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,,機械制造裝備設計,全國本科院校機械類創(chuàng)新型應用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材,第1章 機械制造及裝備設計方法,概述,機械制造裝備的分類,機械制造裝備設計的類型,機械制造裝備設計要求,本章分五個小節(jié)：,機械制造裝備設計方法,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支撐環(huán)境的變化，現(xiàn)在利用RMS以快速響應經(jīng)濟全球化帶來的復雜變化的市場環(huán)境，其發(fā)展與生產(chǎn)環(huán)境及技術特點如圖1.1所示,1.1 概述,,1.1 概述,加工制造技術發(fā)展趨勢 加工制造技術是對被加工對象狀態(tài)的改形和改性技術的總稱。 新一代機械制造裝備技術,⑥數(shù)據(jù)管理,,1）新型加工設備的研究開發(fā)已取得不少進展 2）在數(shù)控化基礎上朝智能化方向發(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 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 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。,,1.1 概述,⑥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,精密和超精密技術,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，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。,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、焊接設備等。,⑥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,①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,,,②使用范圍,通用機床 專用機床 專門化機床,,③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合加工。,,激光加工機床 采用激光能量進行加工的設備統(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,⑥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、刀具輸送設備以及各級倉儲設備。,⑥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、排屑設備及測量、包裝設備等。 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 機械制造裝備設計的類型,機械制造裝備設計可分為創(chuàng)新設計、變型設計和模塊化設計等三大類型。 　創(chuàng)新設計 　創(chuàng)新設計通常應從市場調(diào)研和預測開始，明確產(chǎn)品的創(chuàng)新設計任務，經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計和工藝設計等四個階段；還應通過產(chǎn)品試制和產(chǎn)品試驗來驗證新產(chǎn)品的技術可行性；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 機械制造裝備設計的類型,變型設計 　為了快速滿足市場需求的變化，常常采用適應型和變參數(shù)型設計方法。兩種設計方法都是在原有產(chǎn)品基礎上，保持其基本工作原理和總體結(jié)構(gòu)不變，適應型設計是通過改變或更換部分部件或結(jié)構(gòu)，變參數(shù)型設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。適應型設計和變參數(shù)型設計統(tǒng)稱“變型設計”。 　　開展變型設計的依據(jù)是原有產(chǎn)品，它應屬于技術成熟產(chǎn)品。,1.3 機械制造裝備設計的類型,模塊化設計 　模塊化設計是按合同要求，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上，劃分并設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)品中的模塊也應按系列化設計的原理進行。,1.4 機械制造裝備設計要求,機械制造裝備設計工作是設計人員根據(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。 　機械制造裝備設計工作要適應科學技術的飛速發(fā)展及市場競爭的日趨激烈，要采用先進的設計技術，設計出質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品。,1.4 機械制造裝備設計要求,機械制造裝備 設計要求,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 機械制造裝備設計方法,機械制造裝備設計的典型步驟 　機械制造裝備設計的步驟根據(jù)設計類型而不同。創(chuàng)新設計的步驟最典型，可劃分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計和工藝設計四個階段。,,技術設計,,產(chǎn)品規(guī)劃階段,,方案設計,,工藝設計,產(chǎn)品規(guī)劃階段 　產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務是明確設計任務，通常應在市場調(diào)查與預測的基礎上識別產(chǎn)品需求，進行可行性分析，制訂設計任務書。,1.5 機械制造裝備設計方法,,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、技術調(diào)研和社會環(huán)境調(diào)研三部分。 3）預測：預測分為定性預測和定量預測兩部分 4）可行性分析：通過調(diào)查研究與預測后，對產(chǎn)品開發(fā)中的重大問題應進行充分的技術經(jīng)濟論證，判斷是否可行，即進行產(chǎn)品設計的可行性分析。,經(jīng)過可行性分析后，應確定待設計產(chǎn)品的設計要求和設計對數(shù)，編制“設計要求表”，如表1.2所示。,1.5 機械制造裝備設計方法,方案設計階段 　方案設計階段實質(zhì)上是根據(jù)設計任務書的要求，進行產(chǎn)品功能原理的設計。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，關系到產(chǎn)品的技術水平及競爭能力。,1.5 機械制造裝備設計方法,,1）設計任務的抽象：對設計任務進行抽象是對設計任務的再認識，從眾多應滿足的要求中，通過對功能關系和與任務相關的主要約束條件的分析，對“設計要求表”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)過對設計任務的抽象，可明確設計產(chǎn)品的總功能。,1.5 機械制造裝備設計方法,1.5 機械制造裝備設計方法,,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)該工作原理的技術手段和結(jié)構(gòu)原理，即所謂的功能載體。 4）形成初步設計方案： 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計方案，應采用合適的結(jié)合方法，才能獲得理想的初步設計方案。常用的結(jié)合方法有系統(tǒng)結(jié)合法和數(shù)學方法結(jié)合法。 5）對初步設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計方案，應對這些方案進行評價與篩選，找到較優(yōu)的方案。,1.5 機械制造裝備設計方法,技術設計階段 　技術設計階段是將方案設計階段擬定的初步設計方案具體化，確定結(jié)構(gòu)原理方案；進行總體技術方案設計，確定主要技術參數(shù)，布局；進行結(jié)構(gòu)設計，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計；通過技術經(jīng)濟分析選擇較優(yōu)的設計方案。,1.5 機械制造裝備設計方法,工藝設計階段 　工藝設計階段主要進行零件工作圖設計，完善部件裝配圖和總裝配圖，進行商品化設計，編制各類技術文檔等。,1.5 機械制造裝備設計方法,系列化設計 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)品設計，是產(chǎn)品設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)品設計工作要點,,1）合理選擇與設計基型產(chǎn)品 基型產(chǎn)品一般選擇系列產(chǎn)品中應用最廣泛的中檔產(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 機械制造裝備設計方法,,3）采用相似設計方法 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。因此可采用相似設計方法，進一步提高設計效率與質(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 機械制造裝備設計方法,模塊化設計,模塊化設計特點,提高設計效率， 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) 較復雜，加工要求高； 結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，難于 保證外觀的美觀與勻稱,1.5 機械制造裝備設計方法,1.5 機械制造裝備設計方法,模塊化設計方式,,1）橫系列模塊化設計 在基型產(chǎn)品模塊化結(jié)構(gòu)的基礎上，通過更換或添加功能模塊，擴大產(chǎn)品的功能和適應性，這種設計方法應用最廣 2）縱系列模塊化設計 一般在基型產(chǎn)品橫系列模塊系統(tǒng)基礎上，保持產(chǎn)品功能與原理方案基本相同，采用相似設計方法，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計，常見的有跨系列基礎件模塊、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，是從滿足技術功能的角度來劃分和定義的，是方案設計中應用的一種概念模塊。 根據(jù)功能模塊的作用，可分為基礎功能模塊、輔助功能模塊、特殊功能模塊、適應功能模塊以及非模塊化功能模塊。,1.5 機械制造裝備設計方法,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 機械制造裝備設計方法,現(xiàn)代設計方法特點,,,,,①計算機化,采用計算機輔助設計技術，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,②綜合化,⑥程式化與并行化,⑤模型化,④最優(yōu)化,③系統(tǒng)化,綜合應用信息論、優(yōu)化論、相似論、模糊論、可靠性理論等自然科學理論和價值工程、決策論、預測學等社會科學理論,,設計工作中用系統(tǒng)觀點進行全方位設計，避免了傳統(tǒng)設計工作中局部地、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，建立各種設計模型，特別是數(shù)學模型，應用計算機進行分析求解。,,將設計過程劃分成不同的階段，在不同階段建立不同的設計模型，采用不同的設計方法；利用計算機網(wǎng)絡通訊和信息共享能力，采用并行工程方法。,,Thank You !,本章結(jié)束！,