机械工程导论第四章3和8节

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河北工程大学——工程师的摇蓝主讲：孙振军

河北工程大学——工程师的摇蓝机械工程导论§4.3机械系统的物料流设计第四章机械系统设计4.3.1物料流的基本概念及其重要性

物料流指的是机械系统工作过程中一切物料，如毛坯、成品、半成品、废料、液体等的运动变化过程。

各种物料的流动构成了机械工作的整个过程，原材料、零部件在运动中不断地被变形、组装，最终形成产品。第四章机械系统设计§4.3机械系统的物料流设计第四章机械系统设计在物料流中，最主要的物料是机械的作业对象，其他的物料都是根据所选定的工艺过程为其服务的。例如，在数控加工中心中，最主要的物料是待加工的工件，其他的物料如刀具、切削液等都为加工工件这一任务服务。

因此，作业对象的转化流程也称主物料流程，简称主流程，其他的物料流为辅助物料流程。需注意的是，机械系统中是否需要辅助物料流需要根据具体条件分析确定。

物料流系统的设计非常重要，机械系统设计的过程实际上就是围绕物料流尤其是主流程展开的。第四章机械系统设计1、物料流系统决定了机械系统的总体布置

由于物料的输入或输出部分往往要受制于周围条件，例如，联合收割机的输人物料为生长在田地里的庄稼，因此物料输入部分就应放在贴近庄稼的位置。而当输入或输出部分决定下来后，与其相连的物料流的其他部分也就可以相应地确定下来，从而可以将对应的能量流部分(含驱动及传动部分)的位置决定下来。因此说，物料流系统决定了机械系统的总体布置情况。例如：联合收割机的输入物料为生长在田地里的庄稼，因此物料输入部分就应放在贴近地的位置。第四章机械系统设计第四章机械系统设计2、物料流系统决定了能量流系统的主要参数

能量流所提供的能量主要用于物料的运动、变形等目的。能量流中动力机的容量主要取决于物料的量与性质。例如，推土机所推土的种类及铲斗大小将直接决定其发动机的功率。而物料流动的速度决定了相应的传动部分的速比。例如，传动带输送机的物料所需的输送速度决定了传动带的速度，也就决定了动力机与传动带间的速比关系。洗衣机洗涤与甩干时，物料(衣物)需要不同的转速，因而在洗涤与甩干时就有不同速比的两条传动路线。因此说，物料流系统决定了能量流系统的主要参数。

第四章机械系统设计第四章机械系统设计3、物料流系统是信息流系统的主要控制对象

信息流的主要作用就是根据机械系统工作进程的具体情况对工作进程进行必要的操纵和调整，而机械系统的工作进程实际上也就是物料流运动与转换进程。例如，轴加工中的启动、停止、运动方向和速度的变换等实际上也就是加工机床的工作进程，无论这些动作是由人工完成还是由控制系统自动完成的，都是根据被加工轴所需而定的。另外，机械的工作节拍也是决定物料流输入、输出的节拍。因此说，信息流系统的设计也决定于物料流系统。例如，轴加工中的启动、停止、运动方向和速度的变换等实际上也就是加工机床的工作进程，无论这些动作是由人工完成还是由控制系统自动完成的，都是根据被加工轴所需而定的。第四章机械系统设计凸轮轴的加工：加工时，刀具的行走路线要给凸轮的轮廓相吻合第四章机械系统设计4.3.2物料流系统的组成

物料流一般由加工、输送、储存、检验几部分组成。

1、加工

机械系统用以完成转变或改变加工对象的形态、结构、性质、外观等的动作或运动统称为加工，如联合收割机的切割、脱粒等工作，激光打印机打印指定文档的过程，车床完成工件车削的过程等都可以称为“加工”。它通过机械系统及辅助设施或操作者的共同作用而完成。

第四章机械系统设计第四章机械系统设计2、输送

输送是指在各工作位置之间移动物料，以改变其空间位置的功能，一般也称为物料输送。它也是机械系统完成预期功能所不可缺少的一项作业。物料输送工作的高效化、系统化可以提高机械系统的工作效率。

第四章机械系统设计3、储存

储存又称为停滞，是指在一段时间内，使工件处于无任何形状和空间位置改变的状态。激光打印机及复印机中纸张在储纸器中的存放，制造企业中工件在加工工序前等待和加工后的停放，都是储存的典型例子。一般的储存都伴随着加工和传送活动之间的不平衡而出现。例如，打印机及复印机的工作特性是时断时续的，实际不可能也没必要每打印或复印一页就加一页纸，因此需在储纸器中储存一定数量的纸张。在制造企业中，制造过程中工序之间的停滞，称为制品储存。适量的储存对平滑的和具有柔性的物料流来说，起一种缓冲作用，对于保证用户的需求和机械系统稳定运行有着重要作用。第四章机械系统设计第四章机械系统设计4、检验

在制造系统中，检验的含义是广义的，主要是指对物料的质量控制。检验是一个和加工相互对立而又相互统一的物料流作业环节，特别是在现代制造系统中，广义的检验功能已愈来愈重要。第四章机械系统设计上述物流过程的四种基本形态一般是交错和重复出现的，有时其中的两个过程或多个过程是一体的。

例如，塑料在普通螺杆挤出机的挤出过程，其中，物料(塑料颗粒)在挤出机中由螺旋输送的过程也就完成了加工的过程，输送与加工两个过程是一体的。第四章机械系统设计为实现上述运动，物料流系统的构成一般应包括：存储子系统(含物料供应、中间储存及最后的成品储存)、输送子系统以及定位与装夹装置，执行子系统。一个典型的物料流系统的构成如图所示。存储系统输送系统定位装夹物料检验输送系统定位装夹系统存储系统物料检验加工加工第四章机械系统设计l-硬币堆放、输送；2-排列、分送、选钱；3-分选、计数；4-码漯；5-送纸、切纸；6-包卷；7-卷边图示为硬币计数包卷机的物料流第四章机械系统设计4.3.1.3生产线物流系统

一切物资实体(物资及其载体)的物理流动过程，即物资场所(位置)的转移及其时间的占用均可称为物流。有人把物流比做利润的第三源泉，即在降低成本、销售成本的同时，更着眼于降低物流成本。

美国是世界上现代化物流发展得比较早的国家，物流的研究和发展备受重视，早在1980年的全美物资讨论会上，研究者们就指出，在产品生产的整个过程中，仅仅有5％的时间用于加工和制造。剩余95％的时间都用于储存、装卸、等待加工和输送。在美国，直接劳动成本所占比例不足工厂总成本的10％，并且这一比例还在不断下降；而储存、运输所支付的费用却占生产成本的40％。人们深切地感到，生产过程中的“油水”几乎已被榨干，要想从中取得明显的效益提高已经是相当困难的了，而物料输送、储存过程还存在着极大的潜力，有待挖掘。第四章机械系统设计在生产线的设计中，物流系统的设计尤为重要，它直接影响到整个生产系统的工作效率。柔性制造系统(FMS)是一种典型的成组布局的生产线。其思想是，机床或设备按照成组工艺分组，每一组设备可以用来生产一个零件族的零件，不同的零件可以按不同的工艺路径，有不同的物料流。这种方式下，零件(物料)传输的路径较短，生产率较高。图示为一个柔性制造系统的实例。可以看出，各种物料(材料、半成品、成品、工具等)在该系统中可以通过计算机硬件及软件系统的控制在系统中合理地流动。第四章机械系统设计l-计算机房；2-工具仓库；3-机器人；4-装卸站；5-光缆；6-自动仓库；7-升降吊车；8-工具推车；9-卧式加工中心；l0-机器人；11-磨床；12-加工件仓库机器人工上下料；13-立式加工中心；14-立体仓库；15-立体仓库；16-无人送料车；17-工作台；18-夹具零件，装卸；19-零件仓库；20-升降吊车；21-装卸站；22-卧式加工中心；23-无人送料车第四章机械系统设计4.4机械系统的能量流设计任何机械的正常工作都必须要有一定的能量来保证。能量是由能量流系统中的驱动装置提供的，故能量流系统设计是非常重要的。而其中最主要的任务之一就是选择合适的驱动装置(动力机)。

能量流系统的起点是驱动装置，来自机械系统外部的能量(如电能)通过驱动装置流向机械系统的各有关环节或子系统。其中：一部分用以维持各环节或子系统的运动；另一部分通过传递、损耗、储存、转化等有关过程，完成机械系统的有关功能，即这一部分能量的终点是机械运动系统中的执行部件，作用是带动执行部件作功以改变材料或工件的性质、形态、形状或位置等，实际上就是克服系统所承受的载荷。第四章机械系统设计

驱动装置(动力机)可分为电力驱动(电动机)、液压驱动(液压泵、液压马达)、气压驱动(气马达)及热机(内燃机、汽轮机等，其中主要是内燃机)四大类，当用于机械系统时，一般需用减速器输出需要的转速或利用凸轮等机构形式来改变运动形态。如果应用变频器、伺服驱动等调控装置，则可以省去这些机械装置。一般来说，进行能量流机械系统设计应解决如下四个方面的问题：①机械系统中能量流动状况和特征分折；②工作机械的载荷计算；③驱动装置的选择；④系统能量匹配与设计。第四章机械系统设计4.5机械运动系统设计机械运动系统是一系列传动机构和执行机构组成，在各种机械系统中都大量存在着各种运动构件，它们分别具有传动、操纵和执行功用。根据其功用不同，我们把它们分别称为传动系统(包括变速装置、起停与换向装置、制动装置及安全保护装置)、执行系统、操纵系统，总称机械运动系统。第四章机械系统设计4.5.1传动系统

传动系统将原动机的运动和动力传递给执行机构的中间装置。组成传动联的一系列传动件称为传动链，所有传动链及它们之间的相互联系组成传动系统。传动系统处于能量流系统的中间位置，它主要用于将原动机的运动和动力传递给执行机构。

传动系统主要是由变速装置、起停与换向装置、制动装置以及安全保护装置组成。如图所示，离合器4(起停装置)、变速器5(传动装置)、制动装置6、中间传动轴7、主传动轴9以及万向节10构成普通货车的传动系统。第四章机械系统设计l-前保险杠；2-转向车轮；3-发动机；4-离合器；5-变速器；6-制动装置；7-中间传动轴；8-车架；9-主传动轴；10-万向节；11-驱动车轮；12-后钢板弹簧；13-牵引钩；14-后桥；15-汽油箱；l6-蓄电池；17-转向盘；18-制动踏板；19-离合器踏板；20-起动机；21-前桥；22-发电机；23-前钢板弹簧第四章机械系统设计1、传动系统的功能：传动系统通常是机械系统的重要组成部分，其功能是连接动力机和执行机构，并把动力机的运动和动力经适当变换，以满足执行机构的作业要求。具体来说，传动系统有如下一些功能：1）减速或增速：将动力机的速度降低或提高，以适应执行系统的工作需求。2）变速：进行有机或无机变速，以满足执行系统工作速度变化的要求。3）改变运动规律或运动形式：把动力机的等速转动转变为按，某种规律变化的转动、摆动或移动，其中包括间歇转动或间歇移动。4）传递动力：把动力机传输的动力传递给执行系统，供执行系统完成预定工艺动作过程所需的驱动力矩或驱动力。第四章机械系统设计2、传动系统的任务：①将动力机输出的速度降低或增高，以适合执行机构的需要。②直接用动力机进行调速不经济或不可能时，采用变速传动来满足执行机构经常变速的要求。③将动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的力矩或力。④将动力机输出的等速旋转运动，转变为执行机构所要求的按某种规律变化的旋转或非旋转运动。⑤实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不相同速度的执行机构。⑥由于受到动力机或执行机构机体外形、尺寸等的限制，或为了安全和操作方便，执行机构不宜与动力机直接联系，也需要用传动装置来连接。根据结构和原理的不同，传动系统可分为机械传动、液压传动及气动传动、电磁传动系统。第四章机械系统设计3、传动系统的要求传动系统设计时应考虑下列要求：1）考虑动力机与执行机构的匹配，使它们的机械特性相适应，并使二者的工作特点接近各自的最佳工况点且工作点稳定。2）满足执行机构在起动、制动、调速、反向和空载等方面的要求。3）传动链应尽量简短。力求采用构件数目和运动副数目最少的构件，以简化结构、减少整机重量，降低制造费用，提高效率，同时也利于提高传动精度和系统刚度。4）布置紧凑，尽可能减小传动系统尺寸，减小所占空间。5）当载荷变化频繁，且可能出现过载时，应考虑过载保护装置。6）要有安全防护措施。第四章机械系统设计4.5.2执行系统执行系统是机械系统中的一个重要组成部分，是直接完成机械系统预期工作任务的部分。是能量流系统、物料流系统及信息流系统的交汇点。4.5.2.1执行系统的组成及分类1．执行系统的组成与功能

执行系统由执行构件和与之相连的执行机构组成，它或是与工作对象直接接触并携带其完成一定的动作(例如铣床的分度装置)，或是在工作对象上完成一定的动作(例如曲柄压力机的滑块即工作头)。

执行机构的作用是传递和变换运动与动力，即把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的变换，以满足执行构件的要求。第四章机械系统设计

执行系统的功能主要有以下几种：(1)夹持夹持机构常用于加工或搬运工件，如自动生产线或自动机械中夹持工件或重物的工业机械手。夹持机构主要包括机械式、液压式、气压式和吸附式四种。“手指”是一种常见的夹持机构。(2)搬运搬运是指能把工件从一个位置，移送到另一个位置，并不限定移动路线，常见于生产白动线或自动机械中，如自动铣床的上下料机构和齿轮生产线上的两个工位的工件传递机构。第四章机械系统设计

(3)分度与转位分度是指对工件或者是工作台的角度进行精确的等分，如在插齿加工中要按给定的齿数等分齿轮。转位则是指将工件或工作台旋转一个给定的角度，如六角车床的刀架转位换刀等。机床中，分度与转位机构都装有定位装置，以保证分度与转位的准确和可靠。第四章机械系统设计

(4)检测在对工件的尺寸、形状及性能进行检验和测量时常用检测机构。检测的方法很多，但对于机械式检测方式，执行机构多为一个带有测试仪器或传感器的探头。

第四章机械系统设计

(5)加载加载指机械要执行系统对工作对象施加力或力矩以完成工作，例如材料压力加工、矿石粉碎机械、重物起吊和搬运等。根据机械系统的要求往往一个执行机构要有多个功能，如插齿机中带动插齿刀的机构既要施力又要有让刀功能。第四章机械系统设计

2、执行系统的分类执行系统可按其对运动和动力的不同要求分为动作型、动力型及动作—动力型。系统中执行机构数及其相互间的联系情况分为单一型、相互独立型及相互联系型。各类执行系统的特点和应用举例见表第四章机械系统设计

3、按照机械系统构成分析信息流在机械系统中的作用在机械系统设计过程中，要涉及机械系统能量流中的动力机、执行机构、传动系统、操纵系统、人机接口和控制系统设计等诸多方面，而每个方面的设计都涉及了信息的采集、处理、传递，此外，在信息流的通道中，对信息流的流向施加适当的控制，选择适当的控制策略，控制信息流在机械系统整体设计中的正确流向，可以实现和大大改进机械系统的功能。第四章机械系统设计

4.6.2信号的采集及处理在机械系统设计中，传感器与接口电路是其采集信息和处理信息的两大重要组成部分。4.6.2.1传感器

传感器是一种转换器。

传感器是测量器具的一部分,它直接用于被测量,是按照一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件.传感器的性能和可靠性将直接影响着整个测量装置的性能和可靠性，是对被测量系统实施控制的重要依据。传感器可认为是人类感官的延伸,借助传感器可以去探测那些人们无法用感官直接识别的事物.因此,可以说传感器是人们认识自然界事物的有力工具.第四章机械系统设计1、传感器的组成一般情况下，传感器由敏感元件、转换元件(传感元件)和其他辅助元件组成。如图所示为传感器组成方框图。敏感元件或单元信号调理转换电路辅助电源转换元件(传感元件)被测量电量

敏感元件是一种直接感受被测量(通常为非电量)，并输出与被测量成某种函数关系的能最终转化为电量的其他量的元件。如应变式压力传感器中的弹性膜片就是一种敏感元件，它的作用是把压力这个被测量转换成弹性膜片的变形。第四章机械系统设计转换元件（传感元件）又称变换器，它是将由敏感元件输出的量转换成电量输出的元件。

仍以应变式压力传感器为例，转换元件的作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。由此可见，就应变式压力传感器而言，从被测量到电量的输出，需要从被测量到容易转换成电量的弹性膜片的变形为一次转换，再由弹性膜片转换成电量的二次转换，这是常规情况。当然，有些传感器是能实现从被测量到电量输出的一步到位。压阻式传感器就是把热敏电阻既作为敏感元件又作为转换元件而合二为一的传感器。光电式传感器中的许多光电转换器也都是属于这种传感器。第四章机械系统设计

2、传感器类型常见的有根据基本效应分类的，有根据构成原理分类的，有按照能量关系分类的，有按照作用原理分类的，也有按照输入量或者输出量分类的等。例如：开关量及接近传感器:光电传感器、涡流式传感器、磁式接近传感器、霍尔传感器等；速度、加速度传感器：测速发电机等；位移传感器：光栅式传感器、电编码器、旋转变压器等；还有力传感器、力矩传感器、温度传感器等。第四章机械系统设计

4.6.2.2传感器的一般特性一个良好的传感器必须要有良好的一般特性，以确保不失真地实现信号的转换，传感器的一般特性可分为静态特性和动态特性两种。

传感器的静态特性：传感器的静态特性是指输入的待测信号不随时间变换，或变化非常缓慢的特性，其重要指标分别是线性度、灵敏度、迟滞差（迟环）、重复性、阈值和分辨率。

传感器的动态特性：传感器的动态特性是指传感器对随时间变换的输入量响应特性。一个静态特性很好的传感器，若它的输出量不能及时随输入量的变化而变化，即响应缓慢，就会产生很大的动态误差。当传感器用以测量冲击、振动和压力等动态量时，都得考虑动态指标。第四章机械系统设计

4.6.2.3现代机器对传感器的基本要求和选用原则1、基本要求1）输入和输出之间成比例关系，直线性好，灵敏度高；2）内部发生的噪音小，不从外部引进噪声：噪声将对传感器的信号传递精度产生影响；3）滞后、漂移误差小：传感器的信号传递要求具有较快的响应速度和较小的误差，以满足实施信号采集和信号处理的要求。在机械系统设计时，特别要注意以下几点：1）要求精度高、灵敏度合理选择、测量范围宽；2）小型化、系列化、标准化；3）可靠性高、稳定性好。第四章机械系统设计2、选用原则关于传感器的性能指标目前国内外无统一的名词术语及定义，通常是根据若干基本参数和比较重要的环境参数选择传感器。下表给出几种类型指标。类型指标名称涉及内容基本参数指标量程指标量程范围、过载能力灵敏度指标灵敏度、满量程输出、分辨率等精度有关指标精度、线性度、重复性、迟滞等动态性能指标固有频率、阻尼系数、衰减率等环境参数指标温度指标工作温度范围、温度误差等抗冲振指标容许各项抗冲振的频率、振幅等其它环境参数抗潮湿、抗介质腐蚀能力等可靠性指标工作寿命平均无故障率时间、保险期、绝缘电阻、耐压及抗电弧等其它指标使用有关指标内阻、供电方式各项分布参数值、外形尺寸、重量、安装方式等第四章机械系统设计4.7人—机—环境工程设计人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破各学科之间的界限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合性边缘学科。因此，它具有现代各门新兴边缘学科共有的特点，如学科命名多样化、学科定义不统一、学科边界模糊、学科内容综合性强、学科应用范围广泛等。第四章机械系统设计1、学科的定义正如其它边缘学科一样，该学科所下的定义并不统一，随着学科的发展，其定义也在不断发生变化。美国人机工程学家C.C.伍德（CharlesC.Wood）对人机工程学所下的定义为：设备设计必须适合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代价而求得最高的效率。W.B伍德森则认为：人机工程学研究的是人与机器相互关系的合理方案，即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统的设计及其布置和作业系统的组合进行等进行有效的研究。著名的美国人机工程学及应用心理学家A.Chapamis说：人机工程学是在机械设计中，考虑如何使人获得操纵简便而又准确的一门学科。第四章机械系统设计

目前，国际人类工效学学会（简称IEA）为本学科所下的定义是最权威、也最全面的定义，即人机工程学是研究人在某种中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和休假是怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。我国1979年出版的《辞海》中对人机工程学下了比较明确的定义：即人机工程学是一门新兴的边缘学。它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。用以设计使操作者能发挥最大效能的机械、仪表和控制装置、并研究控制台上各个仪表的最适位置。第四章机械系统设计

2.人机工程学的起源与发展英国是世界上开展人机工程学研究最早的国家，但本学科的奠基性工作实际上是在美国完成的。所以，人机工程学有“起源于欧洲，形成于美洲”之说。人机工程学的形成与发展大致经历了三个阶段：1）经验人机工程学：20世纪出美国学者在传统的管理基础上，首创了新的管理方法和理论，并据此制定了一整套以提高工作效率为目的的操作方法，考虑了人使用的机器、工具、材料及作业环境的标准化问题。学科发展的主要特点是机械设计的主要着眼点在于力学、电学、热力学等工程技术的优选上，在人机关系上是以选择和培训操作者为主，使人适应机器。2）第二次世界大战期间：由于军事的需要开始重视“人的因素”，军事领域中对人的因素的研究和应用，使科学的人机工程学应运而生。发展特点是重视工业与工程设计中的人的因素，力求使机器适应于人。3）现代人机工程学：从60年代至今，为现代人机工程学发展阶段。科学领域中，由于控制论、信息论、系统论和人体科学等学科中新理论的建立，在本学科中应用“新三论”来进行人机系统的研究应运而生。第四章机械系统设计

3.研究方法人机工程学是从系统论的观点来研究人机环境组成的系统，研究这三要素及其相互见的关系。人机工程学的关键是人机之间的交互作用的问题，研究的重点是人。即从人的生理特征、心理特征考虑，是机、环境、人相互协调。如图是人机环境系统中三大要素相互关联的示意图。

上述即为人一机工程学的基本研究范畴，而除此之外，机器对人及环境的影响还有很多，如外观造型、振动及噪声等。

第四章机械系统设计

1）外观造型过去有人认为，机械产品只要性能好、能使用就行，不必考虑其美观性，即造型设计。但随着时代的进步，这种观点已被当前的市场竞争现实所否定，缺乏美感的机械产品早已不能适应市场的需求，人们已不能满足于追求产品单纯的使用目的，产品也应具有美的欣赏价值，使人觉得亲切、悦目、有人情味，同时，产品还应具有良好的舒适性和宜。汽车:第四章机械系统设计2）振动各种机器都处在各种激励的作用下，不可避免地要发生各种各样的振动。严重的振动将对机器仪表设备本身、人员以及周围环境中的其他机械设备带来各种危害，概括起来，表现在下面几个方面。①强烈而持续的振动会导致结构的疲劳破坏。②强烈的振动会导致设备的失效。③强烈的振动不仅损害机器、仪器和人体健康，它也是噪声的主要来源。第四章机械系统设计3）噪声噪声环境会严重影响到人的身心健康，人暴露在噪声环境中，特别是在强噪声环境中工作和生活，时间长了听觉能力下降，发生听觉疲劳和噪声烦恼，还会引起人体的神经系统、心血管系统、消化系统、内分泌系统等方面的疾病。此外，噪声也会对仪器设备、建筑物产生影响。大功率的强噪声会妨碍仪器设备的正常运转，造成仪表读数不准、失灵，甚至使金属材料因声疲劳而破坏。180dB的噪声能使金属变软，190dB能使铆钉脱落。大型喷气式飞机以超音速低空掠过时，它所发生的大功率冲击波有时能使建筑物玻璃震裂，甚至房屋倒塌。第四章机械系统设计机械系统设计中的人机工程学，人、机、环境构成了一个完整的系统，它们之间是相互作用、相互配合、相互制约的关系，但起主导作用的始终是人。人机工程设计的对象就是技术系统与操作者之间的“接口”，同时也要考虑人机之间的分工是否合理。人机工程学是运用生理学、心理学和其他有关学科知识，使机器与人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而提高工效的学科。它的分析原则是：对人的心理特点，设计最理想的机器和设备；通过结构设计方案的选择，能对人的能力的开发起到促进及刺激作用，以期唤起人们的活动乐趣；在人和机器的相互影响过程中能为操作者创造出保持正常情绪及最适当的生活紧张度的条件。1）显示装置设计；2）操作装置设计；3）产品造型设计；4）噪声的控制；5）振动的控制第四章机械系统设计4.8机械系统设计的专家系统及仿真机械系统设计是对机械系统进行构思、计划并把设想变为现实的技术实践活动，过去的设计多数都采用传统设计方法。首先，绘制工程图纸，经过长时间的方案论证后，制造并试验物理样机，当发现结构和性能缺陷时，就修改设计方案，然后，改进物理样机并再次进行物理样机试验，通常，在试制出合格产品之前，要经过多次反复的过程。这个过程，既延长了产品的开发周期，又增大了开发成本，且机械系统的结构越复杂，这种情况就越严重。但随着计算机技术的飞速发展，这一情况已得到了很大的改善，计算机技术已被运用到机械系统设计的整个过程中去，其中，专家系统与系统仿真技术在机械系统设计中起到了非常重要的作用。第四章机械系统设计4.8.1专家系统所谓专家系统，实际上是一个(或一组)能在某特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。例如：压力容器的设计，只有经国家认证的具有压力容器设计资格的单位里的有设计资格的人员即专家才能进行设计，但很多生产企业都不具备设计资格，压力容器设计专家系统就可以帮助解决这个问题，它将国家有关的设计计算的标准及人类专家的经验存入程序库或知识库中，构成专家系统，使一般稍具专业知识的设计人员就可借助它来进行设计，也可用来帮助有设计资格的人员(专家)减轻工作量。第四章机械系统设计一个成功的专家系统的作用是：①减少设计人员的负担。②适用于常规方法和分析程序无能为力的地方。③起快速的作用。④防止设计人员出错及保留系统的知识和经验的领域。应用专家系统并不是要代替人类专家，而是使他们从沉重的设计过程的负担中解放出来，以便能集中精力决策。专家系统的主要作用是提高工程师的素质和作为工程师的助手。把专家系统引入机械系统设计，在国外有20年左右的历史，在国内则更短。在这一计算机应用的新领域中，将计算机从数值处理扩展到非数值处理的范畴，包括知识与经验的集成、推理和决策，能使设计过程自动化、智能化，因而具有广阔的应用前景。第四章机械系统设计8.1.2设计技术与专家系统从设计技术这个角度来看，机械系统设计应包括三个侧面，如图所示。在这三个侧面中，理论方面和经验方面的多数范畴可以以计算机为主体来进行信息处理。随着计算机技术的发展，计算机在理论方面亦即科学计算方面的应用越来越广泛。目前，随着信息网络技术的进步，亦即数据库领域里，也迅速达到了可应用的阶段。第四章机械系统设计概念方面是以设计者作为信息处理的主体的部分，因而是最具有创造性方面的要求。狭义的设计技术可以定义为：充分利用计算机，进行技术计算以及设计中所必需的数据处理、生成记录等工作。将设计技术定义成设计人员和计算机共处的关系，则如图所示。设计技术（广义）设计技术（狭义）计算力学数据/规则库人机接口要求功能产品概念产品构思判断推理创造性工程开发工程市场概念判断理论分析想象第四章机械系统设计8.1.3机械系统仿真分析机械系统仿真分析采用虚拟样机技术，可以在计算机平台上对机械系统进行建模和仿真，确定子系统和零件的技术要求，是实施并行工程的一项非常重要的技术。例如，零件加工过程仿真，模拟刀具与零件在加工过程中的运动关系，在实际加工之前就可对加工过程一清二楚，避免了诸如碰刀、过切、虚切之类可能发生的问题。1）现代虚拟样机仿真方法虚拟样机是优化复杂机械系统的强有力工具。工程师们可以应用机械系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，快速分析多种设计方案，直至获得最优设计方案。当通过计算机模拟机械系统行为时，利用仿真软件中相应的功能，就可以完成无数次物理样机无法进行(成本、时间等不允许)的仿真试验。通过仿真软件还可以检查零件的运动干涉、评价系统振动水平、预测零件的变形、确定作用在零件上的载荷谱等。第四章机械系统设计fadongji整机效果图第四章机械系统设计2）仿真分析的目的及优点①优化设计：对于机械系统尤其是大型复杂的机械系统，使用仿真分析，可以在建立系统之前能够预测系统的性能和参数，从而使所设计的系统达到最优指标。②缩短周期、降低成本：在计算机上建造虚拟样机，可以大大减少制造一试验物理样机的需求。用户可以使用所建立的虚拟样机，并在实际试验条件下进行