第一章机械装备设计方法(机械制造装备设计第四版)课件.ppt

机械制造装备设计,目 录,第一章 机械制造及装备设计方法,第二章 金属切削机床设计,第三章 典型部件设计,第七章 机械加工生产线总体设计,第五章 机床夹具设计,第四章 工业机器人设计,第六章 物流系统设计,共60页 第1页,第一节 概述,第二节 机械制造装备应具备的主要功能,第三节 机械制造装备的分类,第四节 机械制造装备设计类型和设计方法,第五节 机械制造装备设计的评价,第一章 机械制造装备设计方法,制造大国制造业占国民经济30%的产值工业增加值居世界第四位建设制造强国是我国的国家目标发展高端制造装备掌握关键零部件的核心制造技术,1.1 概述,发展机械制造装备的战略意义,第一章,共60页 第2页,国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力的竞争。 机械制造业是制造业的核心，其生产能力和发展水平标志着一个国家或地区的经济现代化的程度，而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。“拿来主义”不能形成制造业的核心竞争力，发展先进的装备制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。 机床及其它制造装备是机械制造技术的重要载体。,机床工业的战略地位,国际军事竞争的战略物资 高档数控机床对我国禁运: 2000年10月14日,美国参议院通过控制高技术机床出口法案,美国商务部把数控机床列为对我出口的20类敏感物资; 日本通产省禁止东芝公司龙门五面体加工中心、安田公司高精度数控机床、森精机公司精密机床、五轴联动数控机床出口到中国。,机械制造装备的发展趋势,用中国装备装备中国,1、向高效、高速、高精度方向发展,2、多功能复合化、柔性自动化的产品成为主流,3、实施绿色制造与可持续制造发展战略,4、智能制造技术和智能化装备有了新的发展,5、我国自主创新和高新技术的发展,1.2 机械制造装备的主要功能,一般的功能要求； 柔性化； 精密化； 自动化； 机电一体化； 节材； 符合工业工程要求；符合绿色工程要求,多角度的功能要求！,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,1加工精度方面的要求加工精度是指加工后零件对理想尺寸、形状和位置的符合程度，一般包括尺寸精度、表面形状精度、相互位置精度和表面粗糙度等。满足加工精度方面的要求应是机械制造装备最基本的要求。影响机械制造装备加工精度的因素很多，与机械制造装备本身有关的因素有其几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速运动平稳性等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,2强度、刚度和抗振性方面的要求为了提高加工效率，切削速度越来越高，切削力越来越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件的尺寸和重量，成为“傻、大、黑、粗”的产品。应利用新技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结构进行改进设计，在不增加或少增加重量的前提下，使装备的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,3加工稳定性方面的要求机械制造装备在使用过程中，受到切削热、摩擦热、环境热等的影响，会产生热变形，影响加工性能的稳定性。对于自动化程度较高的机械制造装备，加工稳定性方面的要求尤为重要。提高加工稳定性的措施是减少发热量，散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。,温升,变形,误差,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,4耐用度方面的要求机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很高的机械制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面综合考虑。从设计角度，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,5技术经济方面的要求投入机械制造装备上的费用将分摊到产品成本中去。如产品产量很大，分摊到每个产品的费用较少。反之，产品的产量较少，甚至是单件，过大地在机械制造装备上投资，将大幅度地提高产品的成本，削弱产品的市场竞争力。因此不应盲目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投入，而应该进行仔细的技术经济分析，确定机械制造装备设计和选购方面的指导方针。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.2 柔性化,柔性化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，就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。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.2 柔性化,在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。这类加工装备投资极大，研制周期长，使用维护涉及的技术难度大，应通过认真的技术经济分析认为有利可图时才可考虑采用。 要实现机械制造装备的柔性化不一定非要采用柔性制造单元或系统。专用机床也可设计成具有一定的柔性。其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。调整方法如采用备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化和部分动作实现数控化等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.3 精密化,随着市场竞争的国际化，对产品技术性能的要求越来越苛刻，制造精度的要求越来越高。 为提高产品的质量，许多工厂还不断地压缩工件制造的公差带，机械制造装备的精密化成为普遍发展的趋势，从微米级发展到亚微米级，乃至纳米级。 采用误差补偿技术可提高机械制造装备自身的精度。误差补偿技术可以是机械式的，如采用的校正尺或校正凸轮等。较先进的是采用数字化技术，将误差的数学模型存人计算机。在加工时，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。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.4 自动化,可以提高加工效率和劳动生产率，还可以提高产品质量的稳定性，改善劳动条件等。动化有全自动和半自动之分：全自动是指能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程；半自动则上下料需人工完成。凸轮控制是采用凸轮机构控制多个部件的运动，使之互相协调地工作，改变工作循环需更换或调整凸轮。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.4 自动化,程序控制指工作程序和定位尺寸可以根据不同的加工对象选择，但不能控制运动轨迹。程序控制可分为固定程序控制和可变程序控制。 数字控制除了可控制工作程序外，还可以控制运动轨迹，一般采用专门的数控装置。 适应控制能按事先给定的评价指标，在加工过程中根据实际工作条件(如材料硬度的变化，刀具磨损等)自动地改变加工系统的参数(如切削用量等)，使加工过程始终按照给定的评价指标进行。适应控制分约束适应控制、最佳适应控制和学习适应控制等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.5 机电一体化,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。机电一体化系统和产品的结构通常是机械的，用传感器检测来自外界和机器内部运行状态的信息，由计算机进行处理，经控制系统由机械、液压、气动、电气、电子及它们的混合形式的执行系统进行操作，使系统能自动适应外界环境的变化，机器始终处于正常的工作状态系统功能强、质量好和故障率低、节能和节材、性能价格比高，具有足够的“结构柔性”的系统。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.6 节材,我国产品设计水平低，选取的安全系数一般偏大，造成产品肥头大耳，造成所谓的结构性材料浪费；又由于工艺水平落后，铸造和锻造过程中金属回收率低，毛坯的加工余量大，不仅浪费了原材料，也浪费了加工工时和能源，造成所谓的工艺性材料浪费。采用现代设计法，合理地选取安全系数，对主要零部件进行精确计算和优化，改进产品的结构，采用先进的制造装备提高材料的利用率是必要的。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.7 符合工业工程要求,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。工业工程可以定量分析为主，研究整个大系统工作效率和成本的优化。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.7 符合工业工程要求,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。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.8 符合绿色工程要求,企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源来增加产出的错误做法，使经济发展更少地依赖地球上的有限资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。这就是所谓的绿色工程要求。按绿色工程要求设计的产品称绿色产品。绿色产品设计在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计要素，使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境的影响最小，资源效率最高。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.8 符合绿色工程要求,绿色产品设计考虑的内容很广泛，包括产品材料的选择应是无毒、无污染、易回收、可重用、易降解的；产品制造过程应充分考虑对环境的保护，资源回收，如废弃物的再生和处理，原材料的再循环，零部件的再利用等；产品的包装也应充分考虑选用资源丰富的包装材料，以及包装材料的回收利用及其对环境的影响等。原材料再循环的成本一般较高，应考虑经济上、结构上和工艺上的可行性。为了零部件的再利用，应通过改变材料、结构布局和零部件的连接方式等来实现产品拆卸的方便性和经济性。,其中，假设机床的主轴功率22KW,加工时间占57%，并假设每年SUV行驶12,000英里，耗油量为20.7mpg。,美国麻省理工学院的Gutowski教授在2009年的一个报告中给出了一个令人震惊的结论：一台主轴功率22KW的数控机床（配置有相应的辅助装置），运行一年的所耗电能所对应的CO2排放量（按美国国家电网有关数据推算）相当于61辆SUV汽车的排放量。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备（主要指机床，也称工作母机） 包括金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。1.3.2 工艺装备 包括刀具、模具、夹具、量具、辅具等。1.3.3 储运装备 包括物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送装置、仓储设备等1.3.4 辅助装备 包括清洗机、排屑设备和测量、包装设备等。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 金属切削机床 通用的金属切削机床按其切削方式可分为车床、钻床、镗床、螺纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、切断机床和其它机床等。 专用机床是为特殊的工艺目的设计和制造的加工装备，组合机床及其自动线是其中的一个大分支，包括大型组合机床及其自动线、小型组合机床及其自动线、自动换刀数控组合机床及其自动线等。 机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床1电加工机床 直接利用电能对工件进行加工的机床，统称电加工机床，一般仅指电火花加工机床、火花线切割机床和电解加工机床。 电火花加工机床是利用工具电极与工件之间产生的电火花小电弧从工件上去除微粒材料达到加工要求的机床，主要用于加工硬的导电金属，如淬火钢、硬质合金等。按工具电极的形状和电极是否旋转，电火花加工可进行成形穿孔加工、电火花成形加工、电火花雕刻、电火花展成加工、电火花磨削等。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床 电火花线切割机床是利用一根移动的金属丝作电极，在金屑丝和工件间通过脉冲电流，并浇上液体介质，使之产生放电腐蚀而进行切割加工。 电解加工机床是利用金屑在直流电流作用下，在电解液中产生阳极溶解的原理对工件进行加工的方法，又称电化学加工。加工时，工件与工具分别接正负极，两者相对缓慢进给，并始终保持一定的间隙，让具有一定压力的电解液连续从间隙中流过，将工件上的被溶解物带走，使工件逐渐按工具的形状被加工成型。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床2超声波加工机床利用超声波能量对材料进行机械加工的设备称超声波加工机床。 加工时工具作超声振动，并以一定的静压力压在工件上，工件与工具间引入磨料悬浮液。在振动工具的作用下，磨粒对工件材料进行冲击和挤压，加上空化爆炸作用将材料切除。 超声波加工适用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声电加工等复合加工。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床3激光加工机床 采用激光能量进行加工的设备统称激光加工机床。激光是一种高强度、方向性好、单色性好的相干光。利用激光产生的上万度高温聚焦在工件上，使工件被照射的局部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地喷射出来以改变工件的形状。 激光加工可以用于所有金属和非金属材料，特别适合于加工微小孔和材料切割。 常用于加工金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工及切割加工。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床4电子束加工机床 在真空条件下，由阴极发射出的电子流被带高电位的阳极吸引，在飞向阳极的过程中，经过聚焦、偏转和加速，最后以高速和细束状轰击被加工工件的一定部位，在几分之一秒内，将其百分之九十九以上的能量转化成热能，使工件上被轰击的局部材料在瞬间熔化、气化和蒸发，以完成工件的加工。电子束加工机床就是利用电子束的上述特性进行加工的装备。 常用于穿孔、切割、蚀刻、焊接、蒸镀、注入和熔炼等。此外，利用低能电子束对某些物质的化学作用，可进行镀膜和曝光，也属于电子束加工。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床5离子束加工机床 离子束加工机床就是利用离子束的特性进行加工的装备。 在电场作用下，将正离子从离子源出口孔“引出”，在真空条件下，将其聚焦、偏转和加速，并以大能量细束状轰击被加工部位，引起工件材料的变形与分离，或使靶材离子沉积到工件表面上，或使杂质离子射人工件内。 用这种方法对工件进行穿孔、切割、铣削、成像、抛光、蚀刻、清洗、溅射、注入和蒸镀等，统称离子束加工。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床6水射流加工机床 水射流加工是利用具有很高速度的细水柱或掺有磨料的细水柱，冲击工件的被加工部位，使被加工部位上的材料被剥离。随着工件与水柱间的相对移动，切割出要求的形状。 常用于切割某些难加工材料，如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、耐热合金、复材等。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 锻压机床 锻压机床是利用金属的塑性变形特点进行成形加工，属无屑加工设备。 锻造机是利用金属的塑性变形，使坯料在工具的冲击力或静压力作用下成形为具有一定形状和尺寸的工件，同时使其性能和金相组织符合一定的技术要求。锻造加工可分为手工锻造、自由锻造、胎模锻造、模型锻造和特种锻造等。也可分热锻、温锻和冷锻等。 冲压机是借助模具对板料施加外力，迫使材料按模具形状、尺寸进行剪裁或塑性变形，得到要求的金属板制件。根据加工时材料温度的不同，可分为冷冲压和热冲压。冲压工艺省工、省料和生产率高。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 锻压机床 挤压机是借助于凸模对放在凹模内的金属坯料加力挤压，迫使金属挤满凹模和凸模合成的内腔空间，获得所需的金属制件。挤压加工更节约金属、提高生产率和制品的精度。可分为冷挤压、温热挤压和热挤压。 轧制机是使金属材料经过旋转的轧辊，在轧辊压力作用下产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其性能。分热轧和冷轧。按轧制方式又可分纵轧、横轧和斜轧。 纵轧用于轧制板材、型材、钢轨等；横轧用于轧制套圈类零件；斜轧主要用于轧制钢球。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.2 加工装备: 刀具 切削加工时，从工件上切除多余材料所用的工具，称之为刀具。 刀具的种类颇多，如车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀等。 大部分刀具已标准化，由工具制造厂大批量生产，不需自行设计。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.2 加工装备: 模具 模具是用来将材料填充在其型腔中，填充材料的不同，以获得所需形状和尺寸制件的工具。1粉末冶金模具 粉末冶金是制造机器零件的一种加工方法，将一种或多种金属或非金属粉末混合，放在粉末冶金模具内，加压成形，再烧结成制品。2塑料模具 塑料是以高分子合成树脂为主要成分，在一定条件下可塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。塑制成型制件所用的模子称之为塑料模具。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.2 加工装备: 模具 压塑模具又称压胶模，是成型热固性塑料件的模具。成型前，根据压制工艺条件将模具加热到成型温度，然后将塑料粉放人型腔内预热、闭模和加压。塑料受热和加压后逐渐软化成粘流状态，在成型压力的作用下流动而充满型腔，经保压一段时间后，塑件逐渐硬化成形，然后开模和取出塑件。 挤塑模具又称挤胶模，是成型热固性塑料或封装电器元件等用的一种模具。成形及加料前先闭模，塑料先放在单独的加料室内预热成粘流状态，再在压力的作用下使融料通过模具浇注系统，高速挤入型腔，然后硬化成型。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.2 加工装备: 模具 注射模具沿分型面分为定模和动模两部分。定模安装在注塑机的定模板上，动模则紧固在注射机的动模板上。工作时注射机推动模板与定模板紧密压紧，然而将料筒内已加热到熔融状态的塑料高压注入型腔，融料在模内冷却硬化到一定强度后，注射机将动模板与定模板沿分模面分开，开启模具，将塑件顶出模外，获得塑料制件。3压铸模具 熔融的金属在压铸机中以高压、高速射人压铸模具的型腔，尺寸精度高，表面光洁，主要用于制造有色金属件。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.2 加工装备: 模具4冷冲模具 压铸冷冲模具包括阴模和阳模两部分。在室温下借助阳模对金属板料施加外力，迫使材料按阴模型腔的形状、尺寸进行裁剪或塑性变形。进行冷冲加工所用的钢材应是含碳量较低的高塑性钢。5锻压模具 锻压模具是锻造用模具的总称。按使用锻造设备的不同可分为锤锻模、机锻模、平锻模、辊锻模等。按使用目的不同可分为终成形模、预成形模、制坯模、冲孔模、切边模等。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.1 创新设计 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。,1.4.2 变型设计 适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”。都是在原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保持不变. 变型设计应在原有产品的基础上，按照一定的规律演变出各种不同的规格参数、布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能，形成一个产品系列。 开展变型设计的依据是原有产品，它应属于技术成熟的“基型”产品。 作为变型设计依据的原有产品，通常是采用创新设计方法完成的。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.2 模块化设计 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”。组合产品是系列产品的进一步细化，组合产品中的模块也应按系列化设计的原理进行。 组合设计通常是MRP一驱动的，可由销售部门承担，或在销售部门中成立一个专门从事组合设计的设计组承担，有关设计资料可直接交付生产计划部门，对组成产品的各个模块安排投产，并将这些模块拼装成所需的产品。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.3 机械制造装备设计的典型步骤 (一)产品规划阶段（明确设计任务）； (二)方案设计阶段(功能原理的设计)； (三)技术设计阶段（结构原理方案、总体设计、结构设计等）； (四)施工设计阶段（零件图设计、完善装配图、商品化设计、编制技术文档）,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.3 机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段 产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计技术任务书。 在产品规划阶段将综合运用技术预测、市场学、信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.3 机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段 产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计技术任务书。 在产品规划阶段将综合运用技术预测、市场学、信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.3 机械制造装备设计的典型步骤(二)方案设计阶段,总功能是表达输入量转变成输出量的能力。总功能可逐级往下分解，分解到子功能的要求比较明确，便于求解为止。分功能和多级子功能及它们之间的关系称为功能结构。便于了解产品中哪些子功能重复出现，为制订通用零部件规范提供依据。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,(二)方案设计阶段,初步设计方案的形成(1)系统结合法：按功能结构的树状结构，根据逻辑关系把原理解结合起来。(2)数学方法结合法：采用数学方法进行初步设计方案的组合。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,(三)技术设计阶段,技术设计阶段是将方案设计阶段拟定的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计，确定主要技术参数、布局；进行结构设计，绘制装配草图，初选主要零件的材料和工艺方案，进行各种必要的性能计算；还可以通过模型试验检验和改善设计；通过技术经济分析选择较优的设计方案。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,(四)工艺设计阶段,工艺设计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，进行商品化设计，编制各种技术文档等。 零件图设计； 完善装配图； 商品化设计； 编制技术文档,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.4 系列化设计 (一)系列化设计的基本概念,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型，以它为基础，设计出其它各种尺寸参数的产品，构成产品基型系列。 在产品基型系列的基础上，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。 系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化”原则，结构的典型化” 即所谓的“四化”原则。 系列化设计是产品设计合理化的一条途径，是提高产品质量、降低成本、开发变型产品的重要途径之一。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.4 系列化设计 (二)系列化设计的优缺点,1)可以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2)系列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，可压缩工艺装备数量和种类，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。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.4 系列化设计 (二)系列化设计的优缺点,系列化设计的缺点： 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。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.5 模块化设计 (一)模块化设计的基本概念, 为了开发多种不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。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。 模块化设计是产品设计合理化的另一条途径，是提高产品质量、降低成本、加快设计，进行组合设计重要途径。 模块化系统多数是属于模块和非模块的混合系统。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.5 模块化设计 (二)模块化设计的优缺点,1) 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，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。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。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.5 模块化设计,划分模块的出发点是功能分析。分功能包括基本功能、辅助功能、特殊功能和附加功能等几类,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.4.6 合理化工程,合理化工程是一种管理哲理，适用于合同型企业。目的是采用先进的信息处理技术，缩短产品的开发周期，提高产品设计质量，缩短产品的生产周期，提高产品的质量，降低产品的成本，改善售后服务。产品结构的重组是进行系列产品和组合产品的开发、产品编码和产品技术文件的系统化，从而减少零部件的类别数。产品设计开发过程的重组是将产品的设计开发过程分成全新产品设计和合同产品设计两部分。全新产品设计进行的是换代产品和创新产品的设计。合同产品设计是进行变型设计或组合设计。为了实现产品结构和产品开发过程的重组，企业必须采用CADCAM和MRP一技术，并实现两者之间的信息集成。,1.4 机械制造装备设计类型和设计方法,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.1 技术经济评价,评价内容：技术的先进性和经济的合理性,树状目标系统每个树叶代表一个评价标准。,1.5.2 可靠性评价,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.2 可靠性评价可靠性是指产品在规定条件和时间内完成规定功能的能力。可靠度：规定时间和条件下，完成规定任务的概率。,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,修复率,维修度,极限有效度,平均有效度,瞬时有效,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.2 可靠性评价例1 有1000只电子管。开始工作至500小时内有100只失效；工作至1000上时时共计有500只失效，求500小时和1000小时的可靠度。解 已知 N0= 1000只 r（500）= 100只 r（1000）= 500只 则： R(500) = (1000100) / 1000 = 0.9 = 90% R(1000) = (1000500) / 1000 = 0.5 = 50%,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.2 可靠性评价(二)可靠性预测 目的是为了发现薄弱环节，提供方案比较、修改、优选和进行可靠性分配的依据，并对产品的维修费用以至全寿命运行费用作出估计。 可靠性预测包括单元可靠性预测和系统可靠性预测。 可靠性预测有许多方法，随预测的目的、设计的时期、系统的规模、失效的类型及数据情况等的不同而用不同的方法，如统计分析法、失效模式及后果分析法(FMECA)、故障树分析法(FTA)、可靠性逻辑框图法及近似值法等。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.2 可靠性评价,分析系统可靠性时，必须了解系统中每个单元的功能，各单元间在可靠性功能上的联系，以及这些单元功能、失效模式对系统功能的影响，这是建立可靠性逻辑框图的基础。,1.5 机械制造装备设计的评价,根据单元在系统中所处的状态及其对系统的影响，系统可分为如图211所示-的几种类型。,1.5.2 可靠性评价 系统可靠性模型,串联系统可靠度为,并联系统可靠度为,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.2 可靠性评价,例题：在系统可靠性预测时，系统的单元数为4，每个单元的可靠度均为0.9，若系统只有一个单元工作，系统就算正常，则系统的可靠度为多少？若只有4个单元全部工作，系统才能正常工作，系统的可靠度为多少？,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.2 可靠性分配的原则 1)对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握达到较高水平的单元，可分配较高的可靠度； 2)对较简单的单元，组成单元的零部件数量少，装配容易保证质量或故障后易于修复的单元，可分配较高的可靠度； 3)对重要的单元，该单元的失效将引起严重的后果，或该单元失效会导致全系统失效，应分配较高的可靠度； 4)对整个任务时间内需连续工作，或工作条件严酷的单元，应分配较低的可靠度。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.3 人机工程评价,（一）人因素方面（人体静态尺寸、动态尺寸、操作力、视觉和听觉）（二）机器因素方面（信号显示装置、操作装置、安全保障、人体舒适性和使用方便性）（三）环境因素方面（作业空间、物理环境、化学环境等）（四）人机系统方面（人机功能合理分配，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和生活质量的影响）,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么样的条件，才能使人机实现高度协调性,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.3 人机工程评价,如运动件作回转运动，按钮位置的排列方向应与距该组按钮最近的运动件上的圆周线速度方向相一致,按钮位置 按钮的排列直线应和运动件的运动方向相平行，即操纵运动件向右、向前或向上的按钮应布置在按钮板的最右、最前和最上方，如图所示。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.4 结构工艺性评价,加工工艺性（产品结构的合理组合、零件加工工艺性）,装配工艺性（便于装配的产品结构、便于装配的零件接合部位结构、便于装配的零件结构）,（一）,（二）,（三）,维修工艺性（平均修复时间短、维修所需元器件或零部件互换性好、宽敞的维修工作空间等）,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。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.4 结构工艺性评价 (一)加工工艺性,1产品结构的合理组合 根据工艺要求，设计时应合理地考虑产品的结构组合，把工艺性不太好或尺寸较大的零件分解成多个工艺性较好的较小零件。 产品结构的合理组合也包括设计时把多个结构简单、尺寸较小的零件合并为一个零件，以减轻重量，减少联接面数量，节省加工和装配费用，改善力学性能。 有些零件上各工作面的工作条件不同，常采用不同的材料，可将多个零件的坯件用不可拆方式联接在一起，如热压配合、铆接、粘接或螺纹联接等，然后再整体地进行加工，可取得很好的效果。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.4 结构工艺性评价 (一)加工工艺性,2零件的加工工艺性 零件的结构形状、材料、尺寸、表面质量、公差和配合等确定了其加工工艺性。 加工工艺性的评价应依据制造厂现有的生产条件，没有一个绝对的标准。 这些生产条件概括起来包括如下几个方面：传统的工艺习惯，本企业的加工设备和工装条件，外协加工条件，与老产品结构的通用，材料、毛坯和半成品的供应情况和质量检验的可能性等。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.4 结构工艺性评价 (一)加工工艺性,2零件的加工工艺性 铸件类零件尽可能不用型芯，模型和型芯尽量用直线、平面。 模锻件类零件应考虑拔模方便，分模面的设置要合理； 冷挤压件零件考虑拔模方便，避免边缘倾斜； 车削加工类零件要有必要的退刀槽、孔加工公差不要太严； 钻孔加工类零件尽量用通孔，避免盲孔，斜孔要有凸台和凹面； 铣削加工类零件尽量用平铣刀或组合铣刀，少用成形铣刀；尽 量用盘状铣刀，避免用指状铣刀。 磨削加工类零件尽量采用大直径圆周砂轮，注意留退刀槽。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.4 结构工艺性评价 (二)装配工艺性,1便于装配的产品结构 (1)装配操作的分解产品-部件-组件-零件；平行装配，缩短工期 (2)装配操作的压缩零件合并；减少零件、接合部位和表面数量 (3)装配操作的统一装配时采用统一工具、装配方向和方法 (4)装配操作的简化加工和装配操作结合在一起2便于装配的零件结合部位结构减少结合部位数量、统一和简化结合部位的结构；粘接、卡接3便于装配的零件结构零件结构应便于自动储存、识别、整理、夹取和移动,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.4 结构工艺性评价 (二)维修工艺性, 1)平均修复时间短； 2)维修所需元器件或零部件的互换性好，并容易买到或有充足的备件； 3)有宽敞的维修工作空间； 4)维修工具、附件及辅助维修设备的数量和种类少，准备齐全； 5)维修技术的复杂性低； 6)维修人员数量少； 7)维修成本低； 8)采用状态监测和自动记录,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.5 产品造型评价, 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。 人的审美观点尽管不全相同，但还是有相同规律可循，良好的外观造型应从产品造型设计和产品色彩两方面去评价。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.5 产品造型评价 1尺度与比例,有尺度感的造型，具有使用合理、与人的生理感觉和谐，与使用环境协调的特点，是造型美的基本因素之一,人的视觉具有本能的喜爱比例得当的造型，即所谓的比率美,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.5 产品造型评价 2对称与均衡, 对称和均衡是取得良好视觉平衡的两种基本形式。 对称是自然界最常见的一种平衡方式，也广泛地用于产品造型中，但对称形式易使人的视觉停留在对称线上，给人以单调、呆板的感觉，故在应用对称形式造型时应加以注意。 均衡是不对称的平衡方式，来源于力学的平衡原理。均衡造型的产品具有静中有动、动中有静的条理美和动态美。由于均衡形式的支点不够确定，安定感比对称形式差，处理不当，易形成杂乱的效果。 在设计过程中，必须恰当处理对称与均衡，才能取得良好的造型效果。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.5 产品造型评价 3安定与轻巧, 造型的安定性来自实际安定和视觉安定两方面。 但是轻巧与安定往往是矛盾的，是产品造型美对立统一的两个方面。 在色彩方面，明度低的色彩，显得重感较大，装饰在产品形体的下部可增强安定感，装饰在产品形体的上部会产生轻巧感；明度高的色彩的效果恰巧相反。,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.5 产品造型评价 4对比与调和,在产品造型设计中，一般以调和为主调，在调和的基础上采用对比的手法。常用的手法有以下几方面： (1)线型的对比与调和 (2)体量的对比与调和 (3)方向的对比与调和 (4)虚实的对比与调和 (5)质感的对比与调和 (6)色彩的对比与调和,1.5 机械制造装备设计的评价,1.5.5 产品造型评价,6节奏与韵律 产品造型的节奏与韵律是指造型的某些要素，如形体、线型、色彩、肌理以及方向、大小等作有规则的变化和重复，在空间产生抑扬顿措的视觉效果，给人带来心理上的愉快和美感。 造型中的节奏与韵律必须符合人的视觉习惯，只有当产品造型