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机械制造装备设计第一章习题答案机械制造装备设计第三版思考题与习题答案 第一章 机械制造及装备设计方法 1. 为什么机械制造装备在国民经济发展中占有重要作用？ 答：制造业是国民经济发展的的支柱产业，也是科学技术发展的载体及其转化为规模生产力的工具与桥梁。机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度，装备制造业是一个国家综合制造能力的集中体现，重大装备研制能力是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标准。 2. 机械制造装备与其它工业装备相比，特别强调应满足哪些要求，为什么？ 答：机械制造装备与其它工业装备相比应具备的主要功能中，除了一般的功能要求外，应强调柔性化、精密化、自动化、机电一体化、节材节能、符合工业工程和绿色工程的要求； 更加注重加工精度方面的要求、强度、刚度和抗振性方面的要求、加工稳定性方面的要求、耐用度方面的要求、技术经济方面的要求。 3. 柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。其柔性表现在哪里？ 答：即产品结构柔性化和功能柔性化。产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的，具有不同功能的新产品。功能柔性化是指只需进行少量的调整，或修改软件可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。普通机床、组合机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度依次增高，其柔性表现在机床结构柔性化和功能柔性化，其中，柔性制造系统的柔性化程度最高。 4. 如何解决用精密度较差的机械制造装备制造出精密度较高机械制造装备来？ 答：采用机械误差补偿技术或采用数字化技术分析各种引起加工误差的因素，建立误差的数学模型，将误差的数学模型存入计算机。在加工时，由传感器不断地将引起误差的因素测出，输入计算机，算出将产生的综合误差，然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。 5. 机械制造装备的机电一体化体现在哪些方面？ 答：机电一体化是指机械技术与微电子、传感检测、信息处理，自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成的最佳技术系统。采用机电一体化体的机械制造装备功能强、质量好、故障率低、节能和节材、性能价格比高，具有足够的“结构柔性”。产品的机械结构简化，具有较高的可靠性、维修方便、性能价格比高、便于组织社会化的大生产。 6. 对机械制造装备如何进行分类？ 答：机械制造装备分为加工装备、工艺装备、仓储输送装备和辅助装备四大类； 加工装备分为金属切削机床、特种加工机床和锻压机床； 工艺装备包括各种刀具、模具、夹具、量具等工具； 仓储输送装备包括各级仓储、物料输送、机床上下料等，机器人可作为加工装备，如焊接机器人和喷漆机器人等，也可属于仓储输送装备，用于物料输送和机床上下料。 辅助装备则包括清洗机、排屑和计量等设备。 7. 工业工程指的是什么？如何在设计机械制造装备时体现工业工程的要求？ 答：工业工程是对由人、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和实施的一门学科。其目标是设计一个生产系统及其控制方法，在保证工人和最终用户健康和安全的条件下，以最低的成本生产出符合质量要求的产品。 产品设计符合工业工程的要求是指：在产品开发阶段，充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳的工艺方案，选择最合理的制造设备，减少工时和材料的消耗；合理地进行机械制造装备的总体布局，优化操作步骤和方法，减少操作过程中工人的体力消耗；对市场和消费者进行调研，保证产品正确的质量标准，减少因质量标准订得过高造成不必要的超额工作量。 8. 机械制造装备设计有哪些类型？它们的本质区别是什么？ 答：机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和组合设计等三大类型；创新设计通常应从市场调研和预测开始，明确产品设计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等四个阶段；还应通过产品试制和产品试验来验证新产品的技术可行性；通过小批试生产来验证新产品的制造工艺和工艺装备的可行性；一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量。 变型设计是依据原有产品，变型产品的基本工作原理和主要功能结构与原有产品相同，在设计和制造工艺方面是已经过了关的。这就是变型设计之所以可以在较短时间内，高质量地设计出符合市场需要产品的原因。 组合设计又称模块化设计，是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”。进行组合产品的设计，应首先对一定范围内不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过这些模块的组合，构成不同类型或相同类型不同性能的产品，以满足市场的多方面需求。 9. 创新设计的步骤是什么？为什么应重视需求分析和可行性论证？ 答：创新设计的步骤可划分为产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等四个阶段。产品设计是为了满足市场的需求，而市场的需求往往是不具体的，有时是模糊的、潜在的，甚至是不可能实现的。需求分析的任务是将这些需求具体化和恰到好处，明确设计任务的要求。需求分析本身就是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且自始至终指导设计工作的进行。通过调查研究与预测后，对产品开发中的重大问题应进行充分的技术经济论证，判断是否可行，即进行产品设计的可行性分析。可行性分析一般包括技术分析、经济分析和社会分析三个方面，是提出可行性报告的依据。 10. 哪些产品宜采用系列化设计方法，为什么？有哪些优缺点？ 答：各种类型的机床因功能、结构和尺寸比较典型，且要求功能相似，机构和尺寸各不相同的产品适合采用系列设计方法。因为系列化设计方法是在设计的某一类产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型产品为基型，以它为基础，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其它各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。在产品基型系列的基础上，同样运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，增加、减去、更换或修改少数零部件，派生出不同用途的变型产品，构成产品派生系列。 系列化设计的优点 1) 可以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。减少产品品种意味着提高每个品种产品的生产批量，有助于降低生产成本，提高产品制造质量的稳定性； 2) 系列中不同规格的产品是依据经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的，可以大大减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险，缩短产品的研制周期； 3) 产品有较高的结构相似性和零部件的通用性，因而可以压缩工艺装备的数量和种类，有助于缩短产品的研制周期，降低生产成本； 4) 零备件的种类少，系列中的产品结构相似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量； 5) 为开展变型设计提供技术基础。 系列化设计的缺点是：为以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中选择所需的产品，选到的产品，一方面其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，另方面有些功能还可能冗余。 11. 系列化设计时主参数系列公比的选取原则是什么？公比选得过大或过小会带来哪些问题？ 答：产品的主参数应尽可能采用优先数系，优先数系是公比为40的等比数列； 主参数系列公比如选得较小，则分级较密，有利于用户选到满意的产品，但系列内产品的规格品种较多，上述系列化设计的许多优点得不到充分利用；反之，则分级较粗，系列内产品的规格品种较少，可带来上述系列化设计的许多优点，但为了以较少的品种满足较大使用范围内的需求，系列内每个品种产品应具有较大的通用性，导致结构相对复杂、成本会有所提高，对用户来说较难选到称心如意的产品。 N10，N5、10、20或12. 哪些产品宜采用模块化设计方法，为什么？有哪些优缺点？ 答：组合产品的设计宜采用模块化设计方法，它是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”，不同模块中的零部件尽可能标准化和通用化。 采用模块化设计方法可缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力方面的综合经济效果十分明显。除此之外，模块化设计尚有如下优点： 1) 根据科学技术的发展，便于用新技术设计性能更好的模块取代原有旧的模块，提高产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代。 2) 采用模块化设计，只需更换部分模块，或设计制造个别模块和专用部件，便可快速满足用户提出的特殊订货要求，大大缩短设计和供货周期。 3) 模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体制的改革。由于产品的大多数零部件由单件小批生产性质变为批量生产，有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业化生产，既提高质量，又降低成本。 4) 模块系统中大部分部件由模块组成，设备如发生故障，只需更换有关模块，维护修理更为方便，对生产影响少。 13. 可靠性指的是什么？有哪些可靠性衡量指标，它们之间有哪些数值上的联系？ 答：可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性衡量指标有可靠度、累积失效概率、失效率、平均寿命和平均无故障工作时间等。 可靠度指的是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率；累积失效概率指的是产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，其数值等于一减可靠度；失效率指的是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率；平均寿命指的是寿命的平均值。可靠性衡量指标都与时间有关是时间的函数。 14. 从系统设计的角度，如何提高产品的可靠性？ 答：将系统要求的可靠度指标合理地分配到系统的各个组成单元，从而明确各组成单元的可靠性设计要求，以便在单元设计、制造、试验、验收时加以保证。 为保证机械制造装备可靠性，需以已有的可靠性技术以及企业大量同类产品的故障数据积累为基础，以故障模式影响危害性分析结果为依据，按照产品可靠性设计准则、可靠性设计检查表以及可靠性综合设计方法的要求对机械制造装备进行设计研发，全面考虑环境、维修、运输、应力、材料、温度、磨损、老化等环节和因素对产品可靠性的影响，对样机的设计方案进行详细验证和检查，尽可能在设计阶段消除样机可能存在的故障隐患。 15. 在机械制造装备设计中，用到哪些人机工程学的概念和方法，解决了什么问题？ 答：人机工程学是研究人机关系的一门学科，它把人和机作为一个系统，研究人机系统应具有什麽样的条件，才能使人机实现高度的协调性，人只需付出适宜的代价使系统取得最大的功效和安全。它不仅涉及到工程技术理论，还涉及到生理学、人体解剖学、心理学、和劳动卫生学等的理论和方法，是一门综合性的边缘学科。 (1) 人因素方面：人体静态与动态的形体尺寸参数，人对信息的感知特性，人的反应及能力特性，人在劳动中的心理特征等 (2) 机器因素方面：信号显示装置设计，操纵装置设计，安全保障技术，人体舒适性和使用方便性； (3) 环境因素方面：作业空间，物理环境，化学环境 (4) 人机系统方面： 1) 产品系统中人的功能和其它各部分功能之间的联系和制约条件，以及人机之间功能的合理分配方法。 2) 3) 4) 系统中被控对象状态信息的处理过程，人机控制链的优化。 人机系统可靠性和安全性。 环境因素对劳动质量及生活质量的影响，提高作业舒适度和安全保障系统的设计。 16. 工业产品造型设计的重要性体现在什么地方？与一般艺术品的造型设计有何共性和差别？ 答：产品造型设计是工业设计领域根据消费者和客户需求，对产品的造型外观、材料、功能、结构等产品属性进行整体研发、设计和投产进行全过程参与的设计活动。 与一般艺术品的造型设计共性表现为：良好的产品造型必须符合美学原则，美学原则包括如下几个方面：尺度与比例、对称与均衡、安定与轻巧、对比与调和、过渡与呼应、节奏与韵律、重点与一般 差别表现为：机械产品的造型不同于一般的艺术品。其造型必须与功能相适应，即功能决定造型，造型表现功能。机械产品的造型也必须建立在系列化、通用化和标准化基础上，同一系列产品应具有风格一致的造型。机械产品的造型的总原则是经济实用、美观大方。“经济”指的是造型成本低，并有助于提高产品的可靠性、寿命和人机界面。“实用”指的是使用操作方便、舒适、符合人体的生理和心理特征，使人机系统的工作效能达到最高。“美观大方”是指产品的外观形象给人的心理、生理及视觉效应良好。 17. 设计过程中遵守标准化原则的重要意义是什么，以及如何贯彻设计的标准化？ 答：产品设计的标准化对提高设计水平，保证设计质量，有利于提高工程质量；可以减少重复劳动，加快设计速度，简化设计程序；有利于采用和推广新技术；节约设计费，降低工程造价，提高经济效益。从编制产品设计任务书到设计、试制、鉴定各个阶段，都必须充分考虑标准化的要求，认真进行标准化审查。需重点从以下几方面贯彻设计的标准化： 1）企业标准的审查：包括编号、文件格式、编制方法是否符合上级标准的要求和有关规定。 2）设计文件的标准化审查：包括图纸和技术文件成套性检查；图纸格式、视图、剖视、投影、公差配合、表面粗糙度、形位公差是否符合有关标准；设计技术文件内容的准确性、经济性和合理性；零件图、结构要素和应用材料是否符合有关标准；是否采用标准件和通用件；设计文件的格式、技术术语、文字符号等是否符号有关标准；产品图纸和设计文件的代号是否符合有关标准。 3）工艺文件的标准化审查：内容包括工艺文件的成套性；格式、名称、工艺术语、材料、代号；工艺尺寸的正确性、通用工具、量具是否符合有关标准；是否采用典型工艺。 4）工装设计文件的标准化审查：内容包括工装设计文件的成套性；是否采用标准件和标准毛坯。