产品的结构设计

课程简介学习目标授课教案习题作业课程简介产品的结构及机构就是产品的“骨骼系统”，“皮肤与肌肉系统”，即产品外部及连接结构、产品内部骨架及安装结构、产品运动机构等。产品结构对于产品主要起到包装、支撑、安装、连接等作用，而产品机构主要起到完成运动，完成空间动作，产生功能等作用。学习目标掌握产品机械结构设计的基本原理和原则。了解产品机械系统与结构的功能、作用、产品结构的组成与分类。了解钣金结构设计、塑料产品结构设计的内容与要求。能够分析家用电器及常见仪器设备的结构特点教案产品机械结构设计的基本原理和原则常见产品的结构设计产品机械结构设计的任务和特点产品机械结构件的结构要素和设计方法产品机械结构设计的基本要求和设计准则产品机械结构设计的工作步骤典型案例分析课程设计1、产品设计的工艺原则是什么2、钣金结构中弯曲件的设计注意点是什么3、钣金结构件中拉深件的设计注意点是什么4、产品塑料外壳多数是用热塑性塑料，其一般厚度是多少5、怎样在产品塑料外壳不增加厚度的情况下，增加其强度和刚度6、为什么塑料产品的设计必须有脱模斜度，一般外表面的脱模斜度是多少7、简述塑料产品的设计中加强筋的厚度与高度对外观的影响8、请自选一台机器（仪器），作钣金结构和塑料结构分析9、请自选一件塑料制品，作一下它的塑料结构分析10、课程设计习题作业产品机械结构设计基本原理和原则产品机械系统与结构的功能和应用产品结构的组成产品对机械系统的基本要求产品机械结构设计的原则机械系统与外壳结构是现代设备发展的基础和必不可少的组成部分。各种科学的最新成果和先进的技术系统，如微电子技术、计算机应用技术和其他高新技术，如果要成为具有实用价值的产品，必须有机械系统与外壳结构、安装结构系统。现代产品机械系统结构的零部件和机构种类繁多，各自的功能和作用多种多样，但可概括为两个主要方面：产品机械系统与结构的功能和应用①通过各种动力、传动机构及其相互组合，构成机器设备中的特定机械与机构的功能系统，以实现运动、能量和信息的传递、转换、控制、显示和记录以及完成机器设备功能所要求的各种动作。②通过机座、机壳等各种基体零部件和紧固件的组合，设备中机构的机架和支承系统，实现设备、仪器各种元器件的刚性或弹性连接、固定和高速，保证各元器件获得所要求的、确定的和稳定的相对位置摄像机是典型的具有机械、微电子系统的产品，如图所示。机芯和镜头是精密机械系统。装有集成电路的线路板是微电子系统。整个机械、微电子系统都安装在底座、冲压金属板上，再与机壳固定在一起。产品机械系统与结构的的应用实例之一是数控绘图仪中的机械装置。数控绘图仪是根据计算机输出的数字信息，经过处理，高速度、高精度地将原来的连续模型以绘制图形的形式输出的装置，它的出现和应用对设计工作是一大飞跃，它既可作为主计算机的一种终端联机使用，也可与主计算机脱机使用。主计算机将处理过的图形信息存在磁盘或光盘上，自动绘图时，绘图仪与配套的微型计算机进行信息处理，然后通过插补器发出一系列X、Y方向的指令脉冲，经过伺服放大器、伺服电动机、传动装置，最后使笔架上的画笔进行X、Y方向的合成运动，绘出图形。它主要由绘图平台，X向导机，Y向导机，传动装置和笔架等部分组成。①绘图平台。台面通常由硬质橡胶构成，上面有许多小孔、与真空吸附装置相通，以便固定图纸。②导轨与横梁。X向导轨位于平台两侧，Y向导横梁上，横梁由两端的滑座支承X向导轨上。③传动装置。X向导传动装置由齿轮减速器和齿轮齿条机构组成，Y向传动装置由齿轮减速器和滚珠螺旋机构组成。④笔架。笔架支承在Y向导轨上，它在导轨上的移动是由电机驱动并通过滚珠螺叶在螺杆上的移动而实现的。它与由电机驱动使横梁在X向导轨上的移动组合实现画笔的绘图。而笔架按计算机的指令要求可自动抬笔和落笔。从以上实例简介中，可初步了解机械系统与结构在机器设备中的基本功能和作用。任何一部结构比较复杂的产品，按照结构的观点，均可视为由若干零件、部件和组件组成。产品结构的组成又称元件，是产品的基础，是组成产品的最基本成分，是一个不经破坏不可分解的单一整体，是一种不采用装配工序而制成的成品。零件通常是用一种材料经过所需的各种加工工序制成的，如螺钉、弹簧、轴等。（1）零件又称器件，是生产过程中由加工好的两个或两个以上的零件，以可拆联接或永久连接的形式，按照装配图要求装配而成的一个单元。其目的是将产品的装配分成若干初级阶段，也可以作为独立的产品，如滚动轴承、减振器等。（2）部件又称整件，是由若干零件和部件按照装配图要求，装配成的一种具有完整机构和结构，能实施独立功能，能执行一定任务的装置，从而将比较复杂产品的装配分成若干高级阶段，或作为独立的产品，如减速器、录像机机芯、磁带机芯等。（3）组件是由若干组件、部件和零件按总装配图要求，装配成的完整的仪器设备产品。整机能完成技术条件规定的复杂任务和功能，并配备所谓的一切配套附件，如录放机、复印机、摄像机、放映机等。（4）整机一般来说，产品中的技术性能指标主要是针对产品的系统和结构能否满足技术条件规定的功能和使用技术性能要求，经济指标则主要是针对产品的结构能否经济地进行生产、满足成本和经济效益的要求。产品对机械系统与结构的基本要求，可概括为以下几个方面：产品对机械系统的基本要求是最基本的技术要求。机械系统主要体现为执行机构运动规律和运动范围的要求。（1）功能特性要求是最重要的技术性能要求。对于机械系统主要体现为对执行机构输出部分的位置误差、位移误差和空回误差的严格控制。（2）精度要求执行机构的输出部分应能灵敏地反映输入部分的微量变化。为此，必须减小系统的惯量、减少磨擦、提高效率，以利于系统的动态响应。（3）灵敏度要求构件的弹性变形应限制在允许的范围之内，以免由弹性变形引起运行误差和影响系统的稳定性及动态响应。（4）刚度要求构件应在一定的使用期限内不产生破坏，以保证运动和能量的正常传递。（5）强度要求系统和结构应能在冲击、振动、高温、低温、腐蚀、潮湿、灰尘等恶劣环境下，保持工作的稳定性。（6）各种环境下工作稳定性要求结构应便于加工、装配、维修，应充分贯彻标准化、系列化、通用化等经济原则，以降低成本、提高效益。（7）结构工艺性的要求结构应尽量紧凑、轻便，操作简便、安全，造型美观，携带、运输方便。（8）使用要求所设计的产品及其机械结构能否在满足使用技术性能要求的前提下，采用最合理的工艺方法和流程，最经济地进行生产，即所谓结构工艺性问题，须给予极大的重视。在产品结构设计中应严格遵循以下工艺原则，并贯穿产品结构设计的全部过程中的各个阶段。产品机械结构设计的原则产品生产规模按产品生产的数量分为单件、小批、中批、大批和大量生产，它是由社会实际需求决定的。不同的生产规模具有不同的生产线和相应的生产设备，因此，所设计的产品结构应反映出生产规模的特点，并与相应的生产线及其生产能力相适应。例如大量和大批生产的产品结构从毛坯制取、机械加工和装配都应适应造化或半自动化生产线，由各种高效率的专用加工设备和插装设备进行加工、装配，甚至包括生产各个阶段质量的在线检测和控制，直到标牌安装或封贴以及产品包装。为此，零件的加工和装备必须达到完全互换。而单件和小批生产的产品结构，则应适应由通用设备、通用工艺装置等组成的生产线进行加工、装配的特点。1.产品结构应反映生产规模的特点设计产品结构时应从产品总体着眼，使产品结构易于分成若干独立组件，以便采用积木式进行总装。各组件的装配最好是彼此独立、并行地进行装配，以利于提高总装效率和查找产生问题的部位。各组件之间的联系应方便拆装、易于装调，并便于对任何零、部件检修和更换而不影响其他部分。2.合理划分产品结构的组件设计新产品或对原有产品进行改进时，应充分分析吸收原有产品或相近产品结构的优点，尽量利用原有产品或借用相近产品中经过生产和使用证明已比较成熟的结构，或尽量采用典型结构。只对少部分结构另行设计，或局部改动。这不仅可大大简化设计和生产过程，缩短产品研制和生产周期，而且易于保证产品质量。3.尽量利用典型结构在保证产品技术恨不能要求的前提下，设计时应尽量简化传动链，这样使系统中的零、部件的数量大大减少，从而使结构尽量简单。零、部件自身的结构也应尽量简化。这不仅减少了加工劳动量，同时也减少了误差来源。4.力求系统和结构简单化总体结构设计时应使每个零、部件都具有合理的定位基准，尽量使定位基准（包括辅助基准）分布在同一平面内。并且尽量使零、部件的设计基准与工艺基准（包括定位基准、测量基准、装配基准）重合一致，以减少由于基准不一致所造成的误差和繁琐计算。5.合理选择基准、力求合一产品结构设计中贯彻标准化是获得工艺性结构的最重要条件，贯彻标准化、统一化原则主要体现为：①结构中最大限度地采用标准件。②确定产品结构的各种参数时，应最大限度地采用相应的标准值和优先数系的规定值。③尽量统一结构中相近零件的材料牌号、标准件的品种、规格、型号尺寸系列。6.贯彻标准化、统一化原则7.结构应能进行调整和定位。常见产品的结构设计工业设计专业涉及的结构设计，主要是产品的外部壳体结构设计。目前壳体材料主要是金属材料通过钣金冲压工艺成型和塑料通过注塑工艺成型。本节主要就这两类材料壳体的结构设计进行探讨。1钣金结构的设计弯曲件的结构设计冲裁件的结构设计拉深件的结构设计2塑料产品的结构设计塑料产品的形状塑料产品的壁厚塑料产品的脱模斜度塑料产品的加强筋塑料产品的底部支承面塑料产品的孔塑料产品的圆角塑料产品的标志设计3电子设备整机结构机箱的结构形式机柜的结构形式通风窗口的开设形式常见产品的结构设计具有良好工艺性的弯曲件，能简化弯曲的工艺过程和提高弯曲件的精度。下面对弯曲件的结构提出一些设计要求。一、弯曲件的结构设计①弯曲件的形状最好对称，弯曲半径左右一致。否则，由于磨擦力不均匀，板料在弯曲过程中会产生滑动。为了防止板料的偏移，设计模具时应有可靠的定位措施。②弯曲件的圆角半径应大于板料许可的最小弯曲半径。当必须弯曲成很小圆角时，可进行多次弯曲，中间辅以退火工序。弯曲件的圆角半径也不宜过大，因为过大时，回弹值增大，弯曲件的精度不易保证。③弯曲件的直边高度不宜过小，弯曲高度为直边的两倍。可在弯曲前，在弯曲处先压槽，再弯曲，如图所示。或加高直边，弯曲后再切掉。④在弯曲件有孔时，如果孔的位置处于弯曲变形区，则孔会发生变形，为避免这种情况，必须使孔处于变形区之外。弯曲件直边高度压槽⑤在局部弯曲某一段边缘时，为避免角部形成裂纹，可预先切出工艺槽（如图3所示）；可以离开尺寸突变处（如图4所示）、直角的拐弯处；可在弯曲前冲制工艺孔（如图5所示）。⑥边缘部分有缺口的弯曲件，弯曲时必须于缺口处留连接带，将缺口连住，待弯曲成形后，再将连接带切除。若在毛料上先冲缺口再弯曲，会出现叉口甚至无法形成。添加工艺槽剪曲前冲的工艺孔转移弯曲线冲工艺孔切除连接带2-弯曲后切除的连接带二、冲裁件的结构设计冲裁件的结构设计是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。良好的冲裁结构设计应保证材料利用率高、工序数目少、模具结构简单且寿命高、产品质量稳定等。一般情况下，对冲裁件结构影响最大的是精度要求和几何形状及尺寸。1．冲裁件的精度等级冲裁件精度一般可达IT10-IT12级,高精度可达IT8-IT10级，冲孔比落料的精度约高一级。具体数值可查有关设计手册。如果工件要求更高精度时，冲裁后需通过整修或辅以切削加工，或者采用精密冲裁。2.冲裁件的结构设计①冲裁件的形状应尽量简单，最好是规则的几何形状或由规则的几何形状所组成。同时应避免冲裁件上过长的悬臂与凹槽，它们的宽度要大于料厚的1.5-2倍。②一般情况下，冲裁件的外形和内孔应避免尖角，采用圆角的形式。当需要冲制不带圆角的工件时，可以用分段冲切的办法冲制，但模具寿命明显降低。•③冲孔时，因受凸模强度限制，孔的尺寸不宜过小。•④孔与孔之间的距离或孔与零件边缘之间的距离，因受模具强度和冲裁件质量的限制，其值不能过小，一般应为3-4mm.•⑤在弯曲件或拉深件上冲孔时，其孔壁与工件直壁之间的距离不宜过小，否则，会使凸模受侧向力作用，同时，会影响弯曲件或拉深件的已成形区域。三