总10--机械系统方案设计

第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计本章内容提要第三节机械执行系统设计第二节机械系统的总体方案设计第一节机械系统方案设计概论第四节机械传动系统设计第五节机构的创新设计第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计从几个名词概念开始认识机械机械原理课程的研究对象与内容回顾1.机械的概念（回顾）一、机械、机械系统、系统机器机构构件零件机械第一节机械系统方案设计概论第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计(1)机器是一种可用来传递或变换能量、物料与信息的机构或机构的组合。它有三个特征。(2)机构是用来传递与变换运动和动力的可动装置。它有两个特征。回顾第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计机构的特征1）它是人为的实体组合；2）各实体之间具有确定的相对运动；机器的特征3）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为机械。机构机器回顾第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计2.系统、机械系统系统——指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。系统本身可分成若干个子系统。子系统里有时还可以分出更小的小子系统。系统本身还可以作为更大系统的一个子系统。任何机械产品都是由若干个零部件及装置组成的一个特定系统。即：由确定的质量、刚度及阻尼的若干个物质所组成，彼此间有机联系，并能完成特定的功能，故亦称之为机械系统。机械设计课程中所讲授的各种机械零件则是组成机械系统的基本要素，它们为组成各种不同功能的机械系统而有机地联系着。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计动力系统传动系统执行系统操纵系统和控制系统支承系统安全系统-润滑系统-冷却系统-密封系统等二、机械系统的组成第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计1.机械系统设计的任务和类型设计类型开发性创新设计组合创新设计改良性创新设计机械系统设计的任务是开发新产品和改造老产品，最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，以取得较好的经济效益。三、机械系统设计第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计2.机械系统设计过程初期规划设计阶段选题调研预测可行性论证确定设计任务选择设计对象，提出设计题目市场调查：预测销售量及市场占有率技术调查：预测技术可行性及产品成本同行调查：预测领先的可能性论证产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性明确设计目标及需达到的功能和性能指标调研报告论证报告设计任务书总体方案设计阶段目标分析根据设计任务，进行功能分析、工艺动作分解，明确各工艺动作的工作原理创新构思构思执行机构的运动方案并进行运动规律设计、机构型式设计和协调设计方案拟定拟定总体方案，进行执行系统、传动系统、原动机的选择和基本参数设计方案评价对方案进行有关计算，做模拟试验，进行功能、性能评价和技术、经济评价方案决策选最优，确认总体设计方案，绘制系统运动简图，编写总体方案设计计算说明书总体方案示意图、机械系统运动简图、运动循环图、方案设计计算说明书第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统设计过程（续）结构设计尺寸设计图纸绘制工艺设计工装设计施工设计结构技术设计阶段生产施工设计阶段从加工工艺、装配工艺性等因素出发，设计零部件的结构形式及连接方法选择零件材料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的尺寸、公差、精度及制造安装的技术条件绘制总装配图、各类系统图、部件装配图和零件图。编制设计计算说明书进行加工工艺、装配工艺设计。制定工艺流程及零部件检验标准进行加工、装配时必要的工具、卡具、夹具和模具的设计，包括必要的专用加工设备及装置的设计制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标全套设计图纸、设计计算说明书工艺流程卡、工装设计图、基础安装图、使用说明书等第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统设计、产生过程的另一种表达方式连接第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计3.机械系统设计的基本原则及要求（1）设计的基本原则1)需求原则2)信息原则3)系统原则4)优化、效益原则（2）设计的基本要求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)成本要求第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计四、机械系统设计在机械工程学科中的地位及作用机械系统从构思到实现要经历设计和制造两大不同性质的阶段。按照经历阶段的不同，机械工程学科可分成机械学和机械制造两大分学科。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。它的主要任务是把各种知识、信息注入到设计中，加工成机械制造系统能接受的信息并输入到机械制造系统。机械制造是接受设计输出的指令和信息，并加工出合乎设计要求的产品的过程。因此，机械制造学科是研究机械制造系统、机械制造过程手段的科学。设计和制造是两个不可分割的统一体，其中设计是核心，制造是基础。若忽视了这一点就有可能出现：用先进的设计技术设计出“质量很差的先进产品”，或用先进的制造技术生产出“落后的高质量产品”的现象。因此，两者决不能偏废。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计机械工程学科的组成第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计第二节机械系统的总体方案设计总体方案设计执行机构设计◆功能原理设计◆运动规律设计◆选型构型设计◆运动协调设计传动系统设计原动机选择机构创新设计机械系统运动方案设计步骤第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。机械系统的总体方案设计总体方案设计的内容：从原动机─传动机构─执行机构的整个系统的设计包括：控制系统的方案设计、其它辅助系统的设计（主要有润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等）。设计结果：给出满足运动性能要求的运动简图。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计设计人员在进行了大量相关资料查阅之后，应设计出几种不同的功能原理方案，以便从中选出较理想的一个为下一步总体设计奠定基础。针对产品主要功能而进行的功能原理设计这一步，在整个设计中是非常重要的一环。一个好的功能原理设计应既有创新构思，同时又能满足用户的需求。因此，在培养设计人员时，不仅要注重机构和结构设计的培养和训练，而且更应注重功能原理设计的培养和训练。“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计“功能”是产品的核心和本质。设计的最主要工作并不只是选用某种机械或设计某种结构，更重要的是要进行功能原理的构思。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，如运输工具的功能是运货或运客；电动机的功能是能量转换等。用户对产品功能的需求则是有条件的，即功能的使用地点及环境条件、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。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计在以上各功能中，基本功能必须保证，且在设计中不能改变；附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；而非必要功能可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。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。所谓“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。功能的分类：功能必要功能非必要功能基本功能附加功能第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的功能原理设计功能原理设计的任务，就是根据机械预期的工艺要求或使用要求，构思出所有可能实现给定要求的功能原理，加以分析比较，从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简单的功能原理。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计例10-1要求设计一自动送料板的装置。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计例10-2设计一糖果包装机。可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律）也不同，执行机构型式自然不一样。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计例10-3设计一台加工内孔的机床。车床镗床钻床拉床第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计例10-4设计草地剪草机。分析：对杂草进行剪修通常的办法有：拉——可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断——像割麦一样，需要握住杂草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计后来设计人员受到杂技演员用鞭子把纸抽断这一现象的启发，可以用具有足够高速度的软物体代替刀、剪去切断某些物体。于是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约2mm的高速旋转的尼龙绳，去抽打被修剪的草，其结果是又快又好地将草坪修剪出来，如下图所示。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计例10-5平板玻璃制造。传统制造平板玻璃都是采用“垂直引上法”，见图a。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。近年来，出现了用“浮法”制造平面玻璃的新工艺，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。图b是“浮法”加工的示意图：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。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特点：①功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思并求得能实现功能目标的新的解法原理。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要有一种新想法、新构思。③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。因此，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。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计功能原理方案设计步骤第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计功能原理设计的设计方法——“黑箱法”一个设计任务往往有许多差异很大的方案。许多设计人员一般习惯于先画出几个总结构图或方案图，然后从中选择一个，再进行更详细的设计。这种设计方法的弊端是带有很大的盲目性，同时，由于设计人员的知识和经验有一定的局限性，很容易使其在原理方案构思之前就形成了某种框框，因而妨碍了思维，束缚了创造力。随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们在对系统功能原理设计时，常采用一种“抽象化”的方法——“黑箱法”。此方法是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，并将这些功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。这样，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。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计例如自行车的功能原理设计。自行车（黑箱）输入输出蹬力或推力车的行走自行车功能原理系统图第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计又如机床设计。第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计“黑箱法”示意图第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计“黑箱法”的特点是通过“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”透亮，直至方案拟定。它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。黑箱第十章机械系统的运动方案及机构的创新设计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以分解为一些分功能。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，这个基本功能单位就叫功能元。功能元是能直接从技术效应(如物理效应、化学效应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。功能分解与功能元第十章机械系统的运动方案及