1.1  機械的一般設計程序及要求

一部機器的質量基本上決定于設計質量.制造過程對機器質量所起的作用,本質上就在于實現設計時所規定的質量.因此,機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵.

1.1.1機器的基本組成部分

原動部分是驅動整個機器以完成預定功能的動力源.通常一部機器只有一個原動機,復雜的機器也可能有好幾個動力源.一般說來,它們都是把其它形形式的能量轉換為可以利用的機械能.

原動機的動力輸出絕大多數呈旋轉運動的狀態,輸出一定的轉矩.在少數情況下也有用直線運動馬達以直線運動的形式輸出一定的推力或拉力.

執行部分是用來完成機器預定功能的組成部分.一個機器人可以只有一個執行部分,也可以有好幾個執行部分.（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

由于機器的功能是各式各樣的,所以要求的運動形式也是各式各樣的.同時所要克服的阻力也會隨著工作情況而異.但是原動機的運動形式和運動及動力參數是有限的,而且是確定的.這就提出暸必須把原動機的運動形式,運動及動力參數變為執行部分所需的運動形式,運動和動力參數的問題.這個任務是靠傳動部分來完成的.

簡單的機器就只是有上述的三個基本部分組成.隨著機器的功能越來越復雜,對機器的精度要求也就越來越高,如機器只有以上的三個基本部分,使用起來就會遇到很大的困難.所以機器除了以上三個部分外,還會不同程度增加其它的部分,例如控制系統和輔助系統等.

1.1.2機器設計的四個階段

作為一部完整的機器,它是一個復雜的系統.要提高設計質量,必須有一個科學的設計程序.雖然不可能列出一個在任何情況下都有效的唯一程序,但是,根據人們設計機器的長期經驗,一部機器的設計程序基本上可以如下面的表1-1所示.

表1-1設計機器的一般程序

以下對各階段加以簡要說明

(一)計劃階段

在計劃階段中,應對所設計的機器的需求情況作充分的調查研究和分析.通過分析,進一步明確機器所應具備的功能,并為以后的決策提出由環境\,經濟,加工以及時限等各方面所確定的約束條件.在此基礎上,明確地寫出設計任務的全面要求及細節,最后形成設計任務書,作為本階段的總結.

設計任務書大體上應包括:

機器的功能,經濟性的估計,制造要求方面的大致估計,基本使用要求,以及完成設計任務的預計期限等.此時,對這些要求及條件一般也只能給出一個合理的范圍,而不是準確的數字.

(二)方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用.在這一階段中也充分地表現出設計工作

有多個解(方案)的特點.

機器的功能分析,就是要對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求,最低要求及希望達到的要求進行綜合分析.最后確定出功能參數,作為下一步設計的依據.

確定出功能參數后,即可提出可能的解決辦法.尋求方案時可按原動部分,傳動部分及執行部分分別進行討論.較為常用的辦法是先從執行部分開始討論.

討論\執行部分時,首先是關于工作原理的選擇問題.工作原理不同,所設計的機器就會根本不同,.特別應當強調的是,必須不斷的研究和發展新的工作原理.這是設計技術發展的重要途徑.

根據不同的工作原理,可以擬定多種不同的執行機構的具體方案.對于同一種工作原理,也可能有幾種不同的結構方案.（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

原動部分的方案當然也可以有多種選擇.由于電力供應的普遍性和電力拖動技術的發展,現在可以說絕大多數的固定機械都優先選擇電動機作為原動部分.

傳動部分的方案就更為復雜,多樣暸.對于同一傳動任務,可以有多種機構及不同機構的組合來完成.應此,如果用N1表示原動部分的可能方案,N2和N3分別代表傳動部分和執行部分的可能方案數,則機器總體的可能方案數N為:

     N=N1*N2*N3  ................ 1-1

以上就組成機器的三個主要部分討論的.有時,還須考慮到配置輔助系統.在這里就不討論了.

那么,在如此多的方案中,技術上可行的僅有幾個.對這幾個可行的方案,要從技術和經濟方面進行綜合評價.

評價結構方案的設計制造經濟性時,可以用單位功效的成本來表示.例如單位\輸出功率的成本,單件產品的成本等.

進行機器評價時,還必須對機器的可靠性進行分析,把可靠性作為一項評價的指標.從可靠性的觀點來看,盲目的追求復雜的結構往往是不明智的.一般地講,系統越復雜,則系統的可靠性就越低.為了提高復雜系統的可靠性,就必須增加并聯備用系統,而這不可避免的會提高機器的成本.

通過多方案的評價,最后進行決策,即確定一個據以進行下一步技術設計的原理圖或機構運動簡圖.

(三)技術設計階段

技術設計階段的目標是產生總裝配草圖及部件裝配草圖.通過草圖設計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸,包括各部件之間的聯接零,部件的外形及基本尺寸.

為了確定主要零件的基本尺寸,必須做以下的工作:

1.)機器的運動學設計

根據確定的結構方案,確定原動機的參數(功率,轉速,線速度等).然后作運動學計算,從而確定各運動部件的運動參數(轉速,速度,加速度等).

2.)機器人的動力學設計

結合各部分的結構及運動參數,計算各主要零件上所受的載荷的大小及特性.此時所求出的載荷,由于零件尚未設計出來,因而只是作用于零件上的公稱(或名義)載荷.

3.)零件的工作能力設計

已知主要零件的所受的公稱載荷的大小和特征,即可作零,部件的初步設計.設計所依據的工作能力準則,須參照零,部件的一般失效情況,工作特性,環境條件等合理的擬定,一般有強度,剛度,振動穩定性,壽命等準則.通過計算或模擬,即可決定零,部件的基本尺寸.

4.)部件裝配草圖及總裝配草圖的設計

根據已定出的零,部件的基本尺寸,設計出零,部件的基本尺寸,設計出部件裝配草圖及總裝配草圖.草圖上須對所有零件的外形分年及尺寸進行結構化設計.在此步驟中,需要很好的協調各零件的結構及尺寸,全面的考慮所設計的零,部件的結構工藝性,使全部零件有最合理的構形.（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

5.)主要零件的校核

有一些零件在上述第3步中由于具體的結構未定難于進行詳細的工作能力計算,只能作初步計算及設計.在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖后,所有零件的結構及尺寸均為已知,相互鄰接的零件之間的關系也為已知.只有在這個時候,才可以較為精確的定出作用在零件上的載荷,決定影響零件工作能力的各個細節因素.只有在此條件下,才有可能并且必須對一些重要的或者外形及受力情況復雜的零件進行精確的校核計算.根據校核的結果,反復的修改零件的結構及尺寸,直到滿意為止.

隨著CAD/CAM/CAE技術的發展,可以使用有限元(FEM)的方法對機械設計進行優化,以使選擇的結構及參數達到最佳的能力.這方面的軟件有Marc,ANSYS等.通過計算機仿真仿真及分析,可以提高設計的準確度,減小設計的風險.,應當在設計中加以應用和推廣.

(四)技術文件編制階段

技術文件的種類較多,常用的有機器的設計計算說明書,使用說明書,標準件明細表等.

編制計算說明書時,應包括方案選擇技術設計的全部結論性內容.

編制用戶的機器說使用明書時,應向用戶介紹機器的性能參數范圍,使用操作方法,日常保養及簡單的維修方法,備用件的目錄等.

其它的技術文件,如檢驗合格單,外購件明細表,驗收條件等,視需要與否另行編制.

在技術設計和技術文件編制階段,計算機輔助設計(CAD)技術可以發揮重大的作用.利用計算機快速運算及大規模存儲的能力,可以極大的提高計算精度,消除設計中等人為差別,從而提高設計質量及顯著的加快設計進度.

1.1.3 機器設計的主要要求

設計機器的任務是在當前技術發展達到的條件下,根據生產及生活的需求提出的.不管機器的類別如何,一般說來,會對機器提出以下的基本要求.:

(一)使用功能要求

機器應具有預定的使用功能.這主要靠正確的選擇機器的工作原理,正確的設計或選用能夠全面實現功能要求的執行機構,傳動機構和原動機,以及合理的配置必要的輔助系統來實現.

(二)經濟性要求

機器的經濟性體現在設計,制造和使用的全過程中,設計機器時就要全面綜合地進行考慮.設計制造的經濟性表現為機器的成本低;使用經濟性表現為高生產力,高效率,較少的消耗能源,原材料,以及低的管理和維護費用等.

提高設計和制造經濟性指標的主要途徑有:

1.)采用先進的現代設計方法,使設計參數最優化,達到盡可能準確的設計計算結果,保證機器足夠的可靠性.盡可能多的應用CAD技術,加快設計進度,降低設計成本.

2.)最大限度的采用標準化,系列化及通用化的零,部件.零件結構盡可能采用標準化結構及尺寸.

3.)盡可能采用新技術,新工藝,新結構和新材料

4.)合理的組織設計和制造過程

5.)力求改善零件的結構工藝性,使其用料少,易加工,易裝配.

提高使用經濟性指標的主要途徑有:

1.)合理的提高機器的機械化和自動化水平,以期提高機器的生產率.

2.)選用高效率的傳動系統,盡可能的減少傳動的中間環節,以期降低能源消耗.

3.)適當的采用防護(如閉式傳動,表面防護等)及潤滑,以延長機器的使用壽命.

4.)采用可靠的密封,減少或消除滲漏現象.

(三)勞動保護要求

勞動保護要求有兩層含義:

1.)要使及機器的操作者方便和安全.因此設計時要按照人機工程學的觀點盡可能減少操作手柄的數量,操作手柄及按鈕等應放置在便于操作的位置,合理的規定操作時的驅動力,操作方式要符合人們的心理和習慣.同時.,設置完善的安全防護及保安裝置,報警裝置,顯示裝置等.

2.)改善操作者及機器的環境.所設計的機器應符合勞動保護法規的要求.降低機器運轉時的噪音.防止有毒,有害介質的滲漏,對廢水,廢氣和廢液進行處理,根據工程美學的原則美化機器的外形及外部色彩等.（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

(四)可靠性要求

   關于可靠性的要求是在機器的組成日趨復雜的背景下發展起來的.機器可靠性的高低是用可靠度來衡量的.機器的可靠度,是指在規定的使用時間(壽命)內和預定的環境條件下機器能夠正常工作的概率.機器不能正常工作,即機器由于某種故障而不能完成其預定功能叫做失效.失效和正常工作是相互獨立的一對互斥事件.因此,機器失效的概率F(當然是在同一壽命和同樣的工作條件下)應當為

          F=1-R  ...............  1-2

和機器的生產能力或額定功率一樣,機器的可靠性也是機器的固有屬性.機器出廠時已經存在的可靠性叫做機器的固有可靠性.它在機器的設計,制造階段就已經確定.作為機器的用戶,其使用機器的經驗,維修能力和技藝都有很大的差別.考慮到用戶的這些人為因素,已出廠的及其(即已具有確定的可靠性的機器)正確的完成預定功能的概率,叫做機器的使用可靠性.

(五)造型設計與人機工程

5.1造型設計

機械產品的造型設計是一門工程技術與美學藝術、人機工程等各個領域相結合的新興學科，具有科學性、藝術性和時代性的顯著特征．造型設計是按照工程技術和藝術手段的一定規律，將產品的功能、物質技術條件和藝術性通過產品的總體設計、技術設計和外觀造型，以及產品制造的全過程中．隨著人們物質、文化生活水平的提高，人們對產品造型美的要求越來越高．這樣，造型設計就成為每個設計人員必須學習和掌握的一門新學科．它對開拓國內外市場，提高產品的競爭力，研制新產品，革新老產品，具有現實的和深遠的意義．

機械產品造型設計的特點為：１）首先要滿足產品的衫功能要求，并充分體現產品功能的科學性和先進性；２）要充分反映社會、科學、技術和物質文化生活的面貌，表現現代文化修養和心理素質，體現當代的民族的審美要示，具有強烈的時代性；３）產品的藝術造型具有物質功能與精神功能的雙重特征，產品既具有使用價值，表現了物質功能的特征；又具有藝術的感染力，滿足人們的審美要求，表現了精神功能的特征，是技術與藝術的統一；４）造型是以一定的物質材料為基礎的，與材料、結構、工藝緊密相關，充分反映最新物質材料、先進的加工工藝和結構；５）造型需要研究產品的對象和環境，以保證產品對人的生理、心理、工效、安全、健美等多種因素的適應性；６）產品造型需要多專業、多任務種、多學科的配合協作，因此，構形必須簡單、規整、便于加工，并符合標準化及成批生產的要求．因此，機構產品造型的主要特征，可概括為功能上的實用性，物質技術上的科學性和造型上的藝術性．

實用、經濟、美觀是產品設計也是造型設計的基本原則．衫是造型設計的基本要求，主要體現在性能穩定可靠，可維修性好，同時也體現在人和系統協調，使用操作方便、舒適等方面．經濟是指產品的生產成本，即在造型過程中以最少的財力、人力和時間，獲得最大的經濟效益．美觀是藝術造型反映精神功能的要求，在物質技術允許的條件下，要努力為產品塑造出反映時代的審美要求和體現社會的物質與精神文明的藝術形象．上述三個原則是辦 證統一的，缺一不可的．實用是首位的，美觀處于從屬地位，經濟是前二的約束條件．只有既實用又經濟，既經濟又美觀的產品，才具有強大的生命力和競爭力，才能取得良好的經濟效益．（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

　5.2  人機工程

人機工程主要研究人與機器相互關系的規律．它所要解決的是從適合人的使用角度向設計人員提供必要的數據和要求，從而使機器、工具、環境適應人的各種活動的生理和心理要求，對提高工作效率、保障安全、維護健康起著重要作用．人機工程研究的基本總是可以歸納為：１０分析控制系統中人體的功能與系統中其它成分的聯系方式，研究人體活動的準確性、速度和可靠性，并解決人機之間功能分配問題；２）研究人對于被控對象狀態的情報信息的接受過程，即研究人的感覺輸入；３）分析人的信息加工存儲和決策的形成過程；４）研究人的操縱活動，即人的運動輸出，其中心總是是人體結構及其調節機理．

　 在機床、汽車、儀表等機械產品造型設計中，為了取得人機的協調、操作迅速準確和理想的視覺效果，在動用美學法則來塑造產品形象時，必須考慮到人的生理、心理特點何與操作系統結合，使期符合人體功能的要求．例如在設計一個儀表柜時，在遵循排列整、均衡原則的同時，必須以操作者的手操作方便、迅速、準確為依據，以及根據人的眼睛對橫向排列比縱向排列辨別能力更準確的特點等進行設計，選擇操縱指示裝置、儀表的合理形式與布局，并把重要的儀表放置在人的視線容易看到的醒目的部位．同時，操縱指示裝置、儀表的高低位置等，要按人體結構的尺寸來決定選擇范圍，過高或過低都會使操作者感到不便，易于疲勞，長期使用影響健康．

(六) 環境保護和安全制度

6.1  環境保護

環境的污染，主要是工業“三廢”（廢氣、廢水、廢渣）造成的．工業生產中所需的動力、熱能、電能等，主要來自燃料的燃燒，燃料燃燒及煉鐵設備、煉鋼設備、化工設備等運行時，都產生了大量的污染特并排放放大氣中．

6.2  安全制度

在產品生產過程中，妨害正常活動的事件稱為事故．事故一般可分為導致生產設備破壞的設備事故和導致人體受傷害的人身事故．

人身事故是由于人和不安全物相接觸而產生的，產生事故的模型見下圖，一方面來處物方面的“不安全狀態”，另一方面也來自人方面的“不安全行動”．把具有不安全狀態的物體稱為“起因物”，直接加害于人的物體稱為“致害物”

注：具有不安全狀態的物體稱為“起因物”，直接加害于人的物體稱為“致害物

產生事故模型

（１）強度、剛度不夠。如起重設備的鋼繩斷裂或吊闐折斷，拖拉機半軸斷裂造成翻車事故。

（２）穩定性失控。如塔式起重機和汽車起重機等，或因起重機的運動幅度和起重量太大，或因風載等原因有可能失去穩定性，造成傾翻事故，煉鋼轉爐及電弧爐的動機構失控，可能發生鋼水傾翻事故等。

（３）工作場所存在不安全因素。如地面太滑，光線不足，高空作業，在管道上行走等違章作業等，都可能產生事故。

（４）缺乏安全防護措施。外露的齒輪、皮帶輪、鏈輪等傳動，以及傳動上突起的螺釘頭等，機器的控制失靈，靜止的設備突然起動，起重機超載，壓力容器超壓等，都會發生事故。

（５）缺乏防塵、防毒、防火、防爆措施。對于化工廠、煉油廠、氮肥廠、煤氣站等設備，由于跑、冒、滴、漏、摩擦、撞擊、有火花和靜電積聚等，常能發生火災和爆炸事故，鍋爐和壓力容器由于設計制造的缺陷，腐蝕和超載運行等，可能發生爆炸事故。