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1、机械制造装备设计第一章第一节 机械制造装备及其在国民经济中的重要作用缩短生产周期（T），提高产品质量（Q），降低生产成本（C），改善服务质量（S）传统模式（产业）精益-敏捷-柔性（LAF）生产系统，是全面吸收精益生产、敏捷制造和柔性制造的精髓，包括了全面质量管理（TQC）、准时生产（Just in time，缩写JIT）、快速课重组制造和并行工程等现代生产和管理技术。这种模式的主要特征是：以用户的需求为中心；制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量和品种；以柔性、精益和敏捷作为竞争的优势；技术进步、人因改善和组织创新是三项并重的基础工作；实现资源快速有效的集成是其中心任务，集成对象涉及技术、人、
2、组织和管理等，应在企业之间、制造过程和作业等不同层次上分别实施相应的资源集成；组织形式采用如“虚拟公司”在内的多种类型。装备制造业是国民经济的重要支柱，是出口创汇的重要产业。装备制造业是用先进科学技术改进传统产业的重要纽带和载体。装备制造业是高新技术产业和信息化产业发展的基础。装备制造业是国民经济安全和军事的重要保障。装备制造业是解决我国劳动就业的重要途径。第二节 机械制造装备应具备的主要功能一、机械制造装备应满足的一般功能包括：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，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等技术经济方面的要求二
3、、柔性化含义：产品结构柔性化和功能柔性化模块化设计三、精密化：采用传统的措施，一味提高机械制造装备自身的精度已无法奏效，需采用误差补偿技术。误差补偿技术可以是机械式的，如为提高丝杠或分度蜗轮的精度采用的校正尺或校正凸轮等。 四、自动化自动化有全自动（能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程）和半自动（人工完成上下料）之分。实现自动化的方法从初级到高级依次为：凸轮控制、程序控制、数字控制和适应控制等。五、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，按系统工程和整体化的方法，有机地组成最佳技术系统。）这个系统应该是功能强、质量好和故障率低、节能和节材、性价比
4、高，具有足够的“结构柔性”“。六、节材七、符合工业工程要求工业工程是对人、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，选择合理的质量标准，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，保证产品合理的质量标准，减少因质量标准定得过高造成不必要的超额工作量。（强度、刚度、抗振性）八、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
5、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。第三节 机械制造装备的分类机械制造大致可划分为加工装备、工艺装备、仓储传送装备和辅助装备四大类。一、加工装备是指采用机械制造方法制作机器零件的机床。（一）金属切削机床是采用切削工具或特种加工等方法，从工件上除去多余或预留的金属，以获得符合规定尺寸、几何形状、尺寸精度和表面质量要求的零件。按机床的加工原理进行分类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、特种加工机床、切断机床和其他机床等12类。(二)特种加工机床：1电加工机床。直接利用电能对工件进
6、行加工的机床，统称电加工机床。（一般仅指电火花加工机床、电火花切割机床和电解加工机床）2超声波加工机床。3激光加工机床。4电子束加工机床。5离子束加工机床。6水射流加工机床。(三）锻压机床利用金属的塑性变形特点进行成形加工，属无屑加工设备，主要包括锻造机、冲压机和轧制机四大类。二、工艺装备：产品制造时所用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具，总称工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。模具分类：1.粉末冶金模具2.塑料模具3.压铸模具4.冷冲模具5.锻压模具夹具：安装在机床上用于定位和夹紧工件的工艺设备，以保证加工时的定位精度、被加工面之间的相对位置精度。利于工艺规
7、程的贯彻和提高生产效率。量具：是以固定形式复现量值的计量器具的总称。如千分尺、百分表、量块。三、仓储传送设备包括各级仓储、物料传送、机床上下料等设备。机器人可作为加工装备，如焊接机器人和涂装机器人等，也可属于仓储传送设备，用于物料传送和机床上下料。四、辅助装备包括清洗机和排屑等设备。第二章第一节 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类型。适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”第二节 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计典型步骤（一）产品规划阶段：1.需求分析: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
8、可能实现的。需求分析的本身就是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且至始至终指导设计工作的进行。2.调查研究：市场调研、技术调研和社会调研三部分：市场调研：技术调研：社会调研：企业目标市场所处的社会环境，有关的经济技术政策；社会风俗习惯3.预测4.可行性分析1）产品开发的必要性2）同类产品国内外技术水平3）从技术上预期产品开发能达到的技术水平4）从设计、工艺和质量等方面需要解决的关键技术问题5）投资费用及开发时间进度，经济效益和社会效益估计6）现有条件下开发的可能性及准备采取的措施5.编制设计任务书经过可行性分析后，应确定待设计产品的设计要求和设计参数，编制“设计要求”将科学原理具体运用于特
9、定的技术目的，提炼、构思成所谓的技术原理，是设计中最关键、最富于创造性的一个环节。4.初步设计方案的形成系统结合法 所谓系统结合法是按功能结构的树状结构，根据逻辑关系把原理解结合起来。数学方法结合法 当子功能原理解的物理和几何特征可定量表达时，有可能借助电子计算机，采用数学方法进行初步设计方案的组合。在方案设计阶段，如子功能的原理解还不够具体，定量表达原理解的特征有困难或不够精确时，采用数学方法形成初步设计方案是不可行的，甚至会导致错误的结果。在变型设计、模块化设计或电路设计中，由于是已知零部件、元器件的组合，各子功能的物理和几何特征可以精确地测量定量表达，采用数学方法。确定结构原理方案的过程
10、如下：（1）确定结构原理方案的主要依据 根据初步设计方案，在充分理解原理的基础上，确定结构原理方案的主要依据，其中包括：决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等。决定布局的依据：物流方向、运动方向和操作位置等。决定材料的依据，如抗腐蚀能力、耐用性、市场供应情况决定和限制结构设计的空间条件：距离、规定的轴的方向、装入的限制范围确定结构原理方案的过程如下：确定结构原理方案的主要依据 根据初步设计方案，在充分理解原理解的基础上，确定结构原理方案的主要依据，其中包括：决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据，如物流方向、运动方向和操作位置等；决定材料的依据，如抗腐蚀能力、耐用性、市场供
11、应情况等等；和决定和限制结构设计的空间条件，如距离、规定的轴的方向、装入的限制范围等等。确定结构原理方案 4.编制技术文档如果创新设计遵循系列化和模块化设计的原理，为产品的进一步变型和组合已做了必要的考虑，变型设计和模块化设计的有些步骤可以简化甚至省略。二、系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化”原则，简称“叄化”原则。有时将“结构的典型化”作为第四条原则，即所谓的“四化”原则。（二）系列化设计的优缺点：优点：1）可以用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2）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。3）产品有较高的结构相似性
12、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，系列中的产品结构类似，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：为以减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，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心啊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。（和机械图谱相联系）三、模块化设计（一）模块化设计的基本概念
13、：为了开发多种不同功能的结构，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。（二）模块化设计的优缺点采用模块化设计方法开发产品的优缺点类似系列化设计方法，在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综合经济效果十分明显优点：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，只需要更换部分模块，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
14、，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，只需要更换有关模块，维护修理更为方便，对生产影响少。为了实现产品结构和产品开发过程的重组，企业必须采用CAD/CAM和MRP-技术，并实现两者之间的信息集成。第三节 机械制造装备设计的评价（六）经济评价Ej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
15、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最低价，一般不予考虑。二、可靠性评价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。可靠度：是指可靠性的量化指标，是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定任务的概率。（一般记为R）（三）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，或预期投入使用的可靠性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期易于恢复的单元，可分配度较高的可靠度。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。加工工艺性： 1.产品结构的合理组合产品结构的合理组合：一个产品是由部件、组件和零件组成。组成产品的零部件越少，结构越简单，质量也可减小，但可能导致零件的形状复杂，加工工艺性差。2.零件的加工工艺：零件的结构形状、材料、尺寸
