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1、机械设计基础II-机械系统的设计与分析,朱爱斌博士西安交通大学机械工程学院2023/10/2,目录,1、机械、系统等概念2、机械系统设计的过程和方法3、机械系统分析,1、机械、系统等概念,系统：具有特定功能的、相互间具有有机联系的要素所构成的一个整体,图为系统的基本概念图，S1、S2、S3、S4表示系统的要素，系统的边界表示系统的界限，边界之内表示相互联系和彼此影响的系统结构，边界之外是系统的环境。系统必定存在以一定的系统输入，经过系统内部结构的作用产生一定的系统输出。,系统实例,例如汽车是一个系统。它是由底盘、发动机、传动系统、车身等相互关联和彼此影响的要素所组成的一个整体，以完成交通运输的
2、功能。例如，一个相当规模的城市是一个系统，它是由交道系统、市政系统、商业系统、卫生系统、文教系统等相互作用着的要素组合而成的一个整体，以完成城市生活和发展的功能。,系统的基本特征,1)系统都是由一些互相联系和彼此影响的要素所组成；系统是由要素组成的，离开了要素就淡不上系统。要素是系统的最基本的成分，因此，要素也就是系统存在的基础2)系统都应具有一定的用途；一个形成系统的主要诸要素的集合永远具有一定的固有特性，或者表现为一定的行为，而这些特性或行为是它的任何一个部分都不具备的。一个系统是一个由许多要素所构成的整体，但从系统功能来看，它又是一个不可分割的整体,系统的基本特征,3)系统都应具有一定的
3、界限，以便使系统从所处环境中分离出来。系统与环境同样也存在着密切的关系和联系。每具体的系统都是在时空上有限的存在。作为一个有限的存在，都有它外界的存在或环境。一般把一个系统之外的所有其他事物或存在，称为该系统的环境。环境是系统存在的外部条件。环境对系统的性质起着一定的支配作用。系统的整体性是在系统与环境的相互联系中体现出来的。系统和它的环境之间，通常都有物质、能量和信息的交换。环境的特点和性质的变化，往往会引起系统的性质和功能的变化；反之，出于系统的作用不同，也会引起环境的变化。两者相互作用的结果，有可能使系统改变或失去原有的功能。因而，一般系统就要有一种特殊的功能，来适应环境的变化，保持和恢
4、复其原有的功能。这就是系统的环境适应性。厕鼠和仓鼠,系统完备定义,综上所述，系统较为完备的定义为：系统是由某些相互联系的要素集合而成，这些要素可以是具体的物质，也可以是抽象的结构。它们在系统内彼此相互影响而构成系统的特性。由这些要素集合而成的系统的运行是有一定目标的。系统中的要素及其结构的变化都可能影响和改变系统的特性。系统一般应具有如下构成：系统的各要素及其属性；系统的环境及其界限；系统的输入和输出。,机构、机器和机械概念,机器：根据机器的组成、功用和运动的特点，机器就是一种人力物体组成的具有确定机械运动的装置，它用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。现代机器通常由控制系统、信息测量和处
5、理系统、动力系统以及传动和执行机构系统等组成。机器的种类繁多，如内燃机、起重机、挖土机、纺织机、包装机、加工中心、电脑绣花机等等。机构：从运动的角度来说，机器中的运动单元体称为机构。因此，机构是把一个或几个构件的运动，变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。从现代机器发展趋势来看，机构中的各构件可以都是刚性构件，也可以某些构件是柔件构件、弹性构件、液体、气体和电磁体等。而且将各驱动元件与构件融合在一起。机械：是机构和机器的总称。生产线：此外，在实际生产过程中，还有采用多种机器组合起来、完成比较复杂的工作过程，这种机器系统称之为生产线。,国外对于机器、仪器和设备的观点：,在发展过程中，内容广
6、泛的机械工程专业实际上已经形成了三大领域，即能源工程、信息工程和工艺或材料工程。通常把这三个领域的技术系统分别称为机器、仪器和设备。,机器、仪器和设备,机器是以通过任意方式实现能量转变，形成一种能量流为主要目的的技术系统。例如发动机、涡轮机、发电机、变压器、热力泵、制冷机、压力泵等；设备是以通过任意方式实现物质转变，形成一种物质流为主要目的的技术系统。例如汽化器、冷凝器、吸收器、过滤器、离心机、分选机、分离设备、剃须器、机床、农业机械、注塑机、压路机等；仪器是以通过任意方式实现信息转变，形成一种信息流为主要目的的技术系统。例如温度测试仪、地震测试仪、流量计、计算器、数据仪器、测量仪、导航仪、打
7、字机、继电器、天平等。,2、机械系统设计,1确定设计目标和要求根据市场需求，确定设计参数，选定约束条件，最后提出设计任务书和产品开发计划。2原理方案设计任务确定后，运用设计者本人的专业知识，实际经验和创新能力构思出达到预期结果的原理方案。原理方案设计是产品创新和质量优劣的关键。原理方案设计又可称为概念设计。3结构方案设计对产品进行结构设计，即确定零、部件的形状、尺寸、材料，进行强度、刚度、可靠靠性等计算，画出结构草图。4总体设计在原理方案和结构方案设计的基础上全面考虑产品的总体布置、人机工程、工艺美术造型、包装运输等因素画出总装配图。5施工设计将总装图拆成部件图和零件图，根据加工和装配要求，标
8、注公差、配合及技术要求，绘制出全部生产用图纸，编写出设计说明书、使用说明书，列出标准件、外购件明细表及有关文件等。,基本内容,1产品规划产品规划是要求进行需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书(或要求表)，作为设计、评价和决策的依据。2概念设计需求是以产品的功能来体现的，功能与产品设计的关系是因果关系。体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，这一阶段的最终目标就是在功能分析的基础上，通过构想设计理念、创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。对于机械产品来说，在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，初步拟定
9、各执行构件动作相互协调配合运动循环图进行机械运动方案的设计(即机构系统的型综合和数综合)等，这就是产品概念设计过程的主要内容。,3构形设计构形设计是将方案(主要是机械运动方案等)具体转化为机器及其零部件的合理构形。也就是要完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等有关技术文件。构形设计时要求零件、部件设计满足机械的功能要求：零件结构形状要便于制造加工；常用零件尽可能标腔化品列化、通用化；总体设计还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等方面的要求。构形设计时一般先由总装配图分拆成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件图绘制出总装配困。最后还要编
10、制技术文件，如设计说明书，标准件、外购件明纫表备件、专用工具明细表等等。,机械系统设计的关键内容,机械系统设计过程中原理方案设计是机械系统设计的关键内容。原理方案设计过程中应解决下列问题。1确定系统的总功能对设计任务的抽象化是认识所要设计的机械功用的最好途径。通过抽象化确定系统的总功能。使设计者认清系统设计目标，开阔设计思路。2进行总功能分解将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方案的最好办法。使设计者易于构思各种各样工作原理方案。3选择分功能的功能载体分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关键步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重要手段。4构思功能载体的组合将各功能载体
11、按系统总功能要求加以组合可以得到多个工作原理方案。供设计者选择决策。5方案的评价与决策针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对多个方案进行综合评价和决策。,面向X的设计原理,机械系统设计由于涉及面十分广泛，在设计过程中需要考虑方方面面的问题因此就产生面向制造、装配、拆卸、维修、环境、回收等等的设计原理。这些面向X的设计原理体现了机械系统设计的复杂性和广泛性。应该了解这些设计原理，使机械系统设计达到全面综合最优的功能要求。,面向制造设计,面向制造设计(Design for manufacturing)简称DFM。面向制造的设计是在设计过程中充分考虑机械系统的功能的同时，使机械系统的制造工艺
12、尽量简化、制造成本尽量减少。例如，在机械系统设计某个子功能需要实现直线往复运动可以采用机械传动方案或液压传动方案，这两者在制造难易程度和制造成本方面是不同的。在机械系统的方案设计阶段考虑制造问题需要有全面的制造知识和丰富的实践经验。,面向装配的设计,面向装配的设计(Design for assembly)简称DFA。面向装配的设计是在设计过程中在充分考虑机械系统的功能的同时系统的装配工艺尽量简化，易于进行装配与调整。例如，工业平缝机主要有刺料、挑线、勾线、送料4个子功能，在保证实现工业平缝机的缝纫功能的条件下，实现4个子功能结构解的模块化将有利于简化部件的装配。同时选择简单的子功能结构将会有利
13、于部件内部的装配简单化。,面向拆卸的设计,面向拆卸的设计(Design for disassembly)简称DFD。面向拆卸的设计是在设计过程中充分考虑机械系统功能的同时，使机械系统易于拆卸，可以有利于系统各部分的维修和再利用。例如：零件的标准化可以减少零件的多样化，便于拆卸过程自动化；固定方法的标准化可减少拆卸工具数。两个零件的联接以插接和螺纹联接为好，具有较好的可拆卸性。,面向环境的设计,面向环境的设计就是在保证机械系统功能和质量以及其他必要条件的前提下，使其资源利用率尽可能高，环境污染尽可能小,使产品对环境的总体影响减少到最小。例如:不同的方案对环境的影响是不同的。例如，设计电冰箱，采用
14、氟利昂制冷方案还是采用无氟制冷方案，在使用过程中对环境的污染完全不一样。如何进行面向环境的产品方案设计必须综合运用多学科的专门知识和丰富的实践经验，才能获得较理想的方案设计。,功能分析法,19世纪40年代美国通用电气公司工程师迈尔斯首先提出功能(function)的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。他认为顾客要购买的不是产品本身而是产品的功能。功能实际上是体现了顾客某种需要。在对设计方法学的研究过程中，人们也认识到产品方案的设计时，应先确定产品的工作原理，而工作原理的构思应满足产品的功能要求。因此功能的确定是工作原理方案设计的前提。功能分析方法可以帮助设计者逐步深化对工作原理方案的设计。
15、,形态学矩阵法,机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以用“穷尽法”将各分功能的解全部列出，于是就可写出功能功能解的形态学矩阵。形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法。因素和形态是形态学矩阵法中的两个概念。所谓因素是指构成机械产品总功能的各个分功能。而相应的实现各分功能的执行机构和技术手段，则称之为形态。例如：某机械产品的分功能为“间歇运动”，那么“棘轮机构“、“槽轮机构”、“间歇凸轮机构”等执行机构，则为相应因素的表现形态。形态学矩阵法是建立在功能分解和功能求解的基础上，为了尽可能获得多种多样的功能解，可以参考现有的解法目录和机构类型手册。形态学矩阵法是进行机械系统组
16、成和创新的基本途径，得到多种可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。,举例,运用形态学矩阵法来构思单缸洗衣机的可行方案。(1)总功能分解单缸洗衣机的总功能包括“盛装衣物”、“分离脏物”和“控制洗涤”3个分功能。(2)分功能求解盛装衣物的功能载体有铅桶、塑料桶、玻璃钢桶、陶瓷捅等4种；分离脏物的功能载体有机械摩撩、电磁振荡、超声波等3种；控制洗涤的功能载体有人工手控、机械定时、电脑自动控制等3种。(3)列出形态学矩阵列出形态学矩阵，理论上可组合出4x3x336种方案。,3、机械系统分析,系统分析有利于确定系统目标和设计方案。在进行决策之前，必须要有充分的系统分析，从而明确价值准则，提出众多的可行
17、方案或替代方案，了解各个方案的可行性及其可能产生的结果。系统分析工作质量的好坏将直接影响到决策的质量和水平。系统分析的目的是帮助决策人，对所要决策的问题逐步提高清晰度。系统分析的方法是采用系统的观点和方法，用定性和定量的工具对所研究的问题进行系统结构和系统状态的分析，提出各种可行的方案和替代方案，并进行分析和评价。系统分析的任务是向决策人提供系统方案和评价意见，以及建立新的系统的建议。综上所述，系统分析是一种决策辅助技术。它采用系统方法对所研究的问题提出各种可行方案或策略，进行定性和定量的分析和评价，帮助决策者提高对所研究问题认识的清晰程度，以便决策者选择行动方案。,图表示系统分析的程序。从问
18、题状况到目标设定的过程是一种系统研究的作业，它通过目标的设计而固定了系统的信息集合。从目标设定到系统设定，是一种系统设计的作业。它通过对系统结构的剖析和对可能的替代方案的构思而对系统有了进一步的了解，为下一步的系统量化和系统评价提供了条件。在目标己定和系统设计作业已结束的基础上，应用系统优化和其他定量分析方法，对有关方案进行筛选和效果分析，输出各个可行方案的计算结果。最后再通过系统评价技术得到确定的若干待选方案，做出排序评价。最后由决策人去作最后的选择或决策。系统分析的目的希望有效地缩减信息量，同时又能充分反映被分析的决策问题的本质。,系统分析的内容,系统分析的流程是按图所示的流程图，其中的内
19、容包括系统研究、系统设计、系统量化和系统评价四大步骤。1)系统研究通过对广泛的资料处理，获得有关信息，并使信息所代表的意义更加明确。利用一些有效方法(如进行统计和检验等)进行比较和分析，以确定问题的目标。2)系统设计确定系统的结构和组成、系统与环境的相互关系。可以较为有利地进行系统的定量处理。3)系统属性量化定量化表示系统内部组成部分之间以及系统与环境之间的属性。一般情况应考虑进行必要的修改和简化，才能满足一定的运算要求。4)系统评价通过评价，一般应输出可供决策者选择的具有排序的可行方案集，作为待选方案。总之，系统分析是采用系统科学与方法，对所研究的问题提出各种可行方案和替代方案，进行定性的与定量的分析，进行系统的评价，提高所研究问题的清晰程度。,谢谢！,
