2.1机械系统的功能原理设计

12机械系统的总体设计2.1机械设计的基本原则2.2机械设计的一般过程2.3机械系统的方案设计2.4机械系统的功能分析2.5机械系统的功能原理设计2.6机械系统的总体布局设计复习思考题22.1机械设计基本原则2.1.1机械设计的类型2.1.2机械设计的原则32.1.1机械设计的类型（1）开发性设计（2）适应性设计（3）变型性设计在主功能的实现原理或者结构方案保持基本不变的情况下，增加或减少产品的某些功能，使产品适应特定的使用条件或者用户特殊要求所进行的设计。在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的机械产品设计。在功能原理和结构都保持不变的情况下，变动部分零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设计。又称变参数设计。42.1.2机械设计的基本原则（1）实用性原则：功能明确原则（2）创造性原则：继承与创新（3）系统性原则:整体和相关（4）优化原则（5）可靠性与安全性原则（6）经济性原则（7）评价审核原则（8）及时性原则52.2机械设计的一般过程认识需求目标界定问题求解分析选优评价决策表达实现创意构思实现设计就是创造，是从创意、构思到实现的过程。62.2机械设计的一般过程从人们的需求出发概要提出设计任务调查研究掌握信息提出明确而详细的设计要求方案构思初评最佳方案选择模型确定参数详细设计信息交流制造加工方案硬件化样机试验设计评定批量生产投入使用72.2机械设计的一般过程（1）设计规划阶段（2）方案设计阶段（3）技术设计阶段（4）施工设计阶段明确任务、需求和可行性分析，提交可行性报告；明确功能和设计要求，提出设计任务书。功能原理方案设计产品的总体、结构设计完成产品制造所需的全部图样和技术文件892.3机械系统的方案设计2.3.1基本概念2.3.2方案设计程序2.3.3方案构思的常用方法102.3.1基本概念方案设计总体设计从全局的角度，以系统的观点，所进行的有关整体方面的设计。机械系统功能原理方案设计；总体布局；系统的主要参数确定；系统的精度等；内容包括：机械系统总体设计方案及其论证评价决策是产品设计的关键，也是详细设计时的指导性文件。112.3.2方案设计程序方案设计的三个基本活动：创造、分析和决策明确设计思想方案设计程序分析综合要求决定性能参数调研同类机械拟定总体草图方案对比定型编写总体设计论证书122.3.3方案构思的常用方法（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法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与输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能、特性所需具备的工作原理和内部结构。即：从功能出发设计产品。13金属切削黑箱示意图输入输出机床工作时对周围环境的影响周围环境对机床工作性能的干扰机床的总功能：将毛坯加工成所需零件。142.3.3方案构思的常用方法（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法列举现有功能相似的机械，分析其优缺点，列举其不足（或不足）之处，在继承的基础上创新。152.3.3方案构思的常用方法（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法受其他事物的启迪，触发灵感，运用联想将其原理合理地应用到自己的课题上。16金属轧制172.3.3方案构思的常用方法（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法将有可能实现该功能要求的工作原理、工艺动作及实现该运动的基本机构和组合机构尽可能按层次罗列出来，进行排列组合；按可行性、先进性、方便性、经济性等设计原则逐个分析审查，筛选最优方案。182.4机械系统的功能分析2.4.1机械的分类与功能组成2.4.2机械的功能分析2.4.3典型机械功能分析实例：家用缝纫机192.4.1机械的分类与功能组成一、机械的定义二、机械的分类三、从不同角度看机械的组成四、从功能观点看机械的组成20一、机械的定义由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，在人或其它智能体的控制下，以执行人们预期的工作，实现为之设计的某种或某几种功能。21二、机械的分类从不同角度出发，分类方法多种多样。按产业划分按服务领域划分按重量划分按功能划分农业机械、林业机械矿山机械、冶金机械化工机械、造纸机械食品机械、纺织机械工程机械、交通运输机械物料搬运机械橡胶机械、塑料机械等。轻工机械重型机械等。（1）能量转换机械（2）生产各种产品的机械（3）从事各种服务的机械（4）家庭和个人生活中应用的机械（5）各种机械武器等。工艺类机械：对物料进行工艺性加工的机械非工艺类机械：不对物料进行工艺性加工，只是实现某种需求的功能22三、从不同角度看机械的组成从机构学的角度从结构学的角度从专业的角度从功能的角度机械由各种基本机构组合而成机械由一系列基本构件组装而成常以主要部件来看机械的组成以功能的观点来观察和认识机械23四、从功能观点看机械的组成机器的总功能由多个分功能组成，而每个分功能都有相应的功能载体。2425车床的功能原理图1-工件2-车刀26利用刀具对旋转工件进行切削工件旋转刀具进给272.4.2机械的功能分析一、机械的功能和系统功能分析二、功能分解和功能单元三、功能树和功能结构图282.4.2机械的功能分析一、机械的功能和系统功能分析1.功能：对于某一机械产品工作能力的抽象化描述。它和人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念既有联系又有区别。是一个机器（或装置）所具有的应用特性。电动机功用性能用途能力作原动机驱动电扇、机床…效率、耐用性、振动…功率、转速…功能--将电能转变为旋转运动的动能技术系统信息流S进行能量流E的转换物料流M输入（IN）输出（OUT）信息S能量E物料MM’E’S’系统工程学用“黑箱”来描述功能，如下图。“功能”是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系。例：硬币计数包卷机2.系统功能分析：对总功能进行分解。31二、功能分解和功能单元1.功能分解复杂的技术系统的总功能可分解成较为简单的、具有一定的独立性、可直接求解的功能单元。32二、功能分解和功能单元功能的基本单位。包括：物理功能元、逻辑功能元、数学功能元。材料拉伸试验机的功能分解2.功能单元硬币计数包卷机的七个功能单元1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卷边功能单元例：硬币机的功能分解35三、功能树和功能结构图用树状功能图来描述其功能分解情况。材料拉伸试验机的功能分解1.功能树362.功能结构图上述功能分解方式不能充分表达各分功能之间的相互配合关系。用来表示各分功能之间关系的框图，叫“功能结构”图。它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系和配合。由总功能—分功能—功能结构图，被称为“功能分析”，也可称为“系统分析”。三、功能树和功能结构图37硬币机功能结构分析硬币机“功能结构”图39三、功能树和功能结构图3.基本功能结构各分功能（或功能元）组合时有三种基本形式（a）串联：各分功能按顺序相继作用；（b）并联：各分功能并列作用；（c）回路：各分功能组成环状循环回路，体现反馈作用。40三、功能树和功能结构图3.基本功能结构两种功能结构的对比例：412.4.3典型机械功能分析实例：家用缝纫机手工线迹与家用缝纫机线迹对比a)手工线迹b)缝纫机线迹（1）用针尖引线代替针尾引线；（2）采用双线互锁交织以代替线的反复穿刺；一、家用缝纫机的总功能将线按一定规律缝于缝料上二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能1）引面线造环功能由机针特殊结构实现。缝纫机针的形状1-针尖2-针刃3-针柄4-平面5-引入槽6-引出孔7-针孔线环形成过程a)穿刺缝料b)、c)引线d)、e)成环1-线环2、5-面线3-摆梭尖4-针槽摆梭二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能2）钩面线扩环，使底面线交织的功能靠一个在线环中摆进摆出的摆梭组件来实现。摆梭钩线扩环，完成底面线交织的工艺过程1-摆梭2-底线3-面线4-梭心套5-针二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能3）供给和收回面线的功能靠挑线杆（工作头）带着面线上下摆动来实现。挑线机构a)滑杆式b)凸轮式c)连杆式二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能4）输送缝料的功能靠送布牙挤压推送布料来实现。送布牙送料时的工作情况1-压脚2-缝料3-送布牙4-送布牙槽5-针板送布牙运动轨迹二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能1）调节面线和底线的阻尼功能面线和底线的交织状况a)面线过紧b)底线过紧c)正确二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能1）调节面线和底线的阻尼功能靠旋动夹面线螺母来实现调节面线松紧。靠拧动压紧底线的螺纹来实现调节底线松紧。面线和底线的张力调节a)底线调紧，面线调松b)面线调紧，底线调松二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能2）调节压脚压紧力的功能靠调节压脚压力的螺纹来实现。不同缝料调压螺纹旋入的情况二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能3）调节送布针距的功能由送布牙送料距离钮决定。调节送布针踞二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能4）绕底线功能把梭心装到绕线轴上，由高速转动的手轮使上摩擦轮带动绕线轴旋转，而是梭心缠绕底线。绕底线1-线2-绕线轴3-梭心4-上摩擦轮5-手轮6-过线架7-轴线二、家用缝纫机的功能分析3.控制功能1）机械控制功能由传动机构的巧妙配合进行控制。传动机构的时序分配主要由凸轮和连杆机构的工作相位配合来实现。2）人机控制功能缝纫信息传入操作者的感官，再用手作为执行器来控制缝料运动，完成缝纫要求。人机控制功能通过人机接口实现。包括：缝针工作区、手轮、机针前方布面、脚踏板等。3）电子控制功能现代缝纫机可用微机进行程序控制。522.5机械系统的功能原理设计2.5.1功能原理设计的概念和特点2.5.2功能原理设计的内容与步骤2.5.3设计任务的功能目标2.5.4寻找作用原理2.5.5形态学矩阵2.5.6功能原理设计实例532.5.1功能原理设计的概念和特点1.功能原理设计的基本概念针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。这种针对主要功能的原理性设计，可以简称为“功能原理设计”。功能原理设计的重点在于提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解法供比较选优。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，因此常只需用简图或示意来表示所构思的内容。如船用抽水机功能原理设计。54船用抽水机功能原理构想利用船体摆动带动活塞往复运动利用船的起伏通过杠杆使活塞运动利用涨潮的水位落差，使水排出552.5.1功能原理设计的概念和特点2.功能原理设计的工作特点（1）功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。（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(NewIdea)、新构思。（3）功能原理设计使机器品质发生质的变化。机械表不论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现上述三个特点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。562.5.2功能原理设计的内容与步骤1.内容：构思能实现功能目标的新的解法原理2.步骤与方法：各阶段的工作内容解决该内容的方法572.5.3设计任务的功能目标设计的依据，鉴定验收的标准设计的量化指标、约束条件592.5.4寻找作用原理提出创新构思，使思维“发散”，力求提出较多的解法供比较选择。1.任何一种机械的更新换代都存在三个途径。1.改革工作原理；海尔同心洗洗衣机2.改进工艺、结构和材料提高技术性能：如液晶材料、石英材料的实用化，促使钟表的工作原理发生了本质的变化。冰箱(造型设计、纳米材料)；3.加强辅助功能使其更适应使用者的心理；61632.5.4寻找作用原理实现同样的功能可以有不同的物理效应；同样的物理效应有不同的实现方