1、“规格严格、功夫到家”机械制造装备设计机械制造装备设计哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室黄黄 博博本课程主要讲述内容p 机械制造装备及制造业动态p 机械制造装备设计方法p 金属切削机床设计p 典型部件设计p 工业机器人设计p 机床夹具设计p 物流系统设计p 机械加工生产线总体设计概念说明常用机床p 车床u用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行加工p 铣床u用铣刀在工件上加工各种表面的机床。通常铣刀旋转运动为主运动，工件（和）铣刀的移动
2、为进给运动。它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。p 刨床u用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的直线运动机床。在大批量生产中往往被铣床所代替。p 镗床u用镗刀对工件已有的预制孔进行镗削的机床。通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。主要用于加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工还可进行钻削、铣削。1.机械制造装备及制造业动态装备p 机械制造过程：p 机械制造装备：n 加工装备、工艺装备、仓储传送装备、辅助装备u加工装备（机床，制造机器的机器，工作母机）n 金属切削机床（切除余量，达到尺寸、形状、精度、表面质量）车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、螺纹、齿轮等；通用、专
3、用、专门化；精密程度；自动化程度；数控等分类原材料原材料热、冷加热、冷加工工装配产品装配产品总成总成产品调试产品调试检验检验包装包装发运发运概念说明电加工机床p 电火花加工u 利用工具电极与工件间的脉冲放电现象去除微粒，加工硬导电金属；u 包括：穿孔加工、成形、雕刻、展成、磨削等；p 电火花线切割u 一根移动的金属丝做电极，金属丝与工件间脉冲放电，浇液体介质，放电腐蚀进行切割；p 电解加工u 金属在直流电流下，电解液中产生阳极溶解进行加工，又称电化学加工；u 工件与工具分接正负极，缓慢进给，间隙中流过一定压力电解液；概念解释超声波加工p 超声波加工（主要用于特硬材料，如陶瓷、水晶、石英、玻璃等
4、）u 工具做超声振动，以一定静压力压工件，工件与工具间引入磨料悬浮液，振动工具作用下，磨粒对工件材料冲击挤压，加上空化爆炸作用切除材料。u 铣、镗、磨的刀具头上镶有工业钻石，钻石刀具以额定频率为20kHz即每秒 20000次的脉动方式伸缩，在伸出或振幅的最高点，附在刀具上的多个钻石核与工件的表面碰撞，于是材料就变成极小的颗粒。u 超声波塑料焊接：上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。概念解释激光加工机床p 激光加工机床u激光的极高能量密度产生上万摄氏度高温聚焦于工件，瞬间急剧融化和蒸发，并产生强烈冲击波，融化的物质爆炸式喷射出来。u可以加工任何材料
5、、可用于精密微细加工；u特别适合加工微小孔（0.01-0.1）和材料切割（0.1-0.5mm）；概念解释电子束加工机床p 利用电能将阴极（钨丝）加热到 2700C,电子束可进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼等。p 电子束流可取成几微米甚至几分之一微米的小斑点，最小孔径可达0.001-0.003mm，尺寸精度可达0.01-0.0001um，能加工微孔，窄缝，,不锈钢、耐热钢、宝石、半导体，半导体集成电路等。p 电子束加工是一种接触式加工，加工过程中工件不受机械力作用，因此，不产生宏观应力和变形，而且加工过程中不存在工具损耗问题。p 可以通过磁场和电场对电子束的强度，位置，聚集等进行直接控制，
6、整个加工过程容易实现自动化。p 电子束流可以分割成多条细束，实现多束同时加工，生产率高。p 电子束加工是在真空中进行的，因而产生污染少，加工表面在高温时也不易氧化，特适于加工易氧化材料及纯度要求较高的半导体材料。概念解释离子束加工机床p 在真空条件下，把氩Ar、氪Kr、氙Xe等惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚集，投射到工件加工部位，实现去除加工p 离子束可以通过光学系统进行聚集扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制 p 离子束加工是在高真空中进行，所以污染少；p 离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，因此应用范围受限，。p 离子蚀刻用于加工
7、陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。p 离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等概念解释水射流加工机床p）采用水流等液力作为刀具 Water Jet CutingWater Jet Cuting简称简称 WJCWJC，俗称水刀p 水切割是一种冷切割，因此无热变形或汽化物 p 切缝小，可节约材料，降低加工成本 p 数控加工，能任意位置开始或停止切割，适于复杂及精密零件的切割 p 切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险，液体经过很好的过滤，
8、与“切屑”分离后又能重复使用。p 应用的部门有航天航空工业，用于切割钛合金，铝合金，不锈钢，碳纤维，航空玻璃以及复合材料，热敏性强的材料等1.机械制造装备及制造业动态装备u加工装备n 特种加工机床 高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化的产品发展方向；解决难题，如：大面积镜面、深孔及弯孔、难切削、微细加工等；方法;电加工、超声、激光、电子束、离子束、水射流等；电加工机床：利用电能对工件进行加工；超声波加工机床；激光加工机床；电子束加工机床；离子束加工机床；水射流加工机床。n 锻压机床（在锻压加工中用于成形和分离的机械设备）锻造机、冲压机、挤压机、轧制机等。n 铸造机床 离心铸造、压力铸造等
9、。概念解释锻压机铸造机1.机械制造装备及制造业动态装备u工艺装备n 刀具 车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀、拉刀等；n 模具（加工业每年模具消耗价值是各种机床总价值的五倍）粉末冶金模具 塑料模具 压铸模具 冷冲模具 锻压模具n 夹具 专用夹具 承租夹具 组合夹具n 量具 千分尺、百分尺、量规、量块等。概念解释刀具1.机械制造装备及制造业动态装备u工艺装备n 刀具 车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀、拉刀等；n 模具（加工业每年模具消耗价值是各种机床总价值的五倍）粉末冶金模具 塑料模具 压铸模具 冷冲模具 锻压模具n 夹具 专用夹具 承租夹具 组合夹具n 量具 千分尺、百分尺、量规、量
10、块等。概念解释夹具p 机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对的于机床和刀具的正确位置，并可靠夹紧工件1.机械制造装备及制造业动态装备u工艺装备n 刀具 车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀、拉刀等；n 模具（加工业每年模具消耗价值是各种机床总价值的五倍）粉末冶金模具 塑料模具 压铸模具 冷冲模具 锻压模具n 夹具 专用夹具 承租夹具 组合夹具n 量具 千分尺、百分尺、量规、量块等。概念解释量具p 常用量具n 游标卡尺n 千分尺（螺旋测微仪）n 百分表n 塞尺n 千分表n 平板（工件检测或划线的平面基准器具）1.机械制造装备及制造业动态装备u仓储传送装
11、置n 仓储 立体仓库等；n 物料传送装置 用于流水线或自动线中；自动运载小车AGVn 机床上下料装置u辅助装备 清洗机 排屑装置1.机械制造装备及制造业动态动态p 机械制造业的作用及现状u制造业是国民经济的支柱产业，是国家综合制造能力的集中体现；u重大装备研制能力是国家工业现代化水平和综合国力的重要标志。u从十一五开始，国家将振兴装备制造业作为推进工业结构优化升级的主要内容，数控机床是重点之一。u我国机床制造业布局：n 东北：数控车床、加工中心、重型机床和锻压设备、量具刃具；n 东部：数控磨床占全国3/4，长三角是磨床、电加工机床、板材加工设备、工具和机床功能部件的主要基地；n 西部：西南齿轮
12、加工机床、小型机床、专用生产线及工具；西北齿轮磨床、数控车床和加工中心、工具盒功能部件；n 中部：重型机床和数控系统；n 环渤海：加工中心和液压压力机；n 珠三角：数控系统基地，数控车床和数控系统、功能部件等。1.机械制造装备及制造业动态动态p 机械制造生产模式的演变u20世纪50年代n“刚性”生产模式，“一个工人、一把刀、一台机床”，生产率低、质量不稳定；“少品种、大批量”“规模效益”u20世纪70年代n 改善生产管理进一步提高质量，降低成本，如“成组技术”等；u20世纪80年代n 引进：数控机床、机器人、柔性制造，强调“柔性、自动、精密”n 产品设计开始采用：CAD、CAE、CAPP，具体
13、内容见书本 MRP(Material Requirement Planning)库存管理，ERP雏形；MRPII（Manufacturing Resource Planning)物流、资金信息集成 OPT(Optimized Production Technology）最佳生产技术，生产管理 JIT(Just In Time)准时生产方式，无库存生产（Stockless Production）ERP(Enterprise Resource Planning）物流、人流、财流、信息流1.机械制造装备及制造业动态动态p 20世纪末期u数字化设计与制造应用日趋广泛；u数字化制造在虚拟现实、计算机网络
14、、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术下，根据用户需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现产品设计和功能仿真，进而快速生产出满足用户性能要求的产品的整个制造过程。u快速响应市场成为制造业发展的主要方向；如：敏捷制造（agile Manufacturing)、精益-敏捷-柔性生产系统、快速可重组制造、全球制造等。u敏捷制造将柔性生产技术、有技术有知识的劳动力与能够促进企业内部和企业之间合作的灵活管理集中在一起u快速可重组制造和并行工程是21世纪先进制造模式，主要特点：以用户需求为中心；制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量和品种；以柔性、精益和敏捷为竞争优势
15、。名词解释三轴至五轴五轴：3个线性（linear axis）2个旋转轴（rotary axis）定位五轴：刀轴矢量可改变，但固定后沿着整个切削路径过程不变，控制路径轴 X、Y、Z 参与旋转轴A(B)、C五轴联动：整个切削路径过程刀轴矢量可根据要求而改变，控制路径轴 X、Y、Z 控制旋转轴A(B)、C三轴加工：刀轴矢量沿着整个切削路径过程始终不变，控制路径轴 X、Y、Z概念解释五轴加工机床p 立式五轴加工中心的回转轴有三种方式：（四轴一般是卧式）u 刀轴方向不动，两个旋转轴均在工作台上（工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示
16、的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度）；工件加工时随工作台旋转，须考虑装夹承重，能加工的工件尺寸比较小。主轴刚性非常好，制造成本比较低（1,2）u 工作台不动，两个旋转轴均在主轴上。机床能加工的工件尺寸比较大。（3,4）u 两个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件；主轴摆动，改变刀轴方向灵活（5）（1、3为俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直为俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直1.机械制造装备及制造业动态动态p 机械制造装备的发展趋势u高效、高速、高精度n 普通级数控机床加工精度已由10
17、um提高至5um，精密级加工中心从3-5um提高至1-1.5um，超精密已进入纳米级（0.01um）u多功能复合化、柔性自动化n 复合加工机床、五轴加工机床（指x、y、z三个移动轴加任意两个旋转轴）、纳米加工机床、新型并联加工机床等。u绿色制造与可持续发展战略n 绿色制造过程设计、绿色生产与工艺、绿色切削加工、绿色供应链、机电产品噪声控制、绿色材料、绿色包装、绿色回收u智能制造与智能化装备n 智能加工机床、工具和材料传送、检验和实验装备等智能化；n 具有数控加工能力外，还具有感知、推理、决策、控制、通信、学习等智能功能。1.机械制造装备及制造业动态动态u智能制造与智能化装备（续）n 日本智能机
18、床（Intelligence Machine）主动振动控制，将振动减至最小，因振动会影响加工精度、表面粗糙度、刀尖磨损程度和加工时间等；智能热屏障技术对热位移进行控制与自动补偿，因热变化将产生定位误差等；智能安全屏障防撞，因工人调整、测量、换刀过程可能碰撞；语音提示系统，在工人手动操作和调整时进行智能提示；n 美国制造工程控制实验室（MEL）认为，智能机床功能：机床能感知自身状态和加工能力，并自我标定，预测机床在不同状态下可达加工精度，相关信息以标准协议存入数据库，以便机床内部信息流、更新及操作查询；机床能监视和优化自身加工行为，能自校准、自诊断、自修复和自调整，发现并补偿误差，保持最佳工作状
19、态；可根据加工过程中获得数据，估算最终产品精度，在线质量评估；能根据加工中及加工后数据更新机床应用模型，具有自学习能力。直接驱动技术；高定位精度和重复定位精度1、本章小结p 机械制造过程p 机械制造装备u 加工装备n 金属切削机床（车铣刨磨等）n 特种加工机床（电加工、超声、激光、电子束、离子束、水射流等）n 锻压机床n 铸造机床u 工艺装备n 刀具、模具、夹具、量具；u 仓储传送装备n 仓储、物料传送、机床上下料u 辅助装备p 机械制造装备动态n 高效、高速、高精度n 多功能复合化、柔性自动化（解释了五轴加工）n 绿色制造与可持续发展战略n 智能制造与智能化装备（何为智能？）感知自标定、监测
20、优化并误差补偿、在线质量评估、自学习本课程主要讲述内容p 机械制造装备及制造业动态p 机械制造装备设计方法p 金属切削机床设计p 典型部件设计p 工业机器人设计p 机床夹具设计p 物流系统设计p 机械加工生产线总体设计2.机械制造装备设计方法功能要求p 一般功能要求u 加工精度（尺寸精度、表面形状精度、位置精度、粗糙度等）；影响因素有：几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、运动平稳性等。u 强度、刚度及抗振性要求；u 加工稳定性要求，（切削热、摩擦热、环境热）；减少发热量、散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。u 耐用度要求（磨损导致间隙，精度丧失），设计、工艺、材料、热处理、使用等方面
21、考虑减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。u 技术经济要求，成本分摊！p 柔性化u 产品结构柔性化；（装备产品的系列化）u 功能柔性化；（少量调整或修改软件，改变功能）n 如：备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化、数控化等。p 精密化u 微米级亚微米级纳米级；装备自身精度已无法凑效，需误差补偿；n 热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺性的弹性变形等建模。2.机械制造装备设计方法功能要求p 自动化u 凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制等。p 机电一体化u 充分考虑机械、液压、启动、电力电子、计算机软硬件特点，进行合理功能搭配，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最
22、佳技术系统。p 节材（加法设计）p 符合工业工程的要求u 开发阶段：充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳工艺方案，选择合理制造设备，减少工时与材料消耗；u 合理进行装备总体布局，优化操作步骤和方法（对作业程序进行分析，取消不必要操作，合并和简化重复和繁琐的工作，缩短操作路线和事件，合理分配两手负荷等），减少操作过程中工人体力消耗；u 对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准；p 符合绿色工程要求（考虑全生命周期）2.机械制造装备设计方法设计类型p 创新设计u创新设计必须有创造性思维（直觉思维和逻辑思维）n 技术发展到今天，单纯直觉思维很难，须站在巨人肩膀，集成创新是
23、主要形式。n 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，还应试制试验验证产品技术可行性，小批量验证制造工艺及装备。u变型设计n 在原有“成熟”产品基础上，按照一定规律演变出各种不同规格的参数、布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能，形成产品系列。u模块化设计n 按照设计要求，选择适当的功能模块，形成“组合产品”“集成设计”n 模块化设计有时是制造资源规划（MRPii)驱动的；n 机械制造装备产品中一大半属于变型产品和组合产品，创新产品占比小，但很重要。2.机械制造装备设计方法典型设计p 创新设计最典型，可分为四个阶段：u产品规划、方
24、案设计、技术设计和工艺设计p 产品规划阶段（十分重要，将需求与本厂生产要求相结合）u市场调研基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定任务书u1）需求分析n 立意最重要（如作文、科研选题），产品也如是，识别需求是一个创造性的过程。需要高度重视。n 及时找到和预测市场需求，及时研发并投放市场。（如多点触控）n 包括对销售市场和原材料市场的分析：面向的社会消费群体，对产品功能、技术性能、质量、数量、价格需求；现有类似产品的功能、技术性能、价格、市场占有情况及发展趋势；竞争对手在技术、经济方面的优劣势分析及发展趋势；主要原材料、配件、半成品等的供应市场、价格及变化趋势等。驱动因素驱动因素相关受益子行业
25、或产品相关受益子行业或产品驱动驱动内因内因旺盛的下游需求旺盛的下游需求电力设备、铁路运输设备、工程机械、冶金矿山设备、节能环保设电力设备、铁路运输设备、工程机械、冶金矿山设备、节能环保设备、港口机械等备、港口机械等行业周期复苏或景气回行业周期复苏或景气回升升工程机械、农业机械、医疗器械、摩托车、石化专用设备、专用仪工程机械、农业机械、医疗器械、摩托车、石化专用设备、专用仪器仪表、船舶制造、航空航天器材制造、器仪表、船舶制造、航空航天器材制造、有国际比较优势有国际比较优势金属制品、轴承阀门、集装箱、港口起重机械、摩托车、低档民用金属制品、轴承阀门、集装箱、港口起重机械、摩托车、低档民用船舶和工程
26、机械等船舶和工程机械等驱动驱动外因外因国家经济政策主题和投国家经济政策主题和投资重点资重点“新农村新农村”-农业机械、中小型工程机械、办公文化用品设备、医农业机械、中小型工程机械、办公文化用品设备、医疗器械疗器械“节能环保节能环保”-冶金矿山、石油钻采、核电、风电设备、烟气脱冶金矿山、石油钻采、核电、风电设备、烟气脱硫设备、硫设备、除尘器除尘器“高速铁路高速铁路”-铁路运输设备、铁路施工设备、工程机械铁路运输设备、铁路施工设备、工程机械“重点工程重点工程”-工程机械工程机械“航空航天、飞机制造和国防投入航空航天、飞机制造和国防投入”-武器装备、航空航天器材武器装备、航空航天器材、军事工业、军事
27、工业政策扶持的行业（振兴政策扶持的行业（振兴装备制造业若干意见）装备制造业若干意见）重点扶持项目重点扶持项目大型清洁高效发电设备、大型化工设备、大型煤化工成套设备、大大型清洁高效发电设备、大型化工设备、大型煤化工成套设备、大型海洋石油装备、型海洋石油装备、大型薄板冷热连轧成套设备、大型煤炭井下综采提升洗选设备、船大型薄板冷热连轧成套设备、大型煤炭井下综采提升洗选设备、船舶及海洋工程设备、高速轨道交通设备、大型环保设备、大型施工舶及海洋工程设备、高速轨道交通设备、大型环保设备、大型施工机械、大型精密高速数控设备和数控机床、新型纺织设备、新型大机械、大型精密高速数控设备和数控机床、新型纺织设备、新
28、型大马力农业装备、电子专用设备、飞机马力农业装备、电子专用设备、飞机国际产业转移国际产业转移船舶制造业、工程机械、轴承阀门、轻纺设备、摩托车船舶制造业、工程机械、轴承阀门、轻纺设备、摩托车目标市场的社会环境、有的经济技术政策2.机械制造装备设计方法典型设计p 产品规划阶段（续）u2）调研包括市场调研、技术调研和社会环境调研n 市场调研 用户需求产品功能、性能、质量、使用、保养、维修、外观、颜色、风格、需求量和价格等；产品情况产品在生命周期线的位置，新老产品交替的动向分析（如胶卷）同行情况同行产品经验销售情况和发展趋势。市场占有率与差距等。供应情况原材料、配件、半成品的质量、品种、价格、供应（如
29、IPAD)n 技术调研 产品技术的现状及发展趋势（如智能手机操作系统）行业技术与专业技术的发展趋势；新型元器件、新材料、新工艺的应用及发展动态；竞争产品技术特点分析；竞争企业的新产品开发动向；环境要求等。n 社会环境调研 目标市场的社会环境、有关的经济技术政策、社会风俗习惯等（如快背车）2.机械制造装备设计方法典型设计p 产品规划阶段（续）u3）预测n 定性预测；n 定量预测；u4）可行性分析 对产品开发中重大问题进行充分的技术经济论证，判断是否可行？包括技术分析、经济分析、社会分析！n 可行性报告包括：产品开发的必要性，市场调查及预测情况；（研究意义）同类产品国内外技术水平、发展趋势；（国内
30、外研究现状分析）从技术上预期产品开发能达到的技术水平；（研究目标）设计、工艺和质量等方面需要解决的关键技术问题；（研究内容）投资费用及开发时间进度，经济效益和社会效益估计；（进度安排）现有条件下开发的可能性及准备采取的措施（研究方案，关键问题）2.机械制造装备设计方法典型设计p 产品规划阶段（续）u5）编制设计任务书产品设计任务书是 指导产品 设计的基 础性文 件，其主 要任务是 对产品进 行选型，确定最佳 设计方 针。2.机械制造装备设计方法典型设计p 方案设计阶段（第二阶段）根据设计任务书的要求，进行产品功能原理的设计。群策群力，方法多样，开拓创新，探索多种方案并仔细论证筛选。u1 1对设
31、计任务的抽象n 设计师应对设计任务进行抽象，抓住主要要求，兼顾次要要求，避免由于知识和经验的局限性，思想上的种种框框，误导设计方案的制订。n 对设计任务进行抽象是对设计任务的再认识，通过功能关系和与任务相关的主要约束条件的分析，对“设计要求表”一步一步进行抽象，找出具有本质性的和主要要求，即本质功能，以便找到能实现这些本质功能的解，再进一步找出其最优解。u2.建立功能结构n 总功能是表达输入量转变成输出量的能力。（物流、能量流、信息流）n 总功能可逐级往下分解，分解到子功能要求比较明确，便于求解为止。n 已有子功能，采用；没有的子功能，开发；重复出现，通用零部件。n 分功能和多级子功能及它们之
32、间的关系称为功能结构。2.机械制造装备设计方法典型设计u功能间的联系存在三种基本结构型式：n 串联结构如图a所示，又称顺序结构。n 并联结构如图b所示。n 环形结构如图c所示，是输出反馈为输入的循环结构。n 图e则是有选择性地进行反馈的循环结构。2.机械制造装备设计方法典型设计p 方案设计阶段（第二阶段-续）u3 3寻求原理解与求解方法n 原理解就是能实现某种功能的工作原理，和实现该工作原理的技术手段和结构原理，即所谓功能载体。n 工作原理是科学原理和技术原理的统称。是设计中最关键、最富于创造性的一个环节。（综合运用机电液光等多种学科知识，例如：下图）n 从技术上和结构上实现工作原理的功能载体
33、是以它具有的某种属性来完成某一功能的。（如离合器的类型：牙嵌、摩擦、液力耦合、电磁）如我们研制的全自动化学发光免疫分析仪，生光机电液一体化2.机械制造装备设计方法典型设计p 方案设计阶段（第二阶段-续）u4 4初步设计方案的形成n 将所有子功能的原理解结合起来，才能形成和实现总功能，可以得到多个初步设计方案，应采用合适的结合方法，常用方法有：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。具体方法是采用如图所示的图表。原则：各子功能原理相容，协调；原则：能全面满足设计要求表的内容；初步设计方案先进，成本低。数学方法结合法：当子功能原理解的物理和几何特征可以定量的形式表达时，有可
34、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。2.机械制造装备设计方法典型设计p 方案设计阶段（第二阶段-续）u5.初步设计方案的评价与筛选n(1)初步设计方案的初选：观察淘汰法和分数比较法。n(2)初步设计方案的具体化 绘出方案原理图、整机总体布局草图、主要零部件草图；初步比较：空间占用量、质量、材料、制造工艺、成本、运行费等主要性能；进行运动学、动力学和强度方面的粗算，初步定量反映工作特性；进行必要的原理实验，验证原理可行性；小比例模型，获得更全面技术数据；（如车）n(3)对初步设计方案进行技术经济评价 简历目标系统和确定评价标准，确定重要性系数，按技术观点评分2.机械制造装备设计
35、方法典型设计p 技术设计阶段（第三阶段）将初步设计方案具体化，绘制装配草图，初选主要零件材料和工艺。u1.确定结构原理方案n(1)确定结构原理方案的主要依据，其中包括：决定尺寸的依据；决定布局的依据；决定材料的依据；决定和限制结构设计的空间条件等。n(2)确定结构原理方案，在上述依据的约束下，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。n(3)评价和修改，对确定的结构原理方案经过技术经济评价提供依据。u2.总体设计（进一步具体化，可能给出多个总体设计方案供选择）n(1)主要结构参数：尺寸参数、运动参数、动力参数等。n(2)总体布局：包括部件组成、各部件的空间位置布局和运动
36、方向、操作位置、各部件相对运动配合关系，即：工作循环图n(3)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。n(4)经济核算：包括成本和运行费估算、回收期、资源再利用等。n(5)其它，外协、工艺、周期等2.机械制造装备设计方法典型设计p 技术设计阶段（第三阶段）续u3.结构设计u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。u必须遵守有关国家、部门和企业颁布的标准规范，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。u经常采用诸如有限元分析、
37、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等现代设计方法，来解决设计中出现问题。p 工艺设计阶段（第四阶段）u零件图设计（尺寸、公差、材料、工艺、标准等）u完善装配图（根据零件设计对装配图进行修订，零件企业标注号）u商品化设计（价值设计、降低成本，外观、包装）u编制技术文档（全套资料及规定）2.机械制造装备设计方法系列化设计p 系列化设计 市场对待加工件的尺寸、结构和材料、精度等要求多样，单一规格产品无法满足市场需求。需要设计制造出：尺寸规格、功率参数和精度不同的系列产品投放市场。u 概念：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，
38、构成产品基型系列。u 需编制反映基型系列和派生系列关系的产品系列型谱。u 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。u 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。u系列化设计优缺点n 优点：1）减少品种规格，隐形提高批量；2）基础性减少风险，缩短周期；3）产品相似，工装减少；4）便于维修；5）变型设计技术基础n 缺点：产品覆盖一定谱宽，谱宽设计准确比较难，用户体验不完美。2.机械制造装备设计方法系列化设计p2.机械制造装备设计方法系列化设计p 3.3.制订系列型谱u系列型谱通常是二维甚至多维的
39、，其中一维是主参数，其它维是主要性能指标。通过系列型谱的制订，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。u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。u系列型谱内的产品是在基型产品的基础上经过演变和派生而扩展成的。扩展的方式有纵系列、横系列和跨系列扩展三类。n 纵系列：功能、工作原理和结构相同，尺寸和性能参数不同；如：CK6136与CK6140/1000（C：车床；K：数控；61：卧式，62：马鞍;40最大回转直径400；1000代表最大工件长度）n 横系列：增减、更换或修改某些零部件，实现功能扩展的派生产品；如：卧式
40、车床无尾架短床身车床（轴承套圈）、马鞍形车床（大直径）n 跨系列：采用相同的主要基础件及通用部件的不同类型产品；如：坐标镗床-坐标磨床、坐标电火花成形（改造主轴箱及控制系统）2.机械制造装备设计方法模块化设计p 模块化设计 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多种产品。u 模块上具有特定的联接表面和联接方法，以保证组合的互换性和精确度。u 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。u 模块化系统多数是属于模块和非模块的混合系统。p 优点
41、u 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。u 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。u 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。u 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。2.机械制造装备设计方法模块化设计p 模块化设计的步骤u1 1明确任务n 为了能以最少的模块组合出数量最多、总功能各不相同的产品，需要对市场需求进行深入调查，对所有欲实现的总功能加
42、以明确，摒弃市场需求很少而又需要付出很大设计和制造代价的那些总功能。n 表1-3是以车床的市场需求为例。尾座可特殊模块化；米制基本功能机床类型机床类型生产类型生产类型刀具刀具后刀座刀数后刀座刀数无尾座无尾座车削车削螺纹切削螺纹切削仿形仿形车削车削高速钢硬质合金12总米英模简单通用简单通用修理车间、车库5050-60106535-小工厂2080-7298020-15单一产品加工128810-707821625数控数显数控数显小批量生产69415-755928-40中、小厂中批量-10018-802964-35大厂中批量-10021382-982-5大、中厂大批量-10020479-964-2.机
43、械制造装备设计方法模块化设计u2.2.建立功能结构（模块化之2）n 划分模块是模块化设计的关键问题！模块少，则每个模块的功能和性能多，结构复杂;（劣）模块少，则每个产品的功能冗余多，整个系统柔性化程度低；（劣）模块少，通用化程度高，加工批量大，成本更低。（优）n 划分模块的出发点是功能分析。根据产品的总功能分解为分功能、功能元，求相应的功能模块，再具体化为生产模块。n 分功能包括基本功能、辅助功能、特殊功能和附加功能等2.机械制造装备设计方法模块化设计 以车床为例：n 市场需求分析，明确任务后，绘出下图所示功能结构；n 根据功能分析的结构，建立右图所示模块系统，共9类28种模块；n 功能模块基
44、础上确定生产模块，有：部件式、组件式、零件式（灵活性依次上升）。2.机械制造装备设计方法模块化设计u3.3.合理确定产品的系列型谱和参数（遵循系列化设计原理）n 纵系列模块系统中模块功能及原理方案相同，结构相似，而尺寸参数有变化。随参数变化对系列产品划分合理区段，同一区段内模块通用。n 横系列是在一定基型产品基础上更换或添加模块，得到扩展功能变型n 跨系列包括具有相近动力参数的不同类型产品功能模块。u4 4模块的组合n 设计要考虑模块组合，用较少种类的模块组合出尽可能多的组合产品。n 模块系统分开式和闭式两类。闭式系统有限，开式系统无限组合。组合时要考虑使用需要、工艺及相容关系，实际组合数大大
45、小于理论数。n 要精心设计结合部的结构，结合部位的形状尺寸配合精应尽量标准。u5.5.模块的计算机管理系统n 1)对模块进行编码，以便进行计算机管理；n 2)给出模块系统最多可组合的产品数；对于某一设计要求：分析是否存在一种有效的组合方案；在满足要求的几种组合方案中进行评价，选择最佳的组合方案；若无有效的组合方案满足用户要求，为新的模块设计提供信息；n 3)给出已选方案的模块组装图、明细表及价格表。2.机械制造装备设计方法合理化工程p 合理化工程是一种管理哲理，适用于合同型企业。（老概念，90年代）p 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
46、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。2.机械制造装备设计方法评价p 设计过程是通过分析、创造和综合而达到满足特定功能目标的一种活动。u设计是一种综合的过程，经常需要妥协和平衡。u过程中需要不断评价设计方案，根据评价结构进行修改，逐渐实现特定的功能目
47、标。u评价方法有：n 1、技术经济评价（技术先进、经济合理）n 2、可靠性评价n 3、人机工程评价n 4、结构工艺性评价n 5、产品造型评价n 6、标准化评价2.机械制造装备设计方法评价p 1）技术经济评价 技术与经济往往互斥，需深入分析u（1）建立目标系统和确定评价标准n 将“设计要求表”中的必达目标按层次 分级，形成树状目标系统。u（2）确定重要性系统n 每个评价标准影响程度用重要性系数表示，取值范围是01。n 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；n 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
48、要性系数。=该目标左侧数*上级目标左侧数。u（3）确定各设计方案的评价分数n 如表1-4所示，确定评价分数。4-5列为每个评价标准的特征说明及计算方法。如轻量化设计的评价指标可为产品质量或单位功率质量。n 特征值为根据标准算出的特征值；评价数为（0-4或0-9）排序打分；加权值为：评价数*评价标准重要性系数。同级同级u（4）总权重值u（5）技术评价(相对值）n 理想方案为1；n 0.6以下不合格；n l0.6之间为技术上可行方案。n 如果技术上可行的设计方案，其个别评价标准的评价数特别低，说明该设计方案在这方面有明显弱点，应认真地对这些弱点进行分析，判断这些弱点将来有无可能祸及全局，可能，必须
49、对设计方案进行修改，排除弱点，重新参与评价，再考虑能否作为初步优选方案。u（6）经济评价n 经济评价是理想生产成本与实际生产成本之比。n 产品成本主要包括材料成本和开发制造成本两大部分。具体估算方法根据本企业情况与算法相结合决定。u（7）技术经济评价，可用均值法或双曲线法等结合，0.65以上2.机械制造装备设计方法评价2.机械制造装备设计方法评价p 可靠性评价 可靠性指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定任务的能力 规定条件：使用、维护、环境、操作等条件；规定时间：规定时间或重复次数、距离等；规定任务：产品应具有的技术指标。u可靠性特征量2.机械制造装备设计方法评价p 可靠度（产品规定条件
50、与时间内，完成规定任务的概率R(t)）u 可靠度观测值指规定时间终了，完成规定任务的产品数与产品总数之比；p 累计失效概率（与可靠度之和为1）p 失效率（某时刻尚未失效的产品，在之后单位时间内失效的概率，也叫故障率）u 观测值：在某时刻后，单位时间内失效的产品数 与 工作到该时刻尚未失效的产品数之比。p 平均寿命（Mean Time To Failures）与平均无故障时间（Mean Time Between Failures）p 可靠寿命：给定的可靠度所对应的时间p 维修度：规定时间及方法维修时，保持和恢复到能完成规定任务状态的概率。p 修复率：某时刻未修复产品，该时刻后单位时间内完成修复的
