机械系统设计

1、系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。构成一个系统必须具备三个条件：系统由两个以上的要素组成；要素之间存在着相互联系、相互作用(mteraction)：系统具有不同于各个组成要素的整体功能系统组成要素 又称元素。是系统的组成部分，又称为子系统。结构 系统各要素相对稳定的相互联系、相互作用的方式。功能 系统整体在内部与外部的联系中表现的作用和能力。边界系统所包含的要素的界限，结构表明须有确定边界。环境存在于系统外与系统发生作用的各种因素的总体。功能表明系统需要与环境发生关系。输入 通过边界进入到系统的事物。输出通过边界进入到环境的事物。系统的6个原理整体性原理(Pri

2、nciple of system mtegiality)系统的整体性的主要表现在于：系统的性质、功能和运动规律只有从整体上才能显示出来。整体与部分相对应，整体是各个部分综合的产物。系统整体不等于部分和，表现出了系统的 非加和性，即要素的相互作用具有非线性。整体性至少有两层含义：要素联系不能分割。要素服从整体功能。结构性原理(Principle of system structure)。系统的结构性是指要素与要素、要素与整体的相互联系、相互作用的特性。结构性又称为系统内部的相关性。结构是系统保持整体性和目的性的内在根据。任何系统都是时空结构系统。结构是功能的基础，功能是结构的表现。结构决定功能，

3、功能又反作用于结构。开放性原理(Prmciple of open piopeilies of system)系统的开放性是指系统与环境发生交换关系的属性。开放性又称为系统外部的相关性，它是由系统内在结构所决定的。输入与输出是表征系统开放性的两个方面。系统需要开放，是由于系统的存在和发展离不开环境。开放性是在与环境的相互作用中实现的。环境选择系统，系统也选择环境。系统世界应该是一个和谐发展的世界。动态性原理(Prmciple of dynamic property of system) o任何具体系统都要经历产生、发展、稳定、老化和衰亡的过程，系统状态是时间的 函数，这就是系统的动态性。运动是系

4、统的存在方式。系统内部各要素的相互作用是系统运动的内因，系统与环 境的相互作用是系统运动的外因。系统具有绝对的动态性，并不否认系统具有相对的稳定性。系统的稳定性是指系统在外界干扰和内部故障的作用下，持续保持结构、功能和性 质的恒定性和有序性。相对稳定性是系统存在和发展的必要条件。动态性对设计工作的启示：要以发展变化的观点来研究问题，把握设计对象的发展趋势和变化规律，在实践中防止退 化，促成进化。由于系统的动态变化，就会出现这样或那样的时机可以利用。因此，要认识时机，抓住时 机。要保持系统的稳定有序状态，必须在动态中平衡系统。在条件具备时，平衡是可以打破的。 打破之后要在新的基础上建立新的动态平

5、衡，以维持新的稳定有序状态。层次性原理(Prmciple of system levels)系统的层次性是指系统的一种垂直结构，即，系统由一定的要素组成，这些要素是 由低一级要素组成的子系统，而系统本身又是高一级系统的组成要素。系统层次性的基本内容有3点：任何系统都具有层次结构。任何系统从简单到复杂的发展过程是分层次的。不同层次的系统之间是相互影响的。高层次系统与低层次系统形成一种纵向联系。在同一层次的各(子)系统之间形成复杂的横向联系。目的性原理(Principle of systempuiposiveness)系统的目的性是指系统以追求有序稳定结构为目的的特性。目的是行为的结果。系统要实现

6、一定的功能是系统自身存在的目的。如果系统不具备有序稳定结构，就不具有保持自身的能力，就会在外力和内力的影 响下分解、崩溃。任何系统都具有内部(结构)和外部(功能)的二重性。系统论第一定律系统的属性种类总是多于组成它的各个事物在孤立状态时的属性种类之和，对于可量 度的某具体属性的值，系统可能起到放大或缩小作用，也可能不发生变化，究竟起何作用取 决于该属性的本质、系统的结构以及系统内协同作用的强弱。系统的第二定律在保证实现环境允许系统达到的功能的前提下，整个系统对空间、时间、物质、能量 和信息的利用率将趋于最高。该定律又称之为五率最高原则。如果一个系统没有使上述五率达到最高，那么这个系统是不稳定的

7、，必然是下列两种 情况之一：系统本身不变化，或变化的速度太慢，五率远未达到条件所许可的程度，这类系统在 与五率更高的系统的竞争中必然趋于毁灭；系统的要素与结构发展变化，不断提高五率，在这个过程中，系统由低级到高级， 由简单到复杂不断完善 注意：第二定律指的系统对空间、时间、物质、能量和信息的利用率达到最高，是这五者的综合 利用率达最高，而不是片面地追求某一个。因此，在设计一个机械系统时，决不可片面追求 某种功能或属性。系统在不同的环境条件下对空间、时间、物质、能量和信息的利用率是不相同的。系统的第三定律不同的系统在某种意义上存在着一定程度的相似性，从一个系统上得出的规律，可以 推广或还原到与之

8、相似的其它系统上去。系统的相关性系统要素与要素之间的关系系统要素与要素之间的是相互作用。恩格斯说：“相互作用是事物的真正的终极原因。”系统通过要素的相互作用，形成了全新的整体效应，有新质产生。作用各方一般没 有明显的对称性，即具有非线性关系。系统要素与整体的关系(1)要素服从整体(2)局部薄弱环节制约全局设计的类型三分法按照人一社会一自然的相互关系，将设计分为三种类型：环境设计Environmental Design产品设计Product Design传达设计Communication Design四分法按照人一机一环境的相互关系分环境设计：对人类生存空间环境的设计。例3-1区域规划，工程，建

9、筑，桥梁，道路,园林等。过程设计：对事物发展过程的计划和安排。例3-2对流程系统的设计。工艺设计，程序设计。产品设计：对由许多元件结合成为整体的技术实体的设计。对结合系统的设计。工业设计：对工业产品的技术设计和艺术设计，艺术设计部分称为工业造型设计，产品商 品化机械系统的组成人机环系统运动系统机械系统边界机器基础(固定式机械)或轨道、道路(移动式机械)动力系统：动力机及其配套装置，动力源一/二次动力机：一/二次能源f机械能。运动系统：1）执行系统：执行机构和执行构件，工作机改变对象的性质、状态、形状或位置，或检测、度量。2）传动系统：1和2的中间装置。传递动力和运动。减速或增速：变速；改变运动

10、规律。传递动力操控系统：使123彼此协调运行。操纵系统：通过人工操作，起动、离合、制动、变速、换向；控制系统：通过控制器自动实现，如伺服机构、微机控制。支承系统：用于安装和支承1234o基础件+支承件=机架辅助系统：润滑、冷却、计数、行走、安全设计对象所具有的共同性质性质1：任何一个设计对象都有确定的技术过程。性质1所确定的技术过程可以分为：主要过程：亦称工作过程，实现主要的转换。辅助过程：为保证主要过程所必需的技术过程。驱动过程：提供所需的能量。控制过程：对工作过程进行必要的操纵和调整。联接过程和支承过程。性质2：任何一个设计对象都具有接受物料、能量与信息，并按照一定的时序转换物料、能 量与

11、信息状态的功能。功能：是某个子系统对其作业对象施加作用，并取得一定效应的能力。效应：是由于该系统对作业对象施加作用，使得作业对象的性质或状态产生转换的结果。在设计中，可将拟定的技木系统分解成功能的分层结构。同一层次的分功能组合起来， 可以满足上一层次功能的要求，最后组成为功能的整体，以满足总功能的设计要求 性质3：任何一个设计对象都是由许多元素（设施、设备、机器、零部件、元器件等）集合而 成的技术系统。结构：是由许多具有不同复合程度的要素组成子系统复合而成。这些要素表现为各种类型 的机体。这些机体可分为：工作机体：执行主要功能和直接的工作作用。辅助机体：提供辅助工作或准备工作的作用。动力机体：

12、供给技术系统中各机体的所需动力。控制机体：处理信息、接受和发出控制信号。连接和支承机体：连接、传输、支承与固定。性质4：任何一个设计对象都是经人规划、设计、加工、建立和使用的人工系统。性质4所确定的人工系统的形成，是设计思维的最终结果。设计思维的原则反映了设计 者在解决新系统的设计构思时所遵循的构思规则。产品的市场生命周期产品的市场生命周期：（又称寿命周期）是指一个产品从进入市场到退出市场的过程。机械系统的设计过程工作步聚工作内容工作成果系统分解将总系统分解成亍系统，画出系统图，以便于分析和设计功能结构概念设计系统分析明确系统目的与要求，进行模型化、优化与评价，确定满志方案原理方案内部原理方案

13、设计或功能原理设计或系统综合功能分解，分功能求解，得到多个系统原理解，选择工作原理， 设计总体方案，对可行的各候选方案进行分析评价，得到满意方 案。进行总体布星设计，必要时进行试验研究（前期试验）原理试验报告 仿直结果设计结构方案设计或初步设计将功能原理方案具体化为机器及零部件的具体结构。质的设计（定性分析构型，各零件形状、数目、位星关系）。若有几种方案时还而要进行评价决策，鼓后选择最佳方案。总体结构草图产品技术设计总体设计进行于系统的技术设计和总体系统的技术设计，计算和确定主要 尺寸，绘制部件装配图和总图，必要时进行试验研究（中期试验）整机结构总图模型试验报告设计结构设计或实 用化结构设计设

14、计琴部件形状，确定零部件数相互空间位暨。选择材料主，确定尺寸，进行各种计算。显的设计（确定计算尺寸，确定材料），按比例绘制结构图。装配图 爱件图 技术文件 （交付制造） 功能广告施工设计进行全部孝件工作图、装配图的设计，完成设计说明书、使用 说明书和各种工艺技术文件。商品化设计适用性变化，标准化、系列化和模块化，艺术造型设计，价值 分析，面向制造、装配和成本的设计，稳健设计，绿色设计， 产品定价。推广文本（交付营销）工作步聚工作内容工作成果鉴定和评审对设计进行全面的技术、经济评价，分析 内部系统对周围环境的作用和影响样机样机试制样机试验，样机试验（后期试验）（原型）样机鉴定 和评审对样机进行全

15、面的鉴定和评审样机改进设计对不能满足系统要求的技术、经济指标进行 分析，根据样机鉴定和评审意见修改设计试验报告试生产对单件生产的产品，经修改、试验、调整 后，投入运行考核，并在运行中不断完善（小批 试制）对大量生产的产品，通过小批试制进一步考 核设计的工艺性，并不断修改和完善设计， 同时进行工艺装备的准备工作商品面市文件归档定型设计客户反馈完善全部工作图、技术文件和工艺文件销售建立销售渠道，提供市场服务，收集和分析 用户意见5.机械系统设计的工作原则需求原则：避免想当然；动态观需求：识别隐需求信息原则：市场、科技、测试、评审、工艺效益原则：技术经济，社会；生命周期费用简化原则：力求简化。简化比

16、复杂更为优越定量原则：参数，评价，尽可能定量时间原则：缩短设计周期：估计未来变化合法原则：法律和法规政策标准化审核原则：须适时而严细地审核每个设计环节第二章概念产品：是产品总体系统特征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现。概念设计：以概念产品为目标的设计。它是由分析用户需求到生成概念产品的过程。设计任务抽象化黑箱法思想。利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输 入和输出的转换关系，确定系统的功能，寻求能够实现该功能所需具备的工作原理, 确定其内部结构。目的。是使设计者不要首先从产品结构着手，而应从系统的功能出发设计产品。它 有利于抓住问题本质、扩大思路、摆脱传统构造的旧

17、框框，获得新的高水平的设计 方案。它是设计任务抽象化的一种方法。设计过程就是逐步打开黑箱的过程。图示为一般的黑箱示意图。方框内部为待设计的技术系统，方框即为系统边界，方框外部 标明系统的输入量和输出量（要求系统实现的转化）、系统与外界环境的相互影响物料M 输入J能量E.信息S功能的概念功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特 性。每个系统都有自己的功能，用户对产品功能的需求是有条件的，即功能的使用地点、环境条件、功能的定量与定性参数、实现功能的具体结构与手段、功能的经济性等r基本功能r必要功能 i功能JI附加功能L非必要功能功能描述/定义设计要求表列出了详尽的要

18、求，设计人员应去掉次要因素，突出最主要的任务。描述系统的总功能：由设计要求表突出最主要的任务，用抽象的概念。功能分解总功能一分功能f分功能 功能元功能分解后容易求解：输入量和输出量关系更为明确，转换所需的物理原理比较单一，结构化后零件数量较少。功能分解的4个要点：通常按照解决问题的因果关系、或手段目的关系来分析分功能。例：平II虎钳，为了“夹紧工件”，须“施加压力”。前者是目的，后者是手段，沿着这个思 路逐步分解。也可按照生产的空间顺序或时间顺序来分析例：汽水瓶灌装自动机的分功能包括：瓶、盖、汽水的贮存与输送、灌装、加盖、封I】、 贴商标、成品输送。功能分解的结果用功能树的形式表达比较简单，易

19、于掌握。功能树的末端是功能元。功能分解不只是问题求解的手段，而且是深刻认识事物的方法。只有在认清产品的分功 能后，才能从根本上改进它。功能结构的三种基本形式串联结构，又称顺序结构，它反映了功能之间的因果关系或时间、空间顺序关系，其基 本形式如图所示，Fl、F2、F3为分功能。并联结构，又称选择结构。几个分功能作为不同的手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能之后，才能继续执行 下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系。环形结构，又称循环结构输出反馈到输入的结构功能结构图画图方法：结合初步的工作原理或简单的构形设想，把分功能按因果关系，时空顺 序关系或逻辑关系组织起来，得出功能结构图。如果需要

20、，可在功能结构图中分别表明物料流、能量流和信号流。例：洗衣机功能结构图洗衣机的功能分解（树状功能图）洗衣机的功能结构图洗衣机的边界功能载体：实现功能的技木实体求解的组合方法检索与选择（1）按从属关系检索与选择按事物的从属关系进行检索与选择，可有效地利用己有知识，高效率地获得解答。（2）按相似关系检索与选择不考虑事物的从属关系，只要发现事物属性有相似关系，就作原型，探求工作原理, 改变条件加以应用。先认为“闪光的都是金子”。后鉴别“闪光的东西不一定都是金子气最后确定可供选 用的几个原型。变异的主要操作方法扩大与缩小：MfkM, M为参数，包括几何要素，k为变 换系数。例：汽车轮胎：小大=标准轮胎

21、。收音机、电子计算机：大一小。微型机械己经问世。口用品向两极发展：落地式音箱，纸片香皂。增加与减少：Min,对某一主体材增加或减去一部分n,被减去的部分不再是系统的组成部分。 例：M+n：磁性保温杯，塑料瓶带挂钩。组合与分解：M土N, M、N为所处理的诸要素。分解后的要素仍然是系统的组成部分。逆反MN-NM。改变要素间的位置、层次等关系。M-,即非M。将某要素改变为相反的要素。置换：MN+Q -MQ+N。系统要素N被要素Q所置换。总体设计的内容系统的原理方案的构思结构方案设计总体布局与环境设计主要参数及技木指标的确定总体方案的评价与决策总体布置的基本要求（1）保证工艺过程的连续和流畅2）降低质

22、心高度、减小偏置（3）保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性4）充分考虑产品系列化和发展（5）结构紧凑，层次分明（6）操作、维修、调整方便（7）外形美观总体布置的一般特点总体布置各子系统的一般顺序：先布置执行系统，再布置动力系统，传动系统，操纵系统支承系统等。总体布置的过程：从粗到细，从简到繁，需要反复多次才能确定。总体主要参数的确定1尺寸参数2,运动参数3.动力参数4.重量参数5.性能参数Z = + l也伊G C 5 8 - 6 0 规定了七个标准公比：1.06. 1.12、1.26. 1.41、1.58. 1.72 和 2 oZ应圆整为整数制定公比，的原则机床主轴转速是由小到大递增的，所以S

23、应大于1，并规定最大相对转速损失率不超过50 %,则相应公比少不应大于2,故IV 02。公比S为2的某次方根，使转速每隔几级就出现一个2 ，这样不仅记忆方便，而旦便 于使用双速或多速电动机，以简化变速机构。公比S为1 0的某次方根，使转速n每隔几级后的转速为前面的1 0倍，而且还可以使转 速整齐好记。结构设计的原则明确对产品设计中所要考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现与分担。功能明确：功能应有确定的结构来分担工作原理明确：使用工况及应力状态明确简单是指在满足总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少等。安全是指机器安全和为了保证安全而采取的技术措施。安全技术可分为：直接安全技术法间

24、接安全技术法提示性安全技术法。结构设计的原理(考一个任务分配原理自补偿/自助原理力传递原理变形协调原理力平衡原理等强度原理稳定性原理第三章按载荷是否随时间变化可以分为静载荷和动载荷一般设备承受的动载荷主要有周期载荷、冲击载荷和随机载荷等几种。按载荷的作用形式，可以分为拉伸载荷、弯曲载荷以及扭转载荷等。载荷的构成1.工作阻力摩擦力自重载荷外部动载荷传动系统的动载荷其它载荷确定载荷通常有三种方法：相似类比法实际测量法计算法工作机械的负载特性指工作机械工运行过程中，其运动参数(位移、速度等)和力能参数(转矩、功率)等的变 化规律恒转矩负载特性恒功率负载特性负载转矩是转速函数的负载特性负载转矩是行程或

25、转角函数的负载特性负载转矩变化无规律的负载特性第四章r执行末端件直接与工作对象接触并完 人成一定工作或在工作对象执行系统S上完成一定动作的零部件.执行机构给执行末端件提供动力和带 动它实现运动，即把传动系 统传递过来的运动的动力进 行必要的交换，以满足末端 执行件的要求。执行系统的功能实现运动或运动规律变换施力分度与转位抓取与夹持搬运与输送检测执行系统的分类按执行系统对运动和动力的要求分：动作型：缝纫机、包糖机、印刷机等。动力型：冲床、推土机、挖掘机、碎石机等。动作动力型：滚齿机、插齿机等。按执行系统中执行机构的相互联系情况分：单一型：搅拌机、碎石机、胶带输送机等。相互独立型：外圆磨床、起重机

26、等。相互联系型：印刷机、包装机、缝纫机、纺织机等。执行系统的设计要求实现预期精度的运动或动作各执行机构间动作要协调配合有足够的强度、刚度结构合理、造型美观、便于制造与安装工作安全可靠，有足够的使用寿命机构的构型组合法变异法执行系统协调设计原则满足各执行机构动作先后的顺序性要求满足各执行机构动作在时间上的同步性要求满足各执行机构在空间布置上的协调性要求满足各执行机构在操作上的协同性要求各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高机械运动循环图用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，

27、以生产工艺的起始点作为运动循环的 起始点，据此确定其它执行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。传动系统的类型第五章按传动比能否变化分1固定传动比传动系统2变速传动系统按动力机驱动执行机构的数目分1独立驱动传动系统2集中驱动传动系统3联合驱动传动系统传动系统的组成1变速装置2起停和换向装置3制动装置4安全保护装置变速装置交换齿轮变速滑移齿轮变速离合器变速机构啮合器变速主轴从计算转速HJ到最高转速之间的全部转速都传递全部功率。因此，使主轴获得上述转 速的传动件的转速也应该传递全部功率。这些转速中的最低转速，就是传动件的计算转速 两个执行件之间的传动链称为内联传动链第六章操纵系统的要求1）

28、操纵轻便省力。2）操纵行程适当3）操纵灵活4）操纵件定位可靠5）操纵灵敏、效率高6）操纵系统的反馈准确迅速7）操纵系统应有可调性8）操纵方便舒适9）操纵安全可靠操纵系统的组成1）操纵件2 ）执行件3）传动件主要设计参数：操纵力、操纵行程、传动比三个范围1 .站立时人肢体的能力范闱和用力范【韦I.坐势操纵的能力范围和用力范围3人的视力范围手操纵件的结构造型（1）设计手柄式操纵件时，要重视柄部的结构形状和尺寸。由于手掌心肌肉最少，为避免 掌心用力过大而产生痉挛，设计的柄部结构应避免手掌与柄部完全贴合。2）为了便于识别和记忆，各操纵件最好采用不同形状的柄部或者不用颜色的按钮。）采用按钮式操纵件时，最好将旋钮的手捏部分设计成一头尖的形状，或做上醒目的标记, 用来指明旋转刻度位置。）采用复合多功能操纵件，可以在操作时手不离开操纵件而完成多种操纵任务，且可节约 操作空间。）键盘式开关在键上可注上文字或图形，便于识别和记忆安全保护（1）自锁机构2）互锁机构第七章支承系统的功用支承机械系统其它各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力。保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。内部空间可存放冷却液、润滑液、液压油的油箱、电动机。支承件的基本要求.足够的静刚度.较好的动态特性良好的热特性小的内应力其