机械系统的原理方案仅表示功能载体的组合，但同样的功能载体可以有不同的组合，所得到的产品不仅可能有不同的形状和尺寸，甚至可能影响到整体性能。
结构方案设计的主要工作就是确定功能载体的组合方式。因此说，结构方案设计的目的不仅是将原理方案结构化，而且要实现结构的优化与创新。
结构方案设计包括工作机构的选择、运行系统的确定和机器各部分结构的合理布置等。
关于机器的工作机构根据功能要求，按机构学的原理进行选择。
关于机械的传动系统或运行系统可参考机械零件课程中的内容予以选择和确定。
对于机器的结构方案，在设计时必须首先了解所设计产品的具体功能要求，例如，对于小型客车，其发动机较小，工作时发热、振动等影响较小，同时为了便于传动部分及操纵部分的布置，可考虑采用发动机前置的方案；而对于较大的豪华型客车，由于其发动机较大，工作时的发热、振动等都较大，若发动机前置则会对驾驶员及乘客产生较大的影响，因此，可采用发动机后置的方案。其次要求对所选取的功能载体的工作原理十分明确，这样才能使所设计的结构能可靠地实现物料流、能量流及信息流的传导和转换，这时就必须考虑到所依据的工作原理可能出现的各种物理效应，尽可能避免出现意外情况。结构布局设计虽没有固定的模式遵循，但可在设计时参考以下基本原则：
1）运动学原则。根据物体需要实现的运动方式，按所需的自由度数来配置约束数，并将这些约束适当地配置，以满足物体需求的运动方式。
2）基面合一原则。结构方案设计时，要尽量满足基面合一原则，即应使定位基面、使用基面和加工基面合为一体，这样可以减小基面不一致所带来的误差。
3）最短传动链原则。在保证运动要求的前提下，传动链越短，零件数就越少，材料的消耗和制造费用就越低，同时，也有利于提高传动效率和精度。
4）保证安全性原则。对于构件的安全性，从结构布局上考虑主要是避免构件受载情况恶化，出现过载应力，另外还要考虑到构件材料在使用过程中引起的材料性能的变化；对于系统功能的可靠性，主要是采用冗余配置的方法来解决；对于系统工作时的安全性，主要采用报警方式或自动监控装置来保证。
5）简单化原则。一方面要求结构简单，即组成系统方案的零件数最少，几何形状要简单；另一方面要求产品零件尽量标准化和通用化，以达到便于操作、监控、制造、装配的目的。
（1）总体布局设计的基本要求 结构方案设计虽然不考虑各部分的具体布置和尺寸参数，但它是总体布置设计的前提，其方案将在总体布局设计阶段验证和落实。因此，结构方案设计应考虑总体布局设计的要求。总体布局设计的主要任务是确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。布局设计是一个带有全局性的问题，它对产品的制造和使用都有很大的影响。总体布局设计一般从粗到细，有时要经过多次反复才能确定。总体布局图可由主视图和侧视图组成或用三维图形表达，当然，有时只需一个视图就可表达清楚。总体布局图应能反映：
1）机械的大致工艺路线。
2）机型特征，外形尺寸。
3）主要组成部件及其相对位置、尺寸。
在进行总体布局时，应注意以下基本问题：
1）有利于系统功能的实现。无论在系统的内部还是外观上都不应该采用不利于功能目标的布局方案。
2）有利于物料流的畅通。物料流系统的配置与所选的系统原理方案及实现它的工艺过程有关。此外，物料流系统的配置还应尽量考虑到组成生产线时的整个物流系统的配置问题。
3）有利于安装、使用与维修。在保证系统总功能的前提下，应尽量力求操作方便、舒适，以改善操作者的劳动条件，减少操作时的体力及脑力消耗，同时还应考虑到安装、维修的方便性，如对于易损件，需经常更换，应做到装拆方便。(www.xing528.com)
4）应注意到整体的平衡性。在总体布局时，应力求降低质心高度，尽量对称布置，减小偏置。另外，有些机械在完成不同作业或工况改变时，整机质心可能会改变，如塔式起重机，其质心位置会随着起重量的不同而改变，即必然存在着偏置问题，但若质心偏置过大，就会有倾覆的危险，因此，对这种情况，在总体布置时应留有放置配重的位置。
5）有效避免干涉。在机械系统中或多或少地存在着运动零件，在整体布局时一定要为运动零件预留足够的空间，以免运动时发生干涉。如柴油机的活塞推动连杆，从而带动曲柄作整周转动，因而在所有这些运动件可能到达的空间内都不应该与缸体等其他构件发生干涉。目前，一种有效的检验方法是应用三维CAD软件或计算机图形仿真系统，模拟运动件的运动情况，以判断是否会产生运动件的干涉。另一种干涉的情况就是机械与周围环境中物体的干涉，这就要求在进行总体布局设计之前，应对周围环境中的物体分布有充分的了解。一般在进行总体布局设计之前，可将周围环境用双点画线画出，这样可有效地避免这种干涉。另外，在比较特殊的情况下还需对机械系统在恶劣工况下可能会发生的干涉引起足够的重视。例如汽车的货箱与驾驶室之间应留出足够的间隙以防止在紧急制动时货箱与驾驶室之间可能出现的碰撞与摩擦。
（2）系统总体布局的基本形式 可以按形状、大小、数量、位置、顺序五个基本方面进行综合，得出一般布局的类型：
1）按主要工作机构的空间几何位置，可分为平面式、空间式等。
2）按主要工作机构的相对位置，可分为前置式、中置式、后置式等。
3）按主要工作机构的运动轨迹，可分为回转式、直线式、振动式等。
4）按机架或机壳的形式，可分为整体式、组合式等。
（3）总体布局示例
1）数控机床的总体布局。合理的总体布局可以改善基础件的受力和受热状态，从而减少由切削力、切削热和构件自重引起的结构变形等。总的来说，数控机床总体结构的合理布局，常常以刚度、抗振和热稳定性指标来衡量。数控机床典型的总体布局例子如下所述：
①采用框架式对称结构。主轴箱体单面悬挂容易因重力和切削力的偏置造成在立柱上附加的弯曲和扭转变形，框架式对称结构有利于合理分配结构受力，结构刚度高，热变形对称，从而在同样受力条件下，结构的变形较小，如图7-11所示。
图7-11 框架式对称结构
1—立柱 2—主轴箱
② 采用无悬伸工作台结构。这种结构的优点是工作台在沿进给方向的全行程上都支承在床身上，没有悬伸，从而改善了工作台承载条件。与此同时，通常还通过分散进给运动自由度，将机床所需的进给运动自由度分配给不同的执行部件，从而简化机械结构，提高工作台刚度。图7-12a所示的数控机床采用T形床身，工作台在前床身只作X向进给，由立柱进给完成Z向运动，Y向进给由沿立柱运动的主轴箱完成。由于工作台运动自由度减少了，因而简化了机械结构，再加上在沿进给方向的全行程都支承在床身上，没有悬伸，因而改善了工作台承载条件。图7-12b采用I形床身，工作台沿床身作Z向进给，由主轴箱实现X向和Y向进给。由于结构简单，且全行程上都支承在床身上，因而工作台刚度和承载条件都得到了改善。为了提高机床的结构刚度，数控机床尽可能采用这种龙门式的框架结构。
图7-12 T形床身与I形床身
a）T形床身结构 b）I形床身结构
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