机械设计、控制与机器人林彬（2009/11/10）一、现代机械设计理论与方法 二、系统与控制理论 三、机器人一、现代机械设计理论与方法2009/11/101、设计及其重要性、设计及其重要性2、现代机械与传统机械、现代机械与传统机械3、现代机械设计所研究的内容、现代机械设计所研究的内容4、我国机械工程的发展与机械设计、我国机械工程的发展与机械设计主要内容020406080100设计制造设计制造时间 百分比（%)时间 百分比（%)设计与产品开发时间1、设计及其重要性、设计及其重要性010203040506070设计设计生产准备 与加工原材料与 外购件的采购管理和销售生产准备 与加工原材料与 外购件的采购管理和销售对成本的影响对成本的影响 所需的工时成本所需的工时成本设计与产品开发成本1、设计及其重要性、设计及其重要性 75%的修改工作由产品设计阶段引起75%的修改工作由产品设计阶段引起 80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段完成80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段完成0102030405060产品定义产品设计工艺规划制造检验应用产品定义产品设计工艺规划制造检验应用发生错误 修改错误75%成本成本 %80%设计与修改工作1、设计及其重要性、设计及其重要性2、现代机械与传统机械什么是机械什么是机械各类机构与机器的总称各类机构与机器的总称机器人为的实 物组合具有确定的 相对运动能作有用功或实 现能量的转换机构特征： 人工组合物人工组合物 可实现能量的转换； 能把热能、电能、化学能转换为机械能 也能将机械能转换成其他类型的能量可实现能量的转换； 能把热能、电能、化学能转换为机械能 也能将机械能转换成其他类型的能量 各部分之间具有确定的相对运动关系各部分之间具有确定的相对运动关系 能够改变或者传递力并产生运动，完成某 些工作什么是机械能够改变或者传递力并产生运动，完成某 些工作什么是机械2、现代机械与传统机械机器和机构的区别与联系机器和机构的区别与联系机械的组成：原动机执行部分传动部分控制部分机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现 预期的机械运动。机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器 只有一个机构。辅助部分2、现代机械与传统机械关于机械的几个基本概念关于机械的几个基本概念构件：运动单元体零件：制造单元体（构件可由一个或几个零件组成。）机架：机构中相对不动的构件原动件：驱动力（或力矩）所作用的构件。从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架） 的基本组合体称为机构。2、现代机械与传统机械零件构件机构零件构件机构机器机器机械零件机械原理机床等机械零件机械原理机床等机械原理研究内容：1、机构的结构 和运动学分析运动规律。2、机构和机器 动力学力运动的关系F=ma 功能3、解决二类问题分析综合（设计）机构的组成； 机构运动的可能性和确定性；机械原理辅助系统辅助系统 (例如润滑、显示、照明等例如润滑、显示、照明等)原动部分原动部分传动部分传动部分执行部分执行部分控制部分控制部分机 械 传 动液 压 传 动电传动气压传动机 械 传 动液 压 传 动电传动气压传动传递动力、扭矩改变运动参数及运动方式传递动力、扭矩改变运动参数及运动方式螺 旋齿 轮蜗 杆带链离 合 器螺 旋齿 轮蜗 杆带链离 合 器机 器 的 组 成机 器 的 组 成常 见 的 机 构常 见 的 机 构带传动机构链传动机构齿轮机构凸轮机构连杆机构螺旋机构带传动机构链传动机构齿轮机构凸轮机构连杆机构螺旋机构机械的各个部分都是由各种机构组合而成构件与零件构件与零件构件构件组成机械的各个相对运动的机件,是机械的组成机械的各个相对运动的机件,是机械的运动单元运动单元 .如汽车的轮子,车床的主轴如汽车的轮子,车床的主轴.专用零件专用零件: :只在某些机器中使用.如气轮机中的叶片. 起重机的吊钩.只在某些机器中使用.如气轮机中的叶片. 起重机的吊钩.通用零件通用零件: :机器中普遍使用的零件,如齿轮,轴，螺钉机器中普遍使用的零件,如齿轮,轴，螺钉零件零件机械的机械的制造单元制造单元. .如螺钉,螺母,轴等如螺钉,螺母,轴等可能是由一个零件构成， 但通常是由若干个零件刚性联接而成。可能是由一个零件构成， 但通常是由若干个零件刚性联接而成。机械零件由若干零件组成的构 件由若干零件组成的构 件连杆连杆12341-连杆体连杆体2-螺栓螺栓3-螺母螺母4-连杆盖连杆盖机械设计的两个层次、基本要求和一般程序机械设计的两个层次、基本要求和一般程序1、基本要求、基本要求满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运 动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率， 以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运 动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率， 以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。功能要求功能要求整机设计层次整机设计层次安全可靠性要求安全可靠性要求（1）使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工 作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、 不丧失稳定性。（）使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工 作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、 不丧失稳定性。（2）能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健 康。（）能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健 康。（3）对于周围环境和人不造成危害和污染，同时要保 证机器对环境的适应性。）对于周围环境和人不造成危害和污染，同时要保 证机器对环境的适应性。要求便于加工、装拆以及维护。要求便于加工、装拆以及维护。结构工艺性要求经济性结构工艺性要求经济性在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制 造三方面作为一个系统工程来考虑，用价值工程理论指导 产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺， 以在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制 造三方面作为一个系统工程来考虑，用价值工程理论指导 产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺， 以降低产品的成本。降低产品的成本。设计机械系统和零部件时，应尽可能设计机械系统和零部件时，应尽可能标准化、通用化、 系列化标准化、通用化、 系列化，以提高设计质量、降低制造成本。，以提高设计质量、降低制造成本。2.设计过程三阶段:2.设计过程三阶段:1.计划阶段:1.计划阶段:明确机器应该具有的功能,制定设计任 务书。明确机器应该具有的功能,制定设计任 务书。 2.方案设计阶段2.方案设计阶段 确定实现其功能的原理，从技术 和经济方面考虑,选择一定的原动机和各个其 他部分，绘出原理图机构运动简图。确定实现其功能的原理，从技术 和经济方面考虑,选择一定的原动机和各个其 他部分，绘出原理图机构运动简图。 3.技术设计阶段3.技术设计阶段 将原理方案具体化结构化.考虑机 械总体布局和外形，绘制整机装备草图和部件 装备草图，确定零件的形状,尺寸,材料等，并 对整机和零件进行精度设计等。将原理方案具体化结构化.考虑机 械总体布局和外形，绘制整机装备草图和部件 装备草图，确定零件的形状,尺寸,材料等，并 对整机和零件进行精度设计等。零件设计层次的计算准则和一般步骤零件设计层次的计算准则和一般步骤1.计算准则1.计算准则 (1)强度准则(1)强度准则 强度是零件体抗破裂和塑性变形的能力.它 分体积强度和接触强度强度是零件体抗破裂和塑性变形的能力.它 分体积强度和接触强度 (2)刚度准则(2)刚度准则 刚度是零件抵抗弹性变形的能力.就是要保 证机器工作时零件弹性变形量不超过许用值刚度是零件抵抗弹性变形的能力.就是要保 证机器工作时零件弹性变形量不超过许用值 (3)耐磨性准则(3)耐磨性准则 零件在工作中抵抗各种摩擦的能力.保证 零件的磨损量不超过容许值零件在工作中抵抗各种摩擦的能力.保证 零件的磨损量不超过容许值 (4)振动稳定性(4)振动稳定性 零件不发生共振.使零件的固有频率与周 期性外力的变化频率错开 还有耐热性等等.零件不发生共振.使零件的固有频率与周 期性外力的变化频率错开 还有耐热性等等.2. 机械零件设计的一般步骤2. 机械零件设计的一般步骤(1)根据零件的使用要求（如功率、转速等）,选择零件 的类型及结构型式。 (2)根据零件的工作情况计算作用在零件上的载荷,分析 应力状态和性质（拉、压力，剪切力） 。 (3)根据零件使用条件、制造工艺和经济性等要求选择材 料及热处理方法 (4)根据零件的主要失效形式确定其计算准则，并由相应 的公式确定零件的基本尺寸。 (5) 根据零件作用,制造装备等进行零件的结构设计 (6) 根据零件之间位置关系,进行精度设计,给出零件的 尺寸公差,形状公差,位置公差,表面粗糙度 (7) 绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计 算说明书。(1)根据零件的使用要求（如功率、转速等）,选择零件 的类型及结构型式。 (2)根据零件的工作情况计算作用在零件上的载荷,分析 应力状态和性质（拉、压力，剪切力） 。 (3)根据零件使用条件、制造工艺和经济性等要求选择材 料及热处理方法 (4)根据零件的主要失效形式确定其计算准则，并由相应 的公式确定零件的基本尺寸。 (5) 根据零件作用,制造装备等进行零件的结构设计 (6) 根据零件之间位置关系,进行精度设计,给出零件的 尺寸公差,形状公差,位置公差,表面粗糙度 (7) 绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计 算说明书。传统机械传统机械组成：动力机、传动机构、执行机构和操纵控制装置组成：动力机、传动机构、执行机构和操纵控制装置具有很大的局限性具有很大的局限性机械的分类：动力机械、能量转化机械、工作机械机械的分类：动力机械、能量转化机械、工作机械2、现代机械与传统机械现代机械的组成现代机械的组成 动力(动力(Power) )子系统；子系统； 执行(执行(Execution) )子系统；子系统； 传动(传动(Transmission) )子系统；子系统； 控制(控制(Control) )子系统。子系统。动力子系统动力子系统传动子系统传动子系统执行子系统执行子系统控制子系统控制子系统2、现代机械与传统机械现代机械现代机械定义：由计算机信息网络协调与控制的，用于定义：由计算机信息网络协调与控制的，用于 完成包括机械力、运动和能量等动力学任完成包括机械力、运动和能量等动力学任 务的机械或机电部件相互联系的系统务的机械或机电部件相互联系的系统组成：机械本体、动力部分、检测传感装置、 控制及信息处理装置、以及执行机构组成：机械本体、动力部分、检测传感装置、 控制及信息处理装置、以及执行机构2、现代机械与传统机械现代机械的特征现代机械的特征1）机械应是一种有“头脑”的手足延长，即使其中的“头脑”并不理想（具有主动控制功能）；）机械应是一种有“头脑”的手足延长，即使其中的“头脑”并不理想（具有主动控制功能）；2）不仅仅只处理物质和能量，而且更关注处理信息；）不仅仅只处理物质和能量，而且更关注处理信息；3）满足人们的综合需求，所有的机器都将是机器人：机械将具有更强的智能。）满足人们的综合需求，所有的机器都将是机器人：机械将具有更强的智能。2、现代机械与传统机械3、关于现代机械设计理论与方法反映现代机械设计的哲理、准则和方法反映现代机械设计的哲理、准则和方法现代的机械设计现代的机械设计更多地经验和借鉴 关注机械系统对象更多地经验和借鉴 关注机械系统对象更多地运用最新技术 大系统论更多地运用最新技术 大系统论经典力学 强度准则经典力学 强度准则广义力学 可靠性准则广义力学 可靠性准则任务任务方案方案样机样机 试验试验修改修改(重复重复)传统机械现代机械传统机械现代机械设计思想设计过程设计准则设计思想设计过程设计准则虚拟样机虚拟样机评价评价优化参数优化参数 设计与制作设计与制作设计理论与方法论相关领域设计理论与方法论相关领域设计理论与方法论相