第二章 機械制造裝備設(shè)計方法

第二章機械制造裝備設(shè)計方法

第一節(jié)機械制造裝備設(shè)計的類型機械制造裝備設(shè)計可分為創(chuàng)新設(shè)計、變型設(shè)計和組合設(shè)計等三大類型。一、創(chuàng)新設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計是依據(jù)市場需求和發(fā)展的預測，進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用新的原理、技術(shù)和先進生產(chǎn)工藝，快速地開發(fā)出新一代的、具有高技術(shù)附加值的新產(chǎn)品，改善產(chǎn)品的功能、技術(shù)性能和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能源消耗，提高產(chǎn)品的競爭能力，迅速占領(lǐng)和擴大市場。創(chuàng)新設(shè)計通常從市場調(diào)研和預測開始，明確產(chǎn)品設(shè)計任務，經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計四個階段；還應通過新產(chǎn)品試制和試驗來驗證其技術(shù)可行性；通過小批試生產(chǎn)來驗證新產(chǎn)品的制造工藝和工藝裝備的可行性。這一般需要較長的設(shè)計開發(fā)周期，投入較大的研制開發(fā)工作量。二、變型設(shè)計為滿足市場需求的快速變化，常常采用適應型設(shè)計和變參數(shù)型設(shè)計方法。這兩種方法都是在原有產(chǎn)品的基本工作原理和總體結(jié)構(gòu)保持不變基礎(chǔ)上，適應型設(shè)計是通過更換或改變部分部件或結(jié)構(gòu)，變參數(shù)設(shè)計則是通過改變部分尺寸和性能參數(shù)，形成所謂的變型產(chǎn)品。適應型設(shè)計和變參數(shù)型設(shè)計統(tǒng)稱為變型設(shè)計。變型設(shè)計不應無序地進行，應在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按照一定的規(guī)律演變出各種不同的規(guī)格和布局，形成一個產(chǎn)品系列。作為變型設(shè)計依據(jù)的原有產(chǎn)品，通常是采用創(chuàng)新設(shè)計方法完成的，而變型產(chǎn)品的基本工作原理和主要功能結(jié)構(gòu)與原有產(chǎn)品相同，在設(shè)計與制造工藝方面均已經(jīng)過關(guān)。這是變型產(chǎn)品能在較短時間內(nèi)高質(zhì)量地設(shè)計出符合市場需要產(chǎn)品的根本原因。三、模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計又稱為組合設(shè)計，它是按照用戶需求，選擇適當?shù)墓δ苣K，直接拼裝成組合產(chǎn)品。這種設(shè)計首先應在一定范圍內(nèi)對不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析，然后劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過這些功能模塊的組合，可以構(gòu)成不同類型、或相同類型但性能不同的產(chǎn)品，以滿足市場的多方面的需求。組合產(chǎn)品是系列產(chǎn)品的進一步細化，組合產(chǎn)品中的模塊也應按系列化設(shè)計的原理進行。據(jù)不完全統(tǒng)計，機械制造裝備中有一大半屬于變型產(chǎn)品和組合產(chǎn)品，創(chuàng)新產(chǎn)品只占一小部分。盡管如此，創(chuàng)新設(shè)計的意義卻不容低估，因為只有采用創(chuàng)新設(shè)計方法，才能不斷地推出全新的產(chǎn)品，這是企業(yè)在市場競爭中獲勝的必要條件；而在變型設(shè)計中的基型產(chǎn)品與在模塊化設(shè)計中的功能模塊，則也是通過創(chuàng)新設(shè)計方法實現(xiàn)的。第二節(jié)機械制造裝備設(shè)計的方法一、機械制造裝備設(shè)計的典型步驟機械制造裝備設(shè)計的步驟隨設(shè)計類型而不同，創(chuàng)新設(shè)計的步驟最為典型。（一）產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃的任務是在市場需求分析、市場預測的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)自身的實際情況，確定即將開發(fā)的新產(chǎn)品的功能和性能，并進行新產(chǎn)品開發(fā)的可行性分析，制定出設(shè)計技術(shù)任務書。產(chǎn)品規(guī)劃階段的實質(zhì)就是對新產(chǎn)品開發(fā)項目的決策，它對企業(yè)的影響巨大?？陀^的需求分析、全面的調(diào)查研究和科學的市場預測是正確決策的前提和基礎(chǔ)，它需要綜合運用技術(shù)預測、市場學、決策論和信息學等理論和方法來解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。1.需求分析產(chǎn)品設(shè)計是為了滿足市場的需求，而市場的需求往往是不具體的、模糊的、潛在的，甚至是無法實現(xiàn)的。需求分析的任務就是將這些需求具體化。需求分析本身就是設(shè)計工作的一部分，它既是設(shè)計工作的開始，又要自始至終指導設(shè)計工作的進行。需求分析是一個創(chuàng)造性的過程。設(shè)計人員必須用敏銳的觀察力，及時找到和預測市場的需求，并在市場大量需求到來之前完成新產(chǎn)品的研制工作，搶先投放市場，以取得豐厚的回報。需求分析一般包括對銷售市場和原材料市場的分析，如：1）所面向的社會消費群體對產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量及價格等方面的要求；2）現(xiàn)有類似產(chǎn)品的功能、性能、價格、市場占有情況和發(fā)展趨勢；3）競爭對手在技術(shù)、經(jīng)濟方面的優(yōu)勢和劣勢及發(fā)展趨向；4）主要原材料、配件、半成品等的供應情況、價格及發(fā)展趨勢等。2.調(diào)查研究1）市場調(diào)研——主要調(diào)查和深入了解用戶需求、產(chǎn)品、同行及供應等方面的情況及發(fā)展趨勢；2）技術(shù)調(diào)研——一般包括產(chǎn)品技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；行業(yè)技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢；新技術(shù)、新材料和新工藝的應用及發(fā)展動態(tài)；競爭產(chǎn)品的技術(shù)特點分析；競爭企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)動向；環(huán)境對研制的產(chǎn)品提出的要求等；3）社會調(diào)研——一般包括企業(yè)目標市場所處的社會環(huán)境、有關(guān)的經(jīng)濟技術(shù)政策，如產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、投資動向、環(huán)境保護及安全等方面的法律、規(guī)定及標準；社會的風俗習慣；社會人員的構(gòu)成情況、消費水平、消費心理及購買能力；本企業(yè)實際情況、現(xiàn)有優(yōu)勢和不足、發(fā)展動向及發(fā)展?jié)摿Φ取?.預測1）定性預測——在數(shù)據(jù)和信息缺乏時，依靠經(jīng)驗和綜合分析對未來的發(fā)展狀況作出推測和估計。采用的方法有走訪調(diào)查、抽樣調(diào)查、類比調(diào)查和專家調(diào)查等；2）定量預測——對影響預測結(jié)果的各種因素進行相關(guān)分析和篩選，根據(jù)主要影響因素和預測對象的數(shù)量關(guān)系建立數(shù)學模型，對市場發(fā)展情況作出定量預測。采用的方法有時間序列回歸法、因果關(guān)系回歸法、產(chǎn)品壽命周期法等。4.可行性分析可行性分析是指通過調(diào)查研究和預測后，對產(chǎn)品開發(fā)中的重大問題要進行充分的技術(shù)經(jīng)濟論證，判斷是否可行?？尚行苑治鍪切庐a(chǎn)品立項時必不可少的一項依據(jù)?？尚行苑治鲆话惆夹g(shù)、經(jīng)濟和社會分析三個方面。經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟和社會三個方面的分析，以及對產(chǎn)品開發(fā)的可行性研究后，應提出產(chǎn)品開發(fā)的可行性報告。在可行性報告中應明確產(chǎn)品開發(fā)的必要性，市場調(diào)研和預測情況；開發(fā)產(chǎn)品的種類、應具備的功能和質(zhì)量要求；產(chǎn)品的技術(shù)水平要求、壽命周期、經(jīng)濟效益、社會效益分析及風險分析；從設(shè)計、工藝和質(zhì)量等方面需要解決的關(guān)鍵問題和開發(fā)進度等。5.編制設(shè)計任務書經(jīng)過可行性分析后，應確定待設(shè)計產(chǎn)品的設(shè)計要求和設(shè)計參數(shù)，編制“設(shè)計要求表”。在“設(shè)計要求表”內(nèi)要列出必須達到的要求和希望達到的要求，并按照重要程度排出名次，作為對設(shè)計作出評價時確定加權(quán)系數(shù)的依據(jù)。各項要求應盡可能用數(shù)值來描述其技術(shù)指標。設(shè)計要求表設(shè)計要求應達到的要求重要程度名次類別項目及指標功能運動參數(shù)運動形式、方向、速度等力參數(shù)作用力大小、方向、載荷性質(zhì)等能量功率、效率、壓力、溫度等物料產(chǎn)品物料特性信號控制要求、測量方式及要求等其他性能自動化程度、可靠性、壽命等經(jīng)濟尺寸（長、寬、高）、體積和重量的限制生產(chǎn)率、每年生產(chǎn)件數(shù)和總件數(shù)最高允許成本、運轉(zhuǎn)費用（續(xù)）設(shè)計要求應達到的要求重要程度名次類別項目及指標制造加工公差、特殊加工條件等檢驗測量和檢驗的特殊要求等裝配裝配要求、地基及安裝現(xiàn)場要求使用使用對象市場和用戶類型人機學要求操縱、控制、修配、安全等環(huán)境要求噪聲、密封、特殊要求等工業(yè)美學造型、外觀、色彩等期限設(shè)計完成日期研制開始和完成日期，試驗、出廠和交貨日期等在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合本廠的技術(shù)經(jīng)濟和裝備實際情況，編制產(chǎn)品的設(shè)計任務書。設(shè)計任務書是指導產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)性文件，其主要任務是對產(chǎn)品進行選型，確定最佳設(shè)計方針。在設(shè)計任務書內(nèi)，應說明設(shè)計該產(chǎn)品的必要性和現(xiàn)實意義，產(chǎn)品的用途描述、設(shè)計所需要的全部重要數(shù)據(jù)、總體布局和結(jié)構(gòu)特征、應滿足的要求、條件和限制等。這些要求、條件和限制來源于市場、環(huán)境、法律法規(guī)及有關(guān)標準，以及制造廠自身的實際情況，是產(chǎn)品設(shè)計、評價和決策的依據(jù)。（二）方案設(shè)計階段方案設(shè)計實質(zhì)上是根據(jù)設(shè)計任務書的要求，進行產(chǎn)品的功能原理分析和設(shè)計，這是產(chǎn)品設(shè)計的一項重要內(nèi)容。產(chǎn)品設(shè)計方案的優(yōu)劣將對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本有著很大的影響，對產(chǎn)品在市場上的競爭力的提高關(guān)系極大。方案設(shè)計是個創(chuàng)造性的設(shè)計過程，要求充分發(fā)揮人的創(chuàng)造思維能力，綜合運用與設(shè)計方法學相關(guān)的學科包括系統(tǒng)工程學、圖論、創(chuàng)造學、思維心理學、決策論等理論和方法，利用功能分析法將系統(tǒng)總功能分解為功能元（子功能），在多個系統(tǒng)原理解中通過評價、優(yōu)化和篩選，求出較好的最佳原理解。功能分析法

1）總功能分析總功能分析的目的是研究確定待定系統(tǒng)的功能。為避免限制思路，只研究功能（即待求系統(tǒng)要干什么），不涉及實現(xiàn)功能的方法（即如何干）。分析系統(tǒng)的總功能常采用“黑箱法”。將待求系統(tǒng)看成一個黑箱，通過分析黑箱的輸入輸出量（能量、物料、信息），就可以確定系統(tǒng)的總功能。

2）功能分解一般的工程系統(tǒng)都比較復雜，難于直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解。所以要對總功能進行分解，將其分解為較簡單的功能元。功能元是能直接求解的功能單元。一般不能將總功能直接分解為功能元，要有二級功能、三級功能（即分功能）等。各種級別功能之間的關(guān)系可用功能樹（或功能結(jié)構(gòu)圖）表示，樹根、樹枝和樹葉分別表示總功能、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確定實現(xiàn)各個功能元的局部解。求解方法有兩種：一種是采用創(chuàng)造性方法求解；二是采用列目錄的方式，將各種可能的解都列出來，甚至包括那些認為并不可行的解。然后將各種功能元和相關(guān)的所有解排列成矩陣表，此表稱為解法目錄。4）求系統(tǒng)原理解將各個功能元（子功能）的解合理組合，可以得到多個系統(tǒng)原理解。5）求最佳原理解先去除那些功能元解之間不相融、與設(shè)計要求不符的方案，然后定性選幾個比較滿意的方案，再對篩選出的方案進行定量評價，最后得出符合設(shè)計要求的最佳方案。

功能分析法的優(yōu)點是設(shè)計步驟明確，規(guī)律性強，有利于計算機進行輔助設(shè)計，有利于提高設(shè)計質(zhì)量和效率?！蠢涤霉δ芊治龇ㄔO(shè)計——挖掘機的方案。（1）總功能分析——系統(tǒng)的總功能為實現(xiàn)挖掘；（2）功能分解——將總功能分解為功能元；a.動力系統(tǒng)；b.傳動系統(tǒng)；c.執(zhí)行系統(tǒng)；d.操縱與控制系統(tǒng)；e.行走系統(tǒng)；f.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；還有制動、潤滑、計數(shù)等系統(tǒng)。（3）功能元求解——求出各功能元局部解，列出解法目錄；（4）由解法目錄可得到多個系統(tǒng)原理解；（5）最后得出一個最佳原理解。解法目錄解號功能元12345動力裝置電動機液壓馬達氣動馬達內(nèi)燃機汽輪機傳動裝置皮帶傳動鏈傳動齒輪傳動蝸桿蝸輪齒輪齒條執(zhí)行裝置鉗式爪抓斗鏟式爪挖斗行走裝置車輪履帶氣墊轉(zhuǎn)向裝置循環(huán)球式齒輪齒條蝸桿曲柄轉(zhuǎn)閥式（三）技術(shù)設(shè)計階段

技術(shù)設(shè)計是將功能原理方案具體化為機器或零部件的合理結(jié)構(gòu)，主要包括總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及模型試驗等。1.總體設(shè)計總體設(shè)計包括確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，各部件的總體布局，相對運動配合關(guān)系設(shè)計，總體聯(lián)系尺寸，人機環(huán)境的合理關(guān)系等內(nèi)容。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計包括對結(jié)構(gòu)原理方案結(jié)構(gòu)的確定，產(chǎn)品總裝配圖、部件裝配圖的繪制，加工和裝配說明書的編寫等內(nèi)容。3.模型試驗模型試驗的目的是檢查產(chǎn)品的功能及零部件的強度、剛度、運動精度、振動穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，并提出改進建議。模型試驗可采用實物試驗，也可采用模擬試驗和計算機仿真試驗的方式。（四）施工設(shè)計階段施工設(shè)計階段主要進行零件工作圖設(shè)計、完善部件裝配圖和總裝配圖設(shè)計，進行商品化設(shè)計，編制各類技術(shù)文檔等。