第1章 机械制造装备设计方法

《制造装备设计》王扬威机电学院机械电子工程系办公室地址：明故宫校区A15-B412电话：84892503Email：wangyw@教材机械制造装备设计（第3版）关慧贞、冯辛安机械制造装备设计赵永成制造装备设计第一章机械制造装备设计方法第二章金属切削机床设计第三章典型部件设计第四章工业机器人设计（不讲）制造装备设计第七章机械加工生产线总体设计第五章机床夹具设计（不讲）第六章物流系统设计第一章机械制造装备设计方法第一节

概述第二节机械制造装备应具备的主要功能第三节

机械制造装备的分类第一章机械制造装备设计方法第四节

机械制造装备设计的类型第五节机械制造装备设计的方法第六节

机械制造装备设计的评价先进制造技术发展趋势数、精、极、自、集、网、智、绿“数”是指制造领域的数字化“精”是指加工精度及其发展“极”就是极端制造技术“自”就是自动化“集”就是集成化“网”就是网络化“智”就是智能化“绿”就是“绿色”制造发展趋势“精”是发展的关键“极”是发展的焦点“文”是发展的新义“绿”是发展的必然“快”是发展的动力“省”是发展的原则“效”是发展的追求“数”是发展的核心“自”是发展的条件“集”是发展的方法“网”是发展的道路“智”是发展的前景制造产品：制造过程：制造方法：1.1概述

1制造业的地位制造业是一个国家国民经济发展的重要支柱，其发展水平是衡量一个国家经济实力、科技水平和综合国力的重要标志之一。2机械制造业的地位机械制造业是制造业的核心，是向其它各行业提供工具、仪器及各种先进制造装备的行业。3机械制造装备的地位机械制造装备的先进程度决定制造业的生产能力和水平。提高机械制造装备的技术水平是机械制造业乃至国民经济稳定发展的当务之急。机械制造装备及其在国民经济中的重要作用1.1概述

4制造装备的核心—机床金属切削机床担负了制造业40％～60％的工作，其水平直接影响产品质量和劳动生产率。

一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.1概述

《国家十一五规划》和国务院的《关于加快振兴装备制造业的若干意见》（06年）都明确了振兴装备制造业实现16个关键领域重点突破的发展要求。1.发展大型清洁高效发电装备。2.开展高压交直流输变电成套设备的研制。3.实现大型乙烯成套设备国产化。4.进行大型煤化工成套设备的研制开发。5.研制大型薄板冷热连轧成套设备及涂镀层加工成套设备。6.发展大型煤炭井下综合采掘、提升和洗选设备。7.开发大型海洋石油工程装备。8.掌握时速200公里以上高速列车等装备核心技术。1.1概述

振兴装备制造业的16个关键领域：9.发展大气治理等大型环保设备。10.加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制。11.发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器。12.发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件。13.发展新型纺织机械。14.发展新型、大马力农业装备。15.发展集成电路关键设备、生物工程和医药生产等专用设备。16.发展民用飞机及发动机、机载设备。《高端装备制造业“十二五”发展规划》

工业和信息化部2012年5月发布

“十二五”期间我国高端装备制造业的重大工程包括：支线飞机和通用航空产业化工程、空间基础设施建设工程、先进轨道交通装备及关键部件创新发展工程、深海工程装备发展工程、智能制造装备创新发展工程。1.1概述

《国家十一五规划》和国务院的《关于加快振兴装备制造业的若干意见》、《高端装备制造业“十二五”发展规划》都明确了振兴装备制造业关键领域重点突破的发展要求。

每一个关键领域在研发制造中，每个都需要机床，每个项目的制造过程都需要工具，尤其是高档数控机床和数控刀具。

1.1概述5机械制造装备的发展史

机械制造装备工业是随着先进制造技术、先进制造生产模式、先进工艺技术的发展而不断更新的。

（1）五十年代为“规模效益”模式，产品品种单一，为满足市场需要，广泛采用生产单一品种的自动机床、组合机床和专用生产线，以满足大批量生产，提高劳动生产率的需求。

（2）七十年代为“精益生产”模式，社会需求多样化、市场竞争日益激烈。生产企业既要提高产品质量，又要频繁地改型，缩短生产周期。因此，采用数控机床来有效地自动化生产单件、小批量的精密复杂零件。1.1概述5机械制造装备的发展史

（3）八十年代，“FMS和CIMS生产”模式。随着世界经济的发展，制造业为了赢得全球化竞争，开发了CAD、CAM、CAPP、MRP、GT、CE、FMS、TQC、CIMS等先进制造技术和管理方法，以缩短生产周期，提供产品质量，降低产品成本和改善服务质量。1.1概述5机械制造装备的发展史CIMS核心在于将企业的人、成本核算、生产经营和工程技术系统有机地集成，构成适合于多品种、中小批量生产的高效益、高质量和高柔性的智能生产系统。CIMS的出现，使机械制造自动化水平由制造系统自动化向综合自动化方向发展。FMS是采用一组数控机床和自动化的工艺装备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的自动化制造系统。1.1概述

（4）九十年代，敏捷制造（AM）、精益－敏捷－柔性（LAF）生产系统、全球制造等新的制造模式。信息科学技术的发展，全球经济打破了传统的领域经济发展模式，市场更加广阔，为了快速响应市场，诞生出新型制造模式。机械制造装备普遍具有柔性化、自动化和精密化的特点，适应多品种小批量和经常更新产品的需要。1.1概述我国机床工具行业受国际金融危机的直接冲击，以及企业多年快速发展所积累矛盾的交错影响，暴露的问题也十分明显，加快结构调整和产业升级刻不容缓。具体表现如：虽然我国机床产值跃居世界第一大国，但我国也是世界第一机床进口大国，我国建设所需的高档数控机床主要依靠进口，2008年进口机床76亿美元，约占国内市场的39％。我国拥有完整的机床产业链，但是发展中高档数控机床所需的数控系统和功能部件主要来自境外。1.1概述我国虽培育了一批年产值进入世界前列的机床集团（沈阳机床集团和大连机床集团机床年产值已经进入世界前十名），但从竞争力等分析，缺少像德国、日本等国著名跨国机床集团和世界级“精、特、专”小巨人企业。我们大量生产机床铸件，但不少铸件出口到日本、韩国等，把污染留给自己。外企用我们的铸件制造中高档机床出口我国。我国拥有大量的钨矿等稀有金属元素，但是稀有金属资源出口，国外用我们的矿粉配方后，制成高档数控刀具，我们年进口高档数控刀具达14亿美元，几乎覆盖了国内高档数控刀具市场。1.1概述我国是世界上最大的高速工具钢生产国，其年产量占世界总量的35％，但用国产高速钢制造的低档刀具大量出口，其价格还不值当地的原材料价格。以上种种，如果长此下去，对我国机床工具行业可持续发展不利，后金融时代存在被边缘化的危险。1.2机械制造装备应具备的主要功能

1、一般的功能要求（1）加工精度方面的要求（2）强度、刚度和抗振性方面的要求（3）加工稳定性方面的要求（4）耐用性方面的要求（5）技术经济方面的要求2、柔性化3、精密化4、自动化凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制。5、机电一体化6、节材7、符合工业工程要求8、符合绿色工程要求1.2机械制造装备应具备的主要功能

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

1、加工装备机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机。包括金属切削机床、锻压机床、特种加工机床。金属切削机床按使用范围分为：通用机床、专用机床、专门化机床。锻压机床利用金属的塑性变形特点进行成型加工的无屑加工设备。有机械压力机、液压机、自动锻压机、锤锻、剪切机、弯曲校正机等。特种加工机床按加工原理分为：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、水射流加工等加工机床。

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

龙门铣床1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

床身工作台水平铣头横梁垂直铣头立柱顶梁立柱垂直铣头水平铣头龙门铣床1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

数控系统（NumericalControlSystem）是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。适应性、灵活性好精度高、质量稳定生产效率高劳动强度低、劳动条件好有利于现代化生产与管理使用、维护技术要求高数控机床的特点:1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

立式车床1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

双主轴数控车床1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

复合加工CNC车床1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

五轴数控加工121。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

五轴数控加工121。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

柔性制造岛1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

弧齿锥齿轮铣齿加工1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

2、工艺装备各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。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。（1）刀具能从工件上切除多余材料和切断材料的工具。按加工方式和用途分：车刀、铣刀、孔加工工具（钻头、扩孔钻、铰刀）、拉刀、螺纹刀具（丝锥、板牙刀具）、齿轮刀具（滚刀）等。按结构分：整体刀具、机夹或机夹可转位刀具。按被加工表面性能分：标准化通用刀具、专用刀具。1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

数控铣床刀具系统1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

加工中心刀具系统1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

2、工艺装备

（2）模具在机床上通过压力将金属或非金属材料制出所需形状或制品的专用工具。按材料不同有粉末冶金模具、合金模具、塑料模具、冷冲模具、锻压模具等。1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

2、工艺装备

（3）夹具能夹紧工件，使工件占有正确位置的工艺装备。夹具能用于机械加工、装配、检验、焊接、热处理等冷热工艺中。在生产线上使用的夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具、组合夹具、随行夹具。

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

2、工艺装备

（4）量具以固定形式复现量值的计量器具。1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

3、仓储运输装备仓储运输装备包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等。（1）物料输送装置指坯料、半成品或成品在车间内工作中心间传输的装置，采用的方式有各种输送带装置和自动运输小车。1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

3、仓储运输装备1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

3、仓储运输装备1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

（2）自动化立体仓库是集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器和自动控制等技术于一体，实现产品搬运机械化、出入库控制自动化、库存管理微机化、信息处理网络化等高效率的产品流通与存储的枢纽。

1。3机械制造装的分类1.3机械制造装备的分类

4、辅助装备（1）清洗机用于清洗工件上的油污和尘屑的装备。（2）排屑装置用于将加工区域内的切屑清除、排送到机床或生产线外的集屑器内的设备。1、创新设计2、变型设计3、模块化设计（组合设计）1.4机械制造装备设计的类型1.4.1创新设计

创新设计通常应从市场调研和预测开始，明确产品设计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等四个阶段；

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。1.4.2变型设计

适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”。都是在原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保持不变。

变型设计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。

开展变型设计的依据是原有产品，它应属于技术成熟的“基型”产品。

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。1.4.3模块化设计

模块化设计又称组合设计，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”。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。

组合设计通常是MRPII驱动的，可由销售部门承担，或在销售部门中成立一个专门从事组合设计的设计组承担，有关设计资料可直接交付生产计划部门，对组成产品的各个模块安排投产，并将这些模块拼装成所需的产品。制造资源计划（MRPII）是一种先进的企业管理模式和管理信息系统。它是一个围绕企业的基本经营目标，以计划为核心，对企业各种制造资源进行统一的计划和控制，全面集成销售、制造和财务管理和模拟功能，使企业的物流、信息流、资金流流动畅通的动态反馈系统。

据不完全统计，机械制造装备产品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，创新设计的重要意义不容低估。这是因为：采用创新设计方法不断推出崭新的产品，是企业在市场竞争中取胜的必要条件；变型设计和组合设计是在基型和模块系统的基础上进行的，而基型和模块系统也是采用创新设计方法完成的。1.4机械制造装备设计的类型1.5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二、系列化设计三、模块化设计四、合理化工程(一)产品规划阶段(二)方案设计阶段(三)技术设计阶段(四)施工设计阶段1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计技术任务书。在产品规划阶段将综合运用技术预测、市场学、信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段1．需求分析需求分析的任务是将需求具体化和恰到好处，明确设计任务的要求。是设计工作的开始，指导设计工作的进行。识别需求是一个创造性的过程，设计人员必须重视需求分析，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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤1)新产品开发面向的社会消费群体，他们对产品功能、技术性能、质量、数量、价格等方面的要求；2)现有类似产品的功能、技术性能、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、价格及变化趋势等。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段(一)产品规划阶段2.调查研究(1)市场调研一般从以下几方面进行调研：用户需求—有关产品功能、性能、质量、使用、保养、维修外观、颜色、风格、需求量和价格等方面的要求。产品情况—产品在其生命周期曲线中的位置，新老产品交替的动向分析等。同行情况—同行产品经营销售情况和发展趋势．主要竞争对手在技术、经济方面的优势和劣势及发展趋向。供应情况—主要原材料、配件、半成品等的质量、品种、价格、供应等方面的情况及变化趋势等。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(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；新型元器件、新材料、新工艺的应用和发展动态；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，如使用环境的空气、湿度、有害物质和粉尘等对产品的要求；为保证产品的正常运转，研制的产品对环境提出的要求等。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段(3)社会调研一般包括企业目标市场所处的社会环境和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、规定和标准；社会的风俗习惯；社会人员的构成状况、消费水平、消费心理和购买能力；本企业实际情况、发展动向、优势和不足、发展潜力等。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段(一)产品规划阶段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、查资料、抽样调查、类比调查、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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段4.可行性分析所谓产品设计的可行性分析是指通过调查研究与预测后，对产品开发中的重大问题应进行充分的技术经济论证，判断是否可行。一般包括技术分析、经济分析和社会分析三个方面。最后应提出产品开发的可行性报告。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段5．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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段(二)方案设计阶段1．对设计任务的抽象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，才能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。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的要求，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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤2．建立功能结构总功能是表达输入量转变成输出量的能力。总功能可逐级往下分解，分解到子功能的要求比较明确，便于求解为止。分功能和多级子功能及它们之间的关系称为功能结构。便于了解产品中哪些子功能重复出现，为制订通用零部件规范提供依据。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤功能结构图功能间的联系存在三种基本结构型式：串联结构如图2-2a所示，又称顺序结构。并联结构如图2-2b所示。环形结构如图2-2c所示，是输出反馈为输入的循环结构。图2-2e则是有选择性地进行反馈的循环结构。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(二)方案设计阶段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，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。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。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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(二)方案设计阶段4．初步设计方案的形成(1)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。(2)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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(二)方案设计阶段5.初步设计方案的评价与筛选(1)初步设计方案的初选：观察淘汰法和分数比较法。(2)初步设计方案的具体化(3)对初步设计方案进行技术经济评价1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(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。(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。(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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(三)技术设计阶段2.总体设计(1)主要结构参数(2)总体布局包括部件组成、各部件的空间位置布局和运动方向、操作位置、各部件相对运动配合关系。(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。(4)经济核算包括产品成本和运行费用的估算、成本回收期、资源的再利用等。(5)其它1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(三)技术设计阶段3.结构设计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。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。经常采用诸如有限元分析、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。1.5.1机械制造装备设计的典型步骤(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1.5.1机械制造装备设计的典型步骤1、产品规划阶段需求分析调查研究预测可行性分析编制设计任务