第二章 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法

第二章機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法

第一節(jié)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)的類型機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)可分為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)和組合設(shè)計(jì)等三大類型。一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是依據(jù)市場(chǎng)需求和發(fā)展的預(yù)測(cè)，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用新的原理、技術(shù)和先進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)能力，迅速占領(lǐng)和擴(kuò)大市場(chǎng)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)通常從市場(chǎng)調(diào)研和預(yù)測(cè)開始，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)，經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)四個(gè)階段；還應(yīng)通過新產(chǎn)品試制和試驗(yàn)來驗(yàn)證其技術(shù)可行性；通過小批試生產(chǎn)來驗(yàn)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(zhǎng)的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，投入較大的研制開發(fā)工作量。二、變型設(shè)計(jì)為滿足市場(chǎng)需求的快速變化，常常采用適應(yīng)型設(shè)計(jì)和變參數(shù)型設(shè)計(jì)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(yīng)型設(shè)計(jì)是通過更換或改變部分部件或結(jié)構(gòu)，變參數(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)型設(shè)計(jì)和變參數(shù)型設(shè)計(jì)統(tǒng)稱為變型設(shè)計(jì)。變型設(shè)計(jì)不應(yīng)無(wú)序地進(jìn)行，應(yīng)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(gè)產(chǎn)品系列。作為變型設(shè)計(jì)依據(jù)的原有產(chǎn)品，通常是采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需要產(chǎn)品的根本原因。三、模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)又稱為組合設(shè)計(jì)，它是按照用戶需求，選擇適當(dāng)?shù)墓δ苣K，直接拼裝成組合產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)首先應(yīng)在一定范圍內(nèi)對(duì)不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，然后劃分并設(shè)計(jì)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(chǎng)的多方面的需求。組合產(chǎn)品是系列產(chǎn)品的進(jìn)一步細(xì)化，組合產(chǎn)品中的模塊也應(yīng)按系列化設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，機(jī)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(jì)的意義卻不容低估，因?yàn)橹挥胁捎脛?chuàng)新設(shè)計(jì)方法，才能不斷地推出全新的產(chǎn)品，這是企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的必要條件；而在變型設(shè)計(jì)中的基型產(chǎn)品與在模塊化設(shè)計(jì)中的功能模塊，則也是通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的。第二節(jié)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)的方法一、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)的典型步驟機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)的步驟隨設(shè)計(jì)類型而不同，創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(wù)是在市場(chǎng)需求分析、市場(chǎng)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)自身的實(shí)際情況，確定即將開發(fā)的新產(chǎn)品的功能和性能，并進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)的可行性分析，制定出設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù)書。產(chǎn)品規(guī)劃階段的實(shí)質(zhì)就是對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目的決策，它對(duì)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(xué)的市場(chǎng)預(yù)測(cè)是正確決策的前提和基礎(chǔ)，它需要綜合運(yùn)用技術(shù)預(yù)測(cè)、市場(chǎng)學(xué)、決策論和信息學(xué)等理論和方法來解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。1.需求分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)是為了滿足市場(chǎng)的需求，而市場(chǎng)的需求往往是不具體的、模糊的、潛在的，甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。需求分析的任務(wù)就是將這些需求具體化。需求分析本身就是設(shè)計(jì)工作的一部分，它既是設(shè)計(jì)工作的開始，又要自始至終指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。需求分析是一個(gè)創(chuàng)造性的過程。設(shè)計(jì)人員必須用敏銳的觀察力，及時(shí)找到和預(yù)測(cè)市場(chǎng)的需求，并在市場(chǎng)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(chǎng)，以取得豐厚的回報(bào)。需求分析一般包括對(duì)銷售市場(chǎng)和原材料市場(chǎng)的分析，如：1）所面向的社會(huì)消費(fèi)群體對(duì)產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量及價(jià)格等方面的要求；2）現(xiàn)有類似產(chǎn)品的功能、性能、價(jià)格、市場(chǎng)占有情況和發(fā)展趨勢(shì)；3）競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)及發(fā)展趨向；4）主要原材料、配件、半成品等的供應(yīng)情況、價(jià)格及發(fā)展趨勢(shì)等。2.調(diào)查研究1）市場(chǎng)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(yīng)等方面的情況及發(fā)展趨勢(shì)；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(shì)；行業(yè)技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；新技術(shù)、新材料和新工藝的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)態(tài)；競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)分析；競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)動(dòng)向；環(huán)境對(duì)研制的產(chǎn)品提出的要求等；3）社會(huì)調(diào)研——一般包括企業(yè)目標(biāo)市場(chǎng)所處的社會(huì)環(huán)境、有關(guān)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，如產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、投資動(dòng)向、環(huán)境保護(hù)及安全等方面的法律、規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)；社會(huì)的風(fēng)俗習(xí)慣；社會(huì)人員的構(gòu)成情況、消費(fèi)水平、消費(fèi)心理及購(gòu)買能力；本企業(yè)實(shí)際情況、現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)和不足、發(fā)展動(dòng)向及發(fā)展?jié)摿Φ取?.預(yù)測(cè)1）定性預(yù)測(cè)——在數(shù)據(jù)和信息缺乏時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和綜合分析對(duì)未來的發(fā)展?fàn)顩r作出推測(cè)和估計(jì)。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(yù)測(cè)——對(duì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果的各種因素進(jìn)行相關(guān)分析和篩選，根據(jù)主要影響因素和預(yù)測(cè)對(duì)象的數(shù)量關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)市場(chǎng)發(fā)展情況作出定量預(yù)測(cè)。采用的方法有時(shí)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(yù)測(cè)后，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)中的重大問題要進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，判斷是否可行?？尚行苑治鍪切庐a(chǎn)品立項(xiàng)時(shí)必不可少的一項(xiàng)依據(jù)?？尚行苑治鲆话惆夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)分析三個(gè)方面。經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三個(gè)方面的分析，以及對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的可行性研究后，應(yīng)提出產(chǎn)品開發(fā)的可行性報(bào)告。在可行性報(bào)告中應(yīng)明確產(chǎn)品開發(fā)的必要性，市場(chǎng)調(diào)研和預(yù)測(cè)情況；開發(fā)產(chǎn)品的種類、應(yīng)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(jì)效益、社會(huì)效益分析及風(fēng)險(xiǎn)分析；從設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量等方面需要解決的關(guān)鍵問題和開發(fā)進(jìn)度等。5.編制設(shè)計(jì)任務(wù)書經(jīng)過可行性分析后，應(yīng)確定待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)參數(shù)，編制“設(shè)計(jì)要求表”。在“設(shè)計(jì)要求表”內(nèi)要列出必須達(dá)到的要求和希望達(dá)到的要求，并按照重要程度排出名次，作為對(duì)設(shè)計(jì)作出評(píng)價(jià)時(shí)確定加權(quán)系數(shù)的依據(jù)。各項(xiàng)要求應(yīng)盡可能用數(shù)值來描述其技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)要求表設(shè)計(jì)要求應(yīng)達(dá)到的要求重要程度名次類別項(xiàng)目及指標(biāo)功能運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng)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(hào)控制要求、測(cè)量方式及要求等其他性能自動(dòng)化程度、可靠性、壽命等經(jīng)濟(jì)尺寸（長(zhǎng)、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(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用（續(xù)）設(shè)計(jì)要求應(yīng)達(dá)到的要求重要程度名次類別項(xiàng)目及指標(biāo)制造加工公差、特殊加工條件等檢驗(yàn)測(cè)量和檢驗(yàn)的特殊要求等裝配裝配要求、地基及安裝現(xiàn)場(chǎng)要求使用使用對(duì)象市場(chǎng)和用戶類型人機(jī)學(xué)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(xué)造型、外觀、色彩等期限設(shè)計(jì)完成日期研制開始和完成日期，試驗(yàn)、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(jì)和裝備實(shí)際情況，編制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)書。設(shè)計(jì)任務(wù)書是指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性文件，其主要任務(wù)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選型，確定最佳設(shè)計(jì)方針。在設(shè)計(jì)任務(wù)書內(nèi)，應(yīng)說明設(shè)計(jì)該產(chǎn)品的必要性和現(xiàn)實(shí)意義，產(chǎn)品的用途描述、設(shè)計(jì)所需要的全部重要數(shù)據(jù)、總體布局和結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)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(chǎng)、環(huán)境、法律法規(guī)及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及制造廠自身的實(shí)際情況，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和決策的依據(jù)。（二）方案設(shè)計(jì)階段方案設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，進(jìn)行產(chǎn)品的功能原理分析和設(shè)計(jì)，這是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣將對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本有著很大的影響，對(duì)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力的提高關(guān)系極大。方案設(shè)計(jì)是個(gè)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)過程，要求充分發(fā)揮人的創(chuàng)造思維能力，綜合運(yùn)用與設(shè)計(jì)方法學(xué)相關(guān)的學(xué)科包括系統(tǒng)工程學(xué)、圖論、創(chuàng)造學(xué)、思維心理學(xué)、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(gè)系統(tǒng)原理解中通過評(píng)價(jià)、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(shí)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(gè)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(fù)雜，難于直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解。所以要對(duì)總功能進(jìn)行分解，將其分解為較簡(jiǎn)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(jí)功能、三級(jí)功能（即分功能）等。各種級(jí)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(shí)現(xiàn)各個(gè)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(rèn)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(gè)功能元（子功能）的解合理組合，可以得到多個(gè)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(jì)要求不符的方案，然后定性選幾個(gè)比較滿意的方案，再對(duì)篩選出的方案進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，最后得出符合設(shè)計(jì)要求的最佳方案。

功能分析法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)步驟明確，規(guī)律性強(qiáng)，有利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，有利于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率?！蠢涤霉δ芊治龇ㄔO(shè)計(jì)——挖掘機(jī)的方案。（1）總功能分析——系統(tǒng)的總功能為實(shí)現(xiàn)挖掘；（2）功能分解——將總功能分解為功能元；a.動(dòng)力系統(tǒng)；b.傳動(dòng)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(dòng)、潤(rùn)滑、計(jì)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(gè)系統(tǒng)原理解；（5）最后得出一個(gè)最佳原理解。解法目錄解號(hào)功能元12345動(dòng)力裝置電動(dòng)機(jī)液壓馬達(dá)氣動(dòng)馬達(dá)內(nèi)燃機(jī)汽輪機(jī)傳動(dòng)裝置皮帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)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(jì)階段

技術(shù)設(shè)計(jì)是將功能原理方案具體化為機(jī)器或零部件的合理結(jié)構(gòu)，主要包括總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及模型試驗(yàn)等。1.總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)包括確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，各部件的總體布局，相對(duì)運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系設(shè)計(jì)，總體聯(lián)系尺寸，人機(jī)環(huán)境的合理關(guān)系等內(nèi)容。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)的目的是檢查產(chǎn)品的功能及零部件的強(qiáng)度、剛度、運(yùn)動(dòng)精度、振動(dòng)穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，并提出改進(jìn)建議。模型試驗(yàn)可采用實(shí)物試驗(yàn)，也可采用模擬試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)的方式。（四）施工設(shè)計(jì)階段施工設(shè)計(jì)階段主要進(jìn)行零件工作圖設(shè)計(jì)、完善部件裝配圖和總裝配圖設(shè)計(jì)，進(jìn)行商品化設(shè)計(jì)，編制各類技術(shù)文檔等。