第二十八章 机械执行系统的方案设计
§ 28.1 机械系统的总体方案设计
一、概述
二、机械系统总体方案设计的基本原则与基本法规
三、总体参数及其确定一、概述
（一）现代机械系统的概念和功能
（二）机械系统总体方案设计的重要性
（三）机械总体方案设计的任务和内容
（四）机械系统总体方案设计的类型
（五）机械系统总体方案设计的特点机械系统的总体方案设计
（一）现代机械系统的概念和功能
机械系统的概念由计算机与信息网络控制的、用于完成包括机械力、
运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统 。
机械系统的功能现代机械的总功能是对输入的物质、能量和信息进行预定的变换（加工、处理）、传递（移动、输送）和保存（保存、存储、记录 )。
机械系统的总体方案设计机械系统的功能
主动能
动力功能
控制功能
结构功能机械系统的总体方案设计
（二）机械系统总体方案设计的重要性机械系统设计过程的四个阶段
初始规划设计阶段
总体方案设计阶段
结构技术设计阶段
生产施工设计阶段机械系统的总体方案设计
（三）机械总体方案设计的任务和内容
任务机械总体方案设计需要完成整体方案示意图、机械系统运动简图、运动循环图和方案设计计算说明书。其中，
包括了总体布局、主要技术参数的确定和方案评价与决策。
内容机械系统的总体方案设计
（四）机械系统总体方案设计的类型
开发性设计
变型设计
适应性设计机械系统的总体方案设计
（五）机械系统总体方案设计的特点
1．协调性
2．相关性
3．内外结合性机械系统的总体方案设计二、机械系统总体方案设计的基本原则和基本法规
（一）基本原则
（二）基本法规机械系统的总体方案设计
（一）基本原则
1．需求原则
2．效益原则
3．信息原则
4．系统原则
5．创新原则
6．继承原则
7．优化的原则
8．简化的原则
9．理论与实践相结合的原则
10．工程的原则
11．广义的原则
12．快速的原则机械系统的总体方案设计
（二）基本法规
1．标准化
2．政策与法令机械系统的总体方案设计三、总体参数及其确定
1.生产率
2.精度
3.速度参数
4．动力参数
5．尺寸和重量参数
6,效率和寿命机械系统的总体方案设计
§ 28.2执行系统的功能原理和运动规律设计
一、执行系统的功能原理方案设计
二、执行系统的运动规律设计一、执行系统的功能原理方案设计
（一）功能原理方案设计的任务
（二）功能原理方案设计的特点执行系统的功能原理和运动规律设计
（一）功能原理方案设计任务针对某一确定的功能要求，去寻求某些物理效应并借助一些作用原理来求得实现该功能目标的解法原理。常用的功能原理如 摩擦传动原理、机械推拉原理、材料变形原理、电磁传动原理、流体传动原理、光电原理等。
执行系统的功能原理和运动规律设计
（二）功能原理方案设计的特点
1．在功能原理方案设计中常常会引入某种新技术、新工艺、新材料，它首先要求设计者要有新想法、新构思。
2．功能原理方案设计是否合理将对产品的成败起决定性的作用，它从质的方面决定了机械的设计水平和综合性能状况。设计人员应给予高度重视。
执行系统的功能原理和运动规律设计二、执行系统的运动规律设计
（一）运动规律设计的任务及重要性
（二）运动规律设计的方法和注意事项
（二）运动规律设计的方法和注意事项同一种功能要求可以采用不同的工作原理来实现，而同一种工作原理，又可以采用不同的运动规律得到不同的运动方案。
图 28-3 三种不同的从地下取液体的运动规律方案
a）往复移动改变容积 b）往复摆动改变容积 c）旋转运动改变容积
（二）运动规律设计的方法和注意事项图 28-4 四种不同的加工内孔的运动规律方案
a）车床方案 b）镗床方案 c）钻床方案 d）拉床方案
§ 28.3执行系统的型式设计和协调设计
一、执行机构的型式设计
二、执行机构的协调设计一、执行机构的型式设计
（一）执行机构型式设计的基本原则
（二）执行机构型式设计的方法执行系统的型式设计和协调设计
（一）执行机构型式设计的基本原则
1．满足执行机构运动规律的要求
2．结构简单，运动链短
3．使执行系统有尽可能好的动力性能
4．充分考虑动力源的形式
5．使机械操作方便，调整容易，安全可靠图 28-5 可生成直线轨迹的两种机构
a） 产生近似直线轨迹的简单机构 b） 产生精确直线轨迹的复杂机构
（二）执行机构型式设计的方法
1．机构的选型
2．机构的构型执行系统的型式设计和协调设计图 28-7 通过机架变换由齿轮机构得到行星轮系
a） 外啮合齿轮机构转化为行星轮系 b） 内啮合齿轮机构转化为行星轮系图 28-8 用三个转动副代替一个球面副
a）球面副 S b）用三个转动副代替一个球面副 c）代替后的的实例 -单万向联轴节图 28-9 有停歇的摆动导杆机构图 28-10 应用扩展法增大急回特性和运动行程二、执行系统的协调设计
（一）执行系统协调设计的原则
（二）执行系统协调设计的方法和步骤
（三）运动循环图
（四）举例执行系统的型式设计和协调设计
（一）执行系统协调设计的原则
1．满足工艺过程动作先后顺序的要求
2．满足执行系统循环工作的要求
3．满足各执行机构操作上的协调性要求
4．满足各执行机构位置上的协调性要求
5．满足提高生产率的要求
6．满足能量协调和提高效率的要求
（二）执行系统协调设计的方法和步骤执行系统协调设计的步骤一般为
1．确定机械工作循环的周期
2．确定各执行构件在一个运动循环中的各个行程段及其所需的时间
3．确定各个执行构件动作间的协调配合关系执行系统的型式设计和协调设计
（三）运动循环图
1.运动循环图的概念
2．运动循环图的形式执行系统的型式设计和协调设计
1.运动循环图的概念用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称为机械的 运动循环图 。
它是机械协调设计的重要技术文件。
若有分配轴，运动循环图常以分配轴的转角为坐标来编制；若没有分配轴，常选取执行系统中某一主要的执行构件为参考件。取具有代表性的特征位置作为起始位置，如以生产工艺的起始点作为运动循环的起点，由此来确定其它执行构件的运动相对于该主要执行构件的先后次序和配合关系。
执行系统的型式设计和协调设计图 28-11 简易平板印刷机的运动循环图
a)直线式运动循环图 b） 圆周式运动循环图 c） 直角坐标式运动循环图
2．运动循环图的形式
（ 1）直线式运动循环图
（ 2）圆周式运动循环图
（ 3）直角坐标式运动循环图
（ 4）运动循环图三种形式间的关系执行系统的型式设计和协调设计
（四）举例
1．各执行机构的型式和行程
2．运动循环图的设计执行系统的型式设计和协调设计图 28-12 自动电阻压帽机的机械运动示意图图 28-13 执行系统的初步运动循环图图 28-14 执行系统第一次修改后的运动循环图图 28-15 满足要求的执行系统的运动循环图
§ 28.4基于功能分析的执行系统的方案设计
一,功能分析
二,基于功能分析的执行系统运动方案的系统解一,功能分析
（一）总功能
（二）功能分解与功能结构
（三）功能元
（四）功能元求解基于功能分析的执行系统的方案设计
（一）总功能
总功能是机械执行系统要完成的总任务。
对总功能的描述要语言简洁、合理抽象、抓住本质。
基于功能分析的执行系统的方案设计
（二）功能分解与功能结构
功能元
功能结构
功能树基于功能分析的执行系统的方案设计图 28-16 树形功能结构
（三）功能元
物理功能元
逻辑功能元
数学功能元基于功能分析的执行系统的方案设计
（四）功能元求解为了便于应用，常将某些功能元的解用,解法目录,
的形式列出来，它是功能元的已知解或经过考验的解的汇编。解法目录中的解称为 解谱 。
可快速地根据设计任务的要求来检索目录中汇编的解；
汇编入的解谱要尽量充分、完备，至少是可以补全的；
尽可能完全独立于部门或工厂，以使其广泛可用；
既可用于传统的设计过程，也可以用于采用计算机的设计。
基于功能分析的执行系统的方案设计二,基于功能分析的执行系统运动方案的系统解
（一）功能元解组合成系统解的注意事项
（二）功能元解矩阵基于功能分析的执行系统的方案设计三、举例
1．总功能
2．功能分解
3．执行系统的功能元求解
4．求运动方案的系统解的数目基于功能分析的执行系统的方案设计图 28-21自动电阻压帽机的功能分解
§ 28.5方案评价与决策
一、方案评价的必要性
二、机械系统运动方案设计的评价指标和评价体系
三．机械系统运动方案评价方法简介
四、评价结果的处理一、方案评价的必要性
机械系统方案设计的最终目标,是要寻求一种既能实现预期功能要求,又性能优良,价格低廉的最佳方案；
进行执行系统的运动方案设计时,无论是用基于功能原理的方法,还是用基于功能分析的方法,都可以得到许多种设计方案,即机械系统的运动方案设计是一个 多解问题 。
机械系统方案设计的过程,就是一个先通过分析,综合,使待选方案的数目由少变多,再经过评价,决策,
使待选方案的数目由多变少,最后获得 最佳方案 的过程 。
方案评价与决策二、机械系统运动方案设计的评价指标和评价体系
（一）评价指标
（二）评价体系方案评价与决策
（一）评价指标
1．功能性
2．经济性
3．安全性
4．可操作性
5．舒适性方案评价与决策
（二）评价体系性能指标及代号 具体内容及代号 分数 备注机构的功能
U1
u1运动规律的实现
u2传动精度的高低
5
5
以实现运动为主时,可乘加权系数 2
机构工作性能
U2
u3应用范围
u4可调性
u5运转速度
u6承载能力
5
5
5
5
受力较大时,u5和 u6
可乘加权系数 1.5
机构动力性能
U3
u7加速度的峰值
u8噪音
u9耐磨性
u10最小传动角的大小
5
5
5
5
加速度较大时,可乘加权系数 1.5
经济性
U4
u11制造难易
u12材料的价格与消耗
u13调整方便性
u14能耗的大小
5
5
5
5
结构的紧凑性
U5
u15尺寸大小
u16重量大小
u17结构复杂性
5
5
5
系统协调性
U6
u18空间同步性
u19时间同步性
u20操作协同性和可靠性
5
5
5
方案评价与决策图 28-22 系统工程评价法的评价步骤三．机械系统运动方案评价方法简介
（一）计算性的数学分析评价法
1．价值工程法
2．系统工程评价法
3．模糊综合评价法
4．评分法
（二）实际性的试验评价法方案评价与决策四、评价结果的处理入选方案数设计阶段评价准则 结果的处理
1
最后阶段合理 已得到最佳方案,设计结束可改进 重新决定评价准则,再作评价中间阶段合理 评价结束,转入下一设计阶段可改进 重新决定评价准则,再作评价多于 1
最后阶段合理 增加评价项目或提高评价要求再作评价中间阶段需改进 若入选数目太多,按上述方法改进评价准则,
再作评价合理 将入选方案排序,转入下一设计阶段
0 任何阶段合理 待评的设计方案质量不高,需重新再设计可改进 放宽评价要求,再作评价方案评价与决策
§ 28.1 机械系统的总体方案设计
一、概述
二、机械系统总体方案设计的基本原则与基本法规
三、总体参数及其确定一、概述
（一）现代机械系统的概念和功能
（二）机械系统总体方案设计的重要性
（三）机械总体方案设计的任务和内容
（四）机械系统总体方案设计的类型
（五）机械系统总体方案设计的特点机械系统的总体方案设计
（一）现代机械系统的概念和功能
机械系统的概念由计算机与信息网络控制的、用于完成包括机械力、
运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统 。
机械系统的功能现代机械的总功能是对输入的物质、能量和信息进行预定的变换（加工、处理）、传递（移动、输送）和保存（保存、存储、记录 )。
机械系统的总体方案设计机械系统的功能
主动能
动力功能
控制功能
结构功能机械系统的总体方案设计
（二）机械系统总体方案设计的重要性机械系统设计过程的四个阶段
初始规划设计阶段
总体方案设计阶段
结构技术设计阶段
生产施工设计阶段机械系统的总体方案设计
（三）机械总体方案设计的任务和内容
任务机械总体方案设计需要完成整体方案示意图、机械系统运动简图、运动循环图和方案设计计算说明书。其中，
包括了总体布局、主要技术参数的确定和方案评价与决策。
内容机械系统的总体方案设计
（四）机械系统总体方案设计的类型
开发性设计
变型设计
适应性设计机械系统的总体方案设计
（五）机械系统总体方案设计的特点
1．协调性
2．相关性
3．内外结合性机械系统的总体方案设计二、机械系统总体方案设计的基本原则和基本法规
（一）基本原则
（二）基本法规机械系统的总体方案设计
（一）基本原则
1．需求原则
2．效益原则
3．信息原则
4．系统原则
5．创新原则
6．继承原则
7．优化的原则
8．简化的原则
9．理论与实践相结合的原则
10．工程的原则
11．广义的原则
12．快速的原则机械系统的总体方案设计
（二）基本法规
1．标准化
2．政策与法令机械系统的总体方案设计三、总体参数及其确定
1.生产率
2.精度
3.速度参数
4．动力参数
5．尺寸和重量参数
6,效率和寿命机械系统的总体方案设计
§ 28.2执行系统的功能原理和运动规律设计
一、执行系统的功能原理方案设计
二、执行系统的运动规律设计一、执行系统的功能原理方案设计
（一）功能原理方案设计的任务
（二）功能原理方案设计的特点执行系统的功能原理和运动规律设计
（一）功能原理方案设计任务针对某一确定的功能要求，去寻求某些物理效应并借助一些作用原理来求得实现该功能目标的解法原理。常用的功能原理如 摩擦传动原理、机械推拉原理、材料变形原理、电磁传动原理、流体传动原理、光电原理等。
执行系统的功能原理和运动规律设计
（二）功能原理方案设计的特点
1．在功能原理方案设计中常常会引入某种新技术、新工艺、新材料，它首先要求设计者要有新想法、新构思。
2．功能原理方案设计是否合理将对产品的成败起决定性的作用，它从质的方面决定了机械的设计水平和综合性能状况。设计人员应给予高度重视。
执行系统的功能原理和运动规律设计二、执行系统的运动规律设计
（一）运动规律设计的任务及重要性
（二）运动规律设计的方法和注意事项
（二）运动规律设计的方法和注意事项同一种功能要求可以采用不同的工作原理来实现，而同一种工作原理，又可以采用不同的运动规律得到不同的运动方案。
图 28-3 三种不同的从地下取液体的运动规律方案
a）往复移动改变容积 b）往复摆动改变容积 c）旋转运动改变容积
（二）运动规律设计的方法和注意事项图 28-4 四种不同的加工内孔的运动规律方案
a）车床方案 b）镗床方案 c）钻床方案 d）拉床方案
§ 28.3执行系统的型式设计和协调设计
一、执行机构的型式设计
二、执行机构的协调设计一、执行机构的型式设计
（一）执行机构型式设计的基本原则
（二）执行机构型式设计的方法执行系统的型式设计和协调设计
（一）执行机构型式设计的基本原则
1．满足执行机构运动规律的要求
2．结构简单，运动链短
3．使执行系统有尽可能好的动力性能
4．充分考虑动力源的形式
5．使机械操作方便，调整容易，安全可靠图 28-5 可生成直线轨迹的两种机构
a） 产生近似直线轨迹的简单机构 b） 产生精确直线轨迹的复杂机构
（二）执行机构型式设计的方法
1．机构的选型
2．机构的构型执行系统的型式设计和协调设计图 28-7 通过机架变换由齿轮机构得到行星轮系
a） 外啮合齿轮机构转化为行星轮系 b） 内啮合齿轮机构转化为行星轮系图 28-8 用三个转动副代替一个球面副
a）球面副 S b）用三个转动副代替一个球面副 c）代替后的的实例 -单万向联轴节图 28-9 有停歇的摆动导杆机构图 28-10 应用扩展法增大急回特性和运动行程二、执行系统的协调设计
（一）执行系统协调设计的原则
（二）执行系统协调设计的方法和步骤
（三）运动循环图
（四）举例执行系统的型式设计和协调设计
（一）执行系统协调设计的原则
1．满足工艺过程动作先后顺序的要求
2．满足执行系统循环工作的要求
3．满足各执行机构操作上的协调性要求
4．满足各执行机构位置上的协调性要求
5．满足提高生产率的要求
6．满足能量协调和提高效率的要求
（二）执行系统协调设计的方法和步骤执行系统协调设计的步骤一般为
1．确定机械工作循环的周期
2．确定各执行构件在一个运动循环中的各个行程段及其所需的时间
3．确定各个执行构件动作间的协调配合关系执行系统的型式设计和协调设计
（三）运动循环图
1.运动循环图的概念
2．运动循环图的形式执行系统的型式设计和协调设计
1.运动循环图的概念用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称为机械的 运动循环图 。
它是机械协调设计的重要技术文件。
若有分配轴，运动循环图常以分配轴的转角为坐标来编制；若没有分配轴，常选取执行系统中某一主要的执行构件为参考件。取具有代表性的特征位置作为起始位置，如以生产工艺的起始点作为运动循环的起点，由此来确定其它执行构件的运动相对于该主要执行构件的先后次序和配合关系。
执行系统的型式设计和协调设计图 28-11 简易平板印刷机的运动循环图
a)直线式运动循环图 b） 圆周式运动循环图 c） 直角坐标式运动循环图
2．运动循环图的形式
（ 1）直线式运动循环图
（ 2）圆周式运动循环图
（ 3）直角坐标式运动循环图
（ 4）运动循环图三种形式间的关系执行系统的型式设计和协调设计
（四）举例
1．各执行机构的型式和行程
2．运动循环图的设计执行系统的型式设计和协调设计图 28-12 自动电阻压帽机的机械运动示意图图 28-13 执行系统的初步运动循环图图 28-14 执行系统第一次修改后的运动循环图图 28-15 满足要求的执行系统的运动循环图
§ 28.4基于功能分析的执行系统的方案设计
一,功能分析
二,基于功能分析的执行系统运动方案的系统解一,功能分析
（一）总功能
（二）功能分解与功能结构
（三）功能元
（四）功能元求解基于功能分析的执行系统的方案设计
（一）总功能
总功能是机械执行系统要完成的总任务。
对总功能的描述要语言简洁、合理抽象、抓住本质。
基于功能分析的执行系统的方案设计
（二）功能分解与功能结构
功能元
功能结构
功能树基于功能分析的执行系统的方案设计图 28-16 树形功能结构
（三）功能元
物理功能元
逻辑功能元
数学功能元基于功能分析的执行系统的方案设计
（四）功能元求解为了便于应用，常将某些功能元的解用,解法目录,
的形式列出来，它是功能元的已知解或经过考验的解的汇编。解法目录中的解称为 解谱 。
可快速地根据设计任务的要求来检索目录中汇编的解；
汇编入的解谱要尽量充分、完备，至少是可以补全的；
尽可能完全独立于部门或工厂，以使其广泛可用；
既可用于传统的设计过程，也可以用于采用计算机的设计。
基于功能分析的执行系统的方案设计二,基于功能分析的执行系统运动方案的系统解
（一）功能元解组合成系统解的注意事项
（二）功能元解矩阵基于功能分析的执行系统的方案设计三、举例
1．总功能
2．功能分解
3．执行系统的功能元求解
4．求运动方案的系统解的数目基于功能分析的执行系统的方案设计图 28-21自动电阻压帽机的功能分解
§ 28.5方案评价与决策
一、方案评价的必要性
二、机械系统运动方案设计的评价指标和评价体系
三．机械系统运动方案评价方法简介
四、评价结果的处理一、方案评价的必要性
机械系统方案设计的最终目标,是要寻求一种既能实现预期功能要求,又性能优良,价格低廉的最佳方案；
进行执行系统的运动方案设计时,无论是用基于功能原理的方法,还是用基于功能分析的方法,都可以得到许多种设计方案,即机械系统的运动方案设计是一个 多解问题 。
机械系统方案设计的过程,就是一个先通过分析,综合,使待选方案的数目由少变多,再经过评价,决策,
使待选方案的数目由多变少,最后获得 最佳方案 的过程 。
方案评价与决策二、机械系统运动方案设计的评价指标和评价体系
（一）评价指标
（二）评价体系方案评价与决策
（一）评价指标
1．功能性
2．经济性
3．安全性
4．可操作性
5．舒适性方案评价与决策
（二）评价体系性能指标及代号 具体内容及代号 分数 备注机构的功能
U1
u1运动规律的实现
u2传动精度的高低
5
5
以实现运动为主时,可乘加权系数 2
机构工作性能
U2
u3应用范围
u4可调性
u5运转速度
u6承载能力
5
5
5
5
受力较大时,u5和 u6
可乘加权系数 1.5
机构动力性能
U3
u7加速度的峰值
u8噪音
u9耐磨性
u10最小传动角的大小
5
5
5
5
加速度较大时,可乘加权系数 1.5
经济性
U4
u11制造难易
u12材料的价格与消耗
u13调整方便性
u14能耗的大小
5
5
5
5
结构的紧凑性
U5
u15尺寸大小
u16重量大小
u17结构复杂性
5
5
5
系统协调性
U6
u18空间同步性
u19时间同步性
u20操作协同性和可靠性
5
5
5
方案评价与决策图 28-22 系统工程评价法的评价步骤三．机械系统运动方案评价方法简介
（一）计算性的数学分析评价法
1．价值工程法
2．系统工程评价法
3．模糊综合评价法
4．评分法
（二）实际性的试验评价法方案评价与决策四、评价结果的处理入选方案数设计阶段评价准则 结果的处理
1
最后阶段合理 已得到最佳方案,设计结束可改进 重新决定评价准则,再作评价中间阶段合理 评价结束,转入下一设计阶段可改进 重新决定评价准则,再作评价多于 1
最后阶段合理 增加评价项目或提高评价要求再作评价中间阶段需改进 若入选数目太多,按上述方法改进评价准则,
再作评价合理 将入选方案排序,转入下一设计阶段
0 任何阶段合理 待评的设计方案质量不高,需重新再设计可改进 放宽评价要求,再作评价方案评价与决策
