第四章第四章 机械系统设计的基本原理机械系统设计的基本原理• 机械设计与其他系统一样，它的各个组成部分都是有机结合、相互协调、相互适应的，并以此来实现机械系统的整体功能要求机械系统也应具备一般系统的特性，如整体性、相关性、目的性和环境适应性同时，我们还应该注意的是机械系统由于它的能量流、物料流和信息流变化的特殊性，它的设计方法必然也具特殊性因此，阐述机械系统设计的基本原理是十分必要的 4.1 4.1 机械系统设计的一般程序和内容机械系统设计的一般程序和内容4.1.14.1.1机械系统设计的类型机械系统设计的类型 根据机械系统设计的内容特点，机械系统设计一般可分为开发设计、变异设计和反求设计 1.开发设计 针对新任务，提出新方案，完成产品规划、概念设计、构型设计的全过程 2.变异设计 在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺度等方面进行一定变异，设计出新产品以适应市场需要，增强市场竞争力这种设计也可包括在基础型产品的基础上，工作原理保持不变，开发出不同参数、不同尺寸或不同功能和性能的变型系列产品。
3.反求设计 针对已有的先进产品或设计，进行深入分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型、但能避开专利的新产品 表4-1机械设计的一般程序框图 •设计阶段 设计程序内容与设计步骤 阶段设计目标产品规划市场需求分析提出产品设计要求明确设计任务设计任务书可行性研究报告任务要求明细表功能分析和工作原理确定机器构成的构思工艺动作分析执行动作确定最佳机械运动方案的尺度综合机械总体方案执行机构选择和机械运动方案的设计概念设计确定机器的组成引入人一机系统分析机器总体布局机械运动方案机械运方案构型设计机械构型构思和设计机械总装图设计机械部件设计技术文件编制机械零件设计施工图设计计算说明书标准通用件明细表使用说明书 4.1.2 4.1.2 机械系统设计的一般程序机械系统设计的一般程序 不论哪一种设计，为了提高机械系统的设计质量和设计水平，必须有一个科学的设计程序目前较为广泛实施和应用的机械系统设计的程序可归纳成表4-1所示的框图程序4.1.3 4.1.3 机械系统设计的基本内容机械系统设计的基本内容 对于表4-1所示的三个设计阶段的基本内容分别阐述如下： 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，在功能分析和功能原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，初步拟定各执行构件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、部件设计满足设计的功能需求；零件结构形状要便于制造加工；常用零件尽可能标准化、系列化、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，再由零部件工作图、部件图绘制出总装配图 最后还有编著技术文件，如设计说明书，标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等等。
4.2 4.2 面向面向X X的设计原理的设计原理 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掌握好这些设计原理，使机械系统设计达到全面最优的功能要求 下面分别阐述一下它们的基本设计原理4.2.1 4.2.1 面向制造的设计原理面向制造的设计原理 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尽量简化、制造成本尽量减少 1.面向制造的机械系统方案设计 机械系统方案设计往往会涉及它的工作原理、基本组成以及功能结构解的选择方案色号及阶段虽然还无法断定各个功能的结构和构形的具体参数，但是应该考虑机械系统的工作原理、基本组成及功能结构解的制造的难易程度及制造成本的高低 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有全面的制造知识和丰富的实践经验 2.面向制造的机械系统构形设计 机械系统构形设计要求各零、部件设计易于制造，具体来说应考虑： 1）零件、部件的构形尽可能简单； 2）零件、部件的各加工部分要易于加工制造； 3）零件、部件的选材也要符合便于加工的原则4.2.2 4.2.2 面向装配的设计原理面向装配的设计原理 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，使机械系统的装配工艺尽量简化，易于进行装配与调整 1.面向装配的机械系统方案设计 机械系统方案设计往往涉及它的工作原理、基本组成以及功能结构解的选择方案设计阶段应该充分考虑机械系统工作原理、基本组成和功能结构解的易装配性实现基本组成的模块化、功能结构解的简单化、装配调整容易 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于部件内部的装配简单化。
另外，方案设计中方案工作原理的选择也会影响装配的难易程度，因此需要加以认真选择 2.面向装配的机械系统构形设计 机械系统构形设计中应充分考虑零部件的装配性这就需要在设计时考虑下面一些基本原则： （1）减少装配的工作量 通过功能集成把多个零件完成的功能集中到一个零件上，这样就可以减少零件数，减少装配的总工作量 （2）易于装配 减少装配件数目、适当增加装配空间、装配件结构尺寸易装配性、装配件间固定方式的简单化扽均有利于装配 （3）减少装配零件的多样性 减少装配零件的种类，在自动化装配过程中可以减少装配时间4.2.3 4.2.3 面向拆卸的设计原理面向拆卸的设计原理 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 1.面向拆卸的机械系统方案设计 方案设计阶段应该考虑机械系统选择何种工作原理、基本组成和功能结构解对于拆卸方便性的影响。
当然要做到这点需要有较丰富的实际经验和对各种功能结构解的全面了解 例如，为了有利于拆卸和维修，在有些家用多功能缝纫机中将4大功能模块——挑线、刺布、勾线、送料设计成独立性较强的模块 2.面向拆卸的机械系统构形设计 机械系统构形设计中应考虑零部件易于拆卸、便于维修在设计零部件时应考虑的一些基本原则:(1)减少拆卸的工作量 对于拆卸的零件尽量减少，并使得易于接近，使拆卸工作量大为减少； （2）易于拆卸 包括选择适当的固定方法、减少固定件的数目、拆卸操作的运动方式应尽量简化、拆卸件应提供易于抓取的表面等有利于拆卸； （3）减少零件的多样性 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 （4）尽量采用插接和螺纹联接 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4.2.4 4.2.4 面向环境的设计原理面向环境的设计原理 面向环境的设计就是考虑环境影响问题，使产品对环境的总体影响减少到最小 1.面向环境的机械系统方案设计 面向环境的机械系统方案设计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。
不同的方案对环境的影响是不同的例如，设计电冰箱，采用氟利昂制冷方案还是利用无氟制冷方案，在使用过程中会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 2.面向环境的机械系统构形设计 面向环境的机械系统构形设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的零部件构形，以减少资源的消耗和浪费，从而减少对环境的影响其主要途径和措施如下： （1）简化零部件的结构 简化零部件的机构，一方面可减少零件数，另一方面减少加工量从而 使动力消耗和材料消耗均下降2）优化构件尺寸 优化零部件的尺寸，特别对箱体、壳体等大型零件减少其体积和重量将可大大减少材料消耗3）改善构件受力状况 受力状况好的构件可采用较小的截面使材料消耗少，同时，受力状况好的构件使用寿命长，减少因构件破坏失效而造成的资源损失4）可拆卸性设计 可拆卸性设计的目的是使用的产品上许多零部件可以回收和重复利用，特别是对贵重的金属有很高的回收价值眨眼可以节省大量的原材料和减少环境造成的污染。
4.3 人机系统设计原理4.3.1 4.3.1 人机系统的组成人机系统的组成 人机系统包括人和机两个基本组成，它们相互联系构成一个整体人机系统的性质和特征可以用模型表示，图4-1是人机系统的模型说明人机之间存在着信息环境，人机相互联系具有信息传递的性质这个系统能否正常工作，取决于信息传递过程是否能持续有效的进行所谓信息就是人的视觉、听觉、触觉所获取的信息图4-1 人机系统模型 人的决策信息接收控制显示器控制器机器的内部过程 “环境”一般可以理解为人机系统的干扰因素排除环境的不利影响是人机系统设计中的主要任务之一 人际系统中，人的主导作用主要反映在人的决策功能上人机截面是人与机之间存在一个相互作用的作用“面”显示器将机器工作的信息传递给机器，实现机-人信息传递人通过控制器将自己的决策信息传递给机器，实现人-机信息传递因此，人机界面的设计主要是指显示、控制以及它们之间关系的设计，要使人机界面符合人机信息交流的规律和特性4.3.2 4.3.2 人机系统设计的评价人机系统设计的评价 为了检验人机系统设计的好坏，一般可以从以下几个方面进行评价： 1.作业效能的改善程度 合理地分配作业，正确的机器设计，良好的环境，均可直接改善操作者的作业效能。
2.所耗的培训费用和时间 良好的作业程序设计会降低操作者达到作业标准所需要的培训费用 3.人力资源的利用率 降低对操作者的特殊能力和专项技能的要求，可以更好地利用人力资源通常可以用利用人力资源的百分比作为人力资源的利用率 4.减少事故和人为错误的评定主要进行减少事故和人为错误的可能性分析5.机器生产率人机系统效率的提高可以提高机器生产率6.使用者的满意率良好的人机关系可以提高作业效率，使使用者产生满意心理4.3.3 4.3.3 人机系统设计程序人机系统设计程序图4-2表示人机系统设计程序 定义系统目标和作业要求系统定义初步设计人机界面设计作业辅助设计系统检验 1.定义系统目标和作业要求 定义系统目标是用比较抽象、概括的文字来叙述人机系统的目标如设计洗衣机可把此系统概括为“污物与衣物的分离”或抽象为“洁衣” 系统作业要求就是指为了实现系统目标系统必须干什么具体来说包括“要求”和“限制因素” 对人机系统的目标和作业要求定义时，要充分考虑和反映人的因素 2.系统定义 系统定义是对系统的输入、输出和其功能的定义。
这里的“功能”是用文字描述的一组工作，系统必须完成自己的功能任务，才能实现系统的目标 图4-3表示功能与输入、输出的关系系统定义只定义功能，不定义怎样实现功能也不能将功能马上分配给人或者机 功能Fi输入输出图4-3 功能与输入、输出的关系 3.初步设计 初步设计就是围绕系统设计所进行的功能分配、作业要求以及作业分析 功能分配是将已定义的功能按一定的分配原则“分配”给人，硬件或软件 作业要求是对分配给人的功能都需对人的作业提出作业品质的要求，例如精度、速度、技能、培训时间、满意度 作业分时按照作业对人的能力、技能、态度的要求，对分配给人的功能作业作进一步的分解和研究 4.人机界面设计 人机界面设计主要是指显示、控制以及它们之间的关系设计，使其符合人机信息交流的规律和特性 5.作业辅助设计 作业辅助设计包括制定操作人员的水准和确定培训使用说明确定作业辅助手段 6.系统检验 系统检验是验证系统是否达到系统定义和设计的各种目标。