机械系统设计课件

1.1机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用

机械工程科学是研究机械产品的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学，机械工程科学可以按其经历阶段分为机械学和机械制造两大分学科。

1）首先研究的是机械产品的性能

2）从满足产品性能的目的出发进行设计（总体设计和技术设计）

3）利用一定的方法和技术手段制造出该产品

注意：产品制造完成后最终的目的还是要出售，要出售的不是产品的本身，而是产品的性能和服务。

表征产品性能主要参数指标：功能、适应性、可靠性、安全性、使用成本等第一章绪论*机械工程科学的组成及相互关系1）用先进的设计技术设计出“质量很差的产品”；

2）用先进的制造技术生产出“落后的高质量的产品”*机械设计与制造的关系：设计与制造是不可分的统一体。设计是核心，制造是基础。

1）脱离了制造的设计会导致产品质量的低劣。由于制造系统本身的特定条件，对设计过程有极强的约束作用，所以在设计过程中必须考虑到现有制造系统的工艺能力对所设计产品性能的影响。

2）脱离了设计的制造会导致产品性能的落后。如果设计的产品从理论上或原理上存在先天不足，那么加工制造的质量再好，也无法弥补设计上的缺陷。机械设计与制造的关系：制造对设计的约束作用

*

机械学是对机械进行功能综合并定量描述及控制其性能的基础技术科学。

机械学的主要任务：把各种知识、信息注入到设计中，加工成机械制造系统能接受的信息，并加工出合乎设计要求的产品的过程。

机械学的研究对象：

1)

机械工程中图形的表示原理和方法

2)机械运动中的运动和力的变换与传递规律

3)

机械零件与构件中的应力、应变和机械的失效

4)

机械中的摩擦行为

5)

设计过程中的思维活动规律及其设计手段

6)机械系统与人、环境的相互影响等机械学/机械学的主要任务/机械学的研究对象*机械学的研究对象(按学科分类)机械学的研究对象按学科来分：1)

制图学

2)

机构学

3)

机械结构强度学4)

机械振动学

5)

摩擦学

6)

传动机械学7)

设计理论与方法学

8)

机器人机械学9)人-机工程学等分学科。

*人机工程学：研究机械系统与人和周围环境关系的科学。人机工程学的两种设计思想：1）以人为中心；2）以机器为中心

机械学的研究对象——人机工程学注意：两种设计思想均正确，针对不同的矛盾采用不同的设计思想

以机器为中心通常是设计者考虑问题的出发点——如何以最佳的原理及结构实现系统的功能。以人为中心通常是用户或使用者/操作者考虑问题的出发点——如何以最舒适、最人性化的方式使用机器。要求设计者和用户沟通，以便实现最佳的产品性能和操作性能*机械学包含的分学科*

机械制造科学：研究机械制造系统、机械制造过程手段的科学。包括：硬件（设备）、软件（工艺方法）机械制造科学的基本概念机械制造学包括热加工和冷加工。*热加工：研究如何将材料加工成产品，如何保证、评估、提高这些产品安全可靠度和寿命的技术科学。主要内容：

1)

研究如何将材料加工成为一定形状及尺寸的机器部件

2)

研究在加工过程中保证或改进材料的内部组织、化学成分和加工性能

3)

研究发展机器部件所需的本体材料或其表面层

4)

研究机器部件的疲劳、蠕变、断裂韧性、应力腐蚀、寿命等使用性能问题

5)

研究加工工艺、加工装备机器自动流水线机械热加工学按方法可分为：铸造、锻造、焊接、金属热处理、无损探测、表面工程等分学科。机械制造学的基本概念——热加工*冷加工：研究各种机械制造过程和方法的技术科学。冷加工主要研究内容有：

1)

机械加工和装配工艺过程的生产装备及其自动化、集成化与智能化

2)

机械加工和装配工艺的过程和方法

3)机械制造（冷加工）的基础理论。机械制造学的基本概念——冷加工*机械（无严格的定论）：须由两个以上的零、部件组成；这些零、部件中的运动部件，应按设计要求作确定的运动；把外来的能源变为有用的机械功。机械产品随处可见。系统：指具有特定功能的、相互间有一定联系的许多要素构成的整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体。机械系统：由若干个零、部件及装置组成的一个特定系统，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统。系统的特性：

1)目的性；2)相关性与整体性；3)环境的适应性。二机械、机械系统、系统的基本概念和特点*

目的性：完成特定的功能是系统存在的目的。

系统特性

相关性与整体性：系统是由两个或两个以上要素构成的，而每个要素之间都是有机地并以特定的关系联系在一起的，即相关性。这样，当每个要素自身发生变化时，就会影响到与此要素相关的其它要素，同时各要素间的相互作用相互影响也会对系统产生影响。

环境适应性：任何一个系统都存在于一定的环境中，当环境变化时，就会对系统产生影响，严重时会使系统的功能发生变化，甚至丧失功能。由于外部环境总是不断变化着，而系统本身大多数情况下也总处于动态的工作过程中，因此，为了使系统运行良好，并完成特定功能，必须使系统对外部环境的各种变化和干扰有良好的适应性。*

机械系统主要由动力系统、执行系统、传动系统、操作和控制系统、支承系统及润滑-冷却及密封系统等子系统组成。三、机械系统的组成

*1）任何系统都离不开机械系统2）机械系统是任何设备的基础，机械系统的技术指标直接影响设备的性能。四、机械系统的地位与作用*汽车中的机械系统四、机械系统的地位与作用（举例）*机器人中的机械系统

机器人设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。

下面以工业机器人为例，介绍机器人的一般组成、各部分作用以及机械手的一般结构。四、机械系统的地位与作用（机器人）*18世纪瑞士的写字偶人哈工大爬壁机器人爬缆索机器人仿人机器人北航仿生鱼管道机器人*

排雷机器人“索杰纳”火星车引导机器人

工业机器人*1）机器人的基本组成及各部分功能驱动系统：机器人各个关节即每个运动自由度的动力装置机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成．

感受系统：它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息

机器人—环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统．人—机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能．四、机械系统的地位与作用*四、机械系统的地位与作用（举例：机器人）机器人中的机械系统*2）机械手的结构

手臂型机器人通常称为机械手或机器人手臂。同样具有机械系统的特征和要素。图2.3机械手的概念图四、机械系统的地位与作用（机器人）*常用机械手手臂机构图2-4油缸和齿轮齿条手臂机构图2-5气缸和齿轮齿条增倍手臂机构（手臂回转运动）

（手臂伸缩运动——增倍）四、机械系统的地位与作用（机器人）*常用机械手手爪机构图2.6回转型手爪机构图2-7平移型手爪机构四、机械系统的地位与作用（机器人）*四、机械系统的地位与作用（转台）转台分为两大类：测试转台、仿真转台用途：

1）测试转台用于加速度计、陀螺仪等的标定；

2）仿真用转台用于航天器动态跟踪精度和性能仿真测试

转台中的机械系统主要包括：

1）驱动电机（动力原件，一般用交流无刷力矩电机）；

2）精密机械轴系（高精度轴承）；

3）测角系统；

4）安全保护系统；

5）底座（支承系统）；

6）框架/负载安装界面（执行系统）；

7）润滑及密封装置。*功能：标定加速度计；原理：加速度计标定原理分两种情况

1）小于等于1g；2）大于1g；机械系统结构：

1）转台主轴轴系采用密珠支撑，以提高支承刚度和运动精度

2）分度转台的定位精度主要有一对端齿盘保证

3）精密测角系统

4）操纵系统

5）执行系统（负载安装盘）1）位置精度1〃2）位置重复性<0.5〃1加速度计、陀螺仪测试用角位置转台*2单轴位置速率转台

*3三轴伺服转台

*典型三轴转台机械系统结构图*典型三轴转台照片——速率模式*机电一体化系统有五大要素组成

1）动力；2）机构；3）执行器；4）计算机；5）传感器现代机械系统：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相联系的系统。现代机械系统的概念机电一体化产品的组成要素*本次课小结机械工程学科及分类机械设计与制造的关系机械、系统和机械系统机器人系统、转台系统*1.2机械系统设计的任务、基本原则及要求一、机械系统设计的任务及设计类型任务是开发新的产品和改造老产品，最终目的是为市场提供优质高效、物美价廉的机械产品，以取得较好的经济效益。机械系统设计的特点：

(1)多解性一个设计方案不可能同时满足所有用户的要求；能满足同一用户需求的设计方案一般来说也不止一个；设计的多解性为同类功能的产品适应不同要求提供了可能。

(2)创新性善于把新的科技成果进行科学而巧妙的构思应用到产品中去

(3)系统性（系统工程，需要考虑的因素很多）*机械系统设计的特点系统性的含义及要考虑的因素：

1）用户对产品技术性、经济性的要求；

2）必须考虑与产品加工和制造、产品运输、产品维修/维护/保养的约束条件；

3）解决技术可行和产品可靠性的问题；（技术成熟程度、可靠性高低，风险大小）

4）需要解决的关键技术及须采取的措施

5）考虑机械产品本身的系统性（有竞争力的机械产品是用系统工程的方法对合格的零部件进行科学组合、合理匹配的结果）

6）面对市场和考虑企业自身发展；*机械系统设计的分类大致可以分为三类：

1)完全创新设计

2)适应性设计（适应新要求）（继承设计）

3)变异性设计（适应某方面有所变更的要求）（变型设计）

一、机械系统设计的任务及设计类型完全创新设计：所设计的产品是过去从没有过的全新产品。此类设计的特点是只知道新产品的功用，但对确保实现该功能应采用的工作原理及结构等问题完全未知，没有任何参考资料。

完全创新设计的特点：

产品的主功能、主功能的工作原理、主功能载体的结构，这三者中至少有一项是首创的*二、机械系统设计的基本原则及要求

做好机械系统设计的重要性产品获得所需要经历的两个阶段：设计阶段、制造阶段。

1）由于设计和制造的相互影响和密不可分性，在设计阶段要充分考虑到制造的影响；（连接设计与制造的是工艺）

2）在设计阶段避免犯颠覆性或原理性的错误

3）制造缺陷影响产品质量、而设计缺陷则影响产品的性能*

一般设计原则主要包括满足：

(1)需求原则；（一切设计都是以满足客观需求为出发点）

(2)信息原则；（在设计前作调查研究，广泛收集资料和必要信息，不能闭门造车。要记住市场的敏感性，可能已经有了想要的产品，不做市场调查和信息收集往往会导致你作无用功）

(3)系统原则；（从系统的观点出发，抓住主要矛盾，忽略或降低次要矛盾对系统性能的影响进行设计）

(4)优化、效益原则；（优化的目的是提高效益；优化的内容包括原理、设计参数、总体方案、成本、价值、效率优化等）

二、机械系统设计的基本原则及要求*设计要求的重要性设计要求：既是设计、制造、试验、鉴定、验收的依据，同时又是用户衡量的尺度。所以，在设计前，必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。

要求我们在设计前必须对所进行的设计要求有一个清晰明确的认识必要时要与用户进行沟通，详细了解用户对产品的性能、产品的使用环境、维护/保养条件、产品的安装位置等二、机械系统设计的基本原则及要求*

设计要求主要包括：

(1)功能要求

(2)适应性要求、(3)可靠性要求、

(4)生产能力要求

(5)使用经济性要求(6)成本要求等。功能要求:

1）用户购买的是产品的功能（说明功能的重要性）。

2）功能与技术、经济性密切相关

3）功能减少可能会丧失市场，要在满足基本功能的情况下，科学的对功能进行取舍适应性要求：

1）适应性要求指当工作状态发生变化时产品的适应程度；

2）适应性的提高将会给产品的设计、制造、维护等方面带来很大困难，甚至达不到。二、机械系统设计的基本原则及要求*可靠性要求:

1）可靠性要求指系统、产品、零件在规定的使用条件下，在预期的使用时间内完成规定功能的概率。

设计要求主要包括：

(1)功能要求

(2)适应性要求、(3)可靠性要求、

(4)生产能力要求

(5)使用经济性要求(6)成本要求等。生产能力要求:

1）生产能力要求指单位时间内所能完成工作量的多少，是一项重要的技术指标。

2）提高生产力可能会带来负面问题，只有负面问题得到妥善解决后去提高生产能力才有意义二、机械系统设计的基本原则及要求*

设计要求主要包括：

(1)功能要求

(2)适应性要求、(3)可靠性要求、

(4)生产能力要求

(5)使用经济性要求(6)成本要求等。使用经济性要求:

1）使用经济性指单位时间内生产的价值与同时间内使用费用的差值，使用经济性越高越好；

2）使用费用主要包括：原材料、辅料消耗、能源消耗、保养维修、折旧、工具耗损、操作人员的工资等。（买车时最有体会了）成本要求:

1）成本高低直接影响竞争力；

2）在机械产品中，要注意材料费用，主要是材料品质、利用率、废品率。二、机械系统设计的基本原则及要求*

从图1.11可以看出机械产品的成本组成，它主要由材料费、工资以及附加费三部分组成。介绍机械产品成本组成的目的是学会如何从设计的角度来降低产品的成本。

机械产品成本组成中与设计有关的因素1）材料的数量、质量；2）工序的数量、工序时间、工人技术级别；

3）设计的简化；4）安全系数（举例，吊车）；5）零件结构；6）制造方法；7）设计精度机械产品成本的主要组成*图1-12表示了产品生产过程和寿命阶段的大致流程。三、产品设计、产生过程*

在产品设计、生产流程图中属于设计过程的主要有产品策划阶段和产品设计阶段。产品生产属于制造过程。三、产品设计、生产过程产品策划阶段的任务：

1）了解市场需求；

市场需求分析：对产品功能和用户群体等的定位及市场前景分析

2）何时、为那种市场开发、创造和销售那种产品；

3）详细介绍产品的开发目的、性能和其他必要数据。

总之，产品策划阶段是为了给某一用户或某一类用户而开发的产品制定详细的任务书，在整个设计过程中起着指导性的作用。*市场需求分析和产品策划的主要内容：三、产品设计、生产过程2）有关产品的国内外水平和发展趋势（*）

3）预期达到的目标

(设计水平、技术特点、经济和社会效益等)

4）提出设计和制造方面所需解决的关键问题（*）5）现场条件下开发产品的可能性及准备采取的措施（*）6）预算投资费用及项目的进度和期限（*）容易被设计者特别是经验不足的设计者忽略的问题1）产品开发的必要性和市场需求预测*

设计阶段又分为功能原理方案设计阶段、结构总体设计阶段和技术设计阶段。（各阶段任务）

功能原理方案设计阶段的任务：在功能分析的基础上，通过创新思维、优化筛选、方案综合及评价决策，最后得到一个较理想的功能原理方案。

结构总体设计阶段的任务：把功能原理方案具体化,在此阶段主要完成产品的总体布置图、尺寸参数、运动参数、动力参数的确定以及所需的各种装配图。

技术设计阶段的任务：根据总装配图绘制零件图，编制技术文件（如设计说明书，各种工艺文件、标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等）。另外除了教材中列出的工作以外，还应有编制产品的测试方法、使用说明书、维护手册等

功能原理方案设计阶段的重要性：功能原理方案的好坏将决定产品的性能、成本、水平及竞争力，是设计阶段的关键。三、产品设计、生产过程*功能原理方案设计和结构总体设计的重要性举例：举例：投标一般投标时所提供的标书技术文档包含两部分内容，一是技术文档，另外一部分是商业文档。技术文档详细给出了应标的详细技术方案，主要是功能原理方案和结构总体方案。各投标方在技术上PK的是功能原理方案和结构总体方案。评标委员会根据你的功能原理方案、报价、技术成熟程度、可靠性等打分，最后确定中标单位。三、产品设计、生产过程*三、产品设计、生产过程——补充内容

商品化设计：其任务是保证产品不仅在技术上可行，而且在市场竞争中也能取得成功。商品化设计的核心是功能原理的新颖性，基础是产品技术性能的先进性，包装是市场要求的适应性。需对设计策赂、销售策略和经营策略进行全面考虑。商品化设计阶段的工作重点是：

1）实现性能的实用性变化，包括适应不同使用条件、开发新的用途、增添附加性能等；

2）零部件标准化、性能尺寸规格系列化、非标准零部件通用化和零件结构模块化等；

3）产品的工业艺术造型设计；

4）产品的价值分析等。*三、产品设计、生产过程——补充内容产品的商品化设计举例-叉车*1.3机械系统设计方法一、机械系统的设计方法

1）传统设计方法2）现代设计方法传统设计方法：经验设计方法、半经验半理论的设计方法经验设计方法：

设计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计。经验设计方法特点：

1）用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求

2）结构的安全系数较大，经济性差

3）只是依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。

4）产品研制周期长，产品的质量低、成本高。*一、机械系统的设计方法

传统设计方法——半经验半理论的设计方法半经验半理论设计方法：

1）加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究

2）为设计提供了大量的信息，如设计数据、图表图册等；

3）加强了关键零部件的试验研究，使整机试验趋于完善，大大提高了设计速度和成功率；

4）加强了零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。

半经验设计方法与经验设计方法相比，大大减少了设计的盲目性，有效地缩短了设计周期．提高了机械产品的质量和寿命．降低了成本。1.3机械系统设计方法*

传统设计方法因其简易方便至今仍被广泛应用，但其不足之处主要表现在：

①在设计理论上，主要集中在揭示设计对象的内在机理，而未将“设计”本身作为一门学科进行研究，对设计对象内在机理的分析也仅局限于采用简化模型；

②在设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、技术与经济、技术与美学、设计与销售等关系辩证地统一起来，融会贯通于设计之中，因而设计方法上有很大的局限性；

③在设计本质上，未能将创造性设计提高到应有高度来认识和研究，使具体设计缺乏创造性的思维方法。1.3机械系统设计方法*1机械系统的现代设计方法现代设计方法现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的简称。是科学方法论在设计中的应用。这些方法可以应用到各行各业，应用到机械设计中，则称为机械系统的现代设计方法。1.3机械系统设计方法*现代设计方法的内容主要包括：信息论方法—如信息分析法、技术预测法，是现代设计方法的前提系统论方法—如系统设计法、人——机工程等控制论方法—如动态分析设计法优化论方法—优化设计法是现代设计的目标对应论方法—如相似设计法智能论方法—如CAD、CAM等，是核心寿命论方法—如可靠性设计和价值工程等离散论方法—如有限元和边界分析设计法模糊论方法—如模糊设计法突变论方法—如创造性设计等，是现代设计法的基础艺术论方法—如艺术造型设计*1设计方法学11模块化设计2优化设计12热稳定性设计3可靠性设计13精度设计4工业艺术造型设计14相似设计5有限元法15设计专家系统6动态设计16并行设计7计算机辅助设计17绿色设计8疲劳强度设计18虚拟设计9损伤容限设计19智能工程10摩擦学设计20反求工程现代设计方法*2现代设计方法与传统设计方法的比较现代设计方法特点：动态的、科学的、计算机化的方法。将那些在科学领域内得到的所有科学方法论应用到工程设计中。主动的设计产品的参数。缩短产品的设计周期。提高产品的质量并降低其成本。*2现代设计方法与传统设计方法的比较现代设计方法与传统设计方法的不同之处主要表现在以下几方面：(1)设计性质(传统设计偏重于设计技术；现代设计面向功能目标)(2)设计思维(传统设计朝向结构方案的“收敛性思维”；现代设计面向产品总功能的“发散性思维”)(3)设计方法(传统设计采用少数的验证分析以满足限定的约束条件；现代设计是用多元性方法直接综合使其在各种情况下实现方案与全域优化目标)(4)设计手段(传统设计是用计算器、图板、手册的个体手工作业；现代设计充分利用计算机、自动绘图和数据库管理，集团分工协作)*现代设计方法与传统设计方法的不同之处主要表现在以下几方面：(5)设计对象(传统设计局限在零件和结构上；现代设计则注重机械系统的全局构成，包括造型艺术)(6)设计工况(传统设计避开复杂问题，只按确定工况与静态考虑；现代设计则研究动态的随机工况、模糊性与其它一系列问题)(7)设计评价(传统设计采用单项与手册标准为准则（如强度、成本等）；现代设计方法则用科学的模糊综合评价)2现代设计方法与传统设计方法的比较**为什么采用可靠性设计

可靠性：产品(或系统)在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性的基本概念*可靠性定义主要包括了以下五个基本要素：(2)规定的条件常指使用条件、环境条件、操作条件和维护条件等，这些条件对可靠性会有直接影响。

(3)规定的时间一般是指对象的工作期限,该期限可以用时间、次数或距离等表示。

(4)规定的功能每一对象都有其所要求的功能，功能常用各项规定的指标来表示。产品丧失功能的状态称为发生故障或失效。(5)能力完成规定功能的能力不仅有定性的含义而且有定量的指标，描述这种能力一般都要采用概率和数理统计的方法。(1)评价可靠性的对象对机械产品而言可以是一个零件、一个部件，也可以是一台机械设备或是多个机械设备组成的系统。可靠性的基本概念*

可靠性设计—应用可靠性理论和设计参数的统计数据，对零件、部件、设备或系统等在保证达到给定的可靠度的条件下，进行设计的一种方法。重要内容之一是可靠性预测，其次是可靠性分配。可靠性预测是一种预报方法，即从所得到的失效数据预报一个零、部件或系统实际可能达到的可靠度，预报这些零、部件或系统在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠性分配通过串联或并联的方法来保证系统的可靠度指标，对于关键零、部件应进行冗余设计，使可靠性指标得到保证。*可靠性设计的步骤确定系统的可靠度指标。按需要、技术水平、研制时间、成本等。从可靠性的角度进行失效分析、影响分析、可靠度预测，估算。进行必要的试验。进行可靠度分配，赋予各部分直到基本单元的合理的可靠度指标。进行零件的可靠性设计计算。

有限元法目前在机械系统设计中是一种非常重要的分析、计算方法，借助有限元分析软件，可以替代传统的根据理论力学、材料力学的基本公式计算结构件的静态变形、位移、应力、应变，动态模态分析，以及其它如流体力学分析、热分析、磁场分析等等。有限元法：是将弹性连续体简化为有限个单元组成的离散化模型，对离散化模型求出数值解，是在力学模型上进行近似计算，有限元法已经是一种广泛应用且行之有效的数值近似解法。现代设计理论与方法—有限元法的基本概念*有限元法在转台设计中的应用*

为了给大家建立有限元分析的基本概念,首先看一个静态分析的例子。分析零件的静态变形。首先看传统方法，也就是利用材料力学的有关知识进行计算。有限元法应用举例*v——最大挠度P——集中力载荷E——弹性模量I——惯性矩这时出现了一个问题：I值如何确定？I值如何确定是一个与截面形状有关的量。对于规则的截面形状，可以查表得到；对于不规则的截面形状如何处理呢？传统方法计算弯曲变形*存在问题：1）台面截面不规则，属于变截面；2）不受集中力，而是在一定面积区域受力有限元分析举例*平面图三维实体图有限元分析软件单元类型确定/材料特性定义/单元划分施加载荷/约束条件选择分析类型(静态分析/模态分析)结果输出二维平面图有限元法进行静态/模态分析的一般步骤*1机械工程科学研究的内容包括几大分学科?

各分学科之间的相互关系又怎样?2什么是系统?系统有何特性?什么是机械系统?机械系统由几大部分组成?

机械系统在产品中的地位与作用?4在设计机械系统时，为什么特别强调和重视从系统的观点出发?5机械产品设计有几种类型?6简述产品产生过程及设计的一般过程。7什么是机械系统的现代设计方法?此方法与传统设计阶段的设计方法有何联系与区别?习题与思考*机械系统设计第二章机械系统总体设计本章学习重点功能原理设计的方法：黑箱法

(功能结构、功能分解、功能元)结构总体设计的任务、原则、步骤、基本原理*

任何一种产品的开发，都面临着市场竞争的考验，要提高产品的竞争力，必须在产品的以下几方面下功夫：

1）设计

2）制造

3）销售

4）售后服务

5）改进设计

其中设计是一个最基本的环节，产品的质量、性能、成本等主要是在设计阶段决定的。第二章机械系统总体设计引言*产品产生过程第二章机械系统总体设计产品设计阶段对产品的质量、性能、成本等起决定性作用*机械系统总体设计的重要性：

机械系统总体设计是产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和外观造型均具有决定性意义。

机械系统总体设计的结果：形成技术设计阶段的指导性文件。主要指原理图和装配图。第二章机械系统总体设计*什么是功能原理设计？第二章机械系统总体设计

功能原理设计机械系统设计的最初环节针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思功能原理设计对产品的成败起着决定性的作用蒸汽机（工业革命）内燃机

为了不使我们的产品输在起跑线上，所以要做好功能原理设计“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”

*第二章机械系统总体设计评价功能原理设计好坏的标准构思的创新性市场的竞争潜力对于设计者而言，要想具有创造力离不开以下几点：（创造力的五要素）

知识、经验、才能、心理素质、机遇知识和实践经验的积累是一个重要因素，设计者要进行创新构思，就要具有很广的知识面和坚实的知识基础。*

创新设计方法是工程设计方法的重要组成部分，应该贯穿于工程技术设计的全部过程中，也是提高产品设计水平，增强产品竞争能力的根本措施和有力手段。特别是在产品的功能原理方案设计阶段，运用创新设计方法尤其重要，可获得更多的原理方案，最终可能产生更多、更好的新产品。第二章机械系统总体设计几种简单的创新技法智力激励法(集思广益法)提问追溯法联想类推法系统搜索法组合创新法*创新设计方法的应用（补充内容）

(2)集智会法个人虽具有独创性，但毕竞要受到知识和经验的局限，因此有一种集数人(5—6个)一起的集智会法。这种方法可集中许多人的创造力，起到多人相互启发的作用。如为了避免各人之间可能出现的相互妨碍和产生无形压力，更便于每个人充分发表意见，也可采用书面集智的形式，如“专家预测法”等。1．智力激励法(集思广益法)-2种

(1)智暴法指抓住瞬时的灵敏意识流而得到一些新想法时的一种方法。甚至有些想法近乎胡思乱想，五花八门，不着边际，但它们都具有打破常规、突破“框框”的独创性特点。设计人员只要抓住这瞬时的“灵感”和“顿悟”等一闪念，就有可能得出解决问题的启示。*

2．提问追溯法（4种）该法是通过对问题进行分析，加以推理来扩展思路，或把复杂问题进行分解，找出各种影响因素，再进行分析推理从中寻求问题解答的一种创新技法。它在思维方面具有逻辑推理的特点。主要包括以下几种方法。创新设计方法的应用（补充内容）(1)提问法如美国麻省理工学院(MIT)的提问法,

它是在设计过程中提出如下问题要求回答：①增加功能—能在原有基础上增加新功能吗?②提高性能—在耐用、可靠、维修等方面能否改善?③降低成本—能用减少零件、更换材料、改变工艺等方法降低

成本吗?④增加销售—对商品特点、产品设计、包装等是否作了研究?*创新设计方法的应用（补充内容）(2)反向探求法对现有的问题解决的方案系统地加以否定或寻求其他甚至相反的意见,找出新的解法或启发新的想法。可分为“逆向”和“转向”两类方法。例如，机械加工时由工件不动发展到工件转动，属于“逆向”的做法。(3)缺点列举法针对某一设计方案，列出其所有缺点和不足，

研究改进方法以探求新方案。(4)向前推演法从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索，寻

找新的想法。例如，联接两个轴的离合器，其联接方式可以是牙嵌式的、齿形式的、摩擦锥式的、单片或多片摩擦片式、超越离合器式和电磁离合器式等。又如对摩擦式的联接，其压力产生又可以是机械式的、液压式的和电动式的等。*创新设计方法的应用（补充内容）3．联想类推法该法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法来解决问题。主要有以下几种方法(1)相似联想法通过相似联想进行推理，寻找创造性解法。(2)抽象类比法用抽象反映问题实际的类比方法来扩大思路寻求新解法。例如，要发明一种开罐头的新方法，可先抽象出开的概念，列出现有的各种“开”的方法，如打开、撕开、拧开、拉开等。然后从中寻找对开耀头有启示的新方法来。(3)仿生法通过对生物的某些特性进行分析和类比，启发出新的想法和创造性方案的一种方法。它是现代发展新技术的重要途径之一。例如，飞机构件中的蜂窝结构就是仿生法在技术设计中的应用实例。*创新设计方法的应用（补充内容）仿生机器鱼*4．系统搜索法（2种）对于技术系统，可以根据其组成或影响性能的全部参数，系统地依次分析搜索，以探求更多的解决问题途径。这种方法称为系统搜索法。

如果产品是功能和动作都要求复杂的机械系统，还有两种具体指导设计人员进行创新设计的方法。(1)机构系统搜寻法针对设计要求，首先系统地找出各种可能的机构，然后进行评价择优。（并联机构）(2)逻辑积木法

将机械系统的输出要求分解成基本功能，然后根据整个设计综合的约束条件认真构思简单的组件(零件、机构、部件、分系统等)。再将这些组件(即积木)按一定的相互关系，用最简单的形式将输入与输出连接起来。创新设计方法的应用（补充内容）*5．组合创新法（2种）利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新的方案。应该认识到合理的组合也是一种创造。(1)组合法是把现有的技术或产品通过功能、原理、机构等组合变化，形成新的技术思想和新的产品。组合的类型包括功能组合、系统组合等。例如，把刀、剪、挫、锥等功能集中起来的“万用旅行刀”等就是组合法的产品。（瑞士军刀）(2)综摄法是通过已知的东西作媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新的产品的一种创新技法。它具有综合摄取的组合特点。例如日本南极探险队在输油管不够的情况下，因地制宜，用铁管做模子，包上绷带，再层层淋上水使之结成一定厚度的冰，做成冰管子，用作输油管的代用品，这就是综摄法的应用实例。创新设计方法的应用（补充内容）*2.1机械系统的功能原理设计2.1.1功能的定义及其分类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。“功能”是产品的核心和本质“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。*设计者如何看待产品的功能呢？或者说在设计中关于功能应该考虑哪些因素呢？2.1.1功能的定义及其分类顾客对功能的需求是有条件的，设计者也必须考虑如下问题：

1）功能使用的地点及环境条件；

2）功能的定性与定量参数；

3）功能实现的具体结构与手段；

4）功能使用的经济性*适合环境：温度：20±2℃；湿度：55％-65％功能的定性与定量参数：测量行程（X／Y／Z）500×600×400（mm）

机台尺寸（长／宽／高）1600×1200×2500（mm）

机台承重：500kg最大允许误差：长度测量最大允许误差MPEE＝（2.8＋L／200）um功能的实现的具体结构与手段精密花岗岩平台、气浮导轨，保障机构稳定气源压力：0.4MPa～0.6MPa

空气流量：90L／min（0.4MPa）移动位移测量元件：英国RENISHAW品牌，分辨率0.001mm*2.1.1功能的定义及其分类概念辨析

1)功能2)功用3)用途4)性能5)能力*2.1.1功能的定义及其分类功能的分类在设计中对系统各种功能的对待与处理方法：2）附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；3）非必要功能可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。4）由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。1）基本功能必须保证，且在设计中不能改变；*2.1.1功能的定义及其分类2.1.2功能原理设计及其特点【例2.1】设计行走机器人

2.1机械系统的功能原理设计

“功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。基本功能——行走注意：不要先入为主，抓住一种方案不放手！这样很有可能使你丧失以最佳方式实现产品功能的机会！*轮式足式（双足、四足、六足、八足）履带式蠕动式混合式（轮-足）方式*2.1.2功能原理设计及其特点勇气号机遇号*2.1.2功能原理设计及其特点如何从众多可实现方案中选择满足特定要求的原理方案？

分析各种行走原理的特点（优点和缺点），并与具体的要求作比较，从中选出最佳原理方案。与具体要求比较还要考虑创新性和市场潜力*2.1.2功能原理设计及其特点【例2.2】设计草地剪草机对杂草进行剪修通常的办法有：拉断——可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断草。（剪断是较合理的方案，目前很多剪草机都采用这种方式）功能原理设计就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。*2.1.2功能原理设计及其特点剪草机功能原理设计*2.1.2功能原理设计及其特点1）垂直引上法（传统方法），此法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。

2）浮法制造平面玻璃的新工艺，让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。用此方法生产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。

玻璃制作的功能原理设计

*2.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的任务

针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理。功能原理设计的主要工作内容是：

构思能实现功能目标的新的解法原理。*2.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计思维的特点：发散性和收敛性

收敛性：不管所做的功能原理方案有多少种、采用何种方法，评价功能原理方案是否优秀、合理的条件是技术经济指标。也就是说，最终所选择的功能原理方案收敛于技术经济指标。（技术上可行、经济上效益高）

发散性：功能原理设计工作的重点应放在尽可能多地提出创新构思上，从而使思维尽量“发散”，以力求提出较多的解法供比较和优选。此时，对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，故只需用简图或示意图的形式来表达所构思的内容。*2.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的特点：②功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺……，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思。③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。

所以，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作用，设计人员必须给予高度重视。①功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。*2.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题

1）某些情况下设计任务不明确

设计者必须亲自通过调查、分析，确定合理明确的功能目标。当功能目标明确之后，就可以寻找一些类似的技术作参考，这样可以使设计者在原有技术的基础上，提出更新，更巧妙的构思，同时，设计者还应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的错觉。*2.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题

1）某些情况下设计任务不明确

2）一个好的原理构思并不一定能成为产品

一个好的原理构思并不一定能成为产品，其部分原因就是因为其结构，材料和工艺（加工、装配、检测）问题无法得到合理的解决。

这充分说明创新构思时一定要粗略考虑一些主要的结构工艺问题的重要性。*2.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题

1）某些情况下设计任务不明确

2）一个好的原理构思并不一定能成为产品

3）功能原理方案的模型验证，验证原理方案的可行性，对不完善的构思进行修改、完善、提高。

对功能原理构思完毕后，就要进行原理性试验，以验证功能原理是否能完成预定的目标。功能原理试验装置的结构和材料并不要求完全真实，以不影响功能原理的可靠性为原则。最后，必须要对实验的结果进行评价和对比，根据技术和经济两方面的对比结果选出一种最优的功能原理，进行下一步的实用化设计。*2.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的要求(3项)：2）按照机械系统设计的基本原则、设计要求以及系统功能进行

比较，以便从中选出一个较理想的。基本原则：1)需求原则;2）信息原则；3)系统原则；4)优化、效益原则；设计要求:1)功能要求；2)适应性要求；3)可靠性要求；4)生产能力要求；

5)使用经济性要求；6)成本要求等

3）一个好的功能原理设计应既有创新构思，又能满足用户的需

求，同时兼顾经济效益。1）应设计出几种不同的功能原理方案；*2.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的步骤功能原理方案设计步骤（科学合理的步骤）

*2.1.2功能原理设计及其特点

一般设计过程：一般设计过程的缺点：

1）带有很大的盲目性

2）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力*2.1.2功能原理设计及其特点2.1机械系统的功能原理设计2.1.3功能原理设计的设计方法——黑箱法

“黑箱法”设计特点：

1）暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能

2）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。

3）通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。从满足系统功能的角度看黑箱法*2.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法自行车的黑箱

车床黑箱图（对外界的影响）（来自外界的影响）*黑箱法示意图

如果把具体设计对象抽象化，统称为待设计系统，则有下图形式——黑箱法

物料流：材料/毛坯/半成品/成品/液体/气体等能量流：电能/光能/机械能/热能/核能等信号流：数据/测量值/控制信号/波形等*2.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法称为黑箱法的原因对于待设计的系统(产品)来说，在求解之前，犹如一个看不见其内部结构的“黑箱”。这种“黑箱”只是用来描述系统的“功能目标”，至于“黑箱”的内部结构却是未知的，是需要设计人员去进一步构思和设计的*2.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法黑箱法的特点:

2）摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。3）通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”——“灰箱”——“白箱”，直至方案拟定。1）“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法；*2.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法2.1机械系统的功能原理设计2.1.4功能元、功能结构研究功能元、功能结构的意义

“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标。只是揭示了物料、信息、能量流由输入到输出的转换，而对于如何实现转换则未给出明确的方法，必须在“黑箱法”的基础上进行功能分解，这就用到了功能元和功能结构的概念。自行车功能原理系统图*2.1.4功能元、功能结构

功能分解由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止（功能元）。功能分解的目的是把复杂的问题简单化。

*

机械设计中常用的基本功能元有三类：

1）物理功能元；2）数学功能元；3）逻辑功能元

物理功能元：反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作，常用的有五个。

数学功能元：主要用于机械系统中有一些与数学的加、减、乘、除等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式计算机等，它反映数学的基本动作。

逻辑功能元：主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有“与”、“或”、“非”元。

功能元：功能分解到最低层次，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。*2.1.4功能元、功能结构表2.1常用的物理功能元*2.1.4功能元、功能结构数学功能元*2.1.4功能元、功能结构2.功能结构功能的分解和组合关系称为功能结构。将总功能分解成分功能（功能单位），同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。图2.7功能结构示意图*2.1.4功能元、功能结构2.功能结构——基本类型

串联串并联循环*2.1.4功能元、功能结构2.功能结构——建立功能结构的一般原则

1）功能结构图可从“黑箱”或设计要求明细表出发来建立。2）先主后次，逐渐完善。首先考虑主要功能和主要流，初步建立功能结构图；再解决辅助功能和次要流，逐渐完善系统的功能结构。4）功能结构不是只有一种形式。5）总功能需要分解到什么程度主要取决于在哪个层次上能找到相应的技术效应和结构来实现其功能要求*2.1.4功能元、功能结构例：建立材料拉伸试验机的功能结构图黑箱法求总功能总功能分解*2.1.4功能元、功能结构建立功能结构图的流程建立功能结构图的两种方法

1）从总功能出发来层层分解；

2）先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功能要求将两端联接起来；建立功能结构图时的注意事项：1）建立功能结构图时，应首先选用表2.1所列的基本功能元；2）功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效应时就不要再继续分解下去了；3）要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。*2.1.4功能元、功能结构2.1机械系统的功能原理设计2.1.5功能元（分功能）求解

功能元是功能结构图中最基本的单位，每一个功能元都要求找出相应的技术、物理效应来实现，有时一个功能元可以相应地提出几个技术、物理效应。

功能元的求解方法主要有：①参考有关资料、专刊或产品求解法；②利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；③利用设计目录求解法。

设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。*2.1.5功能元（分功能）求解*2.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。

2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。

形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。*2.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系

*第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。*2.1.6系统（产品）原理方案的综合第二步：总功能分解*2.1.6系统（产品）原理方案的综合第三步：建立功能结构图*2.1.6系统（产品）原理方案的综合第四步：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I行走履带轮胎迈步式轨道—车轮*2.1.6系统（产品）原理方案的综合第四步：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I行走履带轮胎迈步式轨道—车轮组合方案数=3×3×2×3×1×4×4×3×4=10368方案1为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案2为轮胎式正铲液压挖掘机(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，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。故组合方案数=3×3×2×3×1×2×4×3×4=5184。*2.1.6系统（产品）原理方案的综合利用相容性矩阵对原理方案筛选

为了便于检验和了解有联系的分功能(功能元)之间的相容性，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物理效应之间的相容性。*2.1.6系统（产品）原理方案的综合利用选择表对原理方案筛选对于复杂问题，可以采用选择表进行方案筛选。建立选择表之前，先要拟出一些选择标准，例如：①与设计任务应相符；②应能满足设计要求明细表上的各项必达要求；③在原理上可实现；④在成本上可行；⑤符合安全和人-机工程学要求；⑥在技术水平、材料供应、制造方法、专利和标准方面可行；⑦其他。*2.1.6系统（产品）原理方案的综合2.1机械系统的功能原理设计——举例

设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸如图所示，瓶盖质量为m=10g；能量为220V交流和高压气(压力0.6MPa)其余功能要求：

基本要求：（1）不规则瓶盖整列为口朝上逐个输出；（2）小批生产，中小型厂加工。

必达要求：（1）整列速度100个/分钟；（2）整列误差小于1/1000。

附加要求：（1）成本不高于2000元/台；（2）结构简单；（3）操作方便。*第一步：明确任务要求（基本要求、必达要求、附加要求）②总功能分解：总功能与分功能之间的结构系统如下：2.1机械系统的功能原理设计——瓶盖整列第二步：功能分析。

①总功能：瓶盖整列，其黑箱模型如下图所示。*第三步：功能元求解。采用设计目录法对功能元求解2.1机械系统的功能原理设计——瓶盖整列*第四步：功能元解的组合。组合各功能元的解，可得N=8×6×6×3×7=6048个系统解

2.1机械系统的功能原理设计——瓶盖整列*2.1机械系统的功能原理设计——瓶盖整列第五步：评价与决策（简单评价法——简易的选择表）优选方案II*2.2机械系统的结构总体设计2.2.1结构总体设计的任务、原则

任务：将原理方案设计结构化。（输出是装配图）。

重要性：它的工作质量对满足功能要求、保证产品质量和可靠性、降低产品的成本等都起着十分重要的作用。

*结构总体设计原则（三项基本原则）：明确、简单、安全可靠2.2.1结构总体设计的任务、原则(1)明确原则①功能明确；（不疏漏、不冗余）②工作情况明确；③结构的工作原理明确。

(2)简单原则（“简单”具有简化、简便、简明、简易、减少等含义）①结构简单；②操作与监控简便③制造与测量简单；④安装与调试简单。

(3)安全可靠原则①构件的可靠性；（结构件的强度与刚度问题）②功能的可靠性；（系统总功能的可靠性）③工作安全性；（对操作者的防护）④环境安全性。（环保性与环境适应性）*2.2机械系统的结构总体设计2.2.2结构总体设计的步骤总体设计步骤一般分为三个阶段：

1）初步设计

2）详细设计

3）完善和审核阶段。

*2.2.2结构总体设计的步骤1.初步设计1)明确设计要求（4项）与确定配置有关的要求(物料流动方向、运动方向、位置关系等)；与确定尺寸有关的要求(功率、转矩、生产能力、空间限制等)；与确定材料有关的要求(使用寿命、工作环境、零部件材料等)；制造、安装、运输、经济性等方面的要求。*2.2机械系统的结构总体设计2.2.3总体布置设计

总体布置设计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。1）机械系统功能原理方案的多样性，决定了总体布置设计方案的多样性；

2）不同的总体布置形式对系统本身的功能有很大影响

总体布置设计的重要性：*2.2.3总体布置设计总体布置设计的设计过程：

总体布置设计应该考虑的问题1）系统本身的设计内容；

2）系统与外部各因素之间的关系，即人机关系、系统对环境的适应性、系统对外界环境的影响

3）系统的性能、操作、观察、调整、控制、防护等都对总体布置产生的影响。

总体布置设计一般是先布置执行系统，即总系统的主功能载体系统，再布置传动系统、动力系统、操纵系统及支承形式等，从粗到细，从简到繁，反复多次，最终确定出较理想的方案。*1.总体布置设计的基本要求(3项)

对系列设计、变型设计给予考虑(1)功能合理(2)结构紧凑、层次清晰、比例协调(3)充分考虑产品的系列化及发展总布置设计应适于功能表达，不论在整体上或局部上都不应采用不利于功能目标的布局方案；应尽可能使总系统简单并充分利用机械系统的内部空间；*2.2.3总体布置设计2.机械系统总体布置的基本类型

1)按主要工作机构的空间几何位置可分为:

平面式、空间式等；

2)按主要工作机构的布置方向可分为:

水平式(卧式)、倾斜式、直立式和圆弧式等；

3)按原动机与机架相对位置可分为:

前置式、中置式、后置式等；

4)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、振动式等；

5)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:

开式、闭式等。*2.2.3总体布置设计卧式布置龙门式布置立式布置悬臂式布置典型布置形式*2.2机械系统的结构总体设计2.2.4总体参数的确定总体参数包含的内容

总体参数是机械系统总体设计和零部件设计的依据总体参数一般包括：

1）性能参数(生产能力等)；

2）结构尺寸参数；

3）运动参数；

4）动力参数*2.2.4总体参数的确定1）性能参数(生产能力)

机械系统的理论生产能力是指设计生产能力——在单位时间内完成的产品数量，亦可以称为机械系统的生产率。总体参数的含义机械系统的生产率：Q——机械系统生产率；T——在机械系统上加工一个工件的循环时间/工作周期时间；tg——工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的时间；tf

——辅助工作时间，如上下料、夹紧工件、换刀等。*2）尺寸参数尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的主要结构尺寸和作业位置尺寸。

主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。

确定主要结构尺寸时应该考虑的问题：安装、使用空间、包装、运输等要求的限制。

作业位置尺寸是机械系统在作业过程中为了适应工作条件要求所需的尺寸，如机床的加工范围、中心高度、主要运动零部件的工作行程及主要零部件之间位置关系尺寸等。

尺寸参数的确定方法

尺寸参数一般依据设计任务书中的原始参数、方案设计时的总体布置草图和与同类机械的类比或通过分析计算确定。*2.2.4总体参数的确定3）运动参数机械系统的运动参数一般是指机械执行件的运动速度等。4）动力参数动力参数是指电动机的额定功率、液压缸的牵引力、液压马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。

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。*2.2.4总体参数的确定动力参数确定需要注意的问题——电机选取注意事项

1电动机的预选

选择电动机的要求：各种机械设备对电动机的基本要求是在可靠、经济的基础上保证其生产效率。电动机的选择过程与步骤2电动机的校验1)工作机的负载图及电动机功率预选2)电动机机种的选择3)电动机结构型式、额定电压、额定转速及工作方式选择等1)发热温升校验；2)过载能力校验；3)起动能力校验*2.2.4总体参数的确定(a)反抗性恒转矩负载特性(b)位能性恒转矩负载特性(c)恒功率负载特性(d)负载转矩是转速函数的负载特性(e)负载转矩是行程或转角函数的负载特性工作机的负载图电动机的选择过程与步骤——电动机的预选

*2.2.4总体参数的确定2.2机械系统的结构总体设计2.2.5结构总体设计的基本原理1)任务分配原理；2)稳定