機械系統(tǒng)的總體設計培訓課件(ppt 86頁).ppt

1、第二章 機械系統(tǒng)的總體設計,本章內(nèi)容： 1.機械系統(tǒng)總體設計的基本步驟和形成的技術(shù)文件； 2.設計任務的形成與確定； 3.機械系統(tǒng)的功能描述、功能分解與求解； 4.機械系統(tǒng)總體方案設計和求解； 5.機械系統(tǒng)方案的評價原則和方法； 6.機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案和總體布局設計； 7.機械系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)、技術(shù)指標和總體設計圖要求。,本章重點： 1.機械系統(tǒng)總體設計的技術(shù)文件； 2.機械系統(tǒng)的功能分解與求解； 3.機械系統(tǒng)總體方案設計和求解；,本章難點： 1.機械系統(tǒng)的功能分解與求解； 2.機械系統(tǒng)的方案求解（形態(tài)學矩陣）； 3. 機械系統(tǒng)方案的評價方法（模糊評價法）。,機械系統(tǒng)設計的第一個環(huán)節(jié)是總體設

2、計，它是產(chǎn)品設計的關(guān)鍵，對產(chǎn)品的技術(shù)性能，經(jīng)濟指標，外觀造型等具有決定性意義。,在總體設計過程中，應逐步形成下列技術(shù)文件： 系統(tǒng)工作原理簡圖；主要部件的工作原理圖； 方案評價報告；總體設計報告；系統(tǒng)總體布置圖。,一、設計任務的形成與確定,1.設計任務的類型,創(chuàng)新,課堂作業(yè)：對于三種設計任務的類型舉例說明。,在所有的機械設計中75的機械是已經(jīng)設計過的，有樣機可供參考，有25的機械是未曾設計過的，無樣機參考。從有無樣機可供參考的角度，機械設計可分為三類：開發(fā)性設計、變型設計和仿型設計。 1. 開發(fā)性設計（New Product Design） 在工作原理、結(jié)構(gòu)等完全未知的情況下，應用成熟的科學技術(shù)

3、或經(jīng)過試驗證明是可行的新技術(shù)，設計過去沒有過的新型機械。這是一種完全創(chuàng)新的設計。世界上第一臺電話的設計就屬于完全創(chuàng)新設計。 2. 變型設計（Improving Design） 有同類產(chǎn)品可供參考，原理和結(jié)構(gòu)完全已知。原理不變，為適應用戶某些新的要求，或克服產(chǎn)品市場調(diào)查所反映的缺點，所進行的發(fā)展性設計。在結(jié)構(gòu)設計或造型設計方面有創(chuàng)新，可獲得實用新型專利或外觀設計專利。,例2-1 更換普通自行車的傳動系統(tǒng)，并改變部分結(jié)構(gòu)后開發(fā)的變速賽車；發(fā)動機作四缸、六缸、直列、V形等改型設計。 多數(shù)產(chǎn)品屬于變型設計。隨著技術(shù)水平的提高和市場需求的變化，應掌握產(chǎn)品生命周期的特征，適時地對老產(chǎn)品進行改進。 3. 仿

4、型設計（Selecting Design） 它是指有同類產(chǎn)品可供參考，原理和結(jié)構(gòu)完全或部分已知。原理、結(jié)構(gòu)和性能一般不變，只作工藝性變化，以適應本企業(yè)的生產(chǎn)特點和技術(shù)裝備要求。通常采用反求設計（Reverse Design）方法。,2.設計任務的來源 （1）指令性設計任務（政府和軍隊等部門下達的） （2）來自市場的設計任務（用戶根據(jù)自己的需要提出的） （3）考慮前瞻的預研設計任務（根據(jù)市場的發(fā)展動向）,3.擬定設計任務書 （1）擬定設計任務書的一般原則 “詳細而明確，合理而先進”,詳細：針對具體設計項目盡可能列出全部設計要求，特別 是不要遺漏重要的設計要求。 明確：對設計要求盡可能定量化。 合

5、理：對設計要求提得適度，實事求是。 先進：與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品功能、技術(shù)性能、 經(jīng)濟指標方面都有先進性。,作業(yè),查閱有關(guān)書籍或利用網(wǎng)上資源，自己交上一份有關(guān)某機械產(chǎn)品的設計任務書，手寫或打印都可以！,不允許有重復！,下周二（9月7日）上課前交上來！,任務,功能綜合,原理綜合,構(gòu)型綜合,確定方案,功能分析 功能分解 功能分類,創(chuàng)新技法 形態(tài)矩陣 沖突矩陣 解法目錄 資源利用,機構(gòu)構(gòu)型 結(jié)構(gòu)構(gòu)型,方案評價,技術(shù)沖突解決原理（TRIZ理論）,二、機械系統(tǒng)的功能及指標分解,主功能直接實現(xiàn)系統(tǒng)目的，表明了系統(tǒng)的主要特征和功能； 動力功能為系統(tǒng)提供必要的能量； 控制功能包括信息檢測、處理和控制，是

6、使系統(tǒng)正常運行， 達到精確、可靠、節(jié)能、協(xié)調(diào)所必需的； 結(jié)構(gòu)功能系統(tǒng)各要素組合起來，進行空間配置、形成一個統(tǒng) 一的整體，并保證系統(tǒng)工作中的強度和剛度。,1.系統(tǒng)功能的描述,2.系統(tǒng)的原理方案總體分析,在分析或設計一個現(xiàn)代機械系統(tǒng)時，首先應該從主功能著手。,例3：螺紋加工機的總體原理方案分析,3.功能分解與功能樹,一般情況下，機械系統(tǒng)都比較復雜， 此時滿足總功能的系統(tǒng)方案如何確定？,可按系統(tǒng)工程分解性原理進行功能分解，建立功能結(jié)構(gòu)圖 即功能樹，化繁為簡。,功能樹起于總功能，末端為功能元。 前級功能是后級功能的目的功能，后級功能是前級功能的手段功能。 同一層次的功能元組合起來，應能滿足上一層功能的

7、要求，最后合成 的整體功能應能滿足系統(tǒng)的要求。,4.功能求解,分功能求解的基本思路可以簡明地表達為： 功能工作原理功能載體,作業(yè),(1)查閱有關(guān)書籍或利用網(wǎng)上資源，自己交上一份有關(guān)某機械產(chǎn)品的設計任務書，手寫或打印都可以！ (2)對該機械產(chǎn)品進行功能分析。,不允許有重復！,下周二（9月7日）上課前交上來！,三、機械系統(tǒng)的方案設計,1.形態(tài)學矩陣,例如：分功能：間歇運動 表現(xiàn)形態(tài)：棘輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、間歇凸輪機構(gòu),形態(tài)學矩陣：在形態(tài)學中，將各子系統(tǒng)的目標（功能）及基本可能實現(xiàn)的辦法（可以是物理效應、作用原理或功能載體）列入一個矩陣形式的表中，這個表就稱為，也稱模幅箱圖。,2.總體方案求解,（1）

8、求解原則,要考慮設計要求及附加要求。 不僅針對某項具體功能元，還要兼顧到全局及其他相關(guān)的功能元，最好能將幾個功能元用同一類原理實現(xiàn)，使原理方案簡化。 對于關(guān)鍵性的功能元，應多考慮采用創(chuàng)造性方法解決。,例1：單缸洗衣機的總體方案設計,理論上可組合出44348 種方案,例2：挖掘機的總體方案設計,其主要功能有，取物(包括傳動、取物)和運物(包括傳動、移位)，可建立其形態(tài)學矩陣如表所示，可能的組合方案數(shù)為 N654431440,A3B4C3D2E1履帶式挖掘機 A5B5C2D4E2液壓輪胎式挖掘機,對于復雜機械，若采用一個形態(tài)學矩陣表示整個系統(tǒng)功能的 解法，則該矩陣將過于龐大，此時可先建立各分功能的

9、形態(tài) 學矩陣，分別考慮局部的設計方案，然后再綜合為整體方案。,（2）功能集成,如何將求解所得的功能載體進行集成？ 最主要的工作：接口設計,功能集成需要考慮各功能載體在機械結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián)與控制信息上的關(guān)系兩個方面，是一個充分考慮如何確定合理的整體布局形式，采用恰當?shù)膫鲃雍椭С薪Y(jié)構(gòu)，檢測控制硬件、信息處理方法等的過程。,例如：傳統(tǒng)的雙桶洗衣機的脫水及洗滌分別由兩套機構(gòu)實現(xiàn)（在設計較完善時，脫水運動與洗滌運動之間不發(fā)生動力學的相互影響）； 全自動微電腦控制單桶洗衣機只采用一個電動機實現(xiàn)脫水與洗滌（兩者不是同時進行的，則產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)）。,例如：數(shù)控車床在做差補運動時，為復現(xiàn)運動軌跡，要求各運動軸聯(lián)動（關(guān)聯(lián)

10、表現(xiàn)在運動學上）； 機器人手臂各關(guān)節(jié)之間不僅有運動學的關(guān)聯(lián)，也有動力學的關(guān)聯(lián)。,四、機械系統(tǒng)方案的評價,1.方案評價的概念 評價：指在設計過程中，對解決設計問題的各方案進行比較 和評定，由此確定各方案的價值，判斷其優(yōu)劣，以使 篩選出最佳設計方案。 對于每一個設計問題，一般都會有許多不同的解決方案。從 這種意義上說，設計是一種發(fā)散收斂，搜索篩選的過 程。解決這種多解的問題，其通常的邏輯步驟為： 分析綜合評價決策,這里“方案”的意義是廣泛的，可以有多種形式，如原理方案、結(jié)構(gòu)方案、造型方案等，從其載體上看，可以是零、部件或總成圖紙，也可以是模型、樣機、產(chǎn)品，等等。一般來說，評價中所指的“方案”，其實

11、質(zhì)是指對設計中所遇問題的解答。不論其是實體的形態(tài)(如樣機、產(chǎn)品、模型)，還是構(gòu)想的形態(tài)，這些方案都可以作為評價的對象。,客觀性原則 包括參與人員的客觀性和評價資料的客觀性。評價的客觀性、有效性和合理性必須充分保證；評價方法要合理和可靠等。 可比性原則 要求被評價的各方案的基本功能、基本屬性具有可比性，能 建立共同的評價指標體系。 合理性原則 確定的評價指標體系和評價尺度（標準）應合乎邏輯，能正 確反映評價目的。 整體性原則（全面性原則） 評價指標應盡量全面，能綜合反映系統(tǒng)的整體指標；注意區(qū) 分各指標對整體性能影響的重要程度。,為使評價盡可能減少偏差和避免失誤， 必須遵循以下原則：,2.評價目標

12、（評價準則）,審美評價：如造型風格、形態(tài)、色彩、時代性、創(chuàng)造性、 傳達性、審美價值、心理效果等等。,例：確定洗衣機的評價目標的加權(quán)系數(shù)。已知：洗衣機六個評價目標的重要程度順序為價格、洗凈度、維修性、壽命、外觀、耗水量（其中維修性與壽命同等重要）。,目標樹是分析表達評價目標的一種有效手段。用系統(tǒng)分析的 方法對目標系統(tǒng)進行分解并圖示，將總目標化為便于定性或 定量評價的目標元，從而形成目標樹。,3.模糊評價法,模糊評價：利用集合和模糊數(shù)學將模糊信息數(shù)值化以進行定量 評價的方法。,（2）某方案對n個評價目標的模糊評價隸屬度矩陣,（3）加權(quán)系數(shù)矩陣,例：某廠在開發(fā)一種新產(chǎn)品時，總體設計時選定了A1、A2

13、兩個候選方案。為了確定選擇哪個方案，組織了一個由10位專家組成的評價小組，用模糊評價法對兩個方案進行評價。,方案1和2對3個評價目標的模糊評價隸屬度矩陣R是3行4列矩陣，其元素為,（4）計算評價方案的綜合模糊評價隸屬度矩陣,結(jié)論：方案A1的評價比方案A2略高一些。,作業(yè)1：某廠在開發(fā)一種洗衣機時，總體設計時選定了A1、A2兩個候選方案。為了確定選擇哪個方案，組織了一個由10位專家組成的評價小組，用模糊評價法對兩個方案進行評價。,六個評價指標：價格、洗凈度、維修性、壽命、外觀、耗水量 評價指標劃分為4個等級：0.9，0.7，0.5，0.3,（1）確定評價指標及評價尺度,評價尺度向量,（2）確定評

14、價指標加權(quán)系數(shù),加權(quán)系數(shù)矩陣,（3）構(gòu)造評價方案A1、A2的隸屬度矩陣,（4）計算評價方案的綜合模糊評價隸屬度矩陣,（5）計算評價方案的綜合得分（優(yōu)先度）并選優(yōu),要計算綜合得分，應當將方案歸屬于每個等級的隸屬度與該等級的分數(shù)相乘，然后所有項相加。,結(jié)論：方案A2的評價比方案A1略高一些。,作業(yè)2：在某機器設計中，有兩種備選方案，為了確定選擇哪個方案，組織了一個由20位專家組成的評價小組用模糊綜合評價法對兩個方案進行評價。已知： 1)評價指標： 產(chǎn)品性能（B1）、可靠性（B2）、使用方便性（B3）、制造成本（B4）、使用成本（B5）； 每個評價指標劃分為優(yōu)、良、中等、較差、很差5個等級： 0.9

15、，0.7，0.5，0.3，0.1； 2)評價指標B1、B2、B3、B4、B5的權(quán)分別為： 0.25、0.2、0.2、0.2、0.15； 3)投票結(jié)果如下表所示：,每個評價指標劃分為優(yōu)、良、中等、較差、很差5個等級： 0.9、0.7、0.5、0.3、0.1 評價指標B1、B2、B3、B4、B5的權(quán)分別為： 0.25、0.2、0.2、0.2、0.15,（4）計算評價方案的綜合模糊評價隸屬度矩陣,（2）確定評價指標加權(quán)系數(shù),（1）確定評價指標及評價尺度,（3）構(gòu)造評價方案A、B的隸屬度矩陣,（5）計算評價方案的綜合得分（優(yōu)先度）并選優(yōu),要計算綜合得分，應當將方案歸屬于每個等級的隸屬度與該等級的分數(shù)相

16、乘，然后所有項相加。,結(jié)論：方案A的評價比方案B略高一些。,五、機械系統(tǒng)的總體布局設計及主要參數(shù)確定,1.結(jié)構(gòu)方案與總體布局設計,（2）總體布局設計,例1：洗衣機的總體布局,例2：數(shù)控機床的總體布局,（1）采用框架式對稱結(jié)構(gòu) （2）采用無懸伸工作臺結(jié)構(gòu) （3）采用熱源和振動源隔離布局 （4）采用雙八面體全封閉框架結(jié)構(gòu),并聯(lián)（虛擬軸）數(shù)控機床,并聯(lián)（虛擬軸）加工中心,并聯(lián)（虛擬軸）加工中心,MOV45 并聯(lián)（虛擬軸）加工中心,MOV46 并聯(lián)數(shù)控機床,機械系統(tǒng)的總體布局設計,！,1.機械化生產(chǎn)線的布置 機械化生產(chǎn)線是按產(chǎn)品工藝過程，主要機械設備和輔助設備用運輸和中間存貯設備等連接起來，組成獨立控

17、制和連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)。,2.生產(chǎn)作業(yè)機械的總體布置,生產(chǎn)作業(yè)機械是指完成作業(yè)操作的單體機械。,主要工藝設備,各種軋機，鍛壓機，自動沖壓機，擠壓機，金屬成型機 金屬切削自動機，加工中心機床，組合機床 化工過程設備：反應釜、蒸發(fā)器,輔助工藝裝置,剪切機，卷取機，矯直機，轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)裝置，夾持裝置 原料分選，篩分裝置，去皮、切塊、榨汁機 清洗、冷卻裝置，排屑、排渣裝置,物料貯運裝置,各種起重機，輥道，鏈板式或皮帶式傳料機 液、氣壓力輸送管道裝置，推床、推桿裝置 物料存貯裝置：料倉、料斗，堆垛機，垛板臺 上下料裝置：各種上料機、機械手,控制裝置,檢測裝置：產(chǎn)品質(zhì)量、設備故障尋查和診斷 環(huán)境監(jiān)視檢測裝置，各

18、種傳感器 信號處理裝置：數(shù)據(jù)處理、報警、反饋儀器 控制裝置：速度，、壓力控制器,在機械化工藝流程中，存在各種分散的作業(yè)，需要解決協(xié)調(diào)連接的問題。,一般來說，機械是以循環(huán)的移動作業(yè)動作來處理工件的，可以采用連續(xù)工藝方法進行作業(yè)，如連續(xù)軋制、連續(xù)澆鑄，化工過程等。 作業(yè)動作是在工件連續(xù)運行中進行的，如飛剪、飛鋸等,但是在機械加工、裝配作業(yè)和手工操作等生產(chǎn)流程中，大多是斷續(xù)的工藝方法，流程是間歇的，因此在移動停止時需要定位及吸收慣性動能，則可用步進運動機構(gòu)。,移動作業(yè)（Transfer operation）：是使工件向處理方向移近。 移動方式：直進式（line）和旋轉(zhuǎn)式（rotary）,2.生產(chǎn)作業(yè)機械的總體布置 生產(chǎn)作業(yè)機械是指完成作業(yè)操作的單體機械。 作業(yè)操作（work operation）是指包括滾軋、擠壓、拉拔、剪切、彎曲、包裝等多種生產(chǎn)作業(yè)，實際工作的部件為工作頭（工作構(gòu)件），作業(yè)進行的場所就是工位，是工