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机械设计创新意识和实践能力
机械设计创新意识和实践能力
摘要
传统机械机械零部件的设计和应用中,存在腐蚀、磨损、疲劳断裂、表面剥落、拆后重装失准、加工费时、废料过多、不够人性化等一系列问题,由于运用了新材料、新的热处理和化学处理工艺及新的表面处理技术,腐蚀、磨损、表面剥落等问题在一定程度上获得了解决,但疲劳断裂、拆后重装失准、加工废时和废料过多等问题解决得还远远不够。
为了解决机械零部件设计和应用中仍然存在的问题,我们需要开动脑筋,进行大胆创新。
文章从系统的观念出发,综合运用机械技术、微电子技术,自动化技术,及过控技术在化工生产中的应用。
着重例举了锅炉汽包水位的控制和冷却剂流量和气氨排量的最佳控制方案。
提出了过程自动化控制今后的主要目标,指明了机械设计制造及其自动化的发展方向。
关键词:
机械零部件创新思维创新方向创新方法
目录
第一章前言4
1.1机械零件的创新思维4
第二章机械设计制造及其自动化符合设计原则5
2.1满足对机器的功能要求5
2.2利用先进技术不断创新6
第三章机械零部件的创新方向7
第四章机械自动化系统的优点与效益8
4.1生产能力和工作质量的提高8
4.2使用安全性和可靠性提高9
4.3调整和维修方便,使用性能改善9
4.4具有复合功能,适用面广10
4.5改善劳动条件,有利于自动化生产10
4.6节约能源,减少耗材10
第五章机械设计制造及其自动化的发展方向10
5.1机电一体化10
5.2智能化10
5.3模块化11
5.4网络化11
5.5微型化11
5.6绿色化12
5.7人格化12
第六章结论12
参考文献13
第一章前言
一、机械零部件的创新思维
1、类比思维设计新零部件类比思维就是基于某一个相同点,将外观、性质、用途不完全相同甚至完全不同的事物进行比较分析,从而找出能够达到目的的最佳方案。
如飞机与鸟类、飞机与蜻蜒,由鸟的飞行运动制成了飞机(机翼与鸟翅的类比),飞机高速飞行时机翼产生强烈振动,有人根据蜻蜒羽翅的减振结构设计了飞机的减振装置。
天津一个学生根据小狗爬楼的运动方式创作了狗爬式上楼车等都是类比的结果(其关键之处在于小车前轮与狗的腿在上楼时动作的类比)。
又比如机械手爪,就是与人的手类比而创造出来的。
有人测试出蚊子翅膀振动的频率最高可达600Hz,对蚊子翅膀的结构与相关零部件进行类比研究,或许能帮人类有效解决零部件疲劳损坏的问题。
南京工程学院论文上楼车减振装置
2、发散思维创造新方案发散思维又称辐射思维或求异思维等。
它是以欲解决的问题为中心,思维者打破常规,从不同方向,多角度、多层次地考虑问题,求出多种答案的思维方式。
例如,若提出“将两零部件联结在一起”的问题,常规的办法有螺纹联结、焊接、胶接、铆接等,但运用发散思维思考,可以得到利用电磁力、摩擦力、压差或真空、绑缚、冷冻等方法。
又如根据夹紧的方式有弹力式、螺栓式、压力式等,人类发明出弹簧夹,活动扳手,气压夹具。
发散思维是创造性思维的主要形式之一,在技术创新和方案设计中具有重要的意义。
气压夹具
3、逆向思维走出全新捷径逆向思维也叫求异思维,它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。
敢于“反其道而思之”,让思维向对立面的方向发展,从问题的相反面深入地进行探索,树立新思想,创立新形象。
当大家都朝着一个固定的思维方向思考问题时,而你却独自朝相反的方向思索,这样的思维方式就叫逆向思维。
人们习惯于沿着事物发展的正方向去思考问题并寻求解决办法。
其实,对于某些问题,尤其是一些特殊问题,从结论往回推,倒过来思考,从求解回到已知条件,反过去想或许会使问题简单化。
比如在设计发电机时,你为转子达不到所要求的转速而苦恼时,是不是可以运用逆向思维,让定子也转呢,我国发明家苏卫星正是运用了这一逆向思维发明了“两向旋转发电机”定子也转动,发电效率比普通发电机提高了四倍。
苏卫星说,我来个逆向思维,让定子也“旋转起来”。
这是他得以发明的思维基础,也是他对创造发明思想的一大贡献。
第二章机械设计制造及自动化的符合设计原则
2.1满足对机器的功能要求
任何一种产品都是为满足人们的某种需要而开发的,都必须具有某种主要功能,不同的产品具有不同的主要功能。
概而言之,都能对输入的物质、能量和信息(即所谓工业三大要素)进行某种处理,输出具有所需特性的物质、能量与信息。
因此,机械自动化系统也必须具有对输入的物质、能量和信息进行某种处理,从而输出具有所需特性的物质、能量与信息的主功能。
如图2-1所示:
图2-1机械自动化系统功能示意图
如上所述,机械自动化系统是一个综合的概念,包含了机电一体化技术和机电一体化产品两个方面的内容。
作为产品,又包含着设计、制造和特定的功能以满足使用要求,而功能是由其内部有机联系的结构所决定的。
2.2利用先进技术不断创新
根据产品或系统的主功能不同,可对产品或系统进行分类。
以物料搬运、加工为主。
输入物质、能量和信息,经过加工处理,主要输出改变了位置和形态的物质系统(或产品)称为加工机。
如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。
以能量转换为主,输入能量和信息,输出不同能量的系统(或产品)称为动力机,其中输出机械能的为原动机。
如电动机、水轮机、内燃机等。
以信息处理为主,输入信息和能量。
主要输出某种信息。
如数据、图像、文字、声音等的产品称为信息机。
如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。
机械自动化系统除了具备上述必须的主功能外,还应具体备其它内部功能、即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。
基于上述的功能构成原理,既有利于设计或分析各种机械自动化的产品,又有利于开拓思路,便于创造发明和创新。
例如,根据3种不同的主功能及其不同的输入,组合起来可形成9大类型的系统产品。
如表2-1所示:
表2-1不同主功能及输入的组合
此外,对于不同主功能的加工机构,其运动方式不同,也构成不同用途的机械。
例如,金属切削机床是根据工件与刀具相对运动产生切削作用的原理进行工作的。
因此,工件与刀具的运动方式不同,便产生不同用途的机床。
所以说机械自动化的发展空间非常广阔,具有极大的想向空间,需要我们利用先进技术符合科学原理来不断创新,设计制造出一流的自动化产品。
三、机械零部件的创新方向
1、性能更好,缺陷更少对于零部件在使用过程中表现出来的缺陷,应用创新思维,采取针对性的改进措施来克服,从而提高其性能,是机械零部件创新的方向之一。
这样做,一来能够提升整南京工程学院论文机的使用性能,二来也能提高机器运行中的安全性。
比如汽车的刹车制动装置,现有的汽车在刹车时通常是刹车片从里向外扩张从而抵住轮毂以达到制动目的,这经常导致制动效果不够理想,对此,我们是否可以试着设计从内和外双向同时压紧制动的刹车模式呢?
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又比如,某些场合的大皮带轮,往往在采用辐条式结构之后重量仍然过大,对此,我们完全可以采用同样能够满足强度要求的新型轻型复合材料,而不是一味只知道用铸铁或钢来制造。
2、维护方便,更宜人很多机械零部件在使用和维护过程中经常会出现拆后重装失准的问题,导致零部件更换过于频繁,造成了不必要的浪费;设计不够人性化也是常遇到的问题。
分析发现,前者大多出现在过盈配合以及硬度差别较大的场合,后者大多出现在需要经常与人体接触的零部件上。
对于前者,我想我们有必要尝试着以间隙配合并辅以其他联结方式(比如螺栓联结等)来代替一些过盈配合,对需要可能拆卸的零件配对时尽量使其接触表面硬度接近;对于后者,我们的机械设计人员应当多从宜人的角度,来对某些零部件作一些必要的改进,比如将直接与人手接触的零部件表面的粗糙度降低一些。
3、制造更简单,更高效,成本更低加工废时和废料过多也是当代机械零部件制造过程中经常存在的问题,要解决这个问题我们必须进行创新设计。
首先,要想缩短时间,我们可以试着缩短加工工艺路线,比如将引孔——检验——钻孔——扩孔——倒角——铰孔——检验改为引孔——钻孔——倒角——铰孔——检验,只要采用较大一点直径的钻头,则既可满足要求,又可缩短加工时间。
要节约材料减少废料,我们就要在材料切割时合理的布局,在同一块材料上大小零件搭配布置,并且尽量将有相似边的用料布局在一起。
这样一来,制造更简单,更高效,成本也降低了。
四、机械零部件的创新方法要充分运用机械学理论和方法,包括机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等及计算机辅助分析的不断发展,对设计的关键技术问题能作出很好的处理,一系列新型的设计准则和方法正在形成。
计算机辅助设计(CAD)是把计算机技术引入设计过程,利用计算机完成选型、计算、绘图及其他作业的现代设计方法。
CAD技术促成机械零部件设计发生巨大的变化,并成为现代机械设计的重要组成部分。
目前,CAD技术向更深更广的方向发展,主要表现为以下基于专家系统的智能CAD;CAD系统集成化,CAD与CAM(计算机辅助制造)的集成系统(CAD/CAM);动态三维造型技术;基于并行工程,面向制造的设计技术(DFM);分布式网络CAD系统。
第四章机械自动化系统的优点与效益
随着机械自动化技术的快速发展,机械自动化产品有逐步取代传统机电产品的趋势,与传统机电产品相比,机械自动化产品具有高的功能水平和附加值,它将给开发生产者和用户带来社会、经济效益。
4.1生产能力和工作质量提高
机械自动化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能,其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高,通过自动化控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作,使之不受机械操作者主观因素的影响,从而实现最佳操作,保证最佳的工作质量和较高的产品合格率。
同时,由于机械自动化产品实现了工作自动化,所以生产力大大提高。
例如:
数控机床对工件的加工稳定性大大提高,生产效率比普通机床提高5~6倍。
柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.5~3.5倍,机床数量可减少约50%,节省操作人员约50%,缩短生产周期40%,使加工成本降低50%左右。
此外,由于机械自动化工作方式具有可通过调整软件来适应需求的良好柔性,特别适合于多品种、小批量产品的生产、是缩短产品开发周期、加速更新换代的重要途径。
4.2使用安全性和可靠性提高
机械自动化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。
在工作过程中,遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时,能自动采取保护措施,避免和减少人身与设备事故,显著提高设备的使用安全性,机械自动化产品由于采用电子元器件,减少了机械产品中的可动构件和磨损部件,从而使其具有较高的灵敏度和可靠性。
故障率降低,寿命得到了延长。
4.3调整和维修方便,使用性能改善
机械自动化产品在安装调试时,可通过改变控制程序来实现工作方式的改变,以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。
这些控制程序可通过多种手段输入到机械自动化产品的控制系统中,而不需要改变产品中的任何部件和零件。
对于具有存储功能的机械自动化主品,可以事先存入若干套不同的执行程序,然后根据不同的工作对象,给定一个代码信号输入
即可按指定的预定程序进行自动工作。
机械自动化产品的自动化检验和自动
监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施,使工作恢复正常。
由于机械自动化产品普遍采用程序控制和数字显示,操作按钮和手柄数量显著减少,使得操作大大简化,并且方便、简单。
机械自动化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥,系统可重复实现全部动作。
高级的机械自动化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序,实现自动化最优化操作。
4.4具有复合功能,适用面广
机械自动化产品跳出机电产品单技术、单功能限制,具有复合技术和复合功能,使产品的功能水平和自动化程度大大提高。
机械自动化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能,能应用于不同的场合和不同领域,满足用户需求,应变能力较强。
4.5改善劳动条件,有利于自动化生产
机械自动化产品自动化程度高,是知识密集型和技术密集型产品,是将人们从繁重的体力劳动中解放出来的重要途径,可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化,从而可促进我国四个现代化的实现。
4.6节约能源,减少耗材
节约一次和二次能源是国家的战略目标,也是用户十分关心的问题,机械自动化产品通过采用低能耗驱动机构,最佳的调节控制,以提高设备的能源利用率,可达到明显的节能效果。
同时,由于多种学科的交叉融合,机械自动化系统的许多功能一方面从机械系统转移到微电子、计算机系统,另一方面从硬件系统转移到软件系统,从而使得机械自动化产品系统朝着轻小型方向发展,减少了材料消耗。
所以,无论是生产部门还是使用单位,机械自动化技术和产品的应用,都会带来显著的社会和经济效益。
正因为如此,世界各国,首先是日本、美国、欧洲各国都在大力发展和推动机械自动化技术。
第五章机械设计制造及其自动化的发展方向
我国从20世纪80年代初才开始这方面的工作研究和应用,研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作,并取得了一定的成果。
但与日本等先进国家相比,仍有相当差距。
任何一门科学都是由基础理论、技术和工程系统组成的完善体系。
机械自动化在技术和工程系统方面已有很大的发展,但基础理论方面尚在发展中,还很不完备,所以今后的发展方向是:
5.1机电一体化
机电一体化就是机械自动化的发展和延伸,传统的机械产品只有向机电一体化方向发展,才是机械工业发展的唯一出路。
5.2智能化
智能化是21世纪机械自动化技术发展的一个重要发展方向。
这里所说的“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心里学、生理学和混饨动力学等新思想、新方法、模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得更高的控制目标。
诚然,使机械自动化产品具有低级智能或人的部分智能,则是完全可能而又必要的。
5.3模块化
模块化是一项重要而又艰巨的工程。
由于机械自动化产品种类和生产厂家繁多。
研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机械自动化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。
如研制集减速、智能减速、电动机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元以及各种能完成典型操作的机械装置。
这样,可利用标准单元迅速开发出新的产品,同时也可扩大生产规模。
显然,从电气产品的标准化、系例化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机械自动化单元的企业还是对生产机械自动化产品的企业,模块化将给机械自动化企业带美好的前程。
5.4网络化
20世纪90年代,计算机技术的突出成就是网络技术。
网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们日常生活带来了巨大的变革。
各种网络将全球经济、生产连成一体,企业间的竞争也趋于全球化。
机械自动化的新产品一旦研制出来,只要其功能独道,质量可靠,很快会畅销全球。
由于网络化的普及,基于网络的各种远程控制和监测技术方兴未艾、而远程控制的终端设备本身就是机械自动化产品。
现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势。
利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统,使人们在家里充分享受各种高技术带来的便利和快乐。
因此,机械自动化产品无疑朝着网络化方向发展。
5.5微型化
微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机械自动化向微观领域发展的趋势。
国外将其称为微电子机械系统,或微机械自动化系统,泛指几何尺寸不超过1cm3的机械自动化产品,并向微米、纳米级发展。
微机械自动化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息、等方面具有不可比拟的优势。
微机械自动化发展的瓶颈在于微机械技术,微机械自动化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
5.6绿色化
工业的发达给人们生活带来了巨大的变化。
一方面,物质丰富,生活舒适:
另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染,于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。
绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势,绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害及少,资源利用率最高。
设计绿色的机械自动化产品,具有远大的发展前途。
机械自动化产品的绿色化主要是指使用时不污染环境,报废后能回收利用。
5.7人格化
未来的机械自动化更加注重产品与人的关系,机械自动化的人格化有两层含义.。
一层是机械自动化产品的最终使用对象是人,如何赋予机械自动化的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化,另一层是模仿生物机理、研制各种机械自动化产品,实事上,许多机械自动化产品都是受动物的启发研制出来的。
第六章结论
如果我们在今后的机械零部件设计领域,能够抛弃旧的思维过时的旧方法,很好地运用类比、发散和逆向等创新思维,加上计算机辅助、多学科结合等现代创新方法,针南京工程学院论文对拆后重装失准、加工费时、废料过多、不够人性化等问题进行改进和创新,我相信机械零部件设计领域将会迎来新的美好明天
因为现代机械自动化在设计和制造上具有多功能、高质量、高可靠性,低能耗的意义所以机械的设计、制造、都是围绕着机械自动化来进行的。
机械自动化技术所面临的共性关健技术是传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动化控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。
所以说,机械自动化系统就是机电一体化系统。
机电一体化的发展就是机械自动化的发展,所以广大设计人员应清醒的认识到机械设计制造只有向机械自动化设计制造方向发展,才是机械工业发展的唯一出路。
所以设计人员不能只热衷于技术引进,不能仅仅安心于作为新技术的传播者,而应该作为新技术产业化的创造者。
为机电一体化技术发展开辟广阔的天地。
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