机械创新设计结构创新设计.pptx

结构创新设计结构创新设计6.2 6.2 结构变异创新设计方法结构变异创新设计方法6.3 6.3 结构组合创新设计方法结构组合创新设计方法6.4 6.4 引入新的结构要素引入新的结构要素6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念第1页/共64页6.2 结构结构变异变异创新设计方法创新设计方法创造性思维在机械结构设计中的重要应用之一就是结构方案的变异设计方法。它能使设计者从一个已知的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案。通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者得到多个局部最优解，再通过对这些局部最优解的分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。变异设计的目的寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进行参数优化设计，通过变异设计所得到的独立的设计方案数量越多，覆盖的范围越广泛，通过优化得到全局最优解的可能性就越大。变异设计的基本方法首先通过对结构设计方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技术要素的构成，然后再分析每一个技术要素的取值范围，通过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合，就可以得到足够多的独立的结构设计方案。一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状，零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。第2页/共64页工作表面工作表面的变异的变异 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中与其他零部件相接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面称为功能表面。零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几个方面参数的变异，可以得到多组构型方案。工作面工作面功能面功能面第3页/共64页例如要实现用弹簧产生的（弹）压紧力压紧某零件，使其保持确定位置。设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭簧、板簧，被压紧的零件形状可以有平面、圆柱面、球面、螺旋面，通过对这些因素的组合可以得到如表所示的多种方案。其中压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳，如确需使用较大的压缩距离则应设置导向结构，拉簧因无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与摇杆及绳索等配合使用；板簧通常刚度较大，可在较小的变形条件下产生较大的压紧力。第4页/共64页导向结构导向结构绳索摇杆摇杆螺纹螺纹“面面”弹簧弹簧第5页/共64页螺螺钉钉用用于于联联接接时时需需要要通通过过螺螺钉钉头头部部对对其其进进行行拧拧紧紧，而而变变换换旋旋拧拧功功能能面面的的形形状状、数数量量和和位位置置（内内外外）可可以以得得到到螺螺钉钉头头的的多多种种设设计计方方案案。图图所所示示有有1212种种方方案案，其其中中前前三三种种头头部部结结构构使使用用一一般般扳扳手手拧拧紧紧，可可获获得得较较大大的的预预紧紧力力，但但不不同同的的头头部部形形状状所所需需的的最最小小工工作作空空间（间（扳手空间扳手空间）不同；不同；v滚滚花花型型和和元元宝宝型型钉钉头头用用于于手手工工拧拧紧紧，不不需需专专门门工工具具，使使用用方方便便；第第6 6、7 7、8 8种种方方案案的的扳扳手手作作用用在在螺螺钉钉头头的的内内表表面面，可可使使螺螺纹纹联联接接件件表表面面整整齐齐美美观观；最最后后四四种种分分别别是是用用“十十字字”型型螺螺丝丝刀刀和和“一一字字”型型螺螺丝丝刀刀拧拧紧紧的的螺螺钉钉头头部部形形状状，所所需需的的扳扳手手空空间间小小，但但拧拧紧紧力力矩矩也也小小；可可以以想想像像，还还有有许许多多可可以以作作为为螺螺钉钉头头部部形形状状的的设设计计方方案案，实实际际上上所所有有的的可可加加工工表表面面都都是是可可选选方方案案，只只是是不不同同的的头头部部形形状状需需要要用用不不同同的的专专用用工工具具拧拧紧紧，在在设设计计新新的的螺螺钉钉头头部部形形状状方方案案时时要要同同时时考考虑虑拧拧紧紧工工具具的的形形状状和和操操作作方方法法。第6页/共64页 机器上的按键外形通常为方形或圆形，这种形状的按键在控制面板上占用较大的面积。为减小电话手机的体积，有人做出如图所示的手机面板设计，面板上的每个按键的宽度为10mm，相邻两键的间距为2mm。如采用方形或圆形按键，则每行按键所占用的最小面板宽度为34mm，由于采用三角形按键，使最小宽度缩小为24mm，比原方案减小29%。第7页/共64页 在所示的结构中，挺杆2与摇杆1通过一球面相接触，球面在挺杆上。当摇杆的位置变化时，摇杆端面与挺杆球面接触点的法线方向随之变化，由于法线方向与挺杆的轴线方向不平行，挺杆与摇杆间作用力的压力角不等于零，所以会产生横向推力，这种横向推力需要挺杆与导轨之间的反力与之平衡。当挺杆的垂直位置较高时，这种反力产生的摩擦力的数值会超过球面接触点的有效轴向推力，因而造成挺杆运动卡死。如果将球面改 在摇杆上，如图 所示，则接触面上的 法线方向始终 平行于挺杆轴 线方向，不产 生横向推力。第8页/共64页 在图中所示的V形导轨结构中，上方零件为凹形，下方零件为凸形，在重力作用下摩擦表面上的润滑剂会自然流失，如果改变凸凹零件的位置，使上方零件为凸形，下方零件为凹形，如图b所示，则可以有效地改善导轨的润滑状况。含油位置变换第9页/共64页 棘轮机构的变异设计分析棘轮机构的变异设计分析 待设计的棘轮机构如图所示，棘爪头部的平面与棘轮齿形平面互相接触，是棘轮机构的工作表面。通过变换功能面的形状可得到如图所示的多种结构方案，其中方案a和方案c用于单向传动，方案b的棘轮可用于双向传动，方案c功能面能承担较大的载荷，应用较普遍，但承载能力对制造误差较敏感。第10页/共64页棘轮机构的变异设计分析棘轮机构的变异设计分析通过变换功能面的数量可得到如图所示的多种结构方案，图中方案a通过减小轮齿尺寸使轮齿的齿数增多，由于齿数增加使传动的最小反应角度减小，传动精度提高；方案b不改变棘轮的形状，而通过增加棘爪数量的方法起到在不降低承载能力的前提下提高传动精度的作用；方案c和方案d通过两个棘爪同时受力的方法提高了承载能力。第11页/共64页如图所示为通过变换功能面的位置得到的多种结构方案，图中方案a为内棘轮结构，通过将棘爪设置在棘轮内的方法减小了结构尺寸；方案b为轴向棘轮结构，这种结构只有在空间条件允许的条件下才能应用。如图所示为通过变换工作面的尺寸得到的多种结构方案。棘轮机构的变异设计分析棘轮机构的变异设计分析v将以上这些要素进行交叉组合变换可以得到更多的结构方案，这些方案各有其优缺点，通过对这些方案各自特点的分析并结合具体的应用条件可以从中确定较好的结构方案。第12页/共64页轴毂轴毂连接结构连接结构的变异的变异 机器中的零部件通过各种各样的联接组成完整的机器。机器由零件组成，一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联接方式限制零件的某些自由度，保留机器的功能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。联接的作用是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面的接触实现的，不同形式的联接由于相接触的工作表面形状不同，表面间所施加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。第13页/共64页 以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的联接对相对运动自由度的限制可能有以下几种情况：1固定联接，联接后轴与轮毂完全固定，不具有相对运动自由度，通常的轴毂联接多为这种情况，这种轴毂联接需要限制6个相对运动自由度。2滑动联接，联接后轮毂可在轴上滑动，其他相对运动自由度被限制。例如齿轮变速机构中的滑移齿轮与轴的联接就属于这种联接。这种轴毂联接需要限制5个相对运动自由度。3转动联接，联接后轮毂可在轴上绕轴线转动，其他相对运动自由度被限制。例如齿轮箱中为解决润滑问题设置的油轮与固定心轴的联接就属于这种情况。这种轴毂联接也需要限制5个相对运动自由度。4移动、转动联接，联接后轮毂在轴上既可以移动，又可以绕轴线转动，其他相对运动自由度被限制。这种联接应用较少，例如有些汽车变速箱中的倒档齿轮与固定心轴的联接属于这种情况。这种轴毂联接需要限制4个相对运动自由度。第14页/共64页 第一种情况为固定式联接，限制条件少，所有满足可加工性和可装配性条件的表面形状都可以作为这种轴毂联接的表面形状，通过变换用以限制零件间相对运动自由度的方法和结构要素可以得到多种轴毂联接方式。按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂联接分为：形锁合联接和力锁合联接。形锁合联接要求被联接表面为非圆形，可以是如图78所示的三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面，但是由于非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更困难，所以这些形状的截面实际应用较少。由于圆形截面加工较容易，所以非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽或钻孔等方法产生，通过变换这些平面、槽或孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就形成不同形式的轴毂联接。第15页/共64页 第二种情况滑动联接由于轮毂要相对于轴移动，所以轴表面必须是除完整圆柱面以外的其他柱面，通过改变轴的截面形状可以形成不同的联接形式，常用的有滑键联接、导键联接、花键联接和特形柱面联接（如方形轴联接）等。第三种情况转动联接和第四种情况移动、转动联接的联接中由于轮毂要相对于轴转动，所以联接中轴的截面形状必须是圆形，第四种情况由于轮毂要相对于轴移动，所以联接中轴的表面形状必须是柱面（不能是锥面），第三种情况下考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面，综合这两点分析，这两种联接中的轴表面形状为圆柱面。第16页/共64页形锁合力锁合第17页/共64页联轴器连接方式联轴器连接方式变异变异材料的变异在弹性联轴器的设计中需要选择弹性元件的材料，由于所选弹性元件材料的不同，使得联轴器的结构变化很大，对联轴器的工作性能也有很大的影响。可选作弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等套筒联轴器刚性精度高第18页/共64页形状变异形状变异轴2轴1第19页/共64页 6.3 6.3 结构组合创新设计方法结构组合创新设计方法组合创新同类组合双人自行车双体船多楔带大尺寸螺钉预紧异类组合多头螺丝刀组合机床功能附加组合自行车货架+车筐+车灯+后视镜材料组合V带多种材料组合钢筋+水泥+沙子建筑材料第20页/共64页 6.4 6.4 引入新的结构要素引入新的结构要素弹性（柔性）结构空气压缩机配气机构无摩擦、无间隙，运动精度高第21页/共64页对对于于需需要要经经常常拆拆卸卸的的零零部部件件结结构构不不但但应应使使联联接接可可靠靠，还还应应使使拆拆卸卸操操作作尽尽量量方方便便。为为使使联联接接具具有有一一定定的的使使用用寿寿命命，应应使使联联接接结结构构在在安安装装和和拆拆卸卸过过程程中中的的磨磨损损尽尽量量小小。为为保保护护人人类类赖赖以以生生存存和和发发展展的的世世界界环环境境，近近年年来来兴兴起起的的绿绿色色设设计计理理念念也也要要求求人人们们使使用用的的各各种种设设施施和和装装备备不不但但在在使使用用期期内内能能满满足足人人们们对对它它的的各各种种功功能能要要求求，而而且且在在报报废废后后能能方方便便地地将将其其拆拆卸卸分分解解，以以利利于于各各种种有有用用成成分分的的回回收收再再利利用用，减减少少对对环环境境的的破破坏坏。近近年年来来在在设设计计中中越越来来越越多多的的被被采采用用的的快快动动联接结构较好地满足了这些要求。联接结构较好地满足了这些要求。6.4 6.4 引入新的结构要素引入新的结构要素 快速连接结构第22页/共64页 快快动动联联接接结结构构通通过过零零件件的的弹弹性性变变形形达达到到联联接接的的目目的的，结结构构简简单单，便便于于操操作作。如如图图所所示示为为螺螺纹纹联联接接结结构构（图（图a a）和经改进的快动联接结构（图）和经改进的快动联接结构（图b b）对照图。）对照图。第23页/共64页 快动联接结构要求联接件具有较好的弹性，多采用塑料或薄钢板材料，如采用其他材料应通过合理的结构设计减小联接件的刚度，图所示的即为一组这样的结构。第24页/共64页另一组可快速装配的联接结构另一组可快速装配的联接结构定位槽防止两半螺母松开衬套变形抱住销钉销钉过盈装入快速插入最后拧紧1/4圈斜面压紧第25页/共64页组组合合结结构构是是指指通通过过合合理理的的结结构构设设计计，将将多多个个零零件件的的功功能能组组合合到到一一个个零零件件上上，起到减少零件数量，便于装配，降低成本的目的。起到减少零件数量，便于装配，降低成本的目的。为为防防止止螺螺纹纹联联接接的的松松脱脱，通通常常需需要要采采取取防防松松措措施施。弹弹簧簧垫垫圈圈是是一一种种被被广广泛泛应应用用的的放放松松装装置置，它它需需要要在在安安装装螺螺钉钉或或螺螺母母的的同同时时安安装装弹弹簧簧垫垫圈圈，图图中中所所示示的的螺螺钉钉集集成成结结构构将将螺螺钉钉、垫垫片片和和弹弹簧簧垫垫圈圈的的功功能能集集成成在在一一个个零零件件上上，减减少了零件数量，方便了装配。少了零件数量，方便了装配。6.4 6.4 引入新的结构要素引入新的结构要素 组合结构四合一第26页/共64页图中所示为某包装机中的一个支架构件。图a所示为原设计，由11个零件组成。图b为改进设计，将所有结构组合在一个零件上，零件精密铸造后一次加工成形，大大地节省了加工工时，降低了成本。第27页/共64页按通常的结构设计方法，指甲刀应具有图中所示的结构。通过将多个零件的功能集中到少量零件上的组合设计方法，指甲刀改为图b所示结构。第28页/共64页 图所示为三种自攻螺钉结构 它们或将螺纹与丝锥的结构集成在一起，或将螺纹与钻头的结构集成在一起，使螺纹联接结构的加工和安装更方便。第29页/共64页智能结构智能结构应用智能材料所制造的结构。应用智能材料所制造的结构。感知材料感知材料对外界刺激具有感知功能对外界刺激具有感知功能传感器传感器机敏材料机敏材料输入信息刺激，产生机械动作输入信息刺激，产生机械动作智能材料智能材料外界环境变化，产生机械动作外界环境变化，产生机械动作6.4 6.4 引入新的结构要素引入新的结构要素 智能结构第30页/共64页自加强自加强高压容器灌口密封结构高压容器灌口密封结构6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法油高压区多级杠杆下来第31页/共64页自稳定自稳定 6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第32页/共64页自补偿自补偿 6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法测头与量具体分离，采用不同膨胀系数材料，减少测量误差第33页/共64页自平衡自平衡6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法离心力抵消介质作用力产生的弯矩第34页/共64页自适应自适应6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第35页/共64页载荷分担载荷分担6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第36页/共64页阿贝原则阿贝原则 若使若使量器量器给出正确给出正确测量结果，必须将仪器测量结果，必须将仪器的的读数线尺读数线尺安放在安放在被被测尺寸测尺寸的的延长线延长线上。上。6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第37页/共64页合理配置精度合理配置精度 在机床主轴结构主轴结构设计中，设计中，提高主轴前端（工作端）的提高主轴前端（工作端）的 旋转精度是很重要的设计目旋转精度是很重要的设计目 标，主轴前支点轴承和主轴标，主轴前支点轴承和主轴 后支点轴承的精度都会影响后支点轴承的精度都会影响 主轴前端的旋转精度，但是主轴前端的旋转精度，但是 影响的程度不相同。影响的程度不相同。经过分析前支点的误差对经过分析前支点的误差对主轴前端的精度影响较主轴前端的精度影响较大大，所以在，所以在主轴结构设计中通常将前支点的轴承主轴结构设计中通常将前支点的轴承精度选择得比后支点高一个等级。精度选择得比后支点高一个等级。6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第38页/共64页利用误差传递规律利用误差传递规律 在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误差，传动件在传递必要的运动的同时也不可避免地将误差传递给下一级传动件。在最后一级选择较大传动比，并选择较高的精度即可改善。6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第39页/共64页误差均化误差均化制造和安装过程中产生的误差是不可避免的，通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。试验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。图中所示为千分尺的测量误差与其螺距误差的对比图，图a为千分尺的累积测量误差，图b为通过万能工具显微镜测得的该千分尺螺杆的螺距累积误差。这一试验说明了关于机械精度的均化原理：在机构中如果有多个联接点同时对一种运动起限制作用，则运动件的运动误差决定于各联接点的综合影响，其运动精度高于一个联接点的限制作用。在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈数，使多圈螺纹同时起作用，不但可以提高螺旋传动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第40页/共64页零件分割零件分割6.5 6.5 引入新的逻辑方法引入新的逻辑方法第41页/共64页宜人化设计宜人化设计工具改进工具改进6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念第42页/共64页 大多数机器设备要由人操作，在早期的机械设计中设计者认为通过大多数机器设备要由人操作，在早期的机械设计中设计者认为通过选拔和训练可以使人适应任何复杂的机器设备。随着设计和制造水平的提选拔和训练可以使人适应任何复杂的机器设备。随着设计和制造水平的提高，机器的复杂程度、工作速度及其对操作人员的知识和技能水平的要求高，机器的复杂程度、工作速度及其对操作人员的知识和技能水平的要求越来越高，人已经很难适应这样的机器，由于操作不当造成的事故越来越越来越高，人已经很难适应这样的机器，由于操作不当造成的事故越来越多。据统计，在第二次世界大战期间美国飞机所发生的飞行事故中有多。据统计，在第二次世界大战期间美国飞机所发生的飞行事故中有9090是由于是由于人为因素人为因素造成的。通过这些事实使人们认识到不能要求操作者无造成的。通过这些事实使人们认识到不能要求操作者无限制地适应机器的要求，而应使机器的操作方法适应人的生理和心理特点，限制地适应机器的要求，而应使机器的操作方法适应人的生理和心理特点，只有这样才能使操作者在最佳的生理及心理状态下工作，使人和机器所组只有这样才能使操作者在最佳的生理及心理状态下工作，使人和机器所组成的人一机系统发挥最佳效能。成的人一机系统发挥最佳效能。以下分别分析设计中考虑以下分别分析设计中考虑操作者操作者的的生理生理和和心理特点心理特点应遵循的基本应遵循的基本原则，它不但是进行创新结构设计的原则，同时也可为创新结构设计提供原则，它不但是进行创新结构设计的原则，同时也可为创新结构设计提供启示。对现有机械设备及工具的宜人化改进设计是创新结构设计的一种有启示。对现有机械设备及工具的宜人化改进设计是创新结构设计的一种有效方法。效方法。第43页/共64页适合人的生理特点的结构设计1减少疲劳的设计减少疲劳的设计 人人体体在在操操作作中中靠靠肌肌肉肉的的收收缩缩对对外外做做功功，做做功功所所需需的的能能量量物物质质（糖糖和和氧氧）要要依依靠靠血血液液输输送送到到肌肌肉肉。如如果果血血液液不不能能输输送送足足够够的的氧氧，则则糖糖会会在在无无氧氧或或缺缺氧氧的的状状态态下下进进行行不不完完全全分分解解，不不但但释释放放出出的的能能量量少少，而而且且会会产产生生代代谢谢中中间间产产物物乳乳酸酸。乳乳酸酸不不易易排排泄泄，乳乳酸酸在在肌肌肉肉中中的的积积累累会会引引起起肌肌肉肉疲疲劳劳、疼疼痛痛、反反应应迟迟钝钝。长长期期使使某某些些肌肌肉肉处处于于这这种种工工作作状状态态会会对对肌肌肉肉、肌肌健健、关关节节及及相相邻邻组组织织造造成成永永久久性性损损害害，机机械械设设计计应应避避免免使使操操作作者者在在这这样样的的状状态态下下工工作作。前前表表所所示示的的几几种种常常用用工工具具改改进进前前的的形形状状因因为为使使某某些些肌肌肉肉处处于于静静态态施施力力状状态态，不不适适宜宜长长时时间间使使用用，改改进进后后使使操操作作者者的的手手更更趋趋于于自自然然状状态态，减减少少或消除了肌肉的静态施力状况或消除了肌肉的静态施力状况，使得长时间使用不易疲劳。，使得长时间使用不易疲劳。第44页/共64页2容易发力容易发力的设计的设计 操作者在操作机器时需要用力，人在处于不同姿势、向不同方向操作者在操作机器时需要用力，人在处于不同姿势、向不同方向用力时发力能力差别很大。试验表明人手臂发力能力的一般规律是用力时发力能力差别很大。试验表明人手臂发力能力的一般规律是右右手手发力发力大大于左手，于左手，向下向下发力发力大大于向于向上上发力，发力，向内向内大大于向于向外外，拉拉力大力大于于推推力，力，沿手臂沿手臂方向方向大大于于垂直手臂垂直手臂方向。方向。人以人以站站立立姿势操作时手臂所能施加的操纵力明显姿势操作时手臂所能施加的操纵力明显大大于坐姿，但是于坐姿，但是长时间长时间站立站立容易容易疲劳疲劳，站立操作的动作，站立操作的动作精度精度比坐姿比坐姿操作的精度操作的精度低低。在设计需要人操作的机器时，首先要选择操作者的在设计需要人操作的机器时，首先要选择操作者的操作姿势操作姿势，一，一般优先选择般优先选择坐坐姿姿，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，或需要手脚并用的操作。当需要施加或需要手脚并用的操作。当需要施加较较大大的操纵的操纵力力，或需要的操作动，或需要的操作动作作范围较范围较大大，或因，或因操作空间狭操作空间狭小小，无容膝空间时可以选择，无容膝空间时可以选择立立姿。操纵姿。操纵力的施加方向应选择人容易发力的方向。施力的方式应避免使操作者力的施加方向应选择人容易发力的方向。施力的方式应避免使操作者长时间保持一种姿势，当操作者必须以不平衡姿势进行操作时应为操长时间保持一种姿势，当操作者必须以不平衡姿势进行操作时应为操作者设置辅助支撑物。作者设置辅助支撑物。第45页/共64页适合人的心理特点的结构设计适合人的心理特点的结构设计 对复杂的机械设备，操作者要根据设备的运行状况随时对其进行调整，操作对复杂的机械设备，操作者要根据设备的运行状况随时对其进行调整，操作者对设备工作情况的正确判断是进行正确的调整操作的基本条件之一。者对设备工作情况的正确判断是进行正确的调整操作的基本条件之一。1 1减少观察错误减少观察错误的设计的设计 在由人和机器组成的系统中人起着对系统的工作状况进行调节的在由人和机器组成的系统中人起着对系统的工作状况进行调节的“调节器调节器”的作用，人的正确调节来源于人对机器工作情况的正确了解和判断，所以在人一机的作用，人的正确调节来源于人对机器工作情况的正确了解和判断，所以在人一机系统设计中使操作者能够及时、正确、全面地了解机器的工作状况是非常重要的。系统设计中使操作者能够及时、正确、全面地了解机器的工作状况是非常重要的。在显示仪表的设计中应使操作者观察方便，观察后容易正确地理解仪表显示在显示仪表的设计中应使操作者观察方便，观察后容易正确地理解仪表显示的内容，这要通过正确地选择仪表的显示形式、仪表的刻度分布、仪表的摆放位置的内容，这要通过正确地选择仪表的显示形式、仪表的刻度分布、仪表的摆放位置以及多个仪表的组合实现。以及多个仪表的组合实现。仪表的刻度排列方向应符合操作者的认读习惯，圆形和半圆形应以顺时针方仪表的刻度排列方向应符合操作者的认读习惯，圆形和半圆形应以顺时针方向为刻度值增大方向，水平直线式应以从左到右的方向为刻度值增大方向，垂直直向为刻度值增大方向，水平直线式应以从左到右的方向为刻度值增大方向，垂直直线式应以从下到上的方向为刻度值增大方向。线式应以从下到上的方向为刻度值增大方向。仪表摆放位置的选择应以方便认读为标准。试验证明当视距为仪表摆放位置的选择应以方便认读为标准。试验证明当视距为 80 cm80 cm时水平时水平方向最佳认读区域在方向最佳认读区域在200200范围内，超过范围内，超过240240后正确认读时间显著增大；垂直方向后正确认读时间显著增大；垂直方向的最佳认读区域为水平方向与水平线以下的最佳认读区域为水平方向与水平线以下150150范围内。重要的仪表应摆放在视区中范围内。重要的仪表应摆放在视区中心，相关的仪表应分组集中摆放，有固定使用顺序的仪表应按使用顺序摆放。心，相关的仪表应分组集中摆放，有固定使用顺序的仪表应按使用顺序摆放。第46页/共64页第47页/共64页第48页/共64页 2 2减少操作错误减少操作错误的设计的设计 人在了解机器工作状况的前提下通过操作对机器的工作进行必要的人在了解机器工作状况的前提下通过操作对机器的工作进行必要的调整，使其在更符合操作者意图的状态下工作。人通过控制器对机器进行调整，使其在更符合操作者意图的状态下工作。人通过控制器对机器进行调整，通过反馈信息了解调整的效果。控制器的设计应使操作者在较少视调整，通过反馈信息了解调整的效果。控制器的设计应使操作者在较少视觉帮助或无视觉帮助下能够迅速准确地分辨出所需的控制器，在正确了解觉帮助或无视觉帮助下能够迅速准确地分辨出所需的控制器，在正确了解机器工作状况的基础上对机器做出适当的调整。机器工作状况的基础上对机器做出适当的调整。首先应使操作者分辨出所需的控制器。首先应使操作者分辨出所需的控制器。通过控制器的通过控制器的大小大小来来分辨分辨不同的控制器也是一种常用的方法。为能不同的控制器也是一种常用的方法。为能准确地分辨出不同的控制器，应使不同的控制器之间的尺寸差别足够明显。准确地分辨出不同的控制器，应使不同的控制器之间的尺寸差别足够明显。试验表明旋钮直径差为试验表明旋钮直径差为12125 mm5 mm，厚度差为，厚度差为 10 mm10 mm时，人能够通过触觉准时，人能够通过触觉准确地分辨。确地分辨。控制器的控制器的操作操作应有一定的应有一定的阻力阻力，操作阻力可以为操作过程提供反馈，操作阻力可以为操作过程提供反馈信息，提高操作过程的稳定性和准确性，并可防止因无意碰撞引起的错误信息，提高操作过程的稳定性和准确性，并可防止因无意碰撞引起的错误操作。操作。为减少操作错误，控制器的设计还要考虑与显示器的关系。为减少操作错误，控制器的设计还要考虑与显示器的关系。第49页/共64页第50页/共64页绿色设计绿色设计1 1）材料选择）材料选择低能耗、低成低能耗、低成本、低污染，好回收本、低污染，好回收2 2）延长使用寿命）延长使用寿命恢复工作恢复工作状态状态3 3）可拆卸设计）可拆卸设计拆卸工具空拆卸工具空间间4 4）回收设计）回收设计容易分离容易分离骨骨架油封骨架位置架油封骨架位置5 5）包装设计）包装设计包装材料包装材料6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念第51页/共64页方便装配的设计方便装配的设计1 1）避免装配错误）避免装配错误6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念第52页/共64页 例如图所示的两个圆柱销的外形尺寸完全相同，只例如图所示的两个圆柱销的外形尺寸完全相同，只是材料及热处理方式不同，这在装配过程中无论是人或是是材料及热处理方式不同，这在装配过程中无论是人或是自动化的机器都很难区别，装错的可能性极大。如果改为自动化的机器都很难区别，装错的可能性极大。如果改为图图b b的结构，使的结构，使两个两个零件的零件的外形尺寸有明显的差别外形尺寸有明显的差别，使得，使得错误的装配不能实现，这就错误的装配不能实现，这就避免了发生装配错误避免了发生装配错误的可能性。的可能性。第53页/共64页方便装配的设计方便装配的设计2 2）减少拆卸（维修）难度）减少拆卸（维修）难度6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念第54页/共64页方便装配的设计方便装配的设计2 2）减少拆卸（维修）难度）减少拆卸（维修）难度6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念 机械设备中的某些零部件由于材料或结构的关系使用寿命较低，这些零部件在设备的使用周期内需要多次更换，结构设计中要考虑这些易损零件更换的可能性和方便程度。例如V带传动中带的设计寿命较低，需要经常更换。V带是无端带，如果将带轮设置在两固定支点间，则每次更换带时都需要拆卸并移动支点，为此通常将带轮设置在轴的悬臂端。图中所示的弹性套柱 销联轴器的弹性元件由于使用 橡胶材料所以寿命较低，联轴 器两端通常联接较大设备，更换弹性元件时很难移动这些设备，结构设计时应为弹性元件的拆卸和装配留有必要的空间。第55页/共64页方便装配的设计方便装配的设计3 3）装配关系独立）装配关系独立6.6 6.6 引入新的设计理念引入新的设计理念 在机械设计中很多设计参数是依靠调整过程实现的，当对机器进行维修时要破坏某些经过调整的装配关系，维修后需要重新调整这些参数，这就增加了维修工作的难度。结构设计中应减少维修工作中对已有装配关系的破坏，使维修更容易进行。图中所示轴承座结构的装配关系不独立，更换轴承时不但需要破坏轴承盖与轴承座的装配关系，而且需要破坏轴承座与机体的装配关系。图b的结构中轴承座与机体的装配关系和轴承盖与轴承座的装配关系互相独立，更换轴承时不需要破坏轴承座与机体的装配关系。第56页/共64页（1 1）方便装卡）方便装卡 大量的零件要经过机械大量的零件要经过机械切削加工工艺切削加工工艺过程，多数机过程，多数机械切削加工过程首先要对零件进行装卡。结构设计要根据械切削加工过程首先要对零件进行装卡。结构设计要根据机械切削加工机床的设备特点，为装卡过程提供必要的机械切削加工机床的设备特点，为装卡过程提供必要的夹夹持面持面，夹持面的形状和位置应使零件在切削力的作用下具，夹持面的形状和位置应使零件在切削力的作用下具有足够的刚度，零件上的被加工面应能够通过尽量少的装有足够的刚度，零件上的被加工面应能够通过尽量少的装卡次数得以完成。如果能够通过一次装卡对零件上的多个卡次数得以完成。如果能够通过一次装卡对零件上的多个相关表面进行加工，这将有效地提高加工效率。相关表面进行加工，这将有效地提高加工效率。第57页/共64页 在图利所示的顶尖结构中，图在图利所示的顶尖结构中，图a a结构只有两个圆锥结构只有两个圆锥表面，用卡盘无法装卡；在图表面，用卡盘无法装卡；在图b b的结构中增加了一个圆柱的结构中增加了一个圆柱形表面，这个表面在零件工作中不起作用，只是为了实现形表面，这个表面在零件工作中不起作用，只是为了实现工艺过程而设置的，这种表面称为工艺表面工艺过程而设置的，这种表面称为工艺表面。第58页/共64页 图所示的轴结构中，图图所示的轴结构中，图a a将轴上的两个键槽沿周向成将轴上的两个键槽沿周向成90900 0布布置，这两个键槽必须两次装卡才能完成加工；图置，这两个键槽必须两次装卡才能完成加工；图b b的结构中将两的结构中将两个键槽布置在同一周向位置，使得可以一次装卡完成加工，方个键槽布置在同一周向位置，使得可以一次装卡完成加工，方便了装卡，提高了加工效率。便了装卡，提高了加工效率。第59页/共64页 图所示为立式钻床的床身结构，床身左侧为导轨，需要精加工，床身右侧没有工作表面，不需要切削加工。在图a的结构中没有可供加工导轨工作表面使用的装卡定位表向；在图b的结构中虽然设置了装卡定位表面，但是由于表面过小，用它定位装卡在加工中不能使零件获得足够的刚度；在图c的结构中增大了定位面的面积，并在上部增加了工艺脐，作为定位装卡的辅助支撑，由于工艺脐在钻床工作中没有任何作用，通常在加工完成后将其去除。第60页/共64页 （2 2）方便加工）方便加工 切削加工所要形成的几何表面的数量。种类越多，切削加工所要形成的几何表面的数量。种类越多，加工所需的工作量就越大，结构设计中加工所需的工作量就越大，结构设计中尽量减少加工表面尽量减少加工表面的数量的数量和和种类种类是一条重要的设计原则。是一条重要的设计原则。例如例如齿轮箱齿轮箱中同一轴系两端的中同一轴系两端的轴承受力轴承受力通常通常不相等不相等，但是如果将两轴承选为不同型号，两轴承孔成为两个不同但是如果将两轴承选为不同型号，两轴承孔成为两个不同尺寸的几何表面，尺寸的几何表面，加工工作量加工工作量将加大。为此通常将轴系将加大。为此通常将轴系两两端轴承端轴承选为选为相同型号相同型号。如必须将其选为不同尺寸的轴承时。如必须将其选为不同尺寸的轴承时可在尺寸较小的轴承外径处可在尺寸较小的轴承外径处加装套杯加装套杯。第61页/共64页 （2 2）方便加工）方便加工 图所示的箱形结构顶面有两个不平行平面，要通过两次装卡才图所示的箱形结构顶面有两个不平行平面，要通过两次装卡才能完成加工；图能完成加工；图b b将其改为两个平行平面，可以一次装卡完成加工；将其改为两个平行平面，可以一次装卡完成加工；图图c c将两个平面改为平行而且等高，可以将两个平面作为一个几何要将两个平面改为平行而且等高，可以将两个平面作为一个几何要素进行加工。素进行加工。第62页/共64页 （2 2）方便加工）方便加工 结构设计中如果为加工过程创造条件，使得某些加工过程可以成组进行，将结构设计中如果为加工过程创造条件，使得某些加工过程可以成组进行，将会明显地提高加工工作效率。图所示的齿轮结构中，图会明显地提高加工工作效率。图所示的齿轮结构中，图a a所示的齿轮结构由于轮所示的齿轮结构由于轮毂与轮缘不等宽，如果毂与轮缘不等宽，如果成组成组进行滚齿加工则由于零件刚度较差而影响加工质量，进行滚齿加工则由于零件刚度较差而影响加工质量，如改为图如改为图b b的结构，使轮毂与轮缘等宽，则为成组滚齿创造了条件，大大提高了的结构，使轮毂与轮缘等宽，则为成组滚齿创造了条件，大大提高了滚齿工作效率。滚齿工作效率。第63页/共64页感谢您的观看。第64页/共64页