1、第二章 机械系统的总体设计,本章内容：1.机械系统总体设计的基本步骤和形成的技术文件；2.设计任务的形成与确定；3.机械系统的功能描述、功能分解与求解；4.机械系统总体方案设计和求解；5.机械系统方案的评价原则和方法；6.机械系统的结构方案和总体布局设计；7.机械系统的主要技术参数、技术指标和总体设计图要求。,本章重点：1.机械系统总体设计的技术文件；2.机械系统的功能分解与求解；3.机械系统总体方案设计和求解；,本章难点：1.机械系统的功能分解与求解；2.机械系统的方案求解（形态学矩阵）；3.机械系统方案的评价方法（模糊评价法）。,机械系统设计的第一个环节是总体设计，它是产品设计的关键，对产
2、品的技术性能，经济指标，外观造型等具有决定性意义。,在总体设计过程中，应逐步形成下列技术文件：系统工作原理简图；主要部件的工作原理图；方案评价报告；总体设计报告；系统总体布置图。,一、设计任务的形成与确定,1.设计任务的类型,创新,课堂作业：对于三种设计任务的类型举例说明。,在所有的机械设计中75的机械是已经设计过的，有样机可供参考，有25的机械是未曾设计过的，无样机参考。从有无样机可供参考的角度，机械设计可分为三类：开发性设计、变型设计和仿型设计。1.开发性设计（New Product Design）在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过试验证明是可行的新技术，设计过去
3、没有过的新型机械。这是一种完全创新的设计。世界上第一台电话的设计就属于完全创新设计。2.变型设计（Improving Design）有同类产品可供参考，原理和结构完全已知。原理不变，为适应用户某些新的要求，或克服产品市场调查所反映的缺点，所进行的发展性设计。在结构设计或造型设计方面有创新，可获得实用新型专利或外观设计专利。,例2-1 更换普通自行车的传动系统，并改变部分结构后开发的变速赛车；发动机作四缸、六缸、直列、V形等改型设计。多数产品属于变型设计。随着技术水平的提高和市场需求的变化，应掌握产品生命周期的特征，适时地对老产品进行改进。3.仿型设计（Selecting Design）它是指有
4、同类产品可供参考，原理和结构完全或部分已知。原理、结构和性能一般不变，只作工艺性变化，以适应本企业的生产特点和技术装备要求。通常采用反求设计（Reverse Design）方法。,2.设计任务的来源（1）指令性设计任务（政府和军队等部门下达的）（2）来自市场的设计任务（用户根据自己的需要提出的）（3）考虑前瞻的预研设计任务（根据市场的发展动向）,3.拟定设计任务书（1）拟定设计任务书的一般原则“详细而明确，合理而先进”,详细：针对具体设计项目尽可能列出全部设计要求，特别是不要遗漏重要的设计要求。明确：对设计要求尽可能定量化。合理：对设计要求提得适度，实事求是。先进：与国内外同类产品相比，在产品
5、功能、技术性能、经济指标方面都有先进性。,作业,查阅有关书籍或利用网上资源，自己交上一份有关某机械产品的设计任务书，手写或打印都可以！,不允许有重复！,下周二（9月7日）上课前交上来！,任务,功能综合,原理综合,构型综合,确定方案,功能分析功能分解功能分类,创新技法形态矩阵冲突矩阵解法目录资源利用,机构构型结构构型,方案评价,技术冲突解决原理（TRIZ理论）,二、机械系统的功能及指标分解,主功能直接实现系统目的，表明了系统的主要特征和功能；动力功能为系统提供必要的能量；控制功能包括信息检测、处理和控制，是使系统正常运行，达到精确、可靠、节能、协调所必需的；结构功能系统各要素组合起来，进行空间配
6、置、形成一个统一的整体，并保证系统工作中的强度和刚度。,1.系统功能的描述,2.系统的原理方案总体分析,在分析或设计一个现代机械系统时，首先应该从主功能着手。,例3：螺纹加工机的总体原理方案分析,3.功能分解与功能树,一般情况下，机械系统都比较复杂，此时满足总功能的系统方案如何确定？,可按系统工程分解性原理进行功能分解，建立功能结构图即功能树，化繁为简。,功能树起于总功能，末端为功能元。前级功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。同一层次的功能元组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后合成的整体功能应能满足系统的要求。,4.功能求解,分功能求解的基本思路可以简明地表达为：功能工
7、作原理功能载体,作业,(1)查阅有关书籍或利用网上资源，自己交上一份有关某机械产品的设计任务书，手写或打印都可以！(2)对该机械产品进行功能分析。,不允许有重复！,下周二（9月7日）上课前交上来！,三、机械系统的方案设计,1.形态学矩阵,例如：分功能：间歇运动表现形态：棘轮机构、槽轮机构、间歇凸轮机构,形态学矩阵：在形态学中，将各子系统的目标（功能）及基本可能实现的办法（可以是物理效应、作用原理或功能载体）列入一个矩阵形式的表中，这个表就称为，也称模幅箱图。,2.总体方案求解,（1）求解原则,要考虑设计要求及附加要求。不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其他相关的功能元，最好能将几个功能元
8、用同一类原理实现，使原理方案简化。对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决。,例1：单缸洗衣机的总体方案设计,理论上可组合出44348 种方案,例2：挖掘机的总体方案设计,其主要功能有，取物(包括传动、取物)和运物(包括传动、移位)，可建立其形态学矩阵如表所示，可能的组合方案数为N654431440,A3B4C3D2E1履带式挖掘机A5B5C2D4E2液压轮胎式挖掘机,对于复杂机械，若采用一个形态学矩阵表示整个系统功能的解法，则该矩阵将过于庞大，此时可先建立各分功能的形态学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再综合为整体方案。,（2）功能集成,如何将求解所得的功能载体进行集成？最主要的工作
9、：接口设计,功能集成需要考虑各功能载体在机械结构上的关联与控制信息上的关系两个方面，是一个充分考虑如何确定合理的整体布局形式，采用恰当的传动和支承结构，检测控制硬件、信息处理方法等的过程。,例如：传统的双桶洗衣机的脱水及洗涤分别由两套机构实现（在设计较完善时，脱水运动与洗涤运动之间不发生动力学的相互影响）；全自动微电脑控制单桶洗衣机只采用一个电动机实现脱水与洗涤（两者不是同时进行的，则产生了关联）。,例如：数控车床在做差补运动时，为复现运动轨迹，要求各运动轴联动（关联表现在运动学上）；机器人手臂各关节之间不仅有运动学的关联，也有动力学的关联。,四、机械系统方案的评价,1.方案评价的概念评价：指
10、在设计过程中，对解决设计问题的各方案进行比较 和评定，由此确定各方案的价值，判断其优劣，以使 筛选出最佳设计方案。对于每一个设计问题，一般都会有许多不同的解决方案。从这种意义上说，设计是一种发散收敛，搜索筛选的过程。解决这种多解的问题，其通常的逻辑步骤为：分析综合评价决策,这里“方案”的意义是广泛的，可以有多种形式，如原理方案、结构方案、造型方案等，从其载体上看，可以是零、部件或总成图纸，也可以是模型、样机、产品，等等。一般来说，评价中所指的“方案”，其实质是指对设计中所遇问题的解答。不论其是实体的形态(如样机、产品、模型)，还是构想的形态，这些方案都可以作为评价的对象。,客观性原则包括参与人
11、员的客观性和评价资料的客观性。评价的客观性、有效性和合理性必须充分保证；评价方法要合理和可靠等。可比性原则要求被评价的各方案的基本功能、基本属性具有可比性，能建立共同的评价指标体系。合理性原则确定的评价指标体系和评价尺度（标准）应合乎逻辑，能正确反映评价目的。整体性原则（全面性原则）评价指标应尽量全面，能综合反映系统的整体指标；注意区分各指标对整体性能影响的重要程度。,为使评价尽可能减少偏差和避免失误，必须遵循以下原则：,2.评价目标（评价准则）,审美评价：如造型风格、形态、色彩、时代性、创造性、传达性、审美价值、心理效果等等。,例：确定洗衣机的评价目标的加权系数。已知：洗衣机六个评价目标的重
12、要程度顺序为价格、洗净度、维修性、寿命、外观、耗水量（其中维修性与寿命同等重要）。,目标树是分析表达评价目标的一种有效手段。用系统分析的方法对目标系统进行分解并图示，将总目标化为便于定性或定量评价的目标元，从而形成目标树。,3.模糊评价法,模糊评价：利用集合和模糊数学将模糊信息数值化以进行定量 评价的方法。,（2）某方案对n个评价目标的模糊评价隶属度矩阵,（3）加权系数矩阵,例：某厂在开发一种新产品时，总体设计时选定了A1、A2两个候选方案。为了确定选择哪个方案，组织了一个由10位专家组成的评价小组，用模糊评价法对两个方案进行评价。,方案1和2对3个评价目标的模糊评价隶属度矩阵R是3行4列矩阵
13、，其元素为,（4）计算评价方案的综合模糊评价隶属度矩阵,结论：方案A1的评价比方案A2略高一些。,作业1：某厂在开发一种洗衣机时，总体设计时选定了A1、A2两个候选方案。为了确定选择哪个方案，组织了一个由10位专家组成的评价小组，用模糊评价法对两个方案进行评价。,六个评价指标：价格、洗净度、维修性、寿命、外观、耗水量评价指标划分为4个等级：0.9，0.7，0.5，0.3,（1）确定评价指标及评价尺度,评价尺度向量,（2）确定评价指标加权系数,加权系数矩阵,（3）构造评价方案A1、A2的隶属度矩阵,（4）计算评价方案的综合模糊评价隶属度矩阵,（5）计算评价方案的综合得分（优先度）并选优,要计算综
14、合得分，应当将方案归属于每个等级的隶属度与该等级的分数相乘，然后所有项相加。,结论：方案A2的评价比方案A1略高一些。,作业2：在某机器设计中，有两种备选方案，为了确定选择哪个方案，组织了一个由20位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。已知：1)评价指标：产品性能（B1）、可靠性（B2）、使用方便性（B3）、制造成本（B4）、使用成本（B5）；每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差5个等级：0.9，0.7，0.5，0.3，0.1；2)评价指标B1、B2、B3、B4、B5的权分别为：0.25、0.2、0.2、0.2、0.15；3)投票结果如下表所示：,每个评价指标划分为优、
15、良、中等、较差、很差5个等级：0.9、0.7、0.5、0.3、0.1评价指标B1、B2、B3、B4、B5的权分别为：0.25、0.2、0.2、0.2、0.15,（4）计算评价方案的综合模糊评价隶属度矩阵,（2）确定评价指标加权系数,（1）确定评价指标及评价尺度,（3）构造评价方案A、B的隶属度矩阵,（5）计算评价方案的综合得分（优先度）并选优,要计算综合得分，应当将方案归属于每个等级的隶属度与该等级的分数相乘，然后所有项相加。,结论：方案A的评价比方案B略高一些。,五、机械系统的总体布局设计及主要参数确定,1.结构方案与总体布局设计,（2）总体布局设计,例1：洗衣机的总体布局,例2：数控机床的
16、总体布局,（1）采用框架式对称结构（2）采用无悬伸工作台结构（3）采用热源和振动源隔离布局（4）采用双八面体全封闭框架结构,并联（虚拟轴）数控机床,并联（虚拟轴）加工中心,并联（虚拟轴）加工中心,MOV45 并联（虚拟轴）加工中心,MOV46 并联数控机床,机械系统的总体布局设计,！,1.机械化生产线的布置机械化生产线是按产品工艺过程，主要机械设备和辅助设备用运输和中间存贮设备等连接起来，组成独立控制和连续生产的系统。,2.生产作业机械的总体布置,生产作业机械是指完成作业操作的单体机械。,主要工艺设备,各种轧机，锻压机，自动冲压机，挤压机，金属成型机金属切削自动机，加工中心机床，组合机床化工过
17、程设备：反应釜、蒸发器,辅助工艺装置,剪切机，卷取机，矫直机，转位、翻转装置，夹持装置原料分选，筛分装置，去皮、切块、榨汁机清洗、冷却装置，排屑、排渣装置,物料贮运装置,各种起重机，辊道，链板式或皮带式传料机液、气压力输送管道装置，推床、推杆装置物料存贮装置：料仓、料斗，堆垛机，垛板台上下料装置：各种上料机、机械手,控制装置,检测装置：产品质量、设备故障寻查和诊断环境监视检测装置，各种传感器信号处理装置：数据处理、报警、反馈仪器控制装置：速度，、压力控制器,在机械化工艺流程中，存在各种分散的作业，需要解决协调连接的问题。,一般来说，机械是以循环的移动作业动作来处理工件的，可以采用连续工艺方法进
18、行作业，如连续轧制、连续浇铸，化工过程等。作业动作是在工件连续运行中进行的，如飞剪、飞锯等,但是在机械加工、装配作业和手工操作等生产流程中，大多是断续的工艺方法，流程是间歇的，因此在移动停止时需要定位及吸收惯性动能，则可用步进运动机构。,移动作业（Transfer operation）：是使工件向处理方向移近。移动方式：直进式（line）和旋转式（rotary）,2.生产作业机械的总体布置生产作业机械是指完成作业操作的单体机械。作业操作（work operation）是指包括滚轧、挤压、拉拔、剪切、弯曲、包装等多种生产作业，实际工作的部件为工作头（工作构件），作业进行的场所就是工位，是工件停止时接受作业的位置。如多工位自动机。,移动式的生产作业机械如挖掘机、装载机等可完成多种作业，但工位是不确定的，没有工位的概念，而有不同的工序。,机械总体布置示例,例1：轮式装载机,例2：轧钢机,例3：粒状巧克力糖包装机总体布局,2.机械系统的主要技术参数与技术指标,3.绘制总体设计图,总体设计图：指单个产品的总装配图或成套设备的总体布置 详图，对所设计机械系统的总体布置和结构 作完整的描述。,六、机械系统总体设计实例,明确设计任务，编写设计任务书,系统功能描述,工艺原理选择,功能分解,总体方案设计（功能求解）,总体方案设计（方案评价）,总体布局设计,悬浮式电子皮带秤,
