（设计艺术学专业论文）数控机床ICAID系统的防护间钣金零件分块设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 数控机床造型设计是一项综合了美学知识、人机工程知识和产品结构知识的 复杂的设计活动。数控机床防护间钣金零件分块设计是这一设计活动的详细设计 阶段的主要工作，分块设计的优劣决定了零件是否具有良好工艺性，并且对机床 整体造型将产生重要的影响。 本文依托“十五”国家科技攻关项目“基于设计知识和用户知识的网络化数 控机床造型设计与人性化界面技术及应用研究”对数控机床防护间钣金零件分块 设计进行研究，提出了在i c a i d 系统中构建辅助分块设计功能模块的思想并给出 了初步算法和实现构想。 分块设计的指导思想是在满足功能结构的基础上运用美学知识和人机工程知 识处理局部设计与整体造型风格的关系。因此文中首先是对饭金零件分块设计中 的工艺性因素展开研究，研究的主要内容是分块设计中的钣会零件结构工艺性和 装配工艺性因素，并结合设计实例得出了充分考虑工艺性因素的分块设计典型流 程图。在对影响分块设计的工艺性因素进行分析之后，文章对指导分块设计的工 业设计因素( 包括美学原理和人机工程两方面的内容) 进行了研究，并结合实例 对分块设计方案进行美学评价。在前文的研究基础上，本文提出了在i c a i d 系统 中构建辅助分块设计功能模块的思想，通过确定技术路线和解读系统方案模型数 据，分别规划了模型重建算法、轮廓提取算法和分块设计初步算法。构建辅助分 块设计功能模块旨在让计算机完成分块设计中因工艺性因素和工业设计因素而需 要进行计算的工作，使设计人员可以集中精力进行数控机床造型设计中的创意工 作。文章最后结合i c a i d 系统将来发展方向提出了辅助分块设计功能模块在i c a i d 系统中的实现构想。 关键词：工业设计；数控机床：钣金；防护问；分块设计：i c a i d 系统 数控机床i c a i d 系统的防护间钣台零件分块设计研究 a b s f r a c t t h ef o r md e s i g no f n cm a c h i n et o o l si sac o m p l i c a t e dw o r kt h a tc o m p r e h e n d st h e k n o w l e d g eo fa e s t h e t i c s ，e r g o n o m i c sa n dp r o d u c ts t r u c t u r e t h em e t a l w o r kp a r t i t i o n d e s i g no f n cm a c h i n et o o l s p e r i m e t e rg u a r d si st h em a i nc o n t e n t i nt h ed e t a i l e dd e s i g n o ft h i sw o r k i td e c i d e st h em a n u f a c t u r i n go fs h e e tm e t a lp a r t sa n dt h ef o r md e s i g no f m a c h i n et o o l s t h et h e s i si sa b o u tar e s e a r c ho nt h em e t a l w o r kp a r t i t i o nd e s i g no fn cm a c h i n e t o o l s p e r i m e t e rg u a r d si sas u b - p r o j e c to ft h et e n t hn a t i o n a lf i v e - y e a rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o j e c t s ，ar e s e a r c ho fi n t e m e t - b a s e dn c m a c h i n et o o l sf o r md e s i g na n d h u m a n i z e di n t e r f a c e t e c h n o l o g i e s a n d i m p l e m e n t a t i o n s b a s e do nt h e d e s i g n k n o w l e d g ea n du s e r s k n o w l e d g e t h ei d e ao f m e t a l w o r kp a r t i t i o nf u n c t i o nf r a m e w o r k i ni c a i ds y s t e mi sr a i s e di nt h et h e s i s f t w t h e r m o r e ，t h et h e s i sg i v e st h ep r i m a r y a l g o r i t h m sa n dt h em e t h o d so f h o w t or e a l i z et h ef u n c t i o ni ni c a i ds y s t e m t om e e tt h ep r o d u c t s f u n c t i o n a la n ds t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t s ，p a r t i t i o nd e s i g ni s d i r e c t e db ya e s t h e t i c sa n de r g o n o m i c st h a ta r et h ep r i n c i p a l sd e a l i n gw i t l lt h er e l a t i o n b e t w e e np a r td e s i g na n do v e r a l ls t y l i n g t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h et e c h n i c a la s p e c t so f s h e e tm e t a l p a r t sp r o c e s s i n g a n da s s e m b l yi nm e t a l w o r kp a r t i t i o ni st h ef i r s t c o n s i d e r a t i o no ft h et h e s i s a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt e c h n i c a lf a c t o r sa n dp a r t i t i o n d e s i g na r ei l l u s t r a t e dt h r o u g ht h es t u d y t h e nt h et h e s i sa n a l y s e st h ei n d u s t r i a ld e s i g n f a c t o r si n c l u d i n ga e s t h e t i c sa n de r g o n o m i c so np a r t i t i o nd e s i g na n da p p l i e st h ef a c t o r s i ne v a l u a t i n gt h ep a r t i t i o ns c h e m e s o n 也eb a s i so ft h er e s e a r c h ，t h et h e s i sc o n c e i v e s e s t a b l i s h i n gt h ea s s i s t a n tm e t a l w o r kp a r t i t i o nf u n c t i o nf r a m e w o r ki ni c a i ds y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h es o | u t i o ns c h e m ea n du n s c r a m b l i n gt h ed a t ao f8 c h e m e st h a ta r e s u p p l i e db yi c a i ds y s t e mt o a s s i s t a n td e s i g n e r s , t h et h e s i ss e p a r a t e l yf o r m u l a t e st h e a l g o r i t h m sr e m o d e l i n g ，c o n t o u r se x t r a c t i o n a n dp a r t i t i o nd e s i g n t h ei n t e n t i o no f e s t a b l i s h i n 4 ；a s s i s t a n tm e t a l w o r kp a r t i t i o nf u n c t i o ni st oh a v ec o m p u t e rt of i n i s ht h e c o m p u t a t i o n a lw o r ki np a r t i t i o nd e s i g ns ot h a tt h ed e s i g n e r sm a yc o n c e n t r a t eo nt h e i i m o v a t i v ew o r ki nn cm a c h i n et o o l s f o r md e s i g n f i n a l l yt h et h e s i sp r o p o s e dt h e s c h e m eo f t h ef u n c t i o n sr e a l i z a t i o ni ni c a i ds y s t e m k e yw o r d s ：i n d u s t r i a ld e s i g n ；n cm a c h i n et o o l s ；s h e e tm e t a l ；p e r i m e t e rg u a r d s ； p a r t i t i o nd e s i g n ；i c a i ds y s t e m i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作一：声之磋 隰耐年w 乒曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者 导师 日期：删i 年j - 月膨日 日期：o f - 年产月t t t 日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 数控机床防护间在机床工业领域的重要作用 1 1 1 防护功能 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量 和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床。其对精度、速 度、刚度、结构强度以及使用的安全性、精度保持性等要求远高于普通机床。因 此，对数控机床的进行完善的防护设计是机床技术发展的必然要求。 数控机床防护间的防护功能主要体现在以下几个方面： 安全防护安全防护是防护间的主要功能，目的是将操作者与机床危险源进 行有效的隔离，以及通过机电安全联锁装置防止人为误操作带来的危险。 精度保持防护问可以在一定程度上防止粉尘、腐蚀性液体和杂物进入机床 的精密传动部件，对数控机床精度保持性起到保护作用。 环境保护防护问不仅可以防止冷却液和切屑对加工环境造成的污染，而且 还可以使冷却液重新回流继续加以利用，防止了资源的浪费。 隔声降嗓机床的噪声指标是机床产品的验收项目之一1 2 j 。从某种意义上讲， 防护问在一定范围和一定方向上，起到阻隔噪声由机床声源向操作者传播的作用。 防潮隔湿防潮隔湿是数控机床保养的重要内容，特别是机床的精密传动装 置和电气系统元件的防潮保护。防护间的使用可以在一定程度上降低空气湿度对 机床的影响。 依据所需防护间功能的不同，数控机床防护问通常有两种防护形式：全封闭 和半封闭防护。全封闭防护是指防护间在空间上对机床主体进行全方位包络以较 好地实现防护间的上述功能。全封闭防护一般应用在对中小型数控机床的防护中。 半封闭防护是指防护间在空间上为机床的某些运动部件留出其运动空间，或者考 虑到工件尺寸、有利于观察以及防护问生产经济性等因素，对机床主体或部件做 部分的包络。全封闭防护间是国内外先进机床企业采用的主要防护形式，代表了 防护问的发展方向。 1 1 2 产品美学 防护间在机床造型设计中的功能可以从机床造型发展史中考察。 真正意义上的机床加工机器的机器最早出现于1 7 7 4 年。随着产业革命在 欧洲的兴起，机床技术、种类与型号迅速发展1 3 1 。但早期的机床设计工作主要集中 第1 章绪论 1 1 数控机床防护间在机床工业领域的重要作用 1 1 1 防护功能 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量 和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床。其对精度、速 度、刚度、结构强度以及使用的安全性、精度保持性等要求远高于普通机床。因 此，对数控机床的进行完善的防护设计是机床技术发展的必然要求。 数控机床防护问的防护功能主要体现在以下几个方面”j ： 安全防护安全防护是防护间的主要功能，目的是将操作者与机床危险源进 行有效的隔离，以及通过机电安全联锁装置防止人为误操作带来的危险。 精度保持防护问可以在一定程度上防止粉尘、腐蚀性液体和杂物进入机床 的精密传动部件，对数控机床精度保持性起到保护作用。 环境保护防护不仅叫以防止冷却液和切屑对加工环境造成的污染，而且 还可以使冷却液重新回流继续加以利用，防止了资源的浪费。 隔声降噪机床的噪声指标是机床产品的验收项目之一吲。从某种意义上讲， 防护问在一定范围和一定方向上，起到阻隔噪声由机床声源向操作者传播的作用。 防潮隔湿防潮隔湿是数控机床保养的重要内容，特别是机床的精密传动装 置和电气系统元件的防潮保护。防护间的使用可以在一定程度上降低空气湿度对 机床的影响。 依据所需防护间功能的不同，数控机床防护问通常有两种防护形式：全封闭 和半封闭防护。全封闭防护是指防护问在空间上对机床主体进行全方位包络以较 好地实现防护闯的上述功能。全封闭防护一般应用在对中小型数控机床的防护巾。 半封闭防护是指防护问在空f l ；【jl 为机床的某些运动部件留出其运动空间，或者考 虑到工件尺寸、有利于观察以及防护问生产经济性等因素，对机床主体或部件做 部分的包络。全封闭防护间是国内外先进机床企业采用的主要防护形式，代表了 防护间的发展方向。 1 1 2 产品美学 防护间在机床造型设计中的功能可以从机床造型发展史中考察。 真正意义上的机床加工机器的机器最早出现于1 7 7 4 年。随着产业革命在 欧洲的兴起，机床技术、种类与型号迅速发展口i 。但早期的机床设计工作主要集中 欧洲的兴起，机床技术、种类与型号迅速发展【”。但早期的机床设计工作主要集中 于产品的功能实现上，对造型设计并无太 多的顾及，其功能部件大多是外露式的， 体现了一种朴素的机器美学。如图1 1 为 怀特渥斯于1 8 5 0 年设计的具有高精度测 量装置的机床。 随着机床技术的发展以及对机械化 生产造成频发的工伤事故的愈加重视，防 护罩开始出现在了机床设备上。图l _ 2 为 1 8 7 4 年美国人布朗发明的第一台万能外 圆磨床，在这台机床身上，我们可以看到图1 1 怀特潺斯的机床 机床防护罩的雏形已经开始形成。 图片来源：h t t p ：w w w i n g e n i o u s - o r g u l c 防护罩在机床造型设计中承担起主 要角色是在2 0 世纪4 0 年代。此时由于受 到“包络法”设计原则的影响，机床的造 型更多地体现在了防护罩上。然而此时的 防护罩造型基本上是由机床内部结构被 动地决定，且由于工艺和材料的影响，造 型设计上的发挥空间很小。 图1 3 为英国c h i v i o t t 机床公司1 9 6 8 年生产的车床t r i u m p h 2 0 0 0 。这台车床在 图1 2 第一台万能外圆磨床机床 机床造型设计史上具有革命性的意义【4 j ，图片来源：广州机床研究所机床发展史话 她的设计以水平和垂直线形为主，形成了 方正，稳重，简洁的视觉效果，体现了机 床的精确，高效的特点。在机床操作上注 重人机工程学的应用，并且采用了半封闭 的防护设计，符合机床发展的方向。至此 防护罩已经脱离了原始的安全防护功能， 并以防护间的形式开始成为机床造型设 计的主要设计对象。 随着钢板冲压成形技术的发展以及 圈1 3 车床t r i u m p h2 0 0 0 钢铁冶炼技术不断提高，金属板材已经取 图片来源：h t t p ：w w i n g e n i o u so r gu k 代了金属铸件用来制造机床防护问的主 体部分。与金属铸件零件相比较，钣金零件具有质量轻，表面效果好，易于成形 以及便于拆装维修等优点，而且钣金工艺的采用使得大型机械设备的防护成为可 能。 自1 9 5 2 年数控技术诞生以来，随着计算机和微处理器的发展与应用，数控装 置已可以缩d , n 与机床本体结合到一起的程度。建立在数控技术基础上的数控机 床淘汰了使设计师深感棘手的各种机床操作部件，使由复杂线形和多种曲面构成 的零散的机床表面形态，有可能为防护间包覆而变成简洁、和谐、统一和整体感 较强并符合时代风格、富有人情味、人性化的现代工业产品忙j 。 1 1 3 产品人性化 数控机床所具有的高精度、自动化和能适应多 品种小批量生产的高技术优点，创造了有史以来人 类机械化生产的高效率和高效益，但不少数控机床 的设计过分注重功能实现。而忽视了产品个性化和 人性化的特征。数控机床防护间的应用不仅使数控 机床造型设计更为整体和自由，而且使其成为一种 人性化产品的可能性大大提高。 图1 4 普通车床 人是生产的主体，数控机床操作者心情舒畅的 情况下可以更好地发挥人的主观能动性，提高工作 积极性，它对提高生产效率有着重要的意义【6 ，7 ，s 】。 对比图1 4 普通车床和图1 5 数控车床，前者的结 构件大多裸露于机床外表，操作部件散乱，视觉元 素繁杂，给人一种冰冷且机械味十足的“不友善” 的感觉。而后者由于采用了封闭的机床防护间设 计，将机床散乱、复杂的结构件很好地包裹于防护 图1 - 5 觐腔车床 间内，在视觉上不仅使机床更为精致、简洁和统一， 而且大大减少了机床操作中对操作者产生的干扰信息，使其注意力更易集中，更 有安全感，且不易疲劳。人机工程学知识在防护问设计中的应用，使机床在操作 上更为人性化，给人以友善和亲切的感觉。原来的冷漠的机械产品现在变成了富 有情感的人性化产品，操作者也被从原来工作的紧张状态中解放出来，并且获得 一种操作中的情趣和视觉上的惬意。 1 2 我国数控机床防护闷设计的现状 1 2 1 防护问设计生产方式 目前数控机床防护问的设计生产主要不外乎两种方式：主机厂自行设计生产 和委托外协设计生产。自行设计和生产方式相比较委托外协生产方式具有一个显 著的优点是企业的工业设计人员和工程设计人员共处于同一企业文化中，相互间 的交流和协调较后者顺畅，并且可以在企业内部随时进行资源组合。但是自行设 计生产对企业规模、人才资源和设备资金储备要求很高，因此对于中小企业而言 采用后一种方式在设计和生产上显得更为灵活和经济。委托外协进行造型设计和 防护间生产可以保证主机厂集中资源进行技术开发或更新，但这种方式不等于将 机床结构设计与造型设计脱离。精美外观体现精湛技术和强大功能的前提是运用 并行设计的思想指导结构设计和造型设计，让工业设计人员充分参与数控机床的 概念设计工作，在设计的开始阶段引入工业设计思想。这也是世界上很多著名机 床企业规模不大但是产品型号众多且技术精湛，外观精致的一个原因。 1 2 2 国内现状 我国数控机床生产企业中的产品造型设计工作主要由工程设计人员和工业设 计人员共同完成，多以工程师为主体，并且有相当一部分企业没有专业的工业设 计部门和人员。这种情况主要是由以下原因造成： 首先是由于数控机床类产品的特点决定，其更新换代的速度慢于消费类产品。 企业中产品造型设计的任务量不是很大。组织一个专门的工业设计部门对于企业 来说成本太高。 其次是国内一部分企业对于产品造型设计的重视程度不够。一些企业在完成 结构设计的基础上由工程设计人员完成对形体的简单“包络”，或者完全交给外部 设计机构完成| 9 j 。 国内数控机床生产企业的上述特点造成了机床结构设计和造型设计的脱节， 往往是机床生产企业将机床结构设计完成后再交由工业设计人员对其进行造型设 计，这样就极大地束缚了工业设计人员的发挥空间，使我国数控机床产品在外观 质量一卜没有大的突破与创新。 我国现在很多机床企业还处于一 种大而全或小而全的生产模式，在人 才、设备和资金有限的情况下分散资源 于研发、设计和生产各个方面，造成了 产品的全方位落后。优秀数控机床产品 的开发除了应该对工业设计思想给予 足够的重视外，还应当在产品的概念设 计阶段让工业设计人员和工程设计人 员协同工作，使产品研发人员在注重产 品功能和结构设计时充分考虑产品造 型设计和人机工程因素，这样才能开发 出表里如一的优秀产品。如图1 6 所示 图1 6 立式加工中心 4 硕士学位论文 为瑞士米克朗公司加工中心产品，工业设计和结构设计并行是这款加工中心在造 型上取得突破的重要原因。 1 3 计算机辅助防护间钣金零件分块设计研究现状 产品造型设计的一般流程是首先确定机床造型的整体风格而后深入进行细节 设计。在后一阶段如何保证细节在满足结构工艺性和装配工艺性的基础上与整体 造型风格保持一致是产品造型设计的一个重要课题。 通过实际机床设计项目的实施以及对工业设计师和工程师进行的数控机床造 型设计实验，我们分析得出：防护间钣金零件分块设计是数控机床造型设计在细 节设计阶段的主要内容，分块设计中的结构知识和造型知识是工业设计师和结构 工程师之间重要的接口信息。工业设计师应掌握一般的分块规律，结构工程师也 应理解钣金零件分块对整体风格的重大影响l l 。 1 3 1 研究现状 近年来，国内外在c a x 方面的研究发展很快，c a d 已经成为现代工业产品 建模和结构设计的主要手段，c a e 已成为材料、工艺组合和产品结构分析中必不 可少的数值计算工具和连续力学分析等的一种重要方法i l l ，“】。 各种c a x 计算机辅助技术的应用可以看成是设计师手和脑的延伸，使他们从 冗杂的出图、模型制作和结构功能以及力学分析等工作中解脱出来，集中精力开 展最具创造性的概念设计、造型方案拟定等工作，大大提高了产品设计的水平和 质量，缩短了产品开发周期。但这些c a x 工具在产品造型的优化、美化和评价等 这类基于专业知识的工作中却无能为力。为了改变这一现状，在汽车设计领域已 经着手开发将空气动力学、人机工程学和美学等设计和评价原则与车身造型相结 合的c a s ( c o m p u t e ra i d e ds t y l i n g ) 系统，在需要创意和知识的概念设计等工作 上为设计师提供辅助，如国内开发的i c a s ( i n t e l l i g e n t c o m p u t e r a i d e ds t y l i n g ) 系 缔【1 3 】。 虽然前述研究已经将工业设计因素和产品结构知识相融合应用到车身辅助造 型设计中，但是对车身结构设计中的钣金零件分块设计的研究并未得到重视，特 别是在计算机辅助设计应用中车身蒙皮的分块设计一般是在车身造型确定后 的表面线图制作过程中用手工绘制而成。 数控机床防护问钣金零件和车身钣金零件的生产工艺和造型特征存在巨大的 差异，其钣金零件分块设计也各有特点。相比较为车身造型设计而专门开发的软 件而言，关注于数控机床的造型设计研究并不多见，且未能系统化。将 业设计 知识和工程结构知识结合应用于数控机床钣金零件分块设计的思想和系统开发亦 未见相关研究。 | 丝! i 盎! 兰垒巴墨笙塑堕芏塑堡垒耋壁坌垫丝i ：塑塞 1 3 2 现有研究基础 在“基于设计知识和用户知识的网络化数控机床造型设计与人性化界面技术 及运用研究”国家“十五”科技攻关项目的支持下，我们提出并完成了“基于i n t e m e t 的数控机床辅助造型设计系统”即i c a i d 系统。 在系统构建过程中，我们对工程师和工业设计师的数控机床造型设计程序和 方法进行了实验研究i l “。分析实验结果得出，工业设计师普遍缺乏对防护罩钣金 零件结构知识的了解，设计方案往往与钣金零件的结构工艺性和装配工艺性冲突， 使设计方案制造成本偏高，甚至无法加工。另一方面，工程师在造型设计工作中 面临的最大难题是形成并表达机床的整体造型，以及把握细节与整体风格相协调 的能力。因此在i c a i d 系统中，我们构建了造型知识库和结构知识库对两类设计 人员进行知识补充。 1 4 论文的研究内容与组织 本文将钣金零件的工艺性知识和工业设计知识相结合，探讨数控机床防护间 钣金零件分块设计中的美学知识和结构知识，用以指导数控机床造型设计中的钣 金零件分块研究。在此研究的基础上提出了在i c a i d 系统中构建辅助钣金零件分 块设计的功能模块和算法，以辅助系统用户更好的完成数控机床造型设计工作， 并且规划了其在i c a i d 系统中的实现机制。 本文的组织结构如下： 首先对防护间钣金零件分块设计中的工艺性因素进行分析。主要从生产工艺、 材料选择、加工设备、结构工艺性和装配工艺性等方面并结合设计实例研究其对 分块设计的影响； 然后分析防护间钣金零件分块设计中的工业设计因素。主要从美学原理和人 机工程因素分析其与分块设计的关系； 综合前述研究，提出在i c a i d 系统内构建辅助钣金零件分块设计功能模块的 思想，并规划出了分块设计的初步算法； 最后，对i c 舢d 系统的结构知识库的辅助功能存在问题进行分析，并提出解 决方案，规划了辅助分块设计功能模块在i c a l d 系统中的实现机制。 硕士学位论文 第2 章防护间钣金零件分块设计的工艺性因素研究 2 1 面向制造和装配的设计 市场全球化和激烈的竞争使产品的核心技术不足以确保产品的商业成功。工 业设计从产品开发的事后润色走到了开发工作的前端，成为产品概念设计的重要 组成部分【l ”。在产品开发的概念设计阶段，客户需求和产品指标是指导设计工作 的主要因素，产品的造型设计工作主要在这一阶段完成。产品开发的下游阶段， 为把这些需求和指标与具体生产任务联系起来开发团队往往会遇到较大困难，从 而导致概念设计工作的修改甚至推翻重来。为了提高产品开发的效率，“面向x 的 设计”( d e s i g nf o rx ，d f x ) 方法应运而生，这里的x 可以对应几十种产品质量 标准中的任何一个，比如可靠性、强健性、操作便捷性、环境影响或可制造性等。 这些方法中最常见、也很重要的是“面向制造的设计”( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r i n g ， d f m ) ，它直接影响产品的制造成本f l6 】。d f m 是并行工程的一种设计方法，即产 品设计与工艺设计并行进行的一种设计方法。d f m 是在设计阶段尽早地考虑与制 造有关的约束，从可制造性角度评价产品设计，并提供反馈信息，及时改进设计， 力求产品设计、工艺设计、制造一次成功，以达到降低产品成本，提高产品质量， 缩短产品开发周期的目的【1 ”。简言之，面向制造的设计的定义是以简化和方便产 品零件制造为目的的设计。 d f x 方法中另一个重要的方法是面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ， d f a ) 。面向装配的设计是一种针对零件配合关系进行分析的设计技术【”】。装配是 产品制造过程的最后阶段，反映产品质量的指标如性能、精度、可靠性和寿命等， 是在组成产品的零件加工合格的基础上最终由装配工作来保证，而影响产品装配 工作的最主要因素则是产品的装配工艺性。因此有必要对产品的装配工艺性进行 分析和研究“”。 图2 1 定性地说明了在产品开发早期采用面向d f m a 方法的开发效率情况。 在设计初期充分考虑制造和装配的另一个被广泛地接受的理由是最后产品成本的 7 0 是在设计期间决定的【1 6 1 。 图2 2 为d f m a 的典型步骤【1 6 】。首先是面向装配设计的分析简化产品结构， 然后为原始设计和新设计作出零件的早期成本评估，以便制定交易决策。在这个 过程中，需要考虑适合各种零件的最好材料和工艺。材料和工艺确定后，就可以 为面向制造的设计进行更为彻底的分析来实现零件的细节设计。 从事数控机床造型设计工作的设计人员不仅应该理解结构工艺性和装配工艺 性对实现造型方案的决定性作用，而且应该意识到其设计工作对产品开发的效率 数控机床i c a i d 系统的防护间钣金零件分块设计研究 和经济性产生的重大影响。对结构工艺性和装配工艺性知识的掌握程度是数控机 床产品开发团队在概念设计阶段能否有效地执行d f m a 的决定性因素。本章中将 主要研究影响数控机床防护间钣金零件分块设计的工艺性因素，以指导钣金零件 分块设计。 图2 1d f m a 开发效率 图片来源：g e o f f r e yb o o t h r o y d ，p e t e rd e w h u r s t w i n s t o nk n i g h t p r o d u c td e s i g nf o r m a n u f a c t u r ea n da s s e m biy 2 2 工艺、材料和加工设备 图2 2d f m a 的典型步骤 图片来源：g e o f f r e yb o o t h r o y d ，p e t e r d e w h u r s t w i n s t o nk n i g h t p r o d u c td e s i g n f o rm a n u f a c t u r ea n da s s e 出iy 工业设计是一种造物行为，材料是这一造物行为的物质基础，工艺是实现这 一造物行为的手段。当代工业产品的先进性不仅体现在它的功能与结构方面，同 时也体现在材料和工艺的选择与应用上。材料和工艺的选择不仅制约着产品的结 构形式和尺度大小，并且决定了产品的使用性能f ”】。因此，产品的概念设计必须 综合考虑材料与工艺对设计产生的重大影响。由图2 ： 后，产品开发团队应对设计方案的材料和 工艺所决定的加工工艺性和经济性进行 分析，并对设计方案进行必要的改进和完 善，以得到最佳概念设计方案。 2 2 1 工艺 数拧机床防护问的主要生产工艺归 结为以下三种： 第一，采用数控钣金弯折设备生产， 并结合必要的手工操作： 第二，采用拉伸模具进行钣金冲压生 图23 防护门采用模具冲压成形 硕士学位论文 产，并结合必要的手工操作； 第三，非金属材料在防护问中的应用，采用非金属生产工艺。 防护问钣金零件生产工艺的选择主要取决于其生产批量的大小。数控机床生 产批量的特点可以通过和汽车生产批量相比较得出。2 0 0 4 年1 0 月全国汽车产量为 3 8 8 9 2 3 辆口0 1 ，同月全国金属切削机床产量仅为3 4 9 0 1 台( 包括普通机床) 1 2 1 】，远 低于汽车产量。大批量生产的汽车外覆盖件可以采用昂贵的模具冲压的方式进行， 虽然生产成本高，但平摊到每一辆车的成本中去，每一位买车用户承担的模具费 用很低。数控机床由于具有用途各异、型号众多和更新换代周期长的特点，其生 产一般是按订单来组织的，这就决定了数控机床防护间的生产主要采用第一种生 产方式。 防护间钣金零件使用模具生产的前提是生产的批量化。在面向加工的设计中， 设计要遵循的一项重要规则是尽可能地利用标准件，标准件的成本将远低于类似 非标准件的成本【1 “。当机床生产企业的某一型号机床产品技术成熟，结构稳定， 产品更新周期长且需求量大的时候，可以考虑对此型号机床的某些外覆盖件采用 拉伸模具生产，如图2 3 所示防护门。采用模具生产具有生产效率高，成形精度好， 外观造型更为自由等优点，并且可以促进零件生产在企业内部的标准化。设计标 准化的意义在于可以促进加工工艺标准化以进行产品的批量化生产，有利于提高 企业的生产效率( 包括加工效率和安装效率) 、生产的经济性以及在一定程度上既 增大产品设计的自由度又可以保持产品风格的一致性。 使用拉伸模具生产防护间钣金零件虽然具有以上优点，但由于成本太高，在 实际生产中极少应用。因此本文主要研究第一种生产方式对防护间钣会零件分块 设计产生的影响。 2 2 2 材料 数控机床防护问采用钣金弯折设 备进行生产的工艺特点决定了防护问 钣金零件的几何形状一般都比较简单 ( 比如，应尽量避免在钣金零件上设置 需要拉伸工艺才能成形的加强筋、翻边 等结构和形状) ，因此没有必要使用拉 伸用冲压板材。通过对国内多家主机厂 实地调研得出，数控机床防护间采用的 板材，一般不使用有色金属板材( 如铝 板、铜板等) ，主要是使用表面质量较 图24 数控机床防护间 好的冷轧板q 2 3 5 - a 。另外，不锈钢板 数拧机床i c a l d 系统的防护问钣金零什分块设计研究 在防护问钣金零件生产中也有少量应用。 根据防护问各部分功用的差异，板材厚度选择也不尽相同。用作防护问主体 部分的板材，厚度一般为2 0 m m 或2 5 m m ；用作承接部分的板材，厚度一般取为 3 0 m m ；代替铸件用于防护间基础部分的板材厚度视压力机的弯板能力而定，工艺 条件具备时板厚可以取较大值，一般板厚为5 o 6 0 n m a ，如图2 4 所示。防护间 基础部分的板材是综合考虑生产经济性、对机床外观质量要求和现有生产设备等 因素确定的。 对于不同种类金属板材和厚度，其市场供应尺寸都有一定的长宽规格。此规 格对钣金零件的分块设计具有重要的影响一一防护问钣金零件的下料尺寸应尽量 保持在此规格的长宽尺寸范围内，以避免钣金零件下料尺寸过大，无料加工，或 者必须对两块板材使用拼焊工艺联结的尴尬局面。通过具体设计项目的实施和调 研，我们发现机床厂常备板材幅面一般为1 5 0 0 m m x 2 0 0 0 m m 和2 0 0 0 m m x 2 5 0 0 m m ，所以钣金零件的下料尺寸一般应保持在这个尺寸范围内( 不同主机厂和 外协厂可依据自身情况而定) ，虽然采用标准规格的板料有可能会增加余料，使材 料利用率降低，但只要合理安排套裁排样，这一问题是可以解决的。在大批量生 产中，也可以根据工艺要求、用最佳排样方案确定板料规格尺寸，然后向钢厂专 门订货。这样可提高材料利用率，但材料单价要稍高于标准规格的板料。金属板 材尺寸规格对于钣金零件分块设计的尺寸具有最基本的限制作用。 数控机床防护间主要的制造材料是金属板材，但由于不同的功能要求、使用 要求以及材料特点，非金属材料在数控机床防护问的生产中也有重要应用，这些 应用主要有玻璃视窗、玻璃钢防护装置和塑料门帘，如图2 5 、z 6 和2 。7 所示。 图2 5 大玻璃窗的应用图26 玻纤增强树脂材料的防护栏图27 塑料门帘 2 2 3 加工设备 生产工艺决定了加工设备的选用。不司的加工设备具有不同的成形能力，因 1 0 硕士学位论文 此，在满足板材尺寸的条件下，防护间钣金零件分块的最大尺寸还取决于设备的 成形能力，比如各种下料设备的加工范围、数控弯板机的最大刃口宽度等等。 综上所述，金属板材的尺寸规格和加工设备的成形能力对防护问钣金零件分 块设计研究具有重大的影响，应当在产品概念设计阶段给予充分考虑，以避免出 现零件分块过大，无法加工而必须修改原设计方案的情况。 2 3 下料工艺余量 在分析了生产工艺、材料选择和加工设备对钣金零件分块尺寸的影响后，接 着对其后续工序钣金零件展开下料对分块设计产生的影响进行分析。 下料是指用各种切割工艺来制造钣金件的毛料、展开料和平板零件的方法， 主要有剪切、铣切、等离子切割、氧气切割和激光切割等。不同下料方法的下料 工艺余量不同，下料工艺余量和零件展开尺寸组成了钣金零件下料尺寸1 2 “。f 料 工序得到保证的前提是钣金零件下料尺寸小于现有板材尺寸规格。因此，为保证 钣金零件下料工作的顺利进行，分析下料工序中影响下料尺寸的因素对于防护间 钣金零件分块设计研究十分必要。 钣金零件下料尺寸由零件展开尺寸和下料工艺余量组成。零件展开尺寸由零 件外形和零件的分块设计决定，因此分块设计尺寸对零件下料尺寸会产生重要影 响。下料工艺余量主要是考虑各种板材切割工艺的切割精度问题，板材切割工艺 的切割精度会对单个或多个钣金零件的展开排样尺寸产生影响，成叠下料和单件 下料的工艺余量也有所差异。最后零件的下料工艺余量还应当考虑辅助加工工艺 余量，如零件在成形后所进行的修边工作等，留出一定的余量。 在现有板材尺寸远大于零件展开尺寸和下料排样尺寸的情况下，防护间钣金 零件下料尺寸对零件分块设计的影响不大，但是当板材尺寸与零件下料排样尺寸 相近时，零件分块设计尺寸对零件能否顺利下料生产将产生决定性影响。 2 4 最小工艺尺寸 图28 搭接图2 9 内折边联接 防护间钣金零件的最小工艺尺寸是从零件设计尺寸的微观角度来考虑分块设 计问题，其对分块设计的影响在一般的设计中并不多见，但是当零件分块尺、j 和 排样尺寸接近于最大允许尺寸时，最小工艺 尺寸往往具有决定性作用，并且对钣金排样 的经济性产生重要影响。 钣金零件最小工艺尺寸对分块设计的 影响可从以下分析得出。钣金零件的联接工 艺主要是采用螺钉连接的搭接和内折边联 接工艺，如图2 8 和2 9 所示。 采用搭接联接的钣金零件在螺钉联接 位置已经确定的前提下( 如防护问钣金零件 与机床结构部件联接，螺钉位置由机床结构 h=r+l+d+c 图2 1 0 最小折边高度 部件决定的情况) ，钣金零件的最小分块尺寸必须受此厚度金属板材的最小孔边距 的约束影响。 采用内折边联接的钣金零件的分块设计，其最小展开尺寸即最小分块尺 寸的确定在一定程度上决定于此厚度金属板材的最小折边高度。最小折边高度由 最小弯曲半径r 、孔边到弯曲半径中心的最小距离l 、螺孔直径d 和最小孔边距c 组成，如图2 1 0 所示。 金属板材的最小弯曲半径r ，一般是指用弯折方法可以得到的零件内边半径的 最小值。最小弯曲半径的确定不仅与材料有关，而且和板材的织构方向、表面质 量、以及弯折处是否开释放槽有关 2 2 , 2 3 埘1 。 孔边到弯曲半径中心的最小距离l 是保证弯折线附近孔在弯曲时不变形的最 小距离值，其取值与厚度有关。 通过对多家主机厂以及机床实例的调查发现，一般数控机床防护问钣金零件 的联接螺钉的公称直径d 6 o m m ，螺孔直径预留余量一般为小于m 8 螺钉孔余 量为1 o m m ，大于m 1 0 的螺钉孔余量取2 o m m 。 最小孔边距或孔问距c 一般是指冲裁的最小搭边值。搭边值因受到模具强度 和冲裁件质量的限制数值不能太小，其最小值一般为c t ( t 为板材厚度) 【2 2 】。 以上最小1 ：艺尺寸对零件展开尺寸会产生影响，因此在零件分块设计中应当 对其加以重视。 2 5 零件刚度 钣金零件分块尺寸与零件刚度关系密切。一定厚度的钣金零件，分块越大零 件刚度越低，加工和安装过程中容易导致零件变形，且加工中容易受激随空气振 动，增大机床噪声，尤其是厚度为1 5 2 o m m 的板材，如图2 1 1 所示。由于零件 分块过大而采用两块板利拼焊而成的钣金零件，由于板材尺寸、形状不同而出现 的刚度差异，容易导致运输、安装以及加工中在焊点处出现裂纹，如图2 1 2 所示。 硕士学位论文 图2 1 1 低刚度零件的变形图2 1 2 拼焊处裂纹 为了提高钣金零件刚度，必须制作加强结构。由于一般不能用模具对板材进 行拉延，所以图2 1 3 所示的加强筋结构一般不能采用，最常规的处理方法是对平 板零件进行折边加强，如图2 1 4 所示。折边是数控机床防护问钣金零件的主要加 强手段。 图2 1 3 平板上的加强筋图21 4 平板周围的折边 钣金零件的加强结构可以通过合理的进行零件分块来实现，图2 1 5 给出了利 用合理分块提高零件刚度的例子。由以上分析看出，通过合理的钣金零件分块以 及结合零件本身的几何形状巧妙地运用分块技巧可以有效地提高零件的刚度。 图215 对零件进行合理分块以提高零件刚度 数控机床i c a i d 系统的防护阃钣金零件分块设计研究 2 6 钣金零件联接工艺 表2 1 防护间钣金零件的主要联接方式 数控机床防护间钣金零件的联接工艺一般有铆接、焊接和螺纹联接。由于铆 接和焊接的不可拆卸性，因此应用较少，螺纹联接是主要的联接工艺。表2 1 为防 护间钣金零件的主要联接方式，不| 一联接方式的使用对钣金零件的分块尺寸都会 产生影响。 表2 1 中的搭接、窝接、对接和 咬合联接方式都不可避免地会将螺 钉或毛边外露于机床表面( 自由搁置 主要用于机床顶板处遮盖防尘) ，虽 然拆卸方便，但是对机床外观有“破 相”的作用外露于机床表面的螺图2 1 6 内折边联接 硕士学位论文 钉容易藏污纳垢，难于清理，对机床造型的整体 效果会产生破坏作用；外露于机床表面的钣金零 件的毛边不但其漆面容易产生裂纹和脱落，而且 还容易伤手。因此，在不妨碍拆卸的前提下，防 护