机械制造装备设计方法课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 机械制造装备设计方法,机械制造装备设计的类型,机械制造装备设计的方法,机械制造装备设计的评价,第二章 机械制造装备设计方法机械制造装备设计的类型,1,第一节 机械制造装备设计的类型,创新设计,变型设计,模块化设计,创造性思维,直觉思维,逻辑思维,适应型设计,变参数型设计,第一节 机械制造装备设计的类型创新设计变型设计模块化设计,2,第二节 机械制造装备设计的方法,机械制造装备设计的典型步骤,系列化设计,模块化设计,合理化工程,第二节 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的典型步骤,3,一、机械制造装备设计的典型步骤,产品规划阶段,方案设计阶段,技术设计阶段,工艺设计阶段,一、机械制造装备设计的典型步骤产品规划阶段,4,（一）产品规划阶段,1.,需求分析,2.,调查研究,（,1,）市场调研：一般从用户需求、产品情况、同行情况、供应情况几方面进行调研。,（,2,）技术调研,（,3,）社会调研,3.,预测,（,1,）定性预测：采用的方法有走访调查、查资料、抽样调查、类比调查、专家调查等。,（,2,）定量预测：采用的方法有时间序列回归法、因果关系回归法、产品寿命周期法等。,（一）产品规划阶段,5,4.,可行性分析,可行性报告一般包括如下内容：,1),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。,2),同类产品国内外技术水平，发展趋势。,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,4.可行性分析,6,机械制造装备设计方法课件,7,（二）方案设计阶段,1.,对设计任务的抽象,2.,建立功能结构,分功能和多级子功能及它们之间的关系称为功能结构。,（二）方案设计阶段,8,机械制造装备设计方法课件,9,3.,寻求原理解与求解方法,所谓原理解就是能实现某种功能的工作原理，以及实现该工作原理的技术手段和结构原理，即所谓的功能载体。,从技术上和结构上实现工作原理的功能载体是以它具有的某种属性来完成某一功能的。,4.,初步设计方案的形成,（,1,）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。,（,2,）数学方法结合法,3.寻求原理解与求解方法,10,机械制造装备设计方法课件,11,5.,初步设计方案的评价与筛选,（,1,）初步设计方案的初选,1,）观察淘汰法,2,）分数比较法,（,2,）初步设计方案的具体化,具体化采用的方法大致有：,绘出方案原理图、整机总体布局草图、主要零部件草图。,进行运动学、动力学和强度方面的粗略计算。,进行必要的原理试验。,对于大型、复杂设备，可制作模型。,（,3,）对初步设计方案进行技术经济评价,5.初步设计方案的评价与筛选,12,（三）技术设计阶段,1.,确定结构原理方案,（,1,）确定结构原理方案的主要依据,（,2,）确定结构原理方案,（,3,）评价和修改,2.,总体设计,（,1,）主要结构参数,（,2,）总体布局,（,3,）系统原理图,（,4,）经济核算,（,5,）其他,3.,结构设计,结构设计阶段的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。,（四）工艺设计阶段,1.,零件图设计,2.,完善装配图,3.,商品化设计,4.,编制技术文档,（三）技术设计阶段（四）工艺设计阶段,13,二、系列化设计,系列化设计的基本概念,系列化设计的优缺点,系列化设计的步骤,二、系列化设计系列化设计的基本概念,14,（一）系列化设计的基本概念,（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,）系列中不同规格的产品是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，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。,缺点：,1,）用户有可能选不到最满意的产品。,2,）用户选择的产品有些功能可能冗余。,（一）系列化设计的基本概念,15,（三）系列化设计的步骤,1.,主参数和主要性能指标的确定,2.,参数分级 表,2,2,3.,制定系列型谱,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。,（,1,）纵系列产品,（,2,）横系列产品,（,3,）跨系列产品,（三）系列化设计的步骤,16,机械制造装备设计方法课件,17,三、模块化设计,模块化设计的基本概念,模块化设计的优缺点,模块化设计的步骤,三、模块化设计模块化设计的基本概念,18,（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。,（二）模块化设计的优缺点,（,1,）缩短开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力。,（,2,）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。,（,3,）大大缩短设计和供货周期。,（,4,）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。,（,5,）维护修理更为方便，对生产影响少。,（一）模块化设计的基本概念,19,（三）模块化设计的步骤,1.,明确设计任务,（三）模块化设计的步骤,20,2.,建立功能结构,2.建立功能结构,21,机械制造装备设计方法课件,22,机械制造装备设计方法课件,23,3.,合理确定产品的系列型谱和参数,4.,模块的组合,5.,模块的计算机管理系统,1,）对模块进行编码，以便进行计算机管理。,2,）给出模块系统最多可组合的产品数。,3,）对于用户的某一给定的设计要求，分析是否存在一种有效的组合方案。,4,）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。,5,）若干有效的组合方案满足用户要求，为新的模块设计提供信息。,6,）给出已选方案的模块组装图、明细表及价格表。,四、合理化工程,3.合理确定产品的系列型谱和参数,24,第三节 机械制造装备设计的评价,技术经济评价,可靠性评价,人机工程学评价,结构工艺性评价,产品造型评价,标准化评价,第三节 机械制造装备设计的评价技术经济评价,25,一、技术经济评价,建立目标系统和确定评价标准,确定重要性系数,确定各设计方案的评价分数,总权重值,技术评价,经济评价,一、技术经济评价建立目标系统和确定评价标准,26,（一）建立目标系统和确定评价标准,（二）确定重要性系数,（一）建立目标系统和确定评价标准,27,（三）确定各设计方案的评价分数,（三）确定各设计方案的评价分数,28,（四）,总权重值,（五）技术评价,（六）经济评价,产品成本的组成,现代产品的成本概念不但要考虑产品自身的,生产成本,，还必须考虑,产品全生命周期内的其它消耗。,产品在生产过程中的成本，按其结算方式可分为,单件成本,和,公共成,本,。,（四）总权重值（五）技术评价（六）经济评价产品成本的组成,29,机械制造装备设计方法课件,30,2.,成本估算的方法,（,1,）按质量估算法,（,2,）按材料成本折算,（,3,）应用回归分析进行估算,（,4,）应用相似关系进行估算,假设基型产品的生产成本近似按下式计算,相似产品的估算成本应为,2.成本估算的方法（2）按材料成本折算（3）应用回归分析进行,31,生产准备成本与产品成本的关系,加工成本与尺寸比例系数的关系,材料成本系数与尺寸比例系数的关系,设相似产品与基型产品的尺寸比例系数为 则可推算出：,（七）技术经济评价,1,）当 和 的值相差不太悬殊时，可用均值法计算 的值，即,2,）当 和 的值相差很悬殊时，建议用双曲线法计算 的值，即,生产准备成本与产品成本的关系加工成本与尺寸比例系数的关系材料,32,二、可靠性评价,可靠性特征量,可靠性预测,可靠性指标的分配,二、可靠性评价可靠性特征量,33,（一）可靠性特征量,（一）可靠性特征量,34,（,1,）可靠度,一般记为,R,。可靠度是时间的函数，故也记为,R(t),。,可靠度的观测值记为 。,（,2,）累积失效概率,也称为不可靠度，记为,F(t),，其观测值记为 。,根据概率互补定理由可靠度指标推算出累积失效概率，即,（,3,）失效率（故障率）,（,4,）平均寿命,(MTTF),和平均无故障时间,(MTBF),（,5,）可靠寿命,（1）可靠度,35,（,8,）平均修复时间,MTTR,（,9,）瞬时有效度,A,（,t,）,（,10,）平均有效度,（,11,）极限有效度,A,（,6,）维修度,（,7,）修复率,（8）平均修复时间MTTR（6）维修度,36,（二）可靠性预测,可靠性预测的定义及目的,影响产品可靠性的因素,可靠性预测包括,单元可靠性预测,和,系统可靠性预测,。,可靠性预测的方法,如统计分析法，失效模式、影响及故障模式、,影响（危害度）分析,（,Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,缩写,FMECA,），故,障树分析法（,Fault Tree Analysis,缩写,ETA,），,可靠性逻辑框图法及,近似值法等。,（二）可靠性预测,37,1.,串联系统（非储备系统）,串联系统的可靠度为,1.串联系统（非储备系统）串联系统的可靠度为,38,3.,混联系统,2.,并联系统（储备系统，冗余系统）,并联系统的可靠度为：,3.混联系统2.并联系统（储备系统，冗余系统）并联系统的可靠,39,4.,表决系统,特点：组成系统的,n,个单元中，至少有,r,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。这样的系统称为,r/n,表决系统。,4.表决系统,40,5.,旁联系统,6.,复杂系统,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。,5.旁联系统6.复杂系统,41,机械制造装备设计方法课件,42,（三）可靠性指标的分配,1.,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，组成单元的零部件的数量少，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。,（三）可靠性指标的分配,43,2.,可靠性分配方法,（,1,）等同分配法,（,2,）按比例分配法,1,）当新设计的产品与原有产品基本类似，已知原有产品各单元不可靠,度或失效率预测值，如对新产品要求的可靠性要求与原有产品不同时，,可按比例提高或降低预测得到的各单元不可靠度或失效率预测值，分配,给新设计产品相应的各单元。,2,）根据已掌握的可靠性资料，已能预测出新设计产品各单元的不可靠,度或失效率预测值，但尚未能满足新设计产品的可靠性要求，这时，可,按比例提高或降低预测得到的各单元不可靠度或失效率预测值，作为新,设计产品各单元的可靠度要求。,（,3,）综合评分分配法,（,4,）最优化分配法,2.可靠性分配方法,44,三、人机工程学评价,人因素方面,机器因素方面,环境因素方面,人机系统方面,三、人机工程学评价人因素方面,45,（一）人因素方面,1.,人体静态尺寸,人体静态尺寸数据已经过统计分析，制定出相应的指导性设计规范,GB/T10000,1988,。,2.,人体动态尺寸,3.,人体操纵能力,4.,人的视觉和听觉特性,视野,是指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼睛自然可见的空间范,围，常以度来表示。,视距,是指人在操作过程中正常的观察距离。,（一）人因素方面,46,仪表显示,信号灯显示,指针式,数字式,手动操纵装置,脚动操纵装置,旋转式操纵器,移动式操纵器,按压式操纵器,（二）机器因素方面,1.,信号显示装置设计,2.,操纵装置设计,（,1,）手柄操作方向,（,2,）按钮位置,（,3,）手轮操作方向,（,4,）特殊情况,仪表显示信号灯显示指针式数字式手动操纵装置脚动操纵装置旋转式,47,3.,安全保障技术,安全保障技术包括,系统本身安全性,和,操作人员安全性,两大方面。,4.,人体舒适性和使用方便性,1,）作业空间能使操作者感到舒适和安全，要照顾到不同操作者的身体,尺寸。,2,）操作过程中避免差错，提高工作效率。,3,）显示装置和操纵装置的布局要既紧凑又可区分。,4,）人作业时，四肢分担的作业要均衡，避免身体局部超负荷作业。,5,）要根据机器设备的功能特点、外观形态来进行合理的布局，以适应,人作业时的各种心理、生理的感知特性。,3. 安全保障技术,48,（三）环境因素方面,1,）作业空间,2,）物理环境,3,）化学环境,（四）人机系统方面,1,）产品系统中人的功能和其他各部分的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。,2,）系统中被控对象状态信息的处理过程，人机控制链的优化。,3,）人机系统可靠性和安全性。,4,）环境因素对劳动质量及生活质量的影响，提高作业舒适度和安,全保障系统的设计。,（三）环境因素方面,49,四、结构工艺性评价,加工工艺性,装配工艺性,维修工艺性,四、结构工艺性评价加工工艺性,50,（一）加工工艺性,1.,产品结构的合理组合,优点：,使零件的尺寸与企业生产设备尺寸相适应，也易于装配和运输。,零件形状简单化，易于毛坯生产和加工制造。,维修时只需更换失效的零件，其他零件仍可继续使用。,多个零件可以平行投产，缩短生产周期。,缺点：,增加了加工费用和装配费用。,刚度、抗振性和密封性能皆有所降低。,2.,零件的加工工艺性,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。,（一）加工工艺性,51,（,1,）铸件类零件,尽可能不采用型芯，如采用型芯要考虑其支承和清砂；,模型和型芯尽可能采取直线、平面等简单形状；,结构形状应充分考虑起模方便；,避免大面积的水平壁和截面朝上逐渐变小，以免产生气泡和缩孔；,壁厚不可小于最小允许尺寸，并尽量均匀，厚度变化应逐渐过渡；,合理考虑分模面的位置，便于机械加工和去除毛刺；,加工面留有必要的退刀结构，考虑加工时夹紧和定位的可靠性和刚性。,避免倾斜的加工面，在结构允许的前提下，调整加工面于一个平面上。,孔在同一个轴线上甚至同一个直径和公差，可合并工序，简化工艺；,在结构允许的前提下，用分散布置的小联接面替代整块大的联接,面，以减少加工工作量。,（1）铸件类零件,52,（,2,）模锻件类零件,结构形状应充分考虑拔模方便；,分模面尽可能是平面，尽量位于零件高度的一半处，并与最小高度相,垂直；,避免过大的薄平面；,采用较大过渡圆角，避免过窄肋片，内槽和过小的冲孔；,避免急剧的端面过渡和要求向冲模内过深的挤压成形。,（,3,）冷挤压件类零件,结构形状应充分考虑拔模方便；,避免边缘倾斜和小的直径差；,尽可能采取回转对称形状；,避免断面突然变化、尖锐的棱边和内槽；,避免细、长或侧向的孔。,（2）模锻件类零件,53,（,4,）车削加工类零件,给出必要的退刀槽；,力求成形刀具尽量简单；,尽可能不要在孔内开沟槽，孔公差和表面粗糙度不要太严；,考虑车削加工时夹持的可靠性；,轴上的环肩不要太高，以免增加金属去除量。,（,5,）有钻孔加工类零件,尽量采用通孔，避免盲孔，盲孔尽可能是锥形孔底；,斜孔的入口和出口处有垂直于孔轴线的凸台和凹台。,（,6,）有铣削加工类零件,尽量采用平的铣削平面，以便采用平铣刀或组合铣刀进行加工，避免,采用昂贵的成形铣刀；,沟槽尽可能采用盘状铣刀进行加工，避免采用指状铣刀进行加工；,各加工面尽可能处于同一平面或相互平行，以便在一次走刀或安装中,完成加工。,（4）车削加工类零件,54,（,7,）有磨削加工类零件,磨削面两端尽可能没有台肩，以便采用高效低成本的大直径圆周砂,轮进行磨削，如果结构上必须有台肩，应留出足够宽度的退刀槽；,在同一个零件上，尽可能采用相同的圆角和锥度。,（二）装配工艺性,1.,便于装配的产品结构 （,1,）装配操作的分解,（,2,）装配操作的压缩,（,3,）装配操作的统一,（,4,）装配操作的简化,2.,便于装配的零件结合部位结构,避免双重配合；,简化调整方式，采用专门的补偿联接来补偿制造误差；,调整时尽可能不拆或少拆已装好的零件；,保证装配时工具的活动空间等。,3.,便于装配的零件结构,（7）有磨削加工类零件,55,（三）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，指导维修。,（三）维修工艺性,56,五、产品造型评价,产品造型设计,产品色彩,五、产品造型评价产品造型设计,57,（一）产品造型设计,1.,尺度与比例,尺度,是工业产品造型的整体及局部与人体的生理尺寸或人所习惯的某种,特定标准之间相适应的大小关系，不是指造型物体本身的大小。,产品造型的比例,一般是指造型的整体与局部、局部与局部之间大小对比,的关系以及整体或局部本身长、宽、高之间的比例关系。,（一）产品造型设计,58,2.,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,是自然界常见的一种平衡,方式，也广泛地用于产品造型中。,均衡,是不对称的平衡方式，来源,于力学的平衡原理。,3.,安定与轻巧,所谓,安定,是指形体靠近地面的部,分重而大，显得稳定、可靠、安,全。,造型的安定性来自,实际安定,和,视,觉安定,两方面。,轻巧,的造型能给人以轻松、灵巧,的视觉效果，可增加产品的生动、,亲切感。,2.对称与均衡,59,4.,对比与调和,所谓,对比,是对某一部分进行重点处理，突出地表现需强调的部分，使造型,生动、个性鲜明、避免平淡。,所谓,调和,是对造型中的构成要素进行统一的协调处理，使造型柔和亲切，,避免生硬杂乱。,（,1,）线型的对比与调和,（,2,）体量的对比与调和,图,2,20,（,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,4.对比与调和,60,机械制造装备设计方法课件,61,5.,过渡与呼应,过渡,是指在两个相邻的形体、面或色彩之间，采用逐渐演变的形式把二者,联系起来，以取得和睦的造型效果。,呼应,是指造型设计时，在前后、上下或左右对应部位，利用“形”、,“色”、“质”的某些相同或相似的特点进行处理，以取得它们之间在线,型、大小、色彩及质感等方面的艺术效果的一致性，产生心理和视觉印象,上的联系和位置的相互照应，使整体造型显得和谐、均衡、统一。,6.,节奏与韵律,5.过渡与呼应,62,7.,重点与一般,所谓,突出重点的手法,是指对造型的主体部分的体量、形状、线型等加以重,点的渲染，使其显示出较高的艺术表现力；而对于一般或次要的部件仅作,普通的处理，使其符合形体统一的原则，能起到烘托主体的作用。,在产品造型中，突出重点的手法有以下几种：,1,）运用形体和线型对比突出主体，即用比较突出的体量和比较复杂的轮,廓形态，以引起观察者的注意。,2,）运用色彩、材质的对比突出主体，使主体鲜明。,3,）运用精细或特殊的加工工艺，获得特别的面饰效果来突出主体。,4,）采用特殊的外观件或装饰件来强调重点。,5,）利用造型中的方向性和透视感等因素，引导人们的视线集中于主体。,7.重点与一般,63,（二）产品色彩,1.,色调选择,（二）产品色彩,64,2.,配色方法,产品配色的主要方法是利用色彩的对比与调和理论，按照一定的布局关,系，相互依存、相互呼应，构成具有和谐气氛的色彩。,表现产品色彩的变化主要依靠色彩的对比；,使色彩达到统一主要依靠色彩的调和。配色的方法有：,（,1,）统一配色,（,2,）均衡配色,（,3,）重点配色,（,4,）分割配色,2.配色方法,65,六、标准化评价,标准化及其目的,标准分类,企业标准体系结构,产品设计的标准化,六、标准化评价标准化及其目的,66,（一）标准化及其目的,1.,标准化的定义,在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复性事务和概念通,过制订、发布和实施标准，达到统一，以获得最佳秩序和社会效益。,2.,标准化的目的,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。,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”。,（一）标准化及其目的,67,（二）标准分类,包括产品质量鉴定有关的方法标准、工艺操作方法标准和管理方法标准,包括专业协会标准、部委标准,（二）标准分类包括产品质量鉴定有关的方法标准、工艺操作方法标,68,（三）企业标准体系结构,所谓,标准体系,，是指一定范,围内的标准按其内在联系形,成的科学的有机整体。,标准体系是由,层次结构,和,领域结构,组成。,（三）企业标准体系结构,69,（四）产品设计的标准化,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,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。,（四）产品设计的标准化,70,3.,工艺文件的标准化审查,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,工装设计文件的成套性；,是否采用标准件和标准毛坯。,3. 工艺文件的标准化审查,71,