機械工程導論第四章3和8節(jié)課件

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主講：孫振軍

河北工程大學——工程師的搖藍機械工程導論第四章機械系統(tǒng)設計第四章機械系統(tǒng)設計1、物料流系統(tǒng)決定了機械系統(tǒng)的總體布置

由于物料的輸入或輸出部分往往要受制于周圍條件，例如，聯(lián)合收割機的輸人物料為生長在田地里的莊稼，因此物料輸入部分就應放在貼近莊稼的位置。而當輸入或輸出部分決定下來后，與其相連的物料流的其他部分也就可以相應地確定下來，從而可以將對應的能量流部分(含驅動及傳動部分)的位置決定下來。因此說，物料流系統(tǒng)決定了機械系統(tǒng)的總體布置情況。例如：聯(lián)合收割機的輸入物料為生長在田地里的莊稼，因此物料輸入部分就應放在貼近地的位置。第四章機械系統(tǒng)設計第四章機械系統(tǒng)設計2、物料流系統(tǒng)決定了能量流系統(tǒng)的主要參數

能量流所提供的能量主要用于物料的運動、變形等目的。能量流中動力機的容量主要取決于物料的量與性質。例如，推土機所推土的種類及鏟斗大小將直接決定其發(fā)動機的功率。而物料流動的速度決定了相應的傳動部分的速比。例如，傳動帶輸送機的物料所需的輸送速度決定了傳動帶的速度，也就決定了動力機與傳動帶間的速比關系。洗衣機洗滌與甩干時，物料(衣物)需要不同的轉速，因而在洗滌與甩干時就有不同速比的兩條傳動路線。因此說，物料流系統(tǒng)決定了能量流系統(tǒng)的主要參數。

第四章機械系統(tǒng)設計第四章機械系統(tǒng)設計凸輪軸的加工：加工時，刀具的行走路線要給凸輪的輪廓相吻合第四章機械系統(tǒng)設計4.3.2物料流系統(tǒng)的組成

物料流一般由加工、輸送、儲存、檢驗幾部分組成。

1、加工

機械系統(tǒng)用以完成轉變或改變加工對象的形態(tài)、結構、性質、外觀等的動作或運動統(tǒng)稱為加工，如聯(lián)合收割機的切割、脫粒等工作，激光打印機打印指定文檔的過程，車床完成工件車削的過程等都可以稱為“加工”。它通過機械系統(tǒng)及輔助設施或操作者的共同作用而完成。

第四章機械系統(tǒng)設計第四章機械系統(tǒng)設計2、輸送

輸送是指在各工作位置之間移動物料，以改變其空間位置的功能，一般也稱為物料輸送。它也是機械系統(tǒng)完成預期功能所不可缺少的一項作業(yè)。物料輸送工作的高效化、系統(tǒng)化可以提高機械系統(tǒng)的工作效率。

第四章機械系統(tǒng)設計3、儲存

儲存又稱為停滯，是指在一段時間內，使工件處于無任何形狀和空間位置改變的狀態(tài)。激光打印機及復印機中紙張在儲紙器中的存放，制造企業(yè)中工件在加工工序前等待和加工后的停放，都是儲存的典型例子。一般的儲存都伴隨著加工和傳送活動之間的不平衡而出現。例如，打印機及復印機的工作特性是時斷時續(xù)的，實際不可能也沒必要每打印或復印一頁就加一頁紙，因此需在儲紙器中儲存一定數量的紙張。在制造企業(yè)中，制造過程中工序之間的停滯，稱為制品儲存。適量的儲存對平滑的和具有柔性的物料流來說，起一種緩沖作用，對于保證用戶的需求和機械系統(tǒng)穩(wěn)定運行有著重要作用。第四章機械系統(tǒng)設計4、檢驗

在制造系統(tǒng)中，檢驗的含義是廣義的，主要是指對物料的質量控制。檢驗是一個和加工相互對立而又相互統(tǒng)一的物料流作業(yè)環(huán)節(jié)，特別是在現代制造系統(tǒng)中，廣義的檢驗功能已愈來愈重要。第四章機械系統(tǒng)設計上述物流過程的四種基本形態(tài)一般是交錯和重復出現的，有時其中的兩個過程或多個過程是一體的。

例如，塑料在普通螺桿擠出機的擠出過程，其中，物料(塑料顆粒)在擠出機中由螺旋輸送的過程也就完成了加工的過程，輸送與加工兩個過程是一體的。第四章機械系統(tǒng)設計為實現上述運動，物料流系統(tǒng)的構成一般應包括：存儲子系統(tǒng)(含物料供應、中間儲存及最后的成品儲存)、輸送子系統(tǒng)以及定位與裝夾裝置，執(zhí)行子系統(tǒng)。一個典型的物料流系統(tǒng)的構成如圖所示。存儲系統(tǒng)輸送系統(tǒng)定位裝夾物料檢驗輸送系統(tǒng)定位裝夾系統(tǒng)存儲系統(tǒng)物料檢驗加工加工第四章機械系統(tǒng)設計l-硬幣堆放、輸送；2-排列、分送、選錢；3-分選、計數；4-碼漯；5-送紙、切紙；6-包卷；7-卷邊圖示為硬幣計數包卷機的物料流第四章機械系統(tǒng)設計4.3.1.3生產線物流系統(tǒng)

一切物資實體(物資及其載體)的物理流動過程，即物資場所(位置)的轉移及其時間的占用均可稱為物流。有人把物流比做利潤的第三源泉，即在降低成本、銷售成本的同時，更著眼于降低物流成本。

美國是世界上現代化物流發(fā)展得比較早的國家，物流的研究和發(fā)展備受重視，早在1980年的全美物資討論會上，研究者們就指出，在產品生產的整個過程中，僅僅有5％的時間用于加工和制造。剩余95％的時間都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送。在美國，直接勞動成本所占比例不足工廠總成本的10％，并且這一比例還在不斷下降；而儲存、運輸所支付的費用卻占生產成本的40％。人們深切地感到，生產過程中的“油水”幾乎已被榨干，要想從中取得明顯的效益提高已經是相當困難的了，而物料輸送、儲存過程還存在著極大的潛力，有待挖掘。第四章機械系統(tǒng)設計在生產線的設計中，物流系統(tǒng)的設計尤為重要，它直接影響到整個生產系統(tǒng)的工作效率。柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一種典型的成組布局的生產線。其思想是，機床或設備按照成組工藝分組，每一組設備可以用來生產一個零件族的零件，不同的零件可以按不同的工藝路徑，有不同的物料流。這種方式下，零件(物料)傳輸的路徑較短，生產率較高。圖示為一個柔性制造系統(tǒng)的實例?？梢钥闯?，各種物料(材料、半成品、成品、工具等)在該系統(tǒng)中可以通過計算機硬件及軟件系統(tǒng)的控制在系統(tǒng)中合理地流動。第四章機械系統(tǒng)設計4.4機械系統(tǒng)的能量流設計任何機械的正常工作都必須要有一定的能量來保證。能量是由能量流系統(tǒng)中的驅動裝置提供的，故能量流系統(tǒng)設計是非常重要的。而其中最主要的任務之一就是選擇合適的驅動裝置(動力機)。

能量流系統(tǒng)的起點是驅動裝置，來自機械系統(tǒng)外部的能量(如電能)通過驅動裝置流向機械系統(tǒng)的各有關環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)。其中：一部分用以維持各環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)的運動；另一部分通過傳遞、損耗、儲存、轉化等有關過程，完成機械系統(tǒng)的有關功能，即這一部分能量的終點是機械運動系統(tǒng)中的執(zhí)行部件，作用是帶動執(zhí)行部件作功以改變材料或工件的性質、形態(tài)、形狀或位置等，實際上就是克服系統(tǒng)所承受的載荷。第四章機械系統(tǒng)設計

驅動裝置(動力機)可分為電力驅動(電動機)、液壓驅動(液壓泵、液壓馬達)、氣壓驅動(氣馬達)及熱機(內燃機、汽輪機等，其中主要是內燃機)四大類，當用于機械系統(tǒng)時，一般需用減速器輸出需要的轉速或利用凸輪等機構形式來改變運動形態(tài)。如果應用變頻器、伺服驅動等調控裝置，則可以省去這些機械裝置。一般來說，進行能量流機械系統(tǒng)設計應解決如下四個方面的問題：①機械系統(tǒng)中能量流動狀況和特征分折；②工作機械的載荷計算；③驅動裝置的選擇；④系統(tǒng)能量匹配與設計。第四章機械系統(tǒng)設計4.5機械運動系統(tǒng)設計機械運動系統(tǒng)是一系列傳動機構和執(zhí)行機構組成，在各種機械系統(tǒng)中都大量存在著各種運動構件，它們分別具有傳動、操縱和執(zhí)行功用。根據其功用不同，我們把它們分別稱為傳動系統(tǒng)(包括變速裝置、起停與換向裝置、制動裝置及安全保護裝置)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)，總稱機械運動系統(tǒng)。第四章機械系統(tǒng)設計l-前保險杠；2-轉向車輪；3-發(fā)動機；4-離合器；5-變速器；6-制動裝置；7-中間傳動軸；8-車架；9-主傳動軸；10-萬向節(jié)；11-驅動車輪；12-后鋼板彈簧；13-牽引鉤；14-后橋；15-汽油箱；l6-蓄電池；17-轉向盤；18-制動踏板；19-離合器踏板；20-起動機；21-前橋；22-發(fā)電機；23-前鋼板彈簧第四章機械系統(tǒng)設計2、傳動系統(tǒng)的任務：①將動力機輸出的速度降低或增高，以適合執(zhí)行機構的需要。②直接用動力機進行調速不經濟或不可能時，采用變速傳動來滿足執(zhí)行機構經常變速的要求。③將動力機輸出的轉矩，變換為執(zhí)行機構所需要的力矩或力。④將動力機輸出的等速旋轉運動，轉變?yōu)閳?zhí)行機構所要求的按某種規(guī)律變化的旋轉或非旋轉運動。⑤實現由一個或多個動力機驅動若干個相同或不相同速度的執(zhí)行機構。⑥由于受到動力機或執(zhí)行機構機體外形、尺寸等的限制，或為了安全和操作方便，執(zhí)行機構不宜與動力機直接聯(lián)系，也需要用傳動裝置來連接。根據結構和原理的不同，傳動系統(tǒng)可分為機械傳動、液壓傳動及氣動傳動、電磁傳動系統(tǒng)。第四章機械系統(tǒng)設計3、傳動系統(tǒng)的要求傳動系統(tǒng)設計時應考慮下列要求：1）考慮動力機與執(zhí)行機構的匹配，使它們的機械特性相適應，并使二者的工作特點接近各自的最佳工況點且工作點穩(wěn)定。2）滿足執(zhí)行機構在起動、制動、調速、反向和空載等方面的要求。3）傳動鏈應盡量簡短。力求采用構件數目和運動副數目最少的構件，以簡化結構、減少整機重量，降低制造費用，提高效率，同時也利于提高傳動精度和系統(tǒng)剛度。4）布置緊湊，盡可能減小傳動系統(tǒng)尺寸，減小所占空間。5）當載荷變化頻繁，且可能出現過載時，應考慮過載保護裝置。6）要有安全防護措施。第四章機械系統(tǒng)設計4.5.2執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的一個重要組成部分，是直接完成機械系統(tǒng)預期工作任務的部分。是能量流系統(tǒng)、物料流系統(tǒng)及信息流系統(tǒng)的交匯點。4.5.2.1執(zhí)行系統(tǒng)的組成及分類1．執(zhí)行系統(tǒng)的組成與功能

執(zhí)行系統(tǒng)由執(zhí)行構件和與之相連的執(zhí)行機構組成，它或是與工作對象直接接觸并攜帶其完成一定的動作(例如銑床的分度裝置)，或是在工作對象上完成一定的動作(例如曲柄壓力機的滑塊即工作頭)。

執(zhí)行機構的作用是傳遞和變換運動與動力，即把傳動系統(tǒng)傳遞過來的運動與動力進行必要的變換，以滿足執(zhí)行構件的要求。第四章機械系統(tǒng)設計

執(zhí)行系統(tǒng)的功能主要有以下幾種：(1)夾持夾持機構常用于加工或搬運工件，如自動生產線或自動機械中夾持工件或重物的工業(yè)機械手。夾持機構主要包括機械式、液壓式、氣壓式和吸附式四種?！笆种浮笔且环N常見的夾持機構。(2)搬運搬運是指能把工件從一個位置，移送到另一個位置，并不限定移動路線，常見于生產白動線或自動機械中，如自動銑床的上下料機構和齒輪生產線上的兩個工位的工件傳遞機構。第四章機械系統(tǒng)設計

(3)分度與轉位分度是指對工件或者是工作臺的角度進行精確的等分，如在插齒加工中要按給定的齒數等分齒輪。轉位則是指將工件或工作臺旋轉一個給定的角度，如六角車床的刀架轉位換刀等。機床中，分度與轉位機構都裝有定位裝置，以保證分度與轉位的準確和可靠。第四章機械系統(tǒng)設計

(4)檢測在對工件的尺寸、形狀及性能進行檢驗和測量時常用檢測機構。檢測的方法很多，但對于機械式檢測方式，執(zhí)行機構多為一個帶有測試儀器或傳感器的探頭。

第四章機械系統(tǒng)設計

(5)加載加載指機械要執(zhí)行系統(tǒng)對工作對象施加力或力矩以完成工作，例如材料壓力加工、礦石粉碎機械、重物起吊和搬運等。根據機械系統(tǒng)的要求往往一個執(zhí)行機構要有多個功能，如插齒機中帶動插齒刀的機構既要施力又要有讓刀功能。第四章機械系統(tǒng)設計

2、執(zhí)行系統(tǒng)的分類執(zhí)行系統(tǒng)可按其對運動和動力的不同要求分為動作型、動力型及動作—動力型。系統(tǒng)中執(zhí)行機構數及其相互間的聯(lián)系情況分為單一型、相互獨立型及相互聯(lián)系型。各類執(zhí)行系統(tǒng)的特點和應用舉例見表第四章機械系統(tǒng)設計執(zhí)行系統(tǒng)的特點和應用舉例表類別特點應用舉例按執(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)實現預期精度的動作(位移、速度、加速度等)，而對執(zhí)行系統(tǒng)中各構件的強度、剛度無特殊要求縫紉機、包糖機、印刷機等動力型要求執(zhí)行系統(tǒng)能克服較大的生產阻力，做一定的功，因此對執(zhí)行系統(tǒng)中各構件的強度、剛度有格要求，但對運動精度無特殊要求曲柄壓力機、沖床、推土機、挖掘機、碎石機等動作-動力型要求執(zhí)行系統(tǒng)既能實現預期精度的動作，又要克服較大的生產阻力，做一定的功滾齒機、插齒機等按執(zhí)行系統(tǒng)中執(zhí)行機構的相互聯(lián)系情況單一型在執(zhí)行系統(tǒng)中，只有一個執(zhí)行機構工作攪拌機、碎石機、皮帶輸送機等相互獨立型在執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構進行工作，但它們之間相互獨立、沒有運動的聯(lián)系和制約外圓磨床的磨削進給與砂輪轉動，起重機的起吊與行走動作等相互聯(lián)系型在執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構，且它們之間有運動上的聯(lián)系和制約印刷機、包裝機、縫紉機、紡織機第四章機械系統(tǒng)設計3、執(zhí)行構件的運動形式執(zhí)行構件的運動形式取決于執(zhí)行系統(tǒng)所要完成的工作任務，由于工作任務的多樣性，所以執(zhí)行構件的運動形式也各種各樣。執(zhí)行構件常見運動形式及主要運動參數見表。運動形式執(zhí)行機構主要運動參數平面運動連續(xù)轉動齒輪機構、凸輪機構、雙曲柄機構、步進電動機、伺服電動機等角速度ω或轉速n間歇轉動棘輪機構、鋼球式單向機構等運動時間t，停歇時間t0，運動周期T=t+t0，運動系數τ=t/T，轉角Ф，角加速度a往復擺動曲柄搖桿機構、擺動導桿機構、曲柄搖桿塊機構、擺動推桿凸輪機構、組合機構等擺角Ф，角加速度a，行程速比系數K連續(xù)移動齒輪齒條機構、螺旋機構、蝸桿齒條機構、帶、鏈等速度ν移動不完全齒輪齒條機構、曲柄搖桿機構+棘條機構、槽輪機構+齒輪齒條機構、其他組合機構等運動時間t，停歇時間t0，運動周期T=t+t0，運動系數τ=t/T，位移s，加速度a往復移動曲柄滑塊機構、移動推桿凸輪機構、正弦機構、正切機構、牛頭刨機構、不完全齒輪齒條機構、凸輪連桿組合機構等位移s，加速度a，行程速比系數K空間運動一般空間運動空間連桿機構等繞三個相互垂直軸線的轉角Фx、Фy、Фz，角加速度ax、ay、az；沿三個相互垂直軸線的位移sx、sy、sz，速度vx、vy、vz和角速度ax、ay、az第四章機械系統(tǒng)設計4.5.3操縱系統(tǒng)4.5.3.1操縱系統(tǒng)的功能、要求、組成及分類

操縱系統(tǒng)是指把人和機械聯(lián)系起來，使機械按照人的指令工作的機構和元件所構成的總體。在現代機械系統(tǒng)中，操縱系統(tǒng)是不可缺少的。例如在汽車上，為實現其起動、剎車、轉向、換擋等功能，均需有專門的操縱裝置(方向盤、離合器、腳剎等)。

操縱系統(tǒng)的一般功能是實現信號轉換，即把操作者施加于機械的信號，經轉換傳遞到執(zhí)行系統(tǒng)，以實現機械的啟動、停止、制動、換向、變速、變力等目的。第四章機械系統(tǒng)設計

操縱系統(tǒng)設計應滿足的基本要求是：①應輕便、省力，這樣可減輕勞動強度，提高勞動生產率和安全性。②操縱靈活、反應靈敏。操縱靈活是指可按操縱者的意圖方便而簡捷地實現預期的操作，反應是指執(zhí)行件對操縱件所發(fā)指令的反應速度。③操縱行程適當，操縱方便、舒適。④操縱件定位安全可靠。操縱件應能長時間可靠地保持在一個基本操作狀態(tài)的位置，不因其他非操作力的作用而改變其操作狀態(tài)。而且，操縱件一旦因某種原因而偏離操作位置時，應有自動回位功能。⑤操縱系統(tǒng)應有可調性。操縱系統(tǒng)應能進行必要的調節(jié)，以保證元件磨損后，經調節(jié)仍能實現所期望的操縱效果。第四章機械系統(tǒng)設計

操縱系統(tǒng)的組成主要包括操縱件、執(zhí)行件和傳動裝置三部分。圖為變速箱中常用的一種操縱系統(tǒng)，圖中，變速桿8為操縱件，撥叉13、14、15、16為執(zhí)行件，滑桿1、2、3及導板4等組成傳動裝置l、2、3-滑桿；4-導板；5-變速桿座；6-碗蓋；7-壓緊彈簧；8-變速桿；9-防塵罩；10-止動銷；11-聯(lián)鎖軸；12-鎖銷；13、14、15、16-撥叉第四章機械系統(tǒng)設計

(1)操縱件常用的操縱件有拉桿、手柄、手輪、按鈕和腳踏板等，圖是各類操縱件的形態(tài)。第四章機械系統(tǒng)設計(2)執(zhí)行件常用的有撥叉、滑塊和銷子等。執(zhí)行元件是與被操縱部分直接接觸的元件，完成操縱系統(tǒng)的功能。

(3)傳動裝置常用的傳動裝置有機械傳動、液壓傳動、氣動傳動和電傳動等。在機械傳動中常用桿機構、齒輪機構、螺旋及凸輪機構等；有時，液壓傳動裝置和氣動傳動裝置作為助力裝置與機械傳動配合使用。傳動件是操縱系統(tǒng)中的中間元件，它將操縱件上的力、運動傳遞到執(zhí)行件上。操縱系統(tǒng)中除上述三大部分組成外，還有一些輔助元件，如定位元件、鎖定元件、互鎖元件及回位元件等。

操縱系統(tǒng)主要分為人力操縱、助力操縱、液壓操縱和氣壓操縱四大類。第四章機械系統(tǒng)設計

人力操縱是指操縱所需的作用力和能量全部由操作者來提供。這樣的操縱裝置只適宜操縱力較小的機械。

助力操縱是利用機械系統(tǒng)中儲備的能量幫助人力進行操縱。儲備能量的方式有彈性變形能和液壓能，因此，助力操縱系統(tǒng)又分為彈性助力操縱系統(tǒng)和液壓助力操縱系統(tǒng)。

液壓操縱是指操作者施加較小的力，而操縱所需的較大作用力和能量全部由液壓系統(tǒng)供給。

氣壓操縱與液壓操縱具有相同的特點，人施加較小的力、其較大的操縱力和能量全部由壓縮空氣提供。第四章機械系統(tǒng)設計

4.6機械系統(tǒng)的信息流與控制的設計所謂信息流，即為信息自信息的發(fā)源地(信息源)經信息傳遞渠道(信道)至信息的接受地(信宿)的傳遞過程，簡言之，信息流便是信息的傳遞過程。信息流的主體是信息。信息流的結構模型示意圖如圖所示。

反饋信道信息源信宿人機交互

被測對象

傳感器

信號轉換

信號處理、解釋系統(tǒng)

控制系統(tǒng)控制元件編碼解碼干擾第四章機械系統(tǒng)設計在機械系統(tǒng)中，信息的前身是各種類型的指令和信號。指令是操作人員根據經驗和機械系統(tǒng)的運行狀況而發(fā)出的，而信號是從機械系統(tǒng)的各個被測對象經傳感器測量獲得的，但這些信號木能直接使用，必須進行信號的轉換、處理，此時的信號才有一定的強度，可以被傳輸和利用；但此時信號還僅僅是反映被測對象(機械系統(tǒng))的符號(或是數字、圖形等其他形式)，還停留在數據階段，這些數據經過信號處理、數據解釋后，成為可以被利用的知識。此時，數據(信號)轉換成為信息，這些信息需要在機械系統(tǒng)中流動以形成信息流。因此，需要按照一定的編碼原則對其進行編碼，然后，經過信道傳輸，傳遞到信宿(信息的接受地)。當然信息在信道中傳輸時，會遇到各種形式的、各種強度的信號的干擾，因此，在信息流的流通過程中，必須考慮到信息流通過程中的抗干擾，以保證信宿獲得正確的信息。在機械系統(tǒng)中，通常是控制系統(tǒng)作為機械系統(tǒng)信息流的信宿，經過控制系統(tǒng)、控制策略的選擇、控制元件的設計或選擇后，信息被恰當地處理，處理結果以控制策略的形式體現出來，這個信息再經過反饋信道反饋到機械系統(tǒng)中，對機械系統(tǒng)起控制作用，實現機械系統(tǒng)的信息驅動第四章機械系統(tǒng)設計

4.6.1信息流在機械系統(tǒng)中的作用機械系統(tǒng)中的信息流是存在于加工任務、加工順序、加工方法及物料流所要確定的作業(yè)計劃、調度和管理指令等信息范疇的內容，它對機械系統(tǒng)中的信息進行有效的存儲、分析、集成、處理、傳輸和控制。1、信息流在機械系統(tǒng)單機中的作用在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)中，物料流子系統(tǒng)和能量流子系統(tǒng)是普遍存在的。如由一臺普通車床組成的機械系統(tǒng)，通常只存在物料流子系統(tǒng)和能量流子系統(tǒng)，而加工信息的輸入和傳遞是靠人工完成的，如圖所示。第四章機械系統(tǒng)設計

普通車床加工過程第四章機械系統(tǒng)設計

而現代機械系統(tǒng)中，則較為普遍地增加了信息系統(tǒng)，考慮信息流在機械系統(tǒng)設計中的重要作用。仍以上述車床為例，當考慮數控車床的設計時，就必須考慮到如何通過內部的計算機進行零件加工信息的存儲、處理和傳遞，并通過信息流路線，發(fā)送加工指令，控制加工過程，同時，還需對加工過程進行監(jiān)控，通過各種傳感器、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)實時檢測工件的加工質量，通過信息流的信息反饋通道，將加工狀態(tài)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)據此判斷加工狀態(tài)，并根據判斷結果做出進一步的動作，實施對機械系統(tǒng)(車床)的控制，通過這種改變，普通機床就變成了現代化的數控車床，如圖所示。數控車床（數控系統(tǒng)+檢測裝置+伺服機構+車床）原材料產品物料流能量流物料流能量流信息流選材、下料、輸送等切削參數選擇、加工質量控制等質量檢驗、輸送等自動（數控系統(tǒng)控制）信號（信號采集及處理）機械系統(tǒng)第四章機械系統(tǒng)設計

2、信息流在機械系統(tǒng)生產線中的作用如圖是一個加工回轉體零件的柔性制造系統(tǒng)第四章機械系統(tǒng)設計

該機械系統(tǒng)由信息流系統(tǒng)、物料流系統(tǒng)和自動加工系統(tǒng)組成。信息流系統(tǒng)由文件服務器、中央計算機／單元計控制器、工作站l、工作站2、計算機視覺系統(tǒng)和可編程邏輯控制器組成，這些信息流設備由一個統(tǒng)一的網絡系統(tǒng)連接在一起構成整個系統(tǒng)的信息流系統(tǒng)。加工系統(tǒng)由數控加工中心、數控車削中心組成。物料流系統(tǒng)由兩臺機器人、一個鏈式傳輸系統(tǒng)、毛坯存儲庫和成品存儲庫組成。該系統(tǒng)是信息驅動的，信息流系統(tǒng)是整個柔性制造系統(tǒng)的神經中樞，用以實現對整個機械系統(tǒng)的總體控制，完成對系統(tǒng)的監(jiān)控和對生產過程、物流系統(tǒng)輔助裝置、加工設備的控制以及運行狀態(tài)數據存儲、調用、校驗和網絡通信等。第四章機械系統(tǒng)設計

在該機械系統(tǒng)中，中央計算機和文件服務器是信息流系統(tǒng)的控制核心。在系統(tǒng)運行時，中央計算機檢查傳輸帶和托盤的狀態(tài)、機床和機器人的狀態(tài)以及來自計算機視覺系統(tǒng)的信息。通過這些信息，中央計算機判定每個工作站的任務類型和狀態(tài)，并根據生產任務和調度決策，把相應的控制命令發(fā)送到工作站，并通過這些計算機對各種物料運送設備、加工設備實施控制完成所要求的各種功能。由此可以看出，針對現代機械系統(tǒng)的設計，選擇信息的形式、建立系統(tǒng)的信息模型、建立系統(tǒng)的控制模型、選擇信息的流通方式、確定信息的控制方式等，并在該過程中考慮到傳感技術、信息采集方式、與信息控制相對應的控制理論和方法、信息流通所需的執(zhí)行部件等均是非常重要的。第四章機械系統(tǒng)設計

3、按照機械系統(tǒng)構成分析信息流在機械系統(tǒng)中的作用在機械系統(tǒng)設計過程中，要涉及機械系統(tǒng)能量流中的動力機、執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、人機接口和控制系統(tǒng)設計等諸多方面，而每個方面的設計都涉及了信息的采集、處理、傳遞，此外，在信息流的通道中，對信息流的流向施加適當的控制，選擇適當的控制策略，控制信息流在機械系統(tǒng)整體設計中的正確流向，可以實現和大大改進機械系統(tǒng)的功能。第四章機械系統(tǒng)設計

4.6.2信號的采集及處理在機械系統(tǒng)設計中，傳感器與接口電路是其采集信息和處理信息的兩大重要組成部分。4.6.2.1傳感器

傳感器是一種轉換器。

傳感器是測量器具的一部分,它直接用于被測量,是按照一定規(guī)律將被測量轉換成同種或別種量值輸出的器件.傳感器的性能和可靠性將直接影響著整個測量裝置的性能和可靠性，是對被測量系統(tǒng)實施控制的重要依據。傳感器可認為是人類感官的延伸,借助傳感器可以去探測那些人們無法用感官直接識別的事物.因此,可以說傳感器是人們認識自然界事物的有力工具.第四章機械系統(tǒng)設計1、傳感器的組成一般情況下，傳感器由敏感元件、轉換元件(傳感元件)和其他輔助元件組成。如圖所示為傳感器組成方框圖。敏感元件或單元信號調理轉換電路輔助電源轉換元件(傳感元件)被測量電量

敏感元件是一種直接感受被測量(通常為非電量)，并輸出與被測量成某種函數關系的能最終轉化為電量的其他量的元件。如應變式壓力傳感器中的彈性膜片就是一種敏感元件，它的作用是把壓力這個被測量轉換成彈性膜片的變形。第四章機械系統(tǒng)設計轉換元件（傳感元件）又稱變換器，它是將由敏感元件輸出的量轉換成電量輸出的元件。

仍以應變式壓力傳感器為例，轉換元件的作用是將彈性膜片的變形轉換為電阻值的變化。由此可見，就應變式壓力傳感器而言，從被測量到電量的輸出，需要從被測量到容易轉換成電量的彈性膜片的變形為一次轉換，再由彈性膜片轉換成電量的二次轉換，這是常規(guī)情況。當然，有些傳感器是能實現從被測量到電量輸出的一步到位。壓阻式傳感器就是把熱敏電阻既作為敏感元件又作為轉換元件而合二為一的傳感器。光電式傳感器中的許多光電轉換器也都是屬于這種傳感器。第四章機械系統(tǒng)設計

2、傳感器類型常見的有根據基本效應分類的，有根據構成原理分類的，有按照能量關系分類的，有按照作用原理分類的，也有按照輸入量或者輸出量分類的等。例如：開關量及接近傳感器:光電傳感器、渦流式傳感器、磁式接近傳感器、霍爾傳感器等；速度、加速度傳感器：測速發(fā)電機等；位移傳感器：光柵式傳感器、電編碼器、旋轉變壓器等；還有力傳感器、力矩傳感器、溫度傳感器等。第四章機械系統(tǒng)設計

4.6.2.2傳感器的一般特性一個良好的傳感器必須要有良好的一般特性，以確保不失真地實現信號的轉換，傳感器的一般特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。

傳感器的靜態(tài)特性：傳感器的靜態(tài)特性是指輸入的待測信號不隨時間變換，或變化非常緩慢的特性，其重要指標分別是線性度、靈敏度、遲滯差（遲環(huán)）、重復性、閾值和分辨率。

傳感器的動態(tài)特性：傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變換的輸入量響應特性。一個靜態(tài)特性很好的傳感器，若它的輸出量不能及時隨輸入量的變化而變化，即響應緩慢，就會產生很大的動態(tài)誤差。當傳感器用以測量沖擊、振動和壓力等動態(tài)量時，都得考慮動態(tài)指標。第四章機械系統(tǒng)設計

4.6.2.3現代機器對傳感器的基本要求和選用原則1、基本要求1）輸入和輸出之間成比例關系，直線性好，靈敏度高；2）內部發(fā)生的噪音小，不從外部引進噪聲：噪聲將對傳感器的信號傳遞精度產生影響；3）滯后、漂移誤差?。簜鞲衅鞯男盘杺鬟f要求具有較快的響應速度和較小的誤差，以滿足實施信號采集和信號處理的要求。在機械系統(tǒng)設計時，特別要注意以下幾點：1）要求精度高、靈敏度合理選擇、測量范圍寬；2）小型化、系列化、標準化；3）可靠性高、穩(wěn)定性好。第四章機械系統(tǒng)設計2、選用原則關于傳感器的性能指標目前國內外無統(tǒng)一的名詞術語及定義，通常是根據若干基本參數和比較重要的環(huán)境參數選擇傳感器。下表給出幾種類型指標。類型指標名稱涉及內容基本參數指標量程指標量程范圍、過載能力靈敏度指標靈敏度、滿量程輸出、分辨率等精度有關指標精度、線性度、重復性、遲滯等動態(tài)性能指標固有頻率、阻尼系數、衰減率等環(huán)境參數指標溫度指標工作溫度范圍、溫度誤差等抗沖振指標容許各項抗沖振的頻率、振幅等其它環(huán)境參數抗潮濕、抗介質腐蝕能力等可靠性指標工作壽命平均無故障率時間、保險期、絕緣電阻、耐壓及抗電弧等其它指標使用有關指標內阻、供電方式各項分布參數值、外形尺寸、重量、安裝方式等第四章機械系統(tǒng)設計4.7人—機—環(huán)境工程設計人機工程學是研究人、機械及其工作環(huán)境之間相互作用的學科。該學科在其自身的發(fā)展過程中，逐步打破各學科之間的界限，并有機地融合了各相關學科的理論，不斷地完善自身的基本概念、理論體系、研究方法以及技術標準和規(guī)范，從而形成了一門研究和應用范圍都極為廣泛的綜合性邊緣學科。因此，它具有現代各門新興邊緣學科共有的特點，如學科命名多樣化、學科定義不統(tǒng)一、學科邊界模糊、學科內容綜合性強、學科應用范圍廣泛等。第四章機械系統(tǒng)設計1、學科的定義正如其它邊緣學科一樣，該學科所下的定義并不統(tǒng)一，隨著學科的發(fā)展，其定義也在不斷發(fā)生變化。美國人機工程學家C.C.伍德（CharlesC.Wood）對人機工程學所下的定義為：設備設計必須適合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代價而求得最高的效率。W.B伍德森則認為：人機工程學研究的是人與機器相互關系的合理方案，即對人的知覺顯示、操縱控制、人機系統(tǒng)的設計及其布置和作業(yè)系統(tǒng)的組合進行等進行有效的研究。著名的美國人機工程學及應用心理學家A.Chapamis說：人機工程學是在機械設計中，考慮如何使人獲得操縱簡便而又準確的一門學科。第四章機械系統(tǒng)設計

目前，國際人類工效學學會（簡稱IEA）為本學科所下的定義是最權威、也最全面的定義，即人機工程學是研究人在某種中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環(huán)境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和休假是怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。我國1979年出版的《辭?！分袑θ藱C工程學下了比較明確的定義：即人機工程學是一門新興的邊緣學。它是運用人體測量學、生理學、心理學和生物力學以及工程學等學科的研究方法和手段，綜合地進行人體結構、功能、心理以及力學等問題研究的學科。用以設計使操作者能發(fā)揮最大效能的機械、儀表和控制裝置、并研究控制臺上各個儀表的最適位置。第四章機械系統(tǒng)設計

2.人機工程學的起源與發(fā)展英國是世界上開展人機工程學研究最早的國家，但本學科的奠基性工作實際上是在美國完成的。所以，人機工程學有“起源于歐洲，形成于美洲”之說。人機工程學的形成與發(fā)展大致經歷了三個階段：1）經驗人機工程學：20世紀出美國學者在傳統(tǒng)的管理基礎上，首創(chuàng)了新的管理方法和理論，并據此制定了一整套以提高工作效率為目的的操作方法，考慮了人使用的機器、工具、材料及作業(yè)環(huán)境的標準化問題。學科發(fā)展的主要特點是機械設計的主要著眼點在于力學、電學、熱力學等工程技術的優(yōu)選上，在人機關系上是以選擇和培訓操作者為主，使人適應機器。2）第二次世界大戰(zhàn)期間：由于軍事的需要開始重視“人的因素”，軍事領域中對人的因素的研究和應用，使科學的人機工程學應運而生。發(fā)展特點是重視工業(yè)與工程設計中的人的因素，力求使機器適應于人。3）現代人機工程學：從60年代至今，為現代人機工程學發(fā)展階段?？茖W領域中，由于控制論、信息論、系統(tǒng)論和人體科學等學科中新理論的建立，在本學科中應用“新三論”來進行人機系統(tǒng)的研究應運而生。第四章機械系統(tǒng)設計

3.研究方法人機工程學是從系統(tǒng)論的觀點來研究人機環(huán)境組成的系統(tǒng)，研究這三要素及其相互見的關系。人機工程學的關鍵是人機之間的交互作用的問題，研究的重點是人。即從人的生理特征、心理特征考慮，是機、環(huán)境、人相互協(xié)調。如圖是人機環(huán)境系統(tǒng)中三大要素相互關聯(lián)的示意圖。

上述即為人一機工程學的基本研究范疇，而除此之外，機器對人及環(huán)境的影響還有很多，如外觀造型、振動及噪聲等。

第四章機械系統(tǒng)設計

1）外觀造型過去有人認為，機械產品只要性能好、能使用就行，不必考慮其美觀性，即造型設計。但隨著時代的進步，這種觀點已被當前的市場競爭現實所否定，缺乏美感的機械產品早已不能適應市場的需求，人們已不能滿足于追求產品單純的使用目的，產品也應具有美的欣賞價值，使人覺得親切、悅目、有人情味，同時，產品還應具有良好的舒適性和宜。汽車:第四章機械系統(tǒng)設計2）振動各種機器都處在各種激勵的作用下，不可避免地要發(fā)生各種各樣的振動。嚴重的振動將對機器儀表設備本身、人員以及周圍環(huán)境中的其他機械設備帶來各種危害，概括起來，表現在下面幾個方面。①強烈而持續(xù)的振動會導致結構的疲勞破壞。②強烈的振動會導致設備的失效。③強烈的振動不僅損害機器、儀器和人體健康，它也是噪聲的主要來源。第四章機械系統(tǒng)設計3）噪聲噪聲環(huán)境會嚴重影響到人的身心健康，人暴露在噪聲環(huán)境中，特別是在強噪聲環(huán)境中工作和生活，時間長了聽覺能力下降，發(fā)生聽覺疲勞和噪聲煩惱，還會引起人體的神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)等方面的疾病。此外，噪聲也會對儀器設備、建筑物產生影響。大功率的強噪聲會妨礙儀器設備的正常運轉，造成儀表讀數不準、失靈，甚至使金屬材料因聲疲勞而破壞。180dB的噪聲能使金屬變軟，190dB能使鉚釘脫落。大型噴氣式飛機以超音速低空掠過時，它所發(fā)生的大功率沖擊波有時能使建筑物玻璃震裂，甚至房屋倒塌。第四章機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計中的人機工程學，人、機、環(huán)境構成了一個完整的系統(tǒng)，它們之間是相互作用、相互配合、相互制約的關系，但起主導作用的始終是人。人機工程設計的對象就是技術系統(tǒng)與操作者之間的“接口”，同時也要考慮人機之間的分工是否合理。人機工程學是運用生理學、心理學和其他有關學科知識，使機器與人相互適應，創(chuàng)造舒適和安全的環(huán)境條件，從而提高工效的學科。它的分析原則是：對人的心理特點，設計最理想的機器和設備；通過結構設計方案的選擇，能對人的能力的開發(fā)起到促進及刺激作用，以期喚起人們的活動樂趣；在人和機器的相互影響過程中能為操作者創(chuàng)造出保持正常情緒及最適當的生活緊張度的條件。1）顯示裝置設計；2）操作裝置設計；3）產品造型設計；4）噪聲的控制；5）振動的控制第四章機械系統(tǒng)設計4.8機械系統(tǒng)設計的專家系統(tǒng)及仿真機械系統(tǒng)設計是對機械系統(tǒng)進行構思、計劃并把設想變?yōu)楝F實的技術實踐活動，過去的設計多數都采用傳統(tǒng)設計方法。首先，繪制工程圖紙，經過長時間的方案論證后，制造并試驗物理樣機，當發(fā)現結構和性能缺陷時，就修改設計方案，然后，改進物理樣機并再次進行物理樣機試驗，通常，在試制出合格產品之前，要經過多次反復的過程。這個過程，既延長了產品的開發(fā)周期，又增大了開發(fā)成本，且機械系統(tǒng)的結構越復雜，這種情況就越嚴重。但隨著計算機技術的飛速發(fā)展，這一情況已得到了很大的改善，計算機技術已被運用到機械系統(tǒng)設計的整個過程中去，其中，專家系統(tǒng)與系統(tǒng)仿真技術在機械系統(tǒng)設計中起到了非常重要的作用。第四章機械系統(tǒng)設計4.8.1專家系統(tǒng)所謂專家系統(tǒng)，實際上是一個(或一組)能在某特定領域內，以人類專家水平去解決該領域中困難問題的計算機程序。例如：壓力容器的設計，只有經國家認證的具有壓力容器設計資格的單位里的有設計資格的人員即專家才能進行設計，但很多生產企業(yè)都不具備設計資格，壓力容器設計專家系統(tǒng)就可以幫助解決這個問題，它將國家有關的設計計算的標準及人類專家的經驗存入程序庫或知識庫中，構成專家系統(tǒng)，使一般稍具專業(yè)知識的設計人員就可借助它來進行設計，也可用來幫助有設計資格的人員(專家)減輕工作量。第四章機械系統(tǒng)設計一個成功的專家系統(tǒng)的作用是：①減少設計人員的負擔。②適用于常規(guī)方法和分析程序無能為力的地方。③起快速的作用。④防止設計人員出錯及保留系統(tǒng)的知識和經驗的領域。應用專家系統(tǒng)并不是要代替人類專家，而是使他們從沉重的設計過程的負擔中解放出來，以便能集中精力決策。專家系統(tǒng)的主要作用是提高工程師的素質和作為工程師的助手。把專家系統(tǒng)引入機械系統(tǒng)設計，在國外有20年左右的歷史，在國內則更短。在這一計算機應用的新領域中，將計算機從數值處理擴展到非數值處理的范疇，包括知識與經驗的集成、推理和決策，能使設計過程自動化、智能化，因而具有廣闊的應用前景。第四章機械系統(tǒng)設計8.1.2設計技術與專家系統(tǒng)從設計技術這個角度來看，機械系統(tǒng)設計應包括三個側面，如圖所示。在這三個側面中，理論方面和經驗方面的多數范疇可以以計算機為主體來進行信息處理。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機在理論方面亦即科學計算方面的應用越來越廣泛。目前，隨著信息網絡技術的進步，亦即數據庫領域里，也迅速達到了可應用的階段。第四章機械系統(tǒng)設計概念方面是以設計者作為信息處理的主體的部分，因而是最具有創(chuàng)造性方面的要求。狹義的設計技術可以定義為：充分利用計算機，進行技術計算以及設計中所必需的數據處理、生成記錄等工作。將設計技術定義成設計人員和計算機共處的關系，則如圖所示。設計技術（廣義）設計技術（狹義）計算力學數據/規(guī)則庫人機接口要求功能產品概念產品構思判斷推理創(chuàng)造性工程開發(fā)工程市場概念判斷理論分析想象第四章機械系統(tǒng)設計8.1.3機械系統(tǒng)仿真分析機械系統(tǒng)仿真分析采用虛擬樣機技術，可以在計算機平臺上對機械系統(tǒng)進行建模和仿真，確定子系統(tǒng)和零件的技術要求，是實施并行工程的一項非常重要的技術。例如，零件加工過程仿真，模擬刀具與零件在加工過程中的運動關系，在實際加工之前就可對加工過程一清二楚，避免了諸如碰刀、過切、虛切之類可能發(fā)生的問題。1）現代虛擬樣機仿真方法虛擬樣機是優(yōu)化復雜機械系統(tǒng)的強有力工具。工程師們可以應用機械系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，快速分析多種設計方案，直至獲得最優(yōu)設計方案。當通過計算機模擬機械系