超聲波清洗機說的明書畢業(yè)論文

1、超聲波清洗機說的明書目錄導(dǎo)言3第一章超聲波清洗機的原理和結(jié)構(gòu)第一節(jié)超聲波清洗的原理和特點4第二節(jié)超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置5第二章超聲波發(fā)生器的設(shè)計第一節(jié)超聲波發(fā)生器的選擇6第二節(jié)超聲波振蕩器的設(shè)計第三節(jié)超聲波放大器的設(shè)計第四節(jié)高頻驅(qū)動及匹配電路第三章超聲波換能器的設(shè)計傳感器的選擇換能器的設(shè)計和計算第四章清洗罐的設(shè)計參考文獻附錄一:外國文學(xué)及其翻譯附錄二:AutoCAD圖紙附錄三:電路圖超聲波清洗機摘要:超聲波清洗始于20世紀50年代初，隨著技術(shù)的進步，其應(yīng)用范圍日益擴大。目前已廣泛應(yīng)用于電子電器行業(yè)，清洗半導(dǎo)體器件、電子管零件、印刷電路、繼電器、開關(guān)和濾波器等。用于機械行業(yè)清洗齒輪、軸承、

2、油泵配件、燃油濾清器、閥門等機械零件，如發(fā)動機、導(dǎo)彈零件，小到手表零件；例如在光學(xué)和醫(yī)療儀器中，用于清洗各種鏡片、眼鏡和鏡架、醫(yī)用玻璃器皿、針管和手術(shù)器械等。此次設(shè)計的超聲波清洗機主要用于家用廚具和一些難洗的家用器皿。本產(chǎn)品是一種機電產(chǎn)品，通過壓電陶瓷材料制成的超聲波換能器，將超聲波頻率的電振蕩轉(zhuǎn)化為機械振動，在液體中產(chǎn)生超聲波振動進行清洗。超聲波可以穿透固體物質(zhì)，使整個清洗介質(zhì)振動，產(chǎn)生空化氣泡。這種清潔方式對于任何無法清潔的家電都沒有死角，清潔潔凈度非常高。這種新一代的時尚家用電器可以把人們從繁瑣的家務(wù)勞動中解放出來。關(guān)鍵詞:超聲波；清洗機；傳感器介紹超聲波是一種超出人類聽覺頻率范圍的聲波

3、。它具有頻率高、指向性準確、穿透能力強的特點，廣泛應(yīng)用于清潔、測距、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。超聲波清洗始于20世紀50年代初，主要應(yīng)用于電子、光學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。作為一項實用性很強的技術(shù)，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及大型機械零件和小型半導(dǎo)體器件的清洗，通常被稱為“無刷清洗”。超聲波清洗的主要特點是速度快、效果好、易于工業(yè)控制等。對于復(fù)雜的工件表面，如空洞、凸起等，普通的清洗方法很難達到，而超聲波清洗可以達到很好的效果。隨著聲化學(xué)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使用合適的溶液，調(diào)節(jié)清洗液的pH值，清洗效果會更好。第一章超聲波清洗機的原理和結(jié)構(gòu)1.1超聲波清洗的原理和特點圖1是超聲波清洗的示意圖。換能器將超聲頻率電能轉(zhuǎn)換成機械振動，

4、并通過清洗槽的壁向清洗槽中包含的清洗液輻射超聲波。液體中的微氣泡(稱為空化核)在聲波的作用下振動。當聲壓或強度達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合。當氣泡閉合時，產(chǎn)生沖擊波，在氣泡周圍產(chǎn)生10-10 Pa的壓力和局部高溫。這種物理現(xiàn)象稱為超聲空化?？栈a(chǎn)生的巨大壓力可以破壞不溶性污染物，并將它們分散在溶液中。蒸汽空化對污垢層的直接反復(fù)沖擊，一方面會破壞污垢的吸附和清洗零件表面，另一方面也會造成污垢層的疲勞損傷而脫離。氣泡的振動擦洗固體表面。一旦污垢層出現(xiàn)裂縫，氣泡就能“鉆入”裂縫并振動，使污垢脫落。由于空化作用，兩種液體在界面處迅速分散和乳化。當固體顆粒被油包裹并附著在清潔件表面時，油被乳

5、化，固體顆粒自行脫落。超聲波清洗液傳播時，會產(chǎn)生正負交替的聲壓，對清洗部位產(chǎn)生沖擊。同時，由于非線性效應(yīng)，會產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化會在固液界面產(chǎn)生高速微聲流。所有這些作用都可以破壞污垢，去除或削弱邊界污垢層，增加攪拌和擴散，加速可溶性污垢的溶解，加強化學(xué)清洗劑的清洗效果。圖1超聲波清洗機示意圖可以看出，凡是液體能浸入聲場的地方都有清洗效果，清洗速度快，質(zhì)量高。特別適用于腔體、狹縫等形狀復(fù)雜的清洗零件表面的精細清洗，易于實現(xiàn)清洗自動化。一般的脫脂、防銹、磷化等工序，在超聲波的作用下，只需兩三分鐘就能完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍到幾十倍，清潔度也能達到很高的標準。在某些情況下，可以用水代

6、替有機溶劑進行清洗，或者降低酸堿濃度。對于一些對人體健康有害的清洗，比如清洗放射性污垢，可以實現(xiàn)遠程控制和自動清洗。超聲波清洗也有其局限性，比如對金屬、瓷器、玻璃等強聲反射的材料清洗效果較好，而對布、橡膠等強聲吸收的材料以及高粘度的污垢清洗效果較差。1.2超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置(1)超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計超聲波清洗機主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器和清洗槽組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲波發(fā)生器將50Hz交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻率電振蕩信號，然后通過電纜傳輸給超聲波換能器。清洗槽是一個盛放清洗液和待清洗零件的容器。(2)參數(shù)設(shè)置為了實現(xiàn)高效的超聲波清洗，應(yīng)選擇最佳的聲強、頻率和清洗槽內(nèi)聲場分布等參

7、數(shù)。工作頻率在20至2050千赫之間。低頻空化氣泡大而少，容易清洗粗糙的物體。高頻空化氣泡小而多，很容易清洗精細復(fù)雜的物體。這款超聲波清洗機是用來清洗粗糙的家用電器，所以采用低頻20kHz。采用碳氫化合物清洗液作為清洗液，具有以下特點:清洗性能好，蒸發(fā)損耗小，無毒，材料相容性好，不破壞環(huán)境，價格低廉。第二章超聲波發(fā)生器的設(shè)計2.1超聲波發(fā)生器的選擇超聲波發(fā)生器又稱超聲波電源，是用來產(chǎn)生超聲頻率電能并提供給超聲換能器的裝置。根據(jù)采用的工作原理，超聲波發(fā)生器可分為模擬電路和數(shù)字電路。模擬超聲波發(fā)生器可分為振蕩放大型和倒置型。本設(shè)計采用振蕩放大超聲波發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它是一種帶振蕩電路的

8、放大器，由振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號，放大器將其放大到一定的功率輸出。為達到最佳負載值，通過輸出變壓器進行阻抗匹配，通過功率放大器進行輸出。轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器放大器適配器電源超聲換能器圖2振蕩放大超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖振蕩條件:從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩器就是一個沒有輸入信號的、帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。圖3表示接正反饋時放大器在輸入信號=0時的方框圖，簡化下得圖4。由圖4可知，如果在放大器輸入端1外接一定頻率，一定幅度的正弦波信號Xa，經(jīng)過基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的環(huán)路輸出后，在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端2得到反饋信號Xf與Xa在大小和相位上都一致，則可以除去外接信號Xa，將1、2

9、兩端連接在一起(如圖中虛線所示)而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可繼續(xù)維持與開環(huán)時一樣的輸入信號，即=。基本放大器基本放大器(a)反饋(f)圖3正弦波振蕩器框圖圖4正弦波振蕩器框圖AF1 振幅平衡條件 和 + =2n n=0,1,2,3 相位平衡條件這兩個式子是正弦波振蕩器產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個必要條件。振蕩器的振蕩頻率0是由相位平衡條件決定的。一個正弦波振蕩器只在某一個頻率下滿足相位平衡條件，這個頻率就是f0,這就是要求在環(huán)路中包含一個具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)。它可以設(shè)置在放大器A中，也可以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)F中，它可以用R、C元件組成，也可以用L、C元件組成。欲使振蕩器能自行建立振蕩，就必須滿足1的條件。這樣在

10、接通電源后，振蕩器就可以自行起振，最后趨于穩(wěn)態(tài)平衡。2.2超聲波振蕩器的設(shè)計由于TL494價格低廉，性能優(yōu)越，設(shè)計了由開關(guān)穩(wěn)壓模塊TL494構(gòu)成的振蕩器。振蕩器電路見圖5。圖5振蕩器電路圖將TL494的5腳(CT)和6腳(RT)接定時元件電阻R和電容c，即可起振，振蕩器工作頻率由下式?jīng)Q定：=()由于頻率選為20k由上公式得RC=0.5958,振蕩器輸出方波的占空比是換能器產(chǎn)生的超聲波強度的決定因素。通過給TL494的4腳加以一定的直流電壓就可實現(xiàn)占空比調(diào)整。定時元件由電容C、電阻R1和電位器R2構(gòu)成，調(diào)節(jié)電位器R2即可實現(xiàn)頻率的調(diào)整。本機供電電源為12V，采用的是推挽工作方式。電阻R3(10k

11、Q)和電位器R4(10kQ)構(gòu)成分壓電路，死區(qū)時間控制端的電位應(yīng)界于255V之間。調(diào)節(jié)電位器R4亦可實現(xiàn)超聲波的強度調(diào)節(jié)。2.3超聲波放大器的設(shè)計(1)超聲波放大器的選擇超聲波放大器的功能是將振蕩信號放大到所需的電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，這取決于輸出功率的需求。早期的超聲波發(fā)生器使用電子管作為放大器件，但現(xiàn)在晶體管(三極管、場效應(yīng)晶體管和IBGT器件)被廣泛使用。近年來，越來越多的廠家采用功率集成電路作為超聲波發(fā)生器的放大器件。目前工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器基本上被晶體管電路壟斷。與電子管發(fā)生器相比，晶體管發(fā)生器具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點。另一方面，由于定向擊穿電壓、

12、最大集電極電流和最大集電極耗散功率的限制，一對晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦。要提高晶體管發(fā)生器的輸出能力，除了性能器件外，還必須采用高效率的電路。傳統(tǒng)的A類、B類和C類放大器使用有源器件作為電流源。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的活躍區(qū)。集電極電流由基極激勵信號控制，以做出相應(yīng)的改變。(2)低壓驅(qū)動電路本機采用高壓小電流功放電路，由兩個三極管和耦合變壓器組成，如圖6所示。為了避免兩個功放管同時導(dǎo)通，導(dǎo)致功耗增加，必須錯開兩個管的導(dǎo)通時間，使它們交替工作時同時關(guān)斷。因此，三極管P1和P2反相振蕩器的輸出，和type 8550型被選為三極管。低壓驅(qū)動電路的電源為12V DC，功率放大

13、電路的電源為220V交流電。三極管后增加一個耦合變壓器，完成高低壓隔離的任務(wù)。圖6低壓驅(qū)動電路圖(3)功率放大器匹配電路功率放大器電路如圖7所示。該電路由兩個VMOS功率場效應(yīng)晶體管2SK791組成。它具有線性度高、頻率響應(yīng)好、開關(guān)速度快等優(yōu)點，是一種理想的開關(guān)元件。但其關(guān)斷特性在電流較小時并不理想，下降沿有拖尾。圖7功率放大器電路2.4高頻驅(qū)動和匹配電路超聲波發(fā)生器和一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路。放大器與負載的匹配一般只涉及阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負載的匹配除了阻抗變換還涉及一個非常重要的容性調(diào)諧，即選擇一定值的阻抗元件，使其在工作頻率下與負載中的電抗分量諧振。只有同時進行阻抗

14、變換和調(diào)諧，整個系統(tǒng)才能視為匹配，換能器才能正常工作。高頻驅(qū)動和匹配電路如圖8所示。圖8高頻驅(qū)動和匹配電路超聲波清洗機中的匹配電路是將發(fā)電機輸出的電能送到換能器的通道。匹配電路雖然結(jié)構(gòu)簡單(通常只有一個匹配電感)，但作用很大。同類型的清洗機，配合調(diào)整好，清洗效果好；如果搭配不好，清潔效果就差。對于同一臺機器，如果工作一段時間后清洗效果變差，或者更換了換能器，則需要重新調(diào)整匹配。與一般電子設(shè)備的匹配不同，超聲波清洗機的匹配不僅要解決可變電阻的問題(即改變負載的電阻使其等于發(fā)生器的最佳負載值)，還要解決調(diào)諧的問題，即利用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈現(xiàn)純電阻。技師通常是根據(jù)自己的經(jīng)驗來

15、搭配的。例如，有人在改變清洗槽的水位時觀察電流的變化。如果電流在一定范圍內(nèi)變化，管道不發(fā)熱，空化聲強，則認為匹配已調(diào)整。也有人讓機器空載時有輕微電感，加載后轉(zhuǎn)為純電阻狀態(tài)。這些經(jīng)驗都適用。但在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，掌握搭配的原則，就可以有的放矢，更加主動的搭配，從而事半功倍。第三章超聲波換能器的設(shè)計3.1傳感器的選擇有兩種類型的換能器用于超聲波清洗。一種是磁致伸縮換能器，另一種是壓電換能器。磁致伸縮換能器的電聲效率相對較低。而且金屬鎳價格昂貴，制造工藝復(fù)雜，所以目前很少有鐵氧體制成的磁性伸縮換能器。雖然它的電聲效率相對較高，但是它的機械強度低，并且它的電功率容量小。因此，目前國內(nèi)主要使用的壓電式換

16、能器，由于其電聲轉(zhuǎn)換效率高，原材料便宜，易于制造不同的結(jié)構(gòu)來滿足不同的清洗要求，在國內(nèi)很少使用。壓電換能器有很多種，如圓柱形和喇叭形。經(jīng)過比較，選擇喇叭形夾心壓電換能器作為換能器。換能器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式的裝置。聲學(xué)研究領(lǐng)域，換能器主要是指電聲換能器，且，阻抗的反變換為節(jié)面在前后蓋板長度滿足：由上式得mm圖9喇叭換能器的結(jié)構(gòu)圖10等截面細桿的阻抗變換第四章清洗槽的設(shè)計清洗罐由罐體和外殼組成。槽的外表面(一般在槽的底部)粘接有超聲波換能器，槽內(nèi)裝有清洗液。箱體一般采用耐腐蝕的不銹鋼板，太厚會影響聲音輻射。罐壁，特別是與換能器粘接的輻射板，應(yīng)光滑打磨無傷痕，否

17、則易發(fā)生氣蝕，使用壽命縮短。為了避免清洗后的工件與槽壁直接接觸而產(chǎn)生劃痕，一般用中空的籃子(網(wǎng)籃)或支架將清洗零件懸掛在清洗液中。網(wǎng)籃的骨架要盡量小，盡量輕。一般采用不銹鋼絲或其他具有良好聲音反射的材料制成。該結(jié)構(gòu)應(yīng)該使超聲波較少被阻擋，并且清洗液易于流動。水箱的尺寸取決于清潔件的尺寸和形狀。清潔片的總表面積不應(yīng)大于水箱的容積。帶換能器的輻射板(如坦克底板)承受的電功率強度一般低于1.5 W/an2(使用壓電換能器時，大部分應(yīng)在0.5-1w/cm2之間)。強度過大會加速輻射板表面的氣蝕腐蝕，同時過度氣蝕產(chǎn)生的氣泡會影響能量傳遞，使遠離輻射面的液體空間聲強變?nèi)?，從而達不到均勻清洗的目的。在普通的

18、清洗槽中，由于液面的反射，清洗槽內(nèi)會產(chǎn)生駐波，導(dǎo)致液體空間的某些區(qū)域聲壓最小(在節(jié)點處)。在某些地方，最大聲壓(在波腹處)導(dǎo)致不均勻的清潔程度。為了減少駐波的形成，有時要特別設(shè)計清洗槽的形狀，或者采取其他措施，如掃頻。清洗片應(yīng)在槽內(nèi)以一定的間隔排列，最窄的一面應(yīng)朝向換能器的輻射面，以免阻礙聲輻射到整個清洗槽空間。凹槽尺寸為400360200毫米，超聲波功率為500瓦；外槽尺寸為420490380mm；超聲波發(fā)生器電路盒為224100135mm，由6根直徑為4.5 mm的螺紋固定參考資料:1郭峰。超聲波加工技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)，2005(1)海燕。超聲波清洗技術(shù)J.現(xiàn)代物理知識，2002(6)3白永

19、豐。特種加工技術(shù)M。理工大學(xué)，2006(1)4胡傳信、夏志東。特種加工手冊M。技術(shù)大學(xué)，2007(9)5康。電子技術(shù)基礎(chǔ)M。高等教育，1987(6)6艾曉陽。中國工業(yè)清洗領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢M?，F(xiàn)代制造業(yè)，2004(2)7欒桂東，金鐸，王仁干，壓電換能器與換能器陣列M，修訂版；大學(xué)，2005(9)附錄一:過程公式化和并行工程T.Ramayah和Noraini Ismail摘要產(chǎn)品設(shè)計是對產(chǎn)品及其組件的裝配的計劃。為了將產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)化為實際物體，需要一個制造計劃。制定這樣一個計劃的行動被稱為過程規(guī)劃。它是產(chǎn)品設(shè)計和制造的紐帶，工藝規(guī)劃的制定包括確定加工順序和制造產(chǎn)品必須完成的裝配步驟。在下面的文章

20、中，我們將解釋工藝規(guī)劃的制定和一些相關(guān)的主題。在文章的開始，我們應(yīng)該區(qū)分工藝計劃和生產(chǎn)計劃，這兩者在后面的文章中反復(fù)提到。工藝規(guī)程的制定關(guān)系到如何制造產(chǎn)品及其零件等工程技術(shù)問題。制造零件和組裝產(chǎn)品需要什么樣的設(shè)備和工具？工藝規(guī)程的制定關(guān)系到產(chǎn)品制造的物流管理。它關(guān)系到工藝規(guī)程制定后，原材料的分類和資源的獲取，以滿足制造足夠數(shù)量產(chǎn)品的要求。技術(shù)程序的制定工藝規(guī)劃包括確定最合適的制造和裝配步驟和順序，在這些步驟和順序中，他們必須根據(jù)提議的詳細設(shè)計規(guī)范完成給定零件或產(chǎn)品的制造?？梢杂媱澋倪^程的范圍和多樣性通常受到公司車間可用的設(shè)備和技術(shù)能力的限制。公司部門無法制造的零件必須在外部市場購買，在制定工藝

21、規(guī)范時提出的工藝選擇也受到詳細設(shè)計數(shù)據(jù)的限制。我們稍后將回到這一點。工藝規(guī)劃通常由制造工程師完成，工藝制定者必須熟悉工廠中可用的詳細制造工藝，并能夠解釋工程圖紙?；谥圃煺叩闹R、技術(shù)和經(jīng)驗，制造每個部件的工藝步驟以最合理的順序發(fā)展。以下是工藝規(guī)劃領(lǐng)域的許多決策和詳細信息:設(shè)計圖紙的描述。在制定工藝規(guī)范之初，這部分產(chǎn)品設(shè)計(材料、尺寸、公差、表面處理等。)一定要分析。過程和順序。過程設(shè)計者必須選擇哪個過程是必要的，以及必要過程的順序。此外，必須準備流程步驟的簡要說明。設(shè)備選擇。一般來說，工藝設(shè)計師必須逐步開始利用工廠現(xiàn)有機器的計劃。此外，必須購買組件或投資新設(shè)備。工具，模具，鑄模，夾具，測量工

22、具。過程必須確定每個過程需要什么工具。這些工具的實際設(shè)計和制造通常是通過指定工具設(shè)計部門和工具庫或聯(lián)系專門制造該類工具的外部制造商來完成的。方法分析。車間規(guī)劃，小工具，提升重物的提升間。甚至在一些手動操作的情況下，肢體動作也是指定的。操作步驟。工作測量技術(shù)用于為每個操作設(shè)定時間標準。切割工具和切割條件。這些必須在推薦的標準手冊中詳細解釋。零件工藝規(guī)范制定對于單個零件，加工順序由一個稱為路由表的表來支持。正如工程圖用于指定設(shè)計產(chǎn)品一樣，路由表用于指定工藝計劃。兩者類似，一個是產(chǎn)品設(shè)計，一個是制造。制造單個零件的典型加工順序包括:(1)基本工序，(2)二次工序，(3)改善材料性能的工序，以及(4)

23、最終工序。一個基本過程決定了工件的初始形狀。金屬鑄造、塑料成型和金屬精煉是基本工藝的例子。初始建模通常必須通過改變初始建模操作的第二步(或接近最終建模)來進行細化。輔助流程用于與基本流程一起提供初始建模。當砂型鑄造是基本工序時，車削通常是次要工序。當在軋機中制造金屬板是基本工序時，沖壓操作如沖裁和彎曲通常是次要工序。當塑料注射成型是基本工藝時，二次工藝通常是不必要的，因為其大部分幾何特征是通過其他方法制造的，例如成型。塑料成型等工序的二次工序稱為凈成型工序的并發(fā)二次工序，需要一些但不需要很多二次工序的工序就是所說的近似成型工序。很多令人印象深刻的鍛造零件都屬于這一類，往往可以在鍛造(一次工序)

24、階段成型，從而減少必要的加工(二次工序)。一旦建立了模型，許多零件的下一步就是提高它們的機械和物理性能。改進特征過程不會改變零件模型，但是，它可以改變零件的物理特征。金屬零件的熱處理是最常見的例子。例如，鋼化玻璃是通過對玻璃進行熱處理制成的。對于大多數(shù)零件的制造，在加工過程中不需要這些特性增強過程。最后一道工序通常在零件(或組件)表面提供涂層。例如電鍍、薄膜沉積技術(shù)和涂漆。表面處理的目的是改善外觀、改變顏色或保護表面不受腐蝕和磨損等。在許多部分，最后的過程是不必要的。例如，塑料成型很少需要最后一道工序。當需要最后一道工序時，它通常是加工順序中的最后一步。裝配工藝規(guī)范的制定給定產(chǎn)品的典型裝配方法

25、由以下因素決定:(1)產(chǎn)品的預(yù)期數(shù)量；以及(2)組裝產(chǎn)品的復(fù)雜性。例如:不同部件的數(shù)量和(3)常見的組裝工藝。比如機械點焊，對于少數(shù)產(chǎn)品，通常是在人工裝配線上進行裝配。對于批量生產(chǎn)的幾十個或簡單的零件，應(yīng)采用合適的自動化裝配線。無論如何，工作必須完成是有先后順序的。這種優(yōu)先級要求通常由優(yōu)先級表來描述。裝配程序的制定包括裝配指令的制定，但更具體地說是針對小批量生產(chǎn)。在一個位置完成整個裝配。對于裝配線上的大規(guī)模生產(chǎn)，工藝規(guī)劃的制定包括一個為裝配線上的各個工位分配工作條件的過程，這種方法稱為人工輸入的線性平衡法。這種裝配線按照裝配線平衡解決方案確定的順序?qū)⒐ぷ鲉卧l(fā)送到各個工位。在制定單個部件和任何

26、工具或夾具的工藝規(guī)范時，必須完成裝配線的決策、設(shè)計和制造，并且必須列出工作站?；蛘哔徺I決策。工藝制定中的一個主要問題是某個具體的零件是應(yīng)該在公司部門的工廠生產(chǎn)還是從外部廠商采購，這個問題的答案被認為是制造還是采購決策。如果該公司沒有制造零件所必需的詳細制造流程的技術(shù)設(shè)備或?qū)I(yè)知識，那么答案是顯而易見的。因為沒有其他必須購買的選裝件。然而，在許多情況下，零件可以從使用現(xiàn)有設(shè)備在當?shù)刂圃旎驈耐獠烤哂蓄愃浦圃炷芰Φ闹圃焐毯弯N售商處購買。在我們討論制造還是購買的決定時，他應(yīng)該意識到，幾乎所有的制造商一開始都從供應(yīng)商那里購買原材料。一家機械加工廠從金屬經(jīng)銷商那里購買他的起動手柄原材料，或者從鑄造廠購買他

27、的砂型鑄件。一家塑料模制廠從一家化工廠購買了他的模塑料。沖壓廠可以去經(jīng)銷商那里或者直接從軋鋼廠購買金屬板。很少有公司能在運營上垂直整合原材料，所以至少購買一些可能在他的工廠單獨制造的零件似乎是合理的。也有可能要求對公司使用的每個組件做出制造或采購決定。有許多因素會影響制造或采購的決策。人們可能認為成本是決定購買還是制造零件的最重要因素。如果外部經(jīng)銷商比公司工廠更精通制造零件，公司部門的生產(chǎn)成本可能會高于經(jīng)銷商賺取的價格。但是，如果采購決策導(dǎo)致公司工廠設(shè)備和勞動力的閑置，那么采購零部件的明顯優(yōu)勢就喪失了?？紤]以下制造或采購決策的例子。特定零件的報價為100件每件20美元。制造零件的組成如下:原材

28、料的單位成本=每單位8.00美元直接人工成本=每單位6.00美元加班工時150%=每單位9.00美元設(shè)備維修成本=每單位5美元_總計=每單位28.00美元這種成分應(yīng)該在部里購買還是生產(chǎn)？解決方案:雖然分銷商的報價似乎支持購買決定，但讓我們考慮一下如果接受報價，生產(chǎn)操作中可能出現(xiàn)的沖突。5.00美元的設(shè)備維護成本是已經(jīng)設(shè)定的投資成本。如果設(shè)備設(shè)計因為購買零件的決定而變得無用，那么即使設(shè)備閑置，這種固定成本也會繼續(xù)存在。同樣，如果購買零件，間接人工成本9.00美元，其中包括工廠空間，公用事業(yè)和人工成本，將繼續(xù)。通過這種推理，購買本應(yīng)用于生產(chǎn)零件的設(shè)備并不是一個好的決定，因為這可能會使公司每臺設(shè)備花

29、費近20.00美元+$ 5.00+$ 9.00 = 34.0美元。另一方面，如果所討論的設(shè)備可以用于生產(chǎn)其他零件，并且這些零件的生產(chǎn)成本低于外部報價，那么購買決策就是一個好的決策?；蛘咧圃旎蛸徺I的決定不像這個例子中那樣直接。近年來的一個趨勢，尤其是在汽車行業(yè)，是公司和零部件供應(yīng)商建立了密切的關(guān)系。這導(dǎo)致了并行工程。制造公司對使用計算機輔助工藝(CAPP)系統(tǒng)來計劃操作很感興趣。那些熟悉加工細節(jié)和其他流程的工廠培訓(xùn)的工人正在逐漸退休，這些人在未來的流程制定過程中會非常有用。實現(xiàn)這一功能的另一種方法是必要的，CAPP提供了這種選擇。CAPP通常被認為是計算機輔助制造(CAM)的一部分。但是，這種趨

30、勢意味著CAM是一系列系統(tǒng)。實際上，CAD/CAM系統(tǒng)是由CAD和CAD協(xié)同創(chuàng)建的。在這樣的系統(tǒng)中，CAPP成為設(shè)計和制造之間的直接聯(lián)系。計算機輔助流程的優(yōu)勢包括:流程合理化和標準化。自動工藝規(guī)劃比手工工藝規(guī)劃更合理和一致。標準往往生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)質(zhì)量高。提高流程規(guī)劃者的生產(chǎn)力。數(shù)據(jù)文件中系統(tǒng)方法和標準工藝設(shè)計的實用性使工藝設(shè)計者能夠完成更多的工作。減少工藝規(guī)劃的制定時間。與手工編制相比，使用CAPP系統(tǒng)的工藝設(shè)計人員可以在更短的時間內(nèi)編制出工藝路線表。提高可讀性。計算機準備的路由表比手工路由表更簡單、更簡潔。結(jié)合其他應(yīng)用軟件。CAPP系統(tǒng)可以在接口上與其他應(yīng)用軟件結(jié)合，如成本估算、工作標準等

31、。計算機輔助工藝是圍繞兩條路徑設(shè)計的，分別稱為:(1)CAPP檢索系統(tǒng)和(2)CAPP生成系統(tǒng)。許多將這兩種途徑結(jié)合起來的CAPP系統(tǒng)被稱為生成式和檢索式CAPP系統(tǒng)。并行工程與制造業(yè)設(shè)計并行工程(Concurrent engineering)是指產(chǎn)品開發(fā)中常用的一種路徑，通過這種路徑將工程設(shè)計功能、工程制造功能和其他功能集成在一起，以減少一種新產(chǎn)品投放市場所需的共同時間，也稱為并行工程。可以認為是類似于CAD/CAM技術(shù)的組織版本，一個產(chǎn)品按照傳統(tǒng)路徑投放市場。如圖(1)a所示，工程設(shè)計職能和工程制造職能是分開的，是連續(xù)的。產(chǎn)品設(shè)計部門在推出新的設(shè)計時，有時很少考慮到公司的制造能力，制造工程

32、師也很少有機會提供一些如何讓設(shè)計更容易制造的建議。似乎他消除了設(shè)計和制造之間的一堵墻。當設(shè)計部門完成設(shè)計后，他把工程圖紙和說明書扔過了墻，然后開始制定工藝規(guī)程。圖(1)比較:(a)傳統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)周期和(b)平行產(chǎn)品的開發(fā)周期相比之下，實施并行工程的公司，工程和制造部門在早期階段就參與了產(chǎn)品開發(fā)周期。就如何使產(chǎn)品及其成分更適合制造提供建議。他還為產(chǎn)品提供制造計劃繼續(xù)進行的前期準備，這種并行工程的路徑如圖(1) B所示。除了工程制造，產(chǎn)品開發(fā)周期中還包括其他功能，如質(zhì)量工程、制造部門、物流服務(wù)、市場供應(yīng)評估構(gòu)成以及在某些情況下將使用這些產(chǎn)品的消費者。所有這些功能在產(chǎn)品開發(fā)階段不僅可以提高新產(chǎn)品的功

33、能和性能，還可以提高其可制造性、自檢性、可測試性、服務(wù)能力和可維護性。通過早期的功能改進，產(chǎn)品開發(fā)周期的持續(xù)時間大大縮短，因為來不及審查最終的產(chǎn)品設(shè)計來對設(shè)計進行方便的修改。并行設(shè)計包括以下因素:(1)某些制造和裝配設(shè)計，(2)質(zhì)量設(shè)計，(3)成本設(shè)計，(4)生命周期設(shè)計。此外，還需要利用快速原型、虛擬制造、組織變革等輔助技術(shù)來推動公司的并行工程。制造和裝配設(shè)計據(jù)估計，產(chǎn)品生命周期成本的70%是由產(chǎn)品設(shè)計期間做出的基本決策決定的，這些決策包括每個零件的材料、零件型號、公差、表面處理、零件的組織和裝配方式以及常用的裝配方法。一旦這些決定被指定，降低產(chǎn)品制造成本的能力將受到限制。例如，如果產(chǎn)品設(shè)計

34、者決定用鋁砂型鑄造來制造一個單獨的零件，但這個零件的工藝特性只能通過機械加工來完成(如螺紋孔和配合公差)，制造工程師別無選擇，只能按照砂型鑄造的方法來達到既定的要求。在這種情況下，使用單獨步驟中所需的塑料模制產(chǎn)品可能是更好的決定。所以，在產(chǎn)品設(shè)計開始的時候，給制造工程師一個給設(shè)計師提建議的機會是非常重要的。用于描述新產(chǎn)品可制造性的條件是制造設(shè)計(DFM)和裝配設(shè)計(DFA)。當然，DFM和DFA是緊密聯(lián)系在一起的，所以我們用DFM/A的形式來表達吧，制造和裝配設(shè)計包括了對一個新產(chǎn)品中可制造性和可裝配性的綜合考慮，它包括:(1)組織變革，(2)設(shè)計原則和準則。DFM/A中的組織變革DFM/A的有

35、效實施包括公司組織結(jié)構(gòu)的正式或非正式變革，因此設(shè)計人員和制造人員之間有良好的溝通和互動。這可以通過以下方法實現(xiàn):(1)通過成立由產(chǎn)品設(shè)計師、制造工程師和其他員工(例如質(zhì)量工程師和材料專家)組成的研究團隊來開發(fā)產(chǎn)品；(2)通過要求設(shè)計工程師在制造上花費一些職業(yè)時間，他們可以掌握第一手的可制造性和可裝配性如何通過產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)系在一起；(3)通過將制造工程師分配到產(chǎn)品設(shè)計部門，作為臨時或全職的縮減顧問。設(shè)計說明和指南。DFM/A為了理解如何設(shè)計一個給定的產(chǎn)品，以最大限度地提高可制造性和可裝配性，它還取決于設(shè)計說明和指南的使用。這些通用設(shè)計指南中的一些幾乎適用于任何產(chǎn)品設(shè)計。在其他方面，一些設(shè)計原則只適

36、用于特定的過程，如在步驟中使用軸或錐度，以及使用成型產(chǎn)品切割模具零件。在制造過程中，我們只是把這些具體的工藝指南放在書本上。指導(dǎo)方針有時會相互矛盾。一個準則是“簡化零件模型，避免不必要的特征”。然而，同表中的另一個準則規(guī)定，在為裝配安全設(shè)計產(chǎn)品時，“必須不時地將特殊幾何特征添加到其組成中”。并且可能值得將單個組件的特性結(jié)合起來以減少產(chǎn)品中的部件數(shù)量。在這些示例中，零件制造設(shè)計與組件設(shè)計相沖突。這場沖突的雙方都必須找到適當?shù)慕鉀Q辦法。工藝規(guī)劃和并行工程T.Ramayah和Noraini Ismail摘要產(chǎn)品設(shè)計是對產(chǎn)品及其組件和子組件的計劃。為了將產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)化為物理實體，需要一個制造計劃。制定這

37、種計劃的活動稱為過程規(guī)劃。它是產(chǎn)品設(shè)計和制造之間的紐帶。工藝規(guī)劃包括確定制造產(chǎn)品必須完成的加工和裝配步驟的順序。在本章中，我們研究加工規(guī)劃和幾個相關(guān)的主題。過程設(shè)計工藝規(guī)劃包括確定最合適的制造和裝配工藝以及完成這些工藝的順序，以便根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計文件中規(guī)定的規(guī)格生產(chǎn)給定的零件或產(chǎn)品?？梢杂媱澋倪^程的范圍和種類通常受到工廠公司的可用加工設(shè)備和技術(shù)能力的限制。不能在內(nèi)部制造的零件必須從外部供應(yīng)商處購買。應(yīng)該提到的是，工藝的選擇也受到產(chǎn)品設(shè)計細節(jié)的限制。這一點我們將在后面討論。工藝規(guī)劃通常由制造工程師完成。工藝規(guī)劃者必須熟悉工廠中可用的特定制造工藝，并能夠解釋工程圖紙?；谟媱澱叩闹R、技能和經(jīng)驗，加工

38、步驟以最符合邏輯的順序發(fā)展以制造每個零件。以下是工藝規(guī)劃范圍內(nèi)通常包括的許多決策和細節(jié)的列表。設(shè)計圖紙的解釋。必須分析產(chǎn)品設(shè)計的部分(材料、尺寸、公差、表面加工等)。)在工藝規(guī)劃程序開始時。過程和順序。工藝規(guī)劃者必須選擇需要哪些工藝及其順序。必須準備好處理步驟的簡要描述。設(shè)備選擇。一般來說，工藝規(guī)劃者必須開發(fā)利用工廠現(xiàn)有設(shè)備的計劃。否則，必須購買組件，或者投資購買新設(shè)備。工具、模具、鑄模、夾具和量具。工藝必須決定每個加工步驟需要什么工具。這些工具的實際設(shè)計和制造通常由工具設(shè)計部門和工具室負責(zé)，或者聯(lián)系專門從事該類工具的外部供應(yīng)商。方法分析。工作場所布局、小型工具、用于提升重物的起重機，甚至在某

39、些情況下，手動操作的手和身體運動都必須指定。工業(yè)工程部門通常負責(zé)這一領(lǐng)域。工作標準。工作測量技術(shù)用于為每個操作設(shè)定時間標準。切割工具和切割條件。這些必須為加工操作指定，通常參考標準手冊建議。零件的工藝規(guī)劃對于單個零件，加工順序記錄在一個叫做路線表的表格上。正如工程圖用于指定產(chǎn)品設(shè)計一樣，工藝路線表用于指定工藝計劃。他們是同行，一個做產(chǎn)品設(shè)計，一個做制造。制造單個零件的典型加工順序包括:(1)基本工序，(2)二次工序，(3)提高物理性能的操作，和(4)精加工操作。一個基本過程決定了工件的起始幾何形狀。金屬鑄造、塑料成型和金屬板軋制都是基本工藝的例子。初始幾何圖形通常必須通過二次加工進行細化，二次

40、加工是指轉(zhuǎn)換初始幾何圖形(或接近最終幾何圖形)的操作。可能使用的次級幾何圖形過程與提供初始幾何圖形的基本過程密切相關(guān)。當砂型鑄造是基本工序時，機械加工通常是第二工序。當軋鋼廠生產(chǎn)金屬板時，沖壓操作如沖壓和彎曲是次要工序。當塑料注射成型是基本工藝時，二次操作通常是不必要的，因為大部分需要機械加工的幾何特征可以通過成型操作產(chǎn)生。不需要后續(xù)二次加工的塑料成型和其他操作稱為凈成型工藝。需要一些但不太多二次加工(通常是機械加工)的操作被稱為近凈成形工藝。一些壓模鍛件就屬于這一類。這些零件通?？梢栽阱懺觳僮?基本工序)中成形，因此只需要很少的機械加工(二次加工)。一旦建立了幾何形狀，某些零件的下一步就是改

41、善它們的機械和物理性能。增強屬性的操作不會改變零件的幾何形狀；相反，它們會改變物理特性。金屬零件的熱處理操作是最常見的例子。對玻璃進行類似的熱處理以生產(chǎn)鋼化玻璃。對于大多數(shù)制造的零件，這些性能增強操作在加工順序中是不需要的。最后，精加工操作通常在工件(或組件)表面提供一層涂層。例子包括電鍍、薄膜沉積技術(shù)和噴漆。涂層的目的是增強外觀、改變顏色或保護表面免受腐蝕、磨損等。許多零件不需要精加工；例如，塑料模制品很少需要精加工。當需要精加工時，它通常是加工順序中的最后一步。裝配的加工計劃用于給定產(chǎn)品的裝配方法的類型取決于如下因素:(1)預(yù)期的生產(chǎn)數(shù)量；(2)組裝產(chǎn)品的復(fù)雜性，例如，不同組件的數(shù)量；以及

42、(3)使用的組裝工藝，例如，機械組裝對焊接。對于相對小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，裝配通常在人工裝配線上進行。對于由十幾個部件組成的簡單產(chǎn)品來說，要大批量生產(chǎn)，自動化裝配系統(tǒng)是合適的。在任何情況下，都有一個工作必須完成的優(yōu)先順序。優(yōu)先要求有時會在優(yōu)先圖上用圖形表示出來。裝配工藝規(guī)劃涉及裝配指令的開發(fā)，但更詳細。對于低產(chǎn)量，整個裝配在一個工位完成。對于裝配線上的高產(chǎn)量，工藝規(guī)劃包括將工作要素分配給生產(chǎn)線上的各個工位，這一過程稱為生產(chǎn)線平衡。裝配線按照裝配線平衡解決方案確定的正確順序?qū)⒐ぷ鲉卧l(fā)送到各個工位。正如在單個部件的工藝規(guī)劃中一樣，完成裝配任務(wù)所需的任何工具和夾具都必須確定、設(shè)計、制造，并且必須布置工

43、作站。做決定還是買決定工藝規(guī)劃中出現(xiàn)的一個重要問題是，給定的零件是應(yīng)該在公司自己的工廠生產(chǎn)還是從外部ide供應(yīng)商那里購買，這個問題的答案就是制造還是購買決策。如果公司不具備制造零件所需的技術(shù)設(shè)備或特定制造工藝的專業(yè)知識，那么答案是顯而易見的:因為沒有內(nèi)部替代方案，所以必須購買零件。然而，在許多情況下，零件可以使用現(xiàn)有設(shè)備在內(nèi)部制造，也可以從具有類似制造能力的供應(yīng)商處購買。在我們討論制造或購買決策時，應(yīng)該首先認識到，幾乎所有的制造商都從供應(yīng)商那里購買原材料。一家機械加工廠從金屬經(jīng)銷商處購買原材料，從鑄造廠購買砂型鑄件。一家塑料模制廠從一家化學(xué)公司購買其模塑料。沖壓廠要么從經(jīng)銷商處購買金屬板，要么

44、直接從軋鋼廠購買。很少有公司從原材料到生產(chǎn)經(jīng)營都是縱向一體化的，因此考慮購買至少一些零件似乎是合理的，否則這些零件將在自己的工廠里生產(chǎn)。對于公司使用的每個組件，詢問是制造還是購買的問題可能是合適的。有許多因素會影響制造或購買的決策。人們會認為成本是決定是生產(chǎn)還是購買零件的最重要因素。如果外部供應(yīng)商比公司自己的工廠更擅長制造零件，那么內(nèi)部生產(chǎn)成本很可能會高于購買價格，即使供應(yīng)商已經(jīng)計入利潤。但是，如果購買決策導(dǎo)致公司自有工廠的設(shè)備和勞動力閑置，那么購買零件的明顯優(yōu)勢可能會喪失?？紤]下面的制造或購買決策的例子。某個零件的報價是100件每件20美元。該零件可以在公司自己的工廠生產(chǎn)，價格為28美元。制

45、造該零件的組件如下:單位原材料成本=每單位8.00美元直接人工成本=每單位6.00美元150%的人工間接費用=每單位9.00美元設(shè)備固定成本=每單位5.00美元_總計=每單位28.00英鎊該組件應(yīng)該購買還是內(nèi)部制造？解決方案:盡管供應(yīng)商的報價似乎傾向于購買決定，但讓我們考慮一下如果報價被接受可能對工廠運營產(chǎn)生的影響。設(shè)備固定成本$5.00是基于已有投資的分配成本。如果為這項工作設(shè)計的設(shè)備由于購買零件的決定而閑置，那么即使設(shè)備閑置，固定成本也會繼續(xù)存在。同樣，9.00美元的人工間接成本包括工廠空間、公用設(shè)施和人工成本，即使購買了該零件也是如此。根據(jù)這一推理，購買決定不是一個好的決定，因為如果它導(dǎo)

46、致本可用于生產(chǎn)零件的機器上的閑置時間，可能會給公司造成高達每單位20.00美元+5.0美元+9.00美元= 34.00美元的成本。另一方面，如果所討論的設(shè)備可以用于生產(chǎn)其他零件，而這些零件的內(nèi)部成本低于相應(yīng)的外部報價，那么購買決策就是一個好的決策。制造或購買決策通常不像本例中那樣簡單。近年來的一個趨勢，尤其是在汽車行業(yè)，是公司強調(diào)與零部件供應(yīng)商建立密切關(guān)系的重要性。我們將在以后討論并行工程時討論這個問題。計算機輔助工藝規(guī)劃制造企業(yè)對使用計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)系統(tǒng)來自動化工藝規(guī)劃任務(wù)很感興趣。熟悉機械加工等工藝細節(jié)的車間培訓(xùn)人員逐漸退休，未來將有這些人做工藝規(guī)劃。需要一種替代的方法來完成

47、這一功能，而CAPP系統(tǒng)正在提供這種替代方法。CAPP通常被認為是計算機輔助制造(CAM)的一部分。然而，這往往意味著CAM是一個獨立的系統(tǒng)。事實上，當計算機輔助設(shè)計與計算機輔助設(shè)計相結(jié)合來創(chuàng)建CAD/CAM系統(tǒng)時，就會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。在這樣的系統(tǒng)中，CAPP成為設(shè)計和制造之間的直接聯(lián)系。計算機自動化工藝規(guī)劃的好處包括:。流程合理化和標準化。與完全手動進行工藝設(shè)計相比，自動化工藝設(shè)計可產(chǎn)生更合理、更一致的工藝設(shè)計。標準計劃往往會降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。提高工藝設(shè)計人員的生產(chǎn)力。系統(tǒng)方法和數(shù)據(jù)文件中標準工藝計劃的可用性允許工藝計劃者完成更多的工作?？s短流程規(guī)劃的交付時間。與手動準備相比，與CA

48、PP系統(tǒng)一起工作的工藝規(guī)劃器可以在更短的交付周期內(nèi)提供工藝路線表。提高易讀性。計算機準備的路線表比手工準備的路線表更整潔，更容易閱讀。其他應(yīng)用程序的合并。CAPP程序可以與其他應(yīng)用程序接口，如成本估算和工作標準。計算機輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)是圍繞兩種方法設(shè)計的。這些方法被稱為:(1)檢索式CAPP系統(tǒng)和(2)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。有些CAPP系統(tǒng)將這兩種方法結(jié)合起來，稱為半創(chuàng)成式CAPP。面向制造的并行工程和設(shè)計并行工程是指產(chǎn)品開發(fā)中使用的一種方法，在這種方法中，設(shè)計工程、制造工程和其他功能被集成，以減少將新產(chǎn)品推向市場所需的時間。也被稱為同步工程，它可能被認為是CAD/CAM技術(shù)的組織對應(yīng)。在推出新產(chǎn)品的傳統(tǒng)方法中，