设计原理与方法II2机械系统的总体设计（PDF143页）

设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign设计原理与方法IIPrincipleandMethodofDesignII第2章机械系统的总体设计02机械系统的总体设计Thursday,March15,20181设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20182机械系统总体设计1载荷分析与动力机选择2方案设计与评价3实例讲解4设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201832.1机械系统总体设计原理方案设计确定主要技术参数分析与评价总体设计的内容结构总体设计设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20184第一步：拟定设计要求根据市场调查和需求信息，结合产品的发展规划和设计任务，拟定出符合实际需要的设计要求。机械产品的设计要求一般包括功能要求、性能要求、可靠性要求、寿命要求、安全性要求、适应性要求、成本要求和工程学要求等。机械系统总体设计的步骤（共四步）设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20185设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20186第二步：初步设计初步设计是指完成机械产品的整体构思和总体初步设计的过程。主要包括研究设计任务、分析产品的功能、原理方案设计、方案分析与评价、确定主要技术参数、绘制结构草图等。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20187第三步：详细设计详细设计是指以初步设计为基础进行的机械产品总体结构设计过程。包括结构的总体布局、主要零部件的选择、确定主要结构尺寸、绘制总体结构图等。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20188第四步：修改和完善机械产品总体设计形成后，或多或少存在一些问题，需要设计者进一步分析与评价，找出设计中存在的问题与不足。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,20189基于功能原理的总体方案设计功能——是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化描述，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”。非必要功能附加功能基本功能必要功能功能设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201810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功能使用的经济性三坐标轴测量机设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201811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设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201812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设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201813①功能原理设计——针对产品的主要功能提出一些原理性的构思，是机械产品设计的最初环节。②功能原理设计重点——提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解以便比较和选优。可以暂不考虑构件的具体结构、材料和制造工艺等。自动洗衣机控制器(控制)电动机(动力)带(传动)减速器(传动)波轮(执行)设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201814设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201815设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201816任何一种机器或产品的更新换代都存在三个基本途径：改革工作原理：使用激光打孔机代替机械钻，使一些精密仪器和仪表的精度得到了很大提高。改进工艺、结构和材料提高技术性能半导体芯片中的互连线技术：从铝线、铜线到目前正在研究的碳纳米材料。加强辅助功能使其更适应使用者的心理新工艺、新材料的出现也促进了新工作原理的产生。——例如液晶产品的实用化，促使钟表的工作原理发生了本质的改变。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201817设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201818“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，也即针对产品的主要功能进行原理设计。例：设计行走机器人基本功能——行走方式轮式足式履带式蠕动式混合式设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201819行走方式轮式足式履带式蠕动式混合式优点缺点适应场合优点缺点适应场合优点缺点适应场合优点缺点适应场合优点缺点适应场合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，从中选出最佳方案。还要考虑创新性和市场潜力与具体要求比较设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201820机械推拉滚动摩擦离心滑动摩擦自重银行点钞机可以采用下图所示的几种功能原理方案。显然，进行原理性构思时首先要考虑应用某种物理效应（如图中的摩擦、离心力、气吹等），然后利用某种作用原理（如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等），最后达到实现功能目标的结果。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201821在进行机械产品的功能原理分析时，先把待设计的机械产品看成一个技术系统，其总功能用内部结构不清楚的“黑箱”来描叙，系统的输入量与输出量可以抽象为物质、能量和信息三大要素来表示。待设计技术系统（变换，传递，保存）对外界的影响物质能量信息来至外界的影响物质能量信息输入输出基于功能原理设计的黑箱法设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201822车床黑箱图（对外界的影响）（来自外界的影响）功能原理设计的实质是求解这个未知的“黑箱”，使之逐渐变为明朗清晰的“白箱”，也可以说通过产品的功能原理设计，得到实现产品功能的架构。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201823①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。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201824如下图所示为一台硬币计数包卷机，它的功能是用来整理、清点、计数，最后按一定的枚数将硬币用纸包卷起来或装入袋内。末图所示为用黑箱法描述的硬币机的总功能。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,2018251-硬币堆放、输送功能单元2-硬币排列、分选、挑残功能单元3-硬币分选计数功能单元4-硬币堆码、整理功能单元5-送纸、撕纸功能单元6-硬币包卷功能单元7-卷边功能单元设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201826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。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——目录求解法功能元及其求解方法设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201827问题：设计手动装订打孔机的原理方案。设计要求：操作手柄做旋转运动，打孔针做直线往复运动，拟采用四杆机构，且操作省力。求解：（1）确定总功能——打孔；（2）总共能分解——变换+放大把输入的旋转运动变换为输出的直线往复运动及力值的增大（3）确定功能结构（略）（4）功能元求解——采用目录求解法。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201828通过功能元求解，可以得到系统各功能元的功能载体，由此能够组合成许多备选方案。对于许多机械产品，大多比较复杂，直接构思原理方案比较困难，这时，可以借助形态学矩阵进行原理方案的分析与求解。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201829形态矩阵从理论上说，可以组合原理方案的数量等于各功能元解个数的连乘积。在原理方案的求解过程中，形态学矩阵组成的方案数目太多，一般可以通过相容性选择、优选较佳解等原则初步筛除和剔除不适合或者不可能组合的原理方案。设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201830第一步：挖掘机功能分析挖掘机原理方案求解设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201831第二步：挖掘机总功能分解设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201832第三步：功能结构图设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201833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—车轮第四步：寻找功能元解设计原理与方法PrincipleandMethodofDesign02机械系统的总体设计Thursday,March15,201834组合方案数=3×3×2