(fù)載系數(shù)，一般可根據(jù)實際工況選擇。3.齒輪減速器產(chǎn)品及選用3.4.2齒輪傳動（2）齒輪減速器的選用步驟7）慣量比驗算JL、JG和JM分別為負(fù)載、減速器及電機軸的轉(zhuǎn)動慣量，單位均為kgm2；i為齒輪減速器的傳動比。

慣量比表征了負(fù)載端和動力源的特性匹配情況，是動力源（如伺服電機）的選用依據(jù)之一，應(yīng)位于合理范圍之內(nèi)。1.工作原理及特點3.4.3諧波齒輪傳動a）基本組成

b）嚙合原理2.傳動比計算3.4.3諧波齒輪傳動n1、n2、n3分別為剛輪、柔輪和波發(fā)生器的轉(zhuǎn)速，單位均為r/min；z1、

z2分別為剛輪和柔輪的齒數(shù)。（1）剛輪固定，即n1=0時（2）柔輪固定，即n2=0時1.同步帶傳動的特點及類型3.4.4同步帶傳動同步帶傳動也稱嚙合型帶傳動，主要是依靠同步帶2上的齒與帶輪1、3上的齒槽之間的嚙合來傳遞運動和動力。

同步帶傳動兼具帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點，因而廣泛用于傳動比要求比較精確的場合。1.同步帶傳動的特點及類型3.4.4同步帶傳動按尺寸規(guī)格來分，同步帶傳動可分為模數(shù)制和節(jié)距制兩種，其主要參數(shù)分別為帶齒節(jié)距和模數(shù)。對于一般工業(yè)用（梯形齒）同步帶傳動，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11616-2013中按節(jié)距不同規(guī)定了7種型號的同步帶及帶輪規(guī)格。對于圓弧齒同步帶傳動，機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7512-2014中規(guī)定了5種型號。2.同步帶的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)3.4.4同步帶傳動3.同步帶輪的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)3.4.4同步帶傳動4.同步帶傳動的設(shè)計計算3.4.4同步帶傳動（1）結(jié)構(gòu)形式的選擇（2）同步帶類型和節(jié)距Pb的選擇（3）小帶輪齒數(shù)z1和大帶輪齒數(shù)z2的選擇（4）小帶輪節(jié)圓直徑和大帶輪節(jié)圓直徑的確定（5）帶速v的驗算（6）中心距和同步帶節(jié)線長度的初步確定（7）實際中心距的確定（8）小帶輪嚙合齒數(shù)的驗算（9）

同步帶寬bs的驗算（10）工作能力的驗算1.滾珠螺旋傳動的結(jié)構(gòu)及特點3.4.5滾珠螺旋傳動滾珠螺旋傳動是在螺桿和螺母的螺旋滾道間布置有適量滾動體，利用滾動螺旋副來傳遞運動和動力的裝置，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和直線運動之間的轉(zhuǎn)換，主要由滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠以及滾珠循環(huán)返回裝置（返向器）四部分組成。1.滾珠螺旋傳動的結(jié)構(gòu)及特點3.4.5滾珠螺旋傳動內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)外循環(huán)結(jié)構(gòu)由于絲杠和螺母之間為滾動摩擦，滾珠螺旋傳動具有如下特點：摩擦阻力小，低速時無爬行現(xiàn)象傳動平穩(wěn)，噪聲小可獲得大的力增益，傳動能力強，傳動效率（可達(dá)90％以上）高經(jīng)調(diào)整和預(yù)緊后，可提高傳動精度磨損小，使用壽命長結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，抗沖擊性能不如滑動螺旋傳動1.滾珠螺旋傳動的結(jié)構(gòu)及特點3.4.5滾珠螺旋傳動2.滾珠螺旋傳動的主要尺寸參數(shù)3.4.5滾珠螺旋傳動（1）公稱直徑d0（2）導(dǎo)程Ph（3）行程l3.滾珠螺旋傳動軸向間隙的調(diào)整及預(yù)緊方式3.4.5滾珠螺旋傳動壓縮式預(yù)緊拉緊式預(yù)緊（1）雙螺母墊片預(yù)緊3.滾珠螺旋傳動軸向間隙的調(diào)整及預(yù)緊方式3.4.5滾珠螺旋傳動變位導(dǎo)程預(yù)緊滾珠過盈預(yù)緊（2）單螺母預(yù)緊4.滾珠螺旋傳動的支承形式3.4.5滾珠螺旋傳動雙推-雙推單推-單推雙推-簡支雙推-自由5.滾珠絲杠副的設(shè)計計算3.4.5滾珠螺旋傳動（1）精度的選擇（2）導(dǎo)程的選擇（3）絲杠螺紋長度的確定（4）額定動載荷Cm的計算（5）滾珠絲杠螺紋小徑d2的計算（6）滾珠絲杠副規(guī)格型號的確定3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.5機械結(jié)構(gòu)設(shè)計1.軸系支承結(jié)構(gòu)的基本要求（1）旋轉(zhuǎn)精度。旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后在無負(fù)載及低速旋轉(zhuǎn)條件下，軸前端的徑向及軸向跳動量，其大小取決于軸系各組成零件及支承部件的加工精度和裝配精度。（2）剛度。軸系的剛度反映了軸系組件抵抗靜、動載荷變形的能力。（3）抗振性。

軸系的振動通常表現(xiàn)為強迫振動和自激振動兩種形式，其原因主要來自于軸承組件質(zhì)量不均勻引起的不平衡、軸系的剛度以及外載荷。（4）熱變形。

軸系的溫度變化會導(dǎo)致軸發(fā)生熱變形或使軸系零件間隙發(fā)生變化，從而影響整個傳動系統(tǒng)的傳動精度、旋轉(zhuǎn)精度及位置精度。2.軸系支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）軸上零件裝配方案的制訂裝配方案一裝配方案二2.軸系支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）軸上零件的定位與固定1）軸向定位與固定2.軸系支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）軸上零件的定位與固定2）周向定位與固定2.軸系支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（3）軸幾何尺寸的確定1）確定各軸段的直徑2）確定各軸段的長度2.軸系支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（4）其他設(shè)計要點1）軸的結(jié)構(gòu)工藝性鍵槽的布置砂輪越程槽螺紋退刀槽非定位軸肩導(dǎo)向圓錐面2.軸系支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（4）其他設(shè)計要點2）軸系的調(diào)整（間隙調(diào)整和位置調(diào)整）調(diào)整墊片螺紋連接件+軸承外圈壓蓋軸系位置的調(diào)整3.常見軸系支承結(jié)構(gòu)舉例3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）轉(zhuǎn)動副的常見結(jié)構(gòu)整體式附加軸套式3.常見軸系支承結(jié)構(gòu)舉例3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）“固定+游動”軸系支承結(jié)構(gòu)3.常見軸系支承結(jié)構(gòu)舉例3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（3）“單向固定”軸系支承結(jié)構(gòu)3.常見軸系支承結(jié)構(gòu)舉例3.5.1軸系支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（4）“固定+自由”軸系支承結(jié)構(gòu)1.移動支承結(jié)構(gòu)的基本要求3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計移動支承結(jié)構(gòu)主要是用來支承和限制運動部件按照規(guī)定的運動方向和運動要求進行移動，一般由支承導(dǎo)軌（也稱靜導(dǎo)軌）和運動導(dǎo)軌（也稱滑塊）兩部分組成。根據(jù)導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)，一般可分為滑動摩擦導(dǎo)軌副、滾動摩擦導(dǎo)軌副和流體摩擦導(dǎo)軌副三種。根據(jù)導(dǎo)軌面的接觸特點，一般可分為棱柱面接觸式和圓柱面接觸式兩種。1.移動支承結(jié)構(gòu)的基本要求3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）導(dǎo)向精度（2）耐磨性（3）剛度（4）精度保持性（5）低速運動平穩(wěn)性（6）結(jié)構(gòu)工藝性2.滑動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）滑動導(dǎo)軌副的截面形狀及組合形式2.滑動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）滑動導(dǎo)軌副的截面形狀及組合形式雙矩形導(dǎo)軌副雙三角形導(dǎo)軌副“三角形+矩形”組合2.滑動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）滑動導(dǎo)軌副的間隙調(diào)整矩形導(dǎo)軌副的間隙調(diào)整方法2.滑動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）滑動導(dǎo)軌副的間隙調(diào)整燕尾形導(dǎo)軌副的間隙調(diào)整方法3.滾動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）滾動導(dǎo)軌副的特點及類型1）摩擦系數(shù)小（常為0.003~0.005）、運動靈活，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；2）移動速度高、響應(yīng)速度快；3）可通過預(yù)緊提高剛性；4）定位精度高、使用壽命長；5）安裝、使用、維護方便；6）接觸應(yīng)力大、抗振性差；7）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、成本高；8）對臟物敏感，須有可靠防護3.滾動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）滾動導(dǎo)軌副的特點及類型滾動導(dǎo)軌副已系列化和產(chǎn)品化，并在各類機電一體化產(chǎn)品當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用滾珠式滾柱式按滾動體形狀分類3.滾動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）滾動導(dǎo)軌副的特點及類型滾動導(dǎo)軌副已系列化和產(chǎn)品化，并在各類機電一體化產(chǎn)品當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用方形圓形按導(dǎo)軌截面形狀分類3.滾動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）滾動導(dǎo)軌副的選用1）選擇直線導(dǎo)軌的精度和預(yù)緊程度2）確定直線導(dǎo)軌的許用載荷3）選擇直線導(dǎo)軌的數(shù)量及配置安裝方式4）選擇直線導(dǎo)軌的潤滑方式單向定位雙向定位和固定3.滾動導(dǎo)軌副3.5.2移動支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計（3）滾動導(dǎo)軌副的防護1.機架類結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求3.5.3機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）靜剛度高（2）抗振性好（3）熱變形小（4）穩(wěn)定性好（5）結(jié)構(gòu)工藝性好2.機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點3.5.3機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）提高機架自身剛度的措施1）合理選擇截面的形狀和尺寸2.機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點3.5.3機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）提高機架自身剛度的措施2）合理布置肋板2.機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點3.5.3機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計（2）提高機架局部剛度的措施2.機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點3.5.3機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計（3）提高機架接觸剛度的措施1）減少接觸面的有效接觸面積提高機架連接面局部剛度的結(jié)構(gòu)2）增大接觸面的預(yù)緊力2.機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點3.5.3機架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計（4）提高結(jié)構(gòu)工藝性的途徑3.6.1任務(wù)描述3.6物料搬運機器人項目設(shè)計實踐該案例的主要任務(wù)是在規(guī)定時間內(nèi)，利用機電系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的基礎(chǔ)理論、技術(shù)與方法，開發(fā)出1臺物料搬運機器人，可以在850mm×500mm的工作臺上實現(xiàn)把指定工位（如工位A）上的物料搬到另一個給定工位（如工位B）。3.6.1

任務(wù)描述被搬運物料的形狀、尺寸、重量及搬運要求如下：（1）物料的形狀：圓柱形；（2）物料的外形尺寸：不大于Φ50mm×80mm；（3）物料的重量：不大于100g；（4）物料擺放要求：左側(cè)圓形區(qū)域上第i個工位Ai上的物料搬運至右側(cè)圓形區(qū)域相對應(yīng)的第i個工位Bi區(qū)域。3.6.2

設(shè)計規(guī)劃根據(jù)如上任務(wù)描述，按需求設(shè)計該物料搬運機器人的功能、性能等方面。1.需求分析2.功能分析通過如上需求分析及物料搬運的工藝流程，該自動搬運機器人的核心功能為物料的搬運，總功能包括物料的抓放、機械臂回轉(zhuǎn)、機械臂升降以及小臂擺動等功能。3.6.2

設(shè)計規(guī)劃1.原理方案設(shè)計3.6.3

執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計2.運動方案設(shè)計3.6.3

執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計在物料搬運過程中，機器人應(yīng)該從初始位置開始，先帶動手爪運動到適合物料抓取的位置，手爪閉合夾緊物料；然后，手爪帶動物料運動到目標(biāo)位置，下降至指定位置，松開手爪釋放物料。最后，機器人返回初始位置，完成一次物料搬運。（1）

工作流程設(shè)計2.運動方案設(shè)計3.6.3

執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計（2）執(zhí)行機構(gòu)主要構(gòu)型參數(shù)執(zhí)行機構(gòu)名稱主要構(gòu)型參數(shù)機械臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)l

機械臂回轉(zhuǎn)運動范圍：-110°~

+250°機械臂升降機構(gòu)l

機械臂升降運動范圍：0

~

100mml

大臂長度（l1）：230mm小臂擺動機構(gòu)l

小臂水平擺動角度范圍：0

~

60°l

小臂長度（l2）：200mm手爪開合機構(gòu)l

齒輪機構(gòu)中心距（lO1O2）：42mml

曲柄長度（lOB=lAC）：12mml

連桿長度（lBC

=lOA）：28.2mml

曲柄固定鉸鏈點A1、A2間距（lA1A2）：16mml

手爪開合范圍：47.4mm~

56mm3.工作循環(huán)圖設(shè)計3.6.3

執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計3.6.4

傳動系統(tǒng)設(shè)計由該物料搬運機器人原理方案可知，其執(zhí)行系統(tǒng)所包含的4個執(zhí)行機構(gòu)均為單自由度機構(gòu)，因此共需要4個原動件。手爪開合機構(gòu)和小臂擺動機構(gòu)的原動件（如舵機）可直接與各自執(zhí)行機構(gòu)連接，無需傳動系統(tǒng)。機械臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)由于負(fù)載較大，通常需要傳動系統(tǒng)。1.機械臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動元件的選用3.6.4

傳動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)臺面直徑60mm重復(fù)定位精度0.05°角度范圍360°定位精度0.01°傳動比90:1回程間隙0.005°中心負(fù)載30kg最大旋轉(zhuǎn)速度50°/s重量1.2kg偏心誤差5μm2.機械臂升降機構(gòu)傳動元件的選用3.6.4

傳動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)絲杠直徑12mm負(fù)載水平≤50kg，豎直≤20kg絲杠導(dǎo)程4mm運行速度0~100mm/s絲杠精度±0.03mm有效行程100mm3.6.5

結(jié)構(gòu)設(shè)計思考題與習(xí)題3-1試以某6自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人為例，進行其功能目標(biāo)的描述？3-2試以某掃地機器人為例，進行功能分析，并以功能樹表示？3-3試設(shè)計一種物料智能分揀系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)方案。已知物料為Φ30mm×20mm的實心圓柱形物體，有鋁合金（銀白色）、尼龍（黃色）、木材（紅色）3種不同材質(zhì)和顏色。具體要求如下：（1）分揀前有物料存儲裝置，隨機放置；（2）分揀后按類存放，拿取方便。3-4試進行題3-3所示執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)圖設(shè)計？3-5現(xiàn)有一水平移動工作臺，擬選用滾珠絲杠副進行驅(qū)動。已知工作臺的最大負(fù)載（含工作臺自重）為8000N，往復(fù)移動行程為500mm，最大移動速度為0.1m/s，定位精度0.05mm，絲杠的最大轉(zhuǎn)速為300rpm，工作平穩(wěn)，溫度變化不大。試合理選擇該滾珠絲杠副的規(guī)格型號（可參考某一產(chǎn)品樣本），并設(shè)計滾珠絲杠副兩端的軸系支承結(jié)構(gòu)。第四章驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)4.1概述4.2常用驅(qū)動系統(tǒng)分類4.3步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)原理及選用4.4直流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)原理及選用4.5交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)原理及選用4.6驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)項目實踐4.1.1驅(qū)動系統(tǒng)組成和基本要求4.1概述

電驅(qū)動系統(tǒng)組成4.1.1驅(qū)動系統(tǒng)組成和基本要求4.1概述

（1）精度高（2）穩(wěn)定性好（3）響應(yīng)快（4）調(diào)速范圍寬（5）低速大轉(zhuǎn)矩（6）可靠性高（7）經(jīng)濟性好（8）集成性高4.1.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的原則和內(nèi)容4.1概述

（1）需求分析（2）軟硬件設(shè)計（3）智能化設(shè)計（4）接口設(shè)計（5）標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計（6）電磁兼容性（7）法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)遵循（8）可靠性與維護性（9）測試與驗證4.2常用驅(qū)動系統(tǒng)分類4.3步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)原理及選用

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的控制電動機，每輸入一個電脈沖時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。角位移由脈沖數(shù)控制；轉(zhuǎn)速由脈沖頻率控制；旋轉(zhuǎn)方向由分配脈沖的相序控制。步進電動機具有以下特點：（1）在步進電動機的負(fù)載能力范圍內(nèi)，步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等）的影響，只要它們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生“丟步”，就不影響其正常工作；（2）步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫L期積累；

（3）控制性能好，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進電動機的轉(zhuǎn)速，并能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；（4）帶負(fù)載慣量的能力不強，低速運行時可能會出現(xiàn)振動或共振現(xiàn)象，在高速運行時可能會失步；（5）制造成本較低，但無法適應(yīng)高精度、高性能的應(yīng)用場合。4.3步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)原理及選用4.3.1步進電動機結(jié)構(gòu)和工作原理按工作原理，步進電動機可以分為：1.可變磁阻式2.永磁式3.混合式4.3.1步進電動機結(jié)構(gòu)和工作原理1.可變磁阻式三相可變磁阻式步進電動機工作原理簡化單/雙六拍通電方式工作原理圖三相雙三拍通電方式工作原理圖4.3.1步進電動機結(jié)構(gòu)和工作原理永磁型步進電動機的定子為凸極式，定子上有兩相或多相繞組，轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同，定子繞組通電時建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。2.永磁式

4.3.1步進電動機結(jié)構(gòu)和工作原理混合式步進電動機是將永磁式和可變磁阻式相結(jié)合的一種形式，轉(zhuǎn)子沿軸向方向兩兩互相間隔些許距離排列，有若干對鐵芯，鐵芯外周制有小齒，每對鐵心之間的間隙中會插入磁化方向為軸向的圓盤形強磁體，使得每對鐵芯被磁化為N極和S極。3.混合式4.3.1步進電動機結(jié)構(gòu)和工作原理混合式步進電動機工作原理3.混合式4.3.1步進電動機結(jié)構(gòu)和工作原理兩相混合式步進電動機的轉(zhuǎn)矩矢量圖兩相混合式步進電動機4細(xì)分驅(qū)動電流波形圖3.混合式

靜態(tài)運行是指通電狀態(tài)不變，電機處于穩(wěn)定狀態(tài)時的特性。空載時，轉(zhuǎn)子處在小齒中心線與定子齒的中心線相重合位置，