第二章总体设计(结构设计)

确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总 图，在
计算时，采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等多种 现代化设计方法。 3、步骤(如图示)：
设计任务对结构设计的要求 主功能载体初步结构设计 辅助功能载体初步结构设计 检查主辅功能结构影响及配合 详细设计主辅功能载体结构 对设计进一步修改完善 技术、经济评价 结构决策 Yes 方案确定 No
如：课程设计或毕业设计时，设计的齿轮、滚珠丝杠、液 压缸尺寸符合标准公称系列；选用材料牌号、规格符合国 家标准等。 5、阿贝原则（提高精度原理）
德国人阿贝1890年提出对精密量仪有指导意义的原则：若 使量仪测量结果准确，必须将测量仪的读数线尺安放在被 测尺寸的延长线上。 原因是这样做避免了一阶误差。
结构设计是从：定性到定量，抽象到具体，粗略到精细的过程 结构设计满足的目标：保证功能、提高性能、降低成本 结构设计包括三个方面：
质的设计：定性分析构型（形状、位置关系）
量的设计：定量计算尺寸、确定材料 按比例绘制结构图 结构设计归结为三个阶段： 初步设计：主功能载体设计
详细设计：副功能载体设计，主功能载体详细设计
c、 装配基准：装配过程中用以确定零部件在产品中位 置的基准。
3、传动链最短原则 驱动系统 执行机构 实现最短传 动链 好处：传动性能稳定性愈好，传动精度愈 高
电机 变速箱 运动转换 执行机构
高分辨率控制电机
直线电机
运动转换
执行机构
执行机构
直线电机与执行 机构一体化装置
4、“三化”原则 零件标准化 三化 部件通用化 产品系列化 “三化”原则是国家一项重要的技术经济政策，优点在于： 互换性好；缩短制造周期；维护方便。
2.2 系统结构方案设计
结构方案设计是原理设计方案的结构化，而且实
现结构的优化和创新。主要包括两个方面：
机械结构 电气结构
重点考虑和设计 主要是选型，考虑安装问题
一、结构方案设计的工作任务、内容及步骤
1、任务：将原理方案结构化，确定机器(或系统)各个零 部件的材料、形状、尺寸、加工和装配等； 2、内容：设计零部件形状、数量、相互空间位置，选择 材料、
调试生产阶段
工艺文件、样机试 制试验、鉴 4 机电系统总体布局与环境设计
2.4.1 人-机系统设计 一、人-机系统设计的基本要求 人机系统设计应与人体的机能特性和人的生理、心理特性 相适应，具体要求： 1.总体操作布置与人体尺寸相适； 2.显示清晰，易于观察，便于监控； 3.操纵方便省力，减轻疲劳； 4.信息的检测与处理与人的感知特性和反映速度相适应； 5.安全性、舒适性好、使操作者心情舒畅、情绪稳定；
完善、审核设计
二、结构方案设计的基本原则
保证实现预期的功能 总目标 降低制造成本 保障人和环境的安全 功能载体工作原理明确 明确
功能载体使用工况明确
基本原则
零件数目尽可能减少 简单 几何形状简单规则 采用标准零件 构件的可靠性 功能可靠性 安全可靠 工作安全性和环境适应性
保证系统功能可靠的方法：
并联冗余
二、人-机系统的结合形式 开环 、闭环 三、人-机系统设计要点 确定最优的人机功能分配
系统必要功能
功能分析 功能分配 显示器设计、控 制器设计、监控 子系统设计
人
界面设计
系统综合
机
人-机系统设计流程图
2.4.2 艺术造型设计 一、艺术造型设计的基本要求 1.布局清晰 2.结构紧凑 3.简单 4.统一与变化 5.功能合理 6.体现新材料和新工艺
二、艺术造型的三要素
功能
艺术造型 物质技术 条件 艺术内容
三、艺术造型设计的基本过程 功能 造型 功能 总体 局部 总体
设计任务书 调研收集资料 设计 构思 人机学 分析 技术条 件分析
效果图 模型 决策
施工设计
工艺技 术方案
四、艺术造型设计要点 1、稳定性 2、运动特性 3、轮廓 4、简化 5、色调 2.4.3总体布局设计 总体布局设计的基本原则 1.功能合理 2.结构紧凑 3.层次分明 4.比例协调
冗余配置
串联冗余 原理冗余
例如：1、飞机上的备用发动机（双驱动或三驱动）
2、煤矿井下的水泵系统采用两套或三套配置（运转、维修、备用）
三、结构方案设计原理与原则
1、运动学设计原则 空间物体有六个自由度，自由度S与约束q关系是：S = 6-q根据物 体需要实现的运动方式,按照上式确定的约束数,并将这些约束数适 当配置,满足物体需求的运动方式,去掉物体多余自由度. 平面 qmax 3 直线 qmax 2 应该合理施加约束，满足物体所所需要的运动方式。 要求约束： 1、点约束 2、约束点离开远些 3、自由度限制方向应垂直于被约束平面
2、基准面合一原则 基准 设计基准（图纸上） 定位基准 工艺基准（制造基准） 测量基准 装配基准
结构设计尽量满足：定位基准面与使用或加工基准面统一原 则，可以减小由于基准不一致带来的误差。
1、 基准—— 在零件图或实际的零件上，用来确定其它 点、线、面位置时所依据的点、线、面。 2、 基准的分类：按其功用可分为： 1） 设计基准： 零件工作图上用来确定其它点、线、面 位置的几何要素。 2） 工艺基准：加工、测量和装配过程中使用的基准。 a 、定位基准：加工过程中，使工件相对机床或刀具占 据正确位置所使用的基准。 b、 测量基准：用来测量加工表面位置和尺寸而使用的 基准。
例如：游标卡尺
不符合阿贝原则，精度较低
符合阿贝原则，精度较高
千分尺（螺旋测微仪）
2.3 机电系统总体设计方案的过程
规划阶段 可行性研究 报告、任务书 原理方案图、结构设 计图、总装图 零、部件工作 图、设计技术文件 用户对产 品的需求 总体设 计关键
总体阶段
详细施工阶段
绘制生产图纸、 设计说明书、 使用说明书、 明细表
• 满足运动学设计原则的优点：
• 1）每个零件使用最少的约束，使得其控制方便，定位精确；
• 2）降低对工件精度的要求，即使约束磨损，稍加修整便可 使用； • 3）零件被拆卸后，能够精确而方便的定位。
半运动学设计:实际中不存在理想的”点”,点接触的压力 很大,使材料发生变化,接触实际是一小块面积,在设计中 将点约束适当扩大为一个有限小的面积,而运动学设计原 则不变.