機械制造裝備設(shè)計-機械制造及裝備設(shè)計方法

,機械制造裝備設(shè)計,全國本科院校機械類創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材,第1章 機械制造及裝備設(shè)計方法,概述,機械制造裝備的分類,機械制造裝備設(shè)計的類型,機械制造裝備設(shè)計要求,本章分五個小節(jié)：,機械制造裝備設(shè)計方法,1.1 概述,制造業(yè)形勢與發(fā)展 制造業(yè)是將可用資源與能源，通過制造過程轉(zhuǎn)化為可供人們使用或利用的工業(yè)品或生產(chǎn)消費品的行業(yè)。 20世紀是制造業(yè)空前發(fā)展的重要時期，以精密和微細加工技術(shù)為目標，各種制造工藝和裝備層出不窮；另外，制造系統(tǒng)的集成也異常活躍，制造模式不斷更新。 從20世紀20年代開始，制造系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了機群式制造系統(tǒng)、剛性制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)三類制造系統(tǒng)，隨著市場需求和技術(shù)支撐環(huán)境的變化，現(xiàn)在利用RMS以快速響應(yīng)經(jīng)濟全球化帶來的復(fù)雜變化的市場環(huán)境，其發(fā)展與生產(chǎn)環(huán)境及技術(shù)特點如圖1.1所示,1.1 概述,1.1 概述,加工制造技術(shù)發(fā)展趨勢 加工制造技術(shù)是對被加工對象狀態(tài)的改形和改性技術(shù)的總稱。 新一代機械制造裝備技術(shù),數(shù)據(jù)管理,1）新型加工設(shè)備的研究開發(fā)已取得不少進展2）在數(shù)控化基礎(chǔ)上朝智能化方向發(fā)展3）采用新材料和新結(jié)構(gòu)4）新型部件的開發(fā)應(yīng)用5）發(fā)展先進的機床和數(shù)控系統(tǒng)性能檢測、診斷方法與技術(shù)6）多品種小批量生產(chǎn)條件下的先進在線加工質(zhì)量檢測技術(shù)7）柔性工藝裝備和柔性夾具，為快速、低成本工藝準備提供技術(shù)。,1.1 概述,數(shù)據(jù)管理,1）超精密切削2）超精密磨削加工3）精密和超精密特種加工4）精密加工機床,少切削無切削加工技術(shù),精密和超精密技術(shù),一方面要提高毛坯制造精度，發(fā)展精密鑄造和鍛造等技術(shù)，減少材料切削加工量；另一方面要發(fā)展沖壓、擠壓、滾壓長封閉無切削成形技術(shù)。,1.2 機械制造裝備的分類,機械制造過程是從原材料開始，經(jīng)過熱、冷加工，裝配成產(chǎn)品，對產(chǎn)品進行調(diào)試和檢測、包裝和發(fā)運的全過程，所使用的裝備類型繁多，大致可劃分為加工裝備、工藝裝備、倉儲傳送裝備和輔助裝備四大類。加工裝備 加工裝備是機械制造裝備的主體和核心，是采用機械制造方法制造機器零件或毛坯的機器設(shè)備，又稱為機床或工作母機。 機床的類型很多，除了金屬切削機床之外，還有特種加工機床、鍛壓機床、注塑機、快速成形機、焊接設(shè)備等。,數(shù)據(jù)管理,金屬切削機床 金屬切削機床是采用切削、特種加工等方法，主要用于加工金屬，使之獲得所要求的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的機器，如圖1.2所示。,1.2 機械制造裝備的分類,金屬切削機床,1.2 機械制造裝備的分類,工作原理結(jié)構(gòu)性能,車床鉆床鏜床磨床齒輪加工機床螺紋加工機床銑床刨插床拉床特種加工機床切斷機床其他機床,使用范圍,通用機床專用機床專門化機床,機床精度,普通機床精密機床高精度機床,特種加工機床 特種加工機床近年來發(fā)展很快，按其加工原理可分為：電加工、超聲波加工、激光加工、電子束加工、離子束加工、水射流中工等機床。,1.2 機械制造裝備的分類,電加工機床 直接利用電能對工件進行加工的機床，統(tǒng)稱為電加工機床。一般僅指電火花加工機床、電火花線切割機床和電解加工機床。,1.2 機械制造裝備的分類,超聲波加工機床 利用超聲波能量對材料進行機械加工的設(shè)備稱為超聲波加工機床。 超聲波加工適用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等材料的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超聲電加工等復(fù)合加工。,激光加工機床 采用激光能量進行加工的設(shè)備統(tǒng)稱為激光加工機床。 常用于加工金剛石拉絲模、鐘表的寶石軸承、陶瓷、 玻璃等非金屬材料和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的小孔加工及切割加工。,1.2 機械制造裝備的分類,電子束加工機床 電子束加工是指在真空條件下，由陰極發(fā)射出的電子流為帶高電位的陽極吸引，在飛向陽極的過程中，經(jīng)過聚焦、偏轉(zhuǎn)和加速，最后以高速和細束狀轟擊被加工工件的一定部位，在幾分之一秒內(nèi)，將其99%以上的能量轉(zhuǎn)化成熱能，使工件上被轟擊的局部材料在瞬間熔化、汽化和蒸發(fā)，以完成工件的加工。電子束加工機床就是利用電子束的上述特性進行加工的裝備。,1.2 機械制造裝備的分類,離子束加工機床 在電場作用下，將正離子從離子源出口孔“引出”，在真空條件下，將其聚焦、偏轉(zhuǎn)和加速，并以大能量細束狀轟擊被加工部位，引起工件材料的變形與分離，或使靶材離子沉積到工件表面上，或使雜質(zhì)離子射入工件內(nèi)，對工件進行穿孔、切割、銑削、成像、拋光、蝕刻、清洗、濺射、注入和蒸鍍等，統(tǒng)稱為離子束加工。離子束加工機床就是利用離子束上述特性進行加工的裝備,1.2 機械制造裝備的分類,水射流加工機床 水射流加工是利用具有很高速度的細水柱或摻有磨料的細水柱，沖擊工件的被加工部位，使被加工部位上的材料被剝離的加工方法。隨著工件與水柱間的相對移動，切割出要求的形狀。常用于切割某些難切削材料，如陶瓷、硬質(zhì)合金、高速鋼、模具鋼、淬火鋼、白口鑄鐵、耐熱合金、某些復(fù)合材料等。,鍛壓機床 鍛壓機床是利用金屬塑性變形進行加工的一種無屑加工設(shè)備，主要包括鍛造機、沖壓機、擠壓機和軋制機四大類。,1.2 機械制造裝備的分類,數(shù)據(jù)管理,鍛造機,鍛造機是使坯料在工具的沖擊力或靜壓力作用下成形，并使其性能和金相組織符合一定要求。,沖壓機,沖壓機是借助模具對板料施加外力，迫使材料按模具形狀、尺寸進行剪裁或變形。,擠壓機,擠壓機是借助于凸模對放在凹模內(nèi)的金屑材料擠壓成形，根據(jù)擠壓時溫度不同，可分為冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓。,軋制機,軋制機是使金屬材料在旋轉(zhuǎn)軋輥的作用下變形，根據(jù)軋制溫度可分為熱軋和冷軋，根據(jù)軋制方式可分為縱軋、橫軋和斜軋。,1.2 機械制造裝備的分類,工藝裝備產(chǎn)品制造時所用的各種刀具、模具、夾具、量具等工具，總稱為工藝裝備。,刀具 由于機械零件的材質(zhì)、形狀、技術(shù)要求和加工工藝的多樣性，客觀上要求進行加工的刀具具有不同的結(jié)構(gòu)和切削性能。因此，生產(chǎn)中所使用的刀具的種類很多，如圖1.6所示。,1.2 機械制造裝備的分類,夾具夾具是機床上用以裝夾工件以及引導(dǎo)刀具的裝置。對于貫徹工藝規(guī)程、保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率有著決定性的作用。,1.2 機械制造裝備的分類,模具模具是用來將材料填充在其型腔中，以獲得所需形狀和尺寸制件的工具。按加工材料性質(zhì)分類，如金屬制品用模具，非金屬制用模具等；按模具制造材料分類，如硬質(zhì)合金模具等；按工藝性質(zhì)分類，如拉深模具、粉末冶金模、鍛模等。,量具量具是以直接或間接的方法測出被測對象量值的工具、儀器及儀表的總稱。可分為通用量具、專用量具和組合測量儀等。,1.2 機械制造裝備的分類,倉儲傳送裝備倉儲傳送裝備是生產(chǎn)系統(tǒng)必不可少的裝備，對企業(yè)生產(chǎn)的布局、運行與管理等有著直接影響。倉儲傳送裝備主要包括物料運輸裝置、機床上下料裝置、刀具輸送設(shè)備以及各級倉儲設(shè)備。,數(shù)據(jù)管理,物料運輸裝置,物料運輸主要指坯料、半成品及成品在車間內(nèi)各工作站（或單元）間的輸送，滿足流水生產(chǎn)線成自動生產(chǎn)線的要求。,機床上下料裝置,將坯料送至機床的加工位置的裝置稱為上料裝置；加工完畢后將工件從機床上取走的裝置稱為下料裝置。,刀具輸送設(shè)備,在柔性制造系統(tǒng)中，必須有完備的刀具準備與輸送系統(tǒng)，完成包括刀具準備、測量、輸送及重磨刀具回收等工作。,各級倉儲設(shè)備,機械制造生產(chǎn)中離不開不同級別的倉庫及其裝備。,1.2 機械制造裝備的分類,輔助裝備輔助裝備包括清洗機、排屑設(shè)備及測量、包裝設(shè)備等。 清洗機是用來對工件表面的塵屑油污等進行清洗的機械設(shè)備。 排屑裝置用于自動機床、自動加工單元或自動線上，包括切屑清除裝置和輸送裝置。,1.3 機械制造裝備設(shè)計的類型,機械制造裝備設(shè)計可分為創(chuàng)新設(shè)計、變型設(shè)計和模塊化設(shè)計等三大類型。創(chuàng)新設(shè)計 創(chuàng)新設(shè)計通常應(yīng)從市場調(diào)研和預(yù)測開始，明確產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計任務(wù)，經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計等四個階段；還應(yīng)通過產(chǎn)品試制和產(chǎn)品試驗來驗證新產(chǎn)品的技術(shù)可行性；通過小批試生產(chǎn)來驗證新產(chǎn)品的制造工藝和工藝裝備的可行性。一般需要較長的設(shè)計開發(fā)周期，投入較大的研制開發(fā)工作量,1.3 機械制造裝備設(shè)計的類型,變型設(shè)計 為了快速滿足市場需求的變化，常常采用適應(yīng)型和變參數(shù)型設(shè)計方法。兩種設(shè)計方法都是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，保持其基本工作原理和總體結(jié)構(gòu)不變，適應(yīng)型設(shè)計是通過改變或更換部分部件或結(jié)構(gòu)，變參數(shù)型設(shè)計是通過改變部分尺寸與性能參數(shù)，形成所謂的變型產(chǎn)品，以擴大使用范圍，滿足更廣泛的用戶需求。適應(yīng)型設(shè)計和變參數(shù)型設(shè)計統(tǒng)稱“變型設(shè)計”。開展變型設(shè)計的依據(jù)是原有產(chǎn)品，它應(yīng)屬于技術(shù)成熟產(chǎn)品。,1.3 機械制造裝備設(shè)計的類型,模塊化設(shè)計 模塊化設(shè)計是按合同要求，選擇適當?shù)墓δ苣K，直接拼裝成所謂的“組合產(chǎn)品”。進行組合產(chǎn)品的設(shè)計，是在對一定范圍內(nèi)不同性能和不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過這些模塊的組合，構(gòu)成不同類型或相同類型不同性能的產(chǎn)品，滿足市場的多方面需求。組合產(chǎn)品是系列產(chǎn)品的進一步細化，組合產(chǎn)品中的模塊也應(yīng)按系列化設(shè)計的原理進行。,1.4 機械制造裝備設(shè)計要求,機械制造裝備設(shè)計工作是設(shè)計人員根據(jù)市場需求所進行的構(gòu)思、計算、試驗、選擇方案、確定尺寸、繪制圖樣及編制設(shè)計文件等一系列創(chuàng)造性活動的總稱。其目的是為新裝備的生產(chǎn)、使用和維護提供完整的信息。機械制造裝備設(shè)計工作要適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及市場競爭的日趨激烈，要采用先進的設(shè)計技術(shù)，設(shè)計出質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品。,1.4 機械制造裝備設(shè)計要求,機械制造裝備設(shè)計要求,雙擊此處添加標題文字,雙擊此處添加標題文字,精密化,結(jié)構(gòu)模塊化,高效化,柔性自動化,機電一體化,裝備與技術(shù)配套化,符合工業(yè)工程要求,符合綠色工程要求,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,機械制造裝備設(shè)計的典型步驟 機械制造裝備設(shè)計的步驟根據(jù)設(shè)計類型而不同。創(chuàng)新設(shè)計的步驟最典型，可劃分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計四個階段。,技術(shù)設(shè)計,產(chǎn)品規(guī)劃階段,方案設(shè)計,工藝設(shè)計,產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是明確設(shè)計任務(wù)，通常應(yīng)在市場調(diào)查與預(yù)測的基礎(chǔ)上識別產(chǎn)品需求，進行可行性分析，制訂設(shè)計任務(wù)書。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,1）需求分析：一般包括對銷售市場和原材料市場的分析 2）調(diào)查研究：包括市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研和社會環(huán)境調(diào)研三部分。3）預(yù)測：預(yù)測分為定性預(yù)測和定量預(yù)測兩部分 4）可行性分析：通過調(diào)查研究與預(yù)測后，對產(chǎn)品開發(fā)中的重大問題應(yīng)進行充分的技術(shù)經(jīng)濟論證，判斷是否可行，即進行產(chǎn)品設(shè)計的可行性分析。,經(jīng)過可行性分析后，應(yīng)確定待設(shè)計產(chǎn)品的設(shè)計要求和設(shè)計對數(shù)，編制“設(shè)計要求表”，如表1.2所示。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,方案設(shè)計階段方案設(shè)計階段實質(zhì)上是根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，進行產(chǎn)品功能原理的設(shè)計。這階段完成的質(zhì)量將嚴重影響到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本，關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)水平及競爭能力。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,1）設(shè)計任務(wù)的抽象：對設(shè)計任務(wù)進行抽象是對設(shè)計任務(wù)的再認識，從眾多應(yīng)滿足的要求中，通過對功能關(guān)系和與任務(wù)相關(guān)的主要約束條件的分析，對“設(shè)計要求表”一步一步進行抽象，找出具有本質(zhì)性的主要的要求。 2）建立功能結(jié)構(gòu)： 經(jīng)過對設(shè)計任務(wù)的抽象，可明確設(shè)計產(chǎn)品的總功能。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,3）錄求原理解與求解方法：所謂原理解，就是能實現(xiàn)某種功能的工作原理，以及實現(xiàn)該工作原理的技術(shù)手段和結(jié)構(gòu)原理，即所謂的功能載體。 4）形成初步設(shè)計方案： 將所有子功能的原理解結(jié)合起來才能形成和實現(xiàn)總功能。原理解的結(jié)合是設(shè)計過程中很重要的一環(huán)。原理解的結(jié)合可以得到多個初步設(shè)計方案，應(yīng)采用合適的結(jié)合方法，才能獲得理想的初步設(shè)計方案。常用的結(jié)合方法有系統(tǒng)結(jié)合法和數(shù)學(xué)方法結(jié)合法。 5）對初步設(shè)計方案的評價與篩選：原理解的結(jié)合可以獲得多種，有時多達幾十種初步設(shè)計方案，應(yīng)對這些方案進行評價與篩選，找到較優(yōu)的方案。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,技術(shù)設(shè)計階段技術(shù)設(shè)計階段是將方案設(shè)計階段擬定的初步設(shè)計方案具體化，確定結(jié)構(gòu)原理方案；進行總體技術(shù)方案設(shè)計，確定主要技術(shù)參數(shù)，布局；進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制裝配草圖，初選主要零件的材料和工藝方案，進行各種必要的性能計算；如果需要，還可以通過模型試驗檢驗和改善設(shè)計；通過技術(shù)經(jīng)濟分析選擇較優(yōu)的設(shè)計方案。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,工藝設(shè)計階段工藝設(shè)計階段主要進行零件工作圖設(shè)計，完善部件裝配圖和總裝配圖，進行商品化設(shè)計，編制各類技術(shù)文檔等。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,系列化設(shè)計 從基型產(chǎn)品出發(fā)，演變出其他型號和規(guī)格的產(chǎn)品，構(gòu)成產(chǎn)品的變型系列，又稱為系列化產(chǎn)品設(shè)計，是產(chǎn)品設(shè)計合理化的一條重要途徑，是滿足市場多種需求提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本的重要途徑。,系列化產(chǎn)品設(shè)計工作要點,1）合理選擇與設(shè)計基型產(chǎn)品 基型產(chǎn)品一般選擇系列產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的中檔產(chǎn)品， 2）合理制定產(chǎn)品系列型諧 系列化產(chǎn)品的系列型譜制定要在基型產(chǎn)品設(shè)計之后或在基型產(chǎn)品方案規(guī)劃中統(tǒng)籌考慮。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,3）采用相似設(shè)計方法 因為縱系列產(chǎn)品，無論是基型系列還是派生系列，都是參數(shù)不同，但工作原理相同、結(jié)構(gòu)形狀相似的產(chǎn)品。因此可采用相似設(shè)計方法，進一步提高設(shè)計效率與質(zhì)量。4）零部件通用化、標準化與模塊化 系列化產(chǎn)品設(shè)計要堅持零部件通用化、標準化，同時要加強零部件結(jié)構(gòu)的規(guī)范化，形成標準化的可更換模塊，形成模塊化產(chǎn)品。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,模塊化設(shè)計,模塊化設(shè)計特點,提高設(shè)計效率，滿足用戶要求,提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本,促進產(chǎn)品更新?lián)Q代,方便維修,模塊的結(jié)合部位結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工要求高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，難于保證外觀的美觀與勻稱,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,模塊化設(shè)計方式,1）橫系列模塊化設(shè)計 在基型產(chǎn)品模塊化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過更換或添加功能模塊，擴大產(chǎn)品的功能和適應(yīng)性，這種設(shè)計方法應(yīng)用最廣2）縱系列模塊化設(shè)計 一般在基型產(chǎn)品橫系列模塊系統(tǒng)基礎(chǔ)上，保持產(chǎn)品功能與原理方案基本相同，采用相似設(shè)計方法，改變其尺寸或性能參數(shù)，形成主參數(shù)成等比數(shù)列排列的一系列產(chǎn)品。3）跨系列模塊化設(shè)計 對于具有相近動力部件的產(chǎn)品，可進行跨系列模塊化設(shè)計，常見的有跨系列基礎(chǔ)件模塊、動力模塊或其他功能模塊。,功能模塊功能模塊是產(chǎn)品中實現(xiàn)各種功能單元的具體方案或載體，是從滿足技術(shù)功能的角度來劃分和定義的，是方案設(shè)計中應(yīng)用的一種概念模塊。 根據(jù)功能模塊的作用，可分為基礎(chǔ)功能模塊、輔助功能模塊、特殊功能模塊、適應(yīng)功能模塊以及非模塊化功能模塊。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,結(jié)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)模塊是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和企業(yè)的具體生產(chǎn)條件，從有利于生產(chǎn)和方便裝配或組裝目的而確定的模塊，它是構(gòu)成產(chǎn)品的具體模塊，又稱為生產(chǎn)模塊。,1.5 機械制造裝備設(shè)計方法,現(xiàn)代設(shè)計方法特點,計算機化,采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，在計算機硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的支持下進行方案分析、結(jié)構(gòu)造型、工程分析、自動繪圖及產(chǎn)品信息管理等,綜合化,程式化與并行化,模型化,最優(yōu)化,系統(tǒng)化,綜合應(yīng)用信息論、優(yōu)化論、相似論、模糊論、可靠性理論等自然科學(xué)理論和價值工程、決策論、預(yù)測學(xué)等社會科學(xué)理論,設(shè)計工作中用系統(tǒng)觀點進行全方位設(shè)計，避免了傳統(tǒng)設(shè)計工作中局部地、孤立地處理問題,通過計算機分析、圖形仿真等，不僅可以實現(xiàn)單目標優(yōu)化，而且能實現(xiàn)多目標的整體優(yōu)化。,把各種問題進行高度抽象與概括，建立各種設(shè)計模型，特別是數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計算機進行分析求解。,將設(shè)計過程劃分成不同的階段，在不同階段建立不同的設(shè)計模型，采用不同的設(shè)計方法；利用計算機網(wǎng)絡(luò)通訊和信息共享能力，采用并行工程方法。,Thank You !,本章結(jié)束！,