1.1 机械的一般设计程序及要求
一部机器的质量基本上决定于设计质量.制造过程对机器质量所起的作用,本质上就在于实现设计时所规定的质量.因此,机器的设计阶段是决定机器好坏的关键.
1.1.1机器的基本组成部分
原动部分是驱动整个机器以完成预定功能的动力源.通常一部机器只有一个原动机,复杂的机器也可能有好几个动力源.一般说来,它们都是把其它形形式的能量转换为可以利用的机械能.
原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态,输出一定的转矩.在少数情况下也有用直线运动马达以直线运动的形式输出一定的推力或拉力.
执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分.一个机器人可以只有一个执行部分,也可以有好几个执行部分.（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）
由于机器的功能是各式各样的,所以要求的运动形式也是各式各样的.同时所要克服的阻力也会随着工作情况而异.但是原动机的运动形式和运动及动力参数是有限的,而且是确定的.这就提出暸必须把原动机的运动形式,运动及动力参数变为执行部分所需的运动形式,运动和动力参数的问题.这个任务是靠传动部分来完成的.
简单的机器就只是有上述的三个基本部分组成.随着机器的功能越来越复杂,对机器的精度要求也就越来越高,如机器只有以上的三个基本部分,使用起来就会遇到很大的困难.所以机器除了以上三个部分外,还会不同程度增加其它的部分,例如控制系统和辅助系统等.
1.1.2机器设计的四个阶段
作为一部完整的机器,它是一个复杂的系统.要提高设计质量,必须有一个科学的设计程序.虽然不可能列出一个在任何情况下都有效的唯一程序,但是,根据人们设计机器的长期经验,一部机器的设计程序基本上可以如下面的表1-1所示.
以下对各阶段加以简要说明
(一)计划阶段
在计划阶段中,应对所设计的机器的需求情况作充分的调查研究和分析.通过分析,进一步明确机器所应具备的功能,并为以后的决策提出由环境,经济,加工以及时限等各方面所确定的约束条件.在此基础上,明确地写出设计任务的全面要求及细节,最后形成设计任务书,作为本阶段的总结.
设计任务书大体上应包括:
机器的功能,经济性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使用要求,以及完成设计任务的预计期限等.此时,对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的范围,而不是准确的数字.
(二)方案设计阶段
本阶段对设计的成败起关键的作用.在这一阶段中也充分地表现出设计工作
有多个解(方案)的特点.
机器的功能分析,就是要对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求,最低要求及希望达到的要求进行综合分析.最后确定出功能参数,作为下一步设计的依据.
确定出功能参数后,即可提出可能的解决办法.寻求方案时可按原动部分,传动部分及执行部分分别进行讨论.较为常用的办法是先从执行部分开始讨论.
讨论执行部分时,首先是关于工作原理的选择问题.工作原理不同,所设计的机器就会根本不同,.特别应当强调的是,必须不断的研究和发展新的工作原理.这是设计技术发展的重要途径.
根据不同的工作原理,可以拟定多种不同的执行机构的具体方案.对于同一种工作原理,也可能有几种不同的结构方案.（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）
原动部分的方案当然也可以有多种选择.由于电力供应的普遍性和电力拖动技术的发展,现在可以说绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动部分.
传动部分的方案就更为复杂,多样暸.对于同一传动任务,可以有多种机构及不同机构的组合来完成.应此,如果用N1表示原动部分的可能方案,N2和N3分别代表传动部分和执行部分的可能方案数,则机器总体的可能方案数N为:
N=N1*N2*N3 ................ 1-1
以上就组成机器的三个主要部分讨论的.有时,还须考虑到配置辅助系统.在这里就不讨论了.
那么,在如此多的方案中,技术上可行的仅有几个.对这几个可行的方案,要从技术和经济方面进行综合评价.
评价结构方案的设计制造经济性时,可以用单位功效的成本来表示.例如单位输出功率的成本,单件产品的成本等.
进行机器评价时,还必须对机器的可靠性进行分析,把可靠性作为一项评价的指标.从可靠性的观点来看,盲目的追求复杂的结构往往是不明智的.一般地讲,系统越复杂,则系统的可靠性就越低.为了提高复杂系统的可靠性,就必须增加并联备用系统,而这不可避免的会提高机器的成本.
通过多方案的评价,最后进行决策,即确定一个据以进行下一步技术设计的原理图或机构运动简图.
(三)技术设计阶段
技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图.通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸,包括各部件之间的联接零,部件的外形及基本尺寸.
为了确定主要零件的基本尺寸,必须做以下的工作:
1.)机器的运动学设计
根据确定的结构方案,确定原动机的参数(功率,转速,线速度等).然后作运动学计算,从而确定各运动部件的运动参数(转速,速度,加速度等).
2.)机器人的动力学设计
结合各部分的结构及运动参数,计算各主要零件上所受的载荷的大小及特性.此时所求出的载荷,由于零件尚未设计出来,因而只是作用于零件上的公称(或名义)载荷.
3.)零件的工作能力设计
已知主要零件的所受的公称载荷的大小和特征,即可作零,部件的初步设计.设计所依据的工作能力准则,须参照零,部件的一般失效情况,工作特性,环境条件等合理的拟定,一般有强度,刚度,振动稳定性,寿命等准则.通过计算或模拟,即可决定零,部件的基本尺寸.
4.)部件装配草图及总装配草图的设计
根据已定出的零,部件的基本尺寸,设计出零,部件的基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图.草图上须对所有零件的外形分年及尺寸进行结构化设计.在此步骤中,需要很好的协调各零件的结构及尺寸,全面的考虑所设计的零,部件的结构工艺性,使全部零件有最合理的构形.（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）
5.)主要零件的校核
有一些零件在上述第3步中由于具体的结构未定难于进行详细的工作能力计算,只能作初步计算及设计.在绘出部件装配草图及总装配草图后,所有零件的结构及尺寸均为已知,相互邻接的零件之间的关系也为已知.只有在这个时候,才可以较为精确的定出作用在零件上的载荷,决定影响零件工作能力的各个细节因素.只有在此条件下,才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算.根据校核的结果,反复的修改零件的结构及尺寸,直到满意为止.
随着CAD/CAM/CAE技术的发展,可以使用有限元(FEM)的方法对机械设计进行优化,以使选择的结构及参数达到最佳的能力.这方面的软件有Marc,ANSYS等.通过计算机仿真仿真及分析,可以提高设计的准确度,减小设计的风险.,应当在设计中加以应用和推广.
(四)技术文件编制阶段
技术文件的种类较多,常用的有机器的设计计算说明书,使用说明书,标准件明细表等.
编制计算说明书时,应包括方案选择技术设计的全部结论性内容.
编制用户的机器说使用明书时,应向用户介绍机器的性能参数范围,使用操作方法,日常保养及简单的维修方法,备用件的目录等.
其它的技术文件,如检验合格单,外购件明细表,验收条件等,视需要与否另行编制.
在技术设计和技术文件编制阶段,计算机辅助设计(CAD)技术可以发挥重大的作用.利用计算机快速运算及大规模存储的能力,可以极大的提高计算精度,消除设计中等人为差别,从而提高设计质量及显着的加快设计进度.
1.1.3 机器设计的主要要求
设计机器的任务是在当前技术发展达到的条件下,根据生产及生活的需求提出的.不管机器的类别如何,一般说来,会对机器提出以下的基本要求.:
(一)使用功能要求
机器应具有预定的使用功能.这主要靠正确的选择机器的工作原理,正确的设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构,传动机构和原动机,以及合理的配置必要的辅助系统来实现.
(二)经济性要求
机器的经济性体现在设计,制造和使用的全过程中,设计机器时就要全面综合地进行考虑.设计制造的经济性表现为机器的成本低;使用经济性表现为高生产力,高效率,较少的消耗能源,原材料,以及低的管理和维护费用等.
提高设计和制造经济性指标的主要途径有:
1.)采用先进的现代设计方法,使设计参数最优化,达到尽可能准确的设计计算结果,保证机器足够的可靠性.尽可能多的应用CAD技术,加快设计进度,降低设计成本.
2.)最大限度的采用标准化,系列化及通用化的零,部件.零件结构尽可能采用标准化结构及尺寸.
3.)尽可能采用新技术,新工艺,新结构和新材料
4.)合理的组织设计和制造过程
5.)力求改善零件的结构工艺性,使其用料少,易加工,易装配.
提高使用经济性指标的主要途径有:
1.)合理的提高机器的机械化和自动化水平,以期提高机器的生产率.
2.)选用高效率的传动系统,尽可能的减少传动的中间环节,以期降低能源消耗.
3.)适当的采用防护(如闭式传动,表面防护等)及润滑,以延长机器的使用寿命.
4.)采用可靠的密封,减少或消除渗漏现象.
(三)劳动保护要求
劳动保护要求有两层含义:
1.)要使及机器的操作者方便和安全.因此设计时要按照人机工程学的观点尽可能减少操作手柄的数量,操作手柄及按钮等应放置在便于操作的位置,合理的规定操作时的驱动力,操作方式要符合人们的心理和习惯.同时.,设置完善的安全防护及保安装置,报警装置,显示装置等.
2.)改善操作者及机器的环境.所设计的机器应符合劳动保护法规的要求.降低机器运转时的噪音.防止有毒,有害介质的渗漏,对废水,废气和废液进行处理,根据工程美学的原则美化机器的外形及外部色彩等.（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）
(四)可靠性要求
关于可靠性的要求是在机器的组成日趋复杂的背景下发展起来的.机器可靠性的高低是用可靠度来衡量的.机器的可靠度,是指在规定的使用时间(寿命)内和预定的环境条件下机器能够正常工作的概率.机器不能正常工作,即机器由于某种故障而不能完成其预定功能叫做失效.失效和正常工作是相互独立的一对互斥事件.因此,机器失效的概率F(当然是在同一寿命和同样的工作条件下)应当为
F=1-R ............... 1-2
和机器的生产能力或额定功率一样,机器的可靠性也是机器的固有属性.机器出厂时已经存在的可靠性叫做机器的固有可靠性.它在机器的设计,制造阶段就已经确定.作为机器的用户,其使用机器的经验,维修能力和技艺都有很大的差别.考虑到用户的这些人为因素,已出厂的及其(即已具有确定的可靠性的机器)正确的完成预定功能的概率,叫做机器的使用可靠性.
(五)造型设计与人机工程
5.1造型设计
机械产品的造型设计是一门工程技术与美学艺术、人机工程等各个领域相结合的新兴学科，具有科学性、艺术性和时代性的显着特征．造型设计是按照工程技术和艺术手段的一定规律，将产品的功能、物质技术条件和艺术性通过产品的总体设计、技术设计和外观造型，以及产品制造的全过程中．随着人们物质、文化生活水平的提高，人们对产品造型美的要求越来越高．这样，造型设计就成为每个设计人员必须学习和掌握的一门新学科．它对开拓国内外市场，提高产品的竞争力，研制新产品，革新老产品，具有现实的和深远的意义．
机械产品造型设计的特点为：１）首先要满足产品的衫功能要求，并充分体现产品功能的科学性和先进性；２）要充分反映社会、科学、技术和物质文化生活的面貌，表现现代文化修养和心理素质，体现当代的民族的审美要示，具有强烈的时代性；３）产品的艺术造型具有物质功能与精神功能的双重特征，产品既具有使用价值，表现了物质功能的特征；又具有艺术的感染力，满足人们的审美要求，表现了精神功能的特征，是技术与艺术的统一；４）造型是以一定的物质材料为基础的，与材料、结构、工艺紧密相关，充分反映最新物质材料、先进的加工工艺和结构；５）造型需要研究产品的对象和环境，以保证产品对人的生理、心理、工效、安全、健美等多种因素的适应性；６）产品造型需要多专业、多任务种、多学科的配合协作，因此，构形必须简单、规整、便于加工，并符合标准化及成批生产的要求．因此，机构产品造型的主要特征，可概括为功能上的实用性，物质技术上的科学性和造型上的艺术性．
实用、经济、美观是产品设计也是造型设计的基本原则．衫是造型设计的基本要求，主要体现在性能稳定可靠，可维修性好，同时也体现在人和系统协调，使用操作方便、舒适等方面．经济是指产品的生产成本，即在造型过程中以最少的财力、人力和时间，获得最大的经济效益．美观是艺术造型反映精神功能的要求，在物质技术允许的条件下，要努力为产品塑造出反映时代的审美要求和体现社会的物质与精神文明的艺术形象．上述三个原则是办证统一的，缺一不可的．实用是首位的，美观处于从属地位，经济是前二的约束条件．只有既实用又经济，既经济又美观的产品，才具有强大的生命力和竞争力，才能取得良好的经济效益．（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）
5.2 人机工程
人机工程主要研究人与机器相互关系的规律．它所要解决的是从适合人的使用角度向设计人员提供必要的数据和要求，从而使机器、工具、环境适应人的各种活动的生理和心理要求，对提高工作效率、保障安全、维护健康起着重要作用．人机工程研究的基本总是可以归纳为：１０分析控制系统中人体的功能与系统中其它成分的联系方式，研究人体活动的准确性、速度和可靠性，并解决人机之间功能分配问题；２）研究人对于被控对象状态的情报信息的接受过程，即研究人的感觉输入；３）分析人的信息加工存储和决策的形成过程；４）研究人的操纵活动，即人的运动输出，其中心总是是人体结构及其调节机理．
在机床、汽车、仪表等机械产品造型设计中，为了取得人机的协调、操作迅速准确和理想的视觉效果，在动用美学法则来塑造产品形象时，必须考虑到人的生理、心理特点何与操作系统结合，使期符合人体功能的要求．例如在设计一个仪表柜时，在遵循排列整、均衡原则的同时，必须以操作者的手操作方便、迅速、准确为依据，以及根据人的眼睛对横向排列比纵向排列辨别能力更准确的特点等进行设计，选择操纵指示装置、仪表的合理形式与布局，并把重要的仪表放置在人的视线容易看到的醒目的部位．同时，操纵指示装置、仪表的高低位置等，要按人体结构的尺寸来决定选择范围，过高或过低都会使操作者感到不便，易于疲劳，长期使用影响健康．
(六) 环境保护和安全制度
6.1 环境保护
环境的污染，主要是工业“三废”（废气、废水、废渣）造成的．工业生产中所需的动力、热能、电能等，主要来自燃料的燃烧，燃料燃烧及炼铁设备、炼钢设备、化工设备等运行时，都产生了大量的污染特并排放放大气中．
6.2 安全制度
在产品生产过程中，妨害正常活动的事件称为事故．事故一般可分为导致生产设备破坏的设备事故和导致人体受伤害的人身事故．
人身事故是由于人和不安全物相接触而产生的，产生事故的模型见下图，一方面来处物方面的“不安全状态”，另一方面也来自人方面的“不安全行动”．把具有不安全状态的物体称为“起因物”，直接加害于人的物体称为“致害物”
产生事故模型
（１）强度、刚度不够。如起重设备的钢绳断裂或吊阗折断，拖拉机半轴断裂造成翻车事故。
（２）稳定性失控。如塔式起重机和汽车起重机等，或因起重机的运动幅度和起重量太大，或因风载等原因有可能失去稳定性，造成倾翻事故，炼钢转炉及电弧炉的动机构失控，可能发生钢水倾翻事故等。
（３）工作场所存在不安全因素。如地面太滑，光线不足，高空作业，在管道上行走等违章作业等，都可能产生事故。
（４）缺乏安全防护措施。外露的齿轮、皮带轮、链轮等传动，以及传动上突起的螺钉头等，机器的控制失灵，静止的设备突然起动，起重机超载，压力容器超压等，都会发生事故。
（５）缺乏防尘、防毒、防火、防爆措施。对于化工厂、炼油厂、氮肥厂、煤气站等设备，由于跑、冒、滴、漏、摩擦、撞击、有火花和静电积聚等，常能发生火灾和爆炸事故，锅炉和压力容器由于设计制造的缺陷，腐蚀和超载运行等，可能发生爆炸事故。
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