机械系统设计-第2章 机械系统的方案设计与总体设计.

机械系统设计,制造销售,内部设计,外部设计,计划,第二章 机械系统的方案设计与总体设计,第一节 机械系统的方案设计 看课本P16表1-1,计算机辅助制造,反馈控制法,方案设计是一个创造性思维的过程，在进行方案设计时，重要的是要创新，在制定方案时采用新原理、新技术、新机构、新工艺，这样才能设计出有突破性的新产品。,方案设计是机械系统设计第三阶段，也是内部设计阶段要做的第一项工作。它是机械系统设计的核心环节，方案设计是保证设计水平和质量的重要工作，在很大程度上决定了机械系统设计的成败。,方案设计的内容包括：,(1)研究给定的设计任务，对机械产品的功能进行分析和分解；,(2)提出实现功能的工艺原理；,(3)确定技术过程，引进技术系统；,(4)分析结构布局，拟定设计方案；,(5)综合评价设计方案，找出最佳方案。,一、研究给定的设计任务,方案设计之前，已经接到了设计任务书，明确了设计任务、目的和要求，搞清了外部系统和内部系统之间的相互作用和影响，提出了可行性报告，制定了系统开发的计划。,在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现，其中有不确定的，过高或过低的，甚至有些是相互矛盾的。,设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求逐个分析，明确核心要求和约束条件，提出修改、补充和完善的建议，对相互矛盾的要求提出两方面都可兼顾的折衷的解决办法。,T2T1，n2n1,能量不灭定理,二、设计任务的抽象化（是一种“思维方式和工作方法”）,思维可以有思维定势和创造性思维。其中思维定势是扼杀创造发明的杀手，是“懒汉”的思维方法，有意识地破除它，会有许多发现和发明。,+,?,1 4 4 9 9,1,+,?,创造性思维则是创作发明的基础。发明有原创性发明和组合式发明，原创性发明是指在原理上具有新突破的发明，对于世界和人类来讲具有一定的难度，是比较少见的。而我们所听到的发明多数都属于组合式发明，也就是在成熟理论的基础上，进一步的改进和完善，从而得到一种新的技术和理论。,总之，思维定势是懒汉的思维方式，有意识的破除他，我们会有更多的发现和发明。,面对一个设计任务，有经验的设计人员马上可提出一些设计方案，这虽然可加快设计速度，但由于受到个人经验和所掌握资料的限制，在思维定势作用下，使设计方案缺乏创造性和创新性。,任何机械系统都可以看成是实现某种能量流、物料流和信息流传递和转化的装置。,例如：,在一些较复杂的机械系统中，能量流、物料流和信息流都存在，如自走式合物联合收获机。,从这个意义上讲，机械系统可抽象为：实现输入的能量、物料、信息和输出的能量、物料、信息转化的函数关系的机械装置。可表示如下：,机 械 装 置 （待定的技术系统） （黑箱）,物料,能量,信息,物料,能量,信息,来自外界的影响,输 入,对外界的影响,输 出,在方案设计的初期，把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以及与外界的相互影响的“黑箱”，“黑箱”内部是全然不知待定的技术系统，这就是设计任务抽象化的方法。,用“黑箱”抽象地表示技术过程，不需要事先涉及具体的解决方法，就可以知道机械系统的基本功能和约束条件：基本功能为物料、能量、信息的传递和转化，约束条件表现为内、外部系统的相互作用和相互影响。这样可以突出设计中的主要矛盾，明确设计追求的主要目标，明确影响产品性能的主要因素；避免设计者受一些框文的约束。,确定“黑箱”作业对象（物料、能量、信息）转化的工艺原理，是打开“黑箱”的先决条件。,三、确定工艺原理（“黑箱”变成“玻璃箱”）,所谓工艺原理是指自然科学中各种定理、定律、原理及效应的具体应用。,表示机械系统的“黑箱”建立以后，打开“黑箱”， 实现“黑箱”的透明化就成为了主要工作。,对于作业对象的一种转化，可以采用不同的工艺原理。,以齿轮齿廓曲线的切制为例，将齿轮坯变为齿轮，可以有不同的转化： 可采用仿形法，在铣床上用铣刀铣削，用分度头分度； 也可用范成法，在滚齿机、插齿机或刨齿机上用专用刀具滚削、插削或刨削加工。,齿轮加工,范成原理,仿形原理,剃齿,插齿,滚齿,采用不同的工艺原理，就会设计出不同的机械系统，它们的性能和经济效益各不相同。,切断作物桔杆,冲击 搓擦 使谷粒和谷穗分离 滚压,筛分、振动、重力、气流使谷粒、茎杆、颖壳杂物分离,在联合收割机的机械系统中，采用了多种工艺原理，工作过程中完成了多次转化，设计的关键则是不同工艺原理的组合与连接，以及它们之间的适应性与相容性。,作业对象的简单转化，可以只采用一个工艺原理就完成；但作业对象的复杂转化，往往要采用多种工艺原理经多次转化才能完成。以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所示：,四、确定技术过程,技术过程是按选定的工艺原理，确定作业对象转化的流程，规定每一个转化程序的相应功能要求。技术过程的一般模式如下图。,下图是根据工艺原理图画出的自走式联合收获机的技术过程主流程图。,技术过程的主线是作业对象（物料）的转化，用双线箭头表示，在转化过程中，不断有物料、能量和信息的支持和补充，要产生许多辅助功能，如要解决各转化程序间的连接和支承问题，要解决检测、操纵、调整和控制的问题。,技术过程是若干个分过程和工序组合而成的复合过程。,对设计对象的目标和要求不同，技术系统的组成、相应的功能结构以及系统边界的划分就不相同；即便是设计对象的目标和要求相同，由于设计者的着眼点不同，技术系统及系统边界划分也会有较大差别。,五、引进技术系统并确定系统边界,技术系统是实现技术过程各项转化的人为系统。,技术过程中作业对象的转化，有一些是完全靠机械系统来完成的，而有一些是在人的参与下完成的。良好的技术系统应是机械系统与人的完美结合。,以洗衣机为例，对人的参与程度要求不同，可设计出全自动、半自动和非自动的洗衣机；就全自动洗衣机而言，由于设计者的着眼点不同，可设计出立式和卧式洗衣机，它们各有优缺点。,引进技术系统就是根据技术过程的要求，确定机械系统的功能结构和功能载体的组合。,(一)引进技术系统,引进技术系统一般分两步进行： 1确定机械系统的功能结构,功能是机械系统的属性，是机械系统价值的体现。 机械系统的功能表现为可以实现物料、能量、信息的传递和转化。,洗 衣 机 （黑 箱）,洗衣机的黑箱示意图,机械系统的功能往往有多种形式，为便于分析和研究，应进行功能分解。,可以用树状图像模型功能图形象地表达功能分解的结果：,脏衣物的洗涤,洗衣机，它的总功能是洗涤脏衣物。对总功能进行分解，可得出如下一些分功能：容纳衣物和水、添加洗涤剂、搅动衣物和水，控制旋转方向、时间和速度，甩干衣物上的水，排出脏水，能量供应、转化和传递、联接与支承等。,功能载体是实现功能转化的实体结构。同一功能转化，可找出不同的功能载体。如传递回转运动这一功能转化，可采用摩擦轮传动、带传动、齿轮传动、链传动、蜗杆传动等功能载体。,功能分解是在系统分解的基础上进行的。对各子系统的功能可逐项分解，直到得到不能再分解的功能元为止。,功能元是指有确定功能的不可再分解的单元功能。,进行功能分解的要注意以下两点：,(1)总功能的分解程度以能找到相应的技术物理效应和功能载体来实现该功能为依据；,(2)同级功能的组合应能满足上级功能的要求。,技术物理效应是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加以应用。,按树状功能图还可以作出功能结构图。如洗衣机的功能结构图如下：,从树状功能图可看出功能分解的过程，从功能结构图可看出各项功能元以及分功能之间的结构关系。,由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以看出洗衣机具有的主要分功能：容纳衣物和水（A）、搅动衣物和水（B）、运动传递（C）和控制（D），通过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机相应的形态学矩阵（用其来表示所有可能组成的总体方案）。,电脑自控,机械定时,人工控制,齿轮传动,带传动,超声波,电磁振荡,机械摩擦,陶瓷桶,玻璃钢桶,塑料桶,金属桶,洗衣机的形态学矩阵,理论上可组合出技术方案：N=4×3×2×3=72,下图是材料试验机的功能结构图的制作过程：,材料试验机的总功能为：利用力和变形的关系，检验试件的力学性能。,建立材料试验机的“黑箱”示意图：,材料试验机 （黑箱）,a）材料试验机的“黑箱”示意图,在材料试验机的“黑箱”示意图中，有3个输入元素：加载能量、试件和信号；有4个输出元素：变形能、变形试件、力信号和变形信号，内、外系统间有相互作用和影响。,建立材料试验机的功能分解图（初步简单的功能结构图）：,通过功能分解，可以把材料试验机的总功能分解成4个主要的分功能：,把能量转换为力和位移；,试件加载；,测力；,测变形。,建立材料试验机的完善的功能结构图：,c）材料试验机的功能结构图,通过增加分功能来进一步完善材料试验机的功能结构：,调节能量的大小；,各测量值的放大；,比较标准值和实际值。,试件加载前要装卡；,经过功能分解后，一项总功能被分解成一系列分功能或功能元，与相应的技术物理效应及功能载体相对应，得到功能分解图和功能结构图。,对于像自走式联合收割机等结构过于复杂的机械产品，要用一张图表示它的功能结构，不仅绘制困难，而且看起来也显得杂乱无章。这时可把机械系统分解成几个子系统，如把谷物联合收获机分解成：收割系统、脱粒系统、清粮系统、行走系统、传动系统、输送系统、控制系统、支承系统等8个子系统，分别画出各子系统的功能结构图，这样可使复杂的问题简化。,在绘制子系统功能结构图时，可与功能相当的机械系统作比较。对谷物联合收获机的子系统，收割系统与收割机，脱粒系统与脱粒机，清粮系统与清选机、行走系统与拖拉机汽车作对比。,用形态学方法建立形态学矩阵，可找出所有的组合方案。在做这项工作时，要集思广义，广开言路，避免犯偏听偏信、先入为主、主观片面的错误。,2功能载体的组合,实现一项功能往往可采用多种功能载体，这就是机械系统设计的多解性。,对机械系统按功能进行分解，对分解出的每一项功能找到可行的功能载体，将这些功能载体组合起来，就得到了机械系统一系列的总体方案。,以行走式挖掘机为例，说明机械系统技术方案确定的过程：,1）作出行走式挖掘机的“黑箱”示意图。,由图可表明机械系统的互动能量；物料的取、移、放；环境对它的约束条件。,2）功能分解：行走式挖掘机有3个基本功能：挖取物料、移动物料和堆放物料，作出该机的功能结构图。,由功能结构图可看出，行走式挖掘机有5项分功能：动力源(A)、移位传动(B)、移物(C)、取物传动(D)、取放物(E)(取物、放物合二为一，用一个功能载体实现)。找出各分功能可行的功能载体，就可以作出挖掘机的形态学矩阵。,方案总数：N=A×B×C×D×E=6×5×4×4×3=1440,钳式斗,抓 斗,挖 斗,液压缸传动,气缸传动,绳传动,拉 杆,气 垫,履 带,轮 胎,轨道及车轮,液力耦合器,链传动,带传动,蜗杆传动,齿轮传动,气动马达,液动机,透平机,柴油机,汽油机,电动机,A3 + B4 + C3 + D2 + E1履带式挖掘机,柴油机 链传动 履带 绳传动 挖斗,3）作出挖掘机的形态学矩阵：,液动机 液力耦合器 轮胎 液压缸传动 抓斗,A3 + B4 + C3 + D2 + E1履带式挖掘机,柴油机 链传动 履带 绳传动 挖斗,A5 + B5 + C2 + D4 + E2液压轮胎式挖掘机,对那些合理的可行方案，应进行综合评价。可从物理学相容原理、技术经济效益、功率、速度、尺寸等功能参数方面，对这些方案进行复核、检验、评审，从中找出几个较好的方案。,对于像自走式联合收获机这类比较复杂的机械产品，如果对整机采用一个形态学矩阵，就过于庞大了，这时可分别建立各子系统的形态学矩阵，考虑各子系统的方案，然后再综合成整个机械产品的方案。,通过形态学矩阵得到的某一些方案，可能没有实际意义，甚至有一些功能载体无法匹配，所以应首先舍去那些不合理或没有实际意义的方案。,思考题： 1、举例说明什么是“黑箱”，为