機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計培訓(xùn)課件(ppt 86頁).ppt

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

2、計，它是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵，對產(chǎn)品的技術(shù)性能，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，外觀造型等具有決定性意義。,在總體設(shè)計過程中，應(yīng)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(shè)計報告；系統(tǒng)總體布置圖。,一、設(shè)計任務(wù)的形成與確定,1.設(shè)計任務(wù)的類型,創(chuàng)新,課堂作業(yè)：對于三種設(shè)計任務(wù)的類型舉例說明。,在所有的機(jī)械設(shè)計中75的機(jī)械是已經(jīng)設(shè)計過的，有樣機(jī)可供參考，有25的機(jī)械是未曾設(shè)計過的，無樣機(jī)參考。從有無樣機(jī)可供參考的角度，機(jī)械設(shè)計可分為三類：開發(fā)性設(shè)計、變型設(shè)計和仿型設(shè)計。 1. 開發(fā)性設(shè)計（New Product Design） 在工作原理、結(jié)構(gòu)等完全未知的情況下，應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)

3、或經(jīng)過試驗證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計過去沒有過的新型機(jī)械。這是一種完全創(chuàng)新的設(shè)計。世界上第一臺電話的設(shè)計就屬于完全創(chuàng)新設(shè)計。 2. 變型設(shè)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(yīng)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(jìn)行的發(fā)展性設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計或造型設(shè)計方面有創(chuàng)新，可獲得實用新型專利或外觀設(shè)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(jī)作四缸、六缸、直列、V形等改型設(shè)計。 多數(shù)產(chǎn)品屬于變型設(shè)計。隨著技術(shù)水平的提高和市場需求的變化，應(yīng)掌握產(chǎn)品生命周期的特征，適時地對老產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。 3. 仿

4、型設(shè)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(yīng)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(shè)計（Reverse Design）方法。,2.設(shè)計任務(wù)的來源 （1）指令性設(shè)計任務(wù)（政府和軍隊等部門下達(dá)的） （2）來自市場的設(shè)計任務(wù)（用戶根據(jù)自己的需要提出的） （3）考慮前瞻的預(yù)研設(shè)計任務(wù)（根據(jù)市場的發(fā)展動向）,3.擬定設(shè)計任務(wù)書 （1）擬定設(shè)計任務(wù)書的一般原則 “詳細(xì)而明確，合理而先進(jìn)”,詳細(xì)：針對具體設(shè)計項目盡可能列出全部設(shè)計要求，特別 是不要遺漏重要的設(shè)計要求。 明確：對設(shè)計要求盡可能定量化。 合

5、理：對設(shè)計要求提得適度，實事求是。 先進(jìn)：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(jì)指標(biāo)方面都有先進(jìn)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(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)書，手寫或打印都可以！,不允許有重復(fù)！,下周二（9月7日）上課前交上來！,任務(wù),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(jī)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(jī)械系統(tǒng)的功能及指標(biāo)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(shè)計一個現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)時，首先應(yīng)該從主功能著手。,例3：螺紋加工機(jī)的總體原理方案分析,3.功能分解與功能樹,一般情況下，機(jī)械系統(tǒng)都比較復(fù)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(jìn)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(yīng)能滿足上一層功能的

7、要求，最后合成 的整體功能應(yīng)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(dá)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(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)書，手寫或打印都可以！ (2)對該機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行功能分析。,不允許有重復(fù)！,下周二（9月7日）上課前交上來！,三、機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計,1.形態(tài)學(xué)矩陣,例如：分功能：間歇運動 表現(xiàn)形態(tài)：棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、間歇凸輪機(jī)構(gòu),形態(tài)學(xué)矩陣：在形態(tài)學(xué)中，將各子系統(tǒng)的目標(biāo)（功能）及基本可能實現(xiàn)的辦法（可以是物理效應(yīng)、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(shè)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(yīng)多考慮采用創(chuàng)造性方法解決。,例1：單缸洗衣機(jī)的總體方案設(shè)計,理論上可組合出44348 種方案,例2：挖掘機(jī)的總體方案設(shè)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(xué)矩陣如表所示，可能的組合方案數(shù)為 N654431440,A3B4C3D2E1履帶式挖掘機(jī) A5B5C2D4E2液壓輪胎式挖掘機(jī),對于復(fù)雜機(jī)械，若采用一個形態(tài)學(xué)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(xué)矩陣，分別考慮局部的設(shè)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(jìn)行集成？ 最主要的工作：接口設(shè)計,功能集成需要考慮各功能載體在機(jī)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(dāng)?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(jī)的脫水及洗滌分別由兩套機(jī)構(gòu)實現(xiàn)（在設(shè)計較完善時，脫水運動與洗滌運動之間不發(fā)生動力學(xué)的相互影響）； 全自動微電腦控制單桶洗衣機(jī)只采用一個電動機(jī)實現(xiàn)脫水與洗滌（兩者不是同時進(jìn)行的，則產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)）。,例如：數(shù)控車床在做差補(bǔ)運動時，為復(fù)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(xué)上）； 機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)之間不僅有運動學(xué)的關(guān)聯(lián)，也有動力學(xué)的關(guān)聯(lián)。,四、機(jī)械系統(tǒng)方案的評價,1.方案評價的概念 評價：指在設(shè)計過程中，對解決設(shè)計問題的各方案進(jìn)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(shè)計方案。 對于每一個設(shè)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(shè)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(jī)、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(shè)計中所遇問題的解答。不論其是實體的形態(tài)(如樣機(jī)、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(biāo)體系。 合理性原則 確定的評價指標(biāo)體系和評價尺度（標(biāo)準(zhǔn)）應(yīng)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(biāo)應(yīng)盡量全面，能綜合反映系統(tǒng)的整體指標(biāo)；注意區(qū) 分各指標(biāo)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(biāo)

12、（評價準(zhǔn)則）,審美評價：如造型風(fēng)格、形態(tài)、色彩、時代性、創(chuàng)造性、 傳達(dá)性、審美價值、心理效果等等。,例：確定洗衣機(jī)的評價目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。已知：洗衣機(jī)六個評價目標(biāo)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(biāo)樹是分析表達(dá)評價目標(biāo)的一種有效手段。用系統(tǒng)分析的 方法對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分解并圖示，將總目標(biāo)化為便于定性或 定量評價的目標(biāo)元，從而形成目標(biāo)樹。,3.模糊評價法,模糊評價：利用集合和模糊數(shù)學(xué)將模糊信息數(shù)值化以進(jìn)行定量 評價的方法。,（2）某方案對n個評價目標(biāo)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(shè)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(jìn)行評價。,方案1和2對3個評價目標(biāo)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(jī)時，總體設(shè)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(jìn)行評價。,六個評價指標(biāo)：價格、洗凈度、維修性、壽命、外觀、耗水量 評價指標(biāo)劃分為4個等級：0.9，0.7，0.5，0.3,（1）確定評價指標(biāo)及評價尺度,評價尺度向量,（2）確定評

14、價指標(biāo)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(yīng)當(dāng)將方案歸屬于每個等級的隸屬度與該等級的分?jǐn)?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(jī)器設(shè)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(jìn)行評價。已知： 1)評價指標(biāo)： 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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)加權(quán)系數(shù),（1）確定評價指標(biāo)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(yīng)當(dāng)將方案歸屬于每個等級的隸屬度與該等級的分?jǐn)?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(jī)械系統(tǒng)的總體布局設(shè)計及主要參數(shù)確定,1.結(jié)構(gòu)方案與總體布局設(shè)計,（2）總體布局設(shè)計,例1：洗衣機(jī)的總體布局,例2：數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床,機(jī)械系統(tǒng)的總體布局設(shè)計,！,1.機(jī)械化生產(chǎn)線的布置 機(jī)械化生產(chǎn)線是按產(chǎn)品工藝過程，主要機(jī)械設(shè)備和輔助設(shè)備用運輸和中間存貯設(shè)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(jī)械的總體布置,生產(chǎn)作業(yè)機(jī)械是指完成作業(yè)操作的單體機(jī)械。,主要工藝設(shè)備,各種軋機(jī)，鍛壓機(jī)，自動沖壓機(jī)，擠壓機(jī)，金屬成型機(jī) 金屬切削自動機(jī)，加工中心機(jī)床，組合機(jī)床 化工過程設(shè)備：反應(yīng)釜、蒸發(fā)器,輔助工藝裝置,剪切機(jī)，卷取機(jī)，矯直機(jī)，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(jī) 清洗、冷卻裝置，排屑、排渣裝置,物料貯運裝置,各種起重機(jī)，輥道，鏈板式或皮帶式傳料機(jī) 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(jī)，垛板臺 上下料裝置：各種上料機(jī)、機(jī)械手,控制裝置,檢測裝置：產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行的，如飛剪、飛鋸等,但是在機(jī)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(jìn)運動機(jī)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(jìn)式（line）和旋轉(zhuǎn)式（rotary）,2.生產(chǎn)作業(yè)機(jī)械的總體布置 生產(chǎn)作業(yè)機(jī)械是指完成作業(yè)操作的單體機(jī)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(jìn)行的場所就是工位，是工