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机械设计 全过程

发布时间:2017/10/23

  机械设计全过程
  1.形成设计构想和完 善整体策略
  机 械设计的过程往往是从整体到局部细化的过 程。所谓整体,就是 指一个总的全局 观。比如拿到某个 课题(设计某样功能的机器),首先要在头 脑里形成一个总体的 模糊性的设计概念(这时要考虑 的是一些全局性因素)。比 如要考虑客户要加工的料的材 质(各项物理性能、硬度、强度、屈服点、耐磨性、韧性、比热、密度等),形状(板材还是型材还是铸件锻件),再比如要考虑你所将设计的机床的大体尺寸,总高,总长,总宽(考虑到 实际车辆和道路运输情况再决定 该机是散 装运输还是整机运 输)。
  在考虑这些大致方 向性的基 础要素的同时也要 同时考虑初 步的机床功能实现方式。也就是采取何种工艺或方法来成型, 就目前的成型方式来说可分不去除材料的方式和去除材料的方式以 及增加材料的方式。
  不去除材料 的方 式有:铸造、锻造、挤压、冷轧、折弯、滚压、卷圆、弯管、旋压。
  去 除材料的 方式有:车削、铣削、钻削、刨削、磨削、拉削、锯削、插削、冲压、裁剪、激光切割、水切割、火焰切割、等离子切割、火花电蚀。
  增加材 料的方式有:焊接、分层轮廓加工(3D打印机)
   在如此多的成型方 式里借鉴和确定某一种最合适的 成型方式作 为所要设计的机床的最基 础理论架构。
  2.确定机床初步结构 方式
   基于上述内容 确定一个初步的机床结构布置性方案。比如客户 提供的要由你所设计的机器 加工的料是类似工字钢一类的较长型材,此时要综合 考虑在机床加工时客户上料以及下料的便捷性、安全性等因素,同 时考虑客户是单条加工还是 成捆多条同时加工。在此状况下我们可能就会倾向于确定大概设计 思路是 在加工时候 采取被加工件固定(静止)而采取刀具以及刀具总 成移动的初步 策略(类如激光切割机)。
  当然,结合 实际情况 也可以采取工作台(物料)移动形式(类如龙门铣床)。有 了 个大致性的初步策略后,再接 着就要考虑机床的生产 效 率和精度要求。
  对于此两项要求肯定是要结合设备造价来确定。例如是否采用多工位结构,是否采用多机头结 构,是否需要加快 各部位工进或快进的速 度, 速度 高了对于驱动的功率 要 求就大了,又要 考虑速度高了 机构惯性大了,定位精度下降了,若采用大功率大惯量的电机就直接 意味着成本的上升。 此时也要 兼顾机床整体的刚性以 及重心问题或考虑必要的结构共振 频率问题。同时还要兼顾人体工程学要求,对于操作位或某些需要经常调整和操作的位置 要考虑正常人 操作时的 便利性。
  3.确定各部件或总成的结构形式和 功能
  在确定了机床成型 方式 和整体初步结构后就要 对各部位进行初步规划,这时要比较清晰和明了 各部位的功能以及确定采用何种机构来实现这些部位的功 能。做这些规 划 的前提的前提就是要 先考虑这个组件或部件的安装和拆 卸问题。比如 对于易损件或耗材或对于一些需要经常 调校的装 置和机构就要求 考虑合 理的拆装和维修时的 便 利性。比如要更换一条三角 皮带,则要对该机进行杀牛剥皮式 的拆卸和更 换那就不能算是一个好的 设计。
  例如当我们确定 采用常用的直线进 给机构 时所要考虑的问题有如下 方面:结合实际的效率和精 度需求明确某种实 现形式,常用的 当然有导轨加丝杠这种 形式,至 于是采用 滑动摩擦 丝杠还是滚动摩擦的丝 杠则要根据实际情况确定。传动效率、定位精度、动态响应性、负载情况、速度特性、螺纹升角、 丝杠所能承受的 轴向载荷、导程、造价成 本 等因素都要综合考虑。再比 如间歇运动机构,在电机控制技术还没完善 前,要实现此类机构那真是花样 繁多(槽轮形式,不完全齿轮形式)。
   个人认为做机 械设计难 的是如何把复杂 问 题简单化,对于那些挖空心思搞 些 精妙复杂的机构,例如圆柱、圆盘凸轮机构、 诡异莫测的空间机构、 变化无穷的四杆机构、 以及一些 考验加 工制 造人员的不完全齿轮机构和异形齿轮机 构等等。
  对于刻意要弄些让一般人玩 不转的,弄不清 状况的设计,我不表示赞成。当然前提条件是我们完全 可以采用一维线性运动或二维平面插补或三轴联动来解决的情况。采用伺服电 机和直线滚动摩擦性质驱动 和导向装置能完美解决那些需要 间歇的,加速的,行程放大的,特殊运动 曲线的功能 要求下为何还要去弄那些复 杂的,且制造困难的,不通用的,让维修和装配人员眼花缭乱,莫名其妙的 且还大都是 些滑 动摩擦关系的机构呢?也许有人会说,一组二维平面直线 插补 的运动 平 台抹杀了多少前人 留下的那些可以真正称谓为机械设计精华的机构。
  对于此,类举个很有讽刺意味 的笑话:某 新兵进 行野外生存训练,饿着肚子搓了好几个小时的木头,还是没能 像祖先一样实现钻木 取火,筋疲力竭之余摸出打火机和香 烟,先坐石 头上抽根烟,缓口气,继续琢磨这钻木 取火的技巧......当然,对于一些必须的和必要的机构还是无法完全采用现代快 餐式的设计 文化来 填补和实现。比如应用 偏心装置 得到振动特性或夹具 上的快速锁紧 装置,或者是要利用超越离合器得到反 转失效等 工况。
  4.零件设计
  第一,考虑该零件的制造批量。 若是大批量 制造某个零件时要充分考虑机床夹具 所用 的定位基准,工艺孔等“多余”的因素。
  第二,考虑该 零件的成 型方式的特点。比 如某高速旋转的盘类零件,当采用铸造 成型时, 因不可避免地会存在组织疏松或气孔等缺陷,而 这 类工艺特征不进 行 后期动平衡处理必然 会导 致在 高速运转状态下产生过大的离心力,间接地会出现 轴承发 热,异响,寿命短等现象。再比如 对于中碳钢或高碳钢原材料进行 气割下 料来获取零件毛坯时很容易出现切割处“被”淬火现象。
  第三,考虑该零件的原材特性。比如一片状薄板类 零件, 我们首先想到采用 铁板取 料,当然取料的方式可以是激光 切割、水切割、火焰切割、甚至线切割、或是冲压。这就要结合该 零件的最佳经济效益来决定。当然不管 是针对板 材还是线 材, 不管是采用锯切 下料还是火焰或激光或 水切,都要注 意排料问题。(追求材料最大利用率)
  第四,考虑该零件的加工夹 具。对于 单件小批量制造应在设计时尽量避免一些在通用机床 上无法加工,必须得 用专用夹具来进行生产加工的情况。
  第五,考虑制造该零件的刀具。 在设计零件 时要充分考虑在市场上可购买到的且适合自身 机床装夹和使 用的刀 具。尽量避免 定制非标 刀具。这个部分就要求略知一些刀具的 国家标准。比如你在零件上设计了 一个孔,且 这个孔是 有比较高的 圆柱度和光洁度要求。 一般我们对 于孔 的 工艺是钻孔或车孔—铰孔或镗孔—或内圆磨。但 你这个孔 的直径值若是选得不接 近刀具第一系列或 第二系列时,在标准 刀具市场买 不到对应的钻头铰刀一类 刀具情况下就会变得非 常麻烦。
  第六,考虑加工这个零件的机床的加 工范围。机床都有固定的加工能力 范围参数。比如C6132表示卧式车床可以实现最大零件回转直径是320。M7130*1000代 表卧轴矩台平面磨床可一次装夹磨削宽度是300,长度是1000的平面。所以,在设计零件时就要结合这些 机 床参数 考虑加工母机 的可夹持或可加工性。
  第七,考虑量具。 零件制造完成了要求能 应用通用的检具,量具来进行测量。比如设计一组圆锥配合,你 不选标准莫氏系列 或常用的类似7:24锥度或1:50等这些锥度,而非要弄个7:23或1:47等锥度的话,那就 在标准 量 具市场买不到通用的标准锥棒和锥套。当然若是 采用 二次元投影检测或三坐标检测的零件则不在 此情 况约束范畴内。
  第八,考虑热处理要 求。对于一些刚入行的 朋友来说,在处理一些需要高耐磨性或需要良好的综合力学性能的零件时候,其 图纸上往往会出现这 样的 技术要 求,材料Q235—淬火后硬度达到HRC60,且 要保证淬透性和硬度均 匀。材料45#钢—调质后达58HRC。对于此类现象, 只 能建议您再去 多翻翻金属材料 与热处理的知 识。
  5.工程图纸的相关问题
  结合国内众多的“山寨”小作坊式的工厂的实际 情况,设计图纸的规范化和标准化是个比较矛盾的问题。按正常的,规范的,严谨的,科学的 方法和方式来说,一个生产 机械设备工 厂的技 术 部门,本应当具备专 职的绘图 人员,图纸审核人员,工艺规划人员,工装 夹具 制作人员,以及专 职的电气 工程师,液压气动工程师或程序 员。而在“小农意识”的领导下经过浓缩再压缩处理后往往会精 简到一两个人的状况。且此一两个人要在完成上述各职位工 作 的同时 可能还要出具设备使用说明书, 产品样本的更新编排,投标文件的编制等等一些技 术人员的“活”。
  在此,只讨论基于上述一人多能的状况下 的图纸实用性 的相关问题。(所述可能不适用在具备明确分工,各司其责的规 范化公司做事的 朋友。)
  第一,做为设计人员,在保持谦虚好学的同时更要具备自我主见和独立判断能力。这情况相信很多朋友 都有深刻体会,老板是这么说,车间主任那样说,生产经理又有个另外的想法,客户还会提个“合理”的要求。处理不好这些纷至沓来的意见或建议时,图纸文件包名 字将会从设 计1版逐渐变到设计11版......对于此,咱们 设计人员若是处理不好,往往会形成思维惯性和依赖 性。久而久之我们就会进 入一个永远挣扎不出的死循环里。老板,车间主任,生产经理总觉得你这人纯粹就是 腰上别只死 耗子—冒充打猎的。而你更觉得没了设计自 由,觉得 和 这些泥腿子扯淡完 全是夏 虫不 可语冰,被约束,被束缚太多,完全被禁锢 在指指戳戳和 无数的马后炮中。
  第二,对于图纸要素要做到知其然亦知其所以然。很多 新手 出具 的图纸往往都“干干净净”异常“整洁”,没有粗糙度标记,没有形状和位置公差要求, 没有备注的技术要求,所有的线条粗细都是一致,尺寸缺失,尺寸多余,尺寸链封闭,图纸上体现不出加工和测量的基准,N多虚线图素等等状况。入行一段 时间后,略有体会了,结果可能又出现图纸所标注的尺寸公差以及形状和位置公差要求让人一看就半 身不遂,再一看直接瘫 痪的状况。
  举个简单的例子,当你设计一条轴时(轴承中间布置的情 况),我们要明白这条轴在最后磨削处理时的加工基准是 两轴端的中心孔,而我们装配后用百分表检测其某段轴段的跳动情况时的测量基准却是基于中间的轴承位A和轴承位B之间的中心轴线,所以,你觉得在图纸上 标注其任意轴段 跳动公差时的测量基准是能任意标注么? 再 例如当你设计的类似法兰连接的两个零件不能实现理想的对接时,请不 要 第一 时间去质问加工 或工艺安排人员的过失。你应该拿起你出具的图纸仔细看一看,是不是没有了装配止口 了?是不是缺失了“配作”这样的技术要求了?是 不是缺失了 螺孔位置度要求了?
  6.设计的灵魂—计算、校核
  我认为咱机械 设 计所包含的计算 可以 大 致 分为如下几类:
  (1)支持PLC或 数控系统或运动 控制卡等这一类东西所需要的程序逻辑算法。举个简单的例子就是比 如解决一只N轴联动的机械手的算 法问题。需要考 虑当臂关节平面移动,臂关节转动,肘关节平面移动,肘关节转动,腕关节转动,指关节摆动。等一切运动所遵循的运动轨迹方程。(这类计算可归类是 纯数学计算的性质,物理性东西 不牵涉。)
  (2) 紧密联系物理现象的计算。比如静力学、材料力学、弹性力学、流体力学。
  当设计某个零件时, 首先要考虑这个零件所要承担或完成 什么任 务,再 结合 这些任务去确定这个零件 的形状, 确定形状和所需要满足 的运动关 系 尺寸后再去针对这个零件 的受力状态和受力性质以及材质同时考虑转速/热变形/以及设计寿命等 等 诸多因素 后到最后才能下手 去 确定各 个部位的形状和位置尺寸。
  (3)对于零件或 部件加 工或组装时候的工 时以及各项工艺参数 的计算。就比如制造某款设备,铁板下料部分需 要进行铁板排料的计算。金 加 工部分对于不同的加工 性质有不同 的加工参 数的计算以及不同的 加工方法排 列的计 算,以及在这样 的工艺参数下各个步骤所 需要 的加工时间的计算。
   我最近在弄的 一款设备(数控全自动 锯片磨 齿 机)的计算书,光是解决锯片的转角/转速和砂 轮的 位移 量及变化率的函数关系推导部分就有十 几页A4纸内容(这个就属于第一类的计算性质)。之前弄过的 像某型设备工作台不同载荷性质下的 承载能力的计算和 某弹 性 体共振频率的确定等都属第二类性质的计算。当然 第三类性质计算严格说可 以归纳为工艺范畴。
  好比是练武一般,如 果没有内功的修习,就算是外家招式练得 再刚猛,也永远达不到宗师级的境 界。所以一个所谓的真正的机械 设计师肯定是内外兼修的。那咱们那些缺少逻辑思维的机械 设计同行怎么办 呢?对,逆向!就是从后往前看。 现在的软 件技术以及 传 感技术这么发达,很多时候我们可 以避开那类繁杂的 计算和验算的步骤。举个简单例子,比如想 知道不同转速下某条输出轴的输出 扭距情况。 直 接拿个测扭仪连接在该输出轴上针对各个转速读 取就行。那什么 电机的功 率因素,传动 部件间的摩擦,不同传动部件间由于不同的质量和速度引起的加速度啥的咱都给考虑 完整了,这样读 取的数 值将会 比从前往 后看模式下进行 计算而得到的数据更为精确,有效。
  当然,前提条件是那些基本的物性概念咱是要知道和明了的。关于CAE分析问题,我也曾有尝试和接触。因为总感觉CAE分析对于材料物性 数据的准确性以 及网 格划分和建模的规范性甚是 敏感,更主要的是约束和载荷布置的合理性等等影响最终计 算结果的不确定性因素太多,且又 无法去 进行 理论和实践的有效验证,又限于工作节奏和自身领悟能力等原因一直未能对此深究,故不做论述。