第二章 机械制造装备设计方法

第二章机械制造装备设计方法

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、变型设计和组合设计等三大类型。一、创新设计创新设计是依据市场需求和发展的预测，进行产品结构调整，采用新的原理、技术和先进生产工艺，快速地开发出新一代的、具有高技术附加值的新产品，改善产品的功能、技术性能和质量，降低生产成本和能源消耗，提高产品的竞争能力，迅速占领和扩大市场。创新设计通常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四个阶段；还应通过新产品试制和试验来验证其技术可行性；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。这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。二、变型设计为满足市场需求的快速变化，常常采用适应型设计和变参数型设计方法。这两种方法都是在原有产品的基本工作原理和总体结构保持不变基础上，适应型设计是通过更换或改变部分部件或结构，变参数设计则是通过改变部分尺寸和性能参数，形成所谓的变型产品。适应型设计和变参数型设计统称为变型设计。变型设计不应无序地进行，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和布局，形成一个产品系列。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，而变型产品的基本工作原理和主要功能结构与原有产品相同，在设计与制造工艺方面均已经过关。这是变型产品能在较短时间内高质量地设计出符合市场需要产品的根本原因。三、模块化设计模块化设计又称为组合设计，它是按照用户需求，选择适当的功能模块，直接拼装成组合产品。这种设计首先应在一定范围内对不同性能、不同规格的产品进行功能分析，然后划分并设计出一系列功能模块，通过这些功能模块的组合，可以构成不同类型、或相同类型但性能不同的产品，以满足市场的多方面的需求。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。据不完全统计，机械制造装备中有一大半属于变型产品和组合产品，创新产品只占一小部分。尽管如此，创新设计的意义却不容低估，因为只有采用创新设计方法，才能不断地推出全新的产品，这是企业在市场竞争中获胜的必要条件；而在变型设计中的基型产品与在模块化设计中的功能模块，则也是通过创新设计方法实现的。第二节机械制造装备设计的方法一、机械制造装备设计的典型步骤机械制造装备设计的步骤随设计类型而不同，创新设计的步骤最为典型。（一）产品规划阶段产品规划的任务是在市场需求分析、市场预测的基础上，结合企业自身的实际情况，确定即将开发的新产品的功能和性能，并进行新产品开发的可行性分析，制定出设计技术任务书。产品规划阶段的实质就是对新产品开发项目的决策，它对企业的影响巨大。客观的需求分析、全面的调查研究和科学的市场预测是正确决策的前提和基础，它需要综合运用技术预测、市场学、决策论和信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。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、模糊的、潜在的，甚至是无法实现的。需求分析的任务就是将这些需求具体化。需求分析本身就是设计工作的一部分，它既是设计工作的开始，又要自始至终指导设计工作的进行。需求分析是一个创造性的过程。设计人员必须用敏锐的观察力，及时找到和预测市场的需求，并在市场大量需求到来之前完成新产品的研制工作，抢先投放市场，以取得丰厚的回报。需求分析一般包括对销售市场和原材料市场的分析，如：1）所面向的社会消费群体对产品功能、性能、质量及价格等方面的要求；2）现有类似产品的功能、性能、价格、市场占有情况和发展趋势；3）竞争对手在技术、经济方面的优势和劣势及发展趋向；4）主要原材料、配件、半成品等的供应情况、价格及发展趋势等。2.调查研究1）市场调研——主要调查和深入了解用户需求、产品、同行及供应等方面的情况及发展趋势；2）技术调研——一般包括产品技术的现状及发展趋势；行业技术和专业技术的发展趋势；新技术、新材料和新工艺的应用及发展动态；竞争产品的技术特点分析；竞争企业的新产品开发动向；环境对研制的产品提出的要求等；3）社会调研——一般包括企业目标市场所处的社会环境、有关的经济技术政策，如产业发展政策、投资动向、环境保护及安全等方面的法律、规定及标准；社会的风俗习惯；社会人员的构成情况、消费水平、消费心理及购买能力；本企业实际情况、现有优势和不足、发展动向及发展潜力等。3.预测1）定性预测——在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析对未来的发展状况作出推测和估计。采用的方法有走访调查、抽样调查、类比调查和专家调查等；2）定量预测——对影响预测结果的各种因素进行相关分析和筛选，根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况作出定量预测。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。4.可行性分析可行性分析是指通过调查研究和预测后，对产品开发中的重大问题要进行充分的技术经济论证，判断是否可行。可行性分析是新产品立项时必不可少的一项依据。可行性分析一般包括技术、经济和社会分析三个方面。经过技术、经济和社会三个方面的分析，以及对产品开发的可行性研究后，应提出产品开发的可行性报告。在可行性报告中应明确产品开发的必要性，市场调研和预测情况；开发产品的种类、应具备的功能和质量要求；产品的技术水平要求、寿命周期、经济效益、社会效益分析及风险分析；从设计、工艺和质量等方面需要解决的关键问题和开发进度等。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“设计要求表”。在“设计要求表”内要列出必须达到的要求和希望达到的要求，并按照重要程度排出名次，作为对设计作出评价时确定加权系数的依据。各项要求应尽可能用数值来描述其技术指标。设计要求表设计要求应达到的要求重要程度名次类别项目及指标功能运动参数运动形式、方向、速度等力参数作用力大小、方向、载荷性质等能量功率、效率、压力、温度等物料产品物料特性信号控制要求、测量方式及要求等其他性能自动化程度、可靠性、寿命等经济尺寸（长、宽、高）、体积和重量的限制生产率、每年生产件数和总件数最高允许成本、运转费用（续）设计要求应达到的要求重要程度名次类别项目及指标制造加工公差、特殊加工条件等检验测量和检验的特殊要求等装配装配要求、地基及安装现场要求使用使用对象市场和用户类型人机学要求操纵、控制、修配、安全等环境要求噪声、密封、特殊要求等工业美学造型、外观、色彩等期限设计完成日期研制开始和完成日期，试验、出厂和交货日期等在上述基础上，结合本厂的技术经济和装备实际情况，编制产品的设计任务书。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。在设计任务书内，应说明设计该产品的必要性和现实意义，产品的用途描述、设计所需要的全部重要数据、总体布局和结构特征、应满足的要求、条件和限制等。这些要求、条件和限制来源于市场、环境、法律法规及有关标准，以及制造厂自身的实际情况，是产品设计、评价和决策的依据。（二）方案设计阶段方案设计实质上是根据设计任务书的要求，进行产品的功能原理分析和设计，这是产品设计的一项重要内容。产品设计方案的优劣将对产品的结构、性能、工艺和成本有着很大的影响，对产品在市场上的竞争力的提高关系极大。方案设计是个创造性的设计过程，要求充分发挥人的创造思维能力，综合运用与设计方法学相关的学科包括系统工程学、图论、创造学、思维心理学、决策论等理论和方法，利用功能分析法将系统总功能分解为功能元（子功能），在多个系统原理解中通过评价、优化和筛选，求出较好的最佳原理解。功能分析法

1）总功能分析总功能分析的目的是研究确定待定系统的功能。为避免限制思路，只研究功能（即待求系统要干什么），不涉及实现功能的方法（即如何干）。分析系统的总功能常采用“黑箱法”。将待求系统看成一个黑箱，通过分析黑箱的输入输出量（能量、物料、信息），就可以确定系统的总功能。

2）功能分解一般的工程系统都比较复杂，难于直接求得满足总功能的系统解。所以要对总功能进行分解，将其分解为较简单的功能元。功能元是能直接求解的功能单元。一般不能将总功能直接分解为功能元，要有二级功能、三级功能（即分功能）等。各种级别功能之间的关系可用功能树（或功能结构图）表示，树根、树枝和树叶分别表示总功能、分功能和功能元（子功能）。

3）功能元求解功能元求解的目的是确定实现各个功能元的局部解。求解方法有两种：一种是采用创造性方法求解；二是采用列目录的方式，将各种可能的解都列出来，甚至包括那些认为并不可行的解。然后将各种功能元和相关的所有解排列成矩阵表，此表称为解法目录。4）求系统原理解将各个功能元（子功能）的解合理组合，可以得到多个系统原理解。5）求最佳原理解先去除那些功能元解之间不相融、与设计要求不符的方案，然后定性选几个比较满意的方案，再对筛选出的方案进行定量评价，最后得出符合设计要求的最佳方案。

功能分析法的优点是设计步骤明确，规律性强，有利于计算机进行辅助设计，有利于提高设计质量和效率。〈例〉用功能分析法设计——挖掘机的方案。（1）总功能分析——系统的总功能为实现挖掘；（2）功能分解——将总功能分解为功能元；a.动力系统；b.传动系统；c.执行系统；d.操纵与控制系统；e.行走系统；f.转向系统；还有制动、润滑、计数等系统。（3）功能元求解——求出各功能元局部解，列出解法目录；（4）由解法目录可得到多个系统原理解；（5）最后得出一个最佳原理解。解法目录解号功能元12345动力装置电动机液压马达气动马达内燃机汽轮机传动装置皮带传动链传动齿轮传动蜗杆蜗轮齿轮齿条执行装置钳式爪抓斗铲式爪挖斗行走装置车轮履带气垫转向装置循环球式齿轮齿条蜗杆曲柄转阀式（三）技术设计阶段

技术设计是将功能原理方案具体化为机器或零部件的合理结构，主要包括总体设计、结构设计以及模型试验等。1.总体设计总体设计包括确定主要结构参数，各部件的总体布局，相对运动配合关系设计，总体联系尺寸，人机环境的合理关系等内容。2.结构设计结构设计包括对结构原理方案结构的确定，产品总装配图、部件装配图的绘制，加工和装配说明书的编写等内容。3.模型试验模型试验的目的是检查产品的功能及零部件的强度、刚度、运动精度、振动稳定性、噪声等方面的性能，并提出改进建议。模型试验可采用实物试验，也可采用模拟试验和计算机仿真试验的方式。（四）施工设计阶段施工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设计，进行商品化设计，编制各类技术文档等。