机械制造工艺装备《绪论》.ppt

机械制造装备设计,教 材：机械制造装备设计 赵雪松 任小中 于华 主编 华中科技大学出版社 出版 学 时：理论36学时 实验4学时 授课班级：机械电子工程2010级0106班 授课时间：110周上午 授课地点：11-108 课程设计：1719周,主讲教师：吴修玉,Email:手 机：,机械制造装备设计,第一章 绪 论,机械电子工程专业应具有的能力：,绪论机械制造装备的地位及发展,1、机械装备的组成原理、结构 分析和测绘制图能力。（机械原理、画法几何与机械制图、工程力学）,2、机械装备的设计计算能力（满足功能、经济性、安全可靠性）。（机械设计、机械制造基础、互换性测量技术）,绪论机械制造装备的地位及发展,3、一般机械零件的加工工艺规程设计和数控加工编程及其工艺装备的设计制造能力。（机械制造基础、机械制造工艺学、机械制造工艺装备设计、数控加工工艺与编程、数控机床故障诊断及维护）,绪论机械制造装备的地位及发展,4、一般机械装备的电气、液压传动控制系统的设计与实现能力。（机电传动控制、液压传动、单片机原理及应用）,绪论机械制造装备的地位及发展,5、使用计算机作为辅助工具来完成上述任务的能力。（AutoCAD、CAD(UG)、CAM（UG）、MasterCAM）,绪论机械制造装备的地位及发展,绪 论,机械制造装备设计,1.制造业及机械制造业的地位 制造业的定义：制造业是与制造相关的所有企业生产机构的总称。是国民经济发展的重要支柱，其发展水平是衡量一个国家的经济实力、科技水平和综合国力的重要标志。我国的产业结构由农业、工业和服务业组成。农业为第一产业，工业为第二产业，服务业为第三产业。其中工业占主体地位，而制造业又是工业的主体。据2002年数据统计，中国的制造业直接创造国民生产总值的1/3，占整个生产的4/5，为国家财政提供1/3以上的收入，贡献出口总额的90%，制造业从业人员人员占全国从业人员的90%。图1-1 2002年全国工业构成 图1-2 2002年我国第一、二、三产业分布,绪论机械制造装备的地位及发展,绪论机械制造装备的地位及发展,绪论机械制造装备的地位及发展,制造业的构成:按行业可分为：机械制造、材料制造、食品制造、化工制造、石油产品制造、冶金产品制造、军工产品制造、电子产品制造、信息产品制造和民用消费品制造等。装备制造业：装备制造业是制造业的核心，是向各类制造业提供设备，仪器以及各种制造装备的行业，其生产能力和发展水平标志着一个国家经济现代化的程度。装备制造业作为技术密集工业，万元产值消耗的能源和资源在重工业中是最低的。装备制造业是技术密集产业，产品技术含量高、附加值高。装备制造业不仅可以直接吸纳大量劳动力投入，同时装备制造业前后关联度较高，对装备制造业也可带动其他产业的发展，增加相关产业的就业人数。,绪论机械制造装备的地位及发展,3.机械制造装备的地位 3.1 机械制造装备是国民经济发展和国防军事工业建设的基础装备，其先进程度决定机械制造业的生产能力，决定一个国家综合制造水平的高低。中国的制造业生产总值在国民生产总值中占1/3，日本占49%，美国占60%。可以看出，制造业是一个国家的支柱产业，是主力军。一个没有工业的国家，是没有根基的国家。一个工业欠发达的国家或发展缓慢的国家，是综合实力较弱的国家。,2.机械装备 机械装备是指工业、农业、科学研究和国防军工业使用的各种机器。,绪论机械制造装备的地位及发展,中东国家伊拉克、科威特、沙特阿拉伯都是靠卖石油过日子的国家，尽管很富，但工业很差，美国说制裁就制裁，日子很难过。泰国，它是一个旅游国家，工业很少，经济基础非常脆弱。当亚洲金融危机爆发时，不堪一击。因此，泰国吸取经验教训后，开始大力发展工业。日本二战后国家满目疮痍，却能迅速崛起，靠的是什么？就是靠大力发展工业。如今，它的家电产品、通讯产品，像数码相机、打印机、液晶显示器、电视机、PLC、工控机等质量很好，市场占有率非常高。因此，制造业是一个国家实现经济振兴的最佳切入点和突破口，抓住制造业就抓住了发展的关键。发达国家都是制造业高度发达的国家，也是综合国力强大的国家。,绪论机械制造装备的地位及发展,绪论机械制造装备的地位及发展,3.2 制造业是国家高技术产业的基础和载体,绪论机械制造装备的地位及发展,3.3 制造业是国家安全的重要保障 现代武器装备是先进制造技术的载体 尖端制造技术和装备一直是西方国家技术封锁和限制的重点 例1 核工业 核大国（军、民用）：美国、俄罗斯、中国、英国、法国 核国家（军用）：印度、巴基斯坦、以色列 潜在核国家（研制阶段）：日本、巴西、朝鲜、韩国、伊朗 解放初期，美国对我国进行核威胁。于是，我国立志要有自己的核武器，1964-1970年,我国成功研制了两弹一星，使我国的国际地位得到大幅度提升。两弹一星的成功研制，对国防安全作出了重大贡献，但对国民经济没产生直接影响。在90年代，我国投入大量人力物力，建成秦山核电站、大亚湾核电站，从此中国跨入了国际“核大国”行列。,绪论机械制造装备的地位及发展,例2 五轴联动数控机床 五轴联动数控机床是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。这种机床代表了机床制造业的最高境界。以前只有美国能生产，美国一直把它列为重要的战略禁运物资。这里顺便提一提历史上著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台九轴大型船用螺旋桨数控铣床，结果前苏联拿去用于制造潜艇的推进螺旋桨，使潜艇推进器发出的噪音大大降低，技术上了几个档次，结果美国间谍船的声纳监听不到苏联潜艇的声音了，气坏了美国朝野。所以美国以东芝公司违反了战略禁运物资政策，惩罚东芝公司。同时，美国政府开始认识到问题的严重性。不久，就重新确立了制造业的地位，对制造业给予实质性强有力的支持，并提出了先进制造技术的发展目标，制定并实施了先进制造技术计划和制造技术中心计划。这也就是先进制造技术概念的最早提出。,绪论机械制造装备的地位及发展,例3 大飞机 所谓大飞机，是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机和150座以上的干线客机。目前，世界大飞机公司只有美国波音公司和法国空中客车公司，它们在大飞机市场长期处于垄断地位。我国自主研发的飞机有ARJ21系列（70-110人）的支线飞机和其它小型飞机，像新舟60（50-60人）。我国大飞机的研制历史上曾有过著名的“运十”。运十项目（708工程）于1970年启动，1980年研制完成，并首飞成功，但在1985年运十下马。从此，中国大飞机研制搁浅，长期靠进口欧美。可喜的是，2007年3月，温家宝批准我国自主研制大飞机，大飞机研制重新正式立项。,绪论机械制造装备的地位及发展,例4 中国汽车 中国汽车业发展大多趋向于走合资的道路，初衷是好的，但结果却相去甚远。像神龙富康，当初是以“市场换技术”的想法与法国神龙合资的，结果满地都是神龙富康，市场丢了，技术也是空谈。其它像上海大众、北京现代等也都是大同小异。究其原因，在我国的汽车合资企业中，合资外方掌握着技术的主动权，实质上也就掌握着对企业的控制权，因此中方在开发车型和自主品牌上就没有发言权，中方进行的任何开发努力都会遭到外方有意识的遏制。相反，在奇瑞、吉利、长安、哈飞、华晨等民营企业，自主研发创新成果颇丰。一方面，由于他们没有被外商控制，另一方面，他们敢于走开放型创新发展之路。,绪论机械制造装备的地位及发展,3.4 制造业是吸纳劳动就业的重要渠道 工业国家 约1/4的人口从事各种形式的制造活动 2001年，我国 8083万人 占工业从业人员的90.13%全国就业人数的11.1%3.5 是国际贸易的主力军 WTO 网络制造,4.机械制造装备的核心-机床 机床是制造各类机器的工作母机 切削机床担负了机械制造业40%60%的工作，其性能直接影响产品质量和劳动生产率，其制造水平代表着一个国家的工业生产能力和科学技术水平。,5.机械制造装备的发展史 机械制造装备是随着社会的进步，先进制造技术、先进制造模式、先进工艺技术的发展而不断发展的。从石器时代到青铜器时代，制造业体现为手工作坊形式。主要是利用人力进行纺织、冶炼、铸造各种农耕器具等原始制造活动。蒸汽机的问世，标志着近代制造业的到来，出现了火车、轮船和由动力驱动的纺织机械和金属切削机床等。到20世纪上半叶，制造业进入了以兵器工业和汽车制造工业为代表的大批量生产方,绪论机械制造装备的地位及发展,式的时代，产品制造先是采用机群式生产线，进而采用刚性的流水线作业，生产效率高，但产品适应能力差。1952年，第一台数控机床的诞生，标志着现代制造业的到来，制造业进入数字化时代。数控机床是解决单件小批量生产方式自动化的有效工具，发展速度很快，仅用了二十多年的时间就使数控系统实现了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模集成电路的4次根本性变革。上世纪70年代出现计算机控制。CNC机床开始主宰机械制造领域。柔性制造技术得到广泛应用。,20世纪5060年代：“规模效益”模式 产品品种单一。为满足市场需要，广泛采用生产单一品种的自动机床、组合机床和专用生产线。以满足大批量生产，提高劳动生产率的需求。,绪论机械制造装备的地位及发展,FMS 是采用计算机控制系统将一组数控机床、自动化的工艺装备、自动化的物料储运系统有机结合的自动化制造系统。,20世纪70年代：“精益生产”模式 社会需求多样化、市场竞争激烈。制造业既要提高产品质量，又要频繁地改型，缩短生产周期。因此开发数控机床有效地进行小批量精密复杂零件的制造。,20世纪80年代：“FMS和CIMS生产”模式 世界经济的发展，制造业为赢得全球化竞争，采用了CAD、CAM、CAPP、MRP(物料需求计划）、GT、CE、FMC、FMS、TQC(全面质量控制）、CIMS等先进制造技术和管理方法以缩短生产周期，提高产品质量，降低成本和改善服务质量。,绪论机械制造装备的地位及发展,CIMS 是将企业的人力资源、成本核算、生产经营和工程技术系统有机地集成，构成实现多品种、中小批量生产的高效益、高质量和高柔性的智能生产系统。CIMS的出现，使制造系统向综合自动化方向发展。,20世纪90年代以后：敏捷制造（AM）、精益-敏捷-柔性（LAF）生产系统、全球制造等新的制造模式 信息科学和技术的发展，全球经济打破了传统的领域经济模式，市场更加广阔。为了快速响应市场，诞生出精益(LP)-敏捷（AM）-柔性（FM）生产系统，包括了TQC、快速可重组制造和并行工程等现代生产和管理技术。也是21世纪可继续发展的先进制造模式。,但是传统的大批量封闭式生产制造模式还没有进行改造。,绪论机械制造装备的地位及发展,我国的装备制造业的所存在的最根本的问题是：技术开发力量不强和制造水平较低。,绪论机械制造装备的地位及发展,我国制造装备的发展状况,有规模、缺实力，有数量、缺巨人，有速度、缺效益，有体系、缺原创，有单机、缺成套，有出口、缺档次。,我国先进、精密装备的制造水平比较落后，大部分工厂的制造装备大多是通用机床加专用工艺装备，高效率的数控机床在制造装备中所占的比重还比较低。,经过几十年的发展，我国的机械制造装备虽有一定的基础和规模。但创新技术薄弱，滞后于制造业发展的需要，国际竞争力不强。当前装备制造业的总体现状还存在“六有六缺”：,绪论机械制造装备的类型,汽车制造系统,机 械 制 造 装 备 的 类 型,刀 具,夹 具,量 具,模 具,加工装备,工艺装备,仓储输送装备,辅助装备,物料输送装置,上下料装置,仓储装置,清洗装置,金属切削机床,排屑装置,锻压机床,特种加工机床,绪论机械制造装备的类型,搬运机器人,绪论 机械制造装备的类型,1.加工装备（机床）包括金属切削机床、锻压机床、特种加工机床、各种热处理和铸造设备。,金属切削机床 是采用切削刀具从工件上切除多余材料，获得规定的尺寸精度、几何形状精度和表面质量要求的加工装备。按加工方法和所用的刀具分类：车床（C）、钻床（Z）、镗床（T）、磨床（M）、铣床（X）、刨插床（B）、拉床（L）、齿轮加工机床（Y）、螺纹加工机床（S）、锯床（G）、及其他机床（Q）。按应用范围分类：通用机床、专门化机床、专用机床。通用机床：用于加工多种零件的不同工序，加工范围较广，通用性较大，但结构比较复杂。,绪论 机械制造装备的类型,专门化机床：工艺范围较窄，专门用于加工某一类或几类零件的某一道（或几道）特定工序，如曲轴车床、凸轮轴车床等。专用机床：工艺范围最窄，只能用于加工某一类零件的某一道特定工序，适用于大批量生产。如导轨磨床、组合机床等。同类型机床按精度分为普通精度、精密和高精密机床。按重量与尺寸分为仪表机床、中型机床、大型机床（大于10吨）、重型机床（大于30吨）和超重型机床（大于100吨）。,锻压机床 是利用金属的塑性变形特点进行成型加工的无屑加工设备。锻压属于金属压力加工的范畴。有机械（摩擦）压力机、液压机、冲床、自动锻压机、锤锻（空气锤）、剪切机、弯曲机、挤压机、轧制机和校正机等。冲压生产的基本工序有分离工序和变形工序两大类。,绪论 机械制造装备的类型,特种加工机床 是指应用物理的（电、声、光、力、热、磁）或化学的方法，对具有特殊要求（如高精度）或特殊加工对象（如难加工材料、形状复杂或尺寸微小的材料、刚度极低的材料）进行加工的手段。其显著区别为：加工时不是依靠机械能来切除金属，且工具材料的硬度可以低于被加工材料的硬度。主要有：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、水射流加工、快速成型等机床。电加工机床：直接利用电能对工件进行加工的机床。如电火花加工机床、电火花线切割机床、电解加工机床。超声波加工机床：利用超声频（1625kHz）振动的工具端面冲击工作液中的悬浮磨粒，由磨粒对工件表面撞击抛磨来实现工件的加工的。适用于特硬材料加工，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等材料的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声电加工等复合加工,绪论 机械制造装备的类型,高能束加工机床：激光、电子束和离子束加工机床。激光加工设备由激光器、电源、光学系统和机械系统组成。利用激光的极高能量密度产生的上万度的高温聚焦在工件上，使工件在瞬间急剧熔化和蒸发，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式的喷射出来以改变工件的形状。应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、发动机喷油嘴、航空发动机的小孔加工（直径0.01mm，深径比可达50:1）和板料的精确下料。电子束和离子束加工均在真空条件下实现。水射流加工机床：利用高速的细水柱或掺有磨料的细水柱冲击工件的被加工表面实现的。主要用于难加工材料，如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、耐热合金及复合材料等。也用于切割板料和金属表面除锈。,卧式镗床,普通车床,插 床,摇臂钻床,立式钻床,牛头刨床,平面磨床,数控车床,加工中心,数控钻床,数控电火花切割机床,快走丝电火花线切割机床,慢走丝电火花线切割机床,2.工艺装备 工艺装备 是指产品制造过程中所用的各种工具总称。,绪论 机械制造装备的类型,工艺装备是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要工具。,量 具,工 艺 装 备,模 具,夹 具,刀 具,（1）刀具 在切削加工中从工件上切除多余材料的工艺装备。按加工方式和用途分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具等。按结构分为整体刀具、机夹或机夹可转位刀具。按被加工表面性能分为标准化通用刀具、专用刀具。,绪论 机械制造装备的类型,绪论 机械制造装备的类型,（2）夹具 是安装在机床上，用于定位和夹紧工件的工艺装备。夹具可用于机械加工、装配、检验、焊接、热处理等工艺中。机械加工中使用的夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具、组合夹具、随行夹具等。,绪论 机械制造装备的类型,绪论 机械制造装备的类型,工 件,工件钻孔夹具,槽系组合钻削夹具,槽系组合夹具 元件分解图,绪论 机械制造装备的类型,（3）模具 是利用凸凹型腔的相对运动，以获得所需形状和尺寸制件的工艺装备。按制品材料和填充方法的不同，有粉末冶金模具、合金模具、注塑模具、冷冲模具、锻压模具等。,绪论 机械制造装备的类型,（4）量具 是以固定形式来复现量值的计量器具。,绪论 机械制造装备的类型,3.输送仓储装备,机床上下料装置,仓储装置,物料输送装置,主要包括,物料传送机器人,绪论 机械制造装备的类型,（1）物料输送装置 指坯料、半成品或成品在车间的加工和装配中心间的传输装置，包括输送带装置、自动运输小车和托盘及其交换器。,绪 论 机械制造装备的类型,1）输送带装置 有重力式、步伐式、抓取机械手等装置。,绪 论 机械制造装备的类型,步伐式输送带动作和传动机构简单，支承和导向方便。,绪 论 机械制造装备的类型,抬起式步伐输送带装置,有轨运输小车 适用于运输尺寸、质量均较大的托盘或随行夹具，其传送速度快，控制系统简单，但改变路线比较困难。常用于运送路线不变的生产系统。,绪 论 机械制造装备的类型,2）自动运输小车 主要用于FMS各加工中心之间工件的输送，与输送带装置相比具有较大的柔性，分有轨和无轨运输小车。无轨小车分有线、光电、激光、无线电遥控导向等类型。,绪 论 机械制造装备的类型,无轨自动运输小车的生产系统,此运输系统由埋在地下的电缆传出的感应信号，对地面小车的运行轨迹进行导向。通过计算机控制，使小车准确地停在任意装载台处，进行物料的装卸。,托盘交换器 是机床和输送装备之间的桥梁和接口。起连接和缓存工件的作用，可防止因加工节拍不等而造成工件的阻塞。,绪 论 机械制造装备的类型,3）托盘及托盘交换器,托盘 是柔性制造系统中灵活传送工件的标准尺寸装置。借助随行夹具在输送线上方便地传送形状、尺寸各不相同的工件。,该交换装置能起到小型中间储料库的作用，以补偿随机、非同步生产的节拍。,绪 论 机械制造装备的类型,往复式托盘交换器,（2）仓储装置 自动化立体仓库 是利用机械、电子、计算机、通信、传感器和自动控制等技术，实现货物搬运机械化、出入库控制自动化、库存管理微机化、信息处理网络化的高效率物资流通与存储枢纽。,绪 论 机械制造装备的类型,巷道式立体仓库,绪 论 机械制造装备的类型,（3）机床上下料装置,机床上下料装置广泛用于大批量自动化生产制造中。,1）料仓式上料装置 主要用于尺寸较大，形状复杂难以自动定向的工件上料。需要工人或专门的定向装置不断将单件毛坯以一定方位装入料仓，再由料仓机构自动地将毛坯送到机床上。,绪 论 机械制造装备的类型,2）料斗式上料装置 主要用于形状简单、尺寸较小的毛坯件的上料，广泛用于标准件生产厂家。其工作原理是对储料器中杂乱的工件进行自动定向、整理再送进机床加工。,4.辅助装备,（1）清洗机 用于清洗工件上的油污和尘屑的装备。一般采用3%10%的氢氧化钠水溶液，加热到80900C，对工件进行浸洗、喷洗、气相清洗和超声波清洗。也可以直接用热水清洗。,绪 论 机械制造装备的类型,封闭式零件清洗机,（2）排屑装置 用于将加工区域的切屑清除，并排送到机床或生产线以外的集屑器内。清除切屑可采用离心力、压缩空气、冷却液冲刷等方式。排送切屑有皮带排屑装置、刮屑板排屑装置和螺旋排屑装置。,绪 论 机械制造装备的类型,带排屑装置的数控机床,绪 论 机械制造装备的类型,3）上下料机械手 是一种能模仿人手的某些工作机能，按照程序要求实现抓取和搬运工件的机械手臂。,一个机器人的机械手依次给三台机床装卸工件。,3.组合设计（模块化设计）根据用户的需求，按系列化原则设计出功能模块，通过适当选择，拼装成组合产品。便于缩短设计和投产周期，降低成本。,绪 论 机械制造装备的设计方法,2.变型设计 在原有产品的基础上，基本原理和总体结构不变，通过改变或更换部分部件或结构、部分尺寸与性能参数而设计出适应新的需要的变型产品。以缩短设计时间，提高设计质量，满足市场对产品的需求。,1.新产品开发设计 是依据对市场需求和发展的预测，从对产品功能要求出发，设计出过去没有的新产品。,装备设计 是指根据市场需求进行构思、计算、实验、确定方案和结构、绘制图纸及编制设计文件等一系列创造性的活动。,产品规划阶段,需求分析,调查研究,预测,可行性分析,编制设计任务书,机械制造装备设计的典型步骤,1、,2、,3、,4、,5、,（一）,绪 论 机械制造装备的设计方法,需求分析 通过市场调查，对当前的市场需求、用户状态、竞争对手及环境进行分析研究，为设计目标决策提供依据。,调查研究 包括市场调研、技术调研和社会环境调研。,市场调研 用户对产品功能、性能、质量、使用、维护保养、外观、需求量和价格等方面的要求；产品的生命周期及新老产品交替的动向分析；同行产品经营销售情况和发展趋势；本企业产品的市场占有率与差距；主要竞争对手在技术、经济方面,绪 论 机械制造装备的设计方法,的优势和劣势及发展趋向；主要原材料、配件、半成品等的质量、品种、价格、供应等方面的情况及变化趋势等。技术调研 产品的技术现状及发展趋势；行业技术和专业技术的发展趋势；新型原动态器件、新材料、新工艺的应用和发展；竞争产品的技术特点分析；竞争企业的新产品开发动向；环境对研制的产品提出的要求，以及为保证产品的正常运转，研制的产品对环境提出的要求等。社会调研 企业目标市场所处的社会环境和有关的经济技术政策，如产品发展政策、投资动向、环境保护及安全等方面的法律、法规和标准；社会的风俗习惯；社会人员的构成状况，消费水平、消费心理和购买能力；本企业的实际情况、发展动向、优势和不足、发展潜力等。预测 市场需求预测实际上是对社会购买力及其投向的预测。其影响因素有环境因素和企业营销因素。预测分定量预测和定性预测。定性预测主要根据以往的经验和现有的资料对现象作出的主观的判断和估计。主要有专家意见法、,绪 论 机械制造装备的设计方法,焦点讨论法、前景分析法、历史对比法和形态分析法等。定量预测是对影响预测结果的的因素进行相关分析，根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况作出定量预测，采用的方法有时间序列回归法、产品寿命周期法。可行性分析 技术分析、经济分析和社会分析。技术分析是对开发产品可能遇到的主要关键技术问题作全面的分析，提出解决这些关键技术问题的措施；通过经济分析，应力求新产品投产后能以最少的人力、物力和财力消耗得到令人满意的功能，取得较好的经济效果；社会分析是分析开发的产品对社会和环境的影响。可行性报告一般包括以下内容：产品开发的必要性 市场调查及预测情况，包括用户对产品功能、用途、质量、使用维护、外观、价格等方面的要求；,绪 论 机械制造装备的设计方法,同类产品国内外技术水平，发展趋势；从技术上预期产品开发能得到的技术水平；从设计、工艺和质量方面需要解决的关键技术问题；投资费用及开发时间进度，经济和社会效益估计；在现有条件下开发的可能性及准备采取的措施。编制设计任务书 确定待设计产品的设计要求和设计参数，说明设计该产品的必要性和现实意义。产品的用途描述和设计所需要的全部主要数据、总体布局和结果特征、应满足的要求、条件和限制等。,绪 论 机械制造装备的设计方法,设计任务抽象化-确定总功能；总功能的分解；确定功能结构；产品的原理设计 即子功能求解，寻求子功能的基本原理。在弄清楚产品的总功能、分功能、子功能之间的关系后，需进一步解决如何实现这些功能的问题，即子功能的求解。初步设计方案的形成、评价与筛选 将所有子功能的原理结合起来，才能实现和形成总功能。原理解的结合是设计过程中很重要的一环，原理解的结合可以得到多个初步设计方案，评价后得到最后方案。用观察淘汰法淘汰那些明显不能满足主要要求的方案；然后绘出方案原理图、整机总体布局草图、主要零部件草图，为在空间占用、质量、所用材料、制造工艺、成本和运行费用等方面进行比较提供数据，进行运动学,最后对初步方案进行技术经济评价。,绪 论 机械制造装备的设计方法,确定结构原理方案 在充分理解原理的基础上，确定结构原理的主要依据，如功率、流量和联系尺寸是决定尺寸的依据；物流方向、运动方向和操作位置是决定布局的依据。在主要依据的约束下，先对主要功能结构进行构思，初步确定其材料和形状，进行粗略的结构设计。然后对确定的结构原理方案进行技术经济评价，为进一步修改提供依据。总体设计 主要结构参数 如尺寸参数、运动参数和动力参数等。总体布局 包括部件组成、各部件的空间位置和相对运动、配合关系，操作位置等。基本原则为：功能合理，结构紧凑，层次分明，比例协调。,绪 论 机械制造装备的设计方法,系统原理图 包括产品总体布局图、机械传动系统图、液压系统图、电力驱动和控制系统图等。经济核算 包括产品成本和运行费用的估算，成本回收期、资源的再利用等。其他 如材料选用、配件和外协件的供应、生产工艺、运输、开发周期等方面的因素。结构设计 主要任务是在总体设计的基础上，对结构原理方案结构化，绘制产品总装图、部件装配图；提出初步的零件表，加工和装配说明书；对结构设计进行技术经济评价。进行结构设计时必须遵守有关国家、部门和企业颁布的标准规范，充分考虑人机工程、外观结构、结构可靠和耐用性、加工和装配工艺性、资源回用、环保，以及材料、配件和外协件的供应。企业设备、资金和技术资源的利用，产品系列化、零部件通用化和标准化，结构相似性和继承性等,施工设计阶段,零件图设计,完善装备图,商品化设计,编制技术文档,1、,2、,3、,4、,（四）,绪 论 机械制造装备的设计方法,方面的要求，通常要经过设计、审核、修改、再审核、再修改多次反复，才可批准投产。在结构设计阶段经常采用有限元分析、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等现代化的方法来解决设计中出现的问题。,设计实施阶段主要进行零件工作图设计，完善部件装配图和总装配图，编制各类技术文件等。在该阶段，广泛采用工程图学、机械制造工艺学等理论和方法来解决设计中出现的问题。,绪 论 机械制造装备的设计方法,零件图设计 零件图应无遗漏的给出制造零件所需的全部信息，包括几何形状、全部尺寸、加工面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度要求、材料和热处理要求、其他特殊技术要求等。除标准间和外购件外，其他零件无论是自制件还是外协件，都需绘制零件图。零件图的图号应与装配图中的零件号一致。完善装配图 在绘制零件图时，不可避免的会对详细设计阶段提供的装配图进行修改。所以零件图绘制好后，应按实际零件的结构和尺寸完善装配图。装配图中的每一个零件应按企业的规定的格式标注编号。零件号是零件的唯一的标识符，不可乱编，一面造成生产秩序混乱。商品化设计 即工业设计。对产品的外观等的设计，也称工业造型。编制技术文件 目的是为产品制造、安装调试提供所需要的信息，为产品的质量检验、安装运输、使用等做出,绪 论 机械制造装备的设计方法,相应的规定。产品技术文件主要包括技术任务书、产品设计计算书、试验研究大纲及试验研究报告、产品使用说明书、产品质量检查标准、产品明细表、产品设计审查报告、标准化审查报告等。（五）、试生产阶段 试生产阶段首先应根据施工设计和各种技术文件试制样机，经功能试验，验证产品图样和设计文件的正确性，并考核产品的结构和性能。经试验和鉴定，对产品图样和设计文件进行修改并最终定型。然后对样机进行审批，进行小批量试生产，经试销后的信息反馈，进一步完善产品并定型。最后配置必要的设备与工艺装备等，将产品正式投产。,系列化设计的基本概念 产品系列化是指同一品种或同一形式设备的规格按最佳数列科学排列，以最少的品种满足最广泛的需要。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的产品为基础，以它为基础，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他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。编制反映基型系列和派生系列关系的产品系列型谱。在系列型谱中，各规格产品应有相同的功能结构，相似的结构形式；同一类型的零部件在规格不同的产品,系列化设计,（一）,绪 论 机械制造装备的设计方法,中具有完全相同的功能结构；不同规格的产品，同一种参数按一定的规律（通常按等比级数）变化。系列化设计应遵循“三化”原则，即“零件标准化、零部件通用化、产品系列化”。三化之间有着密切的关系，零部件通用化依赖于产品系列化而零部件通用化和零件标准化又推动产品系列化。只有产品系列化才能使零部件通用化和零件标准化具有可靠的基础。,绪 论 机械制造装备的设计方法,（二）,系列化设计的步骤,1、主参数的确定 对于一个产品，主参数往往只有一个，有时根据需要也可以采用两个。主参数应最大程度地反映产品的工作性能和设计要求。2、制定参数标准 经过技术和经济分析，将产品的参数按一定规律进行分级，制定参数标准。产品的主参数应尽可能采用优先数系。优先数系的公比为N。,系列型谱通常是二维甚至多维的，其中一维是主参数，其他维是主要性能指标。通过制定系列型谱，可确定产品的品种、基型和变型、布局、各产品品种的技术性能和技术参数等。在系列型谱中，结构最典型、应用最广泛的是所谓的“基型产品”，产品的系列设计通常从基型产品开始。纵向延伸化，如车床从普通到数控。横向系列化，如车床有立式的、卧式的、螺纹的、六角的等等。,3、,制定系列型谱,纵系列产品,横系列产品,a,b,绪 论 机械制造装备的设计方法,模块化（组合）设计的基本概念：,模块化（组合）设计,（一）,模块化（组合）设计是指通过对一定范围内不同功能或者功能相同而不同性能和规格的产品进行功能分析，从而划分并设计出一系列的功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，一满足市场的不同需求的设计方法。1、模块是具有一定功能的零件、组件或部件，模块上具有特定的联接表面和联接方法，以保证相互组合的互换性和精确度。,2、模块化（组合）设计是提高产品质量、降低成本、加快设计进度、进行组合设计的重要途径。铣削动力头、滑台、各种分度头、三爪卡盘、四爪卡盘等等。,绪 论 机械制造装备的设计方法,（二）,模块化（组合）设计的步骤,1、用户需求分析 模块化设计的前提。市场需求可行性分析为需求较大的产品适合于模块化设计。2、确定产品系列型谱 合理确定产品的主参数范围和产品系列型谱（即产品种类和规格)是模块化设计的关键步骤。产品种类和规格过多，市场应变能力强，有利于市场占有，但涉及难度大，工作量大。3、确定参数范围及主参数 产品的参数（如尺寸参数、运动参数和动力参数等）需合理确定，过高过宽会造成浪费，过低过窄不能满足要求。参数数值大小和数值在参数范围内的分布也很重要，最大、最小应依使用要求而定。主参数是表示产品主要性能和规格的参数，按等比数列或等差数列排列。4、模块划分与设计 模块划分的合理性直接影响模块化,绪 论 机械制造装备的设计方法,产品的性能、外观、模块的通用程度和产品成本。在设计模块时，应尽量采用标准化结构，保证模块便于制造、组装、维修和更换，以及主要模块的寿命相当。对设计好的模块应按其功能、类型、规格、层次等进行编码，以备调用。,绪 论 机械制造装备的设计方法,可靠性设计,产品可靠性设计是指产品在规定的条件（环境、存储、受力）和规定的时间内，完成规定功能（全部的功能）的能力。1、可靠性设计的主要内容 基本思想：与产品设计有关的载荷、强度、尺寸、寿命等都是随机变量，应根据大量实践与测试，揭示统计规律，并用于设计，以保证所设计的产品符合给定可靠度指标的要求。,故障机理和故障模型研究 考虑材料失效、疲劳等因素。可靠性试验技术研究 可靠性水平的确定 2、可靠性设计的常用指标 产品的工作能力 产品工作能力的耗损过程属于随即过程。可靠度 正常工作的概率。R(t)=1-F(t)R(t):可靠度（正常使用的概率），F(t)：失效概率。失效率 即故障率，它表示产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生故障的概率。失效率越低，可靠度越高。平均寿命 不可修复产品从开始工作到发生失效前的,绪 论 机械制造装备的设计方法,平均工作时间。可修复产品两次故障之间的平均工作时间，即平均无故障工作时间。3、机械零件可靠性设计 内容较多，应力和强度。零件失效。机械制造装备设计的评价 机械制造装备设计的评价主要包括：技术经济评价、可靠度评价、人机工程学评价、结构工艺性评价、产品造型评价以及标准化评价。,绪 论 机械制造装备的设计方法,建立目标系统和确定评价标准,技术经济评价,（一）,（二）,确定重要性系数,（四）,确定各设计方案的评价分数,总权重值ZQj,技术评价Tj,经济评价Ej:,经济评价是理想生产成本CL与实际生产成本Cs之比,即:Ej=CL/Cs,技术经济评价的步骤:,（三）,（五）,（七）,（六）,1、,2、,通常理想成本CL应低于市场同类产品最低价的70%。经济评价Ej越大，代表经济效果越好，Ej=1的方案经济上最理想。如经济评价值小于0.7，说明方案的实际生产成本大于市场同类产品的最低价，一般不予考虑。,技术经济评价TEj:有两种计算方法,1、,当Tj和Ej的值相差不太悬殊时，可用均值法计算Ej值：,2、,TEj=（Tj+Ej）/2,当Tj和Ej的值相差很悬殊时，建议用双曲线法计算Ej值：,TEj=Tj+Ej,绪 论 机械制造装备的设计方法,可靠性特征量,可靠性评价,（一）,（二）,可靠性预测,产品可靠性指标,可靠性,维修性,有效性,耐久性,安全性,可靠度,可靠寿命,累积失效概率,失效率,平均寿命,平均修复时间,修复率,维修度,极限有效度,平均有效度,瞬时有效度,可靠性指标的分配,（三）,绪 论 机械制造装备的设计方法,（一）人因素方面（二）机器因素方面（三）环境因素方面（四）人机系统方面,人机工程学评价,绪 论 机械制造装备的设计方法,加工工艺性,装配工艺性,结构工艺性评价,（一）,（二）,（三）,维修工艺性,结构工艺性评价的目的是降低生产成本,缩短生产时间,提高产品质量。结构工艺性应从加工、装配、维修和运输等方面来评价。,绪 论 机械制造装备的设计方法,产品造型设计,产品色彩,产品造型评价,（一）,（二）,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”指的是实用操作方便、舒适、符合人体的生理和心理特征。,1、尺度与比例2、对称与均衡3、安定与轻巧4、对比与调和5、过度与呼应6、节奏与韵律7、重点与一般,1、色调选择2、配色方法,绪 论 机械制造装备的设计方法,标准化及其目的,标准分类,标准化评价,（一）,（二）,（三）,企业标准体系结构,产品设计的标准化,（四）,1、,技术标准,工作标准,管理标准,2、,3、,1、,2、,3、,4、,企业标准的审查,设计文件的标准化审查,工艺文件的标准化审查,工装设计文件的标准化审查,绪 论 机械制造装备的设计方法,