机械系统设计课件

1.1机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用

机械工程科学是研究机械产品的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学，机械工程科学可以按其经历阶段分为机械学和机械制造两大分学科。

1）首先研究的是机械产品的性能

2）从满足产品性能的目的出发进行设计（总体设计和技术设计）

3）利用一定的方法和技术手段制造出该产品

注意：产品制造完成后最终的目的还是要出售，要出售的不是产品的本身，而是产品的性能和服务。

表征产品性能主要参数指标：功能、适应性、可靠性、安全性、使用成本等

绪论1机械工程科学的组成及相互关系1）用先进的设计技术设计出“质量很差的产品”；

2）用先进的制造技术生产出“落后的高质量的产品”2机械设计与制造的关系：设计与制造是不可分的统一体。设计是核心，制造是基础。

1）脱离了制造的设计会导致产品质量的低劣。由于制造系统本身的特定条件，对设计过程有极强的约束作用，所以在设计过程中必须考虑到现有制造系统的工艺能力对所设计产品性能的影响。

2）脱离了设计的制造会导致产品性能的落后。如果设计的产品从理论上或原理上存在先天不足，那么加工制造的质量再好，也无法弥补设计上的缺陷。机械设计与制造的关系：制造对设计的约束作用3

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。

机械学的主要任务：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，并加工出合乎设计要求的产品的过程。

机械学的研究对象：

1)

机械工程中图形的表示原理和方法

2)机械运动中的运动和力的变换与传递规律

3)

机械零件与构件中的应力、应变和机械的失效

4)

机械中的摩擦行为

5)

设计过程中的思维活动规律及其设计手段

6)机械系统与人、环境的相互影响等机械学/机械学的主要任务/机械学的研究对象4机械学的研究对象(按学科分类)机械学的研究对象按学科来分：1)

制图学

2)

机构学

3)

机械结构强度学4)

机械振动学

5)

摩擦学

6)

传动机械学7)

设计理论与方法学

8)

机器人机械学9)人-机工程学等分学科。

5人机工程学：研究机械系统与人和周围环境关系的科学。人机工程学的两种设计思想：1）以人为中心；2）以机器为中心

机械学的研究对象——人机工程学注意：两种设计思想均正确，针对不同的矛盾采用不同的设计思想以机器为中心通常是设计者考虑问题的出发点——如何以最佳的原理及结构实现系统的功能。以人为中心通常是用户或使用者/操作者考虑问题的出发点——如何以最舒适、最人性化的方式使用机器。要求设计者和用户沟通，以便实现最佳的产品性能和操作性能6机械学包含的分学科7

机械制造科学：研究机械制造系统、机械制造过程手段的科学。包括：硬件（设备）、软件（工艺方法）机械制造科学的基本概念机械制造学包括热加工和冷加工。8热加工：研究如何将材料加工成产品，如何保证、评估、提高这些产品安全可靠度和寿命的技术科学。主要内容：

1)

研究如何将材料加工成为一定形状及尺寸的机器部件

2)

研究在加工过程中保证或改进材料的内部组织、化学成分和加工性能

3)

研究发展机器部件所需的本体材料或其表面层

4)

研究机器部件的疲劳、蠕变、断裂韧性、应力腐蚀、寿命等使用性能问题

5)

研究加工工艺、加工装备机器自动流水线机械热加工学按方法可分为：铸造、锻造、焊接、金属热处理、无损探测、表面工程等分学科。机械制造学的基本概念——热加工9冷加工：研究各种机械制造过程和方法的技术科学。冷加工主要研究内容有：

1)

机械加工和装配工艺过程的生产装备及其自动化、集成化与智能化

2)

机械加工和装配工艺的过程和方法

3)机械制造（冷加工）的基础理论。机械制造学的基本概念——冷加工10机械（无严格的定论）：须由两个以上的零、部件组成；这些零、部件中的运动部件，应按设计要求作确定的运动；把外来的能源变为有用的机械功。机械产品随处可见。系统：指具有特定功能的、相互间有一定联系的许多要素构成的整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体。机械系统：由若干个零、部件及装置组成的一个特定系统，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统。系统的特性：

1)目的性；2)相关性与整体性；3)环境的适应性。二机械、机械系统、系统的基本概念和特点11

目的性：完成特定的功能是系统存在的目的。系统特性

相关性与整体性：系统是由两个或两个以上要素构成的，而每个要素之间都是有机地并以特定的关系联系在一起的，即相关性。这样，当每个要素自身发生变化时，就会影响到与此要素相关的其它要素，同时各要素间的相互作用相互影响也会对系统产生影响。

环境适应性：任何一个系统都存在于一定的环境中，当环境变化时，就会对系统产生影响，严重时会使系统的功能发生变化，甚至丧失功能。由于外部环境总是不断变化着，而系统本身大多数情况下也总处于动态的工作过程中，因此，为了使系统运行良好，并完成特定功能，必须使系统对外部环境的各种变化和干扰有良好的适应性。12

机械系统主要由动力系统、执行系统、传动系统、操作和控制系统、支承系统及润滑-冷却及密封系统等子系统组成。三、机械系统的组成

131）任何系统都离不开机械系统2）机械系统是任何设备的基础，机械系统的技术指标直接影响设备的性能。四、机械系统的地位与作用14汽车中的机械系统四、机械系统的地位与作用（举例）15机器人中的机械系统

机器人设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。

下面以工业机器人为例，介绍机器人的一般组成、各部分作用以及机械手的一般结构。四、机械系统的地位与作用（机器人）1618世纪瑞士的写字偶人哈工大爬壁机器人爬缆索机器人仿人机器人北航仿生鱼管道机器人17

排雷机器人“索杰纳”火星车引导机器人

工业机器人181）机器人的基本组成及各部分功能驱动系统：机器人各个关节即每个运动自由度的动力装置机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成．

感受系统：它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息

机器人—环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统．人—机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能．四、机械系统的地位与作用19四、机械系统的地位与作用（举例：机器人）机器人中的机械系统202）机械手的结构

手臂型机器人通常称为机械手或机器人手臂。同样具有机械系统的特征和要素。图2.3机械手的概念图四、机械系统的地位与作用（机器人）21常用机械手手臂机构图2-4油缸和齿轮齿条手臂机构图2-5气缸和齿轮齿条增倍手臂机构（手臂回转运动）

（手臂伸缩运动——增倍）四、机械系统的地位与作用（机器人）22常用机械手手爪机构图2.6回转型手爪机构图2-7平移型手爪机构四、机械系统的地位与作用（机器人）23四、机械系统的地位与作用（转台）转台分为两大类：测试转台、仿真转台用途：

1）测试转台用于加速度计、陀螺仪等的标定；

2）仿真用转台用于航天器动态跟踪精度和性能仿真测试

转台中的机械系统主要包括：

1）驱动电机（动力原件，一般用交流无刷力矩电机）；

2）精密机械轴系（高精度轴承）；

3）测角系统；

4）安全保护系统；

5）底座（支承系统）；

6）框架/负载安装界面（执行系统）；

7）润滑及密封装置。24功能：标定加速度计；原理：加速度计标定原理分两种情况

1）小于等于1g；2）大于1g；机械系统结构：

1）转台主轴轴系采用密珠支撑，以提高支承刚度和运动精度

2）分度转台的定位精度主要有一对端齿盘保证

3）精密测角系统

4）操纵系统

5）执行系统（负载安装盘）1）位置精度1〃2）位置重复性<0.5〃1加速度计、陀螺仪测试用角位置转台252单轴位置速率转台263三轴伺服转台

27典型三轴转台机械系统结构图2829典型三轴转台照片——速率模式机电一体化系统有五大要素组成

1）动力；2）机构；3）执行器；4）计算机；5）传感器现代机械系统：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相联系的系统。现代机械系统的概念机电一体化产品的组成要素30本次课小结机械工程学科及分类机械设计与制造的关系机械、系统和机械系统机器人系统、转台系统311.2机械系统设计的任务、基本原则及要求一、机械系统设计的任务及设计类型任务是开发新的产品和改造老产品，最终目的是为市场提供优质高效、物美价廉的机械产品，以取得较好的经济效益。机械系统设计的特点：

(1)多解性一个设计方案不可能同时满足所有用户的要求；能满足同一用户需求的设计方案一般来说也不止一个；设计的多解性为同类功能的产品适应不同要求提供了可能。

(2)创新性善于把新的科技成果进行科学而巧妙的构思应用到产品中去

(3)系统性（系统工程，需要考虑的因素很多）32机械系统设计的特点系统性的含义及要考虑的因素：

1）用户对产品技术性、经济性的要求；

2）必须考虑与产品加工和制造、产品运输、产品维修/维护/保养的约束条件；

3）解决技术可行和产品可靠性的问题；（技术成熟程度、可靠性高低，风险大小）

4）需要解决的关键技术及须采取的措施

5）考虑机械产品本身的系统性（有竞争力的机械产品是用系统工程的方法对合格的零部件进行科学组合、合理匹配的结果）

6）面对市场和考虑企业自身发展；33机械系统设计的分类大致可以分为三类：

1)完全创新设计

2)适应性设计（适应新要求）（继承设计）

3)变异性设计（适应某方面有所变更的要求）（变型设计）一、机械系统设计的任务及设计类型完全创新设计：所设计的产品是过去从没有过的全新产品。此类设计的特点是只知道新产品的功用，但对确保实现该功能应采用的工作原理及结构等问题完全未知，没有任何参考资料。完全创新设计的特点：

产品的主功能、主功能的工作原理、主功能载体的结构，这三者中至少有一项是首创的34二、机械系统设计的基本原则及要求

做好机械系统设计的重要性产品获得所需要经历的两个阶段：设计阶段、制造阶段。

1）由于设计和制造的相互影响和密不可分性，在设计阶段要充分考虑到制造的影响；（连接设计与制造的是工艺）

2）在设计阶段避免犯颠覆性或原理性的错误

3）制造缺陷影响产品质量、而设计缺陷则影响产品的性能35

一般设计原则主要包括满足：

(1)需求原则；（一切设计都是以满足客观需求为出发点）

(2)信息原则；（在设计前作调查研究，广泛收集资料和必要信息，不能闭门造车。要记住市场的敏感性，可能已经有了想要的产品，不做市场调查和信息收集往往会导致你作无用功）

(3)系统原则；（从系统的观点出发，抓住主要矛盾，忽略或降低次要矛盾对系统性能的影响进行设计）

(4)优化、效益原则；（优化的目的是提高效益；优化的内容包括原理、设计参数、总体方案、成本、价值、效率优化等）

二、机械系统设计的基本原则及要求36设计要求的重要性设计要求：既是设计、制造、试验、鉴定、验收的依据，同时又是用户衡量的尺度。所以，在设计前，必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。

要求我们在设计前必须对所进行的设计要求有一个清晰明确的认识必要时要与用户进行沟通，详细了解用户对产品的性能、产品的使用环境、维护/保养条件、产品的安装位置等二、机械系统设计的基本原则及要求37

设计要求主要包括：

(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)成本要求等。功能要求:1）用户购买的是产品的功能（说明功能的重要性）。

2）功能与技术、经济性密切相关

3）功能减少可能会丧失市场，要在满足基本功能的情况下，科学的对功能进行取舍适应性要求：

1）适应性要求指当工作状态发生变化时产品的适应程度；

2）适应性的提高将会给产品的设计、制造、维护等方面带来很大困难，甚至达不到。二、机械系统设计的基本原则及要求38可靠性要求:1）可靠性要求指系统、产品、零件在规定的使用条件下，在预期的使用时间内完成规定功能的概率。

设计要求主要包括：

(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)成本要求等。生产能力要求:1）生产能力要求指单位时间内所能完成工作量的多少，是一项重要的技术指标。

2）提高生产力可能会带来负面问题，只有负面问题得到妥善解决后去提高生产能力才有意义二、机械系统设计的基本原则及要求39

设计要求主要包括：

(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)成本要求等。使用经济性要求:1）使用经济性指单位时间内生产的价值与同时间内使用费用的差值，使用经济性越高越好；

2）使用费用主要包括：原材料、辅料消耗、能源消耗、保养维修、折旧、工具耗损、操作人员的工资等。（买车时最有体会了）成本要求:1）成本高低直接影响竞争力；

2）在机械产品中，要注意材料费用，主要是材料品质、利用率、废品率。二、机械系统设计的基本原则及要求40

从图1.11可以看出机械产品的成本组成，它主要由材料费、工资以及附加费三部分组成。介绍机械产品成本组成的目的是学会如何从设计的角度来降低产品的成本。

机械产品成本组成中与设计有关的因素1）材料的数量、质量；2）工序的数量、工序时间、工人技术级别；

3）设计的简化；4）安全系数（举例，吊车）；5）零件结构；6）制造方法；7）设计精度机械产品成本的主要组成41图1-12表示了产品生产过程和寿命阶段的大致流程。三、产品设计、产生过程42

在产品设计、生产流程图中属于设计过程的主要有产品策划阶段和产品设计阶段。产品生产属于制造过程。43三、产品设计、生产过程产品策划阶段的任务：

1）了解市场需求；

市场需求分析：对产品功能和用户群体等的定位及市场前景分析

2）何时、为那种市场开发、创造和销售那种产品；

3）详细介绍产品的开发目的、性能和其他必要数据。

总之，产品策划阶段是为了给某一用户或某一类用户而开发的产品制定详细的任务书，在整个设计过程中起着指导性的作用。市场需求分析和产品策划的主要内容：三、产品设计、生产过程2）有关产品的国内外水平和发展趋势（*）

3）预期达到的目标

(设计水平、技术特点、经济和社会效益等)4）提出设计和制造方面所需解决的关键问题（*）5）现场条件下开发产品的可能性及准备采取的措施（*）6）预算投资费用及项目的进度和期限（*）容易被设计者特别是经验不足的设计者忽略的问题1）产品开发的必要性和市场需求预测44

设计阶段又分为功能原理方案设计阶段、结构总体设计阶段和技术设计阶段。（各阶段任务）

功能原理方案设计阶段的任务：在功能分析的基础上，通过创新思维、优化筛选、方案综合及评价决策，最后得到一个较理想的功能原理方案。

结构总体设计阶段的任务：把功能原理方案具体化,在此阶段主要完成产品的总体布置图、尺寸参数、运动参数、动力参数的确定以及所需的各种装配图。

技术设计阶段的任务：根据总装配图绘制零件图，编制技术文件（如设计说明书，各种工艺文件、标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等）。另外除了教材中列出的工作以外，还应有编制产品的测试方法、使用说明书、维护手册等

功能原理方案设计阶段的重要性：功能原理方案的好坏将决定产品的性能、成本、水平及竞争力，是设计阶段的关键。三、产品设计、生产过程45功能原理方案设计和结构总体设计的重要性举例：举例：投标一般投标时所提供的标书技术文档包含两部分内容，一是技术文档，另外一部分是商业文档。技术文档详细给出了应标的详细技术方案，主要是功能原理方案和结构总体方案。各投标方在技术上PK的是功能原理方案和结构总体方案。评标委员会根据你的功能原理方案、报价、技术成熟程度、可靠性等打分，最后确定中标单位。三、产品设计、生产过程46三、产品设计、生产过程——补充内容

商品化设计：其任务是保证产品不仅在技术上可行，而且在市场竞争中也能取得成功。商品化设计的核心是功能原理的新颖性，基础是产品技术性能的先进性，包装是市场要求的适应性。需对设计策赂、销售策略和经营策略进行全面考虑。商品化设计阶段的工作重点是：

1）实现性能的实用性变化，包括适应不同使用条件、开发新的用途、增添附加性能等；

2）零部件标准化、性能尺寸规格系列化、非标准零部件通用化和零件结构模块化等；

3）产品的工业艺术造型设计；

4）产品的价值分析等。47三、产品设计、生产过程——补充内容产品的商品化设计举例-叉车481.3机械系统设计方法一、机械系统的设计方法

1）传统设计方法2）现代设计方法传统设计方法：经验设计方法、半经验半理论的设计方法经验设计方法：设计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计。经验设计方法特点：

1）用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求

2）结构的安全系数较大，经济性差

3）只是依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。

4）产品研制周期长，产品的质量低、成本高。49一、机械系统的设计方法

传统设计方法——半经验半理论的设计方法半经验半理论设计方法：

1）加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究

2）为设计提供了大量的信息，如设计数据、图表图册等；

3）加强了关键零部件的试验研究，使整机试验趋于完善，大大提高了设计速度和成功率；

4）加强了零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。

半经验设计方法与经验设计方法相比，大大减少了设计的盲目性，有效地缩短了设计周期．提高了机械产品的质量和寿命．降低了成本。1.3机械系统设计方法50

传统设计方法因其简易方便至今仍被广泛应用，但其不足之处主要表现在：①在设计理论上，主要集中在揭示设计对象的内在机理，而未将“设计”本身作为一门学科进行研究，对设计对象内在机理的分析也仅局限于采用简化模型；②在设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、技术与经济、技术与美学、设计与销售等关系辩证地统一起来，融会贯通于设计之中，因而设计方法上有很大的局限性；③在设计本质上，未能将创造性设计提高到应有高度来认识和研究，使具体设计缺乏创造性的思维方法。1.3机械系统设计方法511机械系统的现代设计方法现代设计方法现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的简称。是科学方法论在设计中的应用。这些方法可以应用到各行各业，应用到机械设计中，则称为机械系统的现代设计方法。1.3机械系统设计方法52现代设计方法的内容主要包括：信息论方法—如信息分析法、技术预测法，是现代设计方法的前提系统论方法—如系统设计法、人——机工程等控制论方法—如动态分析设计法优化论方法—优化设计法是现代设计的目标对应论方法—如相似设计法智能论方法—如CAD、CAM等，是核心寿命论方法—如可靠性设计和价值工程等离散论方法—如有限元和边界分析设计法模糊论方法—如模糊设计法突变论方法—如创造性设计等，是现代设计法的基础艺术论方法—如艺术造型设计531设计方法学11模块化设计2优化设计12热稳定性设计3可靠性设计13精度设计4工业艺术造型设计14相似设计5有限元法15设计专家系统6动态设计16并行设计7计算机辅助设计17绿色设计8疲劳强度设计18虚拟设计9损伤容限设计19智能工程10摩擦学设计20反求工程54现代设计方法2现代设计方法与传统设计方法的比较现代设计方法特点：动态的、科学的、计算机化的方法。将那些在科学领域内得到的所有科学方法论应用到工程设计中。主动的设计产品的参数。缩短产品的设计周期。提高产品的质量并降低其成本。552现代设计方法与传统设计方法的比较现代设计方法与传统设计方法的不同之处主要表现在以下几方面：(1)设计性质(传统设计偏重于设计技术；现代设计面向功能目标)(2)设计思维(传统设计朝向结构方案的“收敛性思维”；现代设计面向产品总功能的“发散性思维”)(3)设计方法(传统设计采用少数的验证分析以满足限定的约束条件；现代设计是用多元性方法直接综合使其在各种情况下实现方案与全域优化目标)(4)设计手段(传统设计是用计算器、图板、手册的个体手工作业；现代设计充分利用计算机、自动绘图和数据库管理，集团分工协作)56现代设计方法与传统设计方法的不同之处主要表现在以下几方面：(5)设计对象(传统设计局限在零件和结构上；现代设计则注重机械系统的全局构成，包括造型艺术)(6)设计工况(传统设计避开复杂问题，只按确定工况与静态考虑；现代设计则研究动态的随机工况、模糊性与其它一系列问题)(7)设计评价(传统设计采用单项与手册标准为准则（如强度、成本等）；现代设计方法则用科学的模糊综合评价)2现代设计方法与传统设计方法的比较5758为什么采用可靠性设计

可靠性：产品(或系统)在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性的基本概念59可靠性定义主要包括了以下五个基本要素：(2)规定的条件常指使用条件、环境条件、操作条件和维护条件等，这些条件对可靠性会有直接影响。(3)规定的时间一般是指对象的工作期限,该期限可以用时间、次数或距离等表示。(4)规定的功能每一对象都有其所要求的功能，功能常用各项规定的指标来表示。产品丧失功能的状态称为发生故障或失效。(5)能力完成规定功能的能力不仅有定性的含义而且有定量的指标，描述这种能力一般都要采用概率和数理统计的方法。(1)评价可靠性的对象对机械产品而言可以是一个零件、一个部件，也可以是一台机械设备或是多个机械设备组成的系统。可靠性的基本概念60

可靠性设计—应用可靠性理论和设计参数的统计数据，对零件、部件、设备或系统等在保证达到给定的可靠度的条件下，进行设计的一种方法。重要内容之一是可靠性预测，其次是可靠性分配。可靠性预测是一种预报方法，即从所得到的失效数据预报一个零、部件或系统实际可能达到的可靠度，预报这些零、部件或系统在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠性分配通过串联或并联的方法来保证系统的可靠度指标，对于关键零、部件应进行冗余设计，使可靠性指标得到保证。61可靠性设计的步骤确定系统的可靠度指标。按需要、技术水平、研制时间、成本等。从可靠性的角度进行失效分析、影响分析、可靠度预测，估算。进行必要的试验。进行可靠度分配，赋予各部分直到基本单元的合理的可靠度指标。进行零件的可靠性设计计算。

有限元法目前在机械系统设计中是一种非常重要的分析、计算方法，借助有限元分析软件，可以替代传统的根据理论力学、材料力学的基本公式计算结构件的静态变形、位移、应力、应变，动态模态分析，以及其它如流体力学分析、热分析、磁场分析等等。有限元法：是将弹性连续体简化为有限个单元组成的离散化模型，对离散化模型求出数值解，是在力学模型上进行近似计算，有限元法已经是一种广泛应用且行之有效的数值近似解法。62现代设计理论与方法—有限元法的基本概念有限元法在转台设计中的应用63

为了给大家建立有限元分析的基本概念,首先看一个静态分析的例子。分析零件的静态变形。首先看传统方法，也就是利用材料力学的有关知识进行计算。有限元法应用举例64v——最大挠度P——集中力载荷E——弹性模量I——惯性矩这时出现了一个问题：I值如何确定？I值如何确定是一个与截面形状有关的量。对于规则的截面形状，可以查表得到；对于不规则的截面形状如何处理呢？传统方法计算弯曲变形65存在问题：1）台面截面不规则，属于变截面；2）不受集中力，而是在一定面积区域受力有限元分析举例66平面图三维实体图有限元分析软件单元类型确定/材料特性定义/单元划分施加载荷/约束条件选择分析类型(静态分析/模态分析)结果输出二维平面图有限元法进行静态/模态分析的一般步骤671机械工程科学研究的内容包括几大分学科?

各分学科之间的相互关系又怎样?2什么是系统?系统有何特性?什么是机械系统?机械系统由几大部分组成?

机械系统在产品中的地位与作用?4在设计机械系统时，为什么特别强调和重视从系统的观点出发?5机械产品设计有几种类型?6简述产品产生过程及设计的一般过程。7什么是机械系统的现代设计方法?此方法与传统设计阶段的设计方法有何联系与区别?习题与思考68

执行系统设计一、执行系统的组成执行末端件—直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、转动、移动等）或在工作对象上完成一定动作（切削、锻压、清洗等）的部件。执行机构—给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动进行必要的转换，以满足执行末端件的要求。693.1执行系统的组成、功能及分类设计一套机械系统的目的是要使所设计的系统具有一定的预期功能，那么在系统中能直接完成预期工作任务的那部分子系统就是执行系统。图3.1卧式车床主轴顶尖或夹盘是执行末端件；70执行末端件执行机构主轴则是执行机构图3.2手爪平行开闭式机械手结构示意图11是执行末端件1、8—滑动齿条；2、3—小齿轮；4—双面齿条；5—气缸；6—活塞；7—螺杆；9—滑动齿条导轨；10—压缩弹簧；11—可换夹爪

71执行末端件执行机构以上两例中的执行系统都是由纯机械结构组成的。随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断地发生变化：

一方面由于机械的含义在不断地扩展，如电子、电器、光学、液体、气体等也可以直接与纯机械结构结合，组成较先进的机电、机光、机液等执行机构；

另一方面又由于传动系统变得越来越简单，有时一个机构可以既是传动系统又是执行系统，如连杆机构的应用，所以，执行系统可以由一个简单的结构来组成，也可以由一些基本结构组合成的复杂机构来组成。这主要视系统的功能来决定。一般说来，能完成同一功能的执行系统可以有不同的方案，但应选出既能满足功能要求，又简单、可靠的一个方案。72二、执行系统的功能1、实现运动形式或运动规律变换的功能

(1)实现预期固定轨迹或简单可调的轨迹功能(2)匀速运动与非匀速运动的变换(3)连续运动与间歇式转动或摆动的变换2、实现开关、联锁和检测等的功能(1)用来实现运动的离合或开停(2)用来换向、超越或反向止动(3)用来实现联锁、过载保护、安全制动(4)实现锁止、定位、夹压等(5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等3、实现程序控制功能4、实现施力功能如压力机、矿石粉碎机等73执行系统的功能（示例1）图3.3联动凸轮机构

凸轮A,B控制E的运动轨迹，可根据运动轨迹的要求设计凸轮曲线。74E—执行末端件其它—执行机构执行末端件执行系统的功能（示例2）曲柄摇杆ABCD机构实现刀具的慢进和快退。

AB的长度调节行程。

M1,M3调节刀具与工件的相对位置（XY向）。

M2调节工作台的高度。曲柄摇杆FGHI驱动棘轮J带动螺杆K实现每循环进给量。75有两个执行末端件：刀具和工作台图3.4牛头刨床三、执行系统的分类按执行系统对运动和动力的要求：动作型：要求执行系统实现预期精度的动作(位移、速度、加速度等)，而对执行系统中各构件的强度、刚度无特殊要求。缝纫机、包糖机、印刷机等。

动力型：要求执行系统能克服较大的生产阻力，做一定的功，因此对执行系统中各构件的强度、刚度有严格要求，但对运动精度无特殊要求。曲柄压力机、推土机、挖掘机、碎石机等。动作动力型：要求执行系统既能实现预期精度的动作，又要克服较大的生产阻力，做一定的功。滚齿机、插齿机等。

76按执行系统中执行机构的相互联系情况三、执行系统的分类单一型：在执行系统中，只有一个执行机构工作。搅拌机、碎石机、皮带输送机等。相互独立型：在执行系统中有多个执行机构进行工作，但它们之间相互独立、没有运动及生产阻力等方面的联系和制约。外圆磨床的磨削进给与砂轮转动，起重机的起吊与行走动作等。相互联系型：在执行系统中，有多个执行机构，且它们之间有运动及生产阻力等方面上的联系和制约。印刷机、包装机、缝纫机、纺织机等。773.2执行系统设计执行系统设计基本要求：保证设计时提出的功能目标。足够的使用寿命和强度、刚度要求。各执行机构应结构合理、配合协调。通过分析，执行末端件的运动无外乎是回转运动、直线运动或者两种运动的合成。

回转运动：圆导轨、轴承、齿轮等；电动机等

直线运动：直线导轨、液压缸等；直线电机78执行系统是总系统中的一个子系统，且此系统的一端与被执行(加工)对象接触，另一端与传动系统连接，因此，在设计执行系统时，不但要明确本系统中各零、部件的相互作用及设计要求，同时，还要了解与其它系统的联系、协调和分工，进而使总系统处在最佳状态下工作。

一、执行轴机构的设计（简介）利用轴的回转运动来完成执行任务的情形很多很多：如机床中执行轴带动工件或刀具，可完成工件表面的成形加工运动；轧钢机中通过轧辊(相当于机床中的执行轴)对钢材的轧制，以获得不同形状、尺寸的型钢以及一些自动装配线上使用的各种不等速或间歇回转机构的轴等。这些执行轴由于功用不同，故各自的具体结构及执行轴机构的组成及布置也不一样。但归结起来执行轴机构一般主要由执行轴、安装在其上的传动件(齿轮、皮带轮等)、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件(螺母)等组成，因此，设计执行轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本身。79图3.9主轴前端结构

1—螺钉2—环形锁紧盘3—主轴前端4—拨盘或卡盘5—螺母6—双头螺栓

例3.6CA6140普通车床主轴组件80采用锥面配合阻尼套结构向心球轴承推力球轴承斜齿轮滑移齿轮例：万能外圆磨床砂轮架主轴结构具有高的回转精度、刚度、抗振性及耐磨性要求81

例：万能外圆磨床砂轮架主轴结构

砂轮架主轴的径向支承是“短三瓦”式的滑动轴承。每一滑动轴承由三块扇形轴瓦组成。每块轴瓦1都支承在球面支承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉10即可调整轴承的间隙。螺钉11是锁紧螺钉。短三瓦轴承是液体动压滑动轴承。82二、导轨设计（简介）1、导轨的功用

导向和承载。2、导轨的分类(a)按运动轨迹分:直线和圆周运动；

(b)按工作时的摩擦性质分为:滑动导轨和滚动导轨；滑动导轨中又有:普通滑动、液体动压、

液体静压和卸荷导轨等；

滚动导轨按滚动体分为:滚珠、滚柱和滚针导轨；(c)按受力情况可分为:开式和闭式导轨。83

开式导轨闭式导轨

导轨在部件自重和外载作用下，导轨面c和d在导轨全长上始终贴合着当动导轨受到较大的倾覆力矩M时，其自重不能使导轨面e和f始终贴合，所以，必须增加压板1和2，以形成辅助导轨面g和h。843、导轨的基本要求：(a)导向精度是指动导轨沿支承导轨运动的准确度，即直线运动导轨的直线性、圆周运动导轨的真圆性和导轨与其它运动件之间相互位置的准确性。导轨应具有足够高的导向精度，且需要在长期工作后仍保持原有的很高的导向精度——精度保持性。影响导轨导向精度的主要因素是导轨的几何精度和接触精度。(b)支承刚度表示导轨受载后抵抗变形的能力。导轨变形主要是由导轨自身变形(接触变形、扭转、弯曲变形)和导轨支承件变形引起导轨变形组成的。(c)高灵敏度指当动导轨作低速运动或微量位移(以μm为单位)时，应保证其运动的灵敏性及低速运动的平稳性，即不出现爬行现象，使动导轨的运动准确到位。影响导轨灵敏度及运动平稳性的因素主要是：导轨的结构及材料、动与静摩擦系数的差值、润滑及与动导轨相连的传动链的刚度等。85导轨的设计主要有下列内容：根据工作情况选择合适的导轨类型；根据导向精度要求及制造工艺性，选择导轨的截面形状；选择合适的导轨材料、热处理及精加工方法；确定导轨的结构尺寸，进行压强和压强分布的验算设计导轨磨损后的补偿及间隙调整装置；设计良好的防护装置及润滑系统。4、导轨的设计内容865、导轨间隙的调整—平镶条875、导轨间隙的调整—楔形镶条885、导轨间隙的调整—压板89

传动系统设计90传动系统:

将动力源(或某个执行件)的速度、力矩传递

给执行件(或另一执行件），使该执行件具有

某种运动和出力的功能。传动系统执行系统动力系统外联传动链内联传动链传动链一、传动系统的类型

a、按驱动机械系统的动力源分为：电动机驱动、内燃机驱动等，而电动机驱动又有交流异步电动机(单、多速)驱动，直流并激电动机、交流调速主轴电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动，步进电动机驱动等。b、按动力源驱动执行件的数目分为：独立驱动、集中驱动和联合驱动等。

c、按传动装置分为：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及上述装置的组合。

机械传动装置：输出速度不变和输出速度可变两类。

输出速度可变：分为有级变速和无级变速。

914.1、传动系统的类型和组成1.无级变速传动系统无级变速是指执行件的转速(或速度)在一定的范围内连续地变化，这样可以使执行件获得最有利的速度，能在系统运转中变速，也便于实现自动化等。依靠摩擦力来传递转矩；存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合；变速范围小，通常为4～6，少数可达10～15。它的传动平稳运动换向冲击小易于实现直线运动92特点：(1)机械无级调速器：(2)液压无级变速装置：特点：(3)电气无级变速装置有级变速：在变速范围内不能连续地变换，属于有级变速。2.有级变速传动系统CA7620型液压多刀半自动车床主传动系统及转速图93传递的功率大变速范围宽传动比准确工作可靠有转速损失特点：3.固定传动比的传动系统如果机械系统的执行件要求以某一固定的转速(速度)工作，则连接动力源与执行件的传动系统属于固定传动比的传动系统，即该系统是由若干个固定传动比串联组成。起重机传动系统简图941.独立驱动传动系统(1)只有一个执行件；(2)有多个运动不相关的执行件；(3)数控机械系统。曲柄压力机传动系统图(二)独立和联合驱动传动系统952集中驱动传动系统是指机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动。(1)执行件间有严格的传动比要求；(2)各执行件间运动有顺序或协调的要求；(3)各执行件的运动相互独立。由两个或多个动力源经各自的传动链联合驱动一个执行件的传动系统，主要用于低速、重载、大功率、执行件少而惯性大的机械。3联合驱动传动系统(二)独立和联合驱动传动系统96二、传动系统的组成971、变速装置

交换齿轮，滑移齿轮，离合器，前三种的组合，啮合器2、起停和换向装置要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力3、制动装置要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、散热好4、安全保护装置销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器减小离合器尺寸避免出现超速现象考虑结构因素制动器与离合器必须互锁确定合理安装位置闸带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边拓展内容：常用传动981、行星齿轮传动2、摆线针轮行星传动3、谐波齿轮传动1、行星齿轮传动

99中心轮行星轮内齿轮行星架1、行星齿轮传动

100一个或一个以上齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线迴转的齿轮传动

。差动轮系：三者都不固定﹐确定机构运动时需要给出两个构件的角速度﹔行星轮系：固定内齿轮b或太阳轮a。

常见行星齿轮传动的类型和性能

差动轮系可以把两个给定运动合成起来﹐也可把一个给定运动按照要求分解成两个基本件的运动。行星齿轮传动应用广泛﹐并可与无级变速器﹑液力耦合器和液力变矩器等联合使用﹐进一步扩大使用范围。1、行星齿轮传动

101(1)齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动

动画演示从演示中可以看出，此种组合为降速传动，通常传动比为2.5～5，且转向相同。

102(2)齿圈固定，行星架主动，太阳轮被动

动画演示从演示中可以看出，此种组合为升速传动，传动比为0.2～0.4，且转向相同。103(3)太阳轮固定，齿圈主动，行星架被动动画演示从演示中可以看出，此种组合为降速传动，传动比为1.25～1.67，且转向相同。104(4)太阳轮固定，行星架主动，齿圈被动

动画演示从演示中可以看出，此种组合为升速传动，传动比为0.6～0.8，且转向相同。105(5)行星架固定，太阳轮主动，齿圈被动

动画演示从演示中可以看，出此种组合为降速传动，传动比为1.5～4，且转向相反106(6)行星架固定，齿圈主动，太阳轮被动动画演示从演示中可以看，出此种组合为升速传动，传动比为0.25～0.67，且转向相反。

107(7)把三元件中任意两元件接合为一体的情况从演示中可以看出，行星齿轮间没有相对运动，作为一个整体运转，传动比为1，且转向相同。动画演示1082、摆线针轮行星传动

1092、摆线针轮行星传动

1101－摆线行星轮，2－针轮，H－系杆，V－输出轴2、摆线针轮行星传动图示摆线针轮行星传动机构中，运动由系杆H输入，通过输出机构由轴V输出。摆线针轮行星传动也是一种K—H—V型一齿差行星传动。在摆线针轮传动中，行星轮的齿廓曲线不是渐开线，而是变态外摆线，中心内齿轮采用了针齿，又称为针轮。同渐开线少齿差行星传动一样，其传动比为：由于Z1

–Z2=1，故i=-Z2，即摆线针轮行星传动可获得大传动比。摆线针轮行星传动具有减速比大（一级减速比9-115，多级可获更大减速比）、结构紧凑、传动效率高（一般可达90%~94%）、传动平稳、承载能力高、使用寿命长等优点，与渐开线少齿差行星传动相比，无齿顶相碰和齿廓重叠干涉等问题。在军工、矿山、冶金、化工等工业部门得到广泛应用，以其多方面的优点取代了一些笨重庞大的传动装置。其主要缺点是加工工艺复杂，制造成本较高。i=-Z2/（Z1–Z2）

1113、谐波齿轮传动谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动。下页图为谐波传动的示意图。1为具有内齿的刚轮，2为具有外齿的柔轮，H为波发生器。这三个构件与少齿差行星传动机构的中心内齿轮、行星轮2和系杆H相当。通常波发生器为主动件，而刚轮或柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆，是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区，同时在椭圆的短轴两端，两轮轮齿完全脱开。至于在其余各处，根据柔轮回转方向的不同，或处于啮入状态，或处于啮出状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断变化，从而使轮齿的啮合区和脱开区也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。动画仿真1123、谐波齿轮传动113在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有两波和三波。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数（即波发生器上的滚轮数）的整倍数，通常取作等于波数。由于在谐波齿轮传动过程中，柔轮与刚轮的啮合过程与行星齿轮传动类似，其传动比可按周转轮系的计算方法求得。当刚轮1固定，波发生器H主动，柔轮2从动时，传动比为：iH2=—Z2/（Z1–Z2）

当柔轮2固定，波发生器H主动，刚轮1从动时，传动比为：

iH1=Z1/（Z1–Z2）

3、谐波齿轮传动114优点：传动比大、范围宽（一级传动比范围为50-500，二级传动可达2500-250000），且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率；结构简单、体积小、重量轻（与一般齿轮减速器相比，零件可减少约50%，体积可减少20%-50%）；承载能力强、传动平稳、运动精度高；能实现密封空间的运动传递。

缺点：

是柔轮易发生疲劳损坏，起动力矩大。

近年来谐波齿轮传动技术发展十分迅速，应用日益广泛。在机械制造、冶金、发电设备、矿山、造船及国防工业（如宇航技术、雷达装置等）中都得到了广泛应用。3、谐波齿轮传动115

支承系统设计1165.1支承系统的功用和基本要求117支承系统：是基础部分，将其它子系统相互有机地联系

起来，通过支承作用构成总系统。组成：底座、立柱、横梁、箱体、工作台和升降台等一、支承系统的功用支承零、部件保持被支承零、部件间的相互位置关系承受各种力和力矩。一个机械系统的支承件往往不只一个，它们有的相互固定联接，有的在轨道上运动。机床支承系统118床腿床腿床身机床支承系统119立柱底座转台支承系统120底座底座立柱立柱并联机器人支承系统1215.1支承系统的功用和基本要求二、支承系统的分类122根据形状分为以下几类：梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多

的零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件，如机床的底座、工作台、刀架等。箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件，

如机床的箱体、升降台等。框架类：如支架、桥架、桁架等。三、支承系统的基本要求1231、足够的静刚度：支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支承件的静刚度。2、较好的动特性：机械系统应具有抵抗振动的能力。在机床上主要包括抵抗强迫振动和自激振动的能力，而且不应产生薄壁振动。

3、良好的热特性：系统工作时各种原因的发热都会使支承件产生不均匀变形，以致破坏被支承零部件的相互位置关系，降低机械系统的工作精度。4、小的内应力：材料内应力如不消除，在使用过程中，内应力会重新分布和逐步消失，引起支承件变形。因此，在设计时要从结构和选材上保证支承件的内应力最小，并在铸造或焊接和粗加工后进行时效处理。5、其他：在设计支承件时，应考虑吊运安全方便，液压、电器布置合理以及便于加工和装配等。而对于机床的支承件，还要考虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。5.1支承系统的功用和基本要求5.2支承系统的静刚度一、机械系统的受力与变形分析支承件的变形一般包括自身变形、局部变形和接触变形5.2支承系统的静刚度一、机械系统的受力与变形分析5.2支承系统的静刚度二、支承件的静刚度1.自身刚度-支承件抵抗自身变形的能力。拉压与弯扭2.局部刚度-抵抗局部载荷集中之处变形的能力。3.接触刚度-是平均压强p与变形δ之比。Kj=P/δ5.3支承系统结构设计的注意事项一、正确选择支承件的截面形状空心截面惯性矩比实心的大方形抗弯，圆形抗扭，矩形抗弯更好封闭截面比非封闭截面刚度大二、合理设置肋板和肋条

纵向隔板主要用来提高支承件的抗弯刚度

横向隔板主要用来提高支承件的抗扭刚度

斜向隔板既可提高支承件的抗弯刚度，又可提高抗扭刚度纵向隔板必须布置在支承件的弯曲平面内才会显著提高抗弯刚度128(a)直字形肋条，结构最简单。常用于窄壁和受载荷较小的内壁上。(b)十字形肋条是呈直角交叉布置，结构也简单，但易产生内应力，广泛用于箱形截面的支承件和平板上。(c)三角形肋条可保证足够的刚度，多用于矩形截面支承件的宽壁上。(d)交叉肋条有时会与支承件壁的横隔板结合在一起来有效地提高其刚度，常用于重要支承的宽壁和平板上。(e)蜂窝形肋条常用于平板上。由于它在各方向能均匀地收缩，不会在肋条连接处堆积金属，故内应力小。(f)米字形肋条制造困难，铸造时金属堆积严重。(g)井字形肋条单元壁板的抗弯刚度接近(f)的米字形肋条，但抗扭刚度是米字形肋条的1/2。铸造支承件一般用井字形肋条，而焊接支承件用米字形肋条。5.3支承系统结构设计的注意事项肋条布置在支承件的内壁，减小局部变形，防止薄壁振动。三、合理开孔和加盖129不在与弯曲平面垂直的壁上开孔，不在窄壁上开孔，加嵌入盖比面覆盖好。四、提高支承件的局部刚度主要方式：加强受力集中处的刚度，如加肋条五、提高支承件的接触刚度方式:配磨/研/刮增加实际接触面积，提高接触刚度开孔的目的1）安装机件或清砂2）减重降低开孔对刚度影响的措施1）正确选择开孔的尺寸和位置2）开孔位置翻边3）加嵌入盖5.3支承系统结构设计的注意事项5.3支承系统结构设计的注意事项六、材料的选择和时效处理铸铁：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,QT450-10,QT800-02钢：3＃,5#,Q235,20,25,15Mn,16Mn,20Mn,15MnTi,15MnSi轻合金：ZAlSi7Mg,ZAlSi9Mg,ZAlSi12CuMg1,ZAlZn1Si7钢筋混凝土花岗岩七、支承系统的铆接结构沿力作用线的铆钉排数不超过5～6排接头中铆钉交错布置多层板铆接时，接口应错开铆钉杆与孔之间不留空隙铆钉头附近的孔边倒成直角或圆角同组结构中采用相同直径的铆钉铆钉孔远离壳壁，且铆钉头外露八、结构工艺性5.4支撑系统的动态特性动态特性－主要指支承件的固有频率、振型和阻尼。要求：系统支承件的固有频率不能与激振频率重合或接近；具有较高的动刚度(共振状态下，激振力的幅值与振幅之比)和较大的阻尼；支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值较小。131一固有频率和振型单自由度系统只有一个固有频率和一个振型；二自由度系统有两个振型。模态：振型和固有频率的合称，由小到大排列，用“阶”表示支承件是连续体，有无穷多阶模态。132一阶二阶三阶四阶第一阶模态：整机摇晃振动，频率：15～30Hz第二阶模态：一次弯曲振动，频率：80～140Hz第三阶模态：一次扭转振动，频率：30～120Hz第四阶模态：二次扭转振动5.4支撑系统的动态特性5.4支撑系统的动态特性薄壁振动：对于某些面积较大而又较薄的壁板、罩、盖等容易发生薄壁振动。这类振动的主振系统是薄壁，振动的固有频率较高，振幅不大，属于局部振动。对系统的工作质量如机床的加工精度影响不大，但却是噪声源或噪声的传播媒介。133二提高动刚度的措施Kd:动刚度;：阻尼比;K：静刚度降低方法:填充发泡材料

与动刚度有关的因素：

1）静刚度2）阻尼

提高静刚度的措施:合理设计截面形状和尺寸,

合理布置隔板和肋条

增加阻尼的办法:保留砂芯、预加载荷、振动能量的消耗5.5支承系统的热特性134一、支承系统的热变形（1）内部原因机床工作时，电动机输入的能量，不论通过什么途径，最后都变成热。这些热量：一部分由切屑、冷却和润滑油带走，一部分向周围散发，一部分使工件升温，一部分使机床升温。（2）外部原因外部环境温度变化和阳光照射使机床升温。内、外部热源使机床的温度呈现周期性变化。因此，机床的热变形不是一个定值。二、提高支承系统热特性的措施散热和隔热及时将工作时产生的热量扩散到周围环境中，则机械系统的温度不会很快升高。（如：增大散热面积/增设与气流方向一致的散热片/采用风扇或制冷设备，都可加快散热。）将电动机、液压油箱、变速箱等热源移到与机械系统隔离的地基上，使热源与机床隔离。均热影响机械系统工作质量的不仅仅是温升，更重要的是温度不均匀。因此，使支承件的热变形均匀也是系统工作质量的一种措施。使热变形对工件质量的影响最小1355.5支承系统的热特性均热：在车床床身B处开一个浅缺口，装主轴箱的A处是主要热源，C处是导轨。这样可使从A处传来的热量分散传至床身各处(如箭头所示)。床身的温度就比较均匀。1365.5支承系统的热特性均热：图(a)是一台立式矩台平面磨床，由于砂轮电动机的热量经砂轮架接合面使立柱前壁的温度高于后壁，造成立柱后倾，使磨出的工件表面与安装基面不平行。图(b)是在磨头侧面装一条管子，将从电动机出来的热风引向后壁，提高了后壁的温度，使前后壁的温差缩小，这样，加工面的平行度大为提高。1375.5支承系统的热特性5.6机械系统的基础块式柜架式墙式板式138一、基础的结构形式二、基础的设计m基－基础的质量m机－机床的质量m件－最大加工件的质量K－系数，1.1～1.3，1.5～1.7

价值分析139产品功能与成本的综合反映140什么是价值？V－产品的价值ValueF－功能FunctionC－成本Cost一、价值优化意义：用最小的成本，生产出具有最大价值的产品，获取巨大的经济效益。6.1价值优化1411、基本概念价值分析（ValueAnalysis，简称VA）价值工程（Valueengineering，简称VE）价值设计（ValueDesign，简称VD）价值革新（ValueInnovation，简称VI）

以功能分析为核心，以开发创造性为基础，以科学分析为工具，寻求功能与成本的最佳比例，以获得最优价值的一种设计方法或管理科学。价值设计和价值革新的特点：

1）是从性能提高和成本两方面同时采取措施，更有效地提高产品价值；

2）利用创造性方法寻求合理方案，提供最佳功能的产品及最佳经营服务。价值工程或其它方法都是手段，而价值优化是指导思想和争取的目标。2、提高产品实用价值的方法

为了提高产品的实用价值，可以采用或增加产品的功能，或降低产品的成本，或既增加产品的功能，又同时降低成本1426.1价值优化1436.1价值优化3、提高产品价值的途径

1）功能分析：从用户需要出发，保证产品的必要功能，去除多余功能，调整过剩功能，必要时增加功能；

2）性能分析：研究一定功能下提高性能的措施；

3）成本分析：分析成本的构成，从各方面探求降低成本途径。二、功能分析功能－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。1、功能分析的目的－明确用户的要求和产品所应具有的功能，以便有效地进行设计。2、功能分析的优点：

1）可以启发创造性；

2）可以全面掌握对产品各方面的要求，不至遗漏；

3）可以避免设计的盲目性；

4）全面考虑功能成本的关系，以求价值优化，得到质高价廉的产品。1446.1价值优化3、功能的分类

设计中应该重点保证基本功能，兼顾辅助功能，同时考虑使用和外观功能，去除多余功能，调整过剩功能，分清主次地合理使用成本，才能有的放矢地提高产品价值，求得价值优化。1456.1价值优化概念辨析

1）功能；2）功用；3）用途；4）性能；5）能力1466.1价值优化三、价值分析对象的选择1、选择价值分析对象的原则

设计年代久，多年没有重大改进的产品结构复杂，零部件较多的产品制造成本过高，影响市场竞争的产品使用中功能不满足要求，性能差，可靠性差，用户不满意的产品1476.1价值优化2、

选择价值分析对象的方法必须抓住影响价值的一些主要功能元件作为分析对象（1）价值系数分析法用价值系数分析元件功能与成本的关系，寻找成本与功能不相适应的元件作为重点分析对象和改进的目标。价值系数由功能系数和成本系数所决定。按零件在整个部件中的重要程度排队评分，求出每个元件相对于产品的功能系数（也称功能重要度系数fi）。功能系数的数值高，说明零件对部件的功能影响大，重要程度高。1486.1价值优化（2）ABC分析法

ABC分析法也称成本比重分析法。它是一种优先选择占成本比重大的零件、工序或其它要素作为价值分析对象的方法。

A类零件：数量占产品零件总数10~20%左右，成本占产品总成本的60~70%；

C类零件：数量占产品零件总数60~70%，成本占产品总成本10~20%；

B类零件：其余部分的零件称为B类，它们的零件数与占产品成本的比例相适应。利用这种分类方法，可以找出对产品成本影响最大的A类零件作为分析及降低成本的主要对象。1496.1价值优化四、价值分析举例

某厂ZQ型减速器系列是解放初引进前苏联的老产品，寿命短、性能差，决定以此减速器系列作为价值分析的对象。现以图1所示的PM650（总中心距650mm，总传动比31.495）旧减速器为例进行分析选择价值分析对象的原则设计年代久，多年没有重大改进的产品结构复杂，零部件较多的产品制造成本过高，影响市场竞争的产品使用中功能不满足要求，性能差，可靠性差产品1506.1价值优化1516.1价值优化1）用ABC分析法对减速器功能元件进行分析1526.1价值优化2）A类零件功能系数分析（利用重要度对比法）

将产品各元件（功能载体）按顺序自上而下和自左至右排列起来，将纵列各功能与横行各功能进行重要性对比，双方的得分可分为4-0（重要的多），3-1（重要），2-2（同等重要），1-3（次要），0-4（次要得多）五级，将分值Pi填于表中，形成矩阵形式1536.1价值优化A类零件的重要程度为：箱体>箱盖>齿轮轴1>齿轮轴2>（大齿轮=小齿轮）>轴31546.1价值优化3）A类零件的成本系数和价值系数分析零件的成本系数ci

零件的价值系数Vi1556.1价值优化4）价值优化措施价值系数分析结果说明：

箱体和大齿轮的价值系数<<1，成本过高，应着重改进。两个齿轮轴的价值系数>>1，功能与成本也不适应，可考虑进行调整。价值优化的重点是箱体和大齿轮。1566.1价值优化4）价值优化措施结果箱体、箱盖由铸铁件改为焊接件，φ1200mm以下的齿轮，全部采用锻钢件，这两项措施减低了废品率和缺陷率，周期短，工时少，外形美观，使总成本下降6%；1576.1价值优化6.2成本估算方法简介式中：C是生产成本(元)；

W是产品重量(kg)；

fW是重量成本系数

(元/kg)用于方案确定时的成本粗略估算按重量估算法此方法的基本原理是产品的成本是重量的函数，因此可以进行估算：158fW重量成本系数可以通过统计,用最小二乘法正交回归曲线获得。

fW也可以通过作图法计算。式中，K、P均为系数，随不同产品而异。上式两端取对数，得如已知任意两点的值fW1

、W1和fW2

、W2，则可求出K,P

1596.2成本估算方法简介计算举例：

图2所示套类零件在不同重量下的生产成本如表4所示。试求新设计W=76Kg的此类零件的生产成本。1）计算质量成本系数（如上表）1606.2成本估算方法简介2）用作图法计算fW在对数坐标中W—fw是一直线关系，如图6-3所示。由横坐标上W=76㎏作垂线，与曲线交点的纵坐标即可求得fw=6.7元/㎏