计算机辅助机械产品设计.docx

2.5机械产品成套设计问题（工程工艺）1 引子随着机械设计与制造水平的提升，尤其是生产成本、效益、效率等的提升，在各种工业化生产过程中计算机控制技术的嵌入，在整个工业过程中全部使用机械的生产线快速延伸。大工业化生产带来的集约化优势，越来越凸现其优越性。像钢铁生产的成套连续作业线，汽车生产行业的全自动流水线，轻工业产品（饮料、快餐食品等）生产的流水线等。高效高产高品质等为全线成套设备的设计制造与应用带来挑战。产品成套的需求基础是产品品质、效益与效率、环保与节能等。联合作业机械（连铸连轧、联合收割机、机电一体化机、海产品联合作业系统等）也成为新的发展方向。人们对效益和效率的不断追求，原材料和半成品的性能和生产过程的连续性又密不可分。自动化技术，尤其是微型计算机（电脑）与传感器为核心的控制技术的发展，使得生产过程的连续性得到极大的加强。生产过程的效率、效益、事件与成本控制愈加突显。如路桥施工的并行作业、作业工序及其设备配置的优化组合等。这些对机械产品设计提出新的任务，多道工序的联合作业设备（康拜因联合收割机、联合采煤机、连铸连轧设备等）也成为产品创新的新方向等等。所有的新需求都为讨论机械产品的成套设计提供了很好的前提。2 工程工艺概述对于大工业化生产要面对的问题，本教程将其称为工程工艺问题。这里的工程是指生产、制造等部门用较大而复杂的设备来进行的工作，而工艺是指将原材料或半成品及工程成品的工作、方法、技术等的统称。通过工程工艺的研究可以获得机械产品的设计目标与创新点。工艺流程就是从原料到制成品各项工序安排的程序，即生产过程中各段加工的先后顺序。工程工艺通常以工艺流程的方式来表达。生产过程中各段加工需要的设备，该设备的功能便是机械设计的目标。产品设计整个过程便是要最大限度的满足其目标。下面罗列一些常见的工艺过程（按照功能划分）：矿山工艺：剥离、钻孔、装药、装载、运输、破碎、分级、研磨、分级、选别、脱水、干燥等。冶金工艺：原料入仓、配料、输送、造粒、输送、烧结、配料、输送、冶炼、出钢铁、铸坯等。轧钢工艺：钢坯、输送、加热、输送、轧制、整修、剪裁等。路面工艺：剥离、开挖、运输、路基配料、混合、回填、摊铺、平整、压实、检验、路面配料、运输、摊铺、压实、检验、养护等。建筑工艺：剥离、开挖、运输、建筑基础配料、混合、回填、压实、检验、桩基配料、运输、打桩、钢筋结构成型、混凝土作业、检验、建筑结构成型、墙面装饰、上下水暖、照明、消防等。机制工艺：热加工（木模、铝模、型砂、成型、钢铁溶液、浇铸、清砂等）、冷加工（车、铣、刨、磨、钻、镗、剪、冲等）、检验、处理等对于以上的工艺过程，应该研究其分段原则与各段工作所用设备，以便获得机械产品设计的初始资料和信息，这便是设计目标。通过对工程工艺的研究，总结出工艺的共性，并将其进行参数化，再利用这些参数来设计机械。因为机械与工艺总是紧密联系的，机械在工艺流程中，工艺流程的功能需要机械完成。目的是通过对工艺分析得到基本要素，从而找到新的设计方法，把工艺与机械产品结合在一起，使产品基于工艺又反作用于工艺，可使工艺更科学。传统的机械设计方法与工程工艺之间常常是相互独立的，机械设计人员在设计时不去了解工程工艺流程，从而也不知道工程工艺的要求与需要，也就产生了设计的盲目性。由于机械领域品种繁多，其使用的条件及环境，工艺流程也会不同。设计者只有在设计前预先了解工程工艺流程，才能使产品更符合实际需求。这对没有设计经验者来说是很困难的。传统的设计常常使设计者的思维局限于已有工艺流程对机械的要求，很难有原理性的创新，在实际中机械设计师和工艺师常脱离，因而达不到最优设计，此论文从解决这矛盾出发，查找大量的工程工艺并对工艺进行分析，归纳出基本要素。对于机械工程师来讲，通常是接受任务后，应用现有的机械设计方法，无论是传统的还是创新的，都是从一个具体的机械或机构出发，依据设计手册和个人经验进行设计计算，其中经验的含量特别高。要求设计人员不仅要了解机械设计专业知，而且还要有丰富的设计经验，这样就给设计人员带来了很大的局限性。这显然不符合市场经济发展的要求。在这样的背景下，我们就想到了工程工艺，毕竟所有的机械从宏观角度来说，都是在为工程工艺服务的，希望能从工程工艺的角度出发找到各种机械的共性，从而总结出一种适用于各个专业的具有共性的概念性设计方法，将设计人员从复杂的经验设计计算的限制中解脱出来，提高设计效率，降低成本，提高产品的工作效率。对于需要投入大量人力、物力参与完成的工作的流程。其设计过程根据递推方法常可归结为：施工对象性质（决定）加工方法（决定）加工工艺（决定）机械设备。使用方法：就是为解决某一问题，从实践或理论上所采取的手段和操作的总和。理想化方法：根据科学抽象的纯粹化的和简化的，有意义地突出和强化研究对象的本质因素，并运用逻辑思维和想象力，舍弃次要因素和干扰因素，从而使研究对象或者其过程以某种理想化的纯粹形态出现，以便准确而又简洁地揭示自然事物或现象的性质及规律。传统工程工艺是由专业的工艺师根据工程对象的性质、工程目标以及工程要求等编写的生产加工的方法、过程及所需设备。例如区分是土方工程工艺，还是采矿工程工艺，其本质属性是土方与矿石的物理性质不同，因此目标也不同，自然工艺编写各有特点。工艺师用自身的工程专业知识编写的工艺自然很符合工程的性质，并对一些极为专业的问题能很好解决。然后机械工程师与采购人员根据工艺师编写的要求在市场上选择机械设备来完成工程目标。所选择设计的设备基本上能达到工程要求。在传统的生产设计中机械是不能进行柔性制造的，为降低制造成本，如推土机、铲运机、搅拌机、挖掘机、摊铺机等，都是几种固定的样式。在设计者的心目中推土机就是在拖拉机前面加上一块铁板：即推土板，虽然推土机在土建类施工中运用广泛，但是其适用范围小，只能用于推平、运距在80m范围内的推土、开挖浅基坑、回填、助铲和牵引等。由于推土板的原因，造成推土机生产效率低，能量损失严重等不利因素。因为现在的智能制造系统，能从设计到加工都由计算机系统完成。但这样其设计过程依然是传统的，没有把工艺与机械设计用计算机系统联系起来，缺少实质性的创新。如果能把工程工艺与机械设计有机的结合在一起，则工艺与机械设计都可具有创新性。3 工程工艺中的设备特点机械产品的处理对象可以按照物理、化学、生物等特性进行分类。土壤、岩石、矿物、金属、非金属、植物、动物、粉体、块体、固体、流体等。由处理对象的特性及其处理方式，可以进行机械产品设计、功能选择、方案确定与创新。从工艺的角度讲，设备为专用机械，必须最大限度的满足工艺性能要求。但从机械产品设计及其过程的角度讲，可以将设备的功能要求按照原材料或半成品的特性，如：物理的、几何的、化学的、生物的、数学的，又如：土壤、岩石、矿物、植物、块状、粉状、固体、流体等进行分类。或者按照功能的机械特征，如：运动学、力学、几何学等，行为特征，如：分挖、钻、锯、冲、削、磨等，或者按照和填、堆、压、装等确定机械产品的设计问题。更有甚者，可依据信息论的概念用信息元素与代号来表达产品设计，从而进行计算机处理。1） 专用性与通用性计算机控制下的全自动工艺流程和全自动联合机械设备给机械产品设计带来新的创新空间。为了适应新的变化，机械产品设计者应该研究在机械产品设计及其过程中，工程工艺中的设备的专用性与通用性问题。对工艺来讲，由于处理目标的工艺要求，设备功能参数通常具有专用性特点。对机械产品来讲，由于设备功能的相似，通常具有通用性特点，这使得工艺设计师通常采用选型的方法来解决，并不得不调整工艺参数。人们常说的通用设备主要集中在已经定型且广泛使用的机械产品中（如：汽车等），这些机械产品具有更多的共同特征和功能参数。专用性与通用性实质上是相对的，机械生产者希望通用性，这种希望需要通过创新设计达到，另一方面是用户需求迫使设计者放弃。2） 成套问题为工艺服务的设备一般来说是成套的、专用的，从原料到制成品各项工序安排的程序中，各阶段相应的由设定工艺参数的机械设备来完成，大工业尤其如此。这一方面传统的高等教育的机械专业尤其欠缺。欠缺通盘系统的思维模式，欠缺设备成套及其关联的设计思想和技术方法。主要依赖进口的连铸连轧、面粉、牛奶、饮料等的生产线等就是实例，航空母舰又是一例。3） 设备功能描述功能分解与衔接、联合设备功能描述取决于用户的需求，而用户主要是从工艺参数提取的需求。机械设计师要将用户参数转换为机械产品设计使用的参数表达方式。设备功能应包括主功能与辅功能，并按照机械产品的一般划分，归为工作机构、传动系统、动力源、控制与辅助等几部分。成套设备的总功能与性能主要体现在子功能及其协同合作方面产生的效果上。也就是工艺的性能以及生产的产品的性能方面。子功能的协同、合作、互补等满足工艺性能是最根本的。4） 自动化与协调随着微电子技术、计算机技术、信息技术的渗透，机械产品的功能进一步组合、设备的成套能力快速加强，对于越来越复杂的单机，对于更加庞大的成套系统，集中管理、分层控制、运行监测等都和机械产品设计过程密切相连。必须协调机械、液压、强电、微电、光电、硬件控制与软件控制等的一系列综合问题。5） 工艺设计与机械设计的协调根据原材料或半成品的特性及其加工处理要求、工艺特征获得机械产品的设计目标、设计参数等。由此便要研究分段原则与各段工作所用设备，根据机械产品设计的规律及其机械的基本定义（减轻劳动强度、提高劳动生产率），对工艺提出更改意见与建议。如：钢冶工艺的连铸连轧，矿业工艺的联合采掘机，热加工工艺的挤压砂型流水线等体现了多段工艺的合成。也就是说，机械产品设计师应该与工程工艺师联合作业相互协调。通过工艺研究提出机械产品功能参数，已确定产品设计。通过产品设计的特点提出工艺设计的改进方式，以优化工艺过程，获得最佳产品。产品设计应尽量采用当时最先进的技术、材料、加工工艺等。采用先进技术是关键，如现代的各种控制技术、计算机技术、成套技术等。而尽可能采用成套的功能组合机械，使多个工艺段合为一台（套）自动化的设备是当前机械产品设计的趋势。4 工业系统与成套设备一般说来，工业是指采取自然物质资源，制造生产资料、生活资料，或对农产品、半成品的等进行加工的生产事业。工业体系主要包括：原材料开采、加工、机械、冶金、建筑、交通、通讯、重工业、轻工业、现代农业、金融、服务等。涉及到的知识及其知识架构如： 工业工程：工业系统设计问题（项目策划与规划） 工业设计：产品系统设计问题（人机关系与环境） 工程设计：产品系统的具体设计与实现问题(机械设计及理论) 机械制造及自动化：产品系统的实现问题（制造方法与项目管理） 机械工程管理：项目策划与管理（人员、设备、