第二章机械系统的总体设计

.,1,第一节概述,第二章机械系统的总体设计,第二节设计任务的形成与确定,第三节机械系统的功能及指标分解,第四节机械系统的方案设计,第五节机械系统方案的评价,第六节机械系统的总体布局设计及主要参数确定,第七节机械系统总体设计实例,.,2,第一节概述,系统的原理方案的构思,结构方案设计,总体布局与环境设计,主要参数及技术指标,总体方案的评价与决策,总体设计,机械系统设计的第一个环节是，就是在具体设计之前对所要设计的机械系统的各方面，本着简单、实用、经济、安全、美观等基本原则所进行的综合性设计，是一个从整体目标出发，实现系统整体优化设计的一个阶段。,总体设计,.,3,产品目标设想可行性论证和技术经济分析确定总体功能、指标提出方案设想系统分析和功能分解形成总体方案。,总体设计步骤：,.,4,设计任务书,总体设计的基本步骤：,.,5,图2-1机械系统总体设计基本步骤,.,6,(1)系统工作原理简图；(2)主要部件的工作原理图；(3)方案评价报告；(4)总体设计报告；(5)系统总体布置图,在总体设计过程中形成的技术文件：,.,7,2.适应性设计,3.变型设计,1.开发性设计,2.2.1设计任务的类型,第二节设计任务的形成与确定,.,8,2.适应性设计,3.变型设计,1.开发性设计,2.2.1设计任务的类型,第二节设计任务的形成与确定,.,9,2.2.2设计任务的来源,1.指令性设计任务,2.来自市场的设计任务,3.考虑前瞻的预研设计任务,从国家大的发展战略、国防等方面考虑,用户根据需要提出,产品的更新换代,.,10,2.2.3拟定设计任务书,1.拟定设计任务书的一般原则,合理而先进,详细而明确,列出全部设计要求,设计要求尽可能定量化，明确主次要求,要求适度，实事求是,与国内外同类产品产品功能、技术性能、经济指标都有先进性,.,11,(1)产品功能要求,2.产品设计要求,(2)适应性要求,(3)性能要求,(4)生产能力要求,(5)制造工艺要求,(6)可靠性要求,(7)使用寿命要求,(8)人机工程要求,(9)安全性要求,.,12,(1)产品功能要求,2.产品设计要求,(2)适应性要求,(3)性能要求,(4)生产能力要求,(5)制造工艺要求,(6)可靠性要求,(7)使用寿命要求,(8)人机工程要求,(9)安全性要求,.,13,3.设计任务书的拟定,.,14,第三节机械系统的功能及指标分解,总体设计的第一步就是充分理解设计任务书所规定的设计要求，并将其抽象化，即对系统的功能（包括约束）进行描述。,2.3.1系统的功能描述,功能是对某一产品的特定工作能力的形象化描述。,功能的描述要准确、简洁，合理地抽象，抓住其本质，避免带有倾向性的提法。,.,15,1)主功能物料的输入、转换与输出功能,2)动力功能能量传递与变换功能,3)控制功能信息传递与控制功能,4)结构功能将各要素组合起来、形成一个统一的整体,2.3.1系统的功能描述,.,16,.,17,2.3.2系统的原理方案总体分析,在功能分析的基础上，首先应对系统的原理方案进行总体分析。在分析或设计一个现代化机械系统时，首先应该从主功能分析着手。,立体光固化成型,.,18,采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的料型，并用压辊加热逐层粘合各层料。,分层实体制造,.,19,螺纹加工机的总体原理方案分析,.,20,螺纹加工机的总体原理方案分析,.,21,2.3.3功能分解与功能树,按系统工程分解性原理进行功能分解，建立功能结构图即功能树。,功能树起于总功能，按一级分功能、二级分功能.进行分解，其末端为功能元。前级功能是后级的目的功能，后级是前级的手段功能。,.,22,例如：微电脑洗衣机的设计,.,23,2.3.4功能求解,对功能求解，是原理方案设计中的重要的搜索阶段。,设计人员的思维要发散。,应用科学原理进行技术原理构思从而进行功能求解按技术原理组织功能结构，在一定条件下作用于加工对象，成为技术分系统，实现分功能。,不局限于机械学范围，力学、电子学、电磁学、热学、光学、仿生学.同一种功能可以用不同的技术原理来实现对一个功能元应尽可能多地提出几种技术原理，为后续方案的构思和评价提供较多的选择,.,24,1.负压效应,例如：输送液体原理解法分析,1)利用压力p与溶积v的关系（pv=常数），增大容积空间形成负压吸入液体，减少容积空间形成高压输出液体。,2)利用流速与压力的关系，及文丘里喉管原理，使流体（液体或气体）流经变截面喉管，在狭窄处流速增大，形成负压，被输送液体就可从小孔M抽进喉管，当流速大600m-700m/s时，水头可达5-6m,.,25,2惯性力效应1)利用离心惯性力将水引出。一般离心泵、化工系统的化工离心泵都是应用这种原理。2)利用往复运动的惯性力。将管1置于水中，在A、B方向往复运动，水即通过单向阀2、3由管4输出。3)虹吸原理。液态分子间引力与位能差造成，利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。,.,26,3毛细管效应高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装液体，在高温端液体吸热蒸发，蒸气流至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通过金属丝网流回热端。此种热管用于人造卫星和冻土层输油管保温等。,.,27,第四节机械系统的方案设计,什么是方案设计？,对子功能方案进行方案综合的过程,.,28,.,29,方案设计实际上就是对子功能方案进行方案综合。,塑料桶,陶瓷桶,电磁震荡,超声波,.,30,2.4.1形态学矩阵,将各子系统的目标（功能）及基本可能实现的办法（可以是物理效应、作用原理或功能载体）列入一个矩阵形式的表中，这个表就称为形态学矩阵，亦称模幅箱图。,形态分析法是一种系统搜索和程式化求解的创新技法。,组合创新法,联想类推法,智力激励法,提问追溯法,.,31,2.4.2总体方案求解,1.求解原则,1)各功能元原理方案之间在物理上的相容性鉴别,能量流、物料流及信息流不受干扰地连续流过功能元的原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾,2)从技术、经济效益较好的角度,1）要考虑设计要求及附加要求2）选择时，不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其它相关功能元。3）对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决，必要时应做有关的实验。,剔除,挑选,.,32,1)功能分解,2)功能求解,3)列形态学矩阵并进行方案综合,例1：单缸洗衣机的总体方案设计,总功能出发，分析实现“洗涤衣物”功能的手段,实现各种功能的技术手段或方法，列举功能形态,2.4.2总体方案求解,.,33,热胀增压式,A1-B2-C2,A1-B1-C1,A1-B1-C2,A2-B3-C1,.,34,2.功能集成,功能集成，即如何将求解所得的功能载体进行集成，其中最主要的工作就是接口设计。,除了在控制信息上互相协调外，每个单元的输出都不影响其他单元的输出，我们称这种状态为正交。,2.4.2总体方案求解,.,35,在许多情况下，这些功能载体是互相关联的。这些关联有的表现在运动学上，有的则表现在动力学上。,动力学,如：机器人,2.4.2总体方案求解,.,36,功能集成需要考虑各功能载体在机械结构上的关联与控制信息上的关系两个方面，是一个充分考虑如何确定合理的整体布局形式，采用恰当的传动和支撑结构，检测控制硬件、信息处理方法等的过程。,2.4.2总体方案求解,.,37,第一步：寻找总功能的转换关系,例2：挖掘机的总体方案设计,.,38,第二步：总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓）。,.,39,第二步：总功能分解功能树,.,40,第三步：建立功能结构图,.,41,第四步：寻找原理解法形态学矩阵,.,42,第四步：寻找原理解法和原理解组合,组合方案数=332314434=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=332312434=5184。,.,43,第五节机械系统方案的评价,系统评价时应考虑的因素很多，既有客观因素，又有主观因素。,功能、性能指标、可靠性、成本、寿命及人类工程学等,评价人员的经验及其评价角度,.,44,在进行系统评价时，遵循的原则,1.客观性原则,2.可比性原则,3.合理性原则,4.整体性原则,系统评价方法现在采用的较多的还是专家评审集体讨论的方法，具体有名次计分法、评分法、技术经济评价法、模糊评价法等。评价的目标将系统的总收益与总投资费用之比作为主要评价值。,.,45,2.5.1评价目标,1.评价目标的内容,1）技术评价目标,2）经济评价指标,3）社会评价目标,选择主要的要求和约束条件作为实际评价目标。68项,工作性能指标、加工装配工艺性、使用维护性、技术上的先进性,成本、利润、投资回收期等,方案实施的社会影响、市场效应、节能、环保、可持续发展等,性能,经济性,社会性,.,46,2.加权系数,加权系数是反映目标重要程度的量化系数，加权系数大意味着重要程度高。,加权系数值一般经验确定或采用强制判定法（ForcedDecision，简称FD）计算。,式中：ki各评价目标的总分，n评价目标数,评价目标与比较目标列于纵横坐标，根据目标的重要程度两两加以比较,2.5.1评价目标,.,47,例题：确定洗衣机的评价目标的加权系数。,.,48,用系统分析的方法对目标系统进行分解并图示，将总目标具体化为便于定性或定量评价的目标元，从而形成目标树。,3.评价目标树,2.5.1评价目标,.,49,2.5.2模糊评价法,利用集合和模糊数学将模糊信息数值化以进行定量评价的方法。,1.隶属度,隶属度表示某方案对评价标准的从属程度。,确定隶属度的可采用统计法或隶属函数法。,01之间的一个实数，越接近1，说明隶属程度越高。,统计法收集一定量的评价信息通过统计得到隶属度，例如对洗衣机洗净度进行评价，标准为优、良、中、差通过调查统计得到隶属度,.,50,对于多个评价目标的方案，先分别求各评价目标的隶属度，考虑加权系数，根据模糊矩阵的合成规律求得综合模糊评价的隶属度，再通过比较求得最佳方案。,2.模糊评价,多目标的模糊评价步骤如下：,2.5.2模糊评价法,.,51,1)取评价目标集Y=y1,y2,yn,评价标准集X=x1,x2,xm,2.5.2模糊评价法,.,52,3)综合模糊评价隶属度矩阵,B=AR=b1b2bjbm,乘加法：bj=a1r1j+a2r2j+anrnj,取小取大法,模糊矩阵合成方法,2.5.2模糊评价法,.,53,方案比较时遵循两个原则确定级别并排序：最高隶属度原则：每个方案按综合模糊评价集中隶属度最高的一级确定其级别；b)排序原则：方案优劣排序时同级中隶属度高者在先，注意应以本级与最高级隶属度之和为准进行比较。,4)方案选优,2.5.2模糊评价法,.,54,例：某厂在开发一种新产品时，总体设计时选定了A1、A2两个候选方案。为了确定选择哪个方案，组织了一个由10位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。专家组进行了如下几项工作：,1.确定评价指标及评价尺度,2.确定评价指标加权系数,3.构造评价方案A1、A2的隶属度矩阵,4.计算评价方案的综合模糊评价隶属度矩阵,5.计算评价方案的综合得分（优先度）并优选,2.5.2模糊评价法,.,55,在开发某机器时，总体设计选定了两种备选方案，为了确定选择哪个方案，组织了一个由20位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。已知：1)评价指标：产品性能（B1）、可靠性（B2）、使用方便性（B3）、制造成本（B4）、使用成本（B5）；每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差5个等级：0.9，0.7，0.5，0.3，0.1；2)评价指标B1、B2、B3、B4、B5的权分别为：0.3、0.2、0.2、0.2、0.1；3)投票结果如下表所示：,作业题与思考题,.,56,.,57,.,58,第六节机械系统的总体布局设计和主要参数确定,.,59,2.6.1结构方案与总体布局设计,1.结构方案设计,机械系统的原理方案仅表示功能载体的组合，但同样的功能载体可以有不同的组合，所得到的产品不仅可能有不同的形状和尺寸，甚至可能影响到整体性能。,结构方案设计的主要工作就是确定功能载体的组合方式。因此说，结构方案设计的目的不仅是将原理方案结构化，而且要实现结构的优化与创新。,.,60,在进行结构方案设计时，首先要求了解所设计产品的具体功能要求，,其次要求对所选取的功能载体工作原理十分明确。,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,61,结构布局设计虽没有固定的模式遵循，设计时需考虑：,1)运动学原则,2)基面合一原则,3)最短传动链原则,4)保证安全性原则,5)简单化原则,2.6.1结构方案与总体布局设计,按所需自由度数配置约束数,减少材料的消耗，降低制造费用,结构简单，几何形状简单，标准化通用化,.,62,2.总体布局设计的基本要求,总体布局设计的主要任务是，确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。,总体布局设计一般从粗到细，有时要经过多次反复才能确定。总体布局图可由正视图和侧视图组成或用三维图形表达，总体布局图应能反映：,1)机械的大致工艺路线2)机型特征、外形尺寸3)主要组成部件及其相对位置、尺寸,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,63,在进行总体布局时，应注意以下基本问题：,1)有利于系统功能的实现,2)有利于物料流的通畅,3)有利于安装、使用与维修,4)应注意到整体的平衡性,5)有效避免干涉,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,64,3机械系统总体布局的基本形式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)按原动机与机架相对位置可分为:前置式、中置式、后置式等；3)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；4)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；5)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；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。,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,65,卧式布置,龙门式布置,立式布置,悬臂式布置,典型布置形式,65,.,66,4.总体布局示例,2)洗衣机,3)铣床的总体布局,4)粒状巧克力糖包装机整体布局,5)手扶拖拉机的整体布置,2.6.1结构方案与总体布局设计,1)谷物收获机,.,67,2.6.1结构方案与总体布局设计,a)和c)驾驶员的工作条件较好，保养空间较大，粮箱容积受空间限制c)对驾驶员影响小，检修不方便b)粮箱容积可增大，发动机靠近驾驶台,.,68,.,69,收割台、输送装置、脱粒装置、分离装置、清选装置、粮箱、发动机、传动装置、行走装置、液压系统、电气系统、操纵装置、驾驶室,.,70,4.总体布局示例,2)洗衣机,3)铣床的总体布局,4)粒状巧克力糖包装机整体布局,5)手扶拖拉机的整体布置,2.6.1结构方案与总体布局设计,1)谷物收获机,.,71,洗衣机一般都有洗衣桶、脱水桶及相应动力和传动机构、进水和排水装置、控制台等几部分组成,2.6.1结构方案与总体布局设计,双桶洗衣机,洗衣桶及脱水桶分别放置,全自动洗衣机,套缸式结构,一个电机,洗涤脱水离合装置,.,72,4.总体布局示例,2)洗衣机,3)铣床的总体布局,4)粒状巧克力糖包装机整体布局,5)手扶拖拉机的整体布置,2.6.1结构方案与总体布局设计,1)谷物收获机,.,73,铣床的总体布置,(a)升降台卧式铣床,(b)工作台不升降立式铣床,适用于加工质量及尺寸较小的工件。铣刀只作回转铣削运动，工件的三个方向移动分别由工作台、滑鞍和升降台完成。,适用于加工质量和尺寸较大的工件。工作台不能升降，只能作纵、横方向运动，上下的运动由铣头完成。,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,74,结论：工件大小是影响总体布置的重要因素,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,75,4.总体布局示例,2)洗衣机,3)铣床的总体布局,4)粒状巧克力糖包装机整体布局,5)手扶拖拉机的整体布置,2.6.1结构方案与总体布局设计,1)谷物收获机,.,76,粒状巧克力包装机总体布局,根据巧克力糖包装机工艺，确定自动机的执行机构：送糖机构、供纸机构、接糖和顶糖机构、抄纸机构、拔糖机构、钳糖机械手的开合机构以及转盘步进传动机构等。,布局形式,由于巧克力糖是流水线生产，不宜采用料仓式上料方式，而应将包装机的进料系统直接与生产线前端设备巧克力糖的浇注成形机的出口相衔接，因此，采用回转式工艺路线的多工位自动机型，立式布局（与巧克力糖的浇注成形机相适应）,2)执行机构简介,3)总体布局,.,77,4.总体布局示例,2)洗衣机,3)铣床的总体布局,4)粒状巧克力糖包装机整体布局,5)手扶拖拉机的整体布置,2.6.1结构方案与总体布局设计,1)谷物收获机,.,78,手扶拖拉机的总体布置,(1)保持总体平衡(2)发动机和传动系统横向平行布置(3)操纵件集中布置在扶手架上结论：产品结构是影响总体布置的重要因素,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,79,(1)保持总体平衡手扶拖拉机单机不能平衡，必须配带机具(如犁、或拖车)才能平衡并稳定行驶。本例采用在机架前部和扶手架上安置配重块以保持总体平衡的办法。(2)发动机和传动系统横向平行布置采用单缸卧式发动机作横向布置。传动系统中的所有轴都是平行的，简化了传动系统。离合器多为多片常合式，为使结构紧凑，通常将其布置在从动V带轮内部。发动机横置减小了手扶拖拉机的横向振动。(3)操纵件集中布置在扶手架上扶手架在高度和长度方向均可调。,2.6.1结构方案与总体布局设计,.,80,2.6.2机械系统的主要技术参数与技术指标,机械系统的主要技术参数是能够基本反映出该系统的概貌与特征的一些项目。机械系统的技术指标，主要是指设备或产品的精度、功能等。,.,81,2.6.2机械系统的主要技术参数与技术指标,1.尺寸与规格参数,2.重量参数,影响力学性能的结构尺寸，规格尺寸,整机重量，各部件重量，重心位置等重心位置反映机器的稳定性及支承点的分布,普通车床最大工件直径最大工件长度钻床最大钻孔直径及主轴至立体导轨之间的跨距齿轮加工机床最大工件直径及齿轮的最大模数,一般在产品的设计任务书中规定,.,82,3.运动参数执行机构的转动或移动速度及调速范围等。,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,.,83,2.6.3绘制总体设计图,单个产品的总装配图,成套设备的总体布置详图,总体设计图,按比例绘制表示重要零部件的细部结构机构运动部件的极限位置操纵件的位置标注有关尺寸根据需要绘制分系统图,传动系统图液压系统图润滑系统图,原理图,电气原理图逻辑原理图功能原理图,电路接线图,绘制要求,.,84,电子皮带秤是对松散物料在运输过程中进行称量的计量设备，并能远距离传输各种重要信息，以实现遥控和自动控制。电子皮带秤是各种配料系统中的一个重要组成部分。,第七节机械系统总体设计实例,以电子皮带秤的总体设计为例介绍总体设计过程,.,85,1.明确设计任务，编写设计任务书,2.系统功能描述,3.工艺原理选择,4.功能分解,5.总体方案设计,6.总体布局设计,总体设计的基本步骤：,.,86,根据生产规模不同，电子皮带秤的称量范围可分为三档：0.21t/h、0.84t/h、420t/h。由于本产品一般用来实现配料时的成份控制，因此，要求称量准确、工作可靠。根据市场调研，拟定的设计任务书。,1.明确设计任务，编写设计任务书,.,87,返回,1.明确设计任务，编写设计任务书,.,88,根据设计任务书可知，皮带秤主要服务于散装物料的配料过程，实现在运送过程中的称量和控制。,返回,2.系统功能描述,.,89,称量的工艺原理主要有两种：,3.工艺原理选择,采用传感器,也基于杠杆原理，但称重不是采用砝码，而采用传感器，因此，不仅能做到称量准确，而且可测出所要求的物料输出速度。,传统的杠杆砝码式,利用杠杆原理的机械式称量，这种称量方式不仅无法满足准确性的水泥等行业的配比要求，而且无法测出所要求的物料输出速度。,.,90,电子皮带秤工艺原理简图,返回,3.工艺原理选择,.,91,为了完成散装物料运送过程中的定量及其控制，皮带秤应能承接、运送、称量散装物料，并能按给定的信息控制称量的重量，这就要求皮带秤能实现测重及测速，并在超差时通过调节运送速度控制称量的重量，还要显示称量过的累积重量。,4.功能分解,.,92,返回,4.功能分解,.,93,5.总体方案设计,1)功能求解,2）方案评价,评价指标及加权系数的确立,专家组评分并决策,分为两步：,.,94,5.总体方案设计,根据功能树中所提出的各分功能，寻求可能的功能载体，形成功能载体形态学矩阵，,1)功能求解,.,95,根据形态学矩阵可组合