机械工程项目总体方案设计说明

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第二章整体方案设计

2.1 概括

1. 机械工程项目包含机电产品、专用设

备、各样加工和装置自动化生产线等的研

发，和全部的项目相同，拥有独一性、一

次性、多目标性、整体性和寿命周期性等

特色，同时要求投资较大，对成功率的要

求较高。一个成功的项目需要在技术和管理上同时进行创新，依据机械工程项目的特色，=对于绝大部分项目而言，创新的性质和基础或技术的研究是有很大的差别，主要表此刻集成创新。有经验的工程师在进行整体设计的时候，所采纳的技术起码有80~90% 以上是成熟技术，也就是说一个整体方案的技术的可行性起码有85%的掌握才能实行。因为成熟技术好多，对于同一功能，能够采纳多种不同的成熟技术组合实现，所以形成了不同的整体方案；其余的15% 左右是原始创新技术。在项目的整体设计过程中，15%的技术原始创新构成了项

目的中心技术，需花较大的精力进行商讨和研究，包含理论商讨和试验考证，最后通过工程考证。因为机械工程项目直接面向用户、社会，研发投入较大，项目的研发成功，将为公司和社会带来直接的经济效益，大部分状况下，将促进行业的发展；基础理论和技术的研究，投入较小，以理论研究和试验考证为基础的成就，只有在工程上获取应用后，才能真切表现其价值。

对于机械工程项目的建设，整体方案

的设计，确立了项目的技术和市场走向。

本章内容联合有关老师的工程实践和一些

并联合流程和事例，介绍整体设计各阶段的工作内容、要求以及有关知识。为此后从事机械工程项目设计工作时，知道从哪里下手，怎样睁开整体方案设计打下基础。

2 项目的发展周期分为五个阶段，分别为：观点阶段、开发阶段、实行阶段、结束阶段和应用阶段，其资源（人、财、物和时间）的投入量依照前述由小到大，在实行阶段达到最大，再由大到小。但一个项目能否能获得成功，重点在于观点阶段所获得的

成就，整体方案设计属于机械工程项目过程中的观点阶段中的一项任务，观点阶段的目标是对项目进行策划、可行性剖析和决议，而整体方案设计是项目可否获得成功的

重点，不完美和不周祥的技术方案，将以致通盘皆输（胎里疾），应当惹起全部从事方案设计的人员充足的重视。

整体方案的设计，波及到项目功能的定位、投入资本的大小、开发时间的长短、技术的先进性等，也包含建设的场所、使用的环境和对环境的影响等因素

进行整体方案设计的工作过程，大概如图

所示。

3. 整体方案设计的详尽流程是：，在

进行整体方案中，应当同时设计多种能够

实现功能需求的整体方案，以便进行剖析

和评论。同时，经过剖析和评论，发掘各

方案中优势，以便集中这些优势，创建出

更加合理和先进的方案。所以，进行整体

方案设计，不是搞一轮方案，而是搞多轮

以上的方案，并进行优化会合。

4.本章内容

2.2 功能设计

2.2 功能设计——功能的需求与分解

功流程及内容：能

设

功能需求剖析明确整体设计要求计 5. 段

阶

功能分解按工艺要求或动作分解

功能元能力剖析明确各功能元设计要求（包含控制）

方

功能元实现方案剖析机构运动学和动力学、控制方案剖析案设

功能元间连结接口剖析功能元间构造及与控制的协调计阶段

各功能元构造剖析N

重点功能元构造试验

系统传动方案剖析

控制系统方案剖析

造型设计方案集成协助系统方案设计（包含床身等）

N 各功能元实现方案集成

项目实现方案 i 5

6. 整体方案设计的第一步是进行功能需

求剖析。功能需求剖析包含对市场需求分

析和技术需求剖析，此中市场需求剖析结

果依据市场调研和有关数据剖析获取，包

括：

1 ）项目加工（生产）对象的市场容量分析。在此项剖析中，将对项目功能进行定位的同时，还需对加工对象的成本构成进行

剖析，进而确立项目的研发意义、所需的加工能力、加工成本、项目的年产量等；

2）项目的有关功能技术指标。即市场对项目功能的技术要求，加工对象、项目的研发成本与项目的技术指标有关，相同，项目的市场也与项目的技术指标有关（技术指标

3）市场能够接受的价钱。即所研发的项目产品的市场价钱，能够经过走访用户或许基于项目加工对象的成本剖析，从提升劳动生产率，降低成本出发，进行核算。经过对市场能够接受的价钱剖析可知产品的最高成本，进而能够计算出本项目的研发、制造和销售成本，作为项目整体设计的拘束条件。

经过市场检查，能够获取项目的功能和成本要求！

技术需求剖析主要包含：

1）对目前产品存在的技术缺点进行剖析。剖析针对目前拥有本项目相像功能的产品展开，提出已有产品或相像产品所存在的技术缺点，而剖析出的技术缺点，在本项目的实行过程中，均需要进行完美或打破；

2 ）明确功能目标。依据市场需乞降对现有产品技术缺点的剖析，提出明确的项目目标，包含功能目标、技术目标、经济目标、研发周期目标等

3）明确拘束条件。依据功能目标和市场展望及研发单位所拥有的资源现状，提出项目达成的拘束条件，包含时间限制、精度限制、人员限制、资本限制、质量要求等。

经过前方的剖析，项目的远景、功能及有关技术指标、研发的拘束条件等有了基本认识，在此基础上，提出项目设计任务书。任务书的主要内容包含：功能目标、约束条件、技术经济指标（产量（节拍）、精度、使用处合、制造成本等）、已知能够

采纳的技术、实行计划等。全部内容中，适合的技术经济指标，是项目整体设计，乃至项目自己可否成功达成的重点之一，过高的技术经济指标（高于市场需求），不单会增添项目研发难度和研发时间，提升项目成本，同时也会影响市场销量。

技术工作和管理工作的最大差别在于剖析和解决问题的方式和方法不同，技术工作者解决问题的方法是将大问题依照必定的规则分解为小问题，各个击破，尔后经过

题，从中找出内在的关系逻辑和问题的根本所在，进而着手解决，即采纳系统的方法去剖析问题和解决问题。在进行整体设计中，需要设计者从项目全局出发，系统的分析问题，将问题按逻辑分解并各个击破，再用全局思想方式，将其集成。（整体设计者的工作方式是；用管理者的思想和工作模式，从全局出发，发现问题；用技术工作者的思想和工作模式，解决问题）。

功能分解，就是将大问题逐级分解成小问题的开始。

总功能能够是多个功能元串连、并联或串并联而成。功能的分解依据项目目标不同，能够依照工艺动作分解（如装置生产线），也能够依照加工工艺过程分解（如组合机床、专用装备、自动化加工生产线等）。

7. 依照工艺动作进行分解

冷媒罐的加工主要经过多道次冲压成型，

为提升效率，增强劳动保护，需要采纳机

械臂进行上下料。

8. 在依照工艺动作要求分解过程中，需

要对每个动作实现时间进行分解，以知足

设计任务书中的节拍要求。

说明工作要求，依据图示进行按工艺动作

进行分解介绍

9. 这是依据动作分解设计出的方案1，其

重点在于： 1）因为罐子需要移出，机构

需要旋转，伸缩和夹紧动作，采纳气动驱

动的履行系统，动作快速；2）采纳气动

滑台进行大臂的伸缩，夹紧气缸的地点与

气动滑台重叠，构造更加紧凑；3）夹紧动作采纳变向的杠杆原理的力放大构造，气缸行程长，夹紧力度大，有益于调理最小夹紧开度；4）采纳四抓转动的构造，旋转定位需进行精准控制。

10. 方案 2 采纳气缸摇动构造，定位精度

可通过机械定位的方式控制气缸的转角

实现，构造简单，靠谱性高，同时，整机

驱动履行元件均为气动元件，降低了对控

制系统的要求。

11. 依照加工工序进行分解：

锅炉用膜式水冷壁采纳扁钢和管子焊接而

米的管子偏差为± 0.6 毫米），偏差较大，所以焊接前对管子按直径进行分类；2）为保证产品的节距精度，有关焊机采纳槽轮对管子进行定位；3）市场所供给的扁钢宽度和精度知足不了直接进行焊接的需要，所以需要对扁钢依照料子直径分类状况进行精整。

加工工序为：开卷- 精整-矫平 -矫直 -测长 -切断 - 下线

在工程实践中，最常有的是两种方法的综合运用，按动作分解方法常用于单机单零件

的方案设计，着重动作的实现，按工艺分解方法常用于生产线的布局，重点关注设施间的连结。如机械臂方案为单机设计；扁钢精整方案为生产线设计。在生产线设计中，有整体布局，也有单机设计，所以整体方案设计中，二者需要混淆运用。

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2.3 方案设计

13. 功能分解达成后，获取所需功能

元，联合项目整体设计任务书的要求，

经过功能元能力剖析，明确每一个功能

元的工作内容，工作节拍，履行零件所

间、机电之间）参数等，将这些参数归类成功能需乞降拘束条件，形成功能元设计任务书，为提出实现功能方案做好准备。在工程设计过程中，功能元实现方案不必定是

整体设计者提出。

实现方案剖析：在达成功能元能力剖析的此计划上，针对每一个功能元的功能要乞降

拘束条件，提出多种解决方案，包含所采纳的机构、对应的运动学动力学剖析，控制的策略等，并画出实现方案草图，预计出制造成本。值得重申的是在进行功能元实现

方案的剖析过程中一定注意：1）本公司自己或已掌握资源的加工能力和水平，以降低成本和掌握项目加工的主动权；2）站在全局的角度（项目整体设计的角度）考虑本功能元实现机构与其余功能元实现机构、功能元实现机构和整体要求之间的协调性；3）提出功能元方案时，尽可能考虑用户的使用条件和技术水平（如液压系统，许多公司会感觉陌生，因为我国液压件质量不好，简单产生漏油现象，使用处所能否同意；采用高度水平自动化控制，除用户保护水平之外，使用环境能否同意，能否存在高温高湿，电磁环境状况怎样等）， 4）实现成本。

14. 例：大型工字钢曲折改正（纵弯和旁

弯）。大型工字钢拥有截面模量大的特

点，一般改正采纳火焰改正和三支点压力

矫直方法，当截面模量不是很大的时候，

采纳三支点改正，长处是构造简单，操作

方便，了如指掌，装备成本较低，弊端是设施功率大（为战胜大的截面模量），构造宏大；对于纵弯和旁弯的改正，需要不同的模具，同时对于较大截面模量的工字钢（比如宽700，高1300），只好采纳火焰矫正，纯粹依靠于工人的技术，效率低下，劳动强度和生产成本较高。以上两种方法均

压延改正，经过对资料局部的压延，以致资料表面塑性变形而延展，延长短边，压缩长边，进而实现改正功能，其长处是：经过轧制短边钢板，使其延长的方法，避开了改正对象截面模量大的麻烦，能够采纳较小的设施同时实现大截面模量型钢的纵弯和

旁弯改正，且可实现连续作业，生产效率较高；弊端是设施的的复杂性和精度大大提

高（需要针对改正的目的和变形量，严格控制下压零件的下压量），设计计算变得更为复杂，需要建立下压量和改正对象的改正量之间的控制算法和模型，以适应不同的改正对象（靠人工计算，效率太低），装备技术复杂，设计研发难度较大，加工精度要求较高。

在对这两种方案的选择时，用户公司应试虑生产大纲和控制装备的使用和保护水平，制造公司应试虑本单位的设计制造能力。

例：弯管。目前一般公司采纳惯例弯管方式，拥有构造简单的长处，但因为靠轮与弯曲起弧点的地点较远，在进行较厚壁厚管子的小R 曲折时，因为管子刚度的影响，容易出现附带曲折（曲折半径发生变化，不是固定值），以致弯头质量降落；假如采纳滑槽取代靠轮进行曲折，在曲折过程中，滑槽在摩擦力的驱动下，跟着管子向前运动，当滑槽的刚度大于管子的刚度时，能够获取较高精度的弯头。采纳滑槽构造的缺点是机构相对复杂，模具的加工和改换也相对较为复杂。

以上事例说明在进行功能元方案选择时，要立足研发和用户公司自己技术能力、需求和条件，联合项目整体要求来考虑。

15

. .....

16. 接口设计过程：在机电系统中，实现

不同功能的零件间、零件与床身间、机械

与电控之间、设施与设施之间均存在连

接。接口连结接口的主要功能为能量、运

动、信号的传达与固定定位，其本质是

力、速度和信号的变换器。接口设计过程：

1.接口因素包含功能元之间的力、速度和信号传达及空间地点之间的互相关系，提出接口设计需知足的功能要求

2.依据接口因素，确立接口的形式、功能参数和连结接口的构造参数，详细包含力、速度和信号变换器（联轴器、传感器种类、接插件）种类，连结面构造因素（定位构造因素、连结构造因素——卸载机构）

3.确立接口的详细参数，包含联轴器、传感器型号选择、连结尺寸范围

接口设计要求：基本要求是知足功能要求，并具较高的靠谱性和刚度；1.只有高刚度的接口，才能保证力、速度和信号的靠谱高精度的传达； 2.机械传动均会产生振动，接口刚度将直接影响整机的固有频次；3. 低刚度的连结，使构件产生附带载荷，这常常

坏。所以在设计高精度和大功率传达，或传动效率要求较高的装备，特别要注意接口刚度。

接口设计在由多设施构成的自动化生产线或大型设施中，尤其重要。大型装备和自动化生产线一般由多专业多人联合睁开设计工作，多家公司联合制造，接口设计要求即为项目的“法律”，一旦确立，各设计制造单位一定听从，不然结果不行思议。

17. 接口种类 - 机械接口：有刚性连结和

柔性连结之分，刚性连结指的是采纳联轴

器、齿轮齿条等刚度大的构件进行动力的

传动的连结；柔性连结指的是采纳带、

链、电、流体等刚度较小的构件进行动力

传动。在考虑机械接口时，除知足功能要求之外，还应试虑运输的问题。

接口种类 - 电气接口：用于电气信号的连结

接口种类 - 机电接口：主要用于机械信号——电信号的变换，这里特别要注意在工业场合，因为有大电机的启动 / 停止，行车的屡次点动，大批逆变系统的使用，使得供电和电磁环境特别恶劣，在信号传输过程中，扰乱很大，所以在考虑机电接口时，应当同步提出抗扰乱举措，包含采纳供给电流信号的传感器，专用地线，采纳对环境电磁干扰小的逆变电源，并在本机内逆变电源输出部分加磁环，增添低通滤波器，采纳拥有抗扰乱的接口电路，合理规划安装线路，使得强弱电传输线分别等举措。

量——电量的变换，相同在注意传感器

的选型同时，注意抗扰乱的问题

19. 说明整机大小，重量，功能和供电和

电磁环境及生产大的产品

20. 说明在保证精度、刚度和可加工性和

装置性的基础上，大构件连结界面的设

计，梁的等长加工，和梁柱的装置方法及

界面刚度、精度的保证。

静连结：刚度、强度和定位

动连结：

说明刚性传动的问题（考虑焊接要求）

轴承升温问题）

说明为抗扰乱，进行强弱电安装分别

整机设计中，要考虑运尺寸，切分时考虑

现场组装的难以程度和对整机工作精度的

影响

到此为止，经过功能需求剖析，提出了项目的总设计任务书，经过功能分解、功能元实现方案与能力剖析以及连结接口剖析，已经对整机实现方案有了初步的认识，至此，能够提出各功能元的设计任务书，内容包含：实现功能，所采纳的机构方案，运动学和动力学参数要求，和其余功能元间的机电关系，连结接口，和控制系统配合的要求等。

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功能，所采纳的机构方案，运动学和动力

学参数要求，和其余功能元间的机电关

系，连结接口，和控制系统配合的要求

等，接下来是进行功能元构造设计。构造

设计包含构造参数确实定和强度、刚度的计算，以及接口界面的构造参数设计，最后形成功能元设计方案图。在进行功能元结构设计中，常常会出现同时考虑两个或多个相邻功能元的功能的实现，其构造方案更为紧凑、合理的现象，此时就应当考虑做出将合成上述功能元功能的构造方案（串并联），这样能够使得连结界面减少，构造更加紧凑，零件数目减少，最后降低生产成本。

在功能元构造设计中，要注意： 1. 保证明现任务书提出的功能目标（实现功能是功能元构造设计最基本的要求，）； 2. 拥有足够的强度、刚度、精度和使用寿命（一般设计中，大家对常常强度比较关注，但设施的整体刚度波及到设施整机的模态参数（固有频次）以及连结成效、设施精度及使用寿命，所以，在大型、重载或高精度设施和振动设施的设计中，特别要注意刚度的设计）； 3.构造合理，造型协调（在进行本功能元设计过程中，要同时考虑整机中其余功能元的构造参数，保证各功能元构造参数协调，只有这样，才可能使得整机造型协调，在此环节中，能够经过合并相邻功能元

构造的方法保持构造协调性，有时为了构造协调，存心识的加大构造参数也是可行的）； 4. 零件拥有优异的加工性能，零件拥有优异的装置性能（零件的构造设计波及到零件自己的强度，对于轴类零件是疲惫强度；构造设计和资料选择也将影响零件的

加工性能，要联合加工公司及和其合作公司的加工能力综合考虑，经验的成分许多，需要在实践中探索，对于初学设计者而言，采纳规范的设计是一个好方法。同时，在

艺，保证拥有优异的装置性能）。

重点零件试验：在机械工程项目中，重点零件常常是原始创新部分，也是实现中心功能的部分，是整台设施设计可否成功的重点，机械设计中，假如方案犯错，后天的补救特别困难，耗时耗钱不说，几乎通盘皆输，所以对重点功能元功能实现所采纳的一

些机构方案以及构造参数需进行更加周到的考虑，特别有必需先期进行重点功能实现

方案的试验，有益于实时发现问题，提升项目方案的可行性。

24. 下边用一些事例说明：

1.MPM焊接工艺参数的试验，说明有些

重点工艺参数将直接影响项目的成败，本

项目，假如没法实现仰焊，或许仰焊结果

不切合国家标准，项目的工艺路线将发生

变化，整体设计中将不可以平仰焊同步进行，设施投资增添，加工工序拉长，生产成本提升。

25.橘子剥皮机

基本思路：烫橘后，橘内空气使得皮肉分

离，尔后将皮划开，借助橘子重力，经过

螺旋辊对橘子的摩擦和挤对橘皮的挤压、

拉扯，而实现剥皮。

橘子剥皮工序：

烫橘—上料—座窝固定—划皮—剥皮

剥皮要求：橘子要完好，橘肉不得有划伤现象。重点工序是划皮和剥皮，所以要对这两个零件进行试验考证。

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26. 试验内容：划皮运动原理；划皮零件

和剥皮零件。

弹簧——解决橘子的大小，保证坐窝橘子

的顶面高于刀的底面。

27.播放，对橘子剥皮过程进行数值模拟—仿真（运动原理

仿真试验）；确立滚刀与转盘的直径及速度比（在划皮区

间，一个橘子划几次皮）；针对某向来径的橘子，确立橘窝

的形状（窝的直径过大，会以致橘子座不稳，过小，橘子

不易入坐；橘窝过浅，划皮过程中会翻出，过深，橘子处

于站立状态）；考虑弹簧力的大小。剖析仿真数据，

设计并加工试验零件

28. 播放，划皮零件试验：对仿真结果进

行考证，同时试验顶橘弹簧的的构造，找

出原设计的不足后进行优化设计

现实是采纳滚筒式橘子坐窝输送构造不

好，坐不稳，坐窝率低，此刻改为链板坐

窝输送。

29.播放，剥皮零件试验：采纳螺旋对辊对划皮后的橘子进

行剥皮，试验目的是确立对辊直径和空隙；浮动挡橘轮

的构造；

以上事例，在现实中均获得成功，此中重点零件的试验功不行没，经过对重点零件的试验考证，能够大大提升项目成功的可行性。

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31. 传动方案选择的目标是实现预期的运动和动力传达，

对于实现某一功能的装备而言，动力传动方案与功能元实

现方案、传达的力、速度和功率、整机的布局、动力传动

精度等有关，一般选择传动方案均在达成功能元实现方案

以后，与初步的整体布局同时进行。因为动力传达机构很多，所以方案的选择需要依据详细需求而定。

一般选择原则为：1. 知足功能元（组合）的工艺动作和运动和地点要求； 2.知足功能元动力传达和传达精度的要求（1、2为动力传达的基本要求）； 3. 简化和缩短传

动链，提升传动效率（传动链的缩短，可

以降低成本，更重要的是能够提升传动效

率和传动精度，常常遇到为缩短传动链而

改正整体布局的状况）； 4.保证机器的

合器等，以保证超载时不会破坏设施）； 5.考虑可加工性和经济性（联合公司自己的加工能力和所拥有的可用资源考虑传动系统中重点零件的可加工性和经济性。如大扭矩传达，采纳人字齿轮，一般公司没法加工，能否能够考虑采纳两个螺旋角大小相等，方向相反的斜齿轮番代人字齿轮？构造设计能否同意？）

32.下边介绍一般常用的传动机构的特色

传动机构的采纳，和整体布局有关，应当在切合整体零件要求的基础上，第一采纳传动效率高的机构方案

33.采纳不同的传动机构，会有不同的传动效率，传动效

率的高低，轻者波及能源的耗费；重者波及机构运动方案

的实现，所以追求高效率的传动，是每个设计者一定考虑的

问题。传动效率计算通式是，经过对螺旋机构传动效率

的计算，能够知道某些传动机构效率极低。一般传动机构

（如齿轮、蜗轮、带、链传动）的传动效率能够在手

册上查到。

这里介绍系统传动效率的计算方法，系统传动效率的计算是依据的传达路线，从各负

载端逐级往功率输入端进行的，并在功率

流分叉地点进行叠加。

34. 例：这是依据真切设施简化的传动系

统，系统由带、链、齿轮等实现，有 4 个

定），尔后依据功能元构造设计方案和初步的整体布局构想传动系统图，尔后开始进行效率计算，经过效率计算，能够获取每一级传动的动力参数，以便进行传动系统结构设计；同时能够获取所需的总功率。

这里要指出的是，在机械设计实践中，为简化传动效率的计算，常常忽视传动效率较高的支撑构造（转动轴承或理想状态下的滑动轴承），但在考虑动力源的时候，一定对未计入的传动效率考虑；同时，考虑到负荷的不平均性、驱动元件的使用寿命、计算的正确性等，一般所选的动力源要求大于正常计算的20~25% 。对于初次设计的专用设施，更要注意。

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36.现代装备控制，一般均采纳微型计算机作为控制中心，

控制系统的设计需理论与实践的联合，需要掌握生产过程的

工艺要求、被测参数的丈量方法、被控对象的动静态特

征，还需要有自动控制理论、计算机技术、传感器和信号

办理技术、数字电路、接口电路等方面的知识。控制系

统包含软件和硬件，怎样针对某一项目要求，将控制系

统区分红易于实现的多个构成部分，软硬件分派适当、构造简单、靠谱性高、易于维

功能的实现，能够经过不同的机构实现，而在对这些机构的机械设计要求不同的同

时，好多状况下，其控制要求也不相同，相应的技术复杂程度、目标实现成本也不同，作为从事机电一体化妆备设计的工程技术人员，同时具备机械设计和控制系统设

计方面的知识，是设计出高性能。低成本的装备所一定的（也就是说，从事机械设计的工程技术人员，应当认识对于控制的知识；而从事控制系统设计的工程技术人员，应当认识机械设计或许机构方面的知识，这样才有益于项目方案的设计与项目的完成）。机电装备中，控制系统的功能是：.

设计控制系统的基本要求是：

37. 控制系统设计者将依据项目负责人核

准的控制系统设计任务书，在和项目设计

小组充足议论的基础上，进行控制方案的

设计。经过议论，明确功能和技术要求，

项目整体方案设计者提出控制系统设计任

务书，并在此基础上，进行控制系统方案设计。

38. 对表格进行说明

控制系统的设计将环绕者控制单元睁开，

控制单元确实定，与控制系统的靠谱性，

经济性及建设的工程量和花费息息有关。