哈工大 机械系统设计 第二章机械系统总体设计

机械系统设计第二章机械系统总体设计本章学习重点功能原理设计机械系统总体设计结构总体设计功能原理设计的方法：黑箱法(功能结构、功能分解、功能元)结构总体设计的任务、原则、步骤、基本原理1任何一种产品的开发，都面临着市场竞争的考验，要提高产品的竞争力，必须在产品的以下几方面下功夫：1）设计2）制造3）销售4）售后服务5）改进设计其中设计是一个最基本的环节，产品的质量、性能、成本等主要是在设计阶段决定的。第二章机械系统总体设计引言2产品产生过程第二章机械系统总体设计产品设计阶段对产品的质量、性能、成本等起决定性作用3机械系统总体设计的重要性：机械系统总体设计是产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和外观造型均具有决定性意义。机械系统总体设计的结果：形成技术设计阶段的指导性文件。主要指原理图和装配图。第二章机械系统总体设计结构总体设计功能原理设计机械系统总体设计4什么是功能原理设计？第二章机械系统总体设计功能原理设计机械系统设计的最初环节针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思功能原理设计对产品的成败起着决定性的作用蒸汽机（工业革命）内燃机为了不使我们的产品输在起跑线上，所以要做好功能原理设计“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”5第二章机械系统总体设计评价功能原理设计好坏的标准构思的创新性市场的竞争潜力对于设计者而言，要想具有创造力离不开以下几点：（创造力的五要素）知识、经验、才能、心理素质、机遇知识和实践经验的积累是一个重要因素，设计者要进行创新构思，就要具有很广的知识面和坚实的知识基础。6创新设计方法是工程设计方法的重要组成部分，应该贯穿于工程技术设计的全部过程中，也是提高产品设计水平，增强产品竞争能力的根本措施和有力手段。特别是在产品的功能原理方案设计阶段，运用创新设计方法尤其重要，可获得更多的原理方案，最终可能产生更多、更好的新产品。第二章机械系统总体设计几种简单的创新技法①智力激励法(集思广益法)②提问追溯法③联想类推法④系统搜索法⑤组合创新法7创新设计方法的应用（补充内容）(2)集智会法个人虽具有独创性，但毕竞要受到知识和经验的局限，因此有一种集数人(5—6个)一起的集智会法。这种方法可集中许多人的创造力，起到多人相互启发的作用。如为了避免各人之间可能出现的相互妨碍和产生无形压力，更便于每个人充分发表意见，也可采用书面集智的形式，如“专家预测法”等。1．智力激励法(集思广益法)-2种(1)智暴法指抓住瞬时的灵敏意识流而得到一些新想法时的一种方法。甚至有些想法近乎胡思乱想，五花八门，不着边际，但它们都具有打破常规、突破“框框”的独创性特点。设计人员只要抓住这瞬时的“灵感”和“顿悟”等一闪念，就有可能得出解决问题的启示。82．提问追溯法（4种）该法是通过对问题进行分析，加以推理来扩展思路，或把复杂问题进行分解，找出各种影响因素，再进行分析推理从中寻求问题解答的一种创新技法。它在思维方面具有逻辑推理的特点。主要包括以下几种方法。创新设计方法的应用（补充内容）(1)提问法如美国麻省理工学院(MIT)的提问法,它是在设计过程中提出如下问题要求回答：①增加功能—能在原有基础上增加新功能吗?②提高性能—在耐用、可靠、维修等方面能否改善?③降低成本—能用减少零件、更换材料、改变工艺等方法降低成本吗?④增加销售—对商品特点、产品设计、包装等是否作了研究?9创新设计方法的应用（补充内容）(2)反向探求法对现有的问题解决的方案系统地加以否定或寻求其他甚至相反的意见,找出新的解法或启发新的想法。可分为“逆向”和“转向”两类方法。例如，机械加工时由工件不动发展到工件转动，属于“逆向”的做法。(3)缺点列举法针对某一设计方案，列出其所有缺点和不足，研究改进方法以探求新方案。(4)向前推演法从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索，寻找新的想法。例如，联接两个轴的离合器，其联接方式可以是牙嵌式的、齿形式的、摩擦锥式的、单片或多片摩擦片式、超越离合器式和电磁离合器式等。又如对摩擦式的联接，其压力产生又可以是机械式的、液压式的和电动式的等。10创新设计方法的应用（补充内容）3．联想类推法该法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法来解决问题。主要有以下几种方法(1)相似联想法通过相似联想进行推理，寻找创造性解法。(2)抽象类比法用抽象反映问题实际的类比方法来扩大思路寻求新解法。例如，要发明一种开罐头的新方法，可先抽象出开的概念，列出现有的各种“开”的方法，如打开、撕开、拧开、拉开等。然后从中寻找对开耀头有启示的新方法来。(3)仿生法通过对生物的某些特性进行分析和类比，启发出新的想法和创造性方案的一种方法。它是现代发展新技术的重要途径之一。例如，飞机构件中的蜂窝结构就是仿生法在技术设计中的应用实例。11创新设计方法的应用（补充内容）仿生机器鱼游推进部分分部进推动方向波动方向分部进推124．系统搜索法（2种）对于技术系统，可以根据其组成或影响性能的全部参数，系统地依次分析搜索，以探求更多的解决问题途径。这种方法称为系统搜索法。如果产品是功能和动作都要求复杂的机械系统，还有两种具体指导设计人员进行创新设计的方法。(1)机构系统搜寻法针对设计要求，首先系统地找出各种可能的机构，然后进行评价择优。（并联机构）(2)逻辑积木法将机械系统的输出要求分解成基本功能，然后根据整个设计综合的约束条件认真构思简单的组件(零件、机构、部件、分系统等)。再将这些组件(即积木)按一定的相互关系，用最简单的形式将输入与输出连接起来。创新设计方法的应用（补充内容）135．组合创新法（2种）利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新的方案。应该认识到合理的组合也是一种创造。(1)组合法是把现有的技术或产品通过功能、原理、机构等组合变化，形成新的技术思想和新的产品。组合的类型包括功能组合、系统组合等。例如，把刀、剪、挫、锥等功能集中起来的“万用旅行刀”等就是组合法的产品。（瑞士军刀）(2)综摄法是通过已知的东西作媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新的产品的一种创新技法。它具有综合摄取的组合特点。例如日本南极探险队在输油管不够的情况下，因地制宜，用铁管做模子，包上绷带，再层层淋上水使之结成一定厚度的冰，做成冰管子，用作输油管的代用品，这就是综摄法的应用实例。创新设计方法的应用（补充内容）142.1机械系统的功能原理设计2.1.1功能的定义及其分类功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。“功能”是产品的核心和本质“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。15设计者如何看待产品的功能呢？或者说在设计中关于功能应该考虑哪些因素呢？2.1.1功能的定义及其分类顾客对功能的需求是有条件的，设计者也必须考虑如下问题：1）功能使用的地点及环境条件；2）功能的定性与定量参数；3）功能实现的具体结构与手段；4）功能使用的经济性16适合环境：温度：20±2℃；湿度：55％-65％功能的定性与定量参数：测量行程（X／Y／Z）500×600×400（mm）机台尺寸（长／宽／高）1600×1200×2500（mm）机台承重：500kg最大允许误差：长度测量最大允许误差MPEE＝（2.8＋L／200）um功能的实现的具体结构与手段精密花岗岩平台、气浮导轨，保障机构稳定气源压力：0.4MPa～0.6MPa空气流量：90L／min（0.4MPa）移动位移测量元件：英国RENISHAW品牌，分辨率0.001mm172.1.1功能的定义及其分类概念辨析1)功能2)功用3)用途4)性能5)能力洗涤量、转速—能力烘干全自动、手动、调温、—性能清洗衣物、床单—用途—家用功用洗衣机182.1.1功能的定义及其分类功能的分类非必要功能附加功能基本功能必要功能功能在设计中对系统各种功能的对待与处理方法：2）附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；3）非必要功能可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。4）由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。1）基本功能必须保证，且在设计中不能改变；192.1.1功能的定义及其分类2.1.2功能原理设计及其特点【例2.1】设计行走机器人2.1机械系统的功能原理设计“功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。基本功能——行走注意：不要先入为主，抓住一种方案不放手！这样很有可能使你丧失以最佳方式实现产品功能的机会！20轮式足式（双足、四足、六足、八足）履带式蠕动式混合式（轮-足）方式212.1.2功能原理设计及其特点勇气号机遇号222.1.2功能原理设计及其特点如何从众多可实现方案中选择满足特定要求的原理方案？分析各种行走原理的特点（优点和缺点），并与具体的要求作比较，从中选出最佳原理方案。适应场合缺点优点混合式适应场合缺点优点蠕动式适应场合缺点优点履带式适应场合缺点优点足式适应场合缺点优点轮式行走方式与具体要求比较还要考虑创新性和市场潜力232.1.2功能原理设计及其特点【例2.2】设计草地剪草机对杂草进行剪修通常的办法有：拉断——可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断草。（剪断是较合理的方案，目前很多剪草机都采用这种方式）功能原理设计就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。242.1.2功能原理设计及其特点剪草机功能原理设计252.1.2功能原理设计及其特点1）垂直引上法（传统方法），此法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。2）浮法制造平面玻璃的新工艺，让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。用此方法生产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。玻璃制作的功能原理设计262.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的任务针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理。功能原理设计的主要工作内容是：构思能实现功能目标的新的解法原理。272.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计思维的特点：发散性和收敛性收敛性：不管所做的功能原理方案有多少种、采用何种方法，评价功能原理方案是否优秀、合理的条件是技术经济指标。也就是说，最终所选择的功能原理方案收敛于技术经济指标。（技术上可行、经济上效益高）发散性：功能原理设计工作的重点应放在尽可能多地提出创新构思上，从而使思维尽量“发散”，以力求提出较多的解法供比较和优选。此时，对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，故只需用简图或示意图的形式来表达所构思的内容。282.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的特点：②功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺……，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思。③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。所以，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作用，设计人员必须给予高度重视。①功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。292.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题1）某些情况下设计任务不明确设计者必须亲自通过调查、分析，确定合理明确的功能目标。当功能目标明确之后，就可以寻找一些类似的技术作参考，这样可以使设计者在原有技术的基础上，提出更新，更巧妙的构思，同时，设计者还应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本