機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)-總體設(shè)計(jì)

1、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),產(chǎn)品設(shè)計(jì),明確任務(wù)要求,功能分析,搜尋解法,方案綜合,決策 確定最佳原理解,功能面變形 構(gòu)形 聯(lián)接變形 材料變形,定材料、尺寸,最佳結(jié)構(gòu)總裝配圖,部件裝配圖,零件圖,設(shè)計(jì)任務(wù)書 要求明細(xì)表,評價(jià),評價(jià),試 制,各種技術(shù)文件,原理圖,總裝配圖,零部件圖樣 技術(shù)文件,功能原理方案設(shè)計(jì)階 段,結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)階段,技術(shù)設(shè)計(jì)階段,機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容： 1.機(jī)械系統(tǒng)功能原理設(shè)計(jì); 2.總體布局（各子系統(tǒng)如動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱和控制系統(tǒng)等之間的相互關(guān)系）; 3. 主要技術(shù)參數(shù)（如尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)等）的確定; 4.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分

2、析等。,機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),2.1 機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì) 2.2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì),2.1 機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì),一、功能的定義及其分類 1.定義：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)動或其他物理量的特性。 2.分類：,功能與產(chǎn)品,產(chǎn)品是功能的實(shí)現(xiàn)形式，企業(yè)通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)來滿足用戶的需要。,自行車系統(tǒng),結(jié)構(gòu)式功能系統(tǒng)圖實(shí)例,二、功能原理設(shè)計(jì)及特點(diǎn),功能原理設(shè)計(jì):針對所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思，亦即針對產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。 功能原理方案設(shè)計(jì)的任務(wù)：針對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)功能目標(biāo)的解法原理； 或者說，功能原理

3、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。,二、功能原理設(shè)計(jì)及特點(diǎn),思路要廣闊，呈發(fā)散狀。,功能原理設(shè)計(jì),特點(diǎn)： 由一種新的物理效應(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。 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。 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。 創(chuàng)新的思維是發(fā)散的。,三、功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法“黑箱法”,“黑箱法”-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，并將這些功能用較為抽象的形式（如輸入量和輸出量）加以表達(dá)。突出設(shè)計(jì)中的主要矛盾，抓住問題的本質(zhì)。,“黑箱法”是指只知道輸入量和輸出

4、量而不知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表述設(shè)計(jì)任務(wù)的一種模式。,自行車系統(tǒng),黑箱法,把技術(shù)系統(tǒng)看成一個(gè)黑箱，其輸入和輸出用信息流S、能量流E和物料流M來描述；輸出用相應(yīng)的S、E、M來描述。,來自外界的影響,對外界的影響,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”透亮，直至方案擬定。,三、功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法“黑箱法”,“黑箱法”-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，即根據(jù)系統(tǒng)的某種輸入及要求獲得某種輸出的功能要求，從中尋找出某種物理效應(yīng)或原理來實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的解決辦法，從而推求出“黑箱”的

5、功能結(jié)構(gòu)，使“黑箱”逐漸變成“灰箱”、“白箱”的一種方法。,黑箱,白箱,灰箱,輸入,輸出,例：硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī),一臺硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī)，它的功能是用來整理、清點(diǎn)、計(jì)數(shù)，最后按一定的枚數(shù)將硬幣用紙包卷起來或裝入袋內(nèi)。,用黑箱法描述的硬幣機(jī)的總功能。,硬幣機(jī)功能分解,一般的機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)都比較復(fù)雜，難以直接求得滿足總功能的原理解。如果利用系統(tǒng)工程分解的原理，將總功能進(jìn)行分解，則可化繁為簡。 如硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī)可分解為圖中所示的的7個(gè)分功能，各功能單元具有一定的獨(dú)立性。,硬幣機(jī)功能分解,1.硬幣堆放、輸送功能單元 2.硬幣排列、分選、挑殘功能單元 3-硬幣分選計(jì)數(shù)功能單元 4-硬幣堆碼、整理功能單元 5-送紙

6、、撕紙功能單元 6-硬幣包卷功能單元 7-卷邊功能單元,功能分解,功能分解可表示為樹狀的功能結(jié)構(gòu)，稱為功能樹。功能樹起于總功能，按分功能、二級分功能分解，末端為功能元。功能元是可以直接求解的系統(tǒng)最小組成單元。,總功能,分功能1,分功能n,二級分功能1,二級分功能m,功能樹,.,家用縫紉機(jī)的功能分解,如家用縫紉機(jī)的功能分解：家用縫紉機(jī)的總功能是縫制衣物。要用多個(gè)分功能才能綜合實(shí)現(xiàn)其總功能，具體分解如下：,1.功能元 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)一步分解到更低更層次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能單位為

7、止，這個(gè)基本功能單位就叫功能元。 功能元是能直接從技術(shù)效應(yīng)（如物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等）及邏輯關(guān)系中找到可以滿足功能要求的最小單位。 機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的基本功能元有物理功能元、數(shù)學(xué)功能元和邏輯功能元。,四、功能元、功能結(jié)構(gòu),（1）物理功能元,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作。 “變換”功能元包括各種類型能量之間的轉(zhuǎn)變、運(yùn)動形式的轉(zhuǎn)變、材料性質(zhì)的轉(zhuǎn)變、物態(tài)的轉(zhuǎn)變及信號種類的轉(zhuǎn)換等； “放大、縮小”功能元是指各種能量、信號向量（如力、速度）、物理量的放大和縮小及物料性質(zhì)的縮放（如壓敏材料電阻隨外壓的變化等）；,（1）物理功能元,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

8、動作。 “合并、分離”功能元是指包括能量流、物料流及同一性質(zhì)或不同性質(zhì)的信息流在數(shù)量上的結(jié)合或分離； “傳導(dǎo)、絕緣”功能元是反映能量流、物料流、信息流的位置變化的。 “貯存”功能元是體現(xiàn)三大流在一定時(shí)間范圍內(nèi)保存的功能，如彈簧、電池、錄音帶、光盤等的貯存。,（1）物理功能元,（2）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，如差動輪系、求積儀、機(jī)械式計(jì)算機(jī)等。,（3）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。,2.功能結(jié)構(gòu),將總功能分解成分功能，并相應(yīng)找出實(shí)現(xiàn)各分功能的原理方案，從而簡化了實(shí)現(xiàn)總功能的原理構(gòu)思。反之，同一層

9、次的功能單位組合起來，應(yīng)能滿足上層功能的要求，最后組合成的整體應(yīng)能滿足總功能要求。這種功能的分解和組合關(guān)系稱為功能結(jié)構(gòu)。 串聯(lián)結(jié)構(gòu)又稱鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，它表示各分功能之間是按順序依次進(jìn)行的。 并聯(lián)結(jié)構(gòu)其幾個(gè)分功能處于并聯(lián)關(guān)系，幾個(gè)分功能同時(shí)起作用才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。 循環(huán)結(jié)構(gòu)又稱環(huán)狀結(jié)構(gòu)，起反饋?zhàn)饔谩?在建立功能結(jié)構(gòu)圖時(shí)應(yīng)注意：,建立系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖的方法有兩種： 一是從總功能出發(fā)來層層分解； 二是先建立輸入、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)，應(yīng)首選所列的基本功能元； 功能結(jié)構(gòu)圖應(yīng)盡可能簡單，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； 要把原理方案構(gòu)思同功能結(jié)構(gòu)圖

10、的建立結(jié)合起來。,3.建立功能結(jié)構(gòu)圖的流程,材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖,力變形測量,五、功能元（分功能）求解,功能元求解是尋找或創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)總功能或分功能的載體，完成功能元要求的運(yùn)動指標(biāo)。 功能元的求解方法主要有： 參考有關(guān)資料、?？虍a(chǎn)品求解法； 利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想去探討求解法； 利用設(shè)計(jì)目錄求解法。,設(shè)計(jì)目錄是把實(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。,六、系統(tǒng)原理方案的綜合,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。組合的方法可以采用形態(tài)矩陣法。 形態(tài)矩陣法是把系統(tǒng)功能元和其所對應(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

11、從每個(gè)功能元中取出一個(gè)對應(yīng)解進(jìn)行有機(jī)組合，以構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)解的方法。,1. 形態(tài)矩陣的組成,形態(tài)學(xué)矩陣是表達(dá)方案綜合的一種較為清晰的形式。 由每個(gè)分功能解中挑選一個(gè)解，經(jīng)過組合可以形成一個(gè)包括全部分功能的整體方案。理論上，可以組成整體方案的數(shù)量，為各行解法個(gè)數(shù)的連乘積。,六、系統(tǒng)原理方案的綜合,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。組合的方法可以采用形態(tài)矩陣法。 形態(tài)矩陣法是把系統(tǒng)功能元和其所對應(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。 1、相容性矩陣 為了便于檢驗(yàn)和了解有聯(lián)系的分功能（

12、功能元）之間的相容性，可以列出相容性矩陣。 2、選擇表 對于復(fù)雜的問題，從模幅箱中篩選有價(jià)值的組合方案，可以采用選擇表。,2.形態(tài)學(xué)矩陣的要點(diǎn),盡可能多列分功能解法。對復(fù)雜機(jī)械，先建立各分功能的形態(tài)學(xué)矩陣，分別考慮局部方案，再綜合為總體方案。 相容性。分功能解法之間必須相容，否則不能組合。審核其物理學(xué)原理上的相容性和動力性能的匹配性。 舍棄明顯不合理的解法。檢驗(yàn)其技術(shù)的可行性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)動性能和尺寸的適宜性等方面。不滿足設(shè)計(jì)要求和約束條件的應(yīng)舍棄，例：成本偏高、效率低、污染嚴(yán)重、不安全、加工困難。 優(yōu)先選用主要分功能的較好解法。由該解法出發(fā)，選擇與它相容的其它分功能解法。 特別注意防止按舊框框設(shè)計(jì)。要處理好繼承與創(chuàng)新的矛盾。,3.挖掘機(jī)的方案設(shè)計(jì),1）明確任務(wù)要求 2）功能分析 確定總功能： 挖掘機(jī)的總功能為物料取移。,總功能分解：,3.挖掘機(jī)的方案設(shè)計(jì),3）各功能元解及形態(tài)學(xué)矩陣,挖掘機(jī)的方案設(shè)計(jì),4）方案組合可能組合的方案數(shù) N = 65443 = 1440不同的組合（相容性矩陣與選擇表）可以得到不同的方案如： A3-B4-C3-D2-E1 履帶式挖掘機(jī) A5-B5-C2-D4-E2 液壓輪胎式挖掘機(jī),挖掘機(jī)的方案設(shè)計(jì),通過形態(tài)學(xué)矩陣雖然可以得到許多方案，但不是所有的方案都具有實(shí)際意義，也不是所有的功能元解都能互相匹