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第七章机械系统运动方案设计第一节机械总体方案设计重要性直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞争力和企业效益。核心内容机械运动方案设计，最具创造性和综合性。一、机械产品的设计过程五个阶段产品规划(概念设计)、总体方案设计、结构技术设计、生产施工设计(工艺设计)、改进设计。阶段步骤方法主要指导理论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学机械产品设计一般进程信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤方法主要指导理论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤方法主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤方法主要指导理论施工设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产计算机辅助制造销售反馈控制法零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问二、机械总体方案设计的目的和内容目的产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设计思想。内容执行系统的方案设计执行系统方案评价与决策执行系统协调设计执行机构型式设计运动规律设计系统功能原理设计机构尺度设计运动和动力分析原动机类型的选择和传动系统的方案设计各级传动比的分配传动链中机构顺序的安排传动路线选择传动类型选择控制系统的方案设计其它辅助系统的设计照明系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计冷却系统设计润滑系统设计第二节现代设计观念与创新设计简介一、现代设计观念(一)机械设计的历史人类设计经历的阶段直觉设计阶段凭直观感觉来设计制作工具和机械，往往带有一定的盲目性经验设计阶段依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等方法进行设计半理论半经验设计阶段充分利用数据、图表和手册等进行设计，减少了设计的盲目性，增加了合理性(二)现代设计方法的主要分支设计方法学(Designmethodology)优化设计(Optimaldesign)价值工程(Valueengineering)计算机辅助设计(CAD)可靠性设计(Reliabilitydesign)工业艺术造型设计(Visualdesign)模块化设计(Modulardesign)反求工程(Inverseengineering)有限元法(Finiteelementmethod)机械动态设计(Dynamicdesign)相似性设计(Similaritydesign)系统化设计(Systematizationdesign)并行设计(Concurrentdesign)人机工程学(Man-machineengineering，ergonomics)模态设计(Modaldesign)现代设计方法的核心机械创新设计(Innovativedesign)比较内容传统设计现代设计设计性质侧重技术面向功能，将技术、经济和社会环境因素结合在一起统筹考虑设计进程在战略进程和战术步骤上有随意性强调设计进程及其步序的模式化设计手段计算器、图板加手册的个体手工作业充分利用电子计算机进行计算、自动绘图和数据库管理，集团分工协作设计方式以经验总结、规范依据为主强调预测与信号分析及创造性的相互配合设计部署只限于从方案到工作图这个阶段贯穿开发的全过程，考虑全寿命周期的质量信息反馈设计思维朝向结构方案的“收敛性思维”面向总体功能目标的“发散性”思维传统设计与现代设计的比较比较内容传统设计现代设计设计方法采用少数的验证性分析以满足限定的约束条件多元性方法学直接综合使其在各种条件下实现方案与全域优化目标设计目标局限在微观和结构注重全局构成及协调，包括造型设计、宜人设计设计考虑的工况按确定工况与静态考虑研究动态的随机工况、模糊性及随机性设计评估采用单项与人为准则采用科学的模糊综合评判传统设计与现代设计的比较(三)机械现代设计和创新设计的特点●从经验积累上升到系统理论，更具科学性。●由漫长的相对稳定到充满活力的快速飞跃发展，更具创造性。●从较单一的应用力学体系发展到多学科融合的系统工程，更具多元性。●从设计的指导思想、理论体系以及设计技法、设计的物质手段都充分体现了最新的科学技术成就，更具完美性。●设计“绿色机器”成了现代机械设计追求的目标。二、创造性设计与创造性思维创造性思维的主要特点●独特性；●多向发散性；●非逻辑性；●连动性；●综合性。部分创造技法方法名称方法的主要特点方法的主要目的特性列举法将事物按名词、形容词、动词分解为三方面特性，将每类特性加以改变或延拓化整为零，逐个研究改进希望点列举法根据社会需求或个人愿望，通过列举希望来形成创新目标将思维收敛于某“目标”，侧重自由联想，思路更宽缺点列举法挑事物的毛病，提出改进设想追求完满，追求卓越智爆法集合3~5人，根据议题自由畅谈，不准批评，寻求创意以量求质设问探求法根据多项创造性的提问，进行分项检核，寻求创意帮助人们广思，思考方向和目标明确联想类比法通过比较，借助原有知识，在异中求同，在同中求异分析两事物的相同或相似点，由此及彼方法名称方法的主要特点方法的主要目的组合法按一定技术原理，将两个或多个功能元素合并，形成新产品、新工艺、新材料产生新功能功能分析法紧紧围绕功能分析、求解、组合寻找方案满足产品的功能要求是设计的核心综摄法把初次接触的事物或发现，联系到熟悉的事物中，用新眼光变熟悉为陌生，以新观点、新方式思考问题将毫无关联、完全不同的知识要素结合起来形成新方案转向法在求解问题中变换求解因素，采用其他原理、改变思索方向完善计划、修改方案、修正观点仿生法模仿人或生物的生理原理、结构、外形、感觉机理向人或生物索取启迪函询集智法借助反复函求多名专家的书面意见形成创意具有匿名性，便于充分发表看法方法名称方法的主要特点方法的主要目的635法6人参加，每次每人写3个设想，5分钟后交换，看过别人的设想后，再修正和补充3个设想…以笔代口，相互激励，短时间内可产生较多的设想方案设计目录法通过完备的设计信息库进行系统搜索有利于计算机辅助自动化设计评价法通过评价寻找弱点加以改进完善寻求最优解决方案价值分析法从经济效益出发分析和改进方案追求高价值的产品物场分析法任何主体总是通过“场”作用于客体，根据客体寻找合理的“场”和主体使物场三要素相互作用更有效，功能更完善、可靠分解法把事物分解或离散，使问题暴露出来，改进后重组便于抓住主要矛盾，寻求特色创意形态综合法对创造对象进行因素分解，列出每个因素的全部形态(手段)，按组合原理形成众多方案寻找尽可能多的解，从中选优方法名称方法的主要特点方法的主要目的专利利用法利用专利文献寻求改进、完善设想防止盲目，避免重复劳动移植法把一个对象的原理、方法运用于另一个对象中使已有技术在新领域中延续和拓展黑箱法根据输入、输出内容，探求黑箱内部的原理和结构用因果逻辑关系寻求输入与输出的最佳联系方式假拟设计通过计算机模拟或虚拟现实完善设计高效、快速、低成本、高质量优化设计建立研究对象的优化数学模型及目标函数，用计算机对计算结果进行分析、判断、寻优高效、降低成本、提高质量、适于各种复杂设计反求设计利用现有科技成果引进先进技术，消化吸收后创新吃透原设计，创造更优的设计第三节机械执行系统运动方案设计重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律执行系统协调设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案二、执行系统的功能原理设计1.功能原理的选择与构思产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。确定功能指标的考虑因素先进性可行性经济性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。功能原理设计的多方案性工作原理不同，运动方案也不同齿轮加工剃齿范成原理仿形原理工作原理相同，运动方案不同齿轮加工插齿滚齿其它实例斜面的应用螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等齿轮加工方法无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿确定方案时应注意两点⑴用最简单的方法实现同一功能。⑵注意光、机、电、流体等知识的综合运用。设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度0.8mm。100.8功能分解送料冲制退回B用最简单的方法实现功能举例按摩轮图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空间凸轮，同时实现三维方向的按摩作用—径向振动挤压、向下推拉和横向推拉，构思巧妙，结构非常简单。r光、机、电、流体等知识的综合运用举例指针玛瑙支撑K向刀口活动游标图示分析天平，要求精度达到0.01g，但靠目力读指针的微小偏角已不可能。活动游标光源透镜读数窗增加了一级光学放大镜，将读数放大。总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法形态学矩阵评价法功能元2.功能分析与功能求解功能分析法(Functionanalysis)，将机械产品的总功能(Totalfunction)分解成若干功能元(Functionelement)，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。三、执行系统的运动规律设计1.工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具与工作台分别运动运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm由两个以上单一运动合成间歇转动停歇往复直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动连续转动沿固定曲线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数每分钟行程数、大小、行程速度变化系数每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度四、执行机构的型式设计1.设计原则●满足执行构件的工艺动作和运动要求●尽量简化和缩短运动链●尽量减小机构尺寸●选择合适的运动副形式●考虑动力源的形式●使执行系统具有良好的传力和动力特性●使机械具有调节某些运动参数的能力●保证机械的安全运转2.机构的选型目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。⑴传递连续转动的机构啮合传动机构连杆机构传递连续转动机构摩擦传动机构摩擦轮传动蜗杆传动链传动齿轮传动平行四边