22动力和操纵控制系统的方案设计

1、1机械设计的基本程序2机械系统的组成机械系统的组成运动循环图运动循环图运动方程运动方程传动比传动比人人机机环境关系环境关系33 动力和操纵控制系统的方案设计动力和操纵控制系统的方案设计n3.1 机械动力系统的方案设计 n3.2 操纵控制系统的方案设计 n2.3 机械系统的精度设计43.1 机械动力系统的方案设计n3.1.1 动力系统设计的基本思想动力系统设计的基本思想n3.1.2 机械系统的载荷特性机械系统的载荷特性n3.1.3 载荷谱及其编制载荷谱及其编制n3.1.4动力机械的类型及其特性动力机械的类型及其特性n3.1.5 动力机械的选用原则动力机械的选用原则53.1.1 动力系统设计的基本

2、思想动力系统设计的基本思想机械系统设计安全安全可靠可靠零部件：强度、刚度、稳定性；零部件：强度、刚度、稳定性；动力系统（动力机）：满足执行系统的功率要求；动力系统（动力机）：满足执行系统的功率要求；6动力系统设计动力系统设计系统所受载荷系统所受载荷动力机功率动力机功率功能原理设计功能原理设计如何选择动力机？如何选择动力机？73.1.2 机械系统的载荷特性机械系统的载荷特性n1. 机械系统的载荷及其分类机械系统的载荷及其分类 机械系统的载荷机械系统的载荷 所有机械在工作中几乎都要承受各种外力的作所有机械在工作中几乎都要承受各种外力的作用，工程上把这些外力称为载荷。用，工程上把这些外力称为载荷。

3、载荷的分类载荷的分类 按载荷的作用形式分类按载荷的作用形式分类 按零件发生变形的不同分类按零件发生变形的不同分类 按载荷产生的来源分类按载荷产生的来源分类 按载荷是否随时间变化分类按载荷是否随时间变化分类8载荷的分类1按载荷作用形式按载荷作用形式直接作用载荷直接作用载荷间接作用载荷间接作用载荷力、力矩力、力矩温度、地震温度、地震以变形的形式作用以变形的形式作用9载荷的分类2按零件变形不同按零件变形不同拉伸（压缩）载荷拉伸（压缩）载荷弯曲载荷弯曲载荷扭转载荷扭转载荷10载荷的分类3按载荷产生的来源按载荷产生的来源工作载荷工作载荷动力载荷动力载荷自重载荷自重载荷风、雪载荷风、雪载荷温度载荷温度载荷

4、水力载荷水力载荷机器工作阻力机器工作阻力运动变化运动变化自身重量自身重量风压、雪压风压、雪压温度变化温度变化水压力、流动阻力水压力、流动阻力11121940年美国西海岸华盛顿州世界第三的tacoma大桥，中央跨距853m，悬索桥结构，建成四个月在19ms-1的风载下塌毁。13载荷的分类4随机载荷随机载荷按载荷大小和方向按载荷大小和方向是否随时间变化是否随时间变化静载荷静载荷动载荷动载荷周期性变化周期性变化冲击载荷冲击载荷周期载荷周期载荷载荷作用时间短载荷作用时间短随时间无规律变化随时间无规律变化注意：注意：载荷与应力不同载荷与应力不同14153.1.2 机械系统的载荷特性机械系统的载荷特性2.

5、 工作载荷的确定方法工作载荷的确定方法需求方提供需求方提供设计者自定设计者自定国标、规定国标、规定n类比法类比法 参考同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确参考同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确定所设计机械的载荷。主要应用在载荷难定或初步定所设计机械的载荷。主要应用在载荷难定或初步设计阶段。设计阶段。 包括：包括：几何尺寸类比几何尺寸类比、动力类比、动力类比n计算法计算法 根据机械的功率要求和结构特点，运用各种力学原根据机械的功率要求和结构特点，运用各种力学原理、经验公式或图表等计算确定载荷。理、经验公式或图表等计算确定载荷。理论力学理论力学n实测法实测法 用实验分析的方法用实验分析的

6、方法测定测定机械及其零件的载荷。直接、机械及其零件的载荷。直接、准确。准确。16 2121lflfff现设计机械原有机械1718193.1.3 载荷谱及其编制n载荷谱的基本概念载荷谱的基本概念 原始记录的原始记录的载荷载荷- -时间历程时间历程称为机械的称为机械的工作谱工作谱或使用谱。或使用谱。 经过概率统计分析的方法处理后，能反映载荷随时间变经过概率统计分析的方法处理后，能反映载荷随时间变化的，并具有统计特征的载荷化的，并具有统计特征的载荷时间历程称为时间历程称为载荷谱载荷谱。n编谱：编谱：由实测载荷谱经统计处理简化为典型载荷由实测载荷谱经统计处理简化为典型载荷谱的过程。谱的过程。n编谱目的

7、：编谱目的： 把随机载荷化为有规律的载荷的累加（或叠加），便于把随机载荷化为有规律的载荷的累加（或叠加），便于疲劳分析计算或试验。疲劳分析计算或试验。n编谱过程：编谱过程：实测载荷谱实测载荷谱统计处理统计处理典型载荷谱典型载荷谱203.1.3 载荷谱及其编制n随机载荷的统计处理方法随机载荷的统计处理方法借助傅立叶变换，将随机载荷分解为无限借助傅立叶变换，将随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简谐载荷，得到功率多个具有各种频率的简谐载荷，得到功率谱密度函数。谱密度函数。把载荷把载荷- -时间历程离散成一系列的峰值和时间历程离散成一系列的峰值和谷值，然后计算载荷峰值或幅值发生的频谷值，然后计算载荷

8、峰值或幅值发生的频次、频率、概率密度和概率分布函数等。次、频率、概率密度和概率分布函数等。21循环数与反向数22判读判读计数计数编谱编谱计数法处理计数法处理随机载荷随机载荷23循环计数法峰谷值计数法峰谷值计数法242526循环计数法幅程计数法幅程计数法2728循环计数法中的雨流法n计数规则计数规则 雨流的起点依次从每个峰（谷）值的内雨流的起点依次从每个峰（谷）值的内侧开始；侧开始； 雨流在下一个峰（谷）值处落下，直到雨流在下一个峰（谷）值处落下，直到对面有一个比开始时的峰（谷）值更大对面有一个比开始时的峰（谷）值更大（更小）的值时停止；（更小）的值时停止； 当雨流遇到来自上面一层流下的雨流时当

9、雨流遇到来自上面一层流下的雨流时就停止；就停止； 取出所有的全循环，并记下各自的振程；取出所有的全循环，并记下各自的振程； 按正、负斜率取出所有的半循环，并记按正、负斜率取出所有的半循环，并记下各自的振程；下各自的振程； 将取出的半循环，按雨流法第二阶段计将取出的半循环，按雨流法第二阶段计数法则处理并计数。数法则处理并计数。 29雨流法n全循环：全循环：n半循环：半循环：30雨流法标准发散标准发散收敛谱收敛谱 标准收敛标准收敛发散谱发散谱 3132三点雨流法extracted cycle 21232121onessifssssss必须以绝对值最大的峰或谷开始计数33雨流法提取有效循环载荷343

10、53637四点雨流计数法3839循环计数法的结果频率直方图频率直方图累积频次曲线累积频次曲线404142433.1.4 动力机械的类型及其机械特性动力机械的类型及其机械特性n1. 1. 动力机动力机：机械设备中驱动执行机构的机械，机械设备中驱动执行机构的机械，也称原动机。也称原动机。n2. 动力机的类型：动力机的类型：动力机动力机一次动力机一次动力机二次动力机二次动力机内燃机（柴油机、汽油机）内燃机（柴油机、汽油机）电动机、液压马达、气动马达电动机、液压马达、气动马达443.1.4 动力机械的类型及其机械特性动力机械的类型及其机械特性n1. 动力机动力机：机械设备中驱动执行机构的机械，也称原动

11、机。n2. 动力机的选用动力机的选用n（1）分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布局和工作环境等。n（2）分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。n（3）进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能量的供应和消耗，动力机的制造、运行和维修成本的对比等。 45n在选择动力机时，可根据各类动力机的特点进行各种方案的比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量。有时也可预选动力机，在产品设计出来后再进行

12、校核。n动力机的容量通常是指其功率的大小。动力机的功率p（单位：kw）与转矩t（单位：nm）和转速n（单位：rpm）之间的关系为n n 或n动力机的容量一般是由负载所需的功率或转矩确定，动力机的转速则与工作机械之间的传动方案有关。若具有变速装置时，动力机转速可高于或低于工作机械的转速。 9550ntpnpt9550463.1.4 动力机械的类型及其机械特性动力机械的类型及其机械特性n动力机的机械特性：动力机的机械特性：动力机输出的转矩与转动力机输出的转矩与转速的关系，也称输出特性。是选择动力机的基础。速的关系，也称输出特性。是选择动力机的基础。内燃机内燃机负荷特性、速度特性、通用特性负荷特性、

13、速度特性、通用特性燃油消耗、功率、调速特性、推进特性等燃油消耗、功率、调速特性、推进特性等电动机电动机功率、电压、电流、频率、转速功率、电压、电流、频率、转速启动、调速、翻转、制动启动、调速、翻转、制动等等液压马达液压马达气动马达气动马达压力、体积流量和排量、效率压力、体积流量和排量、效率功率、转矩、转速功率、转矩、转速等等电动机电动机液压马达液压马达气动马达气动马达内燃机内燃机电动机电动机液压马达液压马达气动马达气动马达47调速性能好，调整范围宽，启动转矩大调速性能好，调整范围宽，启动转矩大额定功率额定功率pn额定电压额定电压un额定电流额定电流in额定转速额定转速nn励磁电压励磁电压nf励

14、磁电流励磁电流if励磁方式励磁方式价廉、耐用，启动调速性能差价廉、耐用，启动调速性能差额定功率额定功率pn额定电压额定电压un额定电流额定电流in额定频率额定频率f额定转速额定转速nn定子相数定子相数绕组接法绕组接法绝缘等级绝缘等级价贵，启动负载较大，可小范围调速价贵，启动负载较大，可小范围调速复杂，价高，转速不可调节，功率因素大复杂，价高，转速不可调节，功率因素大48三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性电动机的机械特性电动机的机械特性输出转矩输出转矩t t与其相应与其相应转速间的关系转速间的关系启动点启动点额定工作点额定工作点同步转速点同步转速点最大转矩点最大转矩点最大转

15、矩点最大转矩点4950小转矩小转矩液压马达是指输出旋转运动的，将液压马达是指输出旋转运动的，将液压泵液压泵提供的液压能提供的液压能转变为机械能的能量转换装置。转变为机械能的能量转换装置。51n1 液压系统具有能量密度大的特点，同样功率的马达，液压马达比电动机要小的多，轻得多。便于应用在移动设备上。n2 液压马达便于调速，依靠液压阀的调节，可以在0-最大转速之间无极调节，马达本身不需要特殊设计，成本低。这比电机+减速机，或者变频电机、伺服电机便宜的多。n3 液压马达是全封闭的，在粉尘，潮湿（甚至水下），可燃环境中可以放心使用，比防爆（隔爆）电机可靠的多。n4 液压系统的抗过载能力很强，依靠溢流阀

16、的保护，允许较长时间（相对）、频繁过载，并且在过载状态下很容易恢复，不会破坏设备，也不需要重启设备。5253气动马达气动马达是把是把压缩空气压缩空气的压力能转换成旋转的机械能的装置。的压力能转换成旋转的机械能的装置。54n1.可以无级调速。只要控制进气阀或排气阀的开度，即控制压缩空气的流量，就能调节马达的输出功率和转速。n2.能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、排气方向，即能实现气马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲击很小。n3.工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境。 n4.有过载保护作用，不会因过载而发生故障。 n

17、5.具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。可以带负荷启动。启动、停止迅速。 n6.功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直到每分钟万转。 n7.操纵方便，维护检修较容易 气马达具有结构简单，体积小，重量轻，马力大，操纵容易，维修方便。n8.使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放到大气中无污染 压缩空气可以集中供应，远距离输送 555657有效性能指标有效性能指标有效功率有效功率平均有效压力平均有效压力升功率升功率有效燃油消耗率有效燃油消耗率指示性能指标指示性能指标标定功率标定功率机械效率机械效率58每小时的耗油量每小时的耗油量有效

18、燃油消耗率有效燃油消耗率排气温度排气温度经济性经济性59动力性动力性转矩转矩有效功率有效功率60综合特性综合特性613.1.4 动力机械的类型及其特性动力机械的类型及其特性n3. 动力机械的比较动力机械的比较电动机优电动机优/ /缺点缺点：驱动效率较高，种类多，调速性能好，驱动效率较高，种类多，调速性能好，可进行远距离调控。缺点是需电源，野外工作不便。可进行远距离调控。缺点是需电源，野外工作不便。内燃机优内燃机优/ /缺点缺点：功率范围宽，操作启动方便，便于移动，功率范围宽，操作启动方便，便于移动，用于野外作业。缺点是需燃油，排气污染和噪声等。用于野外作业。缺点是需燃油，排气污染和噪声等。液压

19、马达优液压马达优/ /缺点缺点：传动比较大，低转速性能好，易实现：传动比较大，低转速性能好，易实现无级变速，操作和控制都比较方便。缺点是制造和装配精无级变速，操作和控制都比较方便。缺点是制造和装配精度要求高，容易漏油，影响工作机械的运动精度。度要求高，容易漏油，影响工作机械的运动精度。气动马达优气动马达优/ /缺点缺点：无污染，集中供给和远距离输送，对：无污染，集中供给和远距离输送，对易燃、易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好。易燃、易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好。缺点是空气可压缩，工作稳定性差，噪声较大，输出转矩缺点是空气可压缩，工作稳定性差，噪声较大，输出转矩比较小，适用

20、于小型和轻型工作机械。比较小，适用于小型和轻型工作机械。623.1.5 动力机械的选用原则动力机械的选用原则n动力机选择步骤：动力机选择步骤： 根据动力机选择的一般原则，确定动力机的根据动力机选择的一般原则，确定动力机的形式形式； 确定动力机形式后，必须根据工作载荷的特性和动力确定动力机形式后，必须根据工作载荷的特性和动力机的负荷特性来确定最终选用的动力机械机的负荷特性来确定最终选用的动力机械类型类型； 确定动力机类型后，根据工作机械的负荷特性计算动确定动力机类型后，根据工作机械的负荷特性计算动力机的容量，预选动力机力机的容量，预选动力机型号型号。633.1.5 动力机的选用原则n动力机动力机

21、形式形式的选用原则的选用原则： 分析分析工作机械工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布置和工作环境。特性、工作制度、结构布置和工作环境。 分析分析动力机动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。应使动转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。 进行进行经济性经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析

22、是必不可少的，包括能源的供应驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力机的制造、运行和维护成本的对比等。和消耗，动力机的制造、运行和维护成本的对比等。643.1.5 动力机械的选用原则动力机械的选用原则n动力机动力机类型类型的选用原则的选用原则： 考虑不同类型动力机的机械特性，使之与工作考虑不同类型动力机的机械特性，使之与工作机相匹配。机相匹配。n动力机动力机型号型号的选用原则的选用原则： 计算所要求的具体性能数据，如：功率、速度、计算所要求的具体性能数据，如：功率、速度、排量等，选择具体型号。排量等，选择具体型号。653.2 操纵控制系统的方案设计 3.2.1 操纵系统的组

23、成、功能和分类操纵系统的组成、功能和分类3.2.2 操纵系统设计操纵系统设计3.2.3 操纵系统设计的人机工程学操纵系统设计的人机工程学3.2.4 机械系统控制机械系统控制复习思考题复习思考题663.2.1 操纵系统的组成、功能和操纵系统的组成、功能和分类分类一、操纵系统的组成一、操纵系统的组成二、操纵系统的功能二、操纵系统的功能三、操纵系统的分类三、操纵系统的分类67一、操纵系统的组成操纵系统是指把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体。1. 操纵件操纵件：产生操纵动力或发出操纵信号；：产生操纵动力或发出操纵信号；2. 执行件执行件：执行操纵运动；：执行操纵运动；3

24、. 传动件传动件：将操纵运动及其上的作用力传递给执行件；：将操纵运动及其上的作用力传递给执行件；4. 辅助元件辅助元件：保证操纵系统安全的元件。：保证操纵系统安全的元件。操纵系统是人与机械直接联系的闭环调节系统操纵系统是人与机械直接联系的闭环调节系统68二、操纵系统的功能二、操纵系统的功能功能功能：实现信号的转换，即把操作者施加于机械的信号，：实现信号的转换，即把操作者施加于机械的信号，经过转换传递到执行系统，以实现机械的启动、停止、经过转换传递到执行系统，以实现机械的启动、停止、制动、换向、变速和变力等目的。制动、换向、变速和变力等目的。基本要求基本要求：1. 操纵灵活、轻便省力操纵灵活、轻

25、便省力2. 操纵件定位可靠操纵件定位可靠3. 系统反馈准确迅速且具有可调性系统反馈准确迅速且具有可调性4. 操纵方便舒适操纵方便舒适5. 操纵安全可靠操纵安全可靠69三、操纵系统的分类三、操纵系统的分类1. 按操纵系统的驱动方式分类按操纵系统的驱动方式分类2. 按操纵系统的传动方式分类按操纵系统的传动方式分类3. 按一个操纵件控制的执行件数目分类按一个操纵件控制的执行件数目分类人力操纵系统：所需的作用力和能量全部由操作者提供人力操纵系统：所需的作用力和能量全部由操作者提供助力操纵系统：利用机械系统中储备的能量帮助人力操纵助力操纵系统：利用机械系统中储备的能量帮助人力操纵液压操纵系统：所需的作用

26、力和能量由液压系统提供液压操纵系统：所需的作用力和能量由液压系统提供气压操纵系统：所需的作用力和能量由气压系统提供气压操纵系统：所需的作用力和能量由气压系统提供机械式操纵系统：传动件全部是机械的机械式操纵系统：传动件全部是机械的混合式操纵系统：加入液压或气压助力器混合式操纵系统：加入液压或气压助力器单独操纵系统：一个操纵件只操纵一个执行件单独操纵系统：一个操纵件只操纵一个执行件集中操纵系统：一个操纵件可操纵多个执行件集中操纵系统：一个操纵件可操纵多个执行件此外：手动、脚动、遥控操作系统此外：手动、脚动、遥控操作系统703.2.2 操纵系统设计操纵系统设计1. 原理设计原理设计2. 结构设计结构

27、设计3. 操纵件的造型设计操纵件的造型设计根据系统总体根据系统总体设计要求设计要求，选择操纵件、执行件，选择操纵件、执行件和传动机构的方案，确定主要设计参数及有关和传动机构的方案，确定主要设计参数及有关几何尺寸。几何尺寸。在原理方案的基础上，形成各个组成部分的形在原理方案的基础上，形成各个组成部分的形状和尺寸。状和尺寸。 在不同造型、不同功能的机器上，采用独特的在不同造型、不同功能的机器上，采用独特的造型和风格，并与机械整体相协调。造型和风格，并与机械整体相协调。 71操纵系统的主要参数操纵系统的主要参数1.操纵力操纵力fc：操作者施加给机器操纵件的最大作用力，取决于执行件的工操作者施加给机器

28、操纵件的最大作用力，取决于执行件的工作阻力作阻力fz和操纵系统的传动比和操纵系统的传动比c ,= 0.7 0.8。2.操纵行程操纵行程sc： 执行件从初始位置移动到完成操纵任务时的位置，操纵执行件从初始位置移动到完成操纵任务时的位置，操纵件所具有的相应位移量，件所具有的相应位移量，s sz z执行件行程。执行件行程。3.传动比传动比uc：传动件主动力臂与从动力臂之比。传动件主动力臂与从动力臂之比。czcuffzccsus cpzcllu72操纵件的结构设计操纵件的结构设计1.操纵件：操纵件：82.执行件：执行件：13-163.传动件：传动件：1-34.其它结构元件其它结构元件73操纵件的造型设

29、计操纵件的造型设计(1) 旋纽旋纽 旋纽的造型应具有线条简洁大方的形体，要与旋纽的造型应具有线条简洁大方的形体，要与机械造型的风格一致，颜色以素雅为宜机械造型的风格一致，颜色以素雅为宜(除特殊规定外除特殊规定外)，多用黑色、金属灰色或乳白色。需要突出标记的旋钮宜多用黑色、金属灰色或乳白色。需要突出标记的旋钮宜涂饱和度高、明亮度大的颜色，如白、浅黄、浅蓝、朱涂饱和度高、明亮度大的颜色，如白、浅黄、浅蓝、朱红、黑色等。红、黑色等。(2) 手柄和手轮手柄和手轮 手柄和手轮的断面形状和线条应简单大手柄和手轮的断面形状和线条应简单大方，有特殊操纵要求或起点缀作用的手轮内壁涂鲜明醒方，有特殊操纵要求或起点

30、缀作用的手轮内壁涂鲜明醒目的颜色。手柄端部装上有颜色的塑料球头或把手，以目的颜色。手柄端部装上有颜色的塑料球头或把手，以引人注目。手柄和手轮应手感舒适，色质柔和，不宜过引人注目。手柄和手轮应手感舒适，色质柔和，不宜过多地镀亮铬。多地镀亮铬。 741. 经常操纵的操纵件中间位置和移动范围应布置经常操纵的操纵件中间位置和移动范围应布置在最有利工作范围内在最有利工作范围内3.2.3 操纵系统设计的人机工程学操纵系统设计的人机工程学由于在由于在“人人机机”系统中起决定性作用的是人，而人又系统中起决定性作用的是人，而人又常常存在着体力不足、反应迟缓、准确性差、记忆力有常常存在着体力不足、反应迟缓、准确性

31、差、记忆力有限和容易疲劳等弱点。所以，在限和容易疲劳等弱点。所以，在设计操纵系统时设计操纵系统时，就必，就必须须依据人体功能特点和心理、生理规律来进行设计依据人体功能特点和心理、生理规律来进行设计，使，使“人人机机”系统达到最佳配合状态。系统达到最佳配合状态。 3. 设置安全保护装置以保证系统的正常运行和人设置安全保护装置以保证系统的正常运行和人身安全身安全2. 结构件的结构造型应舒适并适应不同的操作情况结构件的结构造型应舒适并适应不同的操作情况75立势操纵的工作范围及操纵力设计立势操纵的工作范围及操纵力设计站立时手臂的活动范围站立时手臂的活动范围阴影区：最有利的活动范围阴影区：最有利的活动范

32、围小圆弧：手臂的正常活动范围小圆弧：手臂的正常活动范围大圆弧：手臂的最大可及范围大圆弧：手臂的最大可及范围76坐势操纵的工作范围及操纵力设计坐势操纵的工作范围及操纵力设计一般坐势操纵的工作范围和视力范围一般坐势操纵的工作范围和视力范围77坐势操纵的工作范围及操纵力设计坐势操纵的工作范围及操纵力设计坐势下肢的活动范围坐势下肢的活动范围a) 垂直面内下肢活动范围垂直面内下肢活动范围 b) 水平面内下肢活动水平面内下肢活动 c) 不同身材的下肢活动范围不同身材的下肢活动范围78手动操纵件的结构造型手动操纵件的结构造型机械操纵件以手动操纵为多。目前常用的手动操纵件有手柄、手机械操纵件以手动操纵为多。目

33、前常用的手动操纵件有手柄、手轮、旋纽和按键等。轮、旋纽和按键等。设计手动操纵件时，应设计手动操纵件时，应注意注意以下几点：以下几点：1) 设计手柄式操纵件时，要设计手柄式操纵件时，要重视柄部的结构形状和尺寸重视柄部的结构形状和尺寸。由于手。由于手掌心肌肉最少，为防止掌心用力过大而产生痉挛，柄部结构应壁免掌心肌肉最少，为防止掌心用力过大而产生痉挛，柄部结构应壁免手掌与柄部完全贴合。手掌与柄部完全贴合。2) 为了为了便于识别和记忆便于识别和记忆。各操纵件最好采用不同形状的柄部或者。各操纵件最好采用不同形状的柄部或者不同颜色的按钮；采用旋转式操纵件时，最好将旋纽上的手捏部分不同颜色的按钮；采用旋转式

34、操纵件时，最好将旋纽上的手捏部分设计成一头尖的形状，或标上醒目的标记，用它来指明旋转的刻度设计成一头尖的形状，或标上醒目的标记，用它来指明旋转的刻度位置。位置。由于电子技术的发展，键盘式按键开关应用越来越多。在按由于电子技术的发展，键盘式按键开关应用越来越多。在按键上可注上文字或图形，便于识别和记忆。键上可注上文字或图形，便于识别和记忆。3) 键盘式按键开关键盘式按键开关占用空间小，操作时视野范围集中，手的活动占用空间小，操作时视野范围集中，手的活动范围小，操作省力，反应快且准确性高。范围小，操作省力，反应快且准确性高。 4) 采用复合多功能操纵件采用复合多功能操纵件，可以在操作时手不离开操纵

35、件而完成，可以在操作时手不离开操纵件而完成多种操纵任务，且可节约操作空间。多种操纵任务，且可节约操作空间。79脚动操纵件的结构造型脚动操纵件的结构造型脚动操纵件的结构型式脚动操纵件的结构型式a) 踏板绕较远的支点旋转踏板绕较远的支点旋转 b) 踏板平移踏板平移c) 踏板绕较近的指点旋转，支点在前踏板绕较近的指点旋转，支点在前 d)踏板绕较远的指点旋转，支点在后踏板绕较远的指点旋转，支点在后80操纵环境的安全保护操纵环境的安全保护(1) 操纵环境的操纵环境的不安全因素不安全因素 造成操纵失误的环境因素有造成操纵失误的环境因素有机械系统的机械系统的干扰干扰、操作者的干扰操作者的干扰和和自然环境的影

36、响自然环境的影响。机械系统的干扰来自被操作的机械或周围的其他机械。如振动、机械系统的干扰来自被操作的机械或周围的其他机械。如振动、噪声、粉尘、油污等。自然环境的干扰如温度、湿度、粉尘对操作安噪声、粉尘、油污等。自然环境的干扰如温度、湿度、粉尘对操作安全性影响很大，尤其是室外作业的机械。来自操纵者的不安全因素包全性影响很大，尤其是室外作业的机械。来自操纵者的不安全因素包括人体健康、心情、情绪以及由此而造成的生理和心理的不良变化。括人体健康、心情、情绪以及由此而造成的生理和心理的不良变化。(2) 操纵环境的操纵环境的安全保护安全保护 操纵环境的安全保护主要是指对操纵环境操纵环境的安全保护主要是指对

37、操纵环境的不安全因素采用必要的安全防护措施，如有以下一些：的不安全因素采用必要的安全防护措施，如有以下一些：1) 在机械系统中在机械系统中加装保护装置加装保护装置，如在汽车拖拉机等室外行走机械，如在汽车拖拉机等室外行走机械上安装驾驶室等。上安装驾驶室等。2) 提高操作者作业提高操作者作业环境的舒适性环境的舒适性。3) 设置设置指示和警报指示和警报装置。装置。81操纵系统中的安全保护装置操纵系统中的安全保护装置(1) 自锁机构自锁机构 自锁机构是以一定的预压力把操纵件、执行件自锁机构是以一定的预压力把操纵件、执行件和中间的某传动件固定在规定的位置上，只有所施加的操纵和中间的某传动件固定在规定的位

38、置上，只有所施加的操纵力大于这个预压力时，操纵件或执行件才会动作。力大于这个预压力时，操纵件或执行件才会动作。(2) 互锁机构互锁机构 互锁机构使操纵系统在进行一个操作动作时把互锁机构使操纵系统在进行一个操作动作时把另一个操作动作锁住，从而避免机械发生不应有干涉，保证另一个操作动作锁住，从而避免机械发生不应有干涉，保证在前一执行件的动作完成后才可使另一执行件动作。如车辆在前一执行件的动作完成后才可使另一执行件动作。如车辆和机床等各类机械的变速箱中不会同时挂两个档；在离合器和机床等各类机械的变速箱中不会同时挂两个档；在离合器和制动器配合动作操纵系统中，应保证离合器先脱开而制动和制动器配合动作操纵

39、系统中，应保证离合器先脱开而制动器后制动，以及制动器先松开而离合器后接合。器后制动，以及制动器先松开而离合器后接合。 823.2.4 机械系统控制机械系统控制一、控制的作用一、控制的作用二、控制系统的组成二、控制系统的组成三、机械系统控制基本原理三、机械系统控制基本原理83一、控制的作用一、控制的作用现代机械系统都是由物料流、信息流和能量流所构成的现代机械系统都是由物料流、信息流和能量流所构成的集成系统。集成系统。为了保证系统的工作质量、提高生产率、改善为了保证系统的工作质量、提高生产率、改善系统的动力特性和工作可靠性系统的动力特性和工作可靠性，就必须依靠控制系统才能，就必须依靠控制系统才能达

40、到要求。达到要求。机械系统控制的机械系统控制的主要作用主要作用有以下几点：有以下几点：1) 使各执行机构按一定的顺序和规律运动。使各执行机构按一定的顺序和规律运动。2) 改变各运动构件的运动方向和速度大小。改变各运动构件的运动方向和速度大小。3) 使各运动构件间有协调的动作，完成给定的作业循环使各运动构件间有协调的动作，完成给定的作业循环要求。要求。4) 对产品进行检测、分类以及防止事故，对工作中出现对产品进行检测、分类以及防止事故，对工作中出现的不正常现象及时报警并消除。的不正常现象及时报警并消除。 84二二 、控制系统的组成、控制系统的组成就结构而言，控制系统主要由控制部分和被控部分组成。

41、就结构而言，控制系统主要由控制部分和被控部分组成。被控部分就是机械系统被控部分就是机械系统。控制部分的功能控制部分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信号，是接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号。并对被控部分发出控制信号。被控部分被控部分则是接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信则是接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动。号的作用下实现被控运动。 典型的控制系统方框图典型的控制系统方框图85三三 、机械系统控制基本原理、机械系统控制基本原理1 1开环控制系统开环控制系统如果控制系统只是根据给定的控制量进行控制，而如果控制系统只是根据给定的控制量进行控

42、制，而被控量在整个控制被控量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响过程中对控制量不产生任何影响，则称这种控制为开环控制系统。这，则称这种控制为开环控制系统。这种系统只是单方向地依一定程序或规律实现控制，对应每一个输入值种系统只是单方向地依一定程序或规律实现控制，对应每一个输入值便有一个输出值。而输出值的精度完全取决于组成开环控制系统各环便有一个输出值。而输出值的精度完全取决于组成开环控制系统各环节的工作精度。各种干扰显著影响开环控制系统的工作性能。节的工作精度。各种干扰显著影响开环控制系统的工作性能。 开环控制系统方框图开环控制系统方框图86三三 、机械系统控制基本原理、机械系统控制基本原理开

43、环控制系统实例开环控制系统实例如果工作台从如果工作台从a a点点移动到移动到b b点，工件点，工件右上角的阴影部分右上角的阴影部分将被切削。控制器将被切削。控制器从输出端口把数据从输出端口把数据以脉冲形式输出给以脉冲形式输出给步进电动机。因此，步进电动机。因此，控制器可通过步进控制器可通过步进电动机转动必要的电动机转动必要的转数来对工作台的转数来对工作台的移动进行控制。移动进行控制。 87三三 、机械系统控制基本原理、机械系统控制基本原理2 2闭环控制系统闭环控制系统控制系统根据被控量对输入量的偏差来进行控制，而控制系统根据被控量对输入量的偏差来进行控制，而被控被控量在整个控制过程中对控制量产

44、生反馈量在整个控制过程中对控制量产生反馈。因闭环系统是按。因闭环系统是按照反馈控制原理来工作的，故又称为照反馈控制原理来工作的，故又称为反馈控制系统反馈控制系统。 闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图88三三 、机械系统控制基本原理、机械系统控制基本原理闭环控制系统实例闭环控制系统实例1.1. 在输入端设置了比较元件在输入端设置了比较元件计数器；计数器；2.2. 在输出端设置了检测元件在输出端设置了检测元件回转编码器，用它来测定输出量回转编码器，用它来测定输出量(电脉冲数电脉冲数)，再送到比较元件计数器中去，与输入信号，再送到比较元件计数器中去，与输入信号(电脉冲电脉冲数数)进行比较，得出偏差

45、信号，再用以控制输出量。进行比较，得出偏差信号，再用以控制输出量。 893.3 机械系统的精度设计3.3.1 精度设计中的基本概念3.3.2 精度设计的主要原则3.3.3 精密机械系统精度设计和误差分配903.3.1 精度设计中的基本概念n精密机械系统和大多数机电一体化系统均有较高的精度要求，属精密设备。其基本特点是精度、效率和自动化程度要求高，结构比较复杂，但其共同的基础是精密机械技术。n精密机械技术与普通机械技术比较，机械原理、功用和重要性方面并无多大变化。其主要区别在于精度、分辨率和灵敏度等性能指标上，这就需要有充分的科学理论和实验为依据，才能进行有效的精度设计。913.3.1 精度设计

46、中的基本概念n基础：误差理论n误差理论：研究影响测量或者设备精度的误差来源的及特性、误差评定和估计方法，以及误差的传递，相互转化作用规律，误差的合成与分配原则等从而为精密测量和精度设计提供可靠的科学依据。92n（1）误差的定义n对某个物理量进行测量时，所测得的数值xi与真值x0之间的差值称为误差i 。0xxii93n误差大小反映了测量对真值的偏离程度，它具有下列特点：n 任何测量手段无论精度多高，总是有误差存在的，即真误差是客观的。n 当多次重复测量某个物理参数时，各次测量值是不等的，这是误差不确定性的反映。只有测量仪器的分辨率太低时，才会有相等的情况出现。n 由于真值是未知的，因此真误差也是

47、未知的。94（2）误差的表示方法n 绝对误差。绝对误差是测得值x与被测量的真值x0之差，即n绝对误差有量纲，能反映误差的大小和方向，但不能反映测量工作的精细程度。n 相对误差。绝对误差与被测量真值x0之比定义为相对误差，即0xx 0x95n相对误差无量纲，但能反映测量工作的精细程度。n用仪器或仪表示值范围的相对误差（百分比值）表示该仪器的精度等级。例如温度、压力、流量和电测仪表的精度等级为0.1级，它表示该仪表的绝对误差为示值范围的土0.1% 96（3）误差的分类）误差的分类 根据误差的性质、来源及特点，可将根据误差的性质、来源及特点，可将误差进行分类：误差进行分类：n 根据误差的性质分类。误

48、差可分为随机误差、系统根据误差的性质分类。误差可分为随机误差、系统误差和粗大误差。误差和粗大误差。n随机误差是由许多独立因素的微量变化综合的结果。其数值大小和方向表面上看来无一定的规律，但随着测量次数的增加、测量值的增多，它将服从一定的统计规律，如正态分布、均匀分布、三角分布等，但大多数随机误差呈正态分布。n系统误差的大小和方向在测量过程中是不变的，或者是按一定规律变化的。一般来说，系统误差可用理论计算或实验方法求得，可预测它的出现，也可进行调节和修正。n粗大误差是由测量人员的疏忽或错误，在测得值中出现的异常误差，经认真判定后予以剔除。97n 按被测参数的时间特性分类。误差可分为按被测参数的时

49、间特性分类。误差可分为静态参数误差和动态参数误差。静态参数误差和动态参数误差。n不随时间变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所得的误差称为静态参数误差。反之，被测参数是时间的函数称为动态参数，测定动态参数所得的误差称为动态参数误差。98n 根据误差之间关系分类。误差可分为独立根据误差之间关系分类。误差可分为独立误差和相关误差。误差和相关误差。n各原始误差之间是彼此独立、互不相关的，这种误差称为独立误差。在误差合成时可用误差独立作用原理来计算。反之，各原始误差之间是彼此相关的，这种误差称为相关误差。 99n 按误差来源分类。误差可分为原理误差、制造误差按误差来源分类。误差可分为原理误差、制造

50、误差和运行误差（使用误差）。和运行误差（使用误差）。n原理误差可分为理论误差、方案误差、技术原理误差、机构原理误差、零件原理误差、电路及控制系统的原理误差等。例如，理论误差是指采用的工作原理在理论上的不完善，或者采用了近似理论所造成的误差。方案误差是指采用了不同技术方案所造成的误差。100n（1）精度的含义）精度的含义 根据误差的不同性质，可将根据误差的不同性质，可将精度分为：精度分为：n 准确度。它用系统误差大小来表示，准确度反映了系统的测量值偏离真值的程度。n 精密度。它用随机误差大小来表示，精密度反映了测量值与真值的离散程度。n 精确度。它是系统误差和随机误差大小的综合反映。因此，精确度

51、高表示准确度和精密度均高，而准确度高未必精密度高，反之亦然，这两种情况表示精确度不一定高。1013灵敏度和分辨率n灵敏度和分辨率是精度设计时应该考虑的另外两项重要的性能指标。n （1）灵敏度 系统的灵敏度是指当输入的变化值x趋近于0时，输出变化值y与输入变化值x比值的极限，即灵敏度s定义为n灵敏度的具体数值与系统的静态特性函数y=f(x)有关。例如，y = kx，则静态灵敏度k（k为常数）。dxdyxys lim102n（2）分辨率 它是指精密机械设备能感受、识别或检测到输入量的最小值，或者能产生、响应得到输出量的最小值。 1033.3.2 精度设计的主要原则n1变形最小原则变形最小原则n精密

52、机械设备的零部件受到自重、外载、温度变化、工艺内应力以及振动等因素的作用，都会产生变形误差。因此，变形最小原则即要求上述各种变形误差最小。提高零部件结构刚度提高零部件结构刚度减小温度影响减小温度影响减小内应力产生的变形减小内应力产生的变形 104105n2基面统一原则基面统一原则n零件设计时，应注意遵守下列四个基面统一原则，以减小制造误差和测量误差。n（1）设计基面 零件工作图上标注尺寸的基准面。n（2）工艺基面 加工时的定位基面，以此加工其它面。n（3）测量基面 以它为测量基准，测量与此有关的尺寸。n（4）装配基面 以它为基准；确定零件间的相互位置。106n3误差缩小和放大原理误差缩小和放大

53、原理n在传动链中，各级传动副的传动误差都按一定的传动比依次传递，最后集中反映到末端件上，导致两个端件之间产生相对位移误差，即传动误差。n传动件的运动位移是在啮合过程中由主动件传给被动件的，并且只沿瞬时啮合点处的公法线方向传递。因此，一对传动副在啮合点处的公法线方向上的瞬时位移相等。传动误差的传递也遵循同样的规律。107式中 u1第一对啮合齿轮的传动比。若不考虑轴的扭转变形，装在同一根轴上两个传动件的角度位移是相等的。由于z2和z3同轴，因此，z2的误差传到z3时为同理，z1误差传到z4时为式中 u2第二对啮合齿轮的传动比。21ss222rs所以112112urr1123u311333rurs31134russ21143114uurru108n由此得出误差传递的规律：传动链中任意一个环节由此得出误差传递的规律：传动链中任意一个环节n产产生转角误差时，其后面的某个传动环节生转角误差时，其后面的某个传动环节k的转角误差应的转角误差应为为n由于传动链是由若干传动件组成的，因此每一传动件由于传动链是由若干传动件组成的，因此每一传动件的误差都将传递到末端件，根据概率原理，传动链各的误差都将传递到末端件，根据概率原理，传动链各传动件误差反映到末端件的