机械系统设计-第2章机械系统的方案设计与总体设计

机械系统设计制造销售内部设计外部设计计划研究计划书、设计任务书调查研究可行性研究系统计划可行性报告系统开发计划书工作图设计技术设计系统分析系统分解初步设计、方案设计鉴定和评审定型设计小批试制改进设计样机鉴定和评审样机试制销售第二章机械系统的方案设计与总体设计第一节机械系统的方案设计看课本P16表1-1阶段步骤方法主要指导理论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤方法主要指导理论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤方法主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤方法主要指导理论施工设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产销售零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问计算机辅助制造反馈控制法机械系统设计制造销售内部设计外部设计计划工作图设计技术设计系统分析系统分解初步设计、方案设计鉴定和评审方案设计是一个创造性思维的过程，在进行方案设计时，重要的是要创新，在制定方案时采用新原理、新技术、新机构、新工艺，这样才能设计出有突破性的新产品。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作。它是机械系统设计的核心环节，方案设计是保证设计水平和质量的重要工作，在很大程度上决定了机械系统设计的成败。方案设计的内容包括：(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；(2)提出实现功能的工艺原理；(3)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；(5)综合评价设计方案，找出最佳方案。一、研究给定的设计任务方案设计之前，已经接到了设计任务书，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，其中有不确定的，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可兼顾的折衷的解决办法。T2T1，n2n1能量不灭定理系统T1n1T2n2二、设计任务的抽象化（是一种“思维方式和工作方法”）思维可以有思维定势和创造性思维。其中思维定势是扼杀创造发明的杀手，是“懒汉”的思维方法，有意识地破除它，会有许多发现和发明。100040101000201000100030+?144991+?创造性思维则是创作发明的基础。发明有原创性发明和组合式发明，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。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。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实现某种能量流、物料流和信息流传递和转化的装置。化学能热能机械能内燃机能量流包装机械包装容器包装物件包装后成品包装机械物料流照相机光强信号图像信号光圈电机信号调整电机控制信号傻瓜照相机信息流例如：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：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。可表示如下：机械装置（待定的技术系统）（黑箱）物料能量信息物料能量信息来自外界的影响输入对外界的影响输出在方案设计的初期，把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以及与外界的相互影响的“黑箱”，“黑箱”内部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。用“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。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主要因素；避免设计者受一些框文的约束。确定“黑箱”作业对象（物料、能量、信息）转化的工艺原理，是打开“黑箱”的先决条件。三、确定工艺原理（“黑箱”变成“玻璃箱”）所谓工艺原理是指自然科学中各种定理、定律、原理及效应的具体应用。表示机械系统的“黑箱”建立以后，打开“黑箱”，实现“黑箱”的透明化就成为了主要工作。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，将齿轮坯变为齿轮，可以有不同的转化：可采用仿形法，在铣床上用铣刀铣削，用分度头分度；也可用范成法，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。齿轮加工范成原理仿形原理剃齿插齿滚齿采用不同的工艺原理，就会设计出不同的机械系统，它们的性能和经济效益各不相同。切断作物桔杆冲击搓擦使谷粒和谷穗分离滚压筛分、振动、重力、气流使谷粒、茎杆、颖壳杂物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接，以及它们之间的适应性与相容性。作业对象的简单转化，可以只采用一个工艺原理就完成；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。以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所示：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，规定每一个转化程序的相应功能要求。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。技术过程的主线是作业对象（物料）的转化，用双线箭头表示，在转化过程中，不断有物料、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。谷物扶持谷物茎杆切断谷物茎杆脱粒长茎杆图2-4自走式谷物联合收获机的技术过程流程方框图清选筛分气流振动杂余（断穗）等复脱谷粒短茎杆轻混合物（颖壳、灰尘）等等对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，由于设计者的着眼点不同，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。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。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能载体的组合。(一)引进技术系统引进技术系统一般分两步进行：1．确定机械系统的功能结构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物料、能量、信息的传递和转化。洗衣机（黑箱）地基湿度温度噪声振动信息能量洗涤剂清水脏衣物显示信号驱动能脏水干净衣物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，应进行功能分解。可以用树状图像模型功能图形象地表达功能分解的结果：能量运动传递转向控制转速控制时间控制双向旋转单向旋转波轮旋转搅动衣物和水联接与支承能量供应与转换排水·甩干脱水旋转控制添加洗涤剂容纳衣物和水脏衣物的洗涤洗衣机，它的总功能是洗涤脏衣物。对总功能进行分解，可得出如下一些分功能：容纳衣物和水、添加洗涤剂、搅动衣物和水，控制旋转方向、时间和速度，甩干衣物上的水，排出脏水，能量供应、转化和传递、联接与支承等。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。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，直到得到不能再分解的功能元为止。功能元是指有确定功能的不可再分解的单元功能。进行功能分解的要注意以下两点：(1)总功能的分解程度以能找到相应的技术物理效应和功能载体来实现该功能为依据；(2)同级功能的组合应能满足上级功能的要求。技术物理效应是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加以应用。按树状功能图还可以作出功能结构图。如洗衣机的功能结构图如下：洗衣机的功能结构图联接与支承能量转换能量传递能量搅动脏衣物和水容纳脏衣物和水排水甩干洗涤剂洗涤剂脏衣物水脏水干净衣物信息控制决策调整定时方向、速度、时间选择显示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：容纳衣物和水（A）、搅动衣物和水（B）、运动传递（C）和控制（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形态学矩阵（用其来表示所有可能组成的总体方案）。电脑自控机械定时人工控制齿轮传动带传动超声波电磁振荡机械摩擦陶瓷桶玻璃钢桶塑料桶金属桶D（控制）C（运动传递）B（洗涤原理）A（容纳衣物水）4321功能载体分功能洗衣机的形态学矩阵理论上可组合出技术方案：N=4×3×2×3=72下图是材料试验机的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。Ⅰ建立材料试验机的“黑箱”示意图：材料试验机（黑箱）a）材料试验机的“黑箱”示意图加载能量试件信号变形试件变形能变形信号力信号噪声振动温度风力在材料试验机的“黑箱”示意图中，有3个输入元素：加载能量、试件和信号；有4个输出元素：变形能、变形试件、力信号和变形信号，内、外系统间有相互作用和影响。b）材料试验机的功能分解图Ⅱ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4个主要的分功能：①把能量转换为力和位移；②试件加载；③测力；④测变形。能量转换为力和位移控制信号加载能量试件加载试件变形能变形后的试件测变形变形信号测力力信号b）材料试验机的功能分解图能量转换为力和位移控制信号加载能量试件加载试件变形能变形后的试件测变形变形信号测力力信号Ⅲ建立材料试验机的完善的功能结构图：c）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：②调节能量的大小；装卡试件试件加载变形能变形后试件试件调节能量大小加载能量控制信号能量转换为力和位移③各测量值的放大；④比较标准值和实际值。测量值放大测力测变形力信号变形信号比较标准值和实际值辅助能量标准量①试件加载前要装卡；b）材料试验机的功能分解图能量转换为力和位移控制信号加载能量试件加载试件变形能变形后的试件测变形变形信号测力力信号材料试验机的功能结构图装卡试件试件加载变形能变形后试件试件调节能量大小加载能量控制信号能量转换为力和位移测量值放大测力测变形力信号变形信号比较标准值和实际值辅助能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