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?？煞譃閱我恍?、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?。?）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