第二章机械系统的总体设计

1、1第二章第二章 机械系统的总体设计机械系统的总体设计2第一节第一节 概概 述述系统的原理方案的构思系统的原理方案的构思结构方案设计结构方案设计总体布局与环境设计总体布局与环境设计主要参数及技术指标主要参数及技术指标总体方案的评价与决策总体方案的评价与决策总总体体设设计计 机械系统设计的第一个机械系统设计的第一个环节是环节是 ，就是在具体设就是在具体设计之前对所要设计的机械系统的各方面，本着简单、实用、计之前对所要设计的机械系统的各方面，本着简单、实用、经济、安全、美观等基本原则所进行的经济、安全、美观等基本原则所进行的综合性设计综合性设计，是一个，是一个从从整体目标整体目标出发，实现系统整体优

2、化设计的一个出发，实现系统整体优化设计的一个阶段。阶段。总体设计总体设计3产品目标设想产品目标设想 可行性论证和可行性论证和技术经济分析技术经济分析 确定确定总体功能、指标总体功能、指标 提出提出方案设想方案设想 系统系统分析和功能分解分析和功能分解 形成总体方案形成总体方案。总体设计步骤：总体设计步骤：4设计任务书设计任务书不行系统总体原理方案分析及确定系统总体原理方案分析及确定必要时原理方案试验原理方案试验技术文件技术文件1 1：系统工作原理：系统工作原理行功能分析功能分析功能求解：功能求解：初步形成物料流、能量流及信息流方案初步形成物料流、能量流及信息流方案技术文件技术文件2 2：主要部

3、件工作原理图主要部件工作原理图关键技术验证关键技术验证必要时不行行总体布置设计总体布置设计技术文件技术文件4 4：总体设计报告：总体设计报告技术文件技术文件5 5：总体布置图：总体布置图结构方案设计：分系统及总成选配，接口设计结构方案设计：分系统及总成选配，接口设计方案评审方案评审技术文件技术文件3 3：方案评审报告：方案评审报告不行总体设计的基本步骤：总体设计的基本步骤：5图图2-1 机械系统总体设计基本步骤机械系统总体设计基本步骤工程设计工程设计必要时设计评审设计评审不行行返回上一页测试测试测试试验测试试验必要时不行行试制调试试制调试设计任务完成设计任务完成必要时调试结果调试结果不行6 (

4、1)(1)系统工作原理简图；系统工作原理简图； (2)(2)主要部件的工作原理图；主要部件的工作原理图； (3)(3)方案评价报告；方案评价报告； (4)(4)总体设计报告；总体设计报告； (5)(5)系统总体布置图系统总体布置图在总体设计过程在总体设计过程中形成的技术中形成的技术文件：文件：72. 适应性设计适应性设计3. 变型设计变型设计1. 开发性设计开发性设计2.2.1 2.2.1 设计任务的类型设计任务的类型第二节第二节 设计任务的形成与确定设计任务的形成与确定82. 适应性设计适应性设计3. 变型设计变型设计1. 开发性设计开发性设计2.2.1 2.2.1 设计任务的类型设计任务的

5、类型第二节第二节 设计任务的形成与确定设计任务的形成与确定92.2.2 设计任务的来源设计任务的来源1.指令性设计任务指令性设计任务2.来自市场的设计任务来自市场的设计任务3.考虑前瞻的预研设计任务考虑前瞻的预研设计任务从国家大的发展战略、国防等方面考虑用户根据需要提出产品的更新换代102.2.3 拟定设计任务书拟定设计任务书1. 拟定设计任务书的拟定设计任务书的一般原则一般原则合理合理而而先进先进详细详细而而明确明确列出全部列出全部设计要求设计要求设计要求尽可设计要求尽可能定量化，明能定量化，明确主次要求确主次要求要求适度，实要求适度，实事求是事求是与国内外同类产品与国内外同类产品产品功能、

6、技术性产品功能、技术性能、经济指标都有能、经济指标都有先进性先进性11(1) 产品功能要求产品功能要求2. 产品设计要求产品设计要求(2) 适应性要求适应性要求(3) 性能要求性能要求 (4) 生产能力要求生产能力要求 (5) 制造工艺要求制造工艺要求 (6) 可靠性要求可靠性要求 (7) 使用寿命要求使用寿命要求 (8) 人机工程要求人机工程要求(9) 安全性要求安全性要求12(1) 产品功能要求产品功能要求2. 产品设计要求产品设计要求(2) 适应性要求适应性要求(3) 性能要求性能要求 (4) 生产能力要求生产能力要求 (5) 制造工艺要求制造工艺要求 (6) 可靠性要求可靠性要求 (7

7、) 使用寿命要求使用寿命要求 (8) 人机工程要求人机工程要求(9) 安全性要求安全性要求133. 设计任务书的拟定设计任务书的拟定14第三节第三节 机械系统的功能及指标分解机械系统的功能及指标分解 总体设计的第一步就是充分理解设计任务书所规定的设计总体设计的第一步就是充分理解设计任务书所规定的设计要求，并将其抽象化，即对系统的功能（包括约束）进行描述。要求，并将其抽象化，即对系统的功能（包括约束）进行描述。2.3.1系统的功能描述系统的功能描述 功能是对某一产品的特定工作能力的形象化功能是对某一产品的特定工作能力的形象化描述。描述。功能的描述要准确、简洁，合理地抽象准确、简洁，合理地抽象，抓

8、住其本质，避免带有倾向性的提法。151) 主功能主功能物料的输入、转换与输出功能物料的输入、转换与输出功能2) 动力功能动力功能能量传递与变换功能能量传递与变换功能3) 控制功能控制功能信息传递与控制功能信息传递与控制功能4) 结构功能结构功能将各要素组合起来、形成一个统一的整体将各要素组合起来、形成一个统一的整体2.3.1系统的功能描述系统的功能描述16172.3.2系统的原理方案总体分析系统的原理方案总体分析 在功能分析的基础上，首先应对系统的原理方案进在功能分析的基础上，首先应对系统的原理方案进行行总体分析总体分析。在分析或设计一个现代化机械系统时，在分析或设计一个现代化机械系统时，首先

9、应该从主功能分析着手。首先应该从主功能分析着手。立体光固化成型 18 采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的料采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的料型，并用压辊加热逐层粘合各层料型，并用压辊加热逐层粘合各层料。 分层实体制造分层实体制造19螺纹加工机的总体原理方案分析螺纹加工机的总体原理方案分析20螺纹加工机的总体原理方案分析螺纹加工机的总体原理方案分析212.3.3 功能分解与功能树功能分解与功能树按按系统工程分解性原理进行功能分解，建立功能结构图即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功能树。功能树起于总功能，按一级分功能、二级分功能.进行分解，其末端

10、为功能元。前级功能是后级的目的目的功能，后级是前级的手段手段功能。22例如：微电脑洗衣机的设计例如：微电脑洗衣机的设计232.3.4 功能求解功能求解对对功能求解功能求解，是原理方案设计中的重要的搜索阶段。，是原理方案设计中的重要的搜索阶段。设计人员的设计人员的思维要发散思维要发散。u 应用科学原理进行技术原理构思从而进行功能求解u 按技术原理组织功能结构，在一定条件下作用于加工对象，成为技术分系统，实现分功能。u不局限于机械学范围，力学、电子学、电磁学、热学、光学、仿生学.u同一种功能可以用不同的技术原理来实现u对一个功能元应尽可能多地提出几种技术原理，为后续方案的构思和评价提供较多的选择2

11、41.1.负压效应负压效应例如：输送液体原理解法分析例如：输送液体原理解法分析 1)利用压力利用压力p与与溶积溶积v的关系的关系（pv=常数），常数），增大容积空间增大容积空间形成负压吸入液体，减少容积形成负压吸入液体，减少容积空间形成高压输出液体。空间形成高压输出液体。 2)利用流速与压力的关系，及利用流速与压力的关系，及文丘里喉管原理文丘里喉管原理，使流体（液体，使流体（液体或或气体气体）流经变截面喉管，在狭窄处）流经变截面喉管，在狭窄处流速增大，形成负压，被输送流速增大，形成负压，被输送液体液体就就可从小孔可从小孔M抽进喉管，当流速大抽进喉管，当流速大600m-700m/s时，水头可达时

12、，水头可达5-6m25 2 2 惯性力效应惯性力效应 1)1)利用离心惯性力将水引出利用离心惯性力将水引出。一般离心泵、化工系统的化。一般离心泵、化工系统的化工离心泵都是应用这种原理。工离心泵都是应用这种原理。 2)2)利用往复运动的惯性力利用往复运动的惯性力。将管。将管1 1置于水中，在置于水中，在A A、B B方向方向往复运动，水即通过单向阀往复运动，水即通过单向阀2 2、3 3由管由管4 4输出。输出。 3)3)虹吸原理。虹吸原理。液态分子间引力与位能差造成，利用水柱压液态分子间引力与位能差造成，利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。力差，使水上升后再流到低处。26 3 3 毛细管效应毛

13、细管效应 高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层金高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装液体，在高温端液体吸热蒸发，蒸气流属丝网，管内封装液体，在高温端液体吸热蒸发，蒸气流至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通过金属丝网至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通过金属丝网流回热端。此种热管用于人造卫星和冻土层输油管保温等。流回热端。此种热管用于人造卫星和冻土层输油管保温等。 27第四节第四节 机械系统的方案设计机械系统的方案设计什么是方案设计？什么是方案设计？对子功能方案进行方案综合的过程2829 方案设计方案设计实际上就是对子功能方案实际上就是对子功能方案进行进

14、行方案方案综合综合。盛装衣物盛装衣物分离衣物分离衣物铝桶铝桶塑料桶塑料桶陶瓷桶陶瓷桶机械摩擦机械摩擦电磁震荡电磁震荡超声波超声波302.4.1 形态学矩阵形态学矩阵将将各子系统的各子系统的目标目标（功能）及基本可能（功能）及基本可能实现的办法（实现的办法（可以可以是物理效应、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，这个表就表中，这个表就称为称为形态学矩阵形态学矩阵，亦称亦称模幅箱图模幅箱图。形态分析法是一种形态分析法是一种系统搜索系统搜索和程式化求解的和程式化求解的创新技法创新技法。组合创新法联想类推法智力激励法提问追溯法312.4.2 总

15、体方案求解总体方案求解1. 求解原则求解原则1) 各功能元原理方案之间在物理上的各功能元原理方案之间在物理上的相容性鉴别相容性鉴别能量流、物料流及信息流不受干扰地连续流过功能元的原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾2) 从技术、经济效益较好从技术、经济效益较好的角度的角度1）要考虑设计要求及附加要求2）选择时，不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其它相关功能元。3）对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决，必要时应做有关的实验。剔除挑选321) 功能分解功能分解2) 功能求解功能求解3) 列形态学矩阵并进行方案综合列形态学矩阵并进行方案综合例例1：单缸洗衣机的总体方案设计单缸洗衣机的

16、总体方案设计总功能出发，分析实现“洗涤衣物”功能的手段实现各种功能的技术手段或方法，列举功能形态分功能分功能功能解功能解A盛装衣物盛装衣物铝桶铝桶塑料桶塑料桶玻璃钢桶玻璃钢桶陶瓷桶陶瓷桶B分离赃物分离赃物机械摩擦机械摩擦电磁振荡电磁振荡热胀热胀超声波超声波C控制洗剂控制洗剂人工控制人工控制机械控制机械控制电脑自控电脑自控2.4.2 总体方案求解总体方案求解33分功能分功能功能解功能解A盛装衣物盛装衣物铝桶铝桶塑料桶塑料桶玻璃钢桶玻璃钢桶陶瓷桶陶瓷桶B分离赃物分离赃物机械摩擦机械摩擦电磁振荡电磁振荡热胀热胀超声波超声波C控制洗剂控制洗剂人工控制人工控制机械控制机械控制电脑自控电脑自控热胀增压式A

17、1-B2-C2A1-B1-C1A1-B1-C2A2-B3-C1342. 功能集成功能集成 功能集成，即如何将求解所得的功能载体进行功能集成，即如何将求解所得的功能载体进行集成集成，其，其中最主要的工作中最主要的工作就是就是接口设计接口设计。 除了在控制信息上互相协调外，每个单元的输出都不影除了在控制信息上互相协调外，每个单元的输出都不影响其他响其他单元的输出，我们单元的输出，我们称这种状态为称这种状态为正交正交。2.4.2 总体方案求解总体方案求解35 在许多情况下，这些功能载体是互相关联的。这些关联在许多情况下，这些功能载体是互相关联的。这些关联有的表现在有的表现在运动学运动学上，有的则表现

18、在上，有的则表现在动力学动力学上。上。动力学动力学如：机器人如：机器人2.4.2 总体方案求解总体方案求解36功能功能集成需要考虑各功能载体集成需要考虑各功能载体在在机械结构机械结构上的关联上的关联与与控制信息控制信息上上的关系两个方面，是一个的关系两个方面，是一个充分考虑充分考虑如何确定合理的如何确定合理的整体布局整体布局形式形式，采用恰当的传动和，采用恰当的传动和支撑结构支撑结构，检测控制硬件、信息处理，检测控制硬件、信息处理方法等的过程。方法等的过程。2.4.2 总体方案求解总体方案求解双桶洗衣机双桶洗衣机单桶洗衣机单桶洗衣机37第一步：第一步：寻找总功能的转换关系寻找总功能的转换关系

19、例例2：挖掘机的：挖掘机的总体方案设计总体方案设计38第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 39第二步：第二步：总功能分解总功能分解功能树功能树 40第三步：第三步：建立功能结构图建立功能结构图41第四步：第四步：寻找原理解法寻找原理解法形态学矩阵形态学矩阵序序号号分功能分功能技术物理解方案序号技术物理解方案序号1 12 23 34 4A A推压推压齿条齿条钢丝绳钢丝绳油缸油缸B B铲斗铲斗正铲斗正铲斗反铲斗反铲斗抓斗抓斗C C提升提升油缸油缸绳索绳索D D回转回转内齿轮传动内齿轮传动外齿轮传动外齿轮传动液轮液轮E E能量转换能量转换

20、柴油机柴油机F F能量传递与分配能量传递与分配齿轮箱齿轮箱油泵油泵链传动链传动皮带传动皮带传动G G制动制动带式制动带式制动闸瓦制动闸瓦制动片式制动片式制动圆锥形制动圆锥形制动H H变速变速液压式液压式齿轮式齿轮式液压液压齿轮齿轮I I行走行走履带履带轮胎轮胎迈步式迈步式轨道轨道车轮车轮42第四步：第四步：寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和原理解组合序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正铲斗反铲斗抓斗C提升油缸绳索D回转内齿轮传动外齿轮传动液轮E能量转换柴油机F能量传递与分配齿轮箱油泵链传动皮带传动G制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动H变速液压式齿轮式液压齿轮

21、I行走履带轮胎迈步式轨道车轮组合方案数组合方案数= =3 33 32 23 31 14 44 43 34=4=10 36810 368方案方案1 1为履带式正铲机械挖掘机为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案方案2 2为轮胎式正铲液压挖掘机为轮胎式正铲液压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2) 根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传

22、动和皮带传动是不相容的，应去掉。传动是不相容的，应去掉。 故组合方案数故组合方案数=3=33 32 23 31 12 24 43 34=51844=5184。43第五节第五节 机械系统方案的评价机械系统方案的评价系统评价系统评价时应考虑的因素很多时应考虑的因素很多，既有，既有客观因素客观因素，又有又有主观因素主观因素。功能、性能指标、可靠性、成本、寿命及人类工程学等评价人员的经验及其评价角度44在进行系统评价时在进行系统评价时，遵循的原则，遵循的原则1.客观性原则客观性原则2.可比性原则可比性原则3.合理性原则合理性原则4.整体性原则整体性原则u 系统评价方法系统评价方法现在现在采用的较多的还

23、是采用的较多的还是专家评专家评审集体讨论审集体讨论的方法，的方法，具体有具体有名次名次计分法计分法、评分法评分法、技技术经济评价法术经济评价法、模糊评价法模糊评价法等。等。u 评价的目标评价的目标将系统的总收益与总投资费用之将系统的总收益与总投资费用之比作为主要评价值。比作为主要评价值。452.5.1 评价目标评价目标1. 评价目标的内容评价目标的内容1）技术评价目标）技术评价目标2）经济评价指标）经济评价指标3）社会评价目标）社会评价目标选择选择主要的要求主要的要求和和约束条件约束条件作为实际作为实际评价目标。评价目标。68项项工作性能指标、加工装配工艺性、使用维护性、技术上的先进性成本、利

24、润、投资回收期等方案实施的社会影响、市场效应、节能、环保、可持续发展等性能性能经济性经济性社会性社会性462.2.加权系数加权系数 加权系数是反映目标重要程度的量化系数加权系数是反映目标重要程度的量化系数，加权系数大，加权系数大意味着重要程度高。意味着重要程度高。 加权系数值一般经验确定或采用加权系数值一般经验确定或采用强制判定法强制判定法（Forced Decision，简称，简称FD）计算。）计算。式中：式中：ki各评价目标的总分，各评价目标的总分，n评价目标数评价目标数niiiikkg1=评价目标与比较目标列于纵横坐标，根据目标的重要程度两两加以比较2.5.1 评价目标评价目标47例题例

25、题：确定洗衣机的评价目标的加权确定洗衣机的评价目标的加权系数。系数。按按FD法确定加权系数，列出判别表并计算各评价目标加权系数法确定加权系数，列出判别表并计算各评价目标加权系数48 用系统分析的方法对用系统分析的方法对目标系统进行分解目标系统进行分解并图示并图示，将总目标，将总目标具体化为便于定性或具体化为便于定性或定量评价定量评价的目标元，从而形成的目标元，从而形成目标树。目标树。3. 评价目标树评价目标树洗衣机洗衣机洗净度洗净度0.25寿命寿命0.17维修性维修性0.17性能性能0.59价格价格0.31经济性经济性0.31耗水量耗水量0.02外观外观0.08社会性社会性0.1洗衣机洗衣机的

26、的评价目标评价目标树树2.5.1 评价目标评价目标492.5.2 模糊评价法模糊评价法利用利用集合和模糊数学将模糊信息数值集合和模糊数学将模糊信息数值化以进行化以进行定量评价的方法。定量评价的方法。1. 隶属度隶属度隶属度表示某方案对评价标准的隶属度表示某方案对评价标准的从属程度。从属程度。确定隶属度的可采用确定隶属度的可采用统计法统计法 或或隶属函数法。隶属函数法。01之间的一个实数，越接近1，说明隶属程度越高。统计法收集一定量的评价信息通过统计得到隶属度，例如对洗衣机洗净度进行评价，标准为优、良、中、差通过调查统计得到隶属度50 对于多个评价目标的方案，先分别求各对于多个评价目标的方案，先

27、分别求各评价目标的隶评价目标的隶属度属度，考虑加权系数，根据模糊矩阵的合成规律求得，考虑加权系数，根据模糊矩阵的合成规律求得综综合模糊评价的隶属度合模糊评价的隶属度，再通过比较求得最佳方案。，再通过比较求得最佳方案。2. 模糊评价模糊评价多目标的模糊评价多目标的模糊评价步骤如下步骤如下：2.5.2 模糊评价法模糊评价法511) 取评价目标集取评价目标集 Y=y1, y2, , yn评价标准集评价标准集 X=x1, x2, , xm2) 某方案对某方案对n个评价目标的模糊评价隶属度矩阵个评价目标的模糊评价隶属度矩阵加权系数矩阵加权系数矩阵 A=a1, a2 an2.5.2 模糊评价法模糊评价法5

28、23) 综合模糊评价隶属度矩阵综合模糊评价隶属度矩阵B=A R=b1 b2 bj bml 乘乘加法：加法：bj=a1r1j+a2r2j+anrnjl 取小取大法取小取大法模糊矩阵合成方法模糊矩阵合成方法2.5.2 模糊评价法模糊评价法53方案方案比较时遵循比较时遵循两个原则确定级别并排序：两个原则确定级别并排序：a) 最高隶属度原则：每个方案按综合模糊评价集中隶属度最高隶属度原则：每个方案按综合模糊评价集中隶属度最高的一级确定其级别；最高的一级确定其级别；b) 排序原则：排序原则： 方案优劣排序时同级中隶属度高者在先，注方案优劣排序时同级中隶属度高者在先，注意应以本级与最高级隶属度之和为准进行

29、比较。意应以本级与最高级隶属度之和为准进行比较。4) 方案选优方案选优2.5.2 模糊评价法模糊评价法54 例：例：某厂在开发一种新产品时，总体设计时选定了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，组织了一个两个候选方案。为了确定选择哪个方案，组织了一个由由10位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方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。案进行评价。 专家组进行了如下几项工作：专家组进行了如下几项工作：1. 确定评价指标及评价尺度确定评价指标及评价尺度2. 确定评价指标加权系数确定评价指标加权系数3. 构造评价方案构造评价方案

30、A1、A2的隶属度矩阵的隶属度矩阵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）并优选计算评价方案的综合得分（优先度）并优选2.5.2 模糊评价法模糊评价法55在开发某机器时，总体设计选定了两种备选方案，为了在开发某机器时，总体设计选定了两种备选方案，为了确定选择哪个方案，组织了一个由确定选择哪个方案，组织了一个由20位专家组成的评价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：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（评价指标：产品性能（B1）、可靠性（）、可靠性（B2）、使用

31、）、使用 方便性（方便性（B3）、制造成本（）、制造成本（B4）、使用成本（）、使用成本（B5）；）； 每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差5个个 等级：等级：0.9，0.7，0.5，0.3，0.1；2) 评价指标评价指标B1、B2、B3、B4、B5的权分别为：的权分别为： 0.3、0.2、0.2、0.2、0.1；3) 投票结果如下表所示：投票结果如下表所示：56评价评价指标指标评价等级（评价等级（A方案）方案）优优良良中等中等较差较差很差很差B1104420B2104420B384242B484440B58642057评价评价指标指标评价等级（

32、评价等级（B方案）方案）优优良良中等中等较差较差很差很差B186420B284422B384242B464424B56464058第六节第六节 机械系统的总体布局设计和机械系统的总体布局设计和主要参数确定主要参数确定592.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计1. 结构方案设计结构方案设计 机械系统的原理方案仅表示功能载体的组合，但同样的机械系统的原理方案仅表示功能载体的组合，但同样的 功能载体可以有不同的组合，所得到的产品不仅可能有不功能载体可以有不同的组合，所得到的产品不仅可能有不 同的形状和尺寸，甚至可能影响到整体性能。同的形状和尺寸，甚至可能影响到整体性能。 结构方案设

33、计的主要工作就是确定功能载体的组合方式结构方案设计的主要工作就是确定功能载体的组合方式。 因此说，结构方案设计的目的不仅是将原理方案结构化，而因此说，结构方案设计的目的不仅是将原理方案结构化，而 且要实现结构的且要实现结构的优化优化与与创新创新。60 在进行结构方案设计时，首先要求了解所设计产品的在进行结构方案设计时，首先要求了解所设计产品的具体具体功能要求功能要求， 其次要求对所选取的功能载体工作原理十分明确。其次要求对所选取的功能载体工作原理十分明确。2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计61 结构布局设计虽没有固定的模式遵循结构布局设计虽没有固定的模式遵循，设计时需考虑

34、：，设计时需考虑：1) 运动学原则运动学原则2) 基面合一原则基面合一原则3) 最短传动链原则最短传动链原则4) 保证安全性原则保证安全性原则5) 简单化原则简单化原则2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计按所需自由度数配置约束数按所需自由度数配置约束数减少材料的消耗，降低制造费用减少材料的消耗，降低制造费用结构简单，几何形状简单，结构简单，几何形状简单，标准化通用化标准化通用化622.2.总体布局设计的基本要求总体布局设计的基本要求 总体布局设计的总体布局设计的主要任务主要任务是，是，确定系统各主要部件之间确定系统各主要部件之间 相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动

35、关系。相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。 总体布局设计一般总体布局设计一般从粗到细从粗到细，有时要经过多次反复才能确，有时要经过多次反复才能确 定。总体布局图可由正视图和侧视图组成或用三维图形表达，定。总体布局图可由正视图和侧视图组成或用三维图形表达， 总体总体布局图应布局图应能反映能反映：1) 机械的大致工艺路线机械的大致工艺路线2) 机型特征、外形尺寸机型特征、外形尺寸3) 主要组成部件及其相对位置、尺寸主要组成部件及其相对位置、尺寸2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计63在进行总体布局时，应注意以下基本问题：在进行总体布局时，应注意以下基本问题：1)

36、有利于系统功能的实现有利于系统功能的实现2) 有利于物料流的通畅有利于物料流的通畅3) 有利于安装、使用与维修有利于安装、使用与维修4) 应注意到整体的平衡性应注意到整体的平衡性5) 有效避免干涉有效避免干涉2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计643 机械系统总体布局的基本形式机械系统总体布局的基本形式 1)按主要工作机构的空间几何位置可分为按主要工作机构的空间几何位置可分为: 平面式、空间式平面式、空间式等；等； 2)按原动机与机架相对位置可分为按原动机与机架相对位置可分为: 前置式、中置式、后置式前置式、中置式、后置式等；等； 3)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分

37、为按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: 回转式、直线式、振动式回转式、直线式、振动式等；等； 4)按机架或机壳的形式可分为按机架或机壳的形式可分为: 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等；等； 5)按主要工作机构的布置方向可分为按主要工作机构的布置方向可分为: 水平式水平式(卧式卧式)、倾斜式、直立式和圆弧式、倾斜式、直立式和圆弧式等；等； 6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: 开式、闭式开式、闭式等。等。2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计65卧式布置卧式布置

38、龙门式布置龙门式布置立式布置立式布置悬臂式布置悬臂式布置典型布置形式典型布置形式65664. 总体布局示例总体布局示例2) 洗衣机洗衣机3) 铣床的铣床的总体布局总体布局4) 粒状巧克力糖包装机整体布局粒状巧克力糖包装机整体布局5) 手扶拖拉机的整体布置手扶拖拉机的整体布置2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计1) 谷物收获机谷物收获机672.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计a)和c)驾驶员的工作条件较好，保养空间较大，粮箱容积受空间限制 c)对驾驶员影响小，检修不方便b)粮箱容积可增大，发动机靠近驾驶台68割台输送装置发动机粮仓传动系统行走装置操纵控制装

39、置脱粒系统69割台切割谷物输送装置脱粒装置分离装置排出机外短脱出物清粮装置籽粒轻杂干净籽粒粮仓轻杂物 穗头长茎秆长脱出物收割台、输送装置、脱粒装置、分离装置、清选装置、粮箱、发动机、传动装置、行走装置、液压系统、电气系统、操纵装置、驾驶室704. 总体布局示例总体布局示例2) 洗衣机洗衣机3) 铣床的铣床的总体布局总体布局4) 粒状巧克力糖包装机整体布局粒状巧克力糖包装机整体布局5) 手扶拖拉机的整体布置手扶拖拉机的整体布置2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计1) 谷物收获机谷物收获机71 洗衣机一般都有洗衣机一般都有洗衣桶洗衣桶、脱水桶脱水桶及相应及相应动力和传动机构动力

40、和传动机构、进水进水和排水装置和排水装置、控制台控制台等几等几部分组成部分组成2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计双桶洗衣机双桶洗衣机洗衣桶及脱水桶分别放置洗衣桶及脱水桶分别放置全自动洗衣机全自动洗衣机套缸式结构套缸式结构一个电机一个电机洗涤洗涤脱水离合装置脱水离合装置724. 总体布局示例总体布局示例2) 洗衣机洗衣机3) 铣床的铣床的总体布局总体布局4) 粒状巧克力糖包装机整体布局粒状巧克力糖包装机整体布局5) 手扶拖拉机的整体布置手扶拖拉机的整体布置2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计1) 谷物收获机谷物收获机铣床的总体布置(a) 升降台卧式铣床(

41、b) 工作台不升降立式铣床适用于加工质量及尺寸较小的工件。铣刀只作回转铣削运动，工件的三个方向移动分别由工作台、滑鞍和升降台完成。适用于加工质量和尺寸较大的工件。工作台不能升降，只能作纵、横方向运动，上下的运动由铣头完成。2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计(c)横梁移动式龙门铣床(d) 地坑式龙门铣床适用于加工特大型的工件。工件不动，三个方向的运动均由龙门架和铣头完成。适用于加工大型的工件。 工件随工作台作纵向移动，升降和横向运动由横梁和铣头完成。结论：工件大小是影响总体布置的重要因素 2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计754. 总体布局示例总体布局

42、示例2) 洗衣机洗衣机3) 铣床的铣床的总体布局总体布局4) 粒状巧克力糖包装机整体布局粒状巧克力糖包装机整体布局5) 手扶拖拉机的整体布置手扶拖拉机的整体布置2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计1) 谷物收获机谷物收获机76粒状巧克力包装机总体布局粒状巧克力包装机总体布局 根据巧克力糖包装机工艺，确定自动机的执行机构： 送糖机构、供纸机构、接糖和顶糖机构、抄纸机构、拔糖机构、钳糖机械手的开合机构以及转盘步进传动机构等。1)布局形式布局形式 由于巧克力糖是流水线生产，不宜采用料仓式上料方式，而应将包装机的进料系统直接与生产线前端设备巧克力糖的浇注成形机的 出口相衔接，因此，

43、采用回转式工艺路线的多工位自动机型，立式布局（与巧克力糖的浇注成形机相适应）2) 执行机构简介执行机构简介3) 总体布局总体布局774. 总体布局示例总体布局示例2) 洗衣机洗衣机3) 铣床的铣床的总体布局总体布局4) 粒状巧克力糖包装机整体布局粒状巧克力糖包装机整体布局5) 手扶拖拉机的整体布置手扶拖拉机的整体布置2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计1) 谷物收获机谷物收获机手扶拖拉机的总体布置 (1)保持总体平衡 (2)发动机和传动系统横向平行布置(3)操纵件集中布置在扶手架上结论：产品结构是影响总体布置的重要因素2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计

44、(1)保持总体平衡 手扶拖拉机单机不能平衡，必须配带机具 (如犁、或拖车 )才能平衡并稳定行驶。本例采用在机架前部和扶手架上安置配重块以保持总体平衡的办法。 (2)发动机和传动系统横向平行布置 采用单缸卧式发动机作横向布置。传动系统中的所有轴都是平行的，简化了传动系统。离合器多为多片常合式，为使结构紧凑，通常将其布置在从动V带轮内部。 发动机横置减小了手扶拖拉机的横向振动。 (3)操纵件集中布置在扶手架上 扶手架在高度和长度方向均可调。2.6.1 结构方案与总体布局设计结构方案与总体布局设计802.6.2 机械系统的主要技术参数与技术指标机械系统的主要技术参数与技术指标 机械系统的主要技术参数

45、是能够基本反映出该系统机械系统的主要技术参数是能够基本反映出该系统的概貌与特征的一些项目。的概貌与特征的一些项目。 机械系统的技术指标，主要是指设备或产品的精度、机械系统的技术指标，主要是指设备或产品的精度、功能等。功能等。812.6.2 机械系统的主要技术参数与技术指标机械系统的主要技术参数与技术指标1. 尺寸与规格参数尺寸与规格参数2. 重量参数重量参数影响力学性能的结构尺寸，规格尺寸影响力学性能的结构尺寸，规格尺寸整机重量，各部件重量，重心位置等整机重量，各部件重量，重心位置等重心位置反映机器的稳定性及支承点的分布重心位置反映机器的稳定性及支承点的分布普通车床普通车床 最大工件直径最大工

46、件直径 最大工件长度最大工件长度钻床钻床 最大钻孔直径及主轴至立体导轨之间的跨距最大钻孔直径及主轴至立体导轨之间的跨距齿轮加工机床齿轮加工机床 最大工件直径及齿轮的最大模数最大工件直径及齿轮的最大模数一般在产品的设计任务书中规定一般在产品的设计任务书中规定82 3.运动参数运动参数 执行机构的转动或移动速度及调速范围等。执行机构的转动或移动速度及调速范围等。 4）动力参数）动力参数 动力参数是指电动机的动力参数是指电动机的额定功率额定功率、液压缸的、液压缸的牵引力牵引力、液压、液压马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩额定转矩等。等。 机械系统

47、中执行件的速度一般是根据工作对象的工艺过程要机械系统中执行件的速度一般是根据工作对象的工艺过程要求和生产率等因素确定。求和生产率等因素确定。 2.2.4 总体参数的确定总体参数的确定832.6.3 绘制总体设计图绘制总体设计图单个产品的总装配图单个产品的总装配图成套设备的总体布置详图成套设备的总体布置详图总体设计图总体设计图按比例绘制表示重要零部件的细部结构机构运动部件的极限位置操纵件的位置标注有关尺寸根据需要绘制分系统图传动系统图液压系统图润滑系统图原理图电气原理图逻辑原理图功能原理图电路接线图绘绘制制要要求求84 电子皮带秤是对电子皮带秤是对松散物料松散物料在在运输过程中运输过程中进行进行

48、称量的计量称量的计量设备设备，并能远距离传输各种重要信息，以实现遥控和自动控，并能远距离传输各种重要信息，以实现遥控和自动控制。电子皮带秤是各种配料系统中的一个重要组成部分。制。电子皮带秤是各种配料系统中的一个重要组成部分。第七节第七节 机械系统总体设计实例机械系统总体设计实例以电子皮带秤的总体设计为例介绍总体设计过程以电子皮带秤的总体设计为例介绍总体设计过程851. 明确设计任务，编写设计任务书明确设计任务，编写设计任务书2. 系统功能描述系统功能描述3. 工艺原理选择工艺原理选择4. 功能分解功能分解5. 总体方案设计总体方案设计6. 总体布局设计总体布局设计总体设计的基本步骤：总体设计的

49、基本步骤：86 根据生产规模不同，电子皮带秤的称量范围可分为根据生产规模不同，电子皮带秤的称量范围可分为三档：三档：0.21t/h、 0.84t/h、 420t/h。由于本。由于本产品一般用来实现配料时的成份控制，因此，要求称产品一般用来实现配料时的成份控制，因此，要求称量准确、工作可靠。根据市场调研，拟定的设计任务量准确、工作可靠。根据市场调研，拟定的设计任务书。书。1. 明确设计任务，编写设计任务书明确设计任务，编写设计任务书87返回返回1. 明确设计任务，编写设计任务书明确设计任务，编写设计任务书88 根据设计任务书可知，皮带秤主要服务于散装物料的根据设计任务书可知，皮带秤主要服务于散装

50、物料的配料过程，实现在运送过程中的称量和配料过程，实现在运送过程中的称量和控制。控制。返回返回2. 系统功能描述系统功能描述89 称量的工艺原理称量的工艺原理 主要有两种：主要有两种：3. 工艺原理选择工艺原理选择 采用传感器采用传感器 也基于杠杆原理，但称重不是采用砝码，而采用传感器，也基于杠杆原理，但称重不是采用砝码，而采用传感器，因此，不仅能做到称量准确，而且可测出所要求的因此，不仅能做到称量准确，而且可测出所要求的物料输出速度。物料输出速度。 传统的杠杆砝码式传统的杠杆砝码式 利用杠杆原理的机械式称量，这种称量方式不仅无法利用杠杆原理的机械式称量，这种称量方式不仅无法满足准确性的水泥等

51、行业的配比要求，而且无法测出所满足准确性的水泥等行业的配比要求，而且无法测出所要求的物料要求的物料输出速度。输出速度。90电子皮带秤工艺原理简图电子皮带秤工艺原理简图返回返回3. 工艺原理选择工艺原理选择91 为了完成散装物料运送过程中的为了完成散装物料运送过程中的定量及其控制定量及其控制，皮带，皮带秤应能承接、运送秤应能承接、运送、称量、称量散装物料，并能按给定的信息散装物料，并能按给定的信息控制称量控制称量的重量，这就要求皮带秤能实现的重量，这就要求皮带秤能实现测重及测速测重及测速，并在超差时通过调节运送并在超差时通过调节运送速度控制称量速度控制称量的重量，还要的重量，还要显显示称量示称量

52、过的累积重量。过的累积重量。4. 功能分解功能分解92分功能分功能接、送料接、送料张张 紧紧标标 定定测测 量量分功能分功能接、送料接、送料称量称量(机械结构机械结构)测测 量量测测 速速变变 能能变变 速速传传 动动控控 制制显显 示示稳稳 压压清清 料料 分功能分功能 主功能主功能(称量称量散散装物料装物料)驱驱 动动功功 能能调调 控控功功 能能其其 它它功功 能能返回返回4. 功能分解功能分解 电电 子子皮带秤皮带秤总功能总功能 电子皮带电子皮带秤的功能树秤的功能树935. 总体方案设计总体方案设计1) 功能求解功能求解2）方案评价）方案评价 评价指标及加权系数的确立评价指标及加权系数

53、的确立 专家组评分并决策专家组评分并决策分为两步：分为两步：945. 总体方案设计总体方案设计 根据功能树中所提出根据功能树中所提出的各的各分功能，寻求可能的功能载体，形成分功能，寻求可能的功能载体，形成功能载体形态学矩阵，功能载体形态学矩阵，1) 功能求解功能求解95根据形态学矩阵可组合出很多方案。根据形态学矩阵可组合出很多方案。考虑到考虑到相容性及最佳相容性及最佳配置原则，将各功能载体组合成原理解答的四个方案。配置原则，将各功能载体组合成原理解答的四个方案。方案1： A1+B1+C4+D1+E1+F1+G2+H1+I2+J1方案2： A2+B2+C2+D2+E2+F2+G3+H1+I2+J1方案3： A2+B1+C5+D2+E1+F2+G4+H2+I3+J2方案4： A3+B4+C3+D4+E1+F3+G1+H3+I3