自動墻壁清洗機畢業(yè)設(shè)計

. . . . 目錄1引言11.1清洗建筑表面的意義11.2目的和現(xiàn)實意義11.3研究現(xiàn)狀22方案評價與選擇32.1高樓外墻清潔機的結(jié)構(gòu)和工作32.1.1設(shè)置于頂樓的支撐突梁32.1.2支撐纜繩42.1.3乘載用掛籠42.1.4動作馬達(dá)42.1.5升降結(jié)構(gòu)52.1.6清洗刷52.2方案評價與選擇53運動學(xué)與結(jié)構(gòu)方案的確定63.1運動學(xué)參數(shù)選定63.2計算總傳動比和分配各級傳動比83.3計算傳動裝置運動和動力參數(shù)84傳動零件的設(shè)計計算104.1 第一級齒輪傳動設(shè)計計算104.1.1.初步計算104.1.2校核計算104.2第二級齒輪傳動設(shè)計計算144.2.1.初步計算144.2.2校核計算144.2.3確定傳動主要尺寸164.3 畫簡圖184.3.1 初估軸徑184.3.2 初選聯(lián)軸器194.3.3 初選軸承195軸的校核計算205.1高速軸受力分析205.2中間軸校核計算206高速軸軸承驗算28致30參考文獻(xiàn)31附錄31附錄1 外文文獻(xiàn)翻譯附錄2 外文文獻(xiàn)原文附錄3 自動墻臂清洗機裝配圖 A0附錄4 自動墻臂清洗機零件圖1A1附錄5 自動墻臂清洗機零件圖2 A1附錄6 自動墻臂清洗機零件圖3 A345 / 471引言1.1 清洗建筑表面的意義隨著人類社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，城市規(guī)模不斷擴大，城市建筑更加規(guī)，完美。千姿百態(tài)的各式建筑，尤其是高層建筑外墻都用各種建筑材料進(jìn)行裝飾，如粘帖各色墻磚，瓷磚，馬賽克，或涂上涂料，但是，自然界的風(fēng)吹雨打，日光輻射，塵埃污染，以與一些人為或偶然事故等原因，一段時間過后，建筑表面都將不同程度地變得污濁灰暗，破舊不堪，在環(huán)境差的地區(qū)，污染或損壞還相當(dāng)嚴(yán)重。建筑表面就像人身上的外衣，要保持清潔，就需要經(jīng)常清洗，整理。為此，世界發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，對保持建筑表面的清潔非常重視，并以法律的形式明確規(guī)定，每年必須定期清洗，否則將受到處罰。近年來，我國各級政府部門的環(huán)境保護意識已發(fā)生了很大改變，國一些大，中城市，特別是旅游，開放城市，旅游景點，為保持建筑表面清潔，也制定出臺了相應(yīng)的法規(guī)，全國圍的衛(wèi)生評比活動，把保持建筑表面清潔列為考核的重要指標(biāo)之一，其中高層建筑的外墻，醒目，突出，自然也就成為檢查的重中之重。有信息表明，十·五期間國家用于環(huán)境保護的投資將由九·五期間國民生產(chǎn)總值的1.5%翻倍增加至4%，同時還伴隨以產(chǎn)業(yè)政策的優(yōu)惠。所以，隨著我國改革開放的不斷深入，政府，公民的環(huán)保意識的不斷加強，建筑表面清潔問題必將引起各方面的高度重視，建筑清洗行業(yè)必然具有廣泛的發(fā)展前景，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益.建筑表面清洗主要包括外墻清洗和中央空調(diào)風(fēng)管的清洗，目前外墻清洗是采用傳統(tǒng)的“蜘蛛人”清洗，這是以犧牲生命為代價的非人工作，部分城市頒布了建筑表面清洗條例； 由于非典事件，公共衛(wèi)生得到了高度的重視，特別是中央空調(diào)風(fēng)管的清洗，最近有關(guān)中央空調(diào)的清洗條例很快出臺；因此對于建筑表面清洗提供一個完備的解決方案，必然打破一個傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)格局，改變了人們的工作方式，用機器人清洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清洗或無法清洗，是必然的發(fā)展趨勢。1.2 目的和現(xiàn)實意義洗墻機的功能主要在于清洗大樓窗戶、外墻等外部結(jié)構(gòu)，然而礙于在清洗大樓時清洗后廢水的處理，清洗的效果、效率等等，目前市面上尚無自動的大樓洗墻機。改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，高層式建筑如雨后春筍般的拔地而起。高樓外墻的外觀保養(yǎng)和清潔成為樓宇管理不可缺少的一部份。有需求就由市場，高樓外墻的清潔必將成為一種經(jīng)濟效益高，前景廣闊的行業(yè)。在中國，這種行業(yè)正在逐漸興趣。我國高墻清潔主要采取兩種形式。1.3研究現(xiàn)狀綜觀目前市面上可見的洗墻機，清洗方式主要還是以人工清洗為主，所以都是以掛籠垂降，再以人工方式清洗墻面；然而垂掛以與掛籠的升降方式便較具變化。傳統(tǒng)的是人手清潔，用繩把人系住和定位，逐層清潔。這種方式人在半空吊來吊去的（好象攀崖運動員下山時那樣），勞動強度高，效率低，因為主體是人，所以帶有一定的危險性?，F(xiàn)代的機器人清潔，現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人代替人手工作是必然的趨勢，在國外和我國的一些清潔公司已經(jīng)采用了機器人來進(jìn)行高樓外墻的清潔工作，但是這些機器人構(gòu)造復(fù)雜，操作復(fù)雜，功能繁多（有些功能是很少用到或在某些場合不會用到），造成成本高（如果是一些由人工智能的機器人就更加不用說了）和資源浪費的現(xiàn)象。針對這個問題，我們設(shè)計了一個操作簡單，經(jīng)濟實用的高樓外墻清潔機器。2方案評價與選擇2.1高樓外墻清潔機的結(jié)構(gòu)和工作 現(xiàn)代高樓外墻自動清洗機的結(jié)構(gòu)主要分為下面幾種:2.1.1設(shè)置于頂樓的支撐突梁以下為一些常見的支撐突梁：（1）固定式如圖2.1所示： （A）F型突梁 (B) L型突梁圖2.1 固定式突梁 (2)活動式： 設(shè)有活動滑軌,如圖2.2為一種滑軌： 圖2.2 滑軌滑軌式的作動情形如圖2.3所示：圖2.3 滑軌式的作動情形滑軌有多種形式如圖2.4所示： A.水平式滑軌 B.自走平臺 C.垂直式滑軌圖2.4 多種形式的滑軌 直接將大型起降車設(shè)置于頂樓，方便隨時清洗，亦有助施工維修，但成本高昂且占空間。2.1.2支撐纜繩 纜繩能承受高度力，目前專用纜繩就可達(dá)到需求。2.1.3乘載用掛籠小型掛籠如圖2.5所示：圖2.5 小型掛籠中型掛籠如圖2.6所示： 圖2.6 中型掛籠2.1.4 動作馬達(dá) 對于馬達(dá)，一般來說有以下要求：A.高扭力、低轉(zhuǎn)速。B.斷電自動煞車。C.機械煞車裝置。D.靜定功能。2.1.5升降結(jié)構(gòu)對于升降的結(jié)構(gòu)，目前計劃主要依現(xiàn)有一般市面上可見的機構(gòu)加以改良，作為自動洗墻機的作動裝置，裝在樓頂?shù)牟竭M(jìn)電動機帶動卷桶控制鋼絲繩的收放，使的刷子部分的執(zhí)行機構(gòu)能在高墻上縱向移動。在這里,選擇卷揚機類似的機構(gòu),加以改進(jìn)。2.1.6清洗刷考慮到刷子受到的摩擦力很小 ，刷子的轉(zhuǎn)動動力由小電機提供，如圖所示刷子部分采用紅外線測距。當(dāng)墻上的玻璃窗等與墻的豎直距離不等時，刷子不能很好的清洗玻璃等凹或凸出來的部分。所以從機器采用紅外線測距， 使刷子能更好的工作，即使有突出的墻沿，也可以通過機器自己調(diào)節(jié)(線圈產(chǎn)生的磁場和彈簧力來調(diào)節(jié))刷子由一個獨立的電動機帶動。為了使機器在刷子往返運動中，不會使機構(gòu)左右搖擺，所以采用一些輔助機構(gòu)來減少左右搖擺，如圖所示，采用末端加有一個輪，此輪與墻接觸。當(dāng)機器向下運動時，輪與墻之間是滾動摩擦，使機器向下運動時，可以使機器與墻之間保持一定的距離，從而不會撞到墻或者玻璃，當(dāng)墻左右搖晃時，這時，輪與墻之間產(chǎn)生滑動摩擦，對機器左右搖擺有一定的抑制作用。還有一些輔助機構(gòu)使得清潔機在墻上工作更加平穩(wěn)。2.2方案評價與選擇根據(jù)任務(wù)書的要求，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，投資小，成本低，安全可靠，工作效率高，故選用，水平式滑軌，支撐纜繩，小型掛籠，升降機構(gòu)采用類似卷揚機機構(gòu)，工作部，利用工作電動，經(jīng)減速器減速，帶動清洗刷轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)清洗功能。3運動學(xué)與結(jié)構(gòu)方案的確定根據(jù)任務(wù)書要求，一小時可以清洗墻面600-800平方米，考慮到結(jié)構(gòu)簡單，直接單向進(jìn)給，故只考慮升降，而且要達(dá)到600-800平方米，所以要選用大型號的清洗刷。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1 清洗刷結(jié)構(gòu)圖3.1運動學(xué)參數(shù)選定初選卷揚機，根據(jù)GB/T 1995-2002，選用雙卷快速快溜放卷揚機，額定速度為20m/min-25min，額定載荷為25KN。根據(jù)初選的卷揚機，則定清洗刷直徑應(yīng)500mm。 清洗刷與墻面的摩擦力查機械設(shè)計手冊得工程塑料的動摩擦因數(shù)在之間，因為，清洗刷基本上靠自動壓在墻面上，又要考慮到清洗干凈，故選用動摩擦因數(shù)較大的工程塑料，選定其動摩擦因數(shù)為，估算清洗裝置，故工作機所需輸入功率：各部件的傳動效率：工作機的效率：傳動裝置中各部分的效率,查機械手冊得8級精度的一般齒輪傳動效率：彈性聯(lián)軸器傳動效率：齒式聯(lián)軸器傳動效率：球軸承傳動效率：滾子軸承：電動機至工作機之間傳動裝置的總效率：所需電動機功率由,得查表13-2,得圓柱齒輪傳動單級傳動比常值為35,故電動機轉(zhuǎn)速的可選圍: 對Y系列電動機通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min的電動機,故選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。選用Y100L2-4,額定功率3KW,滿載轉(zhuǎn)速1430r/min,電動機極數(shù)為4，軸伸尺寸。其具體參數(shù)如下：型號: Y100L2-4額定功率/kW: 3.0鐵心長度/mm: 135氣隙長度/mm: 0.3定子外徑/mm: 155定子徑/mm: 98定子線規(guī)nc-dc: 1-1.18每槽線數(shù): 31并聯(lián)支路數(shù): 1繞組型式: 單層交叉節(jié)距: 19/210/1811槽數(shù)Z1/Z2: 36/32轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2): 0.0067質(zhì)量/kg: 383.2 計算總傳動比和分配各級傳動比傳動裝置的總傳動比要求為式中： 電動機滿載轉(zhuǎn)速,r/min.一般推薦展開式二級圓柱齒輪減速器高速級傳動比,取。3.3 計算傳動裝置運動和動力參數(shù)該傳動裝置從電動機到工作機有三軸,依次為、軸,則:3.3.1各軸轉(zhuǎn)速式中:為電動機滿載轉(zhuǎn)速,r/min；、分別為、軸轉(zhuǎn)速,r/min;為高速軸,為低速軸.3.3.2各軸功率式中: Pd為電動機輸出功率,KW; P、P、P分別為、軸輸入功率,KW；3.3.3各軸轉(zhuǎn)矩4 傳動零件的設(shè)計計算4.1 第一級齒輪傳動設(shè)計計算因傳動無嚴(yán)格限制,生產(chǎn)批量小,故小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度241HB286HB,平均取為260HB;大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度為229HB286HB,平均取為240HB.齒輪采用非對稱支承結(jié)構(gòu)安裝。計算步驟如下:齒面接觸強度計算4.1.1初步計算轉(zhuǎn)矩T1,齒寬系數(shù) ,由表12.13,取Ad值,由表12.16,估計,取接觸疲勞極限,由圖12.17c,得初步計算的許用接觸應(yīng)力:傳動比i,初步計算小齒輪直徑d1 ,取初步齒寬b ,4.1.2校核計算圓周速度,精度等級 由表12.6，選用8級齒數(shù)Z1、模數(shù)和螺旋角:，取Z2=105,由表12.3,取(和估計值接近)使用系數(shù)KA由表12.9,動載系數(shù)Kv,由圖12.9,齒間載荷分配系數(shù) 由此得齒向載荷分布系數(shù),由表12.11,載荷系數(shù),彈性系數(shù),由表12.12,節(jié)點區(qū)域系數(shù),由圖12.16,重合度系數(shù) ,由式12.31,因故螺旋角系數(shù),接觸最小安全系數(shù),由表12.14,得(一般可靠)總工作時間,應(yīng)力循環(huán)次數(shù): 接觸壽命系數(shù),由圖12.18,許用接觸應(yīng)力:驗算 計算結(jié)果表明,接觸疲勞強度較為合適,齒輪尺寸無須調(diào)整。4.1.3確定傳動主要尺寸中心距實際分度圓直徑,齒寬,齒根彎曲疲勞強度驗算齒形系數(shù): 由圖12.21,應(yīng)力修正系數(shù) ,由圖12.22,重合度系數(shù) , 螺旋角系數(shù),(當(dāng).),故齒間載荷分配系數(shù) , 前已求得,故齒向載荷分配系數(shù) ,由圖12.14,載荷系數(shù),彎曲疲勞極限,由圖12.23c,彎曲最小安全系數(shù),由表12.14,應(yīng)力循環(huán)次數(shù),彎曲壽命系數(shù),由圖12.24,尺寸系數(shù),由圖12.25,許用彎曲應(yīng)力驗算傳動無嚴(yán)重過載,故不做靜強度校核。4.2 第二級齒輪傳動設(shè)計計算因傳動無嚴(yán)格限制,生產(chǎn)批量小,故小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度取為280HB;大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度取為260HB。齒輪采用非對稱支承結(jié)構(gòu).計算步驟如下:齒面接觸強度計算4.2.1初步計算轉(zhuǎn)矩T2 ,齒寬系數(shù) ,由表12.13,取Ad值,由表12.16,估計,取接觸疲勞極限,由圖12.17c,得初步計算的許用接觸應(yīng)力:傳動比,初步計算小齒輪直徑,初步齒寬b ,4.2.2校核計算圓周速度,精度等級 選用8級齒數(shù)、模數(shù)和螺旋角:,由表12.3,取(和估計值接近)使用系數(shù)KA ,表12.9,動載系數(shù),由圖12.9, 齒間載荷分配系數(shù)由此得齒向載荷分布系數(shù),由表12.11,載荷系數(shù),彈性系數(shù),由表12.12, 節(jié)點區(qū)域系數(shù),由圖12.16, 重合度系數(shù) ,由式12.31,因,故螺旋角系數(shù),接觸最小安全系數(shù),由表12.14,得(一般可靠)總工作時間,應(yīng)力循環(huán)次數(shù): 接觸壽命系數(shù),由圖12.18, ,許用接觸應(yīng)力驗算 計算結(jié)果表明,接觸疲勞強度較為合適,齒輪尺寸無須調(diào)整.4.2.3確定傳動主要尺寸中心距實際分度圓直徑齒寬,取齒根彎曲疲勞強度驗算齒形系數(shù): 由圖12.21,應(yīng)力修正系數(shù) ,由圖12.22,重合度系數(shù)，螺旋角系數(shù),(當(dāng).)，故齒間載荷分配系數(shù), 前已求得,故齒向載荷分配系數(shù),由圖12.14,載荷系數(shù),彎曲疲勞極限,由圖12.23c,彎曲最小安全系數(shù),由表12.14,應(yīng)力循環(huán)次數(shù),彎曲壽命系數(shù),由圖12.24, ,尺寸系數(shù),由圖12.25, 許用彎曲應(yīng)力驗算傳動無嚴(yán)重過載,故不做靜強度校核。表1 傳動零件設(shè)計計算小結(jié)名稱材料硬度齒數(shù)齒寬mn分度圓直徑齒輪40Cr260HB2255mm212°6´5´´45.000mm齒輪45240HB10545mm212°6´5´´215.190 mm齒輪40Cr280HB2882 mm2.513°32´10´´72.000mm齒輪45260HB9672mm2.513°32´10´´254.952 mm4.3 畫簡圖142587170.557.571128 圖4.1 簡圖 4.3.1 初估軸徑在畫裝配草圖前需初估軸徑,從而提高設(shè)計效率,減少重復(fù)設(shè)計的工作量,并盡可能的降低生產(chǎn)成本。三根軸都選用40Cr材料。由<<機械設(shè)計>>式16.2,得各軸的最小直徑分別為:式中: C為軸強度計算系數(shù),40Cr所對應(yīng)的系數(shù)為102考慮到實際情況,可將這三軸的最小軸徑定為25mm,50mm和35mm。4.3.2 初選聯(lián)軸器聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外,有些還具有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能,以與具有緩沖、吸振、安全保護等功能。電動機軸和減速器高速軸聯(lián)接用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較高,為減小啟動載荷,緩和沖擊,應(yīng)選用具有較小轉(zhuǎn)動慣量和具有彈性的聯(lián)軸器,該設(shè)計選用彈性柱銷聯(lián)軸器。減速器低速軸與工作機聯(lián)接用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較低,不必要求具有較小的轉(zhuǎn)動慣量,但傳遞轉(zhuǎn)矩較大,又因減速器與工作機不在同一底座上,要求具有較大的軸線偏移補償,因此選用鼓形齒式聯(lián)軸器。根據(jù)上述分析并考慮到實際情況,聯(lián)軸器選擇如下: 電動機軸和減速器高速軸聯(lián)接用的聯(lián)軸器選用LT4聯(lián)軸器。4.3.3 初選軸承軸承是支承軸頸的部件。由于該傳動裝置采用兩對斜齒輪傳動，經(jīng)比較選擇，采用兩對角接觸球軸承和深溝球軸承。從高速軸到低速軸，選用的軸承分別為7307C、30210、30210，均為成組使用，面對面安裝。5軸的校核計算5.1高速軸受力分析高速軸受力情況如下：圖5.1 高速軸受力情況水平受力分析: 對點取矩,則有對點取矩,則有垂直面受力分析:對點取矩,則有: 對點取矩,則有: 5.2 中間軸校核計算中間軸結(jié)構(gòu)和受力分析圖如下:中間軸材料選用40Cr調(diào)質(zhì),。軸的彎曲應(yīng)力校核步驟如下:計算齒輪受力 齒輪所受的力():圓周力 徑向力 軸向力 轉(zhuǎn)矩 齒輪所受的力:()圓周力 徑向力 軸向力 計算支承反力水平面反力垂直面反力水平面受力圖,如f圖所示垂直面受力圖,如h圖所示畫軸彎矩圖水平面彎矩圖,如g圖所示，圖垂直面彎矩圖,如i圖所示，圖合成彎矩圖,如j圖所示，合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖軸受轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩圖, 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩圖，如圖k所示 許用應(yīng)力用插入法由表16.3,查得應(yīng)力校正系數(shù) 畫當(dāng)量彎矩圖當(dāng)量彎矩:在齒輪中間處在齒輪(軸頭)中間處當(dāng)量彎矩圖,見圖l 校核軸徑齒根圓直徑 軸徑 經(jīng)檢驗軸所用尺寸合格。中間軸安全系數(shù)校核計算如下：以齒輪端面處危險截面為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。對稱循環(huán)疲勞極限 脈動循環(huán)疲勞極限 等效系數(shù) 截面3-3上的應(yīng)力水平面彎矩垂直面彎矩合成彎矩彎曲應(yīng)力幅 彎曲平均應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸徑變化，過渡圓角半徑r=1mm，由和，從附錄表1中查出。表面狀態(tài)系數(shù) 由附錄5查出尺寸系數(shù) 由附錄6查出安全系數(shù)彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無限壽命，由式16.5得扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 復(fù)合安全系數(shù) 經(jīng)檢驗軸所用尺寸合格。軸承驗算6高速軸軸承驗算查手冊 7307c軸承主要性能參數(shù)如下：壽命計算左邊軸承徑向力 右邊軸承徑向力 軸向力 ，方向向左附加軸向力 查表18.4，可得， 因，故左邊軸承被壓緊軸承軸向力 X,Y值 ，故，故沖擊載荷系數(shù) 考慮中等沖擊查表18.8得當(dāng)量動載荷軸承壽命 因，只計算軸承1的壽命故高速級軸承滿足壽命要求。 靜載荷計算X0、Y0 查表18.12，得，當(dāng)量靜載荷 安全系數(shù)S0 正常使用角接觸球軸承，查表18.14，得計算額定靜載荷 (因)許用轉(zhuǎn)速驗算載荷系數(shù)載荷分布系數(shù)許用轉(zhuǎn)速N 均大于工作轉(zhuǎn)速1430r/min。經(jīng)檢驗該軸承合格。致 本論文是在世平老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。在整個設(shè)計過程中，不僅在學(xué)業(yè)上得到了老師細(xì)致、耐心的教導(dǎo)和講解，使自己鞏固、完善了所學(xué)知識，并且治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、塌實沉穩(wěn)的學(xué)風(fēng)給人以深厚影響，在我的學(xué)習(xí)、待物中產(chǎn)生了積極作用，也使得本次設(shè)計能夠順利完成。再此衷心感在這過程中幫助與指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)，讓我開闊了眼界，增加了學(xué)識。參考文獻(xiàn)1 吳彥農(nóng).康志軍.Solidworks2003實踐教程. ：工學(xué)院，20032 葉偉昌. 機械工程與自動化簡明手冊（上冊）. ：機械工業(yè)，20013 徐錦康. 機械設(shè)計. ：機械工業(yè)，20014 成大先. 機械設(shè)計手冊（第四版 第4卷）. ：化學(xué)工業(yè)，2002 5 常清. 機械制圖（第二版）. ：中國建材工業(yè)，20006 朱  敬. 明，邵謙謙.AutoCAD2005.電子工業(yè)，2004 7 董玉平. 機械設(shè)計基礎(chǔ).機械工業(yè)，20018 曾正明. 機械工程材料手冊. ：機械工業(yè)，20039周昌治. 忠鑒，之淵，廣凌. 機械制造工藝學(xué). ：大學(xué)，199910 曲寶章. 黃光燁. 機械加工工藝基礎(chǔ). ：工業(yè)大學(xué)，200211 福潤. 徐鴻本，延林. 機械制造基礎(chǔ)（第二版）. ：華中科技大學(xué)，200212 徐錦康. 機械設(shè)計. ：高等教育，200413寧汝新. 汝嘉. 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Ramayah and Noraini Ismail摘要:產(chǎn)品設(shè)計是用于產(chǎn)品，與它的部件裝配的計劃。為了把產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)換成一個實際物體，這需要一個制造計劃。而制訂一個這樣的計劃的行動就叫做工藝規(guī)程制訂。它是產(chǎn)品設(shè)計和制造之間的連接，工藝規(guī)程制訂包括決定加工順序和制造產(chǎn)品所必須完成的裝配步驟。在以下文章中,我們將解釋工藝規(guī)程制訂和他的一些相關(guān)主題文章開始，我們應(yīng)該區(qū)別在下列文章中被反復(fù)提到的工藝規(guī)程制訂和生產(chǎn)計劃。工藝規(guī)程制訂與如何制造產(chǎn)品和它的零件等工程技術(shù)問題有關(guān)，制造零件和裝配產(chǎn)品需要什么樣的設(shè)備和工具？工藝規(guī)程制訂與產(chǎn)品制造物流管理有關(guān)系。它在工藝規(guī)程制訂后面與原料分類與獲得滿足制造充分?jǐn)?shù)量產(chǎn)品要求的資源有關(guān)。工藝規(guī)程制訂工藝規(guī)程制訂包括決定最適當(dāng)?shù)闹圃炫c裝配步驟和順序，在這些順序和步驟中他們必須根據(jù)所提出的詳細(xì)的設(shè)計說明書規(guī)完成給定零件或產(chǎn)品制造。 能夠被計劃的工藝圍和多樣性通常由于公司車間可用設(shè)備和技術(shù)能力而受到限制。在公司部不能夠制造的零件必須到外部市場購買，工藝規(guī)程制訂所提與的工藝選擇同樣也受到詳細(xì)設(shè)計資料的限制，我們稍后將會回到這一點。工藝規(guī)程制訂通常是由制造工程師完成的，工藝制訂者必須熟悉工廠中詳細(xì)可用的制造流程并且能夠說明工程圖?；谥朴喺叩闹R、技術(shù)和經(jīng)驗，用于制造每個零件的工藝步驟以最合乎邏輯的順序被發(fā)展制訂。下列各項是在工藝規(guī)程制訂圍里的許多決定和詳細(xì)資料：  .設(shè)計圖的說明.  在工藝規(guī)程制訂的開始，產(chǎn)品設(shè)計的這一部分( 材料、尺寸、公差、表面處理等等)必須進(jìn)行分析。  .工藝和順序.  工藝制訂者必須選擇哪一個工藝是必需的與必需工藝的序列。此外還必須準(zhǔn)備好一個簡短的工藝步驟描述。  .設(shè)備選擇.  大體上，工藝制訂者必須逐步展開利用工廠現(xiàn)有機器的計劃。另外，組件必須被購買或在新設(shè)備上的投資必須被制定。  .工具、沖模、鑄模、夾具、量具.  工藝必須決定每個工序需要什么工具，這些工具的實際設(shè)計和制造通常通過委派工具設(shè)計部門和工具庫或者聯(lián)系專攻那種工具制造的外面廠商來完成。  .方法分析.  車間規(guī)劃，小工具，提升重物的提升間。甚至在一些人工操作情景中的肢體動作也被指定。  .操作步驟.  工作測量技術(shù)被用來為每個操作設(shè)定時間標(biāo)準(zhǔn)。  .切削工具和切削條件.  這些必須對加工操作通過推薦標(biāo)準(zhǔn)手冊來進(jìn)行詳細(xì)說明。零件工藝規(guī)程制訂對于單個零件，加工順序通過一種被稱為進(jìn)路表的表格來進(jìn)行文件證明備份。就如工程圖被用于詳細(xì)說明設(shè)計產(chǎn)品一樣，進(jìn)路表被用于詳細(xì)說明工藝計劃。他們是類似的，一個用于產(chǎn)品設(shè)計，另一個用于制造。制造單個零件的典型加工順序包括：(1) 一個基本工序 (2) 二級工序 (3) 提高物質(zhì)特性工序和(4) 最后工序。一個基本工序決定了工件的起始造型。金屬鑄件、塑料成型、金屬精煉是基本工序中的實例。起始造型常常必須通過改變起始造型操作(或者接近于最終造型)的二級工序來精制。二級工序習(xí)慣于和基本工序一起提供起始造型，當(dāng)砂型鑄造是基本工序，車加工通常是二級工序。當(dāng)軋鋼廠制造金屬片是基本工序，沖壓操作像沖裁和彎曲通常是二級工序。當(dāng)塑料注入成型是基本工序時，二級工序通常是不必要的，因為他的大多數(shù)幾何特征制造通過別的方式如成型制造來完成。塑料成型和其他操作的二級工序被稱為凈成型工序的并發(fā)二級工序，需要一些但并不多的二級工序的操作就是所提到的近似成型工序。許多有印象的摸鍛件就是這一類，這類零件能夠經(jīng)常在鍛造(初級工序)階段被成型，因此減少了必要的加工(二級工序)。一旦模型被建立，許多零件的下一步是改良它們的機械物理性能。提高特性工序并不改變零件模型，然而，它卻能改變零件的物理特性。金屬零件的熱處理操作就是最普通的實例。類似的如玻璃通過熱處理來制造鋼化玻璃，對于大多數(shù)零件的制造來說，這些特性加強工序在加工工序中并不需要。最后工序通常對零件(或裝配體)的表面提供一個涂層。例如電鍍、薄膜沉積技術(shù)、涂漆。表面處理的目的是改善外觀，改變顏色或者表面保護防止腐蝕和磨損等等。在很多零件中最后工序是并不需要的。例如：塑料成型就很少需要最后程序。當(dāng)必須需要最后程序，他通常是加工順序的最后一步。 裝配工藝規(guī)程制訂一個既定產(chǎn)品的典型裝配方法由以下因素決定的：(1)預(yù)期產(chǎn)品數(shù)量(2)裝配產(chǎn)品的復(fù)雜性。例如：不同組件的數(shù)量和(3)常用裝配工藝。例如：機械定位焊接、對于小數(shù)量產(chǎn)品，通常在人工裝配線上進(jìn)行裝配。對于大量制造的一打或這樣組件的簡單零件，要采用適當(dāng)?shù)淖詣踊b配線。無論如何這里有一個工作必須被完成的優(yōu)先順序，這個優(yōu)先需求經(jīng)常用一個優(yōu)先表來進(jìn)行圖表描繪。裝配工藝規(guī)程制訂包括裝配指令的發(fā)展，但是更詳細(xì)地對于小批量生產(chǎn)。在一個崗位完成整個裝配，對于一個裝配線上的大批量生產(chǎn)，工藝規(guī)程制訂由一種分配工作條件到裝配線個別工位并被叫做人工投入線性平衡法的程序組成。這種裝配線按照裝配線平衡解決方案決定的順序發(fā)送工作單元到個別工位，在個別組成，任意工具或夾具的工藝規(guī)程制訂時，一條裝配線的決定、設(shè)計和制造必須被完成，并且工作站的必須被列出來。制造或購買決定在工藝制定過程中出現(xiàn)的一個重大問題是一個特定零件應(yīng)該在公司部的工廠生產(chǎn)還是從外部銷售商處購買，并且這個問題的答案被認(rèn)為是制造或購買決定。如果公司沒有技術(shù)設(shè)備或制造零件所必須的詳細(xì)制造工藝中的專門技術(shù)，那么答案就很明顯了。因為沒有其他選擇零件必須購買。然而，在很多例子中零件既可以在利用現(xiàn)有設(shè)備在部制造或者可以從外部擁有相似制造能力的生產(chǎn)銷售商處購買。在我們的關(guān)于制造或購買的決定的討論中，他應(yīng)該認(rèn)識到在開始幾乎所有的制造者從供應(yīng)商那里購買原料。一個機械加工廠從一個金屬經(jīng)銷商購買他的起動柄原料或從一個鑄造廠購買他的砂型鑄件。一個塑料成型廠從一個化工廠購買他的模塑料。一個沖壓廠可以去經(jīng)銷商或直接從軋鋼廠購買金屬片。很少的公司能夠在操作中從原料一直進(jìn)行垂直整合，這看來至少購買一些也許在他的工廠可以另外制造的零件是合理的。也有可能為公司使用的每一個組成要求制造或購買決定。這里有許多影響制造或購買決定的因素，一個人可能認(rèn)為成本是決定是購買還是制造零件的最重要的因素。如果一個外部經(jīng)銷商比公司工廠更精通于制造零件的工藝，因而公司部生產(chǎn)成本可能比經(jīng)銷商賺取成本后的價格還要高。可是，如果購買決定導(dǎo)致公司工廠設(shè)備和勞動的閑置，購買零件的表面優(yōu)勢就會喪失?？紤]以下例子制造或購買決定。為一個特定零件被引述的價格是100個單位的每單位$20.00。制造零件的成分如下所示：單位原料成本=每單位$8.00直接勞動成本=每單位$6.00勞動加班150%=每單位$9.00設(shè)備修理成本=每單位$5.00總計=每單位$28.00這個組成應(yīng)該被購買還是在部制造？解決方案：盡管經(jīng)銷商的引證似乎支持購買決定，讓我們來考慮如果引證被接受可能在生產(chǎn)操作中的沖突。$5.00設(shè)備維修成本是已經(jīng)被制定的投資成本，如果設(shè)備設(shè)計因為購買零件的決定而變的沒有利用價值，那么這個固定成本仍然繼續(xù)盡管設(shè)備閑置著。同樣，如果零件被購買由工廠空間，效用和勞動成本組成的$9.00的勞動間接成本仍然繼續(xù)。通過這種推理，如果應(yīng)該已用于生產(chǎn)零件的設(shè)備閑置的購買決定并不是一個好決定因為他可能花費公司將近$20.00+$5.0+$9.00=$34.0每單元。另一方面，如果正在討論的設(shè)備可以被用于生產(chǎn)其他零件并且部生產(chǎn)成本低于外部聯(lián)系報價，那么一個購買決定就是一個好決定。制造或購買決定并不像這個例子中的那樣直接。這幾年的一個趨勢，尤其在汽車工業(yè)，公司和零件供應(yīng)者建立緊密關(guān)系。由此我們將引出并行工程。在計劃操作方面制造公司有很大興趣利用計算機輔助工藝（CAPP）系統(tǒng)來完成。那些熟悉加工詳細(xì)資料和其他工藝的工廠培訓(xùn)的工人逐漸退休，并且這些人在將來工藝制訂的過程中是非常有用的。一種可選擇的用于完成這種功能的方式是必需的，CAPP 提供了這種選擇。CAPP經(jīng)常被看作是計算機輔助制造（CAM）的一部分。然而這種趨向意味著CAM是一系列系統(tǒng)。事實上，當(dāng)CAD和計算機輔助設(shè)計協(xié)同作用創(chuàng)造了一個CAD/CAM系統(tǒng)。在這樣一個系統(tǒng)中，CAPP成為設(shè)計和制造之間的直接聯(lián)結(jié)。來自計算機輔助工藝的優(yōu)點包括以下幾點：   .工藝合理化和標(biāo)準(zhǔn)化.  自動工藝規(guī)程制訂比完全用手工編制工藝產(chǎn)生的更合理化和一致化。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計趨向產(chǎn)生低成本和高生產(chǎn)質(zhì)量。  .增強工藝制訂者的生產(chǎn)力.  在數(shù)據(jù)文件中的系統(tǒng)方法和標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)計的實用性使工藝制訂者可完成更多的工作。  .減少工藝規(guī)程的制訂時間.  與手工準(zhǔn)備相比，利用CAPP系統(tǒng)的工藝制訂者可以在較短的時間準(zhǔn)備好進(jìn)路表。  .改良異讀性.  計算機準(zhǔn)備的進(jìn)路表比手工準(zhǔn)備的進(jìn)路表更容易簡潔。  .結(jié)合其他應(yīng)用軟件.  CAPP 系統(tǒng)可以在界面上與其它應(yīng)用軟件結(jié)合，象成本估計和工作標(biāo)準(zhǔn)。計算機輔助工藝圍繞著兩個路徑來設(shè)計，這兩個路徑被叫做：（1）CAPP檢索系統(tǒng)和（2）CAPP生成系統(tǒng)。許多CAPP系統(tǒng)結(jié)合這兩種路徑而被稱為生成檢索CAPP系統(tǒng)。制造業(yè)的并行工程和設(shè)計并行工程引用一種常用于產(chǎn)品發(fā)展的路徑，通過它使工程設(shè)計功能、工程制造功能和其他功能綜合起來以減少一種新產(chǎn)品投放市場所需要的共用時間，也被稱為并發(fā)工程，他可能被認(rèn)為是CAD/CAM技術(shù)的類似組織版本，按照傳統(tǒng)路徑來使一件產(chǎn)品投放市場。如圖(1)a所示，工程設(shè)計功能和工程制造功能這兩種功能是分開并且連續(xù)的，產(chǎn)品設(shè)計部門開展一項新的設(shè)計有時很少考慮到公司的制造能力，也很少有機會能夠讓制造工程師來提供如何使設(shè)計更容易制造的一些建議。他好像消除了在設(shè)計和制造之間的一堵墻，當(dāng)設(shè)計部門完成設(shè)計，他投擲工程圖和說明書越過這面墻，并且那時工藝規(guī)程制訂也開始了。圖（1）比較 : (a) 傳統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展周期和 (b) 并行產(chǎn)品的發(fā)展周期通過比較，實行并行工程的公司，工程制造部門在早期就參與到產(chǎn)品發(fā)展周期。為如何使產(chǎn)品和他的組成能夠被設(shè)計的更適于制造提供建議。他同樣為產(chǎn)品提供制造計劃繼續(xù)進(jìn)行的早期準(zhǔn)備，這種并行工程的路徑在圖(1)b中被描繪出。除了工程制造以外其他功能同樣被包括在產(chǎn)品發(fā)展周期中，如質(zhì)量工程、制造部門、后勤服務(wù)、市場供應(yīng)評定組成和一些情況下將使用這些產(chǎn)品的消費者。在產(chǎn)品發(fā)展階段的所有這些功能不僅能改善新產(chǎn)品的功能和性能，同時也能改善他的可造性、自檢性、易測性、服務(wù)能力和可維護性。通過早期功能改善，因為在最終產(chǎn)品設(shè)計之后的回顧太晚以至于不能對設(shè)計進(jìn)行便利的修改的不利因素的消除，使產(chǎn)品發(fā)展周期的持續(xù)期大大減少。并行設(shè)計包含以下因素：(1)一些制造和裝配設(shè)計(2)質(zhì)量設(shè)計(3)成本設(shè)計和(4)生命周期設(shè)計。另外，像快速成型、虛擬制造、和組織轉(zhuǎn)變等輔助技術(shù)需要被用來促進(jìn)公司的并行工程。制造和裝配設(shè)計據(jù)估計一件產(chǎn)品的70%的生命周期成本是由在產(chǎn)品設(shè)計時所做的基本決定所決定的，這些設(shè)計決定包括每個零件的材料、零件模型、公差、表面處理、零件是如何被組織裝配的和常用裝配方法。一旦這些決定被指定，減少產(chǎn)品制造成本的能力就會被限制。例如，如果產(chǎn)品設(shè)計者決定用鋁砂型鑄造法制造一個分開零件，但是這個零件的工藝特性只能通過加工來完成(如螺紋孔和配合公差)，制造工程師沒有選擇的余地，只能按照先砂型鑄造在加工的方法來達(dá)到既定要求。在這個例子中，用一個在單獨步驟所需要的塑料模制品也許是一個較好的決定。因此，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計展開時給制造工程師一個忠告設(shè)計者的機會對產(chǎn)品的順利可造性是非常重要的。 這種被用于嘗試描述順利改變一件新產(chǎn)品的可造性的條件是制造設(shè)計(DFM)和裝配設(shè)計(DFA)。當(dāng)然，DFM和DFA是緊密相連的，因此讓我們用制造和裝配設(shè)計(DFM/A)的形式來表達(dá)。制造和裝配設(shè)計包括在一件新產(chǎn)品中的可造性和可裝配性的綜合考慮，這包括： (1)組織變化和(2)設(shè)計原理和指導(dǎo)方針。.在DFM/A中的組織變化.  DFM/A的有效執(zhí)行包括公司組織機構(gòu)的正式或非正式的變化，因此設(shè)計職工和制造職工之間有很好的交流和交互作用。這可以通過以下方法來完成：(1)通過成立由產(chǎn)品設(shè)計者制造工程師和其他員工(例如：質(zhì)量工程師、材料專家)組成的攻關(guān)小組來進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)；(2)通過要求設(shè)計工程師用一些事業(yè)時間在制造上，以能夠掌握第一手可造性和可裝配性是如何通過產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)系在一起的；(3)通過指派制造工程師到產(chǎn)品設(shè)計部門在一個臨時的或?qū)Ｈ蔚幕A(chǔ)上做一個還原性顧問。.設(shè)計說明和指導(dǎo)方針.  DFM/A為了理解如何設(shè)計一個既定產(chǎn)品來使可造性和可裝配性最大化也依賴于設(shè)計說明和指導(dǎo)方針的使用，這些通用設(shè)計指導(dǎo)方針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)計原理只適用于特定工序，例如：軸或錐度在階梯中的使用和利用模制品來切除模零件，在制造過程中我們只把這些具體過程指導(dǎo)方針放在書本上。指導(dǎo)方針有時互相矛盾，一條指導(dǎo)方針是“簡化零件模型，避免不必要的特征”。但是在同一表格里的另一指導(dǎo)方針為了裝配安全而規(guī)定在設(shè)計產(chǎn)品時“特殊幾何特征必須不時加上他的組成”。而且他也許值得來結(jié)合個別裝配件的特征來減少產(chǎn)品中零件的數(shù)量。在這些示例中零件制造設(shè)計與裝配設(shè)計相沖突，在這個矛盾沖突的兩邊，一個適當(dāng)解決方法必須被發(fā)現(xiàn)。附錄2 外文文獻(xiàn)原文Process Planning and Concurrent EngineeringT. Ramayah and Noraini IsmailAbstract:The product design is the plan for the product and its components and subassemblies. To convert the product design into a physical entity, a manufacturing plan is needed. The activity of developing such a plan is called process planning. It is the link between product design and manufacturing. Process planning involves determining the sequence of processing and assembly steps that must be accomplished to make the product. In the present chapter, we examine processing planning and several related topics.Process Planning Process planning involves determining the most appropriate manufacturing and assembly processes and the sequence in which they should be accomplished to produce a given part or product according to specifications set forth in the product design documentation. The scope and variety of processes that can be planned are generally limited by the available processing equipment and technological capabilities of the company of plant. Parts that cannot be made internally must be purchased from outside vendors. It should be mentioned that the choice of processes is also limited by the details of the product design. This is a point we will return to later.Process planning is usually accomplished by manufacturing engineers. The process planner must be familiar with the particular manufacturing processes available in the factory and be able to interpret engineering drawings. Based on the planners knowledge, skill, and experience, the processing steps are developed in the most logical sequence to make each part. Following is a list of the many decisions and details usually include within the scope of process planning. The part of product design must be analyzed (materials, dimensions, tolerances, surface finished, etc.) at the start of the process planning procedure. The process planner must select which processes are required and their sequence. A brief description of processing steps must be prepared.In general, process planners must develop plans that utilize existing equipment in the plant. Otherwise, the component must be purchased, or an investment must be made in new equipment.  The process must decide what tooling is required for each processing step. The actual design and fabrication of these tools is usually delegated to a tool design department and tool room, or an outside vendor specializing in that type of tool is contacted.  Method analysis Workplace layout, small tools, hoists for lifting heavy parts, even in some cases hand and body motions must be specified for manual operations. The industrial engineering department is usually responsible for this area.  Work standards.Work measurement techniques are used to set time sCutting tools and cutting conditions.These must be specified for machining operations, often with reference to standard handbook recommendations.Process planning for partsFor individual parts, the processing sequence is documented on a form called a route sheet. Just as engineering drawings are used to specify the product design, route sheets are used to specify the process plan. They are counterparts, one for product design, for manufacturing.A typical processing sequence to fabricate an individual part consists of: (1) a basic process, (2) secondary processes, (3) operations to enhance physical properties, and (4) finishing operations. A basic process determines the starting geometry of the work parts. Metal casting, plastic molding, and rolling of sheet metal are examples of basic processes. The starting geometry must often be refined by secondary processes, operations that transform the starting geometry (or close to final geometry). The secondary geometry processes that might be used are closely correlated to the basic process that provides the starting geometry. When sand casting is the basic processes, machining operations are generally the second processes. When a rolling mill produces sheet metal, stamping operations such as punching and bending are the secondary processes. When plastic injection molding is the basic process, secondary operations are often unnecessary, because most of the geometric features that would otherwise require machining can be created by the molding operation. Plastic molding and other operation that require no subsequent secondary processing are called net shape processes. Operations that require some but not much secondary processing (usually machining) are referred to as near net shape processes. Some impression die forgings are in this category. These parts can often be shaped in the forging operation (basic processes) so that minimal machining (secondary processing) is required.Once the geometry has been established, the next step for some parts is to improve their mechanical and physical properties. Operations to enhance properties do not alter the geometry of the part; instead,