第二章機械制造裝備設計方法

第一節(jié)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、變型設計和組合設計等三大類型。一、創(chuàng)新設計創(chuàng)新設計是依據(jù)市場需求和發(fā)展的預測，進行產(chǎn)品結構調整，采用新的原理、技術和先進生產(chǎn)工藝，快速地開發(fā)出新一代的、具有高技術附加值的新產(chǎn)品，改善產(chǎn)品的功能、技術性能和質量，降低生產(chǎn)成本和能源消耗，提高產(chǎn)品的競爭能力，迅速占領和擴大市場。創(chuàng)新設計通常從市場調研和預測開始，明確產(chǎn)品設計任務，經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計和施工設計四個階段；還應通過新產(chǎn)品試制和試驗來驗證其技術可行性；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。這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。二、變型設計為滿足市場需求的快速變化，常常采用適應型設計和變參數(shù)型設計方法。這兩種方法都是在原有產(chǎn)品的基本工作原理和總體結構保持不變基礎上，適應型設計是通過更換或改變部分部件或結構，變參數(shù)設計則是通過改變部分尺寸和性能參數(shù)，形成所謂的變型產(chǎn)品。適應型設計和變參數(shù)型設計統(tǒng)稱為變型設計。變型設計不應無序地進行，應在原有產(chǎn)品的基礎上，按照一定的規(guī)律演變出各種不同的規(guī)格和布局，形成一個產(chǎn)品系列。作為變型設計依據(jù)的原有產(chǎn)品，通常是采用創(chuàng)新設計方法完成的，而變型產(chǎn)品的基本工作原理和主要功能結構與原有產(chǎn)品相同，在設計與制造工藝方面均已經(jīng)過關。這是變型產(chǎn)品能在較短時間內高質量地設計出符合市場需要產(chǎn)品的根本原因。三、模塊化設計模塊化設計又稱為組合設計，它是按照用戶需求，選擇適當?shù)墓δ苣K，直接拼裝成組合產(chǎn)品。這種設計首先應在一定范圍內對不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析，然后劃分并設計出一系列功能模塊，通過這些功能模塊的組合，可以構成不同類型、或相同類型但性能不同的產(chǎn)品，以滿足市場的多方面的需求。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。據(jù)不完全統(tǒng)計，機械制造裝備中有一大半屬于變型產(chǎn)品和組合產(chǎn)品，創(chuàng)新產(chǎn)品只占一小部分。盡管如此，創(chuàng)新設計的意義卻不容低估，因為只有采用創(chuàng)新設計方法，才能不斷地推出全新的產(chǎn)品，這是企業(yè)在市場競爭中獲勝的必要條件；而在變型設計中的基型產(chǎn)品與在模塊化設計中的功能模塊，則也是通過創(chuàng)新設計方法實現(xiàn)的。第二節(jié)機械制造裝備設計的方法一、機械制造裝備設計的典型步驟機械制造裝備設計的步驟隨設計類型而不同，創(chuàng)新設計的步驟最為典型。（一）產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃的任務是在市場需求分析、市場預測的基礎上，結合企業(yè)自身的實際情況，確定即將開發(fā)的新產(chǎn)品的功能和性能，并進行新產(chǎn)品開發(fā)的可行性分析，制定出設計技術任務書。產(chǎn)品規(guī)劃階段的實質就是對新產(chǎn)品開發(fā)項目的決策，它對企業(yè)的影響巨大?？陀^的需求分析、全面的調查研究和科學的市場預測是正確決策的前提和基礎，它需要綜合運用技術預測、市場學、決策論和信息學等理論和方法來解決設計中出現(xiàn)的問題。1.需求分析產(chǎn)品設計是為了滿足市場的需求，而市場的需求往往是不具體的、模糊的、潛在的，甚至是無法實現(xiàn)的。需求分析的任務就是將這些需求具體化。需求分析本身就是設計工作的一部分，它既是設計工作的開始，又要自始至終指導設計工作的進行。需求分析是一個創(chuàng)造性的過程。設計人員必須用敏銳的觀察力，及時找到和預測市場的需求，并在市場大量需求到來之前完成新產(chǎn)品的研制工作，搶先投放市場，以取得豐厚的回報。需求分析一般包括對銷售市場和原材料市場的分析，如：1）所面向的社會消費群體對產(chǎn)品功能、性能、質量及價格等方面的要求；2）現(xiàn)有類似產(chǎn)品的功能、性能、價格、市場占有情況和發(fā)展趨勢；3）競爭對手在技術、經(jīng)濟方面的優(yōu)勢和劣勢及發(fā)展趨向；4）主要原材料、配件、半成品等的供應情況、價格及發(fā)展趨勢等。2.調查研究1）市場調研——主要調查和深入了解用戶需求、產(chǎn)品、同行及供應等方面的情況及發(fā)展趨勢；2）技術調研——一般包括產(chǎn)品技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；行業(yè)技術和專業(yè)技術的發(fā)展趨勢；新技術、新材料和新工藝的應用及發(fā)展動態(tài)；競爭產(chǎn)品的技術特點分析；競爭企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)動向；環(huán)境對研制的產(chǎn)品提出的要求等；3）社會調研——一般包括企業(yè)目標市場所處的社會環(huán)境、有關的經(jīng)濟技術政策，如產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、投資動向、環(huán)境保護及安全等方面的法律、規(guī)定及標準；社會的風俗習慣；社會人員的構成情況、消費水平、消費心理及購買能力；本企業(yè)實際情況、現(xiàn)有優(yōu)勢和不足、發(fā)展動向及發(fā)展?jié)摿Φ取?.預測1）定性預測——在數(shù)據(jù)和信息缺乏時，依靠經(jīng)驗和綜合分析對未來的發(fā)展狀況作出推測和估計。采用的方法有走訪調查、抽樣調查、類比調查和專家調查等；2）定量預測——對影響預測結果的各種因素進行相關分析和篩選，根據(jù)主要影響因素和預測對象的數(shù)量關系建立數(shù)學模型，對市場發(fā)展情況作出定量預測。采用的方法有時間序列回歸法、因果關系回歸法、產(chǎn)品壽命周期法等。4.可行性分析可行性分析是指通過調查研究和預測后，對產(chǎn)品開發(fā)中的重大問題要進行充分的技術經(jīng)濟論證，判斷是否可行。可行性分析是新產(chǎn)品立項時必不可少的一項依據(jù)。可行性分析一般包括技術、經(jīng)濟和社會分析三個方面。經(jīng)過技術、經(jīng)濟和社會三個方面的分析，以及對產(chǎn)品開發(fā)的可行性研究后，應提出產(chǎn)品開發(fā)的可行性報告。在可行性報告中應明確產(chǎn)品開發(fā)的必要性，市場調研和預測情況；開發(fā)產(chǎn)品的種類、應具備的功能和質量要求；產(chǎn)品的技術水平要求、壽命周期、經(jīng)濟效益、社會效益分析及風險分析；從設計、工藝和質量等方面需要解決的關鍵問題和開發(fā)進度等。5.編制設計任務書經(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參數(shù)，編制“設計要求表”。在“設計要求表”內要列出必須達到的要求和希望達到的要求，并按照重要程度排出名次，作為對設計作出評價時確定加權系數(shù)的依據(jù)。各項要求應盡可能用數(shù)值來描述其技術指標。設計要求表設計要求應達到的要求重要程度名次類別項目及指標功能運動參數(shù)運動形式、方向、速度等力參數(shù)作用力大小、方向、載荷性質等能量功率、效率、壓力、溫度等物料產(chǎn)品物料特性信號控制要求、測量方式及要求等其他性能自動化程度、可靠性、壽命等經(jīng)濟尺寸（長、寬、高）、體積和重量的限制生產(chǎn)率、每年生產(chǎn)件數(shù)和總件數(shù)最高允許成本、運轉費用（續(xù)）設計要求應達到的要求重要程度名次類別項目及指標制造加工公差、特殊加工條件等檢驗測量和檢驗的特殊要求等裝配裝配要求、地基及安裝現(xiàn)場要求使用使用對象市場和用戶類型人機學要求操縱、控制、修配、安全等環(huán)境要求噪聲、密封、特殊要求等工業(yè)美學造型、外觀、色彩等期限設計完成日期研制開始和完成日期，試驗、出廠和交貨日期等在上述基礎上，結合本廠的技術經(jīng)濟和裝備實際情況，編制產(chǎn)品的設計任務書。設計任務書是指導產(chǎn)品設計的基礎性文件，其主要任務是對產(chǎn)品進行選型，確定最佳設計方針。在設計任務書內，應說明設計該產(chǎn)品的必要性和現(xiàn)實意義，產(chǎn)品的用途描述、設計所需要的全部重要數(shù)據(jù)、總體布局和結構特征、應滿足的要求、條件和限制等。這些要求、條件和限制來源于市場、環(huán)境、法律法規(guī)及有關標準，以及制造廠自身的實際情況，是產(chǎn)品設計、評價和決策的依據(jù)。（二）方案設計階段方案設計實質上是根據(jù)設計任務書的要求，進行產(chǎn)品的功能原理分析和設計，這是產(chǎn)品設計的一項重要內容。產(chǎn)品設計方案的優(yōu)劣將對產(chǎn)品的結構、性能、工藝和成本有著很大的影響，對產(chǎn)品在市場上的競爭力的提高關系極大。方案設計是個創(chuàng)造性的設計過程，要求充分發(fā)揮人的創(chuàng)造思維能力，綜合運用與設計方法學相關的學科包括系統(tǒng)工程學、圖論、創(chuàng)造學、思維心理學、決策論等理論和方法，利用功能分析法將系統(tǒng)總功能分解為功能元（子功能），在多個系統(tǒng)原理解中通過評價、優(yōu)化和篩選，求出較好的最佳原理解。功能分析法

1）總功能分析總功能分析的目的是研究確定待定系統(tǒng)的功能。為避免限制思路，只研究功能（即待求系統(tǒng)要干什么），不涉及實現(xiàn)功能的方法（即如何干）。分析系統(tǒng)的總功能常采用“黑箱法”。將待求系統(tǒng)看成一個黑箱，通過分析黑箱的輸入輸出量（能量、物料、信息），就可以確定系統(tǒng)的總功能。

2）功能分解一般的工程系統(tǒng)都比較復雜，難于直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解。所以要對總功能進行分解，將其分解為較簡單的功能元。功能元是能直接求解的功能單元。一般不能將總功能直接分解為功能元，要有二級功能、三級功能（即分功能）等。各種級別功能之間的關系可用功能樹（或功能結構圖）表示，樹根、樹枝和樹葉分別表示總功能、分功能和功能元（子功能）。

3）功能元求解功能元求解的目的是確定實現(xiàn)各個功能元的局部解。求解方法有兩種：一種是采用創(chuàng)造性方法求解；二是采用列目錄的方式，將各種可能的解都列出來，甚至包括那些認為并不可行的解。然后將各種功能元和相關的所有解排列成矩陣表，此表稱為解法目錄。4）求系統(tǒng)原理解將各個功能元（子功能）的解合理組合，可以得到多個系統(tǒng)原理解。5）求最佳原理解先去除那些功能元解之間不相融、與設計要求不符的方案，然后定性選幾個比較滿意的方案，再對篩選出的方案進行定量評價，最后得出符合設計要求的最佳方案。

功能分析法的優(yōu)點是設計步驟明確，規(guī)律性強，有利于計算機進行輔助設計，有利于提高設計質量和效率?！蠢涤霉δ芊治龇ㄔO計——挖掘機的方案。（1）總功能分析——系統(tǒng)的總功能為實現(xiàn)挖掘；（2）功能分解——將總功能分解為功能元；a.動力系統(tǒng)；b.傳動系統(tǒng)；c.執(zhí)行系統(tǒng)；d.操縱與控制系統(tǒng)；e.行走系統(tǒng)；f.轉向系統(tǒng)；還有制動、潤滑、計數(shù)等系統(tǒng)。（3）功能元求解——求出各功能元局部解，列出解法目錄；（4）由解法目錄可得到多個系統(tǒng)原理解；（5）最后得出一個最佳原理解。解法目錄解號功能元12345動力裝置電動機液壓馬達氣動馬達內燃機汽輪機傳動裝置皮帶傳動鏈傳動齒輪傳動蝸桿蝸輪齒輪齒條執(zhí)行裝置鉗式爪抓斗鏟式爪挖斗行走裝置車輪履帶氣墊轉向裝置循環(huán)球式齒輪齒條蝸桿曲柄轉閥式（三）技術設計階段

技術設計是將功能原理方案具體化為機器或零部件的合理結構，主要包括總體設計、結構設計以及模型試驗等。1.總體設計總體設計包括確定主要結構參數(shù)，各部件的總體布局，相對運動配合關系設計，總體聯(lián)系尺寸，人機環(huán)境的合理關系等內容。2.結構設計結構設計包括對結構原理方案結構的確定，產(chǎn)品總裝配圖、部件裝配圖的繪制，加工和裝配說明書的編寫等內容。3.模型試驗模型試驗的目的是檢查產(chǎn)品的功能及零部件的強度、剛度、運動精度、振動穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，并提出改進建議。模型試驗可采用實物試驗，也可采用模擬試驗和計算機仿真試驗的方式。（四）施工設計階段施工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設計，進行商品化設計，編制各類技術文檔等。