机械系统设计原理(讲课用)

机械系统设计 原理
第一章 机械系统概论
第一节 机械系统的概念
机械系统定义： 由若干机械装置组成的一个特定系统，称 为机械系统。 机械系统的目的：是产生确定运动、传递和变换机械能， 完成特定的工作。 机械系统的基本要素：机械零件和构件是组成，它们为完 成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统。 如图1-1所示小型甘蔗收割机都是由若干装置、部件和零 件组成的机械系统。它们是一个由确定的质量、刚度和阻尼 的物体组成并能完成特定功能的系统。
第四节 机械系统设计类型
机械系统设计有以下三类不同的设计： (1) 开发性设计 在工作原理、结构等完全未知的情况下， 应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计 以往没有过的新型机械。 (2) 适应性设计 在原理方案基本保持不变的前提下，对产 品作局部的变更或设计一个新部件，使机械产品在质和量方 面更朗满足使用要求。 (3) 变型设计 在工作原理和功能结构都不变的情况下，变 更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的容量要 求。 在机械产品设计中，开发性设计十分重要。“创新”可 以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，从而提 高产品的工作性能。
二、执行系统的功能原理设计 1. 功能原理的选择与构思 产品的功能 产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活 需要提出。 确定功能指标的考虑因素 先进性 可行性 经济性 功能原理设计的重要性 决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型 式、制造成本等。
功能原理设计的多方案性
工作原理不同，运动方案也不同
运动规律设计 执行机构型式设计
执行机构型式设计 执行系统协调设计
对方案进行定性 评价和定量评价 并从中选出最佳 设计方案
检验执行系 统是否满足 运动要求和 动力性能方 面的要求
确定各执行机 构的运动尺寸， 绘制出各执行 机构的运动简 图
根据工艺过程对各动 作的要求，分析各执 行机构应当如何协调 配合，设计出机械运 动循环图
小型甘蔗收获机
第二节 机械系统的特性
1. 整体性
机械系统是由若干个子系统构成的统—体。虽然各子系 统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体 功能的要求，相互间须协调和适应。 系统是不能分割的，即不能把一个系统分割成相互独立 的子系统，因为机械系统的整体性反映在于系统之间的 有机联系上 系统是可以分解的，但分解系统与分割系统是完全不同 的。为了研究的方便，可以根据需要把一个系统分解成 若干个子系统，
按摩轮
r
B
光、机、电、流体等知识的综合运 用举例
图示分析天平，要求 精度达到0.01g，但靠目力 读指针的微小偏角已不可 能。
K向 光源
刀口
玛瑙 支撑
指针
活动游标
增加了一级光学放 大镜，将读数放大。
活动游标
读数窗
透镜
2. 功能分析与功能求解
功能分析法(Function analysis)，将机械产品的总功能 (Total function)分解成若干功能元(Function element)，求解 功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供 评价选择。

第三节 机械系统的组成
1．动力系统 包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源 2．传动系统 是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置 3．执行系统 包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改 变作业对象的性质、状态、形状或位置，达到预定要求。 4．操纵系统和控制系统 都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运 行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者区别是：操纵 系统一般是指通过人工操作来实现；控制系统是经获得的控 制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状 态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。
一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程
根据需要制定机械的总功能，拟 定实现总功能的工作原理和技术 手段，确定机械所要实现的工艺 动作 通过对工作原理所提出的工 艺动作进行分解，决定采用 何种运动规律来实现工作原 理 决定选择何 种机构实现 给定的运动 规律
功能原理设计 运动和动力分析 方案评价与决策
பைடு நூலகம்
每分钟转数 rpm 每分钟转位次数、转角大小、运动系数
直线运动
每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变 化系数 每分钟行程数、大小、行程 往复直线运动 速度变化系数 停歇往复直线运动 每循环停歇次数、位置、时 间、行程大小和工作速度
停歇单向直线运动 曲线运动 复合运动 沿固定曲线运动 沿可变曲线运动
由两个以上单一运动合成
仿形原理 齿轮加工 范成原理
工作原理相同，运动方案不同
滚齿 齿轮加工 插齿 剃齿
其它实例 斜面的应用 螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、 螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等 齿轮加工方法 无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削 加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状 齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿
机械产品 （黑箱） 黑箱法的表达
能量’ 信息’
信息
黑箱法求解方法
详细表述输入和输出量 建立输入输出之间的关系 寻找合适的实例 设定系统的总功能 寻找系统的功能解 评价与决策
板料 电能 控制信号
冲床 （黑箱）
成形工件 机械能、摩 擦能耗 工作状态显示
2. 形态学矩阵法
机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以“穷 尽法”将各分功能的解全部列出，即可得功能-功能解的形态 学矩阵。 形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合 求解方法。
每次进给量的大小
四、执行机构的型式设计
1. 设计原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求 尽量简化和缩短运动链 尽量减小机构尺寸 选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式 使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力 保证机械的安全运转
三、执行系统的运动规律设计 1. 工艺动作分解和运动方案选择 运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析， 把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所 形成的运动方案也不同。
立式钻床工艺动作分解
刀具作复合运动
刀具与工作台分别运动
连续转动 回转运动 执 行 构 件 运 动 形 式 间歇转动 往复摆动
四个阶段 产品规划（概念设计）、功能原理设计、结构技术设 计、生产施工设计(工艺设计)。
阶 段
步
骤
方
法
主要指导 理论
设计方法学 技术预测理论 市场学 信息学
信息集约 产品设计任务
设计方法 预测技术
产 品 规 划
预测调研 可行性分析 明确任务要求 可行性报告、设计要求项目表
阶 段
步
骤
方
法
主要指导 理论
自动化设计
阶 段
零件工作图
步
骤
方
法
主要指导 理论
施 工 设 计
外观件加工工艺、 面饰工艺规程 效果图、检验标准 造型工艺文件
部件装配图 技术文件
各种制造、装 各种工艺学 配、造型、装 饰、检验等方 法
试 制
修 改
批 量 生 产
计算机辅助制 造
批量生产 技术服务 用户访问
第二节、机械系统方案设计的目的和内容
举例： 运用形态学矩阵法构思单缸洗衣机的可行方案 总功能 控制洗涤
盛装衣物
分离赃物
功能解 分功能
1
铅筒
机械摩擦 人手控制
2
塑料筒
电磁振荡 机械定时
3
玻璃钢筒
超声波 电脑控制
4
陶瓷筒
A
B C
理论上可组合出4×3×3=36
从先进性、新颖性和实用性看，一般选用A1、A2， B1、B2，C1、C2，因此主要有8个方案
总体设计 结构设计 造型设计 造型价值分析 外观方案 试验模型 评价决策 最优造型方案
价值设计 优化设计 可靠性设计 宜人性设计 产品造型设 计 系列化设计 机械性能设 计 工艺性设计
技
结构价值分析 结构方案
术
设 计
试验 评价决策 最优结构方案
最优技术设计方案 总体布置图、装配 草图、技术文件 总体效果图、 外观效果模型
明确任务 黑箱法 总功能 功能树 功能元 创造技法 功能元解
形态学矩阵 功能原理方案
评价法 最佳功能原理方案
1. 黑箱法
黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内 部功能结构和功能载体的“黑箱”，通过对它的输入输出量 的全面分析，逐步掌握输入输出的基本特征和转换关系，寻 求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的 求解过程。 黑想法要求设计者不要先从机械产品具体结构出发考虑 设计方案，而因从系统的功能出发构思机械产品的可行方 案。 物料 能量 物料’
系统工程学 形态学 创造学 思维心理学 决策论 模糊数学
总功能分析
功能分解
系统化设计法 创造技法 评价决策方法
原 理 方 案 设 计
功能元求解 功能载体组合
功能原理方案(多个)
原理试验 评价决策 最优原理方案 原理参数表、方案原理图
阶 段
步
骤
方
法
主要指导理论
价值工程学 最优化方法、工程 遗传算法 可靠性理论与实验 人机工程学 工业美学 模块化设计、 相似理论 有限元法、动态设 计、摩擦学设计、 高等机构学 机械设计的工艺基 础 控制理论、智能工 程、人工神经元计 算方法、专家系统
设计一台彩色电视机阴极盘用的金属 片的冲裁机器，圆片直径 10mm，厚度 0.8mm。 功能分解 送料 冲制 退回
10
0.8
确定方案时应注意两点 ⑴ 用最简单的方法实现 同一功能。 ⑵ 注意光、机、电、流 体等知识的综合运用。
电视机阴极盘用金属片冲裁机器
用最简单的方法实现功能举例 图示按摩椅中的按摩轮利用一 个偏心空间凸轮，同时实现三维方 向的按摩作用—径向振动挤压、向 下推拉和横向推拉，构思巧妙，结 构非常简单。
各级传动比的分配 控制系统的方案设计
润滑系统设计 冷却系统设计 其它辅助系统的设计 故障检测系统设计 安全保障系统设计 照明系统设计
第三节
机械执行系统运动方案设计
重要性 执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械 系统预期工作任务。 机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核 心，是整个机械设计工作的基础。 机械执行系统的组成 由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输 出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求， 决定了整个执行系统的结构方案。
第五节 机械系统设计的关键内容
4. 构思功能载体的组合 将各功能载体按系统总功能要求加以组合，可以得到多 个工作原理方案，供设计者选择决策。 5. 方案的评价与决策 针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对多 个方案进行综合评价和决策。
第二章 机械系统设计原理
第一节 机械系统设计的一般程序和方法
第二节 机械系统的特性
3. 层次性
系统可以分解为一系列子系统，并存在一定的层次结构。 在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关 系或相互作用关系。 层次本身就是系统构成的部分，每个层次反映了系统某种 功能的实现方式
第二节 机械系统的特性
4. 目的性
系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存 在的目的。因此，系统的功能就是系统的目的，它主要 取决于要素、结构、环境。 为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理 的功能。这些功能使系统进入与它的目的相适应的状 态，实现要求的功能并排除或减少有害的干扰。


第二节 机械系统的特性
2. 相关性
系统内部各子系统之间是有机联系的，它们之间相互 作用、相互影响，形成了特定的关系。 如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间的层 次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联 系等，都取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互 影响的有机联系。某一子系统性能的改变，将对整个系 统的性能产生影响。
第五节 机械系统设计的关键内容
原理方案设计是机械系统设计的关键内容。在原理方案 设计过程中应解决下列问题： 1. 确定系统的总功能 对设计任务抽象化，通过抽象化确定系统的总功能。 优点：设计者容易认清系统设计目标，开阔设计思路。 2. 进行总功能的分解 将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方案 的最好办法。 3. 选择分功能的功能载体 分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关键 步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重 要手段
目的 产品功能是否齐全、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的构思和方案拟定时 的设计思想。
系统功能原理设计
内容
运动规律设计 执行机构型式设计
执行系统的方案设计
执行系统协调设计 机构尺度设计 运动和动力分析 执行系统方案评价与决策
传动类型选择 传动路线选择 原动机类型的选择和 传动系统的方案设计 传动链中机构 顺序的安排