哈工大机械系统设计课件第1章 绪论

机械系统设计白相林上课时间(1～2周，8～11)周三5-6节地点：正心116

周五3-4节地点：正心116考试时间：14周周四13:45—15:45考试地点：0408105班:正心22；0408106班:正心33；0408107班:正心3411课堂授课：24学时2实验：6学时课程安排成绩构成1考试成绩占80%实验占10%平时成绩占10%旷课次数超过3次，取消考试资格21课程简介本课程属于机械工程科学中的一门课程。突出三点：机械、系统、设计（与机械原理、机械零件课程的区别）机械系统：

由若干个零、部件及装置组成的一个特定系统，即是一个由确定的质量、刚度、阻尼的若干个物质所组成，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统。机械系统是各种产业机械的基础。课程简介3

本课程从系统的观点出发，叙述机械系统的组成、工作原理、应用条件、特点以及他们的设计方法和一般要求。

1）绪论(6时)（含机械系统的现代设计方法简介）

2）机械系统的总体设计（6时）(含功能原理和结构总体设计)3）执行系统（2时）

4）传动系统（2时）(变速、起停、换向、制动、安全保护)5）支撑系统（1时）（机架、导轨、地基）

6）操纵系统和安全系统（1.5时）

7）润滑系统及其工艺过程冷却（1.5时）

8）价值工程、绿色设计、微系统（4时）

本课程学习目的是充分利用学到的有关课程（机械原理、机械设计、理论力学、材料力学、金属材料及热处理等）会进行合理的机械系统设计。突出的是系统设计而不是单一零件的设计。学习内容41）从系统的角度认识机械系统并开展机械系统的总体设计；

学习目的2）引入现代设计方法和理论的基本概念；

3）掌握机械系统中典型子系统的分类、组成、设计方法；4）掌握利用以前学到的关于机械系统设计有关的基础知识，根据特定的功能来设计机械系统，这是这门课的核心内容；5）明确如何判定一个设计方案是否是优秀的方案的原则。5例：三轴飞行仿真转台61.1机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用

机械工程科学是研究机械产品的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学，机械工程科学可以按其经历阶段分为机械学和机械制造两大分学科。

1）首先研究的是机械产品的性能

2）从满足产品性能的目的出发进行设计（总体设计和技术设计）

3）利用一定的方法和技术手段制造出该产品

注意：产品制造完成后最终的目的还是要出售，要出售的不是产品的本身，而是产品的性能和服务。

表征产品性能主要参数指标：功能、适应性、可靠性、安全性、使用成本等第一章绪论7机械工程科学的组成及相互关系1）用先进的设计技术设计出“质量很差的产品”；

2）用先进的制造技术生产出“落后的高质量的产品”8机械设计与制造的关系：设计与制造是不可分的统一体。设计是核心，制造是基础。

1）脱离了制造的设计会导致产品质量的低劣。由于制造系统本身的特定条件，对设计过程有极强的约束作用，所以在设计过程中必须考虑到现有制造系统的工艺能力对所设计产品性能的影响。

2）脱离了设计的制造会导致产品性能的落后。如果设计的产品从理论上或原理上存在先天不足，那么加工制造的质量再好，也无法弥补设计上的缺陷。机械设计与制造的关系：制造对设计的约束作用

9

机械学是对机械进行功能综合并定量描述及控制其性能的基础技术科学。

机械学的主要任务：把各种知识、信息注入到设计中，加工成机械制造系统能接受的信息，并加工出合乎设计要求的产品的过程。

机械学的研究对象：

1)

机械工程中图形的表示原理和方法

2)机械运动中的运动和力的变换与传递规律

3)

机械零件与构件中的应力、应变和机械的失效

4)

机械中的摩擦行为

5)

设计过程中的思维活动规律及其设计手段

6)机械系统与人、环境的相互影响等机械学/机械学的主要任务/机械学的研究对象10机械学的研究对象(按学科分类)机械学的研究对象按学科来分：1)

制图学

2)

机构学

3)

机械结构强度学4)

机械振动学

5)

摩擦学

6)

传动机械学7)

设计理论与方法学

8)

机器人机械学9)人-机工程学等分学科。

11人机工程学：研究机械系统与人和周围环境关系的科学。人机工程学的两种设计思想：1）以人为中心；2）以机器为中心

机械学的研究对象——人机工程学注意：两种设计思想均正确，针对不同的矛盾采用不同的设计思想

以机器为中心通常是设计者考虑问题的出发点——如何以最佳的原理及结构实现系统的功能。以人为中心通常是用户或使用者/操作者考虑问题的出发点——如何以最舒适、最人性化的方式使用机器。要求设计者和用户沟通，以便实现最佳的产品性能和操作性能12机械学包含的分学科13

机械制造科学：研究机械制造系统、机械制造过程手段的科学。包括：硬件（设备）、软件（工艺方法）机械制造科学的基本概念机械制造学包括热加工和冷加工。14热加工：研究如何将材料加工成产品，如何保证、评估、提高这些产品安全可靠度和寿命的技术科学。主要内容：

1)

研究如何将材料加工成为一定形状及尺寸的机器部件

2)

研究在加工过程中保证或改进材料的内部组织、化学成分和加工性能

3)

研究发展机器部件所需的本体材料或其表面层

4)

研究机器部件的疲劳、蠕变、断裂韧性、应力腐蚀、寿命等使用性能问题

5)

研究加工工艺、加工装备机器自动流水线机械热加工学按方法可分为：铸造、锻造、焊接、金属热处理、无损探测、表面工程等分学科。机械制造学的基本概念——热加工15冷加工：研究各种机械制造过程和方法的技术科学。冷加工主要研究内容有：

1)

机械加工和装配工艺过程的生产装备及其自动化、集成化与智能化

2)

机械加工和装配工艺的过程和方法

3)机械制造（冷加工）的基础理论。机械制造学的基本概念——冷加工16机械（无严格的定论）：须由两个以上的零、部件组成；这些零、部件中的运动部件，应按设计要求作确定的运动；把外来的能源变为有用的机械功。机械产品随处可见。系统：指具有特定功能的、相互间有一定联系的许多要素构成的整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体。机械系统：由若干个零、部件及装置组成的一个特定系统，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统。系统的特性：

1)目的性；2)相关性与整体性；3)环境的适应性。二机械、机械系统、系统的基本概念和特点17

目的性：完成特定的功能是系统存在的目的。

系统特性

相关性与整体性：系统是由两个或两个以上要素构成的，而每个要素之间都是有机地并以特定的关系联系在一起的，即相关性。这样，当每个要素自身发生变化时，就会影响到与此要素相关的其它要素，同时各要素间的相互作用相互影响也会对系统产生影响。

环境适应性：任何一个系统都存在于一定的环境中，当环境变化时，就会对系统产生影响，严重时会使系统的功能发生变化，甚至丧失功能。由于外部环境总是不断变化着，而系统本身大多数情况下也总处于动态的工作过程中，因此，为了使系统运行良好，并完成特定功能，必须使系统对外部环境的各种变化和干扰有良好的适应性。18

机械系统主要由动力系统、执行系统、传动系统、操作和控制系统、支承系统及润滑-冷却及密封系统等子系统组成。三、机械系统的组成

191）任何系统都离不开机械系统2）机械系统是任何设备的基础，机械系统的技术指标直接影响设备的性能。四、机械系统的地位与作用20汽车中的机械系统四、机械系统的地位与作用（举例）21机器人中的机械系统

机器人设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。

下面以工业机器人为例，介绍机器人的一般组成、各部分作用以及机械手的一般结构。四、机械系统的地位与作用（机器人）2218世纪瑞士的写字偶人哈工大爬壁机器人爬缆索机器人仿人机器人北航仿生鱼管道机器人23

排雷机器人“索杰纳”火星车引导机器人

工业机器人241）机器人的基本组成及各部分功能驱动系统：机器人各个关节即每个运动自由度的动力装置机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成．

感受系统：它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息

机器人—环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统．人—机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能．四、机械系统的地位与作用25四、机械系统的地位与作用（举例：机器人）机器人中的机械系统262）机械手的结构

手臂型机器人通常称为机械手或机器人手臂。同样具有机械系统的特征和要素。图2.3机械手的概念图四、机械系统的地位与作用（机器人）27常用机械手手臂机构图2-4油缸和齿轮齿条手臂机构图2-5气缸和齿轮齿条增倍手臂机构（手臂回转运动）

（手臂伸缩运动——增倍）四、机械系统的地位与作用（机器人）28常用机械手手爪机构图2.6回转型手爪机构图2-7平移型手爪机构四、机械系统的地位与作用（机器人）29四、机械系统的地位与作用（转台）转台分为两大类：测试转台、仿真转台用途：

1）测试转台用于加速度计、陀螺仪等的标定；

2）仿真用转台用于航天器动态跟踪精度和性能仿真测试

转台中的机械系统主要包括：

1）驱动电机（动力原件，一般用交流无刷力矩电机）；

2）精密机械轴系（高精度轴承）；

3）测角系统；

4）安全保护系统；

5）底座（支承系统）；

6）框架/负载安装界面（执行系统）；

7）润滑及密封装置。30功能：标定加速度计；原理：加速度计标定原理分两种情况

1）小于等于1g；2）大于1g；机械系统结构：

1）转台主轴轴系采用密珠支撑，以提高支承刚度和运动精度

2）分度转台的定位精度主要有一对端齿盘保证

3）精密测角系统

4）操纵系统

5）执行系统（负载安装盘）1）位置精度1〃2）位置重复性<0.5〃1加速度计、陀螺仪测试用角位置转台312单轴位置速率转台

323三轴伺服转台

33典型三轴转台机械系统结构图34典型三轴转台照片——速率模式35机电一体化系统有五大要素组成

1）动力；2）机构；3）执行器；4）计算机；5）传感器现代机械系统：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相联系的系统。现代机械系统的概念机电一体化产品的组成要素36本次课小结机械工程学科及分类机械设计与制造的关系机械、系统和机械系统机器人系统、转台系统371.2机械系统设计的任务、基本原则及要求一、机械系统设计的任务及设计类型任务是开发新的产品和改造老产品，最终目的是为市场提供优质高效、物美价廉的机械产品，以取得较好的经济效益。机械系统设计的特点：

(1)多解性一个设计方案不可能同时满足所有用户的要求；能满足同一用户需求的设计方案一般来说也不止一个；设计的多解性为同类功能的产品适应不同要求提供了可能。

(2)创新性善于把新的科技成果进行科学而巧妙的构思应用到产品中去

(3)系统性（系统工程，需要考虑的因素很多）38机械系统设计的特点系统性的含义及要考虑的因素：

1）用户对产品技术性、经济性的要求；

2）必须考虑与产品加工和制造、产品运输、产品维修/维护/保养的约束条件；

3）解决技术可行和产品可靠性的问题；（技术成熟程度、可靠性高低，风险大小）

4）需要解决的关键技术及须采取的措施

5）考虑机械产品本身的系统性（有竞争力的机械产品是用系统工程的方法对合格的零部件进行科学组合、合理匹配的结果）

6）面对市场和考虑企业自身发展；39机械系统设计的分类大致可以分为三类：

1)完全创新设计

2)适应性设计（适应新要求）（继承设计）

3)变异性设计（适应某方面有所变更的要求）（变型设计）

一、机械系统设计的任务及设计类型完全创新设计：所设计的产品是过去从没有过的全新产品。此类设计的特点是只知道新产品的功用，但对确保实现该功能应采用的工作原理及结构等问题完全未知，没有任何参考资料。

完全创新设计的特点：

产品的主功能、主功能的工作原理、主功能载体的结构，这三者中至少有一项是首创的40二、机械系统设计的基本原则及要求

做好机械系统设计的重要性产品获得所需要经历的两个阶段：设计阶段、制造阶段。

1）由于设计和制造的相互影响和密不可分性，在设计阶段要充分考虑到制造的影响；（连接设计与制造的是工艺）

2）在设计阶段避免犯颠覆性或原理性的错误

3）制造缺陷影响产品质量、而设计缺陷则影响产品的性能41

一般设计原则主要包括满足：

(1)需求原则；（一切设计都是以满足客观需求为出发点）

(2)信息原则；（在设计前作调查研究，广泛收集资料和必要信息，不能闭门造车。要记住市场的敏感性，可能已经有了想要的产品，不做市场调查和信息收集往往会导致你作无用功）

(3)系统原则；（从系统的观点出发，抓住主要矛盾，忽略或降低次要矛盾对系统性能的影响进行设计）

(4)优化、效益原则；（优化的目的是提高效益；优化的内容包括原理、设计参数、总体方案、成本、价值、效率优化等）

二、机械系统设计的基本原则及要求42设计要求的重要性设计要求：既是设计、制造、试验、鉴定、验收的依据，同时又是用户衡量的尺度。所以，在设计前，必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。

要求我们在设计前必须对所进行的设计要求有一个清晰明确的认识必要时要与用户进行沟通，详细了解用户对产品的性能、产品的使用环境、维护/保养条件、产品的安装位置等二、机械系统设计的基本原则及要求43

设计要求主要包括：

(1)功能要求

(2)适应性要求、(3)可靠性要求、

(4)生产能力要求

(5)使用经济性要求(6)成本要求等。功能要求:

1）用户购买的是产品的功能（说明功能的重要性）。

2）功能与技术、经济性密切相关

3）功能减少可能会丧失市场，要在满足基本功能的情况下，科学的对功能进行取舍适应性要求：

1）适应性要求指当工作状态发生变化时产品的适应程度；

2）适应性的提高将会给产品的设计、制造、维护等方面带来很大困难，甚至达不到。二、机械系统设计的基本原则及要求44可靠性要求:

1）可靠性要求指系统、产品、零件在规定的使用条件下，在预期的使用时间内完成规定功能的概率。

设计要求主要包括：

(1)功能要求

(2)适应性要求、(3)可靠性要求、

(4)生产能力要求

(5)使用经济性要求(6)成本要求等。生产能力要求:

1）生产能力要求指单位时间内所能完成工作量的多少，是一项重要的技术指标。

2）提高生产力可能会带来负面问题，只有负面问题得到妥善解决后去提高生产能力才有意义二、机械系统设计的基本原则及要求45

设计要求主要包括：

(1)功能要求

(2)适应性要求、(3)可靠性要求、

(4)生产能力要求

(5)使用经济性要求(6)成本要求等。使用经济性要求:

1）使用经济性指单位时间内生产的价值与同时间内使用费用的差值，使用经济性越高越好；

2）使用费用主要包括：原材料、辅料消耗、能源消耗、保养维修、折旧、工具耗损、操作人员的工资等。（买车时最有体会了）成本要求:

1）成本高低直接影响竞争力；

2）在机械产品中，要注意材料费用，主要是材料品质、利用率、废品率。二、机械系统设计的基本原则及要求46

从图1.11可以看出机械产品的成本组成，它主要由材料费、工资以及附加费三部分组成。介绍机械产品成本组成的目的是学会如何从设计的角度来降低产品的成本。

机械产品成本组成中与设计有关的因素1）材料的数量、质量；2）工序的数量、工序时间、工人技术级别；

3）设计的简化；4）安全系数（举例，吊车）；5）零件结构；6）制造方法；7）设计精度机械产品成本的主要组成47图1-12表示了产品生产过程和寿命阶段的大致流程。三、产品设计、产生过程48

在产品设计、生产流程图中属于设计过程的主要有产品策划阶段和产品设计阶段。产品生产属于制造过程。三、产品设计、生产过程产品策划阶段的任务：

1）了解市场需求；

市场需求分析：对产品功能和用户群体等的定位及市场前景分析

2）何时、为那种市场开发、创造和销售那种产品；

3）详细介绍产品的开发目的、性能和其他必要数据。

总之，产品策划阶段是为了给某一用户或某一类用户而开发的产品制定详细的任务书，在整个设计过程中起着指导性的作用。49市场需求分析和产品策划的主要内容：三、产品设计、生产过程2）有关产品的国内外水平和发展趋势（*）

3）预期达到的目标

(设计水平、技术特点、经济和社会效益等)

4）提出设计和制造方面所需解决的关键问题（*）5）现场条件下开发产品的可能性及准备采取的措施（*）6）预算投资费用及项目的进度和期限（*）容易被设计者特别是经验不足的设计者忽略的问题1）产品开发的必要性和市场需求预测50

设计阶段又分为功能原理方案设计阶段、结构总体设计阶段和技术设计阶段。（各阶段任务）

功能原理方案设计阶段的任务：在功能分析的基础上，通过创新思维、优化筛选、方案综合及评价决策，最后得到一个较理想的功能原理方案。

结构总体设计阶段的任务：把功能原理方案具体化,在此阶段主要完成产品的总体布置图、尺寸参数、运动参数、动力参数的确定以及所需的各种装配图。

技术设计阶段的任务：根据总装配图绘制零件图，编制技术文件（如设计说明书，各种工艺文件、标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等）。另外除了教材中列出的工作以外，还应有编制产品的测试方法、使用说明书、维护手册等

功能原理方案设计阶段的重要性：功能原理方案的好坏将决定产品的性能、成本、水平及竞争力，是设计阶段的关键。三、产品设计、生产过程51功能原理方案设计和结构总体设计的重要性举例：举例：投标一般投标时所提供的标书技术文档包含两部分内容，一是技术文档，另外一部分是商业文档。技术文档详细给出了应标的详细技术方案，主要是功能原理方案和结构总体方案。各投标方在技术上PK的是功能原理方案和结构总体方案。评标委员会根据你的功能原理方案、报价、技术成熟程度、可靠性等打分，最后确定中标单位。三、产品设计、生产过程52三、产品设计、生产过程——补充内容

商品化设计：其任务是保证产品不仅在技术上可行，而且在市场竞争中也能取得成功。商品化设计的核心是功能原理的新颖性，基础是产品技术性能的先进性，包装是市场要求的适应性。需对设计策赂、销售策略和经营策略进行全面考虑。商品化设计阶段的工作重点是：

1）实现性能的实用性变化，包括适应不同使用条件、开发新的用途、增添附加性能等；

2）零部件标准化、性能尺寸规格系列化、非标准零部件通用化和零件结构模块化等；

3）产品的工业艺术造型设计；

4）产品的价值分析等。53三、产品设计、生产过程——补充内容产品的商品化设计举例-叉车541.3机械系统设计方法一、机械系统的设计方法

1）传统设计方法2）现代设计方法传统设计方法：经验设计方法、半经验半理论的设计方法经验设计方法：

设计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计。经验设计方法特点：

1）用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求

2）结构的安全系数较大，经济性差

3）只是依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。

4）产品研制周期长，产品的质量低、成本高。55一、机械系统的设计方法

传统设计方法——半经验半理论的设计方法半经验半理论设计方法：

1）加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究

2）为设计提供了大量的信息，如设计数据、图表图册等；

3）加强了关键零部件的试验研究，使整机试验趋于完善，大大提高了设计速度和成功率；

4）加强了零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。

半经验设计方法与经验设计方法相比，大大减少了设计的盲目性，有效地缩短了设计周期．提高了机械产品的质量和寿命．降低了成本。1.3机械系统设计方法56

传统设计方法因其简易方便至今仍被广泛应用，但其不足之处主要表现在：

①在设计理论上，主要集中在揭示设计对象的内在机理，而未将“设计”本身作为一门学科进行研究，对设计对象内在机理的分析也仅局限于采用简化模型；

②在设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、技术与经济、技术与美学、设计与销售等关系辩证地统一起来，融会贯通于设计之中，因而设计方法上有很大的局限性；

③在设计本质上，未能将创造性设计提高到应有高度来认识和研究，使具体设计缺乏创造性的思维方法。1.3机械系统设计方法571机械系统的现代设计方法现代设计方法现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的简称。是科学方法论在设计中的应用。这些方法可以应用到各行各业，应用到机械设计中，则称为机械系统的现代设计方法。1.3机械系统设计方法58现代设计方法的内容主要包括：信息论方法—如信息分析法、技术预测法，是现代设计方法的前提系统论方法—如系统设计法、人——机工程等控制论方法—如动态分析设计法优化论方法—优化设计法是现代设计的目标对应论方法—如相似设计法智能论方法—如CAD、CAM等，是核心寿命论方法—如可靠性设计和价值工程等离散论方法—如有限元和边界分析设计法模糊论方法—如模糊设计法突变论方法—如创造性设计等，是现代设计法的基础艺术论方法—如艺术造型设计591设计方法学11模块化设计2优化设计12热稳定性设计3可靠性设计13精度设计4工业艺术造型设计14相似设计5有限元法15设计专家系统6动态设计16并行设计7计算机辅助设计17绿色设计8疲劳强度设计18虚拟设计9损伤容限设计19智能工程10摩擦学设计20反求工程现代设计方法602现代设计方法与传统设计方法的比较现代设计方法特点：动态的、科学的、计算机化的方法。将那些在科学领域内得到的所有科学方法论应用到工程设计中。主动的设计产品的参数。缩短产品的设计周期。提高产品的质量并降低其成本。612现代设计方法与传统设计方法的比较现代设计方法与传统设计方法的不同之处主要表现在以下几方面：(1)设计性质(传统设计偏重于设计技术；现代设计面向功能目标)(2)设计思维(传统设计朝向结构方案的“收敛性思维”；现代设计面向产品总功能的“发散性思维”)(3)设计方法(传统设计采用少数的验证分析以满足限定的约束条件；现代设计是用多元性方法直接综合使其在各种情况下实现方案与全域优化目标)(4)设计手段(传统设计是用计算器、图板、手册的个体手工作业；现代设计充分利用计算机、自动绘图和数据库管理，集团分工协作)62现代设计方法与传统设计方法的不同之处主要表现在以下几方面：(5)设计对象(传统设计局限在零件和结构上；现代设计则注重机械系统的全局构成，包括造型艺术)(6)设计工况(传统设计避开复杂问题，只按确定工况与静态考虑；现代设计则研究动态的随机工况、模糊性与其它一系列问题)(7)设计评价(传统设计采用单项与手册标准为准则（如强度、成本等）；现代设计方法则用科学的模糊综合评价)2现代设计方法与传统设计方法的比较6364为什么采用可靠性设计

可靠性：产品(或系统)在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性的基本概念65可靠性定义主要包括了以下五个基本要素：(2)规定的条件常指使用条件、环境条件、操作条件和维护条件等，这些条件对可靠性会有直接影响。

(3)规定的时间一般是指对象的工作期限,该期限可以用时间、次数或距离等表示。

(4)规定的功能每一对象都有其所要求的功能，功能常用各项规定的指标来表示。产品丧失功能的状态称为发生故障或失效。(5)能力完