机械制造装备设计方法

第二章机械制造装备设计方法机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的评价第一节机械制造装备设计的类型创新设计变型设计模块化设计创造性思维直觉思维逻辑思维适应型设计变参数型设计第二节机械制造装备设计的方法•机械制造装备设计的典型步骤•系列化设计•模块化设计•合理化工程一、机械制造装备设计的典型步骤产品规划阶段方案设计阶段技术设计阶段工艺设计阶段（一）产品规划阶段1.需求分析2.调查研究（1）市场调研：一般从用户需求、产品情况、同行情况、供应情况几方面进行调研。（2）技术调研（3）社会调研3.预测（1）定性预测：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：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。4.可行性分析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。5.编制设计任务书（二）方案设计阶段1.对设计任务的抽象2.建立功能结构分功能和多级子功能及它们之间的关系称为功能结构。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，以及实现该工作原理的技术手段和结构原理，即所谓的功能载体。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。4.初步设计方案的形成（1）系统结合法所谓系统结合法是按功能结构的树状结构，根据逻辑关系把原理解结合起来。（2）数学方法结合法5.初步设计方案的评价与筛选（1）初步设计方案的初选1）观察淘汰法2）分数比较法（2）初步设计方案的具体化具体化采用的方法大致有：①绘出方案原理图、整机总体布局草图、主要零部件草图。②进行运动学、动力学和强度方面的粗略计算。③进行必要的原理试验。④对于大型、复杂设备，可制作模型。（3）对初步设计方案进行技术经济评价（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（2）确定结构原理方案（3）评价和修改2.总体设计（1）主要结构参数（2）总体布局（3）系统原理图（4）经济核算（5）其他3.结构设计结构设计阶段的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。（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.编制技术文档二、系列化设计系列化设计的基本概念系列化设计的优缺点系列化设计的步骤（一）系列化设计的基本概念（二）系列化设计的优缺点优点：1）可以用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2）系列中不同规格的产品是经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的，可以大大减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险、缩短产品的研制周期。3）产品有较高的结构相似性和零部件的通用性，因而可以压缩工艺装备的数量和种类，有助于缩短产品的研制周期，降低生产成本。4)零备件的种类少，系列中的产品结构相似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量。5)为开展变型设计提供技术基础。缺点：1）用户有可能选不到最满意的产品。2）用户选择的产品有些功能可能冗余。（三）系列化设计的步骤1.主参数和主要性能指标的确定2.参数分级表2－23.制定系列型谱系列型谱内的产品是在基型产品的基础上经过演变和派生而扩展成的。（1）纵系列产品（2）横系列产品（3）跨系列产品三、模块化设计模块化设计的基本概念模块化设计的优缺点模块化设计的步骤（一）模块化设计的基本概念为了开发多种不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。（二）模块化设计的优缺点（1）缩短开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力。（2）根据科学技术的发展，便于用新技术设计性能更好的模块，取代原有旧的模块，提高产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代。（3）大大缩短设计和供货周期。（4）有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业化生产，既提高质量，又降低成本。（5）维护修理更为方便，对生产影响少。（三）模块化设计的步骤1.明确设计任务2.建立功能结构3.合理确定产品的系列型谱和参数4.模块的组合5.模块的计算机管理系统1）对模块进行编码，以便进行计算机管理。2）给出模块系统最多可组合的产品数。3）对于用户的某一给定的设计要求，分析是否存在一种有效的组合方案。4）在满足要求的几种组合方案中进行评价，选择最佳的组合方案。5）若干有效的组合方案满足用户要求，为新的模块设计提供信息。6）给出已选方案的模块组装图、明细表及价格表。四、合理化工程第三节机械制造装备设计的评价技术经济评价可靠性评价人机工程学评价结构工艺性评价产品造型评价标准化评价一、技术经济评价建立目标系统和确定评价标准确定重要性系数确定各设计方案的评价分数总权重值技术评价经济评价jZQjTjE（一）建立目标系统和确定评价标准（二）确定重要性系数（三）确定各设计方案的评价分数（四）总权重值jZQn1iijjqZQ（五）技术评价jTmaxjjQZQT（六）经济评价jESLjCCE1.产品成本的组成●现代产品的成本概念不但要考虑产品自身的生产成本，还必须考虑产品全生命周期内的其它消耗。●产品在生产过程中的成本，按其结算方式可分为单件成本和公共成本。2.成本估算的方法（1）按质量估算法PWWkWfWfC（2）按材料成本折算W)1.2)(Z(1CmCCmm～（3）应用回归分析进行估算ni21knkik2k1TTTKTP（4）应用相似关系进行估算m0F00R00CCnCC假设基型产品的生产成本近似按下式计算相似产品的估算成本应为CMM0CFF0CR0R0φCφCφnCC生产准备成本与产品成本的关系加工成本与尺寸比例系数的关系材料成本系数与尺寸比例系数的关系设相似产品与基型产品的尺寸比例系数为则可推算出：0LLLφ（七）技术经济评价jTE1）当和的值相差不太悬殊时，可用均值法计算的值，即jTEjTjE2)E(TTEjjj2）当和的值相差很悬殊时，建议用双曲线法计算的值，即jTEjTjEjjjETTE3LCM2LCF0.5LCRφφφφφφ二、可靠性评价可靠性特征量可靠性预测可靠性指标的分配（一）可靠性特征量（1）可靠度一般记为R。可靠度是时间的函数，故也记为R(t)。可靠度的观测值记为。（2）累积失效概率也称为不可靠度，记为F(t)，其观测值记为。根据概率互补定理由可靠度指标推算出累积失效概率，即（3）失效率（故障率）（4）平均寿命(MTTF)和平均无故障时间(MTBF)（5）可靠寿命(t)R1(t)FR(t)1F(t)ˆˆ(t)Fˆ(t)Rˆ（8）平均修复时间MTTR（9）瞬时有效度A（t）（10）平均有效度（11）极限有效度ArNτTRTMˆ21tt1221mA(t)dttt1)t,(tAA(t)limAt)t,(tA21m（6）维修度（7）修复率NN(τ)Mτˆμ(t)21ττ12μ(t)dtττ1(τ)μ（二）可靠性预测◣可靠性预测的定义及目的◣影响产品可靠性的因素可靠性预测包括单元可靠性预测和系统可靠性预测。◣可靠性预测的方法如统计分析法，失效模式、影响及故障模式、影响（危害度）分析（FailureMode,EffectsandCriticalityAnalysis,缩写FMECA），故障树分析法（FaultTreeAnalysis,缩写ETA），可靠性逻辑框图法及近似值法等。1.串联系统（非储备系统）n1iis(t)R(t)R串联系统的可靠度为3.混联系统2.并联系统（储备系统，冗余系统）](t)R[11(t)Rn1iis并联系统的可靠度为：4.表决系统特点：组成系统的n个单元中，至少有r个单元正常工作，系统才能正常工作，大于（n-r）个单元失效，系统也就失效。这样的系统称为r/n表决系统。rnr22n1nnininrinisR(t)](t)[1Rr)!(nr!n!R(t)](t)[1R2!1)n(nR(t)](t)[1nR(t)RR(t)](t)[1R)(R0.96240.75)(10.753214560.75)(10.7521560.75)(10.7560.75R332456s5.旁联系统6.复杂系统复杂系统的可靠性计算比较复杂，一般采用布尔真值表法、卡诺图法、贝叶斯分析法和最小割集近似法等。（三）可靠性指标的分配1.可靠性分配的原则1）对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性有把握达到较高水平的单元，可分配较高的可靠度。2）对较简单的单元，组成单元的零部件的数量少，装配容易保证质量或故障后易于修复的单元，可分配较高的可靠度。3）对重要的单元，该单元的失效将引起严重的后果，或该单元失效会导致全系统失效，应分配较高的可靠度。4）对整个任务时间内需连续工作，或工作条件严酷的单元，应分配较低的可靠度。2.可靠性分配方法（1）等同分配法（2）按比例分配法1）当新设计的产品与原有产品基本类似，已知原有产品各单元不可靠度或失效率预测值，如对新产品要求的可靠性要求与原有产品不同时，可按比例提高或降低预测得到的各单元不可靠度或失效率预测值，分配给新设计产品相应的各单元。2）根据已掌握的可靠性资料，已能预测出新设计产品各单元的不可靠度或失效率预测值，但尚未能满足新设计产品的可靠性要求，这时，可按比例提高或降低预测得到的各单元不可靠度或失效率预测值，作为新设计产品各单元的可靠度要求。（3）综合评分分配法（4）最优化分配法三、人机工程学评价人因素方面机器因素方面环境因素方面人机系统方面（一）人因素方面1.人体静态尺寸人体静态尺寸数据已经过统计分析，制定出相应的指导性设计规范GB/T10000－1988。2.人体动态尺寸3.人体操纵能力4.人的视觉和听觉特性视野是指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼睛自然可见的空间范围，常以度来表示。视距是指人在操作过程中正常的观察距离。仪表显示信号灯显示指针式数字式手动操纵装置脚动操纵装置旋转式操纵器移动式操纵器按压式操纵器（二）机器因素方面1.信号显示装置设计2.操纵装置设计（1）手柄操作方向（2）按钮位置（3）手轮操作方向（4）特殊情况3.安全保障技术安全保障技术包括系统本身安全性和操作人员安全性两大方面。4.人体舒适性和使用方便性1）作业空间能使操作者感到舒适和安全，要照顾到不同操作者的身体尺寸。2）操作过程中避免差错，提高工作效率。3）显示装置和操纵装置的布局要既紧凑又可区分。4）人作业时，四肢分担的作业要均衡，避免身体局部超负荷作业。5）要根据机器设备的功能特点、外观形态来进行合理的布局，以适应人作业时的各种心理、生理的感知特性。（三）环境因素方面1）作业空间2）物理环境3）化学环境（四）人机系统方面1）产品系统中人的功能和其他各部分的功能之间的联系和制约条件，以及人机之间功能的合理分配方法。2）系统中被控对象状态信息的处理过程，人机控制链的优化。3）人机系统可靠性和安全性。4）环境因素对劳动质量及生活质量的影响，提高作业舒适度和安全保障系统的设计。四、结构工艺性评价加工工艺性装配工艺性维修工艺性（一）加工工艺性1.产品结构的合理组合优点：①使零件的尺寸与企业生产设备尺寸相适应，也易于装配和运输。②零件形状简单化，易于毛坯生产和加工制造。③维修时只需更换失效的零件，其他零件仍可继续使用