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第二章 机械系统的方案设计 与总体设计
❖ 主要内容 §2-1 机械系统的方案设计 §2-2 机械系统的总体设计
❖ 学习方法建议
理解各种设计分析方法的应用领域， 在解决具体问题上下功夫。
2020/4/28
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§2-1 机械系统的方案设计
一﹑设计任务抽象化 二、确定工艺原理 三、确定技术过程 四、引进技术系统并确定系统边界 五、确定功能结构 六、确定设计方案
一、设计任务抽象化 这一过程不涉及具体的解决方案，只需要知道所设计 的机械产品的基本功能和主要约束条件就行了，这样就可 以突出设计中的主要矛盾。抽象过程一般用黑箱原理来表 示。
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如图2－1所示，用黑色 的方框框住待设计的技术系 统，具体如何，我们不去管 它，因为它已经用黑箱框住， 看不见内部结构，所要表示 清楚的就是系统的输入、输 出以及系统与环境的连接。
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对于我们前面介绍的自走式谷物收割机这类比较复杂 的机械系统甚至像石油钻机这种更为复杂的机械系统，它 们本身有许多子系统组成，如收割系统、脱粒系统、清粮 系统、行走系统、传动系统、控制系统、输送系统、支承 系统。要是把这些系统的功能结构都详细地绘在一张 图上，不仅绘制困难，而且很乱，这时可以分别做出各子 系统的功能结构图。并在做图过程中，与功能相当的一系 列机械，如收割机、脱粒机、拖拉机、汽车等的相应系统 进行比较，以取得最佳的功能结构。
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三、确定技术过程 也就是按照选定的工艺原理确定转化所需的程序及其顺 序，如图2－3为技术过程的一般模式。 在一般模式中，包括有各种类型的作业，像信号的检测、 调节、控制，物料的输入、输出、能量的转化等等，其中只 有根据工艺原理所进行的作业对象的转化，为技术过程的主 流程，如状态1经过一系列转化变为状态2，在整个工作过程 中，主流程不断得到物料流、能量流、信息流的支持和补充。 自动式谷物联合收割机的技术过程的主流程（谷物由进 给至分离输出的过程）如图2－4所示。谷物先被切割刀扶持， 然后被切断送至脱粒系统脱粒，脱粒后长茎杆直接输出，谷 粒、断穗、短茎杆，轻混合物等进入清粒系统，经振动，气 流将谷粒、短茎杆、轻混合物（颖壳、灰尘）分离，清选输 出，而一些断穗等还有许多颗粒，丢弃很可惜，收获率低。
输入、输出量一般包括 物料（毛坯、半成品、成品、 液体等各种物体，用双箭头 表示）；能量（机械能、热 能、电能等各种能量，用单 箭头表示）；信息（各种数 据、测量值、指示值、控制 信号等，用虚线箭头表示）。
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下面，我们以谷物联合收割机为例，看一看它的黑箱 示意图。大家知道，谷物联合收割机的作用是收割地里长 成熟的水稻和小麦，并将其脱干净。所以它输入的物料是 谷物，输出的物料为脱好的谷粒、切下的茎杆以及碎壳等 杂质，驱动能多为柴油机（机械能）等等，外界对收割机 工作情况的影响主要有土壤（干、湿）、空气状况（湿度、 温度、风力）等，输出影响等，见图2-2所示。
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下面我们以材料实验机为例，看一下它的功能结构。 大家知道材料实验机的用途是测试某种材料在力的作用下 的应力和应变，因此它的总功能黑箱为图2－5a。
打开黑箱，并进行功能分解，根据实际情况这种试验 机的总功能可以分解为这么四个主要功能，即加载能量 （输入能量）转化为力和位移，试件加载、测力、测变形， 如图2－5b所示，输入能量对试件施加力和位移，试件产 生变形并储存能量，载荷的大小和变形的大小通过测力系 统和测变形系统反映出来，这样就建立了功能结构的基本 雏型，进一步还需要对功能进行完善。例如，试件加载前 应能固定，载荷的大小应能调节，力和变形的测量值很小 应能放大，并且应和目标值进行比较，图2－5c就是较完 善的材料试验机功能结构图。
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二、确定工艺原理 我们要设计的是黑箱内部的东西，因此要设法确定黑 箱所要求的能实现作业对象转化的工艺原理（如谷物转化 为谷粒的原理），而每一种转化可以由多种不同的工艺原 理来实现。比如齿轮轮齿的加工，就可以采用滚、插、铣、 拉齿等，不同的工艺过程会使机械系统具有不同的技术经 济效果，要选择最佳的工艺原理。 如图用人工收割谷物，大家知道，首先必须收割，然 后脱粒，脱粒可以用冲击或挤压的方法，最后获得干净的 谷粒。因此，自走式谷物联合收割机黑箱给出的物料转化 可由以下工艺原理来实现。1）用切刀将作物茎杆切断；2） 将切下的作物通过冲击、搓擦和挤压使谷粒和谷穗分离；3） 利用振动、重力、气流将茎杆、婴壳和杂质等分离，清选 谷粒。
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四、引进技术系统并确定系统边界 引进技术系统就是根据技术过程的要求确定机械系统的 具体任务，并把这些任务分配给各个子系统。采用几个技术 系统来实现这些效应，人在其中参与的程度如何，将取决于 机械化和自动化程度的要求，同时也涉及系统边界的划分。 由于各设计对象的目标要求不同以及设计人员的着眼点不同， 技术系统的数量和边界的划分往往会有很大差别。 五、确定功能结构 功能是系统的属性，它表明系统的效能及可能实现的能 量、物料、信息的传递和转换。 由于系统的总功能一般很多，为便于分析和研究，需进 行功能分解。总功能分解到什么程度，取决于在哪个层次上 能找到相应的技术物理效应和结构来实现其功能要求。对于 复杂的技术系统往往要将其总功能分解为若干级分功能，甚 至要分解到不能再分的基本单位——功能元。
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方案设计是整体设计的关键，是从质的方面保证设计 水平的重要步骤。方案设计时，一般先从系统的功能出发， 通过分析机械工作过程的工艺原理，确定人在技术过程中 的参与程度，确定技术过程中各作业的顺序，并经过优化 筛选，找出实现预定设计目标的最佳原理方案。概括的说， 这一过程要解决的主要问题是把复杂的设计要求通过功能 关系的分解抽象为简单的模式，以找出能满足设计对象主 要功能关系的原理方案。下面我就把机械系统方案设计的 大体步骤简单叙述如下。
❖ 主要内容 §2-1 机械系统的方案设计 §2-2 机械系统的总体设计
❖ 学习方法建议
理解各种设计分析方法的应用领域， 在解决具体问题上下功夫。
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§2-1 机械系统的方案设计
一﹑设计任务抽象化 二、确定工艺原理 三、确定技术过程 四、引进技术系统并确定系统边界 五、确定功能结构 六、确定设计方案
一、设计任务抽象化 这一过程不涉及具体的解决方案，只需要知道所设计 的机械产品的基本功能和主要约束条件就行了，这样就可 以突出设计中的主要矛盾。抽象过程一般用黑箱原理来表 示。
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如图2－1所示，用黑色 的方框框住待设计的技术系 统，具体如何，我们不去管 它，因为它已经用黑箱框住， 看不见内部结构，所要表示 清楚的就是系统的输入、输 出以及系统与环境的连接。
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对于我们前面介绍的自走式谷物收割机这类比较复杂 的机械系统甚至像石油钻机这种更为复杂的机械系统，它 们本身有许多子系统组成，如收割系统、脱粒系统、清粮 系统、行走系统、传动系统、控制系统、输送系统、支承 系统。要是把这些系统的功能结构都详细地绘在一张 图上，不仅绘制困难，而且很乱，这时可以分别做出各子 系统的功能结构图。并在做图过程中，与功能相当的一系 列机械，如收割机、脱粒机、拖拉机、汽车等的相应系统 进行比较，以取得最佳的功能结构。
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三、确定技术过程 也就是按照选定的工艺原理确定转化所需的程序及其顺 序，如图2－3为技术过程的一般模式。 在一般模式中，包括有各种类型的作业，像信号的检测、 调节、控制，物料的输入、输出、能量的转化等等，其中只 有根据工艺原理所进行的作业对象的转化，为技术过程的主 流程，如状态1经过一系列转化变为状态2，在整个工作过程 中，主流程不断得到物料流、能量流、信息流的支持和补充。 自动式谷物联合收割机的技术过程的主流程（谷物由进 给至分离输出的过程）如图2－4所示。谷物先被切割刀扶持， 然后被切断送至脱粒系统脱粒，脱粒后长茎杆直接输出，谷 粒、断穗、短茎杆，轻混合物等进入清粒系统，经振动，气 流将谷粒、短茎杆、轻混合物（颖壳、灰尘）分离，清选输 出，而一些断穗等还有许多颗粒，丢弃很可惜，收获率低。
输入、输出量一般包括 物料（毛坯、半成品、成品、 液体等各种物体，用双箭头 表示）；能量（机械能、热 能、电能等各种能量，用单 箭头表示）；信息（各种数 据、测量值、指示值、控制 信号等，用虚线箭头表示）。
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下面，我们以谷物联合收割机为例，看一看它的黑箱 示意图。大家知道，谷物联合收割机的作用是收割地里长 成熟的水稻和小麦，并将其脱干净。所以它输入的物料是 谷物，输出的物料为脱好的谷粒、切下的茎杆以及碎壳等 杂质，驱动能多为柴油机（机械能）等等，外界对收割机 工作情况的影响主要有土壤（干、湿）、空气状况（湿度、 温度、风力）等，输出影响等，见图2-2所示。
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下面我们以材料实验机为例，看一下它的功能结构。 大家知道材料实验机的用途是测试某种材料在力的作用下 的应力和应变，因此它的总功能黑箱为图2－5a。
打开黑箱，并进行功能分解，根据实际情况这种试验 机的总功能可以分解为这么四个主要功能，即加载能量 （输入能量）转化为力和位移，试件加载、测力、测变形， 如图2－5b所示，输入能量对试件施加力和位移，试件产 生变形并储存能量，载荷的大小和变形的大小通过测力系 统和测变形系统反映出来，这样就建立了功能结构的基本 雏型，进一步还需要对功能进行完善。例如，试件加载前 应能固定，载荷的大小应能调节，力和变形的测量值很小 应能放大，并且应和目标值进行比较，图2－5c就是较完 善的材料试验机功能结构图。
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二、确定工艺原理 我们要设计的是黑箱内部的东西，因此要设法确定黑 箱所要求的能实现作业对象转化的工艺原理（如谷物转化 为谷粒的原理），而每一种转化可以由多种不同的工艺原 理来实现。比如齿轮轮齿的加工，就可以采用滚、插、铣、 拉齿等，不同的工艺过程会使机械系统具有不同的技术经 济效果，要选择最佳的工艺原理。 如图用人工收割谷物，大家知道，首先必须收割，然 后脱粒，脱粒可以用冲击或挤压的方法，最后获得干净的 谷粒。因此，自走式谷物联合收割机黑箱给出的物料转化 可由以下工艺原理来实现。1）用切刀将作物茎杆切断；2） 将切下的作物通过冲击、搓擦和挤压使谷粒和谷穗分离；3） 利用振动、重力、气流将茎杆、婴壳和杂质等分离，清选 谷粒。
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四、引进技术系统并确定系统边界 引进技术系统就是根据技术过程的要求确定机械系统的 具体任务，并把这些任务分配给各个子系统。采用几个技术 系统来实现这些效应，人在其中参与的程度如何，将取决于 机械化和自动化程度的要求，同时也涉及系统边界的划分。 由于各设计对象的目标要求不同以及设计人员的着眼点不同， 技术系统的数量和边界的划分往往会有很大差别。 五、确定功能结构 功能是系统的属性，它表明系统的效能及可能实现的能 量、物料、信息的传递和转换。 由于系统的总功能一般很多，为便于分析和研究，需进 行功能分解。总功能分解到什么程度，取决于在哪个层次上 能找到相应的技术物理效应和结构来实现其功能要求。对于 复杂的技术系统往往要将其总功能分解为若干级分功能，甚 至要分解到不能再分的基本单位——功能元。
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方案设计是整体设计的关键，是从质的方面保证设计 水平的重要步骤。方案设计时，一般先从系统的功能出发， 通过分析机械工作过程的工艺原理，确定人在技术过程中 的参与程度，确定技术过程中各作业的顺序，并经过优化 筛选，找出实现预定设计目标的最佳原理方案。概括的说， 这一过程要解决的主要问题是把复杂的设计要求通过功能 关系的分解抽象为简单的模式，以找出能满足设计对象主 要功能关系的原理方案。下面我就把机械系统方案设计的 大体步骤简单叙述如下。