機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

1.1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)在機(jī)械工程科學(xué)中的地位及作用

機(jī)械工程科學(xué)是研究機(jī)械產(chǎn)品的性能、設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)理論與技術(shù)的科學(xué)，機(jī)械工程科學(xué)可以按其經(jīng)歷階段分為機(jī)械學(xué)和機(jī)械制造兩大分學(xué)科。

1）首先研究的是機(jī)械產(chǎn)品的性能

2）從滿足產(chǎn)品性能的目的出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)（總體設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)）

3）利用一定的方法和技術(shù)手段制造出該產(chǎn)品

注意：產(chǎn)品制造完成后最終的目的還是要出售，要出售的不是產(chǎn)品的本身，而是產(chǎn)品的性能和服務(wù)。

表征產(chǎn)品性能主要參數(shù)指標(biāo)：功能、適應(yīng)性、可靠性、安全性、使用成本等第一章緒論*機(jī)械工程科學(xué)的組成及相互關(guān)系1）用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)出“質(zhì)量很差的產(chǎn)品”；

2）用先進(jìn)的制造技術(shù)生產(chǎn)出“落后的高質(zhì)量的產(chǎn)品”*機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的關(guān)系：設(shè)計(jì)與制造是不可分的統(tǒng)一體。設(shè)計(jì)是核心，制造是基礎(chǔ)。

1）脫離了制造的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的低劣。由于制造系統(tǒng)本身的特定條件，對(duì)設(shè)計(jì)過程有極強(qiáng)的約束作用，所以在設(shè)計(jì)過程中必須考慮到現(xiàn)有制造系統(tǒng)的工藝能力對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能的影響。

2）脫離了設(shè)計(jì)的制造會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能的落后。如果設(shè)計(jì)的產(chǎn)品從理論上或原理上存在先天不足，那么加工制造的質(zhì)量再好，也無法彌補(bǔ)設(shè)計(jì)上的缺陷。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的關(guān)系：制造對(duì)設(shè)計(jì)的約束作用

*

機(jī)械學(xué)是對(duì)機(jī)械進(jìn)行功能綜合并定量描述及控制其性能的基礎(chǔ)技術(shù)科學(xué)。

機(jī)械學(xué)的主要任務(wù)：把各種知識(shí)、信息注入到設(shè)計(jì)中，加工成機(jī)械制造系統(tǒng)能接受的信息，并加工出合乎設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品的過程。

機(jī)械學(xué)的研究對(duì)象：

1)

機(jī)械工程中圖形的表示原理和方法

2)機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)和力的變換與傳遞規(guī)律

3)

機(jī)械零件與構(gòu)件中的應(yīng)力、應(yīng)變和機(jī)械的失效

4)

機(jī)械中的摩擦行為

5)

設(shè)計(jì)過程中的思維活動(dòng)規(guī)律及其設(shè)計(jì)手段

6)機(jī)械系統(tǒng)與人、環(huán)境的相互影響等機(jī)械學(xué)/機(jī)械學(xué)的主要任務(wù)/機(jī)械學(xué)的研究對(duì)象*機(jī)械學(xué)的研究對(duì)象(按學(xué)科分類)機(jī)械學(xué)的研究對(duì)象按學(xué)科來分：1)

制圖學(xué)

2)

機(jī)構(gòu)學(xué)

3)

機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)4)

機(jī)械振動(dòng)學(xué)

5)

摩擦學(xué)

6)

傳動(dòng)機(jī)械學(xué)7)

設(shè)計(jì)理論與方法學(xué)

8)

機(jī)器人機(jī)械學(xué)9)人-機(jī)工程學(xué)等分學(xué)科。

*人機(jī)工程學(xué)：研究機(jī)械系統(tǒng)與人和周圍環(huán)境關(guān)系的科學(xué)。人機(jī)工程學(xué)的兩種設(shè)計(jì)思想：1）以人為中心；2）以機(jī)器為中心

機(jī)械學(xué)的研究對(duì)象——人機(jī)工程學(xué)注意：兩種設(shè)計(jì)思想均正確，針對(duì)不同的矛盾采用不同的設(shè)計(jì)思想

以機(jī)器為中心通常是設(shè)計(jì)者考慮問題的出發(fā)點(diǎn)——如何以最佳的原理及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。以人為中心通常是用戶或使用者/操作者考慮問題的出發(fā)點(diǎn)——如何以最舒適、最人性化的方式使用機(jī)器。要求設(shè)計(jì)者和用戶溝通，以便實(shí)現(xiàn)最佳的產(chǎn)品性能和操作性能*機(jī)械學(xué)包含的分學(xué)科*

機(jī)械制造科學(xué)：研究機(jī)械制造系統(tǒng)、機(jī)械制造過程手段的科學(xué)。包括：硬件（設(shè)備）、軟件（工藝方法）機(jī)械制造科學(xué)的基本概念機(jī)械制造學(xué)包括熱加工和冷加工。*熱加工：研究如何將材料加工成產(chǎn)品，如何保證、評(píng)估、提高這些產(chǎn)品安全可靠度和壽命的技術(shù)科學(xué)。主要內(nèi)容：

1)

研究如何將材料加工成為一定形狀及尺寸的機(jī)器部件

2)

研究在加工過程中保證或改進(jìn)材料的內(nèi)部組織、化學(xué)成分和加工性能

3)

研究發(fā)展機(jī)器部件所需的本體材料或其表面層

4)

研究機(jī)器部件的疲勞、蠕變、斷裂韌性、應(yīng)力腐蝕、壽命等使用性能問題

5)

研究加工工藝、加工裝備機(jī)器自動(dòng)流水線機(jī)械熱加工學(xué)按方法可分為：鑄造、鍛造、焊接、金屬熱處理、無損探測(cè)、表面工程等分學(xué)科。機(jī)械制造學(xué)的基本概念——熱加工*冷加工：研究各種機(jī)械制造過程和方法的技術(shù)科學(xué)。冷加工主要研究?jī)?nèi)容有：

1)

機(jī)械加工和裝配工藝過程的生產(chǎn)裝備及其自動(dòng)化、集成化與智能化

2)

機(jī)械加工和裝配工藝的過程和方法

3)機(jī)械制造（冷加工）的基礎(chǔ)理論。機(jī)械制造學(xué)的基本概念——冷加工*機(jī)械（無嚴(yán)格的定論）：須由兩個(gè)以上的零、部件組成；這些零、部件中的運(yùn)動(dòng)部件，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求作確定的運(yùn)動(dòng)；把外來的能源變?yōu)橛杏玫臋C(jī)械功。機(jī)械產(chǎn)品隨處可見。系統(tǒng)：指具有特定功能的、相互間有一定聯(lián)系的許多要素構(gòu)成的整體，即由兩個(gè)或兩個(gè)以上的要素組成的具有一定結(jié)構(gòu)和特定功能的整體。機(jī)械系統(tǒng)：由若干個(gè)零、部件及裝置組成的一個(gè)特定系統(tǒng)，彼此間有機(jī)聯(lián)系，并能完成特定功能的系統(tǒng)。系統(tǒng)的特性：

1)目的性；2)相關(guān)性與整體性；3)環(huán)境的適應(yīng)性。二機(jī)械、機(jī)械系統(tǒng)、系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)*

目的性：完成特定的功能是系統(tǒng)存在的目的。

系統(tǒng)特性

相關(guān)性與整體性：系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上要素構(gòu)成的，而每個(gè)要素之間都是有機(jī)地并以特定的關(guān)系聯(lián)系在一起的，即相關(guān)性。這樣，當(dāng)每個(gè)要素自身發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)影響到與此要素相關(guān)的其它要素，同時(shí)各要素間的相互作用相互影響也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

環(huán)境適應(yīng)性：任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的功能發(fā)生變化，甚至喪失功能。由于外部環(huán)境總是不斷變化著，而系統(tǒng)本身大多數(shù)情況下也總處于動(dòng)態(tài)的工作過程中，因此，為了使系統(tǒng)運(yùn)行良好，并完成特定功能，必須使系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的各種變化和干擾有良好的適應(yīng)性。*

機(jī)械系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操作和控制系統(tǒng)、支承系統(tǒng)及潤(rùn)滑-冷卻及密封系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。三、機(jī)械系統(tǒng)的組成

*1）任何系統(tǒng)都離不開機(jī)械系統(tǒng)2）機(jī)械系統(tǒng)是任何設(shè)備的基礎(chǔ)，機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)直接影響設(shè)備的性能。四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用*汽車中的機(jī)械系統(tǒng)四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（舉例）*機(jī)器人中的機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)器人設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，檢測(cè)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，是機(jī)械、電子、檢測(cè)、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。

下面以工業(yè)機(jī)器人為例，介紹機(jī)器人的一般組成、各部分作用以及機(jī)械手的一般結(jié)構(gòu)。四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（機(jī)器人）*18世紀(jì)瑞士的寫字偶人哈工大爬壁機(jī)器人爬纜索機(jī)器人仿人機(jī)器人北航仿生魚管道機(jī)器人*

排雷機(jī)器人“索杰納”火星車引導(dǎo)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人*1）機(jī)器人的基本組成及各部分功能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的動(dòng)力裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)身、手臂、末端操作器三大件組成．

感受系統(tǒng)：它由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息

機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)．人—機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能．四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用*四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（舉例：機(jī)器人）機(jī)器人中的機(jī)械系統(tǒng)*2）機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

手臂型機(jī)器人通常稱為機(jī)械手或機(jī)器人手臂。同樣具有機(jī)械系統(tǒng)的特征和要素。圖2.3機(jī)械手的概念圖四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（機(jī)器人）*常用機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)圖2-4油缸和齒輪齒條手臂機(jī)構(gòu)圖2-5氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu)（手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）

（手臂伸縮運(yùn)動(dòng)——增倍）四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（機(jī)器人）*常用機(jī)械手手爪機(jī)構(gòu)圖2.6回轉(zhuǎn)型手爪機(jī)構(gòu)圖2-7平移型手爪機(jī)構(gòu)四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（機(jī)器人）*四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用（轉(zhuǎn)臺(tái)）轉(zhuǎn)臺(tái)分為兩大類：測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、仿真轉(zhuǎn)臺(tái)用途：

1）測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)用于加速度計(jì)、陀螺儀等的標(biāo)定；

2）仿真用轉(zhuǎn)臺(tái)用于航天器動(dòng)態(tài)跟蹤精度和性能仿真測(cè)試

轉(zhuǎn)臺(tái)中的機(jī)械系統(tǒng)主要包括：

1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)（動(dòng)力原件，一般用交流無刷力矩電機(jī)）；

2）精密機(jī)械軸系（高精度軸承）；

3）測(cè)角系統(tǒng)；

4）安全保護(hù)系統(tǒng)；

5）底座（支承系統(tǒng)）；

6）框架/負(fù)載安裝界面（執(zhí)行系統(tǒng)）；

7）潤(rùn)滑及密封裝置。*功能：標(biāo)定加速度計(jì)；原理：加速度計(jì)標(biāo)定原理分兩種情況

1）小于等于1g；2）大于1g；機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

1）轉(zhuǎn)臺(tái)主軸軸系采用密珠支撐，以提高支承剛度和運(yùn)動(dòng)精度

2）分度轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度主要有一對(duì)端齒盤保證

3）精密測(cè)角系統(tǒng)

4）操縱系統(tǒng)

5）執(zhí)行系統(tǒng)（負(fù)載安裝盤）1）位置精度1〃2）位置重復(fù)性<0.5〃1加速度計(jì)、陀螺儀測(cè)試用角位置轉(zhuǎn)臺(tái)*2單軸位置速率轉(zhuǎn)臺(tái)

*3三軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)

*典型三軸轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖*典型三軸轉(zhuǎn)臺(tái)照片——速率模式*機(jī)電一體化系統(tǒng)有五大要素組成

1）動(dòng)力；2）機(jī)構(gòu)；3）執(zhí)行器；4）計(jì)算機(jī)；5）傳感器現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和（或）機(jī)電部件相聯(lián)系的系統(tǒng)。現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的概念機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成要素*本次課小結(jié)機(jī)械工程學(xué)科及分類機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的關(guān)系機(jī)械、系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)*1.2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、基本原則及要求一、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)及設(shè)計(jì)類型任務(wù)是開發(fā)新的產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品，最終目的是為市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)高效、物美價(jià)廉的機(jī)械產(chǎn)品，以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：

(1)多解性一個(gè)設(shè)計(jì)方案不可能同時(shí)滿足所有用戶的要求；能滿足同一用戶需求的設(shè)計(jì)方案一般來說也不止一個(gè)；設(shè)計(jì)的多解性為同類功能的產(chǎn)品適應(yīng)不同要求提供了可能。

(2)創(chuàng)新性善于把新的科技成果進(jìn)行科學(xué)而巧妙的構(gòu)思應(yīng)用到產(chǎn)品中去

(3)系統(tǒng)性（系統(tǒng)工程，需要考慮的因素很多）*機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)系統(tǒng)性的含義及要考慮的因素：

1）用戶對(duì)產(chǎn)品技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性的要求；

2）必須考慮與產(chǎn)品加工和制造、產(chǎn)品運(yùn)輸、產(chǎn)品維修/維護(hù)/保養(yǎng)的約束條件；

3）解決技術(shù)可行和產(chǎn)品可靠性的問題；（技術(shù)成熟程度、可靠性高低，風(fēng)險(xiǎn)大?。?/p>

4）需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及須采取的措施

5）考慮機(jī)械產(chǎn)品本身的系統(tǒng)性（有競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械產(chǎn)品是用系統(tǒng)工程的方法對(duì)合格的零部件進(jìn)行科學(xué)組合、合理匹配的結(jié)果）

6）面對(duì)市場(chǎng)和考慮企業(yè)自身發(fā)展；*機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分類大致可以分為三類：

1)完全創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2)適應(yīng)性設(shè)計(jì)（適應(yīng)新要求）（繼承設(shè)計(jì)）

3)變異性設(shè)計(jì)（適應(yīng)某方面有所變更的要求）（變型設(shè)計(jì)）

一、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)及設(shè)計(jì)類型完全創(chuàng)新設(shè)計(jì)：所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是過去從沒有過的全新產(chǎn)品。此類設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是只知道新產(chǎn)品的功用，但對(duì)確保實(shí)現(xiàn)該功能應(yīng)采用的工作原理及結(jié)構(gòu)等問題完全未知，沒有任何參考資料。

完全創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：

產(chǎn)品的主功能、主功能的工作原理、主功能載體的結(jié)構(gòu)，這三者中至少有一項(xiàng)是首創(chuàng)的*二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及要求

做好機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性產(chǎn)品獲得所需要經(jīng)歷的兩個(gè)階段：設(shè)計(jì)階段、制造階段。

1）由于設(shè)計(jì)和制造的相互影響和密不可分性，在設(shè)計(jì)階段要充分考慮到制造的影響；（連接設(shè)計(jì)與制造的是工藝）

2）在設(shè)計(jì)階段避免犯顛覆性或原理性的錯(cuò)誤

3）制造缺陷影響產(chǎn)品質(zhì)量、而設(shè)計(jì)缺陷則影響產(chǎn)品的性能*

一般設(shè)計(jì)原則主要包括滿足：

(1)需求原則；（一切設(shè)計(jì)都是以滿足客觀需求為出發(fā)點(diǎn)）

(2)信息原則；（在設(shè)計(jì)前作調(diào)查研究，廣泛收集資料和必要信息，不能閉門造車。要記住市場(chǎng)的敏感性，可能已經(jīng)有了想要的產(chǎn)品，不做市場(chǎng)調(diào)查和信息收集往往會(huì)導(dǎo)致你作無用功）

(3)系統(tǒng)原則；（從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，抓住主要矛盾，忽略或降低次要矛盾對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)）

(4)優(yōu)化、效益原則；（優(yōu)化的目的是提高效益；優(yōu)化的內(nèi)容包括原理、設(shè)計(jì)參數(shù)、總體方案、成本、價(jià)值、效率優(yōu)化等）

二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及要求*設(shè)計(jì)要求的重要性設(shè)計(jì)要求：既是設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、鑒定、驗(yàn)收的依據(jù)，同時(shí)又是用戶衡量的尺度。所以，在設(shè)計(jì)前，必須對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品提出詳細(xì)、明確的設(shè)計(jì)要求。

要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)前必須對(duì)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)要求有一個(gè)清晰明確的認(rèn)識(shí)必要時(shí)要與用戶進(jìn)行溝通，詳細(xì)了解用戶對(duì)產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的使用環(huán)境、維護(hù)/保養(yǎng)條件、產(chǎn)品的安裝位置等二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及要求*

設(shè)計(jì)要求主要包括：

(1)功能要求

(2)適應(yīng)性要求、(3)可靠性要求、

(4)生產(chǎn)能力要求

(5)使用經(jīng)濟(jì)性要求(6)成本要求等。功能要求:

1）用戶購買的是產(chǎn)品的功能（說明功能的重要性）。

2）功能與技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)

3）功能減少可能會(huì)喪失市場(chǎng)，要在滿足基本功能的情況下，科學(xué)的對(duì)功能進(jìn)行取舍適應(yīng)性要求：

1）適應(yīng)性要求指當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)品的適應(yīng)程度；

2）適應(yīng)性的提高將會(huì)給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等方面帶來很大困難，甚至達(dá)不到。二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及要求*可靠性要求:

1）可靠性要求指系統(tǒng)、產(chǎn)品、零件在規(guī)定的使用條件下，在預(yù)期的使用時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。

設(shè)計(jì)要求主要包括：

(1)功能要求

(2)適應(yīng)性要求、(3)可靠性要求、

(4)生產(chǎn)能力要求

(5)使用經(jīng)濟(jì)性要求(6)成本要求等。生產(chǎn)能力要求:

1）生產(chǎn)能力要求指單位時(shí)間內(nèi)所能完成工作量的多少，是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。

2）提高生產(chǎn)力可能會(huì)帶來負(fù)面問題，只有負(fù)面問題得到妥善解決后去提高生產(chǎn)能力才有意義二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及要求*

設(shè)計(jì)要求主要包括：

(1)功能要求

(2)適應(yīng)性要求、(3)可靠性要求、

(4)生產(chǎn)能力要求

(5)使用經(jīng)濟(jì)性要求(6)成本要求等。使用經(jīng)濟(jì)性要求:

1）使用經(jīng)濟(jì)性指單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的價(jià)值與同時(shí)間內(nèi)使用費(fèi)用的差值，使用經(jīng)濟(jì)性越高越好；

2）使用費(fèi)用主要包括：原材料、輔料消耗、能源消耗、保養(yǎng)維修、折舊、工具耗損、操作人員的工資等。（買車時(shí)最有體會(huì)了）成本要求:

1）成本高低直接影響競(jìng)爭(zhēng)力；

2）在機(jī)械產(chǎn)品中，要注意材料費(fèi)用，主要是材料品質(zhì)、利用率、廢品率。二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及要求*

從圖1.11可以看出機(jī)械產(chǎn)品的成本組成，它主要由材料費(fèi)、工資以及附加費(fèi)三部分組成。介紹機(jī)械產(chǎn)品成本組成的目的是學(xué)會(huì)如何從設(shè)計(jì)的角度來降低產(chǎn)品的成本。

機(jī)械產(chǎn)品成本組成中與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素1）材料的數(shù)量、質(zhì)量；2）工序的數(shù)量、工序時(shí)間、工人技術(shù)級(jí)別；

3）設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化；4）安全系數(shù)（舉例，吊車）；5）零件結(jié)構(gòu)；6）制造方法；7）設(shè)計(jì)精度機(jī)械產(chǎn)品成本的主要組成*圖1-12表示了產(chǎn)品生產(chǎn)過程和壽命階段的大致流程。三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)生過程*

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程圖中屬于設(shè)計(jì)過程的主要有產(chǎn)品策劃階段和產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。產(chǎn)品生產(chǎn)屬于制造過程。三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程產(chǎn)品策劃階段的任務(wù)：

1）了解市場(chǎng)需求；

市場(chǎng)需求分析：對(duì)產(chǎn)品功能和用戶群體等的定位及市場(chǎng)前景分析

2）何時(shí)、為那種市場(chǎng)開發(fā)、創(chuàng)造和銷售那種產(chǎn)品；

3）詳細(xì)介紹產(chǎn)品的開發(fā)目的、性能和其他必要數(shù)據(jù)。

總之，產(chǎn)品策劃階段是為了給某一用戶或某一類用戶而開發(fā)的產(chǎn)品制定詳細(xì)的任務(wù)書，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中起著指導(dǎo)性的作用。*市場(chǎng)需求分析和產(chǎn)品策劃的主要內(nèi)容：三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程2）有關(guān)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外水平和發(fā)展趨勢(shì)（*）

3）預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)

(設(shè)計(jì)水平、技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益等)

4）提出設(shè)計(jì)和制造方面所需解決的關(guān)鍵問題（*）5）現(xiàn)場(chǎng)條件下開發(fā)產(chǎn)品的可能性及準(zhǔn)備采取的措施（*）6）預(yù)算投資費(fèi)用及項(xiàng)目的進(jìn)度和期限（*）容易被設(shè)計(jì)者特別是經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)者忽略的問題1）產(chǎn)品開發(fā)的必要性和市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)*

設(shè)計(jì)階段又分為功能原理方案設(shè)計(jì)階段、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)階段和技術(shù)設(shè)計(jì)階段。（各階段任務(wù)）

功能原理方案設(shè)計(jì)階段的任務(wù)：在功能分析的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新思維、優(yōu)化篩選、方案綜合及評(píng)價(jià)決策，最后得到一個(gè)較理想的功能原理方案。

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)階段的任務(wù)：把功能原理方案具體化,在此階段主要完成產(chǎn)品的總體布置圖、尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)的確定以及所需的各種裝配圖。

技術(shù)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)：根據(jù)總裝配圖繪制零件圖，編制技術(shù)文件（如設(shè)計(jì)說明書，各種工藝文件、標(biāo)準(zhǔn)件、外購件明細(xì)表，備件、專用工具明細(xì)表等）。另外除了教材中列出的工作以外，還應(yīng)有編制產(chǎn)品的測(cè)試方法、使用說明書、維護(hù)手冊(cè)等

功能原理方案設(shè)計(jì)階段的重要性：功能原理方案的好壞將決定產(chǎn)品的性能、成本、水平及競(jìng)爭(zhēng)力，是設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵。三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程*功能原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重要性舉例：舉例：投標(biāo)一般投標(biāo)時(shí)所提供的標(biāo)書技術(shù)文檔包含兩部分內(nèi)容，一是技術(shù)文檔，另外一部分是商業(yè)文檔。技術(shù)文檔詳細(xì)給出了應(yīng)標(biāo)的詳細(xì)技術(shù)方案，主要是功能原理方案和結(jié)構(gòu)總體方案。各投標(biāo)方在技術(shù)上PK的是功能原理方案和結(jié)構(gòu)總體方案。評(píng)標(biāo)委員會(huì)根據(jù)你的功能原理方案、報(bào)價(jià)、技術(shù)成熟程度、可靠性等打分，最后確定中標(biāo)單位。三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程*三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程——補(bǔ)充內(nèi)容

商品化設(shè)計(jì)：其任務(wù)是保證產(chǎn)品不僅在技術(shù)上可行，而且在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中也能取得成功。商品化設(shè)計(jì)的核心是功能原理的新穎性，基礎(chǔ)是產(chǎn)品技術(shù)性能的先進(jìn)性，包裝是市場(chǎng)要求的適應(yīng)性。需對(duì)設(shè)計(jì)策賂、銷售策略和經(jīng)營(yíng)策略進(jìn)行全面考慮。商品化設(shè)計(jì)階段的工作重點(diǎn)是：

1）實(shí)現(xiàn)性能的實(shí)用性變化，包括適應(yīng)不同使用條件、開發(fā)新的用途、增添附加性能等；

2）零部件標(biāo)準(zhǔn)化、性能尺寸規(guī)格系列化、非標(biāo)準(zhǔn)零部件通用化和零件結(jié)構(gòu)模塊化等；

3）產(chǎn)品的工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)；

4）產(chǎn)品的價(jià)值分析等。*三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程——補(bǔ)充內(nèi)容產(chǎn)品的商品化設(shè)計(jì)舉例-叉車*1.3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

1）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法2）現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法：

設(shè)計(jì)者主要是憑借直覺和經(jīng)驗(yàn)，以生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，運(yùn)用一些基本的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，借助類比、模擬和試湊等設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)：

1）用這種方法設(shè)計(jì)的機(jī)械只能滿足基本功能要求

2）結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較大，經(jīng)濟(jì)性差

3）只是依靠對(duì)原型機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行整機(jī)的綜合性能分析。

4）產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)，產(chǎn)品的質(zhì)量低、成本高。*一、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法——半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計(jì)方法半經(jīng)驗(yàn)半理論設(shè)計(jì)方法：

1）加強(qiáng)了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論和專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)理論的研究

2）為設(shè)計(jì)提供了大量的信息，如設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、圖表圖冊(cè)等；

3）加強(qiáng)了關(guān)鍵零部件的試驗(yàn)研究，使整機(jī)試驗(yàn)趨于完善，大大提高了設(shè)計(jì)速度和成功率；

4）加強(qiáng)了零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化、產(chǎn)品系列化的研究。

半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比，大大減少了設(shè)計(jì)的盲目性，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期．提高了機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命．降低了成本。1.3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法*

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法因其簡(jiǎn)易方便至今仍被廣泛應(yīng)用，但其不足之處主要表現(xiàn)在：

①在設(shè)計(jì)理論上，主要集中在揭示設(shè)計(jì)對(duì)象的內(nèi)在機(jī)理，而未將“設(shè)計(jì)”本身作為一門學(xué)科進(jìn)行研究，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象內(nèi)在機(jī)理的分析也僅局限于采用簡(jiǎn)化模型；

②在設(shè)計(jì)方法上，未能將局部與系統(tǒng)、定性與定量、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與美學(xué)、設(shè)計(jì)與銷售等關(guān)系辯證地統(tǒng)一起來，融會(huì)貫通于設(shè)計(jì)之中，因而設(shè)計(jì)方法上有很大的局限性；

③在設(shè)計(jì)本質(zhì)上，未能將創(chuàng)造性設(shè)計(jì)提高到應(yīng)有高度來認(rèn)識(shí)和研究，使具體設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)造性的思維方法。1.3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法*1機(jī)械系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)代廣義設(shè)計(jì)和分析科學(xué)方法學(xué)的簡(jiǎn)稱。是科學(xué)方法論在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。這些方法可以應(yīng)用到各行各業(yè)，應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，則稱為機(jī)械系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。1.3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法*現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容主要包括：信息論方法—如信息分析法、技術(shù)預(yù)測(cè)法，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的前提系統(tǒng)論方法—如系統(tǒng)設(shè)計(jì)法、人——機(jī)工程等控制論方法—如動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)法優(yōu)化論方法—優(yōu)化設(shè)計(jì)法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的目標(biāo)對(duì)應(yīng)論方法—如相似設(shè)計(jì)法智能論方法—如CAD、CAM等，是核心壽命論方法—如可靠性設(shè)計(jì)和價(jià)值工程等離散論方法—如有限元和邊界分析設(shè)計(jì)法模糊論方法—如模糊設(shè)計(jì)法突變論方法—如創(chuàng)造性設(shè)計(jì)等，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)藝術(shù)論方法—如藝術(shù)造型設(shè)計(jì)*1設(shè)計(jì)方法學(xué)11模塊化設(shè)計(jì)2優(yōu)化設(shè)計(jì)12熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)3可靠性設(shè)計(jì)13精度設(shè)計(jì)4工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)14相似設(shè)計(jì)5有限元法15設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)6動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)16并行設(shè)計(jì)7計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)17綠色設(shè)計(jì)8疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)18虛擬設(shè)計(jì)9損傷容限設(shè)計(jì)19智能工程10摩擦學(xué)設(shè)計(jì)20反求工程現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法*2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)的、科學(xué)的、計(jì)算機(jī)化的方法。將那些在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到的所有科學(xué)方法論應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中。主動(dòng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)?？s短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。提高產(chǎn)品的質(zhì)量并降低其成本。*2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不同之處主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1)設(shè)計(jì)性質(zhì)(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)偏重于設(shè)計(jì)技術(shù)；現(xiàn)代設(shè)計(jì)面向功能目標(biāo))(2)設(shè)計(jì)思維(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)朝向結(jié)構(gòu)方案的“收斂性思維”；現(xiàn)代設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品總功能的“發(fā)散性思維”)(3)設(shè)計(jì)方法(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用少數(shù)的驗(yàn)證分析以滿足限定的約束條件；現(xiàn)代設(shè)計(jì)是用多元性方法直接綜合使其在各種情況下實(shí)現(xiàn)方案與全域優(yōu)化目標(biāo))(4)設(shè)計(jì)手段(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是用計(jì)算器、圖板、手冊(cè)的個(gè)體手工作業(yè)；現(xiàn)代設(shè)計(jì)充分利用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)繪圖和數(shù)據(jù)庫管理，集團(tuán)分工協(xié)作)*現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不同之處主要表現(xiàn)在以下幾方面：(5)設(shè)計(jì)對(duì)象(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)局限在零件和結(jié)構(gòu)上；現(xiàn)代設(shè)計(jì)則注重機(jī)械系統(tǒng)的全局構(gòu)成，包括造型藝術(shù))(6)設(shè)計(jì)工況(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)避開復(fù)雜問題，只按確定工況與靜態(tài)考慮；現(xiàn)代設(shè)計(jì)則研究動(dòng)態(tài)的隨機(jī)工況、模糊性與其它一系列問題)(7)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單項(xiàng)與手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則（如強(qiáng)度、成本等）；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法則用科學(xué)的模糊綜合評(píng)價(jià))2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較**為什么采用可靠性設(shè)計(jì)

可靠性：產(chǎn)品(或系統(tǒng))在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃缘幕靖拍?可靠性定義主要包括了以下五個(gè)基本要素：(2)規(guī)定的條件常指使用條件、環(huán)境條件、操作條件和維護(hù)條件等，這些條件對(duì)可靠性會(huì)有直接影響。

(3)規(guī)定的時(shí)間一般是指對(duì)象的工作期限,該期限可以用時(shí)間、次數(shù)或距離等表示。

(4)規(guī)定的功能每一對(duì)象都有其所要求的功能，功能常用各項(xiàng)規(guī)定的指標(biāo)來表示。產(chǎn)品喪失功能的狀態(tài)稱為發(fā)生故障或失效。(5)能力完成規(guī)定功能的能力不僅有定性的含義而且有定量的指標(biāo)，描述這種能力一般都要采用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法。(1)評(píng)價(jià)可靠性的對(duì)象對(duì)機(jī)械產(chǎn)品而言可以是一個(gè)零件、一個(gè)部件，也可以是一臺(tái)機(jī)械設(shè)備或是多個(gè)機(jī)械設(shè)備組成的系統(tǒng)?？煽啃缘幕靖拍?

可靠性設(shè)計(jì)—應(yīng)用可靠性理論和設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)零件、部件、設(shè)備或系統(tǒng)等在保證達(dá)到給定的可靠度的條件下，進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種方法。重要內(nèi)容之一是可靠性預(yù)測(cè)，其次是可靠性分配?？煽啃灶A(yù)測(cè)是一種預(yù)報(bào)方法，即從所得到的失效數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)一個(gè)零、部件或系統(tǒng)實(shí)際可能達(dá)到的可靠度，預(yù)報(bào)這些零、部件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率?？煽啃苑峙渫ㄟ^串聯(lián)或并聯(lián)的方法來保證系統(tǒng)的可靠度指標(biāo)，對(duì)于關(guān)鍵零、部件應(yīng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，使可靠性指標(biāo)得到保證。*可靠性設(shè)計(jì)的步驟確定系統(tǒng)的可靠度指標(biāo)。按需要、技術(shù)水平、研制時(shí)間、成本等。從可靠性的角度進(jìn)行失效分析、影響分析、可靠度預(yù)測(cè)，估算。進(jìn)行必要的試驗(yàn)。進(jìn)行可靠度分配，賦予各部分直到基本單元的合理的可靠度指標(biāo)。進(jìn)行零件的可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算。

有限元法目前在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一種非常重要的分析、計(jì)算方法，借助有限元分析軟件，可以替代傳統(tǒng)的根據(jù)理論力學(xué)、材料力學(xué)的基本公式計(jì)算結(jié)構(gòu)件的靜態(tài)變形、位移、應(yīng)力、應(yīng)變，動(dòng)態(tài)模態(tài)分析，以及其它如流體力學(xué)分析、熱分析、磁場(chǎng)分析等等。有限元法：是將彈性連續(xù)體簡(jiǎn)化為有限個(gè)單元組成的離散化模型，對(duì)離散化模型求出數(shù)值解，是在力學(xué)模型上進(jìn)行近似計(jì)算，有限元法已經(jīng)是一種廣泛應(yīng)用且行之有效的數(shù)值近似解法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法—有限元法的基本概念*有限元法在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

為了給大家建立有限元分析的基本概念,首先看一個(gè)靜態(tài)分析的例子。分析零件的靜態(tài)變形。首先看傳統(tǒng)方法，也就是利用材料力學(xué)的有關(guān)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算。有限元法應(yīng)用舉例*v——最大撓度P——集中力載荷E——彈性模量I——慣性矩這時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)問題：I值如何確定？I值如何確定是一個(gè)與截面形狀有關(guān)的量。對(duì)于規(guī)則的截面形狀，可以查表得到；對(duì)于不規(guī)則的截面形狀如何處理呢？傳統(tǒng)方法計(jì)算彎曲變形*存在問題：1）臺(tái)面截面不規(guī)則，屬于變截面；2）不受集中力，而是在一定面積區(qū)域受力有限元分析舉例*平面圖三維實(shí)體圖有限元分析軟件單元類型確定/材料特性定義/單元?jiǎng)澐质┘虞d荷/約束條件選擇分析類型(靜態(tài)分析/模態(tài)分析)結(jié)果輸出二維平面圖有限元法進(jìn)行靜態(tài)/模態(tài)分析的一般步驟*1機(jī)械工程科學(xué)研究的內(nèi)容包括幾大分學(xué)科?

各分學(xué)科之間的相互關(guān)系又怎樣?2什么是系統(tǒng)?系統(tǒng)有何特性?什么是機(jī)械系統(tǒng)?機(jī)械系統(tǒng)由幾大部分組成?

機(jī)械系統(tǒng)在產(chǎn)品中的地位與作用?4在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，為什么特別強(qiáng)調(diào)和重視從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)?5機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有幾種類型?6簡(jiǎn)述產(chǎn)品產(chǎn)生過程及設(shè)計(jì)的一般過程。7什么是機(jī)械系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法?此方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)方法有何聯(lián)系與區(qū)別?習(xí)題與思考*機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的方法：黑箱法

(功能結(jié)構(gòu)、功能分解、功能元)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)、原則、步驟、基本原理*

任何一種產(chǎn)品的開發(fā)，都面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的考驗(yàn)，要提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，必須在產(chǎn)品的以下幾方面下功夫：

1）設(shè)計(jì)

2）制造

3）銷售

4）售后服務(wù)

5）改進(jìn)設(shè)計(jì)

其中設(shè)計(jì)是一個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、成本等主要是在設(shè)計(jì)階段決定的。第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)引言*產(chǎn)品產(chǎn)生過程第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、成本等起決定性作用*機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的重要性：

機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和外觀造型均具有決定性意義。

機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的結(jié)果：形成技術(shù)設(shè)計(jì)階段的指導(dǎo)性文件。主要指原理圖和裝配圖。第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)*什么是功能原理設(shè)計(jì)？第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

功能原理設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)針對(duì)該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思功能原理設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的成敗起著決定性的作用蒸汽機(jī)（工業(yè)革命）內(nèi)燃機(jī)

為了不使我們的產(chǎn)品輸在起跑線上，所以要做好功能原理設(shè)計(jì)“它武裝了人類，使虛弱無力的雙手變得力大無窮，健全了人類的大腦以處理一切難題。它為機(jī)械動(dòng)力在未來創(chuàng)造奇跡打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，將有助并報(bào)償后代的勞動(dòng)?！?/p>

*第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)功能原理設(shè)計(jì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)思的創(chuàng)新性市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)潛力對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，要想具有創(chuàng)造力離不開以下幾點(diǎn)：（創(chuàng)造力的五要素）

知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、才能、心理素質(zhì)、機(jī)遇知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累是一個(gè)重要因素，設(shè)計(jì)者要進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，就要具有很廣的知識(shí)面和堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。*

創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法是工程設(shè)計(jì)方法的重要組成部分，應(yīng)該貫穿于工程技術(shù)設(shè)計(jì)的全部過程中，也是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的根本措施和有力手段。特別是在產(chǎn)品的功能原理方案設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法尤其重要，可獲得更多的原理方案，最終可能產(chǎn)生更多、更好的新產(chǎn)品。第二章機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)幾種簡(jiǎn)單的創(chuàng)新技法智力激勵(lì)法(集思廣益法)提問追溯法聯(lián)想類推法系統(tǒng)搜索法組合創(chuàng)新法*創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）

(2)集智會(huì)法個(gè)人雖具有獨(dú)創(chuàng)性，但畢競(jìng)要受到知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的局限，因此有一種集數(shù)人(5—6個(gè))一起的集智會(huì)法。這種方法可集中許多人的創(chuàng)造力，起到多人相互啟發(fā)的作用。如為了避免各人之間可能出現(xiàn)的相互妨礙和產(chǎn)生無形壓力，更便于每個(gè)人充分發(fā)表意見，也可采用書面集智的形式，如“專家預(yù)測(cè)法”等。1．智力激勵(lì)法(集思廣益法)-2種

(1)智暴法指抓住瞬時(shí)的靈敏意識(shí)流而得到一些新想法時(shí)的一種方法。甚至有些想法近乎胡思亂想，五花八門，不著邊際，但它們都具有打破常規(guī)、突破“框框”的獨(dú)創(chuàng)性特點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員只要抓住這瞬時(shí)的“靈感”和“頓悟”等一閃念，就有可能得出解決問題的啟示。*

2．提問追溯法（4種）該法是通過對(duì)問題進(jìn)行分析，加以推理來擴(kuò)展思路，或把復(fù)雜問題進(jìn)行分解，找出各種影響因素，再進(jìn)行分析推理從中尋求問題解答的一種創(chuàng)新技法。它在思維方面具有邏輯推理的特點(diǎn)。主要包括以下幾種方法。創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）(1)提問法如美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的提問法,

它是在設(shè)計(jì)過程中提出如下問題要求回答：①增加功能—能在原有基礎(chǔ)上增加新功能嗎?②提高性能—在耐用、可靠、維修等方面能否改善?③降低成本—能用減少零件、更換材料、改變工藝等方法降低

成本嗎?④增加銷售—對(duì)商品特點(diǎn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、包裝等是否作了研究?*創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）(2)反向探求法對(duì)現(xiàn)有的問題解決的方案系統(tǒng)地加以否定或?qū)で笃渌踔料喾吹囊庖?找出新的解法或啟發(fā)新的想法?？煞譃椤澳嫦颉焙汀稗D(zhuǎn)向”兩類方法。例如，機(jī)械加工時(shí)由工件不動(dòng)發(fā)展到工件轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于“逆向”的做法。(3)缺點(diǎn)列舉法針對(duì)某一設(shè)計(jì)方案，列出其所有缺點(diǎn)和不足，

研究改進(jìn)方法以探求新方案。(4)向前推演法從一個(gè)最初的設(shè)想按一定方向逐步向前探索，尋

找新的想法。例如，聯(lián)接兩個(gè)軸的離合器，其聯(lián)接方式可以是牙嵌式的、齒形式的、摩擦錐式的、單片或多片摩擦片式、超越離合器式和電磁離合器式等。又如對(duì)摩擦式的聯(lián)接，其壓力產(chǎn)生又可以是機(jī)械式的、液壓式的和電動(dòng)式的等。*創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）3．聯(lián)想類推法該法是通過啟發(fā)、類比、聯(lián)想、綜合等創(chuàng)造出新的想法來解決問題。主要有以下幾種方法(1)相似聯(lián)想法通過相似聯(lián)想進(jìn)行推理，尋找創(chuàng)造性解法。(2)抽象類比法用抽象反映問題實(shí)際的類比方法來擴(kuò)大思路尋求新解法。例如，要發(fā)明一種開罐頭的新方法，可先抽象出開的概念，列出現(xiàn)有的各種“開”的方法，如打開、撕開、擰開、拉開等。然后從中尋找對(duì)開耀頭有啟示的新方法來。(3)仿生法通過對(duì)生物的某些特性進(jìn)行分析和類比，啟發(fā)出新的想法和創(chuàng)造性方案的一種方法。它是現(xiàn)代發(fā)展新技術(shù)的重要途徑之一。例如，飛機(jī)構(gòu)件中的蜂窩結(jié)構(gòu)就是仿生法在技術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例。*創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）仿生機(jī)器魚*4．系統(tǒng)搜索法（2種）對(duì)于技術(shù)系統(tǒng)，可以根據(jù)其組成或影響性能的全部參數(shù)，系統(tǒng)地依次分析搜索，以探求更多的解決問題途徑。這種方法稱為系統(tǒng)搜索法。

如果產(chǎn)品是功能和動(dòng)作都要求復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，還有兩種具體指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法。(1)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)搜尋法針對(duì)設(shè)計(jì)要求，首先系統(tǒng)地找出各種可能的機(jī)構(gòu)，然后進(jìn)行評(píng)價(jià)擇優(yōu)。（并聯(lián)機(jī)構(gòu)）(2)邏輯積木法

將機(jī)械系統(tǒng)的輸出要求分解成基本功能，然后根據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)綜合的約束條件認(rèn)真構(gòu)思簡(jiǎn)單的組件(零件、機(jī)構(gòu)、部件、分系統(tǒng)等)。再將這些組件(即積木)按一定的相互關(guān)系，用最簡(jiǎn)單的形式將輸入與輸出連接起來。創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）*5．組合創(chuàng)新法（2種）利用事物間的內(nèi)在聯(lián)系，用已有的知識(shí)和成果進(jìn)行新的組合而產(chǎn)生新的方案。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到合理的組合也是一種創(chuàng)造。(1)組合法是把現(xiàn)有的技術(shù)或產(chǎn)品通過功能、原理、機(jī)構(gòu)等組合變化，形成新的技術(shù)思想和新的產(chǎn)品。組合的類型包括功能組合、系統(tǒng)組合等。例如，把刀、剪、挫、錐等功能集中起來的“萬用旅行刀”等就是組合法的產(chǎn)品。（瑞士軍刀）(2)綜攝法是通過已知的東西作媒介，把毫無關(guān)聯(lián)的、不相同的知識(shí)要素結(jié)合起來，攝取各種產(chǎn)品的長(zhǎng)處將其綜合在一起，制造出新的產(chǎn)品的一種創(chuàng)新技法。它具有綜合攝取的組合特點(diǎn)。例如日本南極探險(xiǎn)隊(duì)在輸油管不夠的情況下，因地制宜，用鐵管做模子，包上繃帶，再層層淋上水使之結(jié)成一定厚度的冰，做成冰管子，用作輸油管的代用品，這就是綜攝法的應(yīng)用實(shí)例。創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）*2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.1功能的定義及其分類功能是系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，或者說是系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)化能量、運(yùn)動(dòng)或其他物理量的特性?！肮δ堋笔钱a(chǎn)品的核心和本質(zhì)“顧客購買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”。*設(shè)計(jì)者如何看待產(chǎn)品的功能呢？或者說在設(shè)計(jì)中關(guān)于功能應(yīng)該考慮哪些因素呢？2.1.1功能的定義及其分類顧客對(duì)功能的需求是有條件的，設(shè)計(jì)者也必須考慮如下問題：

1）功能使用的地點(diǎn)及環(huán)境條件；

2）功能的定性與定量參數(shù)；

3）功能實(shí)現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)與手段；

4）功能使用的經(jīng)濟(jì)性*適合環(huán)境：溫度：20±2℃；濕度：55％-65％功能的定性與定量參數(shù)：測(cè)量行程（X／Y／Z）500×600×400（mm）

機(jī)臺(tái)尺寸（長(zhǎng)／寬／高）1600×1200×2500（mm）

機(jī)臺(tái)承重：500kg最大允許誤差：長(zhǎng)度測(cè)量最大允許誤差MPEE＝（2.8＋L／200）um功能的實(shí)現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)與手段精密花崗巖平臺(tái)、氣浮導(dǎo)軌，保障機(jī)構(gòu)穩(wěn)定氣源壓力：0.4MPa～0.6MPa

空氣流量：90L／min（0.4MPa）移動(dòng)位移測(cè)量元件：英國(guó)RENISHAW品牌，分辨率0.001mm*2.1.1功能的定義及其分類概念辨析

1)功能2)功用3)用途4)性能5)能力*2.1.1功能的定義及其分類功能的分類在設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)各種功能的對(duì)待與處理方法：2）附加功能可隨技術(shù)條件或結(jié)構(gòu)方式的改變而取舍或改變；3）非必要功能可能是設(shè)計(jì)者主觀加上去的，因此可有可無。4）由于系統(tǒng)的功能總是以成本作為代價(jià)的，所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明確的決定。1）基本功能必須保證，且在設(shè)計(jì)中不能改變；*2.1.1功能的定義及其分類2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)【例2.1】設(shè)計(jì)行走機(jī)器人

2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)

“功能原理設(shè)計(jì)”就是針對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思，亦即針對(duì)產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)?；竟δ堋凶咦⒁猓翰灰热霝橹?，抓住一種方案不放手！這樣很有可能使你喪失以最佳方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的機(jī)會(huì)！*輪式足式（雙足、四足、六足、八足）履帶式蠕動(dòng)式混合式（輪-足）方式*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)勇氣號(hào)機(jī)遇號(hào)*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)如何從眾多可實(shí)現(xiàn)方案中選擇滿足特定要求的原理方案？

分析各種行走原理的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)），并與具體的要求作比較，從中選出最佳原理方案。與具體要求比較還要考慮創(chuàng)新性和市場(chǎng)潛力*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)【例2.2】設(shè)計(jì)草地剪草機(jī)對(duì)雜草進(jìn)行剪修通常的辦法有：拉斷——可以拉斷草，但無法控制被拉斷草的高度，即無法使草地整齊。割斷——像農(nóng)夫割麥一樣，需要握住草的上部才能割斷。剪斷——利用剪刀刃的合攏可以剪斷草。（剪斷是較合理的方案，目前很多剪草機(jī)都采用這種方式）功能原理設(shè)計(jì)就是針對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思，亦即針對(duì)產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)剪草機(jī)功能原理設(shè)計(jì)*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)1）垂直引上法（傳統(tǒng)方法），此法是把半流體的玻璃從熔池中不斷向上引，開始時(shí)通過軋輥控制厚度，然后邊向上引邊凝固。這樣加工出來的玻璃表面總是有波紋，且厚度不勻。

2）浮法制造平面玻璃的新工藝，讓液態(tài)玻璃飄浮在低熔點(diǎn)金屬的液面上，邊向前流動(dòng)邊凝固。用此方法生產(chǎn)出來的玻璃克服了厚薄不均且有波紋的缺點(diǎn)。

玻璃制作的功能原理設(shè)計(jì)

*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的任務(wù)

針對(duì)某一確定的功能要求，去尋求一些物理效應(yīng)并借助某些作用原理來求得一些實(shí)現(xiàn)該功能目標(biāo)的解法原理。功能原理設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容是：

構(gòu)思能實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)的新的解法原理。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)思維的特點(diǎn)：發(fā)散性和收斂性

收斂性：不管所做的功能原理方案有多少種、采用何種方法，評(píng)價(jià)功能原理方案是否優(yōu)秀、合理的條件是技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。也就是說，最終所選擇的功能原理方案收斂于技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。（技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上效益高）

發(fā)散性：功能原理設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)應(yīng)放在盡可能多地提出創(chuàng)新構(gòu)思上，從而使思維盡量“發(fā)散”，以力求提出較多的解法供比較和優(yōu)選。此時(shí)，對(duì)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等則不一定要有成熟的考慮，故只需用簡(jiǎn)圖或示意圖的形式來表達(dá)所構(gòu)思的內(nèi)容。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：②功能原理設(shè)計(jì)中往往要引入某種新技術(shù)、新材料、新工藝……，但首先要求設(shè)計(jì)人員有一種新想法、新構(gòu)思。③功能原理設(shè)計(jì)使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化。

所以，功能原理設(shè)計(jì)的好與壞將對(duì)產(chǎn)品的成敗起決定性作用，設(shè)計(jì)人員必須給予高度重視。①功能原理設(shè)計(jì)是用一種新的物理效應(yīng)來代替舊的物理效應(yīng)，使所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作原理發(fā)生根本變化。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)在功能原理設(shè)計(jì)階段需要注意的三個(gè)問題

1）某些情況下設(shè)計(jì)任務(wù)不明確

設(shè)計(jì)者必須親自通過調(diào)查、分析，確定合理明確的功能目標(biāo)。當(dāng)功能目標(biāo)明確之后，就可以尋找一些類似的技術(shù)作參考，這樣可以使設(shè)計(jì)者在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出更新，更巧妙的構(gòu)思，同時(shí)，設(shè)計(jì)者還應(yīng)重視基本科學(xué)知識(shí)的積累，避免陷入一些違反基本科學(xué)原理的錯(cuò)覺。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)在功能原理設(shè)計(jì)階段需要注意的三個(gè)問題

1）某些情況下設(shè)計(jì)任務(wù)不明確

2）一個(gè)好的原理構(gòu)思并不一定能成為產(chǎn)品

一個(gè)好的原理構(gòu)思并不一定能成為產(chǎn)品，其部分原因就是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)，材料和工藝（加工、裝配、檢測(cè)）問題無法得到合理的解決。

這充分說明創(chuàng)新構(gòu)思時(shí)一定要粗略考慮一些主要的結(jié)構(gòu)工藝問題的重要性。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)在功能原理設(shè)計(jì)階段需要注意的三個(gè)問題

1）某些情況下設(shè)計(jì)任務(wù)不明確

2）一個(gè)好的原理構(gòu)思并不一定能成為產(chǎn)品

3）功能原理方案的模型驗(yàn)證，驗(yàn)證原理方案的可行性，對(duì)不完善的構(gòu)思進(jìn)行修改、完善、提高。

對(duì)功能原理構(gòu)思完畢后，就要進(jìn)行原理性試驗(yàn)，以驗(yàn)證功能原理是否能完成預(yù)定的目標(biāo)。功能原理試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)和材料并不要求完全真實(shí)，以不影響功能原理的可靠性為原則。最后，必須要對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比，根據(jù)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的對(duì)比結(jié)果選出一種最優(yōu)的功能原理，進(jìn)行下一步的實(shí)用化設(shè)計(jì)。*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的要求(3項(xiàng))：2）按照機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則、設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)功能進(jìn)行

比較，以便從中選出一個(gè)較理想的?；驹瓌t：1)需求原則;2）信息原則；3)系統(tǒng)原則；4)優(yōu)化、效益原則；設(shè)計(jì)要求:1)功能要求；2)適應(yīng)性要求；3)可靠性要求；4)生產(chǎn)能力要求；

5)使用經(jīng)濟(jì)性要求；6)成本要求等

3）一個(gè)好的功能原理設(shè)計(jì)應(yīng)既有創(chuàng)新構(gòu)思，又能滿足用戶的需

求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益。1）應(yīng)設(shè)計(jì)出幾種不同的功能原理方案；*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的步驟功能原理方案設(shè)計(jì)步驟（科學(xué)合理的步驟）

*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

一般設(shè)計(jì)過程：一般設(shè)計(jì)過程的缺點(diǎn)：

1）帶有很大的盲目性

2）設(shè)計(jì)人員知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的局限性，妨礙了思維，束縛了創(chuàng)造力*2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法——黑箱法

“黑箱法”設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

1）暫時(shí)摒棄那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能

2）將必要功能和基本功能用較為抽象的形式(如輸入量和輸出量)加以表達(dá)。

3）通過抽象化可清晰地掌握所設(shè)計(jì)系統(tǒng)(產(chǎn)品)的基本功能和主要約束條件，從而突出設(shè)計(jì)中的主要矛盾，抓住問題的本質(zhì)。從滿足系統(tǒng)功能的角度看黑箱法*2.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法自行車的黑箱

車床黑箱圖（對(duì)外界的影響）（來自外界的影響）*黑箱法示意圖

如果把具體設(shè)計(jì)對(duì)象抽象化，統(tǒng)稱為待設(shè)計(jì)系統(tǒng)，則有下圖形式——黑箱法

物料流：材料/毛坯/半成品/成品/液體/氣體等能量流：電能/光能/機(jī)械能/熱能/核能等信號(hào)流：數(shù)據(jù)/測(cè)量值/控制信號(hào)/波形等*2.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法稱為黑箱法的原因?qū)τ诖O(shè)計(jì)的系統(tǒng)(產(chǎn)品)來說，在求解之前，猶如一個(gè)看不見其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱”。這種“黑箱”只是用來描述系統(tǒng)的“功能目標(biāo)”，至于“黑箱”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻是未知的，是需要設(shè)計(jì)人員去進(jìn)一步構(gòu)思和設(shè)計(jì)的*2.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法黑箱法的特點(diǎn):

2）擺脫了具體設(shè)計(jì)對(duì)象，而按系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能和對(duì)三大流進(jìn)行定性描述來進(jìn)行思考，使問題簡(jiǎn)化，以利于啟發(fā)設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出更新、更好的功能原理方案來。3）通過“黑箱”與輸入、輸出量及周圍環(huán)境的信息聯(lián)系，了解系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能、特性，進(jìn)一步探索出系統(tǒng)的機(jī)理和結(jié)構(gòu)，逐步使“黑箱”——“灰箱”——“白箱”，直至方案擬定。1）“黑箱法”是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)的一種方法；*2.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)研究功能元、功能結(jié)構(gòu)的意義

“黑箱法”是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)。只是揭示了物料、信息、能量流由輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換則未給出明確的方法，必須在“黑箱法”的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能分解，這就用到了功能元和功能結(jié)構(gòu)的概念。自行車功能原理系統(tǒng)圖*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)

功能分解由于一個(gè)系統(tǒng)可以分解成一些子系統(tǒng)，所以，一個(gè)系統(tǒng)的總功能也能分解為一些分功能；如果有些分功能還太復(fù)雜，則還可以進(jìn)一步分解到更低層次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能單位為止（功能元）。功能分解的目的是把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。

*

機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的基本功能元有三類：

1）物理功能元；2）數(shù)學(xué)功能元；3）邏輯功能元

物理功能元：反映系統(tǒng)中能量流、物料流及信息流的基本物理動(dòng)作，常用的有五個(gè)。

數(shù)學(xué)功能元：主要用于機(jī)械系統(tǒng)中有一些與數(shù)學(xué)的加、減、乘、除等有關(guān)的功能要求，如差動(dòng)輪系、求積儀、機(jī)械式計(jì)算機(jī)等，它反映數(shù)學(xué)的基本動(dòng)作。

邏輯功能元：主要用于信息及控制系統(tǒng)中，基本的邏輯功能元有“與”、“或”、“非”元。

功能元：功能分解到最低層次，直到分解到最后不能再分解的基本功能單位為止，這個(gè)基本功能單位就叫功能元。*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)表2.1常用的物理功能元*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)功能元*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.功能結(jié)構(gòu)功能的分解和組合關(guān)系稱為功能結(jié)構(gòu)。將總功能分解成分功能（功能單位），同一層次的功能單位組合起來，應(yīng)能滿足上一層功能的要求，最后組合成的整體應(yīng)能滿足總功能的要求。圖2.7功能結(jié)構(gòu)示意圖*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.功能結(jié)構(gòu)——基本類型

串聯(lián)串并聯(lián)循環(huán)*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.功能結(jié)構(gòu)——建立功能結(jié)構(gòu)的一般原則

1）功能結(jié)構(gòu)圖可從“黑箱”或設(shè)計(jì)要求明細(xì)表出發(fā)來建立。2）先主后次，逐漸完善。首先考慮主要功能和主要流，初步建立功能結(jié)構(gòu)圖；再解決輔助功能和次要流，逐漸完善系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。4）功能結(jié)構(gòu)不是只有一種形式。5）總功能需要分解到什么程度主要取決于在哪個(gè)層次上能找到相應(yīng)的技術(shù)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其功能要求*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)例：建立材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖黑箱法求總功能總功能分解*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)建立功能結(jié)構(gòu)圖的流程建立功能結(jié)構(gòu)圖的兩種方法

1）從總功能出發(fā)來層層分解；

2）先建立輸入、輸出兩端的分功能，再根據(jù)總功能要求將兩端聯(lián)接起來；建立功能結(jié)構(gòu)圖時(shí)的注意事項(xiàng)：1）建立功能結(jié)構(gòu)圖時(shí)，應(yīng)首先選用表2.1所列的基本功能元；2）功能結(jié)構(gòu)圖應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，能找到相應(yīng)的技術(shù)效應(yīng)時(shí)就不要再繼續(xù)分解下去了；3）要把原理方案構(gòu)思同功能結(jié)構(gòu)圖的建立結(jié)合起來。*2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.5功能元（分功能）求解

功能元是功能結(jié)構(gòu)圖中最基本的單位，每一個(gè)功能元都要求找出相應(yīng)的技術(shù)、物理效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，有時(shí)一個(gè)功能元可以相應(yīng)地提出幾個(gè)技術(shù)、物理效應(yīng)。

功能元的求解方法主要有：①參考有關(guān)資料、專刊或產(chǎn)品求解法；②利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想去探討求解法；③利用設(shè)計(jì)目錄求解法。

設(shè)計(jì)目錄是把能實(shí)現(xiàn)某種功能元的各種原理和結(jié)構(gòu)綜合在一起的一種表格或分類資料。*2.1.5功能元（分功能）求解*2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合1）把各種功能元的局部解合理地予以組合，就可以得到一個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)原理解。

2）組合的方法可以采用形態(tài)矩陣法(亦稱為模幅箱法——利用形態(tài)學(xué)方法建立起的模幅箱)。功能原理方案確定時(shí)應(yīng)該注意的問題：一個(gè)好的原理構(gòu)思有時(shí)不能成為產(chǎn)品，原因是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、材料和工藝問題無法得到合理解決。因此在創(chuàng)新構(gòu)思階段要考慮一些主要結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)的可能性，以利于實(shí)用化。

形態(tài)矩陣法是把系統(tǒng)功能元和其所對(duì)應(yīng)的各個(gè)解分別作為縱、橫坐標(biāo)，列出“功能求解矩陣”，然后從每個(gè)功能元中取出一個(gè)對(duì)應(yīng)解進(jìn)行有機(jī)組合，以構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)解的方法。*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合第一步：用黑箱法尋找總功能的轉(zhuǎn)換關(guān)系

*第二步：總功能分解（分解依據(jù)——挖掘機(jī)的技術(shù)輪廓）。*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合第二步：總功能分解*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合第三步：建立功能結(jié)構(gòu)圖*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合第四步：尋找原理解法和原理解組合序號(hào)分功能技術(shù)物理解方案序號(hào)1234A推壓齒條鋼絲繩油缸B鏟斗正鏟斗反鏟斗抓斗C提升油缸繩索D回轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪傳動(dòng)外齒輪傳動(dòng)液輪E能量轉(zhuǎn)換柴油機(jī)F能量傳遞與分配齒輪箱油泵鏈傳動(dòng)皮帶傳動(dòng)G制動(dòng)帶式制動(dòng)閘瓦制動(dòng)片式制動(dòng)圓錐形制動(dòng)H變速液壓式齒輪式液壓—齒輪I行走履帶輪胎邁步式軌道—車輪*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合第四步：尋找原理解法和原理解組合序號(hào)分功能技術(shù)物理解方案序號(hào)1234A推壓齒條鋼絲繩油缸B鏟斗正鏟斗反鏟斗抓斗C提升油缸繩索D回轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪傳動(dòng)外齒輪傳動(dòng)液輪E能量轉(zhuǎn)換柴油機(jī)F能量傳遞與分配齒輪箱油泵鏈傳動(dòng)皮帶傳動(dòng)G制動(dòng)帶式制動(dòng)閘瓦制動(dòng)片式制動(dòng)圓錐形制動(dòng)H變速液壓式齒輪式液壓—齒輪I行走履帶輪胎邁步式軌道—車輪組合方案數(shù)=3×3×2×3×1×4×4×3×4=10368方案1為履帶式正鏟機(jī)械挖掘機(jī)(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案2為輪胎式正鏟液壓挖掘機(jī)(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)

根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)功率的要求可知，在能量傳遞與分配過程中，采用鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)是不相容的，應(yīng)去掉。故組合方案數(shù)=3×3×2×3×1×2×4×3×4=5184。*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合利用相容性矩陣對(duì)原理方案篩選

為了便于檢驗(yàn)和了解有聯(lián)系的分功能(功能元)之間的相容性，可以列出相容性矩陣。檢驗(yàn)相鄰功能元所對(duì)應(yīng)的技術(shù)、物理效應(yīng)之間的相容性。*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合利用選擇表對(duì)原理方案篩選對(duì)于復(fù)雜問題，可以采用選擇表進(jìn)行方案篩選。建立選擇表之前，先要擬出一些選擇標(biāo)準(zhǔn)，例如：①與設(shè)計(jì)任務(wù)應(yīng)相符；②應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)要求明細(xì)表上的各項(xiàng)必達(dá)要求；③在原理上可實(shí)現(xiàn)；④在成本上可行；⑤符合安全和人-機(jī)工程學(xué)要求；⑥在技術(shù)水平、材料供應(yīng)、制造方法、專利和標(biāo)準(zhǔn)方面可行；⑦其他。*2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)——舉例

設(shè)計(jì)要求：把一堆不規(guī)則放置的瓶蓋整列成口朝上的位置逐個(gè)輸出。瓶蓋的形狀和尺寸如圖所示，瓶蓋質(zhì)量為m=10g；能量為220V交流和高壓氣(壓力0.6MPa)其余功能要求：

基本要求：（1）不規(guī)則瓶蓋整列為口朝上逐個(gè)輸出；（2）小批生產(chǎn)，中小型廠加工。

必達(dá)要求：（1）整列速度100個(gè)/分鐘；（2）整列誤差小于1/1000。

附加要求：（1）成本不高于2000元/臺(tái)；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（3）操作方便。*第一步：明確任務(wù)要求（基本要求、必達(dá)要求、附加要求）②總功能分解：總功能與分功能之間的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如下：2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)——瓶蓋整列第二步：功能分析。

①總功能：瓶蓋整列，其黑箱模型如下圖所示。*第三步：功能元求解。采用設(shè)計(jì)目錄法對(duì)功能元求解2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)——瓶蓋整列*第四步：功能元解的組合。組合各功能元的解，可得N=8×6×6×3×7=6048個(gè)系統(tǒng)解

2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)——瓶蓋整列*2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)——瓶蓋整列第五步：評(píng)價(jià)與決策（簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)法——簡(jiǎn)易的選擇表）優(yōu)選方案II*2.2機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.2.1結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)、原則

任務(wù)：將原理方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化。（輸出是裝配圖）。

重要性：它的工作質(zhì)量對(duì)滿足功能要求、保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性、降低產(chǎn)品的成本等都起著十分重要的作用。

*結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)原則（三項(xiàng)基本原則）：明確、簡(jiǎn)單、安全可靠2.2.1結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)、原則(1)明確原則①功能明確；（不疏漏、不冗余）②工作情況明確；③結(jié)構(gòu)的工作原理明確。

(2)簡(jiǎn)單原則（“簡(jiǎn)單”具有簡(jiǎn)化、簡(jiǎn)便、簡(jiǎn)明、簡(jiǎn)易、減少等含義）①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②操作與監(jiān)控簡(jiǎn)便③制造與測(cè)量簡(jiǎn)單；④安裝與調(diào)試簡(jiǎn)單。

(3)安全可靠原則①構(gòu)件的可靠性；（結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度問題）②功能的可靠性；（系統(tǒng)總功能的可靠性）③工作安全性；（對(duì)操作者的防護(hù)）④環(huán)境安全性。（環(huán)保性與環(huán)境適應(yīng)性）*2.2機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.2.2結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的步驟總體設(shè)計(jì)步驟一般分為三個(gè)階段：

1）初步設(shè)計(jì)

2）詳細(xì)設(shè)計(jì)

3）完善和審核階段。

*2.2.2結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的步驟1.初步設(shè)計(jì)1)明確設(shè)計(jì)要求（4項(xiàng)）與確定配置有關(guān)的要求(物料流動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)方向、位置關(guān)系等)；與確定尺寸有關(guān)的要求(功率、轉(zhuǎn)矩、生產(chǎn)能力、空間限制等)；與確定材料有關(guān)的要求(使用壽命、工作環(huán)境、零部件材料等)；制造、安裝、運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。*2.2機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.2.3總體布置設(shè)計(jì)

總體布置設(shè)計(jì)就是確定機(jī)械系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相對(duì)位置關(guān)系及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并使總系統(tǒng)具有一個(gè)協(xié)調(diào)完善的造型。1）機(jī)械系統(tǒng)功能原理方案的多樣性，決定了總體布置設(shè)計(jì)方案的多樣性；

2）不同的總體布置形式對(duì)系統(tǒng)本身的功能有很大影響

總體布置設(shè)計(jì)的重要性：*2.2.3總體布置設(shè)計(jì)總體布置設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程：

總體布置設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的問題1）系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)內(nèi)容；

2）系統(tǒng)與外部各因素之間的關(guān)系，即人機(jī)關(guān)系、系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的影響

3）系統(tǒng)的性能、操作、觀察、調(diào)整、控制、防護(hù)等都對(duì)總體布置產(chǎn)生的影響。

總體布置設(shè)計(jì)一般是先布置執(zhí)行系統(tǒng)，即總系統(tǒng)的主功能載體系統(tǒng)，再布置傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)及支承形式等，從粗到細(xì)，從簡(jiǎn)到繁，反復(fù)多次，最終確定出較理想的方案。*1.總體布置設(shè)計(jì)的基本要求(3項(xiàng))

對(duì)系列設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)給予考慮(1)功能合理(2)結(jié)構(gòu)緊湊、層次清晰、比例協(xié)調(diào)(3)充分考慮產(chǎn)品的系列化及發(fā)展總布置設(shè)計(jì)應(yīng)適于功能表達(dá)，不論在整體上或局部上都不應(yīng)采用不利于功能目標(biāo)的布局方案；應(yīng)盡可能使總系統(tǒng)簡(jiǎn)單并充分利用機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)部空間；*2.2.3總體布置設(shè)計(jì)2.機(jī)械系統(tǒng)總體布置的基本類型

1)按主要工作機(jī)構(gòu)的空間幾何位置可分為:

平面式、空間式等；

2)按主要工作機(jī)構(gòu)的布置方向可分為:

水平式(臥式)、傾斜式、直立式和圓弧式等；

3)按原動(dòng)機(jī)與機(jī)架相對(duì)位置可分為:

前置式、中置式、后置式等；

4)按工件或機(jī)械內(nèi)部工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式可分為:

回轉(zhuǎn)式、直線式、振動(dòng)式等；

5)按機(jī)架或機(jī)殼的形式可分為:

整體式、剖分式、組合式，龍門式和懸臂式等；

6)按工件運(yùn)動(dòng)回路或機(jī)械系統(tǒng)功率傳遞路線的特點(diǎn)可為分:

開式、閉式等。*2.2.3總體布置設(shè)計(jì)臥式布置龍門式布置立式布置懸臂式布置典型布置形式*2.2機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.2.4總體參數(shù)的確定總體參數(shù)包含的內(nèi)容

總體參數(shù)是機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)的依據(jù)總體參數(shù)一般包括：

1）性能參數(shù)(生產(chǎn)能力等)；

2）結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；

3）運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

4）動(dòng)力參數(shù)*2.2.4總體參數(shù)的確定1）性能參數(shù)(生產(chǎn)能力)

機(jī)械系統(tǒng)的理論生產(chǎn)能力是指設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力——在單位時(shí)間內(nèi)完成的產(chǎn)品數(shù)量，亦可以稱為機(jī)械系統(tǒng)的生產(chǎn)率?？傮w參數(shù)的含義機(jī)械系統(tǒng)的生產(chǎn)率：Q——機(jī)械系統(tǒng)生產(chǎn)率；T——在機(jī)械系統(tǒng)上加工一個(gè)工件的循環(huán)時(shí)間/工作周期時(shí)間；tg——工作時(shí)間，即直接用在加工或裝配一個(gè)工件的時(shí)間；tf

——輔助工作時(shí)間，如上下料、夾緊工件、換刀等。*2）尺寸參數(shù)尺寸參數(shù)主要是指影響機(jī)械性能和工作范圍的主要結(jié)構(gòu)尺寸和作業(yè)位置尺寸。

主要結(jié)構(gòu)尺寸是由整機(jī)外形尺寸和主要組成部分的外形尺寸綜合而成。

確定主要結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)應(yīng)該考慮的問題：安裝、使用空間、包裝、運(yùn)輸?shù)纫蟮南拗啤?/p>

作業(yè)位置尺寸是機(jī)械系統(tǒng)在作業(yè)過程中為了適應(yīng)工作條件要求所需的尺寸，如機(jī)床的加工范圍、中心高度、主要運(yùn)動(dòng)零部件的工作行程及主要零部件之間位置關(guān)系尺寸等。

尺寸參數(shù)的確定方法

尺寸參數(shù)一般依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的原始參數(shù)、方案設(shè)計(jì)時(shí)的總體布置草圖和與同類機(jī)械的類比或通過分析計(jì)算確定。*2.2.4總體參數(shù)的確定3）運(yùn)動(dòng)參數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)一般是指機(jī)械執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)速度等。4）動(dòng)力參數(shù)動(dòng)力參數(shù)是指電動(dòng)機(jī)的額定功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)、伺服電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩等。

機(jī)械系統(tǒng)中執(zhí)行件的速度一般是根據(jù)工作對(duì)象的工藝過程要求和生產(chǎn)率等因素確定。*2.2.4總體參數(shù)的確定動(dòng)力參數(shù)確定需要注意的問題——電機(jī)選取注意事項(xiàng)

1電動(dòng)機(jī)的預(yù)選

選擇電動(dòng)機(jī)的要求：各種機(jī)械設(shè)備對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求是在可靠、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上保證其生產(chǎn)效率。電動(dòng)機(jī)的選擇過程與步驟2電動(dòng)機(jī)的校驗(yàn)1)工作機(jī)的負(fù)載圖及電動(dòng)機(jī)功率預(yù)選2)電動(dòng)機(jī)機(jī)種的選擇3)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型式、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速及工作方式選擇等1)發(fā)熱溫升校驗(yàn)；2)過載能力校驗(yàn)；3)起動(dòng)能力校驗(yàn)*2.2.4總體參數(shù)的確定(a)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(b)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(c)恒功率負(fù)載特性(d)負(fù)載轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速函數(shù)的負(fù)載特性(e)負(fù)載轉(zhuǎn)矩是行程或轉(zhuǎn)角函數(shù)的負(fù)載特性工作機(jī)的負(fù)載圖電動(dòng)機(jī)的選擇過程與步驟——電動(dòng)機(jī)的預(yù)選

*2.2.4總體參數(shù)的確定2.2機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.2.5結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的基本原理1)任務(wù)分配原理；2)穩(wěn)定