第十九章机械系统设计综述 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 第十九章机械系统设计综述 1.教学目标 1、了解机械构思设计方法的基本原理; 2、了解机械系统的设计方法和设计程序; 3、掌握机械系统传动系统设计 4、了解现代设计方法; 2.教学重点和难点 【重点、难点】机械系统的设计程序、传动系统设计 3.讲授方法:多媒体和演示柜教学 正文 §19.1机械系统(产品)的构思设计 机械系统(产品)的设计是创造性地建立满足功能要求地技术系统地活动过程。设计地目的 是满足社会生产发展不断提出的一定功能要求,从而更加促进机械系统(产品)的发展。机械系 统(产品)的设计工作是影响机械系统(产品)性能质量、成本和企业经济效益地-项重要工 作。 机械产品的性能和质量首先是设计出来的。机械设计是研制新机器和新产品的第一道工序, 设计工作的质量和水平,直接关系到机械产品的质量、性能、硏制周期长短和技术经济效益,影 响机械产品在国内外市场的竞争力。为了适应我国经济建设形式不断发展的需要,必须努力推广 和研究发展机械系统(产品),提高设计水平
第十九章 机械系统设计综述 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 339 第十九章 机械系统设计综述 1．教学目标 1、了解机械构思设计方法的基本原理； 2、了解机械系统的设计方法和设计程序； 3、掌握机械系统传动系统设计 4、了解现代设计方法； 2．教学重点和难点 【重点、难点】 机械系统的设计程序、传动系统设计 3．讲授方法：多媒体和演示柜教学 正 文 §19.1 机械系统（产品）的构思设计 机械系统（产品）的设计是创造性地建立满足功能要求地技术系统地活动过程。设计地目的 是满足社会生产发展不断提出的一定功能要求，从而更加促进机械系统（产品）的发展。机械系 统（产品）的设计工作是影响机械系统（产品）性能、质量、成本和企业经济效益地一项重要工 作。 机械产品的性能和质量首先是设计出来的。机械设计是研制新机器和新产品的第一道工序， 设计工作的质量和水平，直接关系到机械产品的质量、性能、研制周期长短和技术经济效益，影 响机械产品在国内外市场的竞争力。为了适应我国经济建设形式不断发展的需要，必须努力推广 和研究发展机械系统（产品），提高设计水平
第十九章机械系统设计综述 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 机械系统广产品)的构思设计方法 1、构思设计方法的原理 构思设计方法是研究如何合理进行设计思维的科学,是硏究解决设计课题进程的一般性理 论;一方面研究进程的战略(即进程总路线),另一方面研究各工作步骤相应的战术方法,在总 结规律性的同时,启发创造性,采用现代化的先进技术和理论方法,使设计过程完善合理。在机 械设计中采用这种方法,能使所设计的机械系统(产品)推陈出新,在质量、经济价值、进程谏 度等方面有较大改进。 1)技术过程和技术系统 构思设计方法的理论基础是建立在系统理论的基础之上的。所谓系统就是具有特定功能的、 相互间有联系的许多要素构成的一个整体。根据需要系统可以进一步划分为子系统和系统单元。 系统的功能是指具有特定结构的系统,在其内部和外部的联系和关系中表现岀来的能够满足需要 的特性和能力。设计就是实现既定的功能要求。 人类社会发展过程中有各种形式的需要,这些需要可以概括为物料、能量、信号的转换,这 一转换过程被称为技术过程。技术过程是一个人工过程,它是在人和技术系统的共同作用下,按 照预期的目标实现物料、能量和信号转换的过程。技术系统是设计时分析硏究的对象,即机械系 统。 2)黑箱法( Black box) 黑箱法是种寻求系统总功能的创造性思维方法。“黑箱″就是个未知其内部机理和结构 的箱子,“黑箱法”就是将所研究的复杂系统看作一个黑箱,在不打开它的前提下,暂时忽略次 要因素,首先集中考虑系统的输入输出关系,通过观测与分 系统对环境的影响 析黑箱和外部环境的相互关系,求解待设计系统的功能,从 而进一步了解其内部结构的机理 输 黑箱 入(待设计的技术系统)}/输 340 环境对系统的影响
第十九章 机械系统设计综述 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 340 一、机械系统(产品)的构思设计方法 1、构思设计方法的原理 构思设计方法是研究如何合理进行设计思维的科学，是研究解决设计课题进程的一般性理 论；一方面研究进程的战略（即进程总路线），另一方面研究各工作步骤相应的战术方法，在总 结规律性的同时，启发创造性，采用现代化的先进技术和理论方法，使设计过程完善合理。在机 械设计中采用这种方法，能使所设计的机械系统（产品）推陈出新，在质量、经济价值、进程速 度等方面有较大改进。 1）技术过程和技术系统 构思设计方法的理论基础是建立在系统理论的基础之上的。所谓系统就是具有特定功能的、 相互间有联系的许多要素构成的一个整体。根据需要系统可以进一步划分为子系统和系统单元。 系统的功能是指具有特定结构的系统，在其内部和外部的联系和关系中表现出来的能够满足需要 的特性和能力。设计就是实现既定的功能要求。 人类社会发展过程中有各种形式的需要，这些需要可以概括为物料、能量、信号的转换，这 一转换过程被称为技术过程。技术过程是一个人工过程，它是在人和技术系统的共同作用下，按 照预期的目标实现物料、能量和信号转换的过程。技术系统是设计时分析研究的对象，即机械系 统。 2）黑箱法（Black Box） 黑箱法是一种寻求系统总功能的创造性思维方法。“黑箱”就是一个未知其内部机理和结构 的箱子，“黑箱法”就是将所研究的复杂系统看作一个黑箱，在不打开它的前提下，暂时忽略次 要因素，首先集中考虑系统的输入输出关系，通过观测与分 析黑箱和外部环境的相互关系，求解待设计系统的功能，从 而进一步了解其内部结构的机理。 黑箱 （待设计的技术系统） 系统对环境的影响 环境对系统的影响 输 入 输 入
第十九章机械系统设计综述 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 例如:电铃(功能:机械信号变为声音信号) 机→黑箱→声 发电机(功能:机械能变位电能) 3)功能分析 功能分析是从功能的角度寻找设计问题的解决办法。首先根据设计任务确定系统的总功能, 体现在将输入条件转换为系统的输岀条件上。总功能确定后,在进行功能分解,将总功能分解为 分功能、子功能直到功能元。功能元是最小的功能单位,是可以直接从物理效应、逻辑关系方面 找到解法的基本功能单元。 例如,拉伸材料试验机的总功能是:试件拉伸、测量力和相应的变形值。 可以将总功能分解为功能单元如下图 试件拉断 试 黑箱 力 4)方案确定及评价 件 变形 方案的确定过程就是功能结构组合过程,也就是将系统的分功能元进行综合得到总功能的过 由于将各个功 试件夹持松开 试件拉伸 夹头移动 运动形式转换 能单元的局部解相 速度、转矩转换 信号采集 互组合,可能会产 试件拉 力测量 放大 生很多的设计方伸,力科 变形的 信号采集 测量 放大 案。由于设计方案 变形测量 的数目过大,难以 开机 动作控 停机 逐一进行评价,所 自动停机 以一殷需要首先进行筛选,将明显不合适设计方案淘汰只保留少数几个难以分辨差异(功能性
第十九章 机械系统设计综述 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 341 例如：电铃（功能：机械信号变为声音信号） 机→黑箱→声 发电机（功能：机械能变位电能） 机→黑箱→电 3）功能分析 功能分析是从功能的角度寻找设计问题的解决办法。首先根据设计任务确定系统的总功能， 体现在将输入条件转换为系统的输出条件上。总功能确定后，在进行功能分解，将总功能分解为 分功能、子功能直到功能元。功能元是最小的功能单位，是可以直接从物理效应、逻辑关系方面 找到解法的基本功能单元。 例如，拉伸材料试验机的总功能是：试件拉伸、测量力和相应的变形值。 可以将总功能分解为功能单元如下图。 4）方案确定及评价 方案的确定过程就是功能结构组合过程，也就是将系统的分功能元进行综合得到总功能的过 程。 由于将各个功 能单元的局部解相 互组合，可能会产 生很多的设计方 案。由于设计方案 的数目过大，难以 逐一进行评价，所 以一般需要首先进行筛选，将明显不合适设计方案淘汰，只保留少数几个难以分辨差异（功能性、 黑箱 试 件 试件拉断 力 变形 试件拉 伸，力和 变形的 测量 试件拉伸 力测量 变形测量 动作控制 试件夹持松开 夹头移动 信号采集 放大 显示 信号采集 放大 显示 开机 停机 自动停机 运动形式转换 速度、转矩转换
第十九章机械系统设计综述 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 经济性等)方案功评价决策使用。 初步筛选必须遵守以下原则 1)相容性:分功能之间必须相容,否则给予淘汰。 2)优先选用主要分功能的最佳解,由该解岀发选择与之相容的其它分功能解。 3)删除对设计要求、约束条件不满足,或令人不满意的解,如成本高、效率低、污染大 不安全、难加工等。 经过以上的筛选可能留下不多的备选方案,此时必须对每个方案进行科学的评价,最终确定 我们的设计方案。所谓评价就是对方案的质量、价值或就其某-性质作岀说明;所谓决策就是对 评价结果或对所提供的某些情况,根据预定目标作出选择或决定,其结果就是拟采用的方案。 常用的评价方法有经验评价法、数学分析法和试验评价法三种。当方案不多、问题比较简单 时,可以采用经验评价法,即根据评价者的经验,对方案作粗略的定性评价。数学分析法是使用 数学工具进行分析、推导和计算得到定量的评价参数作为决策参考,常用的的有名次记分法、评 分法、技术经济评价法和模糊评价法等。对于比较重要的方案,用数学分析法计算后仍没有足够 把握时,应该通过模拟试验或样机试验对方案进行试验评价,这种方法得到的评价准确,但是代 价较高。(我们后面课程技术经济学会涉及这部分内容) 构思设计方法的工作步骤和设计实例 机械系统(产品)的构思设计可以分为四个工作步骤。即:编制设计任务书、确定功能结构、 方案综合、以及评价与决策。其进程模式如下图所示。 【例】某厂成品车间需要设计一台传送和粘封已装好成品的包装纸箱机械。 【解】1、编制设计任务书 342
第十九章 机械系统设计综述 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 342 经济性等）方案功评价决策使用。 初步筛选必须遵守以下原则： 1）相容性：分功能之间必须相容，否则给予淘汰。 2）优先选用主要分功能的最佳解，由该解出发选择与之相容的其它分功能解。 3）删除对设计要求、约束条件不满足，或令人不满意的解，如成本高、效率低、污染大、 不安全、难加工等。 经过以上的筛选可能留下不多的备选方案，此时必须对每个方案进行科学的评价，最终确定 我们的设计方案。所谓评价就是对方案的质量、价值或就其某一性质作出说明；所谓决策就是对 评价结果或对所提供的某些情况，根据预定目标作出选择或决定，其结果就是拟采用的方案。 常用的评价方法有经验评价法、数学分析法和试验评价法三种。当方案不多、问题比较简单 时，可以采用经验评价法，即根据评价者的经验，对方案作粗略的定性评价。数学分析法是使用 数学工具进行分析、推导和计算得到定量的评价参数作为决策参考，常用的的有名次记分法、评 分法、技术经济评价法和模糊评价法等。对于比较重要的方案，用数学分析法计算后仍没有足够 把握时，应该通过模拟试验或样机试验对方案进行试验评价，这种方法得到的评价准确，但是代 价较高。（我们后面课程技术经济学会涉及这部分内容） 二、构思设计方法的工作步骤和设计实例 机械系统（产品）的构思设计可以分为四个工作步骤。即：编制设计任务书、确定功能结构、 方案综合、以及评价与决策。其进程模式如下图所示。 【例】某厂成品车间需要设计一台传送和粘封已装好成品的包装纸箱机械。 【解】1、编制设计任务书
第十九章机械系统设计综述 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) (1)分析设计任务、编制设计任务书 编制设计任务书 根据工厂生产订货或市场需要提出任务书,进行市场调查和「制作要求明细表 可行性分析,编制设计任务书。 分析要求 现要求设计用自粘胶带从上面和下面交替封或仅从上面连[拟定总功能 分解总功能 续粘封不同尺寸纸箱的机械。 制定功能结构 收集所有必要的资料,包括有关纸箱的尺寸、尺寸变化的频匚求出每个功能解 率,自粘胶带的规格。 方案组合、筛选 方案评价 (2)制定任务要求明细表 选择最优解 为了使以后的设计工作能够有效、可靠地进行,并且能够减 轻工作,必须制定任务明细表,依此作为设计、制造、评价和决策的依据。 制定任务明细表时必须考虑:1)根据设计任务必须无条件达到的要求;2)反映设计的约束 条件(如效率、噪声等)的最低要求;3)在可能条件下希望考虑的要求。 2、确定系统的功能 (1)分析要求、拟定总功能 机械产品的功能是从使用角度提出的,应当满足使用者的要求。这些要求可概括为“物料”、 信息”和“能量”的转换。通常,为了实现总功能,在制作要求明细表时,可以先忽略一些次 要的、不影响功能的因素。然后,把定 机械对环境的影响 量数据作定性处理,并将其简化为最主 能量 自粘胶带连续 能量 要的要求,在最后扼要提出。 待粘封纸箱 已粘封纸箱 粘封的纸箱 包装纸箱粘封机,要求在规定的条 环境对机械的影响 件下,用自粘胶带完成连续粘封大小不 同纸箱的任务,者就是它的总功能。可将这一急袭阿产品看作一个“黑箱”,暂时忽略次要因素
第十九章 机械系统设计综述 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 343 （1）分析设计任务、编制设计任务书 根据工厂生产订货或市场需要提出任务书，进行市场调查和 可行性分析，编制设计任务书。 现要求设计用自粘胶带从上面和下面交替粘封或仅从上面连 续粘封不同尺寸纸箱的机械。 收集所有必要的资料，包括有关纸箱的尺寸、尺寸变化的频 率，自粘胶带的规格。 （2）制定任务要求明细表 为了使以后的设计工作能够有效、可靠地进行，并且能够减 轻工作，必须制定任务明细表，依此作为设计、制造、评价和决策的依据。 制定任务明细表时必须考虑：1）根据设计任务必须无条件达到的要求；2）反映设计的约束 条件（如效率、噪声等）的最低要求；3）在可能条件下希望考虑的要求。 2、确定系统的功能 （1）分析要求、拟定总功能 机械产品的功能是从使用角度提出的，应当满足使用者的要求。这些要求可概括为“物料”、 “信息”和“能量”的转换。通常，为了实现总功能，在制作要求明细表时，可以先忽略一些次 要的、不影响功能的因素。然后，把定 量数据作定性处理，并将其简化为最主 要的要求，在最后扼要提出。 包装纸箱粘封机，要求在规定的条 件下，用自粘胶带完成连续粘封大小不 同纸箱的任务，者就是它的总功能。可将这一急袭阿产品看作一个“黑箱”，暂时忽略次要因素， 任 务 编制设计任务书 制作要求明细表 分析要求 拟定总功能 分解总功能 制定功能结构 求出每个功能解 方案组合、筛选 方案评价 选择最优解 自粘胶带连续 粘封的纸箱 机械对环境的影响 环境对机械的影响 能 量 待粘封纸箱 信 号 能 量 已粘封纸箱 信 号