组合系统的功能和方案变异实验 指导书 (机械设计专业用) 机械设计研究所
组合系统的功能和方案变异实验 指导书 （机械设计专业用） 机械设计研究所
组合系统的功能和方案变异实验 一、实验目的 机械设计中，我们把具有相同的原理，相同的制造工艺，相同和或不同大 小等 但其功能种类 完全相同的 一组产品称为组合 产品。许多产品通过更换 少量部件使 个等级的机型功能在横向得到扩展，形成组合产品。产品组合化和 系列化有利于缩短产品的开发周期，以较低成本满足用户的各种需求。因此，组 合化和系列化成了愈来愈多的机电产品的发展方向。 计算机图形仿真是一种十分有用的工具。用交互方式预先在计算机屏幕上布 置机器人组成，可以避免因为实际组装试验失败而造成直接经济损失。在屏幕上 模拟驱动机器人可以离 线的测试机器人的运动特性 也提供图形示教手段。计算 机图形仿真为工程机械作业自动化智能化的研究提供了方便有利的手段。 通过本实验，我们希望同学们能够： 1、了解组合系统模块化设计的基本思想： `、兰握运用各种模块米拼装组合系统的基本 提高独立设计实验方案的能力 二、实验装置和工具 1、多功能组合机器人实验台： 2、ZHR组合机器人仿真系统。 三、基本概念 模块化设计方法是设计专业学生必须掌握的基本设计方法之一。模块化设计 有助于提高产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期，增强产品的市场竞争 能力。模块化设计思想适用于各种硬件和软件产品开发，特别适用于组合化系统 产品开发。 组合产品：具有相同解的原理、相同制造工艺、相同和/或不同大小等级，通过 更换部分组合块，也即功能模块而使其功能种类不完全相同的一组产品。组合产 品是一种组合系统。 组合产品的特征：通过不同功能组合块的相互组合来实现不同的总功能。 模块：一组具有相同结合要素（指联接部位的形状、尺寸和联接件之间的配合或 接触参数等)且能互换的单元。它们的功能可以相同或不同。 模块的特征：具有标准的接口， 列和组合产品中得到至少两次的应用 模块的分类：根据不同的分类依据，模块可分为功能模块、制造模块、装配模块、 运输模块、回用模块等种类。 功能模块：以模块承担的功能作为划分依据，它又可分为基本模块、辅助模块、 特殊模块和适应模块。 制造模块：从便于制造的角度来划分的模块
组合系统的功能和方案变异实验 1 一、实验目的 在机械设计中，我们把具有相同的原理，相同的制造工艺，相同和或不同大 小等级，但其功能种类不完全相同的一组产品称为组合产品。许多产品通过更换 少量部件使一个等级的机型功能在横向得到扩展，形成组合产品。产品组合化和 系列化有利于缩短产品的开发周期，以较低成本满足用户的各种需求。因此，组 合化和系列化成了愈来愈多的机电产品的发展方向。 计算机图形仿真是一种十分有用的工具。用交互方式预先在计算机屏幕上布 置机器人组成，可以避免因为实际组装试验失败而造成直接经济损失。在屏幕上 模拟驱动机器人可以离线的测试机器人的运动特性，也提供图形示教手段。计算 机图形仿真为工程机械作业自动化智能化的研究提供了方便有利的手段。 通过本实验，我们希望同学们能够： 1、 了解组合系统模块化设计的基本思想； 2、 掌握运用各种模块来拼装组合系统的基本方法； 3、 提高独立设计实验方案的能力。 二、实验装置和工具 1、 多功能组合机器人实验台； 2、 ZHR 组合机器人仿真系统。 三、基本概念 模块化设计方法是设计专业学生必须掌握的基本设计方法之一。模块化设计 有助于提高产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期，增强产品的市场竞争 能力。模块化设计思想适用于各种硬件和软件产品开发，特别适用于组合化系统 产品开发。 组合产品：具有相同解的原理、相同制造工艺、相同和/或不同大小等级，通过 更换部分组合块，也即功能模块而使其功能种类不完全相同的一组产品。组合产 品是一种组合系统。 组合产品的特征：通过不同功能组合块的相互组合来实现不同的总功能。 模块：一组具有相同结合要素（指联接部位的形状、尺寸和联接件之间的配合或 接触参数等）且能互换的单元。它们的功能可以相同或不同。 模块的特征：具有标准的接口，在系列和组合产品中得到至少两次的应用。 模块的分类：根据不同的分类依据，模块可分为功能模块、制造模块、装配模块、 运输模块、回用模块等种类。 功能模块：以模块承担的功能作为划分依据，它又可分为基本模块、辅助模块、 特殊模块和适应模块。 制造模块：从便于制造的角度来划分的模块
组合系统的功能和方案变异实 装配模块：从有利于装配和维修的角度来划分的模块。 运输模块：为便于运输而设计的模块。在大型和重型设备中为运输必须设置这类 横快 回用模块：为考虑回用而设置的模块。例如一些采用贵重金属和稀有金属材料的 零部件应当在结构上有相对独立性，便于拆装，一旦整机必须报废时，这一部分 可以很容易的分离出来。 组合块：一组能不加选择地相互连接和拼装，组合成至少两种不同功能组合系统 的模块。组合快是一种细合元件 组合块的特低：放用来组成多种不同功能组合系统的模块，简言之地即用于组或 组合块的分类：以组合块承担的功能作为划分依据，它有可分为基本组合块、辅 助组合块、特殊组合块和适应组合块。所有的组合块都是功能模块。有些组合块 根据设计要求也可以同时具有其它模块性质。 定是组合快， 而组合快一定榄快。构成榄快的出发占 的考虑 更多地则出于制造、装 配、 运输和回用方面的考虑， 归 圖到生干中能济作和可行性的考思。而组合块则主要风冬洗他实理功安 出发考虑。 组合系统：由相同或不同的组合块拼装而成的一组实体。它可以是组合产品、组 合部件或组合零件 组合系统的特征 由相同或不同组合块构成，由同样数量和种类的组合块可以构 成很多功能不同的组合体，可拆，组合块可以重新使用，每一组合块有统一的接 组合块的接口：组合块之间因为有相联关系而必须有接口，各组合块之间的固定 联接要求愈高，接口的意义愈大，那么接口必须做得愈精确。在装配式家俱中家 俱之间的接触面就是接口。在块规中块的粘着表面是接口。在机床的组合部件中 接口由带螺栓孔的联接表面构成。并非所有的组合体都要求有接口 如果它们计 非由组合块相互之间固化来实现，那么也可以不要接口。例如在砝码组合体中， 每一个砝码都是组合块，将它们成组置于秤盘上，这样各个单件之间并不固定相 连就可以达到我们所希望的重量。在此不需要注意接口，完全可对组合块进行自 由构形，于是砝码的形状将按使用方便方使来考虑。重量大的砝码有一个抓起钮， 能舒适地 使用，较小的砝码则做 成简单的圆柱、园盘、圆球或手板 组合的多样性：组合系统一个最重要的特点无疑在于：由一个有限的不同模块的 藏量，产生大量的不同功能的组合。这一特性既使制造者能够实现系列和批量的 制造，又使用户能按其特殊需要得到功能独特的产品。设计一个组合系统时存在 两个相互矛盾的想法：一种想法是，要用组合系统最好地去达到其原始的目的」 为此必须用很多种精细分解的组合块：另一种想法要求每种组合块能有较大的批 从而降低制造成本，这就希望组合块种类要少一些，但这样形成的组合系统 满足各种原始要求的程度要差一些。这两种可能性之间存在着一个技术和经济上 的最佳协调问题，这一考虑在组合元件的标准化中正好是同样的要求的，由此又 可认识到组合系统和标准化主旨是相连的。 闭式组合产品：用有限的组合块可以组合成有限多种功能的组合产品 开式组合产品：用有限的组合块可以组合成无限多种功能的组合产品。 一般情况 下机电产品是由零部件组成的。然而并非任何零部件都能称为模块，也并非任何 由部件总装而成的机电产品都能称为模块化产品。作为模块的特征是其具有通用
组合系统的功能和方案变异实验 2 装配模块：从有利于装配和维修的角度来划分的模块。 运输模块：为便于运输而设计的模块。在大型和重型设备中为运输必须设置这类 模块。 回用模块：为考虑回用而设置的模块。例如一些采用贵重金属和稀有金属材料的 零部件应当在结构上有相对独立性，便于拆装，一旦整机必须报废时，这一部分 可以很容易的分离出来。 组合块：一组能不加选择地相互连接和拼装，组合成至少两种不同功能组合系统 的模块。组合块是一种组合元件。 组合块的特征：被用来组成多种不同功能组合系统的模块，简言之也即用于组成 组合产品的模块。 组合块的分类：以组合块承担的功能作为划分依据，它有可分为基本组合块、辅 助组合块、特殊组合块和适应组合块。所有的组合块都是功能模块。有些组合块 根据设计要求也可以同时具有其它模块性质。 可以看出，模块不一定是组合块，而组合块一定模块。构成模块的出发点既 可以出于功能的考虑，更多地则出于制造、装配、运输和回用方面的考虑，归根 到底是出于经济性和制造可行性的考虑。而组合块则主要从经济地实现功能变异 出发考虑。 组合系统：由相同或不同的组合块拼装而成的一组实体。它可以是组合产品、组 合部件或组合零件。 组合系统的特征：由相同或不同组合块构成，由同样数量和种类的组合块可以构 成很多功能不同的组合体，可拆，组合块可以重新使用，每一组合块有统一的接 口。 组合块的接口：组合块之间因为有相联关系而必须有接口，各组合块之间的固定 联接要求愈高，接口的意义愈大，那么接口必须做得愈精确。在装配式家俱中家 俱之间的接触面就是接口。在块规中块的粘着表面是接口。在机床的组合部件中 接口由带螺栓孔的联接表面构成。并非所有的组合体都要求有接口。如果它们并 非由组合块相互之间固化来实现，那么也可以不要接口。例如在砝码组合体中， 每一个砝码都是组合块，将它们成组置于秤盘上，这样各个单件之间并不固定相 连就可以达到我们所希望的重量。在此不需要注意接口，完全可对组合块进行自 由构形，于是砝码的形状将按使用方便方便来考虑。重量大的砝码有一个抓起钮， 能舒适地使用，较小的砝码则做成简单的圆柱、圆盘、圆球或手板。 组合的多样性：组合系统一个最重要的特点无疑在于：由一个有限的不同模块的 藏量，产生大量的不同功能的组合。这一特性既使制造者能够实现系列和批量的 制造，又使用户能按其特殊需要得到功能独特的产品。设计一个组合系统时存在 两个相互矛盾的想法：一种想法是，要用组合系统最好地去达到其原始的目的， 为此必须用很多种精细分解的组合块；另一种想法要求每种组合块能有较大的批 量，从而降低制造成本，这就希望组合块种类要少一些，但这样形成的组合系统 满足各种原始要求的程度要差一些。这两种可能性之间存在着一个技术和经济上 的最佳协调问题，这一考虑在组合元件的标准化中正好是同样的要求的，由此又 可认识到组合系统和标准化主旨是相连的。 闭式组合产品：用有限的组合块可以组合成有限多种功能的组合产品。 开式组合产品：用有限的组合块可以组合成无限多种功能的组合产品。一般情况 下机电产品是由零部件组成的。然而并非任何零部件都能称为模块，也并非任何 由部件总装而成的机电产品都能称为模块化产品。作为模块的特征是其具有通用
组合系统的功能和方案变异实验 的接口或者说标准化的接口，同时它在系列、组合或者甚至在单机中得至少2 次的应用。一些标准零件（如螺栓、销子等）虽然具有模块的特征，但往往不特 指为模块。另二些标准零件（如机架、箱体）具有模块特征时往往被特别指明为 模块。模块是零件标准化、部件通用化和产品系列化的基础，模块化大促进了 准化、通用化和系列化（简称“三化”）。 组合产品由一些功能块可拆或不可拆地拼合而成。功能组合块应按通用功能 分类，如图1所示。 总功能变体 一T 基本功能 辅助功能 特殊功能 适应功能 专用功能 基本的 安转的 特殊的 无法事 通用的 联接的 定义 基本组合块 辅助组合块 特殊组合块 适应组合块 非组合模块 实现变体 实现变体 组合产品 混合产品 组合产品系统 混合产品系统 图1组合产品系统和混合产品系统中的功能结构种类 基本功能是组合系统中基本、反复出现的和不可缺少的功能。基本功能可以单独 成为一个总功能的变型，或与其它功能连接起来。基本组合块是必须组合块。 辅助功能用于联接和联通，辅助组合块通常为联接元件或接头。辅助组合块 般也是必须组合块。 特殊功能是任务书特别要求的、补充的分功能。特殊组合块表现为对基本组 合块的一种特殊补充或作为一个附件，因而是可能组合块。 适应功能是为了适应其它系统和边界条件所必须的。适应组合块只是部分地 或一定程度上是确定的。在个别情况下，由于不可预见的边界条件，其尺寸必须
组合系统的功能和方案变异实验 3 的接口或者说标准化的接口，同时它在系列、组合或者甚至在单机中得至少 2 次的应用。一些标准零件（如螺栓、销子等）虽然具有模块的特征，但往往不特 指为模块。另一些标准零件（如机架、箱体）具有模块特征时往往被特别指明为 模块。模块是零件标准化、部件通用化和产品系列化的基础，模块化大促进了标 准化、通用化和系列化（简称“三化”）。 组合产品由一些功能块可拆或不可拆地拼合而成。功能组合块应按通用功能 分类，如图 1 所示。 图 1 组合产品系统和混合产品系统中的功能结构种类 基本功能是组合系统中基本、反复出现的和不可缺少的功能。基本功能可以单独 成为一个总功能的变型，或与其它功能连接起来。基本组合块是必须组合块。 辅助功能用于联接和联通，辅助组合块通常为联接元件或接头。辅助组合块 一般也是必须组合块。 特殊功能是任务书特别要求的、补充的分功能。特殊组合块表现为对基本组 合块的一种特殊补充或作为一个附件，因而是可能组合块。 适应功能是为了适应其它系统和边界条件所必须的。适应组合块只是部分地 或一定程度上是确定的。在个别情况下，由于不可预见的边界条件，其尺寸必须 总功能变体 混合产品 实现变体 非组合模块 专用功能 组合产品 实现变体 基本组合块 辅助组合块 特殊组合块 适应组合块 基本功能 辅助功能 特殊功能 适应功能 组合产品系统 混合产品系统 基本的 通用的 安装的 联接的 特殊的 补充的 扩展的 无法事 先精确 定义 用户临 时提出 的
组合系统的功能和方案变异实 加以调整。适应组合块可以作为必须组合块或可能组合块出现。 在组合系统中常会出现难以预见的，为任务特别要求的功能。这些功能通过 非组合块来实现。这些非组合块必须为某个具体任务单独开发。它各组合块联合 而成二个涩合系统， 为了划分组合产品的界限，可用组合目录对组合产品的范围和可能性加以说 明。对于闭式系统可利用目录直接说明全部所希望和可能的组合。对于开式系统， 因其含有无穷多的组合可能性，所以不可能对它进行完整的描述和规划，于是只 能在组合样品目录中介绍一些典型的应用实例。 四、实验步骤 1、根据图3给出的组合块目录，自己制定一种拼装方案：选择其中的组合块， 组装成一台组合产品，或从图2给出的六种变异方案中，任选一种进行组装。 (希望同学们能自己制定一种拼装方案) 2、用ZR组合机器人仿真系统模拟拼装实验。 反铲方式 叉车方式 升降台方式 起重方式 正铲方式 抓钳方式 图2、不同类型的组合方式分别为反铲方式，叉车方式，升降台方式，起重方式， 正铲方式，抓爪方式。 4
组合系统的功能和方案变异实验 4 加以调整。适应组合块可以作为必须组合块或可能组合块出现。 在组合系统中常会出现难以预见的，为任务特别要求的功能。这些功能通过 非组合块来实现。这些非组合块必须为某个具体任务单独开发。它各组合块联合 而成一个混合系统。 为了划分组合产品的界限，可用组合目录对组合产品的范围和可能性加以说 明。对于闭式系统可利用目录直接说明全部所希望和可能的组合。对于开式系统， 因其含有无穷多的组合可能性，所以不可能对它进行完整的描述和规划，于是只 能在组合样品目录中介绍一些典型的应用实例。 四、实验步骤 1、根据图 3 给出的组合块目录，自己制定一种拼装方案：选择其中的组合块， 组装成一台组合产品，或从图 2 给出的六种变异方案中，任选一种进行组装。 （希望同学们能自己制定一种拼装方案） 2、用 ZHR 组合机器人仿真系统模拟拼装实验。 图 2、不同类型的组合方式分别为反铲方式，叉车方式，升降台方式，起重方式， 正铲方式，抓爪方式。 起重方式 正铲方式 抓钳方式 反铲方式 叉车方式 升降台方式
组合系统的功能和方案变异实验 五、实验报告要求 公酒盗资程的 画出所拼装的方案简图，并说明主要设计参数：（方案简图可参照图3） 3、用框图示出拼装顺序： 4、买验体会。 六、思考题 1、试论组合产品采用模块化设计方法的必要性和关键技术。 2、对本实验中所采用的组合系统的模块化设计方案提出改进意见
组合系统的功能和方案变异实验 5 五、实验报告要求 1、简述实验目的； 2、画出所拼装的方案简图，并说明主要设计参数；（方案简图可参照图 3） 3、用框图示出拼装顺序； 4、实验体会。 六、思考题 1、试论组合产品采用模块化设计方法的必要性和关键技术。 2、对本实验中所采用的组合系统的模块化设计方案提出改进意见
组合系统的功能和方案变异实% 铲斗 抓爪 9 升降平台 起重吊钩 油缸 短杆 长杆 菱形连接块 三角形连接块 直连杆 弯连杆 台体 图3、实验台组合块目录
组合系统的功能和方案变异实验 6 长杆 短杆 菱形连接块 三角形连接块 台体 直连杆 弯连杆 升降平台 起重吊钩 油缸 铲斗 抓爪 叉车 图 3、实验台组合块目录
组合系统的功能和方案变异实验 附录 ZHR组合机器人仿真模型装配与驱动系统 使用说明书 机械设计研究所 高宇 2001年10月
组合系统的功能和方案变异实验 7 附录 ZHR 组合机器人仿真模型装配与驱动系统 使用说明书 机械设计研究所 高 宇 2001 年 10 月
组合系统的功能和方案变异实路 目录 第一章R组合机器人仿真模型装配驱动系统的介绍 第二章组装流程的介绍 第三章举例
组合系统的功能和方案变异实验 8 目录 第一章 ZHR 组合机器人仿真模型装配驱动系统的介绍 第二章 组装流程的介绍 第三章 举例
组合系统的功能和方案变异实验 第一章ZHR组合机器人仿真系统的介绍 3 人 萄选中件名 图1一1ZR组合机器人仿真系统的界面 R组合机器人仿真系统所针对的对象实际上是多种用途四个自由度的工程机械族的简 化模型。它的机械组成元件包括：一个回转台，一个长杆， 一个短杆，八个附加元件（一个 起重连杆，一个直接连杆，一个弯连杆，一个三角耳朵，一个四角耳朵，一个连接螺栓。 个弯连杆处活动连接螺栓，一个套管)，七个末端执行元件（一个正铲斗，一个反铲斗， 个左抓爪，一个右抓爪，一个高架平台，一个铲叉，一个起重吊钩)，二个油缸缸体（一个 大油缸缸体，一个小油缸缸体)，二个油缸活塞杆（一个大油缸活塞杆，一个小油缸活塞杆）。 按照不同要求洗择相应的元件组合，就会得到多种预期的组合工作梦置，例加反铲，正铲， 叉车，起重机，抓取器和升降平台等。如果变换选定工作装置的纹点布置，则能形成不 作业区域。因此组合机器人体现了模块化，组合化的设计思想。下面就对ZR组合机器人仿 真系统作一个简单的介绍。R组合机器人仿真系统的界面如图1一1所示。它由四视区， 两条工具条，一个工具栏对话框，一条状态栏及菜单条组成。四个视区从上到下，从左到右 分别为正视图视风、左视图视风、俯视图视区和预监图视区
组合系统的功能和方案变异实验 9 第一章 ZHR 组合机器人仿真系统的介绍 图 1－1 ZHR 组合机器人仿真系统的界面 ZHR 组合机器人仿真系统所针对的对象实际上是多种用途四个自由度的工程机械族的简 化模型。它的机械组成元件包括：一个回转台，一个长杆，一个短杆，八个附加元件（一个 起重连杆，一个直接连杆，一个弯连杆，一个三角耳朵，一个四角耳朵，一个连接螺栓，一 个弯连杆处活动连接螺栓，一个套管），七个末端执行元件（一个正铲斗，一个反铲斗，一 个左抓爪，一个右抓爪，一个高架平台，一个铲叉，一个起重吊钩），二个油缸缸体（一个 大油缸缸体，一个小油缸缸体），二个油缸活塞杆（一个大油缸活塞杆，一个小油缸活塞杆）。 按照不同要求选择相应的元件组合，就会得到多种预期的组合工作装置，例如反铲，正铲， 叉车，起重机，抓取器和升降平台等。如果变换选定工作装置的绞点布置，则能形成不同的 作业区域。因此组合机器人体现了模块化，组合化的设计思想。下面就对 ZHR 组合机器人仿 真系统作一个简单的介绍。ZHR 组合机器人仿真系统的界面如图 1－1 所示。它由四视区， 两条工具条，一个工具栏对话框，一条状态栏及菜单条组成。四个视区从上到下，从左到右 分别为正视图视区、左视图视区、俯视图视区和预览图视区