物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)探究

1、    物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)探究    臧宗旸 荊曉兵 龍全紅 楊治勇摘 要：由于我所主要從事實(shí)驗(yàn)物理相關(guān)研究，需要機(jī)械、電子、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科的支撐，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)作為重要支撐專業(yè)之一，發(fā)揮著舉足輕重的作用，而機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技巧性、流程性和技術(shù)性都很強(qiáng)的工作，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中很容易出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，因此要細(xì)化整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)流程，總覽全局，善于查漏補(bǔ)缺，才能提高機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量，最大限度地滿足物理實(shí)驗(yàn)需求。本文分析了物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，闡述了機(jī)械設(shè)計(jì)的有效策略和優(yōu)化措施。關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)裝置；機(jī)械設(shè)計(jì)；非標(biāo)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：o4-3 文獻(xiàn)標(biāo)志

2、碼：a0 引言在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的情況下，各個(gè)行業(yè)均離不開(kāi)機(jī)械的應(yīng)用，機(jī)械制造行業(yè)的體系不斷完善，極大地保證了行業(yè)制造的質(zhì)量，同時(shí)也促進(jìn)了我國(guó)其他行業(yè)的快速發(fā)展，在我所大多物理實(shí)驗(yàn)順利完成中，機(jī)械專業(yè)作為其支撐專業(yè)之一，物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)顯得尤為重要，由于物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)加工是一項(xiàng)精密且復(fù)雜的工程，在整個(gè)過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)一些問(wèn)題，因此需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探究，以便提高物理實(shí)驗(yàn)裝置整體的質(zhì)量，從而充分發(fā)揮出機(jī)械設(shè)計(jì)在我所物理實(shí)驗(yàn)支撐的重要作用。1 物理實(shí)驗(yàn)裝置中的非標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題物理實(shí)驗(yàn)機(jī)械裝置中大部分零部件由于物理實(shí)驗(yàn)需求而非標(biāo)件，因此加大了設(shè)計(jì)加工難度，必須有理論知識(shí)積累

3、和一定的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)才能做到。這就對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了非常高的要求，設(shè)計(jì)人員不但需要掌握一般標(biāo)準(zhǔn)件或者標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備參數(shù)，還需要對(duì)物理實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際需求加以掌握，包括具體的物理需求方面的技術(shù)參數(shù)以及機(jī)械加工精度等要求，除盡可能獲得實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)需求信息之外還應(yīng)該注意以下問(wèn)題。1.1 非標(biāo)設(shè)計(jì)中部分零部件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化我所用的大多物理實(shí)驗(yàn)機(jī)械裝置都不是通用裝置，許多部件由于物理實(shí)驗(yàn)需求等方面的需要，只能是非標(biāo)設(shè)計(jì)，而在當(dāng)前工業(yè)經(jīng)濟(jì)化、信息化時(shí)代背景下，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要遵循標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的原則，并且這些標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品一般都是批量生產(chǎn)，在非標(biāo)設(shè)計(jì)中部分零部件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化方法，有利于提高物理實(shí)驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量并

4、縮短生產(chǎn)周期。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約了材料，降低了成本。標(biāo)準(zhǔn)化的最終目的是為了提高效率和確保質(zhì)量，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造相比，非標(biāo)設(shè)計(jì)制造具有以下特征：（1）加工時(shí)無(wú)法采用通用夾具等輔助工裝；（2）對(duì)外協(xié)加工能力要求高；（3）互換性較差；（4）設(shè)計(jì)和加工成本較高。而標(biāo)準(zhǔn)件則是規(guī)格一致，采取批量生產(chǎn)，在保證零件質(zhì)量的基礎(chǔ)上大大減小了成本，因此物理實(shí)驗(yàn)裝置中局部結(jié)構(gòu)有標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)安排：例如密封圈、法蘭、螺釘?shù)冗@些最常用的零部件，既節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，又便于與其他機(jī)械裝置在裝配過(guò)程中配套，實(shí)現(xiàn)較高的互換性和重復(fù)利用率，同時(shí)大大提高了科研生產(chǎn)效率。1.2 堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)零部件的成品首選原則在非標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證技術(shù)

5、需求的前提下要盡可能地采用標(biāo)準(zhǔn)零部件的成品件，在我們大多物理實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中不少的非標(biāo)設(shè)計(jì)者往往不愿采用某些零部件的成品而自行設(shè)計(jì)，而是對(duì)此類零件、做出相應(yīng)改進(jìn)或創(chuàng)新，但這種情況下的結(jié)果往往事倍功半，沒(méi)有很好的實(shí)際應(yīng)用效果，浪費(fèi)了時(shí)間并且增加了設(shè)計(jì)與制造成本，因此標(biāo)準(zhǔn)零部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選擇成品，這樣能有效降低非標(biāo)裝置的設(shè)計(jì)、制造成本。2 物理實(shí)驗(yàn)裝置科學(xué)、合理機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)2.1 合理選擇機(jī)械設(shè)計(jì)加工零件材料一套大的物理實(shí)驗(yàn)裝置由許多零部件構(gòu)成，各個(gè)零部件對(duì)材料的要求參差不齊，在物理實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中選擇機(jī)械設(shè)計(jì)加工零材料時(shí)，必須要充分考到材料的性價(jià)比、工藝性能、質(zhì)量、價(jià)格等因素，所以對(duì)于機(jī)械設(shè)

6、計(jì)中零件材料的選擇需要極其細(xì)心。機(jī)械零件材料選擇必須充分考慮其實(shí)際使用要求、加工工藝性能及高性價(jià)比的要求。（1）根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)需求來(lái)選擇材料必須根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)使用需求來(lái)選擇材料，所要選用的材料需要符合物理實(shí)驗(yàn)的需求性能，在選用材料的時(shí)候需要認(rèn)真分析材料使用的合理性，首先應(yīng)與需求者溝通，提前獲知需求者對(duì)各零部件在物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)材料物理性能的要求，譬如良好的導(dǎo)電性、絕緣性、弱磁性等。在考慮是否滿足物理實(shí)驗(yàn)要求之后，再對(duì)各種材料的強(qiáng)度、剛性等機(jī)械性能方面進(jìn)行考量，以從中挑選出能既滿足物理需求又滿足機(jī)械性能要求的材料。（2）考慮加工工藝與材料性能的適用性必須根據(jù)加工工藝的需求對(duì)材料進(jìn)行篩選，做到加工工藝與材

7、料性能的適用性，例如：鋁制件不宜焊接，我們應(yīng)該盡量避免焊接件采用鋁；一些薄壁、非金屬類零件設(shè)計(jì)可能由于尺寸過(guò)小、強(qiáng)度不夠等原因?qū)е聶C(jī)械加工工藝無(wú)法滿足機(jī)械設(shè)計(jì)；這時(shí)就需要選擇一種既能滿足使用要求又便于加工的材料來(lái)替代，諸如此類的情況還有很多，都是我們應(yīng)該要考慮到的。（3）以經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性為原則選擇材料控制機(jī)械設(shè)計(jì)加工的成本，選擇性價(jià)比最高的材料，由于大多物理實(shí)驗(yàn)裝對(duì)材料要求較高或者材料比較特殊，所以不能夠僅僅以價(jià)格作為選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)，雖然有些材料的成本比其他材料成本較高，但卻具有加工成本相對(duì)比較低或者在使用過(guò)程中更能滿足或者接近所需材料的性能指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)中檢修費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，其實(shí)使用了這種材料在一

8、定程度上來(lái)說(shuō)節(jié)約了成本，在充分保證使用要求的情況下，盡量選擇能夠重復(fù)利用的材料，盡量選擇常見(jiàn)的、容易獲得的材料來(lái)代替很少用的材料，一些稀缺材料在機(jī)械行業(yè)里比較少用、稀缺，帶來(lái)了采購(gòu)困難的問(wèn)題，因此需要盡可能地降低采購(gòu)成本、采購(gòu)周期，從而提高機(jī)械生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，縮短整個(gè)加工周期，盡可能避免因加工周期延長(zhǎng)給科研任務(wù)的順利完成帶來(lái)的影響。2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)中加工精度要求的合理性在日常科研中用到的各類機(jī)械裝置用途不一，有的僅僅作為升降、支撐等裝置，這些裝置的加工精度要求不高，在滿足使用要求的同時(shí)只需要做到美觀即可，提出過(guò)高的精度要求反而增加了加工成本，浪費(fèi)了資源。而有的零部件需要較高的加工精度，像高壓開(kāi)關(guān)

9、電極、緊配合接插件等需要較好的表面粗糙度、較高的尺寸精度，這就需要精度要求必須達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)要求，精度設(shè)計(jì)過(guò)低會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)的可靠性。2.3 提高機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，一般都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐得到廣泛認(rèn)可投入市場(chǎng)的，與我們只經(jīng)過(guò)初次設(shè)計(jì)、制造的物理實(shí)驗(yàn)中非標(biāo)零部件相比，具有更好的可靠性。在初次設(shè)計(jì)非標(biāo)零部件時(shí)，總會(huì)存在設(shè)計(jì)上的不足，在日?？蒲腥蝿?wù)中使用了這些帶有缺陷的非標(biāo)零部件后會(huì)降低機(jī)械裝置自身工作效率和科研生產(chǎn)效率，因此，在對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須注重零部件設(shè)計(jì)的可靠性?？梢酝ㄟ^(guò)各種仿真軟件校核要加工的零部件是否滿足強(qiáng)度、剛度要求，同時(shí)考慮零部件的形狀、尺寸大小、加工精度和配合要求對(duì)整個(gè)

10、裝置的使用效果影響程度做出正確認(rèn)知和預(yù)判。2.4 考慮人機(jī)學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題此外，許多物理實(shí)驗(yàn)裝置由于物理實(shí)驗(yàn)的需求，工作人員會(huì)反復(fù)操作其中的機(jī)構(gòu)，這樣需要工作人員經(jīng)常要進(jìn)行舒適而且合理的操作。例如，一些機(jī)構(gòu)高度設(shè)置為適應(yīng)人體舒適性的操作高度；在離操作員手臂較近或者順手操作的位置放置機(jī)械操作機(jī)構(gòu)；操作手柄、旋鈕的大小、形狀應(yīng)使操作人員方便操作并且省力；一些物理實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且還需要反復(fù)拆裝，這就要求在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)要保證零部件拆裝方便，給操作人員留足夠的操作空間，做到操作自如。最終目的是讓工作人員能在身體處于很舒服的狀態(tài)下操作，做到人性化，宜人化。3 機(jī)械設(shè)計(jì)人員與外協(xié)加工單位加強(qiáng)溝通我所大多物

11、理實(shí)驗(yàn)裝置中機(jī)械部分需要在外協(xié)加工單位的配合下完成，外協(xié)加工單位根據(jù)我所提供的圖紙進(jìn)行加工，制作出相應(yīng)的產(chǎn)品，光潔度、加工精度尺寸公差都是設(shè)計(jì)人員規(guī)定的，沒(méi)有一定的范式。在本單位技術(shù)保障中心加工機(jī)械裝置時(shí)設(shè)計(jì)人員可以很方便地和工藝員一對(duì)一、面對(duì)面交流， 而與外協(xié)單位的合作使得雙方的交流不是很方便，外協(xié)單位在進(jìn)行有些零部件的加工時(shí)需要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行，而在這個(gè)過(guò)程中存在一些物理實(shí)驗(yàn)裝置中部分機(jī)械加工工序復(fù)雜并且在中途變更加工工藝和工序的可變性較大、機(jī)械加工精度要求過(guò)高等問(wèn)題，由于設(shè)計(jì)人員與外協(xié)加工單位沒(méi)有進(jìn)行很好的溝通造成了加工周期的延長(zhǎng)，進(jìn)而影響科研生產(chǎn)任務(wù)，因此需要機(jī)械設(shè)計(jì)人員與外協(xié)加工

12、單位提前交流，根據(jù)加工圖紙?zhí)崆皽贤ê迷诩庸み^(guò)程中可能遇到的困難、問(wèn)題，保證外協(xié)加工、科研任務(wù)的順利完成。結(jié)論綜上所述，在物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意的問(wèn)題有很多。物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程既要有扎實(shí)的理論知識(shí)還要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。只有將理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)做到面面俱到，才能更好地實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。物理實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)在日?？蒲腥蝿?wù)中的作用舉足輕重，一個(gè)優(yōu)秀的物理試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)人員，應(yīng)當(dāng)善于對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)加工過(guò)程進(jìn)行全面考慮，不僅要周全考慮滿足物理實(shí)驗(yàn)裝置的物理需求，還需要對(duì)物理需求造成的加工工藝的可實(shí)現(xiàn)性做出科學(xué)判斷，這樣在加工前做好充分的準(zhǔn)備工作，才能夠達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)加工的理想狀態(tài)，設(shè)計(jì)制造出