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1、 第二章 机械制造装备设计方法1 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。2 创新设计：创新设计通常应从市场调研和预测开始，明确产品的创新设计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计等四个阶段；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。3 变型设计：采用适应型和变参数型设计方法。在原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保持不变，适应型设计是通过改变或更换部分部件或结构，变参数型设计是通过改变部分尺寸与性能参数，形成所谓的变型产品。按照一定的规律演
2、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。4 模块化设计：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，是在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。5 机械制造装备设计的典型步骤可划分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计等四个阶段。6 产品规划阶段的任务是明确设计任务，包括：需求分析、调查研究、预测、可行性分析、编制设计任务书7 方案设计阶段：根据设计任务书的要求，进行产品功能原理的设计。方案设计
3、阶段大致包括对设计任务的抽象、建立功能结构、寻求原理解与求解方法、形成初步设计方案和对初步设计方案的评价与筛选等步骤。8 技术设计阶段：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；如果需要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。在技术设计阶段将综合运用系统工程学、价值工程学、力学、摩擦学、机械制造工程学、优化理论、可靠性理论、人机工程学、工业美学、相似理论等，来解决设计中出现的问题。9 工艺设计阶段：主要进行零件工作图设计、
4、完善部件装配图和总装配图，进行商品化设计，编制各类技术文档等。10 系列化设计的基本概念：需要设计和制造出尺寸规格、功率参数和精度等各不相同的一系列产品满足市场。在产品设计中应遵循系列化设计的方法，以提高系列产品中零部件的通用化和标准化程度。11 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。编制反映基型系
5、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和相似的结构形式；同一类型的零部件在规格不同的产品中具有完全相同的功能结构；不同规格的产品，同一种参数按一定规律(通常按等比级数)变化。12 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“三化”原则。有时将“结构的典型化”作为第四条原则，即 “四化”原则。13 系列化设计步骤：主参数和主要性能指标的确定、参数分级、制订系列型谱。14 模块化设计的基本概念是：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
6、功能结构和性能的多种产品。这类模块是具有一定功能的零件、组件或部件，模块的结构与外形设计要考虑不同模块组合时的协调性，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。15 模块化设计的步骤：明确任务、建立功能结构、合理确定产品的系列型谱和参数、模块的组合、模块的计算机管理系统。16 机械制造装备设计的评价主要包括如下内容：技术经济评价、可靠性评价、人机工程评价、结构工艺性评价、产品造型评价和标准化评价等。17 技术经济评价：设计的产品在技术的先进性和经济的合理性往往是相互排斥的。技术经济评价就是通过深入分析这两方面的问题，建立目标系统和确定评价标准，对各设计方案的技术先进性
7、和经济合理性进行评分，给出综合的技术经济评价。18 建立目标系统和确定评价标准：将表2-1所表示的设计要求表中的必达目标按层次分级，形成树状目标系统，每个树叶代表一个评价标准。如图27所示。19 确定重要性系数：每个评价标准对设计方案优劣的影响程度用重要性系数(权系数)来表示，取值范围是0-1。如图27所示的树状四级目标系统为例，每个评价目标圆圈内有两个数字：左面的数字表示隶属于同一上级目标的各同级目标之间的相对重要性系数，其总和应等于1，一般由设计人员或设计组共同商定；右面的数字表示每一个评价目标在目标系统中所居的重要程度，简称重要性系数，其值等于该目标圆圈左测数字与相关的各上级目标圆圈左侧
8、数字的乘积。20 确定各设计方案的评价分数：目标系统中的每个评价标准(树叶)的重要性系数算出后，可按评价标准确定每一个设计方案的评价分数，评价分数可按5分制(04)或10分制(09)给出。评价分数的大小代表了技术方案的优劣程度。21 确定评价分数的方法如表24所示。22 “加权值”的值等于评价数乘以评价标准的重要性系数。23 总权重值：将每个初步设计方案n个“加权值”进行累加，可得出该方案的总权重值。24 技术评价。25 经济评价是理想生产成本CL与实际生产成本Cs之比。26 技术经济评价有均值法和双曲线法两种计算方法。27 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。产品
9、的可靠性主要取决于产品在研制和设计阶段形成的产品固有可靠性。28 表示产品可靠性水平高低的各种可靠性数量指标称为可靠性特征量。可靠性指标体系如图2-10所示。29 串联系统的可靠度等于组成系统的各独立单元可靠度的连乘积，在串联系统中，影响系统可靠度最大的是系统中可靠度最差的单元，要提高系统的可靠度，应注意提高该薄弱单元的可靠度。30 在并联系统中，只要有一个单元在正常工作，系统就能正常工作，如全部单元都失效时，系统才失效，故称之为储备系统。储备系统又称冗余系统。31 混联系统即由串联和并联混合组成的系统，可分为串并联系统和并-串联系统两种。32 表决系统的特点是：组成系统的n个单元中，至少有r
10、个单元正常工作，系统才能正常工作，大于(n-r)个单元失效，系统也就失效。这样的系统称之为rn表决系统。这也属于一种储备系统。33 旁联系统：图2-15所示为由n个单元组成的旁联系统，其中一个单元在工作，其余n1个单元处于非工作状态的储备。当监测装置探知工作的单元发生故障时，通过转换装置使储备单元逐个地去替换，直到所有储备单元都发生故障时，则系统失效。34 复杂系统中各单元之间既非串联又非并联关系，如图2-16所示。对复杂系统的可靠性计算比较复杂，一般采用布尔真值表法、卡诺图法、贝叶斯分析法和最小割集近似法等。35 可靠性指标的分配：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
11、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。36 可靠性分配的原则1)对技术成熟的单元，可分配较高的可靠度。 2)对较简单的单元，可分配较高的可靠度。 3)对重要的单元，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。37 可靠性分配方法：等同分配法、按比例分配法、综合评分分配法、最优化分配法。38 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的协调性。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理论和方法，是一门综合性的
12、边缘学科。39 人机工程学评价的内容包括：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，使设计的产品符合人的生理、心理特点，具有一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件。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：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；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
13、度和安全保障系统的设计。40 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。41 加工工艺性：应从产品结构的合理组合和零件加工工艺性两方面评价加工工艺性。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。42 装配工艺性：便于装配的产品结构、便于装配的零件结合部位结构、便于装配的零件结构。43 维修性的优劣可从如下几方面作综合分析评价： 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
14、。 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，指导维修。44 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。45 产品造型设计包括：尺度与比、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。46 实现标准化的目的是：1)合理简化产品的品种规格。2)促进相互理解、相互交流，提高信息传递的效率
15、。3)在生产、流通、消费等方面，能够全面地节约人力和物力。4)在商品交换与提高服务质量方面，保护消费者的利益和社会公共利益。5)在安全、卫生、环境保护方面，保障人类的生命、安全与健康。6)在国际贸易中，消除国际贸易的“技术壁垒”。47 对产品设计进行标准化评价的主要内容有： 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样和技术文件成套性检查；图样格式、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、科学性和合理性；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、文字符号等是否符合有关标准；产品图样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。
