機(jī)械設(shè)計(jì)的四個(gè)階段

機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程分四個(gè)階段，下面分別加以簡(jiǎn)要說(shuō)明。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)劃階段

在根據(jù)生產(chǎn)或生活的需要提出所要設(shè)計(jì)的新機(jī)器后，計(jì)劃階段只是一個(gè)預(yù)備階段。此時(shí)，對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)器僅有一個(gè)模糊的概念。

在計(jì)劃階段中，應(yīng)對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器的需求情況做充分的調(diào)查研究和分析。通過(guò)分析，進(jìn)一步明確機(jī)器所應(yīng)具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、加工以及時(shí)限等各方面所確定的約束條件。在此基礎(chǔ)上，明確地寫(xiě)出設(shè)計(jì)任務(wù)的全面要求及細(xì)節(jié)，最后形成設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，作為本階段的總結(jié)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)大體上應(yīng)包括：機(jī)器的功能，經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性的估計(jì)，制造要求方面的大致估計(jì)，基本使用要求，以及完成設(shè)計(jì)任務(wù)的預(yù)計(jì)期限等。此時(shí)，對(duì)這些要求及條件一般也只能給出一個(gè)合理的范圍，而不是準(zhǔn)確的數(shù)字。例如可以用必須達(dá)到的要求、最低要求、希望達(dá)到的要求等方式予以確定。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)階段

本階段對(duì)設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵的作用。在這一階段中也充分地表現(xiàn)出設(shè)計(jì)工作有多個(gè)解（方案）的特點(diǎn)。機(jī)器的功能分析，就是要對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)提出的機(jī)器功能中必須達(dá)到的要求、最低要求及希望達(dá)到的要求進(jìn)行綜合分析，即這些功能能否實(shí)現(xiàn)，多項(xiàng)功能間有無(wú)矛盾，相互間能否替代等。最后確定出功能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。在這一步驟中，要恰當(dāng)處理需要與可能、理想與現(xiàn)實(shí)、發(fā)展目標(biāo)與當(dāng)前目標(biāo)等之間可能產(chǎn)生的矛盾問(wèn)題。確定出功能參數(shù)后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。尋求方案時(shí)，可按原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分及執(zhí)行部分分別進(jìn)行討論。，較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開(kāi)始討論。

討論機(jī)器的執(zhí)行部分時(shí)，首先是關(guān)于工作原理的選擇問(wèn)題。例如，設(shè)計(jì)制造螺釘?shù)臋C(jī)器時(shí)，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車(chē)刀車(chē)削螺紋的辦法，也可采用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原理不同，當(dāng)然所設(shè)計(jì)出的機(jī)器就會(huì)根本不同。特別應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，必須不斷地研究和發(fā)展新的工作原理。這是設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體方案。例如僅以切削螺紋來(lái)說(shuō)，既可以采用工件只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而刀具作直線運(yùn)動(dòng)來(lái)切削螺紋（如在普通車(chē)床上切削螺紋），也可以使工件不動(dòng)而刀具作轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)來(lái)切削螺紋（如用板牙加工螺紋）。這就是說(shuō)，即使對(duì)于同一種工作原理，也可能有幾種不同的結(jié)構(gòu)方案。原動(dòng)機(jī)部分的方案當(dāng)然也可以有多種選擇。由于電力供應(yīng)的普遍性和電力拖動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以說(shuō)絕大多數(shù)的固定機(jī)械都優(yōu)先選擇電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)部分。熱力原動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)輸機(jī)、工程機(jī)械或農(nóng)業(yè)機(jī)械。即使是用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，也還有交流和直流的選擇，高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速的選擇等。

傳動(dòng)部分的方案就更為復(fù)雜多樣了。對(duì)于同一傳動(dòng)任務(wù)，可以由多種機(jī)構(gòu)及不同機(jī)構(gòu)的組合來(lái)完成。因此，如果用Ⅳ，表示原動(dòng)機(jī)部分的可能方案數(shù)，N2和N3分別代表傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分的可能方案數(shù)，則機(jī)器總體的可能方案數(shù)Ⅳ為Ni×N2×N3個(gè)。

以上僅是就組成機(jī)器的三個(gè)主要部分討論的。有時(shí)，還須考慮到配置輔助系統(tǒng)，對(duì)此，本書(shū)不再討論。

在如此眾多的方案中，技術(shù)上可行的僅有幾個(gè)。對(duì)這幾個(gè)可行的方案，要從技術(shù)方面和經(jīng)濟(jì)及環(huán)保等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的方法很多，現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)為例略做說(shuō)明。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，既要考慮到設(shè)計(jì)及制造時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，也要費(fèi)用考慮到使用時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。如果機(jī)器的結(jié)構(gòu)方案比較復(fù)雜，則其設(shè)計(jì)制造成本就要相對(duì)地增大，可是其功能將更為齊全，生產(chǎn)率也較高，故使用經(jīng)濟(jì)性也較好。反過(guò)來(lái)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、功能不夠齊全的機(jī)器，設(shè)計(jì)及制造費(fèi)用雖少，但使用費(fèi)用卻會(huì)增多。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)制造經(jīng)濟(jì)性時(shí)，還可以用單位功效的成本來(lái)表示。例如單位輸出功率的成本、單件產(chǎn)品的成本等。

進(jìn)行機(jī)器評(píng)價(jià)時(shí)，還必須對(duì)機(jī)器的可靠性進(jìn)行分析，把可靠性作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)。從可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，盲目地追求復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往是不明智的。一般地講，系統(tǒng)越復(fù)雜，則系統(tǒng)的可靠性就越低。為了提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而這不可避免地會(huì)提高機(jī)器的成本。

環(huán)境保護(hù)也是設(shè)計(jì)中必須認(rèn)真考慮的重要方面。對(duì)環(huán)境造成不良影響的技術(shù)方案，必須詳細(xì)地進(jìn)行分析，并提出技術(shù)上成熟的解決辦法。

通過(guò)方案評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行決策，確定一個(gè)據(jù)以進(jìn)行下步技術(shù)設(shè)計(jì)的原理圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

在方案設(shè)計(jì)階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類(lèi)機(jī)器成功的先例應(yīng)當(dāng)借鑒，原先薄弱的環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或者根本改變。既要積極創(chuàng)新，反對(duì)保守和照搬原有設(shè)計(jì)，也要反對(duì)一味求新而把合理的原有經(jīng)驗(yàn)棄置不用這兩種錯(cuò)誤傾向。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)階段

技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過(guò)草圖設(shè)計(jì)確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。

為了確定主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：

1、機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)方案，確定原動(dòng)件的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。然后做運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，從而確定各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。

2、機(jī)器的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。結(jié)合各部分的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時(shí)求出的載荷，由于零件尚未設(shè)計(jì)出來(lái)，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(shè)計(jì)。已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，即可做零、部件的初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)所依據(jù)的工作能力準(zhǔn)則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環(huán)境條件等合理地?cái)M定，一般有強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、壽命等準(zhǔn)則。通過(guò)計(jì)算或類(lèi)比，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(shè)計(jì)。根據(jù)已定出的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計(jì)出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對(duì)所有零件的外形及尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。在此步驟中，需要很好地協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，全面地考慮所設(shè)計(jì)的零、部件的結(jié)構(gòu)工藝性，使全部零件有最合理的構(gòu)形。

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(jié)構(gòu)未定，難于進(jìn)行詳細(xì)的工作能力計(jì)算，所以只能做初步計(jì)算及設(shè)計(jì)。在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以后，所有零件的結(jié)構(gòu)及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關(guān)系也為已知。只有在這時(shí)，才可以較為精確地定出作用在零件上的載荷，決定影響零件工作能力的各個(gè)細(xì)節(jié)因素。只有在此條件下，才有可能并且必須對(duì)一些重要的或者外形及受力情況復(fù)雜的零件進(jìn)行精確的校核計(jì)算。根據(jù)校核的結(jié)果，反復(fù)地修改零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，直到滿意為止。

在技術(shù)設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟中，近三四十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，越來(lái)越顯示出它可使結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇達(dá)到最佳的能力。一些新的數(shù)值計(jì)算方法，如有限元法等，可使以前難以定量計(jì)算的問(wèn)題獲得極好的近似定量計(jì)算的結(jié)果。對(duì)于少數(shù)非常重要、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴的零件，在必要時(shí)還須用模型試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即按初步設(shè)計(jì)的圖紙制造出模型，通過(guò)試驗(yàn)，找出結(jié)構(gòu)上的薄弱部位或多余的截面尺寸，據(jù)此進(jìn)行加強(qiáng)或減小來(lái)修改原設(shè)計(jì)，最后達(dá)到完善的程度。機(jī)械可靠性理論用于技術(shù)設(shè)計(jì)階段，可以按可靠性的觀點(diǎn)對(duì)所設(shè)計(jì)的零、部件結(jié)構(gòu)及其參數(shù)做出是否滿足可靠性要求的評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議，從而進(jìn)一步提高機(jī)器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。上述這些新的設(shè)計(jì)方法和概念，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用與推廣，使之得到相應(yīng)的發(fā)展。

草圖設(shè)計(jì)完成以后，即可根據(jù)草圖業(yè)已確定的零件基本尺寸，設(shè)計(jì)零件的工作圖。此時(shí)，仍有大量的零件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)要加以推敲和確定。設(shè)計(jì)工作圖時(shí)，要充分考慮到零件的加工和裝配工藝性、零件在加工過(guò)程中和加工完成后的檢驗(yàn)要求和實(shí)施方法等。有些細(xì)節(jié)安排如果對(duì)零件的工作能力有值得考慮的影響時(shí)，還須返回去重新校核工作能力。最后繪制出除標(biāo)準(zhǔn)件以外的全部零件的工作圖。按最后定型的零件工作圖上的結(jié)構(gòu)及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。通過(guò)這一工作，可以檢查出零件工作圖中可能隱藏的尺寸和結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)誤。人們把這一工作通俗地稱為紙上裝配。

四、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)文件編制階段

技術(shù)文件的種類(lèi)較多，常用的有機(jī)器的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表等。

編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)時(shí)，應(yīng)包括方案選擇及技術(shù)設(shè)計(jì)的全部結(jié)論性的內(nèi)容。

編制供用戶使用的機(jī)器使用說(shuō)明書(shū)時(shí)，應(yīng)向用戶介紹機(jī)器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡(jiǎn)單的維修方法、備用件的目錄等。

其他技術(shù)文件，如檢驗(yàn)合格單、外購(gòu)件明細(xì)表、驗(yàn)收條件等，視需要與否另行編制。