第十章 机械运动方案设计第一节 机械总体方案设计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。机械运动方案设计，最具创造性和综合性。 （重要性） 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1、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。2、内容 执行系统方案的设计 原动机类型的选择和传动系统方案的设计 控制系统方案的设计 其他辅助系统的设计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、 机械设计的历史人类设计 经历的三 个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(Design methodology)优化设计(Optimal design)价值工程(Value engineering)计算机辅助设计(CAD)可靠性设计(Reliability design)工业艺术造型设计(Visual design)模块化设计(Modular design)反求工程(Inverse engineering)有限元法(Finite element method)机械动态设计(Dynamic design)相似性设计(Similarity design)系统化设计(Systematization design)并行设计(Concurrent design)人机工程学(Man-machine engineering，ergonomics)模态设计(Modal design)现代设计方法的核心 机械创新设计(Innovative design) 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。四、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35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（齿轮加工可选用仿形法或范成法 ）工作原理相同，运动方案不同（齿轮加工可选用滚齿、插齿或剔齿 ）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用最简单的方法实现功能举例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。B按摩轮r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(Function analysis)，将机械产品的总功能(Total function)分解成若干功能元(Function element)，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