第2章_机械系统的方案设计与总体设计

1、机械系统设计机械系统设计制造销售制造销售内部设计内部设计外部设计外部设计计划计划研究计划书、设计任务书研究计划书、设计任务书调查研究调查研究可行性研究可行性研究系统计划系统计划可行性报告可行性报告系统开发计划书系统开发计划书工作图设计工作图设计技术设计技术设计系统分析系统分析系统分解系统分解初步设计、方案设计初步设计、方案设计鉴定和评审鉴定和评审定型设计定型设计小批试制小批试制改进设计改进设计样机鉴定和评审样机鉴定和评审样机试制样机试制销售销售第一节第一节 机械系统的方案设计机械系统的方案设计看课本看课本P16P16表表1-11-1阶阶段段步骤步骤方法方法主主 要要 指指 导导 理理 论论产产

2、品品规规划划设计方法设计方法预测技术预测技术设计方法学设计方法学技术预测理论技术预测理论市场学市场学信息学信息学信息集约信息集约可行性报告、设计要求项目表可行性报告、设计要求项目表产品设计任务产品设计任务预测调研预测调研可行性分析可行性分析明确任务要求明确任务要求阶阶段段步骤步骤方方法法主主 要要 指指 导导 理理 论论原原理理方方案案设设计计系统化设计法系统化设计法创造技法创造技法评价决策方法评价决策方法系统工程学系统工程学形态学形态学创造学创造学思维心理学思维心理学决策论决策论模糊数学模糊数学总功能分析总功能分析原理参数表、方案原理图原理参数表、方案原理图功能分解功能分解功能载体组合功能载

3、体组合功能原理方案功能原理方案( (多个多个) )功能元求解功能元求解原理试验原理试验评价决策评价决策最优原理方案最优原理方案阶阶段段步骤步骤方法方法主要指导理论主要指导理论技技术术设设计计价值设计价值设计优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计宜人性设计宜人性设计产品造型设产品造型设计计系列化设计系列化设计机械性能设机械性能设计计工艺性设计工艺性设计自动化设计自动化设计价值工程学价值工程学最优化方法、工程最优化方法、工程遗传算法遗传算法可靠性理论与实验可靠性理论与实验人机工程学人机工程学工业美学工业美学模块化设计、模块化设计、相似理论相似理论有限元法、动态设有限元法、动态设计、摩擦学设计、计、摩

4、擦学设计、高等机构学高等机构学机械设计的工艺基机械设计的工艺基础础控制理论、智能工控制理论、智能工程、人工神经元计程、人工神经元计算方法、专家系统算方法、专家系统结构方案结构方案( (多个多个) )结构价值分析结构价值分析试验模型试验模型试验试验总体设计总体设计结构设计结构设计造型设计造型设计造型价值分析造型价值分析外观方案外观方案( (多个多个) )评价决策评价决策评价决策评价决策最优结构方案最优结构方案最优造型方案最优造型方案最优技术设计方案最优技术设计方案总体布置图、装配总体布置图、装配草图、技术文件草图、技术文件总体效果图、总体效果图、外观效果模型外观效果模型阶阶段段步骤步骤方法方法主

5、要指导主要指导理论理论施施工工设设计计各种制造、装各种制造、装配、造型、装配、造型、装饰、检验等方饰、检验等方法法各种工艺学各种工艺学批批量量生生产产销销售售零件工作图零件工作图外观件加工工艺、外观件加工工艺、面饰工艺规程面饰工艺规程部件装配图部件装配图效果图、检验标准效果图、检验标准技术文件技术文件造型工艺文件造型工艺文件试制试制修改修改批量生产批量生产技术服务技术服务用户访问用户访问计算机辅计算机辅助制造助制造反馈控制法反馈控制法机械系统设计机械系统设计制造销售制造销售内部设计内部设计外部设计外部设计计划计划工作图设计工作图设计技术设计技术设计系统分析系统分析系统分解系统分解初步设计、初步

6、设计、方案设计方案设计鉴定和评审鉴定和评审 方案设计是一个方案设计是一个创造性思维的过程创造性思维的过程，在进行方案设计时，重要的是要创，在进行方案设计时，重要的是要创新，在制定方案时采用新，在制定方案时采用新原理、新技术、新机构、新工艺新原理、新技术、新机构、新工艺，这样才能设计出，这样才能设计出有突破性的新产品。有突破性的新产品。 方案设计是机械系统设计第三阶段，也是内部设计阶段要做的第一项工方案设计是机械系统设计第三阶段，也是内部设计阶段要做的第一项工作。它是机械系统设计的作。它是机械系统设计的核心环节核心环节，方案设计方案设计是保证设计水平和质量的重要是保证设计水平和质量的重要工作，在

7、很大程度上决定了机械系统设计的成败。工作，在很大程度上决定了机械系统设计的成败。方案设计的方案设计的内容内容包括：包括： ( (1) )研究给定的设计任务，对机械产品的功能进行分析和分解；研究给定的设计任务，对机械产品的功能进行分析和分解； ( (2) )提出实现功能的工艺原理；提出实现功能的工艺原理；( (3) )确定技术过程，引进技术系统；确定技术过程，引进技术系统；( (4) )分析结构布局，拟定设计方案；分析结构布局，拟定设计方案； ( (5) )综合评价设计方案，找出最佳方案。综合评价设计方案，找出最佳方案。 一、研究给定的设计任务一、研究给定的设计任务 方案设计之前，已经接到了方案

8、设计之前，已经接到了设计任务书设计任务书，明确了设计任务、目的和要求，明确了设计任务、目的和要求，搞清了外部系统和内部系统之间的相互作用和影响，提出了可行性报告，制搞清了外部系统和内部系统之间的相互作用和影响，提出了可行性报告，制定了系统开发的计划。定了系统开发的计划。 在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现，在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现，其中有其中有不确定的，过高或过低的，甚至有些是相互矛盾的不确定的，过高或过低的，甚至有些是相互矛盾的。 设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求逐个分析，明确核心要求和设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求

9、逐个分析，明确核心要求和约束条件，提出修改、补充和完善的建议，对约束条件，提出修改、补充和完善的建议，对相互矛盾的要求提出两方面都相互矛盾的要求提出两方面都可兼顾的折衷的解决办法可兼顾的折衷的解决办法。T2T1，n2n1能量不灭定理能量不灭定理系统系统T1n1T2n2二、设计任务的抽象化（是一种二、设计任务的抽象化（是一种“思维方式和工作方法思维方式和工作方法”） 思维可以有思维可以有思维定势思维定势和和创造性思维创造性思维。其中思维定势是扼杀创造发明的杀。其中思维定势是扼杀创造发明的杀手，是手，是“懒汉懒汉”的思维方法，有意识地破除它，会有许多发现和发明。的思维方法，有意识地破除它，会有许多

10、发现和发明。1 0 0 04 01 01 0 0 02 01 0 0 01 0 0 03 0+?1 4 4 9 91+? 创造性思维则是创作发明的基础创造性思维则是创作发明的基础。发明有。发明有原创性发明原创性发明和和组合式发明组合式发明，原，原创性发明是指在原理上具有新突破的发明，对于世界和人类来讲具有一定的创性发明是指在原理上具有新突破的发明，对于世界和人类来讲具有一定的难度，是比较少见的。而我们所听到的发明多数都属于组合式发明，也就是难度，是比较少见的。而我们所听到的发明多数都属于组合式发明，也就是在成熟理论的基础上，进一步的改进和完善，从而得到一种新的技术和理论。在成熟理论的基础上，进

11、一步的改进和完善，从而得到一种新的技术和理论。 总之，思维定势是懒汉的思维方式，有意识的破除他，我们会有更总之，思维定势是懒汉的思维方式，有意识的破除他，我们会有更多的发现和发明。多的发现和发明。 面对一个设计任务，有经验的设计人员马上可提出一些设计方案，这虽面对一个设计任务，有经验的设计人员马上可提出一些设计方案，这虽然可加快设计速度，但由于受到个人经验和所掌握资料的限制，在思维定势然可加快设计速度，但由于受到个人经验和所掌握资料的限制，在思维定势作用下，使设计方案缺乏创造性和创新性。作用下，使设计方案缺乏创造性和创新性。 任何机械系统都可以看成是任何机械系统都可以看成是实现某种能量流、物料

12、流和信息实现某种能量流、物料流和信息流传递和转化的装置流传递和转化的装置。化学能化学能热能热能机械能机械能内燃机能量流内燃机能量流包装机械包装机械包装容器包装容器包装物件包装物件包装后成品包装后成品包装机械物料流包装机械物料流照相机照相机光强信号光强信号图像信号图像信号光圈电机信号光圈电机信号调整电机控制信号调整电机控制信号傻瓜照相机信息流傻瓜照相机信息流例如：例如： 在一些较复杂的机械系统中，能量流、物料流和信息流都在一些较复杂的机械系统中，能量流、物料流和信息流都存在，如自走式合物联合收获机。存在，如自走式合物联合收获机。 从这个意义上讲，机械系统可抽象为：从这个意义上讲，机械系统可抽象为

13、：实现输入的能量、物实现输入的能量、物料、信息和输出的能量、物料、信息转化的函数关系的机械装置料、信息和输出的能量、物料、信息转化的函数关系的机械装置。可表示如下：可表示如下： 机机 械械 装装 置置（待定的技术系统）（待定的技术系统） （黑箱）（黑箱）物料物料能量能量信息信息物料物料能量能量信息信息来自外界的影响来自外界的影响输输 入入对外界的影响对外界的影响输输 出出 在方案设计的初期，在方案设计的初期，把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以及与外界的相互影响的及与外界的相互影响的“黑箱黑箱”，“黑箱黑箱”内部是全然不知待定的技术系统，内部

14、是全然不知待定的技术系统，这就是设计任务抽象化的方法。这就是设计任务抽象化的方法。 用用“黑箱黑箱”抽象地表示技术过程，不需要事先涉及具体的解决方法，就抽象地表示技术过程，不需要事先涉及具体的解决方法，就可以知道机械系统的基本功能和约束条件：可以知道机械系统的基本功能和约束条件：基本功能为物料、能量、信息的基本功能为物料、能量、信息的传递和转化传递和转化，约束条件表现为内、外部系统的相互作用和相互影响约束条件表现为内、外部系统的相互作用和相互影响。这样可。这样可以突出设计中的主要矛盾，明确设计追求的主要目标，明确影响产品性能的以突出设计中的主要矛盾，明确设计追求的主要目标，明确影响产品性能的主

15、要因素；避免设计者受一些框文的约束。主要因素；避免设计者受一些框文的约束。 确定确定“黑箱黑箱”作业对象（物料、能量、信息）转化的作业对象（物料、能量、信息）转化的工艺原工艺原理理，是打开，是打开“黑箱黑箱”的先决条件。的先决条件。 三、确定工艺原理（三、确定工艺原理（“黑箱黑箱”变成变成“玻璃箱玻璃箱”） 所谓工艺原理是所谓工艺原理是指自然科学中各种定理、定律、原理及效指自然科学中各种定理、定律、原理及效应的具体应用应的具体应用。 表示机械系统的表示机械系统的“黑箱黑箱”建立以后，打开建立以后，打开“黑箱黑箱”， 实现实现“黑箱黑箱”的透明化就成为了主要工作。的透明化就成为了主要工作。对于作

16、业对象的一种转化，可以采用不同的工艺原理。对于作业对象的一种转化，可以采用不同的工艺原理。 以齿轮齿廓曲线的切制为例，将以齿轮齿廓曲线的切制为例，将齿轮坯齿轮坯变为变为齿轮齿轮，可以有不，可以有不同的转化：同的转化： 可采用可采用仿形法仿形法，在铣床上用铣刀铣削，用分度头分度；，在铣床上用铣刀铣削，用分度头分度； 也可用也可用范成法范成法，在滚齿机、插齿机或刨齿机上用专用刀具滚削、，在滚齿机、插齿机或刨齿机上用专用刀具滚削、插削或刨削加工。插削或刨削加工。齿轮加工齿轮加工范成原理范成原理仿形原理仿形原理剃齿剃齿插齿插齿滚齿滚齿 采用不同的工艺原理，就会设计出不同的机械系统，它们的采用不同的工艺

17、原理，就会设计出不同的机械系统，它们的性能和经济效益各不相同。性能和经济效益各不相同。 切断作切断作物桔杆物桔杆冲击冲击搓擦搓擦 使谷粒和谷穗分离使谷粒和谷穗分离滚压滚压筛分、振动、重筛分、振动、重力、气流使谷粒、力、气流使谷粒、茎杆、颖壳杂物茎杆、颖壳杂物分离分离 在联合收割机的机械系统中，采用了多种工艺原理，工作过在联合收割机的机械系统中，采用了多种工艺原理，工作过程中完成了多次转化，设计的关键则是程中完成了多次转化，设计的关键则是不同工艺原理的组合与连不同工艺原理的组合与连接接，以及它们之间的，以及它们之间的适应性与相容性适应性与相容性。 作业对象的简单转化，可以只采用一个工艺原理就完成

18、；作业对象的简单转化，可以只采用一个工艺原理就完成；但作业对象的复杂转化，往往要采用多种工艺原理经多次转化但作业对象的复杂转化，往往要采用多种工艺原理经多次转化才能完成才能完成。以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所。以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所示：示：四、确定技术过程四、确定技术过程 技术过程是按选定的工艺原理，确定作业对象转化的流程，规定每一个技术过程是按选定的工艺原理，确定作业对象转化的流程，规定每一个转化程序的相应功能要求。转化程序的相应功能要求。技术过程的一般模式如下图。技术过程的一般模式如下图。 下图是根据工艺原理图画出的自走式联合收获机的技术过程主流程图。下

19、图是根据工艺原理图画出的自走式联合收获机的技术过程主流程图。 技术过程的技术过程的主线是作业对象（物料）的转化主线是作业对象（物料）的转化，用，用双线箭头表示双线箭头表示，在转化过，在转化过程中，不断有程中，不断有物料、能量和信息的支持和补充物料、能量和信息的支持和补充，要产生许多辅助功能，如要解，要产生许多辅助功能，如要解决各转化程序间的连接和支承问题，要解决检测、操纵、调整和控制的问题。决各转化程序间的连接和支承问题，要解决检测、操纵、调整和控制的问题。技术过程是若干个分过程和工序组合而成的复合过程技术过程是若干个分过程和工序组合而成的复合过程。谷物谷物 扶持谷物茎杆扶持谷物茎杆 切断谷物

20、茎杆切断谷物茎杆 脱脱 粒粒长茎杆长茎杆图图2-4 自走式谷物联合收获机的技术过程流程方框图自走式谷物联合收获机的技术过程流程方框图清选清选筛分筛分气流气流振动振动杂余（断穗）杂余（断穗）等等复脱复脱谷粒谷粒短 茎 杆 轻 混短 茎 杆 轻 混合物（颖壳、合物（颖壳、灰尘）等等灰尘）等等 对对设计对象的目标和要求不同设计对象的目标和要求不同，技术系统的组成、相应的功能结构以及，技术系统的组成、相应的功能结构以及系统边界的划分就不相同；即便是设计对象的目标和要求相同，由于设计者系统边界的划分就不相同；即便是设计对象的目标和要求相同，由于设计者的的着眼点不同着眼点不同，技术系统及系统边界划分也会有

21、较大差别。，技术系统及系统边界划分也会有较大差别。五、引进技术系统并确定系统边界五、引进技术系统并确定系统边界技术系统是实现技术过程各项转化的人为系统。技术系统是实现技术过程各项转化的人为系统。 技术过程中作业对象的转化，有一些是完全靠机械系统来完成的，而有技术过程中作业对象的转化，有一些是完全靠机械系统来完成的，而有一些是在人的参与下完成的。一些是在人的参与下完成的。良好的技术系统应是机械系统与人的完美结合良好的技术系统应是机械系统与人的完美结合。 以洗衣机为例，对人的参与程度要求不同，可设计出全自动、半自动和以洗衣机为例，对人的参与程度要求不同，可设计出全自动、半自动和非自动的洗衣机；就全

22、自动洗衣机而言，由于设计者的着眼点不同，可设计非自动的洗衣机；就全自动洗衣机而言，由于设计者的着眼点不同，可设计出立式和卧式洗衣机，它们各有优缺点。出立式和卧式洗衣机，它们各有优缺点。 引进技术系统就是引进技术系统就是根据技术过程的要求，确定机械系统的功能结构和功根据技术过程的要求，确定机械系统的功能结构和功能载体的组合能载体的组合。( (一一) )引进技术系统引进技术系统引进技术系统一般分两步进行：引进技术系统一般分两步进行：1 1确定机械系统的确定机械系统的功能结构功能结构 功能是机械系统的属性，是机械系统价值的体现。功能是机械系统的属性，是机械系统价值的体现。机械系统的功能表现为可以实现

23、物料、能量、信息的传递和转化。机械系统的功能表现为可以实现物料、能量、信息的传递和转化。洗洗 衣衣 机机（黑（黑 箱）箱）地基地基湿度湿度温度温度噪噪声声振振动动信息信息能量能量洗涤剂洗涤剂清水清水脏衣物脏衣物显示信号显示信号驱动能驱动能脏水脏水干净衣物干净衣物洗衣机的黑箱示意图洗衣机的黑箱示意图 机械系统的功能往往有多种形式，为便于分析和研究，应进行机械系统的功能往往有多种形式，为便于分析和研究，应进行功能分解功能分解。 可以用树状图像模型功能图形象地表达可以用树状图像模型功能图形象地表达功能分解功能分解的结果：的结果： 能量运动传递能量运动传递转向控制转向控制转速控制转速控制时间控制时间控

24、制双向旋转双向旋转单向旋转单向旋转波轮旋转波轮旋转搅动衣物和水搅动衣物和水联接与支承联接与支承能量供应与转换能量供应与转换排水排水甩干脱水甩干脱水旋转控制旋转控制添加洗涤剂添加洗涤剂容纳衣物和水容纳衣物和水脏衣物脏衣物的洗涤的洗涤 洗衣机，它的洗衣机，它的总功能是洗涤脏衣物总功能是洗涤脏衣物。对总功能进行分解，可得出如下一。对总功能进行分解，可得出如下一些分功能：些分功能：容纳衣物和水容纳衣物和水、添加洗涤剂添加洗涤剂、搅动衣物和水搅动衣物和水，控制旋转方向控制旋转方向、时时间和速度间和速度，甩干衣物上的水甩干衣物上的水，排出脏水排出脏水，能量供应能量供应、转化和传递转化和传递、联接与支联接与

25、支承承等。等。 功能载体功能载体是实现功能转化的实体结构。同一功能转化，可找出不同的功是实现功能转化的实体结构。同一功能转化，可找出不同的功能载体。如传递回转运动这一功能转化，可采用摩擦轮传动、带传动、齿轮能载体。如传递回转运动这一功能转化，可采用摩擦轮传动、带传动、齿轮传动、链传动、蜗杆传动等功能载体。传动、链传动、蜗杆传动等功能载体。 功能分解是在系统分解的基础上进行的功能分解是在系统分解的基础上进行的。对各子系统的功能可逐项分解，。对各子系统的功能可逐项分解，直到得到不能再分解的直到得到不能再分解的功能元功能元为止。为止。功能元功能元是指有确定功能的不可再分解的单元功能。是指有确定功能的

26、不可再分解的单元功能。进行功能分解的要注意以下两点：进行功能分解的要注意以下两点： (1) (1)总功能的分解程度以能找到相应的总功能的分解程度以能找到相应的技术物理效应技术物理效应和和功能载体功能载体来实现该来实现该功能为依据；功能为依据；(2)(2)同级功能的组合应能满足上级功能的要求。同级功能的组合应能满足上级功能的要求。 技术物理效应技术物理效应是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加以应用。以应用。按树状功能图还可以作出按树状功能图还可以作出功能结构图功能结构图。如洗衣机的功能结构图如下：。如洗衣机的功能结构图如下： 洗衣机的功

27、能结构图洗衣机的功能结构图 联接与支承联接与支承能量转换能量转换能量传递能量传递能量能量搅动脏衣搅动脏衣物和水物和水容纳脏衣容纳脏衣物和水物和水排水排水甩干甩干洗涤剂洗涤剂洗涤剂洗涤剂脏衣脏衣物水物水脏水脏水干净干净衣物衣物信息信息控制控制决策决策调整定时调整定时方向、速度、方向、速度、时间选择时间选择显示显示信号信号 从树状功能图可看出功能分解的过程，从功能结构图可看出各项功能元从树状功能图可看出功能分解的过程，从功能结构图可看出各项功能元以及分功能之间的结构关系。以及分功能之间的结构关系。 由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以看出洗衣机具有的主要分功能：由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以

28、看出洗衣机具有的主要分功能：容纳衣物和水（容纳衣物和水（A）、搅动衣物和水（搅动衣物和水（B）、运动传递（运动传递（C）和和控制（控制（D），通过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机相应的通过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机相应的形态学矩阵形态学矩阵（用（用其来表示所有可能组成的总体方案）。其来表示所有可能组成的总体方案）。电脑自控电脑自控机械定时机械定时人工控制人工控制齿轮传动齿轮传动带传动带传动超声波超声波电磁振荡电磁振荡机械摩擦机械摩擦陶瓷桶陶瓷桶玻璃钢桶玻璃钢桶塑料桶塑料桶金属桶金属桶D（控制）（控制）C（运动传递）（运动传递）B（洗涤原理）（洗涤原理）A（容纳衣物水）

29、（容纳衣物水）4321功能载体功能载体分功能分功能洗衣机的形态学矩阵洗衣机的形态学矩阵理论上可组合出技术方案：理论上可组合出技术方案：N=4323=72 下图是材料试验机的下图是材料试验机的功能结构图的制作过程功能结构图的制作过程： 材料试验机的总功能为：利用力和变形的关系，检验试件的力学性能。材料试验机的总功能为：利用力和变形的关系，检验试件的力学性能。建立材料试验机的建立材料试验机的“黑箱黑箱”示意图：示意图：材料试验机材料试验机（黑箱）（黑箱）a a）材料试验机的）材料试验机的“黑箱黑箱”示意图示意图加载能量加载能量试件试件信号信号变形试件变形试件变形能变形能变形信号变形信号力信号力信号

30、噪声噪声振动振动温度温度风力风力 在材料试验机的在材料试验机的“黑箱黑箱”示意图中，有示意图中，有3个输入元素：加载能量、试件和个输入元素：加载能量、试件和信号；有信号；有4个输出元素：变形能、变形试件、力信号和变形信号，内、外系统个输出元素：变形能、变形试件、力信号和变形信号，内、外系统间有相互作用和影响。间有相互作用和影响。b）材料试验机的功能分解图）材料试验机的功能分解图建立材料试验机的功能分解图（初步简单的功能结构图）：建立材料试验机的功能分解图（初步简单的功能结构图）：通过功能分解，可以把材料试验机的总功能分解成通过功能分解，可以把材料试验机的总功能分解成4个主要的分功能：个主要的分

31、功能：把能量转换为力和位移；把能量转换为力和位移；试件加载；试件加载；测力；测力；测变形。测变形。能量转换为能量转换为力和位移力和位移控制信号控制信号加载能量加载能量试件加载试件加载试件试件变形能变形能变形后的试件变形后的试件测变形测变形变形信号变形信号测力测力力信号力信号b）材料试验机的功能分解图）材料试验机的功能分解图能量转换为能量转换为力和位移力和位移控制信号控制信号加载能量加载能量试件加载试件加载试件试件变形能变形能变形后的试件变形后的试件测变形测变形变形信号变形信号测力测力力信号力信号建立材料试验机的完善的功能结构图：建立材料试验机的完善的功能结构图：c c）材料试验机的功能结构图）

32、材料试验机的功能结构图通过增加分功能来进一步完善材料试验机的功能结构：通过增加分功能来进一步完善材料试验机的功能结构：调节能量的大小；调节能量的大小；装卡装卡试件试件试件试件加载加载变形能变形能变形后变形后试件试件试件试件调节能调节能量大小量大小加载能量加载能量控制信号控制信号能量转能量转换为力换为力和位移和位移各测量值的放大；各测量值的放大； 比较标准值和实际值。比较标准值和实际值。测量值放大测量值放大测力测力测变形测变形力信号力信号变形信号变形信号比较标准值和比较标准值和实际值实际值辅助辅助能量能量标准量标准量试件加载前要装卡；试件加载前要装卡；b）材料试验机的功能分解图）材料试验机的功能

33、分解图能量转换为能量转换为力和位移力和位移控制信号控制信号加载能量加载能量试件加载试件加载试件试件变形能变形能变形后的试件变形后的试件测变形测变形变形信号变形信号测力测力力信号力信号材料试验机的功能结构图材料试验机的功能结构图装卡装卡试件试件试件试件加载加载变形能变形能变形后变形后试件试件试件试件调节能调节能量大小量大小加载能量加载能量控制信号控制信号能量转能量转换为力换为力和位移和位移测量值放大测量值放大测力测力测变形测变形力信号力信号变形信号变形信号比较标准值和比较标准值和实际值实际值辅助辅助能量能量标准量标准量 经过功能分解后，一项总功能被分解成一系列分功能或功能元，与相应经过功能分解后

34、，一项总功能被分解成一系列分功能或功能元，与相应的技术物理效应及功能载体相对应，得到功能分解图和功能结构图。的技术物理效应及功能载体相对应，得到功能分解图和功能结构图。 对于像自走式联合收割机等对于像自走式联合收割机等结构过于复杂的机械产品结构过于复杂的机械产品，要用一张图表示，要用一张图表示它的功能结构，不仅绘制困难，而且看起来也显得杂乱无章。这时它的功能结构，不仅绘制困难，而且看起来也显得杂乱无章。这时可把机械可把机械系统分解成几个子系统系统分解成几个子系统，如把谷物联合收获机分解成：收割系统、脱粒系统、，如把谷物联合收获机分解成：收割系统、脱粒系统、清粮系统、行走系统、传动系统、输送系统

35、、控制系统、支承系统等清粮系统、行走系统、传动系统、输送系统、控制系统、支承系统等8 8个子系个子系统，统，分别画出各子系统的功能结构图，这样可使复杂的问题简化分别画出各子系统的功能结构图，这样可使复杂的问题简化。 在绘制子系统功能结构图时，可与功能相当的机械系统作比较。对谷物在绘制子系统功能结构图时，可与功能相当的机械系统作比较。对谷物联合收获机的子系统，收割系统与收割机，脱粒系统与脱粒机，清粮系统与联合收获机的子系统，收割系统与收割机，脱粒系统与脱粒机，清粮系统与清选机、行走系统与拖拉机汽车作对比。清选机、行走系统与拖拉机汽车作对比。 用形态学方法建立形态学矩阵，可找出所有的组合方案。在做

36、这项工作用形态学方法建立形态学矩阵，可找出所有的组合方案。在做这项工作时，要集思广义，广开言路，避免犯偏听偏信、先入为主、主观片面的错误。时，要集思广义，广开言路，避免犯偏听偏信、先入为主、主观片面的错误。 2功能载体的组合功能载体的组合实现一项功能往往可采用多种功能载体，这就是机械系统设计的多解性。实现一项功能往往可采用多种功能载体，这就是机械系统设计的多解性。 对机械系统按功能进行分解，对分解出的每一项功能找到可行的功能载对机械系统按功能进行分解，对分解出的每一项功能找到可行的功能载体，将这些功能载体组合起来，就得到了机械系统一系列的总体方案。体，将这些功能载体组合起来，就得到了机械系统一

37、系列的总体方案。以行走式挖掘机为例，说明机械系统技术方案确定的过程：以行走式挖掘机为例，说明机械系统技术方案确定的过程： 位置位置1的物料的物料 位置位置2的物料的物料能量能量 驱动能驱动能信息信息显示信号显示信号噪声噪声废气废气振动振动温度温度湿度湿度道路道路 行走式挖掘机行走式挖掘机 （黑箱）（黑箱）行走式挖掘机的黑箱示意图行走式挖掘机的黑箱示意图 1）作出行走式挖掘机的）作出行走式挖掘机的“黑箱黑箱”示意图。示意图。由图可表明机械系统的互动能量；物料的取、移、放；环境对它的约束条件。由图可表明机械系统的互动能量；物料的取、移、放；环境对它的约束条件。行走式挖掘机的功能结构图行走式挖掘机的

38、功能结构图 2）功能分解：行走式挖掘机有）功能分解：行走式挖掘机有3 3个基本功能：挖取物料、移动物料和堆放个基本功能：挖取物料、移动物料和堆放物料，作出该机的功能结构图。物料，作出该机的功能结构图。移物C（挖掘机移动）放物传动D（挖掘斗运动）驱动能显示信号信号能量移物传动B（将动力传动至行走装置）驱动能显示信号信号能量取物传动D（挖掘斗的运动）驱动能显示信号信号能量放物E（堆放）（位置2）物料取物E（挖取）（位置1）物料 由功能结构图可看出，行走式挖掘机有由功能结构图可看出，行走式挖掘机有5 5项分功能：动力源项分功能：动力源( (A) )、移位传、移位传动动( (B) )、移物、移物( (

39、C) )、取物传动、取物传动( (D) )、取放物、取放物( (E)()(取物、放物合二为一，用一个取物、放物合二为一，用一个功能载体实现功能载体实现) )。找出各分功能可行的功能载体，就可以作出挖掘机的形态学。找出各分功能可行的功能载体，就可以作出挖掘机的形态学矩阵。矩阵。 方案总数：方案总数：N=ABCDE=65443=1440钳式斗钳式斗抓斗抓斗挖斗挖斗液压缸液压缸传动传动气缸传动气缸传动绳传动绳传动拉杆拉杆气垫气垫履带履带轮胎轮胎轨道及车轮轨道及车轮液力耦液力耦合器合器链传动链传动带传动带传动蜗杆传蜗杆传动动齿轮传动齿轮传动气动马达气动马达液动机液动机透平机透平机柴油机柴油机汽油机汽油

40、机电动机电动机挖掘机的形态学矩阵挖掘机的形态学矩阵E(取放物取放物)D(取放物传动取放物传动)C(移位移位)B(移物传动移物传动)A(动力源动力源)654321功能载体功能载体分功能分功能A3 +B4+C3+D2+E1履带式挖掘机履带式挖掘机柴油机柴油机 链传动链传动 履带履带 绳传动绳传动 挖斗挖斗 3）作出挖掘机的形态学矩阵：）作出挖掘机的形态学矩阵：液动机液动机 液力耦合器液力耦合器 轮胎轮胎 液压缸传动液压缸传动 抓斗抓斗 A3 +B4+C3+D2+E1履带式挖掘机履带式挖掘机柴油机柴油机 链传动链传动 履带履带 绳传动绳传动 挖斗挖斗A5+B5 + C2+ D4+ E2液压轮胎式挖掘

41、机液压轮胎式挖掘机 对那些合理的可行方案，应进行综合评价。可从对那些合理的可行方案，应进行综合评价。可从物理学相容原理物理学相容原理、技术技术经济效益经济效益、功率功率、速度速度、尺寸等功能参数方面尺寸等功能参数方面，对这些方案进行，对这些方案进行复核、检验、复核、检验、评审评审，从中找出几个较好的方案。，从中找出几个较好的方案。 对于对于像自走式联合收获机这类像自走式联合收获机这类比较复杂的机械产品比较复杂的机械产品，如果对整机采用一，如果对整机采用一个形态学矩阵，就过于庞大了，这时个形态学矩阵，就过于庞大了，这时可分别建立各子系统的形态学矩阵，考可分别建立各子系统的形态学矩阵，考虑各子系统

42、的方案，然后再综合成整个机械产品的方案虑各子系统的方案，然后再综合成整个机械产品的方案。 通过形态学矩阵得到的某一些方案，可能没有实际意义，甚至有一些功通过形态学矩阵得到的某一些方案，可能没有实际意义，甚至有一些功能载体无法匹配，所以应首先舍去那些不合理或没有实际意义的方案。能载体无法匹配，所以应首先舍去那些不合理或没有实际意义的方案。思考题：思考题：1、举例说明什么是、举例说明什么是“黑箱黑箱”，为什么要把待定的，为什么要把待定的设计对象抽象为设计对象抽象为“黑箱黑箱”，从，从“黑箱黑箱”图中可以图中可以看出什么问题。看出什么问题。2、举例说明怎么针对设计对象确定工艺原理，技、举例说明怎么针

43、对设计对象确定工艺原理，技术过程和寻找功能载体。术过程和寻找功能载体。3、以你最熟悉的机械产品为例，说明机械系统方、以你最熟悉的机械产品为例，说明机械系统方案设计的方法，要求画出案设计的方法，要求画出“黑箱黑箱”示意图，树状示意图，树状功能图，功能结构图和形态学矩阵，并且组合可功能图，功能结构图和形态学矩阵，并且组合可能的方案。能的方案。 外部环境的温度、湿度、尘埃、振动、噪声、外部输入能量的稳定性等外部环境的温度、湿度、尘埃、振动、噪声、外部输入能量的稳定性等因素，都会影响或干扰技术过程的转化；同样，技术过程的转化也会影响外因素，都会影响或干扰技术过程的转化；同样，技术过程的转化也会影响外部

44、环境。部环境。是否对这些影响和干扰进行控制，就涉及到系统的边界。是否对这些影响和干扰进行控制，就涉及到系统的边界。 ( (二二) )确定系统边界确定系统边界 系统边界是技术系统功能范围的界限，即内部系统与外部系统的分界系统边界是技术系统功能范围的界限，即内部系统与外部系统的分界。 1 1人参与技术系统的程度人参与技术系统的程度 人参与技术系统的程度涉及到操纵系统和控制系统的功能人参与技术系统的程度涉及到操纵系统和控制系统的功能。有许多分功。有许多分功能如机床加工机械零件时，被加工工件的定位、夹紧、移位、调整和测量等能如机床加工机械零件时，被加工工件的定位、夹紧、移位、调整和测量等分功分功可以由

45、人完成也可由机械系统完成可以由人完成也可由机械系统完成。人和机械系统的不同分工，就体现。人和机械系统的不同分工，就体现了机械系统的机械化和自动化程度，人参与程度不同，机械系统的复杂程度了机械系统的机械化和自动化程度，人参与程度不同，机械系统的复杂程度和成本也不相同。和成本也不相同。2 2外部系统和内部系统的相互影响外部系统和内部系统的相互影响确定系统的边界时应考虑下面两个因素：确定系统的边界时应考虑下面两个因素： 人参与技术系统的程度；人参与技术系统的程度； 外部系统与内部系统的相互作用和影响。外部系统与内部系统的相互作用和影响。例如：例如： 普通轿车和越野车，外部环境普通轿车和越野车，外部环

46、境道路不同，要求内部道路不同，要求内部系统系统车的适应性不同，要求操纵系统不同，越野车要车的适应性不同，要求操纵系统不同，越野车要能适应较为恶劣的外部环境。能适应较为恶劣的外部环境。 造纸设备，对外部环境的影响造纸设备，对外部环境的影响污水，要经过处理污水，要经过处理以后才能排放，因此要把污水处理放到系统之内，这就是以后才能排放，因此要把污水处理放到系统之内，这就是系统边界问题。系统边界问题。六、确定基本结构布局六、确定基本结构布局 技术方案确定后，功能载体的组合关系就明确了，但结构元件在空间的技术方案确定后，功能载体的组合关系就明确了，但结构元件在空间的相互位置还可以进行不同的处理，即相互位

47、置还可以进行不同的处理，即相同的功能载体关系，可以构成不同的相同的功能载体关系，可以构成不同的结构布局结构布局。 发动机发动机A后置；后置；驾驶台驾驶台B在发动机前侧、左方；在发动机前侧、左方；粮箱粮箱C前置；前置；脱粒机顶盖脱粒机顶盖D在粮箱在粮箱C下方。下方。优点：对发动机尺寸没有限制，驾驶员优点：对发动机尺寸没有限制，驾驶员工作条件好，保养空间大，适合布置尺工作条件好，保养空间大，适合布置尺寸大的发动机。寸大的发动机。结构特点：结构特点：缺点：检查保养发动机，需从尾部爬上缺点：检查保养发动机，需从尾部爬上顶盖，不方便；粮箱尺寸受限制，不能顶盖，不方便；粮箱尺寸受限制，不能太大。太大。发动

48、机发动机A前置前置；驾驶台驾驶台B在粮箱在粮箱C的前方、发动机左侧；的前方、发动机左侧；脱脱粒粒机顶盖机顶盖D在粮箱在粮箱C下方。下方。优点：发动机靠近驾驶台，保养维护发动优点：发动机靠近驾驶台，保养维护发动机方便；粮仓容积可以较大。机方便；粮仓容积可以较大。结构特点：结构特点：缺点：发动机尺寸受限制，驾驶员受发动缺点：发动机尺寸受限制，驾驶员受发动机影响，有振动、噪声和高温。机影响，有振动、噪声和高温。发动机发动机A后置；后置；粮箱粮箱C位于发动机位于发动机A与驾驶台与驾驶台B之间之间；脱脱粒粒机顶盖机顶盖D在粮箱在粮箱C下方。下方。优点：发动机尺寸不受限制，驾驶员工作优点：发动机尺寸不受限

49、制，驾驶员工作条件好，保养空间大；由于粮箱条件好，保养空间大；由于粮箱C的隔离的隔离作用，发动机的振动、噪声和高温对驾驶作用，发动机的振动、噪声和高温对驾驶员影响较小。员影响较小。结构特点：结构特点：缺点：保养发动机要从侧面或后面爬上，缺点：保养发动机要从侧面或后面爬上，较困难。较困难。驾驶台驾驶台B前置；前置； 2）短头式短头式：发动机一小部分伸入驾驶室之下。：发动机一小部分伸入驾驶室之下。 优点：可以改善驾驶员的视野，减小轴距和车的长度，改善机动性，优点：可以改善驾驶员的视野，减小轴距和车的长度，改善机动性，减轻自重。减轻自重。 缺点：发动机保养不方便，发动机工作产生的噪声、振动和高温对缺

50、点：发动机保养不方便，发动机工作产生的噪声、振动和高温对驾驶员有影响。驾驶员有影响。载重汽车的载重汽车的发动机与驾驶室发动机与驾驶室相对位置有相对位置有3种三种方案（型式）：种三种方案（型式）： 1）长头式长头式：驾驶室在发动机之后。：驾驶室在发动机之后。 优点：保养发动机方便；优点：保养发动机方便； 缺点：驾驶员的视线受影响，车辆的轴距和长度较大，机动性不好，缺点：驾驶员的视线受影响，车辆的轴距和长度较大，机动性不好，自重较大。自重较大。 3）平头式平头式：发动机在驾驶室之下。：发动机在驾驶室之下。 优点：驾驶员视野开阔，车辆的轴距和长度小，机动性好，自重轻。优点：驾驶员视野开阔，车辆的轴距

51、和长度小，机动性好，自重轻。 缺点：保养发动不方便，驾驶员受发动机工作产生的噪声、振动、缺点：保养发动不方便，驾驶员受发动机工作产生的噪声、振动、高温的影响，另外，发生撞车后对司机保护不利。高温的影响，另外，发生撞车后对司机保护不利。 1）发动机前置发动机前置：发动机在车箱之前。：发动机在车箱之前。优点：操纵简单，发动机冷却条件好，保养维修方便。优点：操纵简单，发动机冷却条件好，保养维修方便。缺点：车箱里噪声大，有油烟味和热气，车辆的面积利用较差。缺点：车箱里噪声大，有油烟味和热气，车辆的面积利用较差。大型客车大型客车发动机与车箱发动机与车箱的相对位置有的相对位置有3种方案：种方案： 2）发动

52、机中置发动机中置：发动机在车箱中下方。：发动机在车箱中下方。 优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，驾驶员视野开阔。优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，驾驶员视野开阔。 缺点：发动机保养维修困难，冷却防尘难，地板高度也不易降低。缺点：发动机保养维修困难，冷却防尘难，地板高度也不易降低。 3）发动机后置发动机后置：发动机在车箱之后，横置或者纵置。：发动机在车箱之后，横置或者纵置。 优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，车厢内地板平坦，驾驶员优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，车厢内地板平坦，驾驶员视野开阔。视野开阔。 缺点：发动机冷却不好解决，散热条件差，操纵困难。行进中车尾缺点：发动机冷却不好解决

53、，散热条件差，操纵困难。行进中车尾负压及车轮灰尘，使进气环境恶化，后桥易超载。负压及车轮灰尘，使进气环境恶化，后桥易超载。七、方案评价七、方案评价 （自学）（自学）例例4 4：四工位专用机床：四工位专用机床 四工位专用机床是在四工位专用机床是在四个工位上四个工位上分别完成工件的分别完成工件的装卸、钻孔、扩孔、铰孔装卸、钻孔、扩孔、铰孔工作的专用加工设备。机工作的专用加工设备。机床的执行动作有两个：一是装有工件的床的执行动作有两个：一是装有工件的回转工作台回转工作台的间歇转动的间歇转动；二是装有三把专用刀具的；二是装有三把专用刀具的主轴箱的往主轴箱的往复移动复移动（刀具的转动由专用电机驱动）。（

54、刀具的转动由专用电机驱动）。两个执行两个执行动作由同一台电机驱动动作由同一台电机驱动，工作台转位机构和主轴箱，工作台转位机构和主轴箱往复运动机构按动作时间顺序分支并列，组合成一往复运动机构按动作时间顺序分支并列，组合成一个机构系统。个机构系统。 加工孔，如下图。材料：HT20050H6A A2 2A A3 3装拆工件 钻底孔 扩孔 铰孔（工位） （工位） （工位） （工位） 该机床技术成熟，设计任务抽象化、确定工艺原理、确定技术过程就省略了。一、设计要求和主要参数一、设计要求和主要参数1.对主轴箱移动对主轴箱移动A3的要求的要求原始距离原始距离S=65mm快速送进：快速送进：慢进切削：慢进切削

55、： （据材料、工艺等确定该数据）（据材料、工艺等确定该数据） 快速退回：快速退回： 2.对刀具切削运动的要求对刀具切削运动的要求刀具转速：刀具转速：n（刀）（刀）=？r/min(由工艺员定）由工艺员定）刀具移动速度刀具移动速度V（刀）（刀）=3.工件装拆时间工件装拆时间10s（否则装拆来不及）（否则装拆来不及）4.生产率：由生产量和机床数量决定。生产率：由生产量和机床数量决定。理论生产率：理论生产率： 件件/小时小时5.原动机为原动机为Y系列电动机，装在机体之内，执行系列电动机，装在机体之内，执行构件露在外面。构件露在外面。 慢进smmVstmms/10,6,60111smmVstmms/2,

56、30,60222smmVstmms/10,12,120333smmV/2275thG二、功能结构图三、机械运动循环情况1.工作台转一圈（完成一个工件时间）周期2.工作台回转情况静止时间： 用于装拆工件，不转时才能装拆 转动时间：转动速度：ssGsTth487536003600ssttt10362/324sttt122/135min/25. 1/5 . 712/90/905rstnw四工位专用机床运动循环图：四、机构选型与方案评定四、机构选型与方案评定 功能转化图如下：功能转化图如下：形态学矩阵（五个分功能）形态学矩阵（五个分功能）分功能分功能功能载体功能载体12345减速减速A带传动带传动链传

57、动链传动蜗杆传动蜗杆传动齿轮传动齿轮传动摆线针轮摆线针轮减速减速B带传动带传动链传动链传动蜗杆传动蜗杆传动齿轮传动齿轮传动行星齿轮行星齿轮分动分动C齿轮传动齿轮传动连续转动变连续转动变为间歇为间歇转动转动D圆柱凸轮式圆柱凸轮式简谐运动简谐运动机构机构弧面凸轮机弧面凸轮机构构曲柄摇杆曲柄摇杆-棘棘轮机构轮机构不完全齿轮不完全齿轮机构机构槽轮机构槽轮机构连续转动变连续转动变为移动为移动E移动推杆圆移动推杆圆柱凸轮机柱凸轮机构构移动推杆盘移动推杆盘形凸轮机形凸轮机构构摆动推杆、摆动推杆、盘形凸轮盘形凸轮摆动滑块摆动滑块机构机构曲柄滑块机曲柄滑块机构构六杆机构（六杆机构（带滑块）带滑块）总方案个数：总

58、方案个数：5X5x1x5x5=625个个其中一个可行方案为：其中一个可行方案为：A5+B1+C1+D5+E1画机构运动简图：画机构运动简图：A5（摆线针轮传动）（摆线针轮传动）+B1（带传动）（带传动）+C1（齿轮分动）（齿轮分动）+D5（槽轮传动）（槽轮传动）+E1（移动推杆圆柱凸轮）（移动推杆圆柱凸轮）思考题：思考题：4、举例说明在确定机械系统边界时应考虑哪些因素。、举例说明在确定机械系统边界时应考虑哪些因素。系统边界不同对机械系统有什么影响。系统边界不同对机械系统有什么影响。5、举例说明同一技术方案可以找出不同的结构布局。、举例说明同一技术方案可以找出不同的结构布局。各种结构布局的特点是

59、什么。各种结构布局的特点是什么。6、画出四工位专用机床的功能转换图和机构运动简图、画出四工位专用机床的功能转换图和机构运动简图。7、每位同学构思设计、每位同学构思设计一台中、小型机器或机械装置一台中、小型机器或机械装置,要要有新意有新意(创新性创新性),进行方案设计进行方案设计,提出其具有的结构和功提出其具有的结构和功能能.做出黑箱模型做出黑箱模型,确定其工艺原理、技术过程和功能确定其工艺原理、技术过程和功能载体载体,画出结构原理简图画出结构原理简图. 在进行总体设计时，不仅要考虑内部系统，而且要考虑内部系统与外部在进行总体设计时，不仅要考虑内部系统，而且要考虑内部系统与外部系统的联系，使内部

60、系统与外部系统相协调和适应，以求设计得更加完善。系统的联系，使内部系统与外部系统相协调和适应，以求设计得更加完善。第二节第二节 机械系统的总体设计机械系统的总体设计一、总体设计的内容一、总体设计的内容 1总体布置设计；总体布置设计； 2确定主要的总体参数；确定主要的总体参数； 3绘制总体设计图样；绘制总体设计图样； 4编制总体设计报告及技术说明书等文件。编制总体设计报告及技术说明书等文件。 总体设计总体设计是机械系统设计第是机械系统设计第3阶段阶段内部设计阶段的主要部分内部设计阶段的主要部分，是以后是以后进行系统技术设计的依据进行系统技术设计的依据。总体设计对机械的性能、尺寸、外形、质量及生。