複雜機電系統綜合設計

第1篇 常用基礎知識和設計技術

第1章 概述2
1.1複雜機電系統的含義2
1.2機械的分類4
1.3機械工程的發展史5
1.3.1古代機械階段5
1.3.2近代機械階段6
1.3.3現代機械階段8

第2章 設計的內涵10
2.1設計的意義和必要性10
2.1.1機械工程師應具有的素質10
2.1.2機械產品的全生命週期11
2.2問題的提出和產品規劃12
2.2.1用途描述12
2.2.2限制條件12
2.3設計的流程13
2.3.1設計計畫13
2.3.2草案圖繪製14
2.3.3計畫圖繪製15
2.3.4零件圖、裝配圖、電氣控制圖繪製16
2.3.5製造、裝配、調試階段16
2.3.6檢查、試車階段16
2.3.7設計的後期工作16
2.4設計的思考過程17
2.4.1一般的思考過程17
2.4.2創造性的思考方法18
2.5設計技術23

第3章 機構分析與方案設計26
3.1機構選型26
3.1.1執行構件運動的常用機構26
3.1.2機構選型的運動特性分析31
3.1.3機構選型的基本原則33
3.2機械系統方案設計34
3.2.1運動方案設計34
3.2.2運動方案確定37
3.2.3執行系統協調設計（運動循環圖表設計）39
3.2.4原動機選擇46
3.2.5系統方案評價與決策47
3.3機構運動分析與力分析49
3.3.1機構運動分析49
3.3.2機構力分析50

第4章 機械零件結構設計51
4.1典型工藝零件結構設計51
4.1.1金屬切削件結構設計51
4.1.2鑄件結構設計54
4.1.3焊接件結構設計57
4.1.43D列印件結構設計59
4.2典型功能零部件結構設計61
4.2.1動連接件結構設計61
4.2.2靜連接件結構設計68
4.2.3其他典型零件結構設計75
4.3零件精度設計79
4.3.1孔、軸公差與配合79
4.3.2滾動軸承的公差與配合81
4.3.3鍵和花鍵的公差83
4.3.4圓柱齒輪的公差86

第5章 機械結構力學性能分析90
5.1有限元基本概念90
5.2有限元分析模型與求解基本流程91
5.2.1有限元分析建模準備91
5.2.2有限元模型建立與求解94
5.2.3有限元模型結果分析97
5.2.4常用軟體98
5.3機械結構靜特性分析99
5.3.1結構分析和簡化99
5.3.2受力分析101
5.3.3機床主軸箱的靜特性分析103
5.4機械結構動力學分析106
5.4.1基本概念106
5.4.2結構在載荷作用下的動特性計算107
5.4.3機床主軸箱模態分析109

第6章 機械結構優化設計110
6.1機械結構優化的設計準則110
6.1.1優化數學模型110
6.1.2機械結構的輕量化設計111
6.2機械結構優化設計的流程112
6.2.1一般設計流程112
6.2.2結構優化設計技術分類和特點114
6.3結構構型優化設計115
6.3.1基於變密度法的結構構型設計117
6.3.2基於仿生原理的結構加強筋分佈設計118
6.4結構形狀優化設計120
6.4.1形狀優化的數學模型121
6.4.2形狀優化的設計過程121
6.5結構尺寸優化設計123
6.6多學科綜合優化設計的基本概念124

第7章 機械製造工藝規程設計127
7.1工藝規程設計的前期準備127
7.1.1基本要求127
7.1.2原始資料127
7.1.3內容與步驟127
7.2毛坯的設計與製造128
7.2.1毛坯的選擇128
7.2.2等材製造129
7.2.3增材製造134
7.3機械加工工藝規程設計136
7.3.1擬定零件的機械加工工藝路線136
7.3.2確定各工序採用的設備137
7.3.3切削用量的選擇及相關計算138
7.3.4機械加工工藝檔設計140
7.4典型零件機械加工工藝規程設計實例142
7.4.1主軸類零件的機械加工工藝規程142
7.4.2箱體類零件的機械加工工藝規程150
7.4.3齒輪類零件的機械加工工藝規程152
7.4.4連杆類零件的機械加工工藝規程154

第8章 電氣控制系統設計161
8.1電氣控制系統設計的原則和內容161
8.1.1設計的基本原則161
8.1.2設計的內容161
8.1.3設計的基本流程162
8.2電氣控制電路的設計163
8.2.1電氣傳動方案的選擇163
8.2.2常用低壓電器164
8.2.3基本控制電路166
8.2.4繼電器-接觸器控制系統設計的基本方法172
8.3現代電氣控制電路的設計174
8.3.1單片機控制系統174
8.3.2可編程式控制器PLC177
8.3.3介面電路的選擇179
8.4現代伺服驅動系統設計179
8.4.1驅動器和驅動系統179
8.4.2常用感測器180
8.4.3工業PC控制系統181
8.4.4伺服系統控制設計181

第2篇 典型設計案例

第9章 小型衝床設計184
9.1設計內容184
9.1.1原理方案設計要求184
9.1.2結構設計要求185
9.1.3工藝設計要求185
9.1.4控制設計要求186
9.2原理方案設計186
9.2.1原理方案選擇186
9.2.2衝壓機構的原理方案187
9.2.3機構的傳動方案分析189
9.3結構設計及優化190
9.3.1結構設計190
9.3.2曲軸強度分析192
9.3.3曲軸尺寸優化193
9.4工藝方案設計197
9.4.1曲軸的主要技術要求197
9.4.2曲軸的材料與毛坯198
9.4.3曲軸的機械加工工藝198
9.5控制方案設計200
9.5.1衝床實現的主要功能200
9.5.2衝床電氣元件的選擇200
9.5.3電氣控制原理圖200

第10章 四足行走機器人設計202
10.1設計內容202
10.1.1原理方案設計要求202
10.1.2結構設計要求203
10.1.3工藝設計要求203
10.1.4控制設計要求204
10.2原理方案設計204
10.2.1原理方案選擇204
10.2.2行走機構的原理方案205
10.2.3原動機的選擇207
10.3結構模組設計208
10.3.1結構方案設計208
10.3.2回轉副設計與校核210
10.3.3主軸設計與校核212
10.3.4總裝圖213
10.4工藝方案設計213
10.4.1軸承座的主要技術要求213
10.4.2軸承座的材料與毛坯213
10.4.3小端軸承座的機械加工工藝217
10.5控制方案設計217
10.5.1電氣控制總體方案確定217
10.5.2電氣元件表218
10.5.3電氣原理圖220

第11章 模組化工業機器人設計221
11.1設計內容221
11.1.1原理方案設計要求221
11.1.2電氣控制設計要求221
11.2原理方案設計222
11.2.1機構運動簡圖222
11.2.2Delta機器人運動分析223
11.3控制方案設計224
11.3.1電氣元件的選擇225
11.3.2運動控制器功能與連線227
11.3.3電氣原理圖230

參考文獻234