3.1概述3.2機械系統(tǒng)設計規(guī)劃3.3執(zhí)行系統(tǒng)方案設計3.4機械傳動系統(tǒng)設計3.5機械結構設計3.6物料搬運機器人項目設計實踐第三章機械系統(tǒng)設計與開發(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、狀態(tài)等，對作業(yè)對象進行檢測、度量等任務。傳動系統(tǒng)

將執(zhí)行系統(tǒng)所需要的運動和動力由驅動系統(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)驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調運行，保證整個機械系統(tǒng)能準確、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)的設計要求是產品設計、制造、試驗、鑒定和驗收的依據(jù)，也是用戶評價的標準。機械系統(tǒng)一般應具備如下幾個方面的要求：功能要求性能要求適應性要求經(jīng)濟性要求2.機械系統(tǒng)設計的原則及內容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)設計的原則及內容3.1概述

主要內容：設計規(guī)劃、方案設計和技術設計三個階段。1.需求分析3.2機械系統(tǒng)設計規(guī)劃

物質需求和精神需求

物質需求通常體現(xiàn)為市場對產品的物質形態(tài)和技術指標等要求；而精神需求則通常是指用戶對產品的心理預期，例如產品的造型、色彩、使用體驗以及售后服務等需求。生活需求和生產需求

根據(jù)需求的目的來分，可分為生活需求和生產需求兩類。對于生活需求，應在滿足功能的同時，使用戶有良好的體驗感；對于生產需求，除滿足功能外，重點應關注其技術附加值、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)設計規(guī)劃

需求的表征形式

功能是產品的核心和本質，產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)過程當中，通常需要根據(jù)產品的設計任務書，確定合理、明確的功能目標，如定性指標、定量指標以及約束條件等。這些目標既是產品開發(fā)的依據(jù)，也是鑒定驗收的標準。因此，制訂功能目標應嚴謹、可操作性強。

1.需求分析3.2機械系統(tǒng)設計規(guī)劃

需求的表征形式

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

2.功能分析3.2機械系統(tǒng)設計規(guī)劃

產品的核心功能與總功能產品開發(fā)的實質就是實現(xiàn)產品的功能。按照功能所起的作用，產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品開發(fā)的關鍵。但產品僅實現(xiàn)核心功能是不夠的，產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，稱為產品的總功能。

2.功能分析3.2

機械系統(tǒng)設計規(guī)劃

產品的功能分解

對于相對比較復雜的機械系統(tǒng)，直接實現(xiàn)總功能比較困難。因此，總功能的構思、分析和設計是一項綜合性和創(chuàng)造性的工作，通?？刹捎霉δ芊纸獾姆椒ǎ瑢a品的總功能分解成比較簡單的功能單元，更有利于尋求產品的功能原理方案。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)方案設計

執(zhí)行系統(tǒng)是指機械系統(tǒng)中能直接完成預期工作任務的子系統(tǒng)，主要由執(zhí)行末端件和與之相連接的執(zhí)行機構組成。執(zhí)行機構是將傳動系統(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)預期的工作任務。執(zhí)行機構可以是由具有單一功能的基本機構組成，也可以是由多個基本機構組合而成。

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（齒輪5、6）和連桿機構（構件3、4、7、8及手指1、2）共同組成執(zhí)行機構；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（曲柄搖桿機構）。

1.執(zhí)行系統(tǒng)的組成

執(zhí)行系統(tǒng)需要在執(zhí)行機構和執(zhí)行末端件的協(xié)調工作下完成預期任務，執(zhí)行機構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)的功能主要有轉動或移動、力（或扭矩）加載、抓取與夾持、搬運與輸送、分度與轉位等。

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)行機構的數(shù)量及其相互關系，執(zhí)行機構通?？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)預期精度要求的動作（如位移、速度等），對執(zhí)行系統(tǒng)中各構件的強度、剛度等無特殊要求掃地機器人、印刷機、打印機、激光加工設備及機器人焊接設備等動力型執(zhí)行系統(tǒng)需克服較大生產阻力做功，對執(zhí)行系統(tǒng)中各構件的強度、剛度等有嚴格要求，但對運動精度無特殊要求沖壓設備、挖掘機、碎石機以及起重設備等動作-動力型要求執(zhí)行系統(tǒng)既能實現(xiàn)預期精度要求的動作，又能克服較大生產阻力做功數(shù)控車床、銑削加工中心、齒輪加工設備等執(zhí)行系統(tǒng)中執(zhí)行機構的數(shù)量及其相互關系單一型執(zhí)行系統(tǒng)僅由一個執(zhí)行機構組成天線俯仰機構、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)行機構工作，但它們之間相互獨立，沒有運動及生產阻力等方面的聯(lián)系和制約車床的工件旋轉與刀具的移動、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)行機構工作，且它們之間有運動及生產阻力等方面的聯(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)行機構簡介增力機構當給機構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動力（或驅動力矩），則稱這樣的機構為增力機構。

肘桿機構在工作時，滑塊5做往復直線移動，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

行程放大機構該機構可視為由一個曲柄搖桿機構和一個滑塊機構串聯(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)行機構簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

供料機構在抓料鉤式供料機構中，受鋼球3的鎖定作用，當氣缸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，從而使機構復位，至此就完成了一次供料動作。轉盤式供料機構4.常見執(zhí)行機構簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

螺旋機構以鏜床中鏜刀的微調機構為例，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的旋向相同而導程不同，因而為差動螺旋機構。當轉動螺桿時，鏜刀相對于鏜桿做微量移動，用于調整鏜孔時的進刀量。彈簧則用于消除螺旋副的間隙。

螺旋機構在數(shù)控工作臺中的應用4.常見執(zhí)行機構簡介3.3.1

執(zhí)行系統(tǒng)的組成、功能及分類

螺旋機構間歇運動機構的主要作用是將主動件的連續(xù)轉動或往復擺動轉換為周期性的運動和停歇，通常由槽輪機構、棘輪機構、不完全齒輪機構或凸輪間歇機構實現(xiàn)，在自動化生產線或設備當中應用比較廣泛。1.參考常用機構、相關專利或類似產品，合理選擇執(zhí)行機構類型3.3.2

執(zhí)行系統(tǒng)的原理方案設計運動轉換形式機構類型應用舉例連續(xù)轉動→連續(xù)轉動連桿機構（如雙曲柄機構、轉動導桿機構）、齒輪機構、帶傳動機構、鏈傳動機構、摩擦輪傳動機構等蒸汽機車的車輪聯(lián)動機構、慣性振動篩機構、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、生產線上物料的輸送帶機構、摩托車中的鏈條傳動、滾輪平盤式無級變速器等連續(xù)轉動→往復擺動連桿機構（如曲柄搖桿機構、擺動導桿機構）、擺動從動件凸輪機構等鄂式破碎機、天線俯仰機構、牛頭刨床進給機構、擺動式油泵機構、繞線機排線凸輪機構等連續(xù)轉動→往復移動連桿機構（如曲柄滑塊機構）、移動從動件凸輪機構、齒輪齒條機構、鏈傳動機構、螺旋傳動機構等偏心輪壓力機中的沖頭運動機構、內燃機配氣凸輪機構、生產線上的自動送料機構、普通車床溜板箱的移動機構、數(shù)控銑床中的工作臺移動機構、臺虎鉗以及鏈條式升降臺等連續(xù)轉動→間歇運動槽輪機構、分度凸輪機構等自動生產線中的槽輪機構（如機床刀架轉位機構、蜂窩煤成型機模盤轉位機構以及灌裝生產線等）、自動機械中的弧面分度凸輪機構（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)轉動→平面運動平面連桿機構、周轉輪系機構等連桿攪拌器機構（曲柄搖桿機構中連桿作為攪拌構件）、行星攪拌器機構（行星輪系中行星架作為攪拌構件）1.參考常用機構、相關專利或類似產品，合理選擇執(zhí)行機構類型3.3.2

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

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

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

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

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

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

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

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

b）360°轉頭風扇2.運用創(chuàng)新思維方法，構思新型執(zhí)行機構3.3.2

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

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

b）基本工作流程1.執(zhí)行系統(tǒng)的工作流程設計3.3.3

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

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計

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

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

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計

執(zhí)行機構運動分析的任務是求解機構主動構件與輸出構件之間的運動關系，從而得到該機構的各種運動學特性。它主要包含兩方面的內容：一是已知主動構件的運動規(guī)律,求解未知輸出構件的運動規(guī)律，稱為機構的運動學正解；二是已知輸出構件的運動規(guī)律,求解未知主動構件的運動規(guī)律，稱為機構的運動學逆解。

位置分析、速度分析和加速度分析是機構運動學分析的重要研究內容，同時也是機構工作空間分析、剛度分析、精度分析以及運動控制的基礎。就機構運動學分析方法而言，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)行機構的運動循環(huán)在執(zhí)行系統(tǒng)工作循環(huán)周期內相互關系的示意圖。

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

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計(1)運動循環(huán)圖的表示方法TM為執(zhí)行機構的運動循環(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)行機構的運動循環(huán)周期2.執(zhí)行機構的運動循環(huán)圖設計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計(2)運動循環(huán)圖的設計步驟1）確定執(zhí)行機構的運動循環(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)行機構的運動循環(huán)圖。2.執(zhí)行機構的運動循環(huán)圖設計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計(2)運動循環(huán)圖的設計步驟以自動壓痕機的壓痕機構為例，來說明其運動循環(huán)圖的設計過程，給定條件壓痕頭應在工件上停留的時間為2s。若給定壓痕機構的生產率為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)行機構的運動循環(huán)圖設計3.3.4

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計壓痕頭應在工件上停留的時間為2s。若給定壓痕機構的生產率為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)行機構的運動循環(huán)圖設計3.3.4

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

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

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計以自動壓痕機為例（1）各執(zhí)行機構的運動要求及相互之間的動作配合要求1）推料機構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）推料機構的推桿返回初始位置，同時安裝下一個物料；3）壓痕機構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)圖設計3.3.4

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

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

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

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

執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設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、類型及設計要求3.4

機械傳動系統(tǒng)設計

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、往復移動等），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性能，并傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)完成工作任務。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））按驅動形式獨立驅動（每個執(zhí)行機構均由各自的動力源進行驅動）集中驅動（用一個動力源驅動多個執(zhí)行機構）聯(lián)合驅動（由多個動力源驅動一個執(zhí)行機構）3.機械傳動系統(tǒng)的設計要求3.4.1傳動系統(tǒng)的功能、類型及設計要求

（1）功能要求。滿足執(zhí)行機構的運動形式變換、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。滿足結構簡單、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)定的范圍內即可。3.齒輪減速器產品及選用3.4.2齒輪傳動（1）齒輪減速器的常見結構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.齒輪減速器產品及選用3.4.2齒輪傳動（2）齒輪減速器的選用步驟1）結構形式的選擇2）傳動比的選擇3）輸出轉矩的選擇4）輸入轉速的選擇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為電機的額定轉速，nLA為執(zhí)行系統(tǒng)的平均工作轉速計算完成后，可根據(jù)計算結果ic，結合產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）輸出轉矩的選擇TGA和TGB分別為齒輪減速器的額定輸出轉矩和最大加減速力矩，單位為Nm；TWA和TWB分別為負載端的平均轉矩和最大轉矩，單位為Nm；KS為負載系數(shù)，一般可根據(jù)實際工況選擇。3.齒輪減速器產品及選用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分別為負載、減速器及電機軸的轉動慣量，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，應位于合理范圍之內。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，國家標準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)標準JB/T7512-2014中規(guī)定了5種型號。2.同步帶的結構及主要參數(shù)3.4.4同步帶傳動3.同步帶輪的結構及主要參數(shù)3.4.4同步帶傳動4.同步帶傳動的設計計算3.4.4同步帶傳動（1）結構形式的選擇（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.滾珠螺旋傳動的結構及特點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)旋轉運動和直線運動之間的轉換，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.滾珠螺旋傳動的結構及特點3.4.5滾珠螺旋傳動內循環(huán)結構外循環(huán)結構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)調整和預緊后，可提高傳動精度磨損小，使用壽命長結構復雜，制造較困難，抗沖擊性能不如滑動螺旋傳動1.滾珠螺旋傳動的結構及特點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）導程Ph（3）行程l3.滾珠螺旋傳動軸向間隙的調整及預緊方式3.4.5滾珠螺旋傳動壓縮式預緊拉緊式預緊（1）雙螺母墊片預緊3.滾珠螺旋傳動軸向間隙的調整及預緊方式3.4.5滾珠螺旋傳動變位導程預緊滾珠過盈預緊（2）單螺母預緊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.滾珠絲杠副的設計計算3.4.5滾珠螺旋傳動（1）精度的選擇（2）導程的選擇（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軸系支承結構的設計3.5機械結構設計1.軸系支承結構的基本要求（1）旋轉精度。旋轉精度是指裝配后在無負載及低速旋轉條件下，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、旋轉精度及位置精度。2.軸系支承結構設計的一般步驟3.5.1軸系支承結構的設計（1）軸上零件裝配方案的制訂裝配方案一裝配方案二2.軸系支承結構設計的一般步驟3.5.1軸系支承結構的設計（2）軸上零件的定位與固定1）軸向定位與固定2.軸系支承結構設計的一般步驟3.5.1軸系支承結構的設計（2）軸上零件的定位與固定2）周向定位與固定2.軸系支承結構設計的一般步驟3.5.1軸系支承結構的設計（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.軸系支承結構設計的一般步驟3.5.1軸系支承結構的設計（4）其他設計要點1）軸的結構工藝性鍵槽的布置砂輪越程槽螺紋退刀槽非定位軸肩導向圓錐面2.軸系支承結構設計的一般步驟3.5.1軸系支承結構的設計（4）其他設計要點2）軸系的調整（間隙調整和位置調整）調整墊片螺紋連接件+軸承外圈壓蓋軸系位置的調整3.常見軸系支承結構舉例3.5.1軸系支承結構的設計（1）轉動副的常見結構整體式附加軸套式3.常見軸系支承結構舉例3.5.1軸系支承結構的設計（2）“固定+游動”軸系支承結構3.常見軸系支承結構舉例3.5.1軸系支承結構的設計（3）“單向固定”軸系支承結構3.常見軸系支承結構舉例3.5.1軸系支承結構的設計（4）“固定+自由”軸系支承結構1.移動支承結構的基本要求3.5.2移動支承結構的設計移動支承結構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，一般由支承導軌（也稱靜導軌）和運動導軌（也稱滑塊）兩部分組成。根據(jù)導軌面間的摩擦性質，一般可分為滑動摩擦導軌副、滾動摩擦導軌副和流體摩擦導軌副三種。根據(jù)導軌面的接觸特點，一般可分為棱柱面接觸式和圓柱面接觸式兩種。1.移動支承結構的基本要求3.5.2移動支承結構的設計（1）導向精度（2）耐磨性（3）剛度（4）精度保持性（5）低速運動平穩(wěn)性（6）結構工藝性2.滑動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（1）滑動導軌副的截面形狀及組合形式2.滑動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（1）滑動導軌副的截面形狀及組合形式雙矩形導軌副雙三角形導軌副“三角形+矩形”組合2.滑動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（2）滑動導軌副的間隙調整矩形導軌副的間隙調整方法2.滑動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（2）滑動導軌副的間隙調整燕尾形導軌副的間隙調整方法3.滾動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（1）滾動導軌副的特點及類型1）摩擦系數(shù)?。ǔ?.003~0.005）、運動靈活，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；2）移動速度高、響應速度快；3）可通過預緊提高剛性；4）定位精度高、使用壽命長；5）安裝、使用、維護方便；6）接觸應力大、抗振性差；7）結構復雜、制造困難、成本高；8）對臟物敏感，須有可靠防護3.滾動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（1）滾動導軌副的特點及類型滾動導軌副已系列化和產品化，并在各類機電一體化產品當中得到廣泛應用滾珠式滾柱式按滾動體形狀分類3.滾動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（1）滾動導軌副的特點及類型滾動導軌副已系列化和產品化，并在各類機電一體化產品當中得到廣泛應用方形圓形按導軌截面形狀分類3.滾動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（2）滾動導軌副的選用1）選擇直線導軌的精度和預緊程度2）確定直線導軌的許用載荷3）選擇直線導軌的數(shù)量及配置安裝方式4）選擇直線導軌的潤滑方式單向定位雙向定位和固定3.滾動導軌副3.5.2移動支承結構的設計（3）滾動導軌副的防護1.機架類結構設計的基本要求3.5.3機架類結構的設計（1）靜剛度高（2）抗振性好（3）熱變形?。?）穩(wěn)定性好（5）結構工藝性好2.機架類結構的設計要點3.5.3機架類結構的設計（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.機架類結構的設計要點3.5.3機架類結構的設計（1）提高機架自身剛度的措施2）合理布置肋板2.機架類結構的設計要點3.5.3機架類結構的設計（2）提高機架局部剛度的措施2.機架類結構的設計要點3.5.3機架類結構的設計（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構2）增大接觸面的預緊力2.機架類結構的設計要點3.5.3機架類結構的設計（4）提高結構工藝性的途徑3.6.1任務描述3.6物料搬運機器人項目設計實踐該案例的主要任務是在規(guī)定時間內，利用機電系統(tǒng)設計與開發(fā)的基礎理論、技術與方法，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：左側圓形區(qū)域上第i個工位Ai上的物料搬運至右側圓形區(qū)域相對應的第i個工位Bi區(qū)域。3.6.2

設計規(guī)劃根據(jù)如上任務描述，按需求設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