第二章总体方案设计2.1 概述1.机械工程项目包括机电产品、专用设备、各种加工和装配自动化生产线等的研发，和所有的项目一样，具有唯一性、一次性、多目标性、整体性和寿命周期性等特点，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，根据机械工程项目的特点，=对于绝大多数项目而言，创新的性质和基础或技术的研究是有很大的区别，主要体现在集成创新。
有经验的工程师在进行总体设计的时候，所采用的技术至少有80~90%以上是成熟技术，也就是说一个总体方案的技术的可行性至少有85%的把握才能实施。
由于成熟技术很多，对于同一功能，可以采用多种不同的成熟技术组合实现，因此形成了不同的总体方案；其余的15%左右是原始创新技术。
在项目的总体设计过程中，15%的技术原始创新构成了项目的核心技术，需花较大的精力进行探讨和研究，包括理论探讨和试验验证，最后通过工程验证。
由于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，将为企业和社会带来直接的经济效益，大多数情况下，将促进行业的发展；基础理论和技术的研究，投入较小，以理论研究和试验验证为基础的成果，只有在工程上得到应用后，才能真正体现其价值。
对于机械工程项目的建设，总体方案的设计，确定了项目的技术和市场走向。
本章内容结合相关老师的工程实践和一些资料的阐述，试图梳理出总体设计流程，并结合流程和案例，介绍总体设计各阶段的工作内容、要求以及相关知识。
为今后从事机械工程项目设计工作时，知道从哪里入手，如何开展总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：概念阶段、开发阶段、实施阶段、结束阶段和应用阶段，其资源（人、财、物和时间）的投入量按照前述由小到大，在实施阶段达到最大，再由大到小。
但一个项目是否能取得成功，关键在于概念阶段所取得的成果，总体方案设计属于机械工程项目过程中的概念阶段中的一项任务，概念阶段的目标是对项目进行策划、可行性分析和决策，而总体方案设计是项目能否取得成功的关键，不完善和不周密的技术方案，将导致全盘皆输（胎里疾），应该引起所有从事方案设计的人员充分的重视。
……总体方案的设计，涉及到项目功能的定位、投入资金的大小、开发时间的长短、技术的先进性等，也包括建设的场地、使用的环境和对环境的影响等因素…… 进行总体方案设计的工作过程，大体如图所示……。
3. 总体方案设计的详细流程是：……，在进行总体方案中，应该同时设计多种能够实现功能需求的总体方案，以便进行分析和评价。
同时，通过分析和评价，挖掘各方案中优势，以便集中这些优势，创造出更为合理和先进的方案。
所以，进行总体方案设计，不是搞一轮方案，而是搞多轮以上的方案，并进行优化集合。
4.本章内容2.2 功能设计5.5流程及内容：功能需求分析功能分解功能元能力分析功能元间连接接口分析功能元实现方案分析各功能元结构分析系统传动方案分析方案集成关键功能元结构试验项目实现方案i明确总体设计要求按工艺要求或动作分解明确各功能元设计要求（包括控制）功能元间结构及与控制的协调机构运动学和动力学、控制方案分析辅助系统方案设计（包括床身等）各功能元实现方案集成NN造型设计功能设计阶段方案设计阶段控制系统方案分析2.2 功能设计——功能的需求与分解6. 总体方案设计的第一步是进行功能需求分析。
功能需求分析包括对市场需求分析和技术需求分析，其中市场需求分析结果根据市场调研和相关数据分析获得，包括：1）项目加工（生产）对象的市场容量分析。
在此项分析中，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分析，从而确定项目的研发意义、所需的加工能力、加工成本、项目的年产量等；2）项目的相关功能技术指标。
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，同样，项目的市场也与项目的技术指标有关（技术指标高，投入打，产品质量和成本高，在一定程度下将影响市场容量）；3）市场可以接受的价格。
即所研发的项目产品的市场价格，可以通过走访用户或者基于项目加工对象的成本分析，从提高劳动生产率，降低成本出发，进行核算。
通过对市场可以接受的价格分析可知产品的最高成本，从而可以推算出本项目的研发、制造和销售成本，作为项目总体设计的约束条件。
通过市场调查，可以获得项目的功能和成本要求！技术需求分析主要包括：1）对当前产品存在的技术缺陷进行分析。
分析针对当前具有本项目相似功能的产品展开，提出已有产品或相似产品所存在的技术缺陷，而分析出的技术缺陷，在本项目的实施过程中，均需要进行完善或突破；2）明确功能目标。
根据市场需求和对现有产品技术缺陷的分析，提出明确的项目目标，包括功能目标、技术目标、经济目标、研发周期目标等3）明确约束条件。
根据功能目标和市场预测及研发单位所拥有的资源现状，提出项目完成的约束条件，包括时间限制、精度限制、人员限制、资金限制、质量要求等。
通过前面的分析，项目的前景、功能及相关技术指标、研发的约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括：功能目标、约束条件、技术经济指标（产量（节拍）、精度、使用场合、制造成本等）、已知可以采用的技术、实施计划等。
所有内容中，合适的技术经济指标，是项目总体设计，乃至项目本身能否成功完成的关键之一，过高的技术经济指标（高于市场需求），不仅会增加项目研发难度和研发时间，提高项目成本，同时也会影响市场销量。
……技术工作和管理工作的最大区别在于分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按照一定的规则分解为小问题，各个击破，而后通过集成解决大问题；而管理工作者则站在全局的角度，分析所研发过程中出现的各个问题，从中找出内在的关联逻辑和问题的根本所在，从而着手解决，即采用系统的方法去分析问题和解决问题。
在进行总体设计中，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，再用全局思维方式，将其集成。
（总体设计者的工作方式是；用管理者的思维和工作模式，从全局出发，发现问题；用技术工作者的思维和工作模式，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。
总功能可以是多个功能元串联、并联或串并联而成。
功能的分解根据项目目标不同，可以按照工艺动作分解（如装配生产线），也可以按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. 按照工艺动作进行分解冷媒罐的加工主要通过多道次冲压成型，为提高效率，加强劳动保护，需要采用机械臂进行上下料。
8. 在按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，以满足设计任务书中的节拍要求。
说明工作要求，根据图示进行按工艺动作进行分解介绍9. 这是根据动作分解设计出的方案1，其要点在于：1）由于罐子需要移出，机构需要旋转，伸缩和夹紧动作，采用气动驱动的执行系统，动作迅速；2）采用气动滑台进行大臂的伸缩，夹紧气缸的位置与气动滑台重叠，结构更为紧凑；3）夹紧动作采用变向的杠杆原理的力放大结构，气缸行程长，夹紧力度大，有利于调节最小夹紧开度；4）采用四抓转动的结构，旋转定位需进行精确控制。
10. 方案2采用气缸摆动结构，定位精度可通过机械定位的方式控制气缸的转角实现，结构简单，可靠性高，同时，整机驱动执行元件均为气动元件，降低了对控制系统的要求。
11. 按照加工工序进行分解：锅炉用膜式水冷壁采用扁钢和管子焊接而成，节距需符合国家标准，由于1）我国钢管直径误差为管子直径的±1%（直径60毫米的管子误差为±0.6毫米），误差较大，因此焊接前对管子按直径进行分类；2）为保证产品的节距精度，相关焊机采用槽轮对管子进行定位；3）市场所提供的扁钢宽度和精度满足不了直接进行焊接的需要，因此需要对扁钢按照管子直径分类情况进行精整。
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，最常见的是两种方法的综合运用，按动作分解方法常用于单机单部件的方案设计，注重动作的实现，按工艺分解方法常用于生产线的布局，重点关注设备间的连接。
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，有总体布局，也有单机设计，所以总体方案设计中，两者需要混合运用。
122.3 方案设计13. 功能分解完成后，得到所需功能元，结合项目总体设计任务书的要求，通过功能元能力分析，明确每一个功能元的工作内容，工作节拍，执行部件所需的力（扭矩）、加工速度等能力参数和加工精度、各种连接接口（包括功能元之间、机电之间）参数等，将这些参数归类成功能需求和约束条件，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，功能元实现方案不一定是总体设计者提出。
实现方案分析：在完成功能元能力分析的此计划上，针对每一个功能元的功能要求和约束条件，提出多种解决方案，包括所采用的机构、对应的运动学动力学分析，控制的策略等，并画出实现方案草图，估计出制造成本。
值得强调的是在进行功能元实现方案的分析过程中必须注意：1）本企业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（项目总体设计的角度）考虑本功能元实现机构与其他功能元实现机构、功能元实现机构和总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，不少企业会感觉陌生，由于我国液压件质量不好，容易产生漏油现象，使用场地是否允许；采用高度水平自动化控制，除用户维护水平以外，使用环境是否允许，是否存在高温高湿，电磁环境情况如何等），4）实现成本。
14. 例：大型工字钢弯曲矫正（纵弯和旁弯）。
大型工字钢具有截面模量大的特点，一般矫正采用火焰矫正和三支点压力矫直方法，当截面模量不是很大的时候，采用三支点矫正，优点是结构简单，操作方便，一目了然，装备成本较低，缺点是设备功率大（为克服大的截面模量），结构庞大；对于纵弯和旁弯的矫正，需要不同的模具，同时对于较大截面模量的工字钢（譬如宽700，高1300），只能采用火焰矫正，纯粹依赖于工人的技术，效率低下，劳动强度和生产成本较高。
以上两种方法均是面向于点的矫正方法，所得产品容易产生竹节状，同时无法连续矫正作业。
而采用压延矫正，通过对材料局部的压延，致使材料表面塑性变形而延展，延长短边，压缩长边，从而实现矫正功能，其优点是：通过轧制短边钢板，使其延伸的方法，避开了矫正对象截面模量大的麻烦，可以采用较小的设备同时实现大截面模量型钢的纵弯和旁弯矫正，且可实现连续作业，生产效率较高；缺点是设备的的复杂性和精度大大提高（需要针对矫正的目的和变形量，严格控制下压部件的下压量），设计计算变得更为复杂，需要构建下压量和矫正对象的矫正量之间的控制算法和模型，以适应不同的矫正对象（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。