原稿!!YC468-立式高速铣削加工中心圆盘刀库机构设计.rar原稿!!YC468-立式高速铣削加工中心圆盘刀库机构设计.rar

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1 技术应用文档 No. 文件信息 文件名称 类别 发布日期 伺服电机选型计算手册 经验类技术文档 发布范围 北京发那科机电有限公司全体 销售技术线 北京发那科机电有限公司技术部 维修线 市场课 机床厂 最终用户 关键词: 伺服电机、计算选型、影响因素、选型案例、丝杠传动、齿轮齿条传动 编写人 审核 批准 签字 签字 签字 日期 日期 日期 1 伺服电机选型计算手册 z 目录 前言 .................................................................................................................................................................2 1. FANUC 伺服电机介绍 ..............................................................................................................................3 1. 1 低压( 200V)系列伺服电机 ......................................................................................................3 1. 2 高压( 400V)系列伺服电机 ......................................................................................................4 2.选择伺服电机 ...........................................................................................................................................5 2. 1 影响电机选择的因素 ...................................................................................................................5 2.1.1 负载惯量比 ....................................................................................................................5 2.1.2 加减速特性(短时加工因素) .....................................................................................6 2.1.3 空载扭矩 ........................................................................................................................6 2.1.4 电机速度 ........................................................................................................................6 2.1.5 扭矩的均方根值 .............................................................................................................7 2.1.6 动态刹车距离 ................................................................................................................7 2.1.7 电机的保护 ....................................................................................................................8 3.典型结构伺服电机选型举例 .................................................................................错误!未定义书签。 3. 1 丝杆传动水平轴电机选型计算 ....................................................................................................9 3.1.1 基本轴参数输入 .............................................................................................................9 3.1.2 轴电机选型中间变量计算 ............................................................................................10 3.1.3 伺服电机型号选择 ........................................................................错误!未定义书签。 3. 2 丝杆传动重力轴电机选型计算 ..................................................................错误!未定义书签。 3.2.1 基本轴参数输入 ...........................................................................错误!未定义书签。 3.2.2 轴电机选型中间变量计算 ............................................................错误!未定义书签。 3.2.3 伺服电机型号选择 ........................................................................错误!未定义书签。 3. 3 丝杆传动倾斜轴电机选型计算 ..................................................................错误!未定义书签。 3.3.1 基本轴参数输入 ...........................................................................错误!未定义书签。 3.3.2 轴电机选型中间变量计算 ............................................................错误!未定义书签。 3.3.3 伺服电机型号选择 ........................................................................错误!未定义书签。 3. 4 齿轮齿条传动水平轴电机选型计算 ..........................................................错误!未定义书签。 3.4.1 基本轴参数输入 ...........................................................................错误!未定义书签。 3.4.2 轴电机选型中间变量计算 ............................................................错误!未定义书签。 3.4.3 伺服电机型号选择 ........................................................................错误!未定义书签。 2 z 前言 FANUC 的伺服电机具有平滑的旋转特性、优秀的加速能力以及高可靠性。搭配内置编码器可以实现高精度定位与控制。目前,被广大机床厂家所采用。本书主要描述 FANUC 伺服电机的特点以及选择的一些要点和注意事项,同时。 本书主要针对我们日常常用的伺服电机进行了说明,主要内容包括: 1、 FANUC 伺服电机介绍; 2、电机选择中的影响因素; 3、典型结构伺服电机选型举例; FANUC 系统的伺服电机从驱动电压上可以分为低压( 200V)电机与高压( 400V)电机。本说明书中,以低压( 200V)电机与放大器为例进行描述。 3 z 1 FANUC 伺服电机介绍 FANUC 的伺服电机具有平滑的旋转特性、优秀的加速能力以及高可靠性。搭配内置编码器可以实现高精度定位与控制。 FANUC 的伺服电机按照其驱动电压的高低,可以分为低压伺服电机( 200V)与高压伺服电机( 400V)两大类。 此外,根据电机的特性不同,还可以分为 αi 系列和 βi 系列两大类。而在 αi 系列伺服电机中,根据电机惯量以及转速的不同,可以再划分为 αiF 系列与 αiS 系列。 如下表: 电机型号 所属系列 驱动电压 电机特点 αiF 中惯量,适用于进给驱动轴 αiS αi 200V 小型、高速、大功率,优越的高加速性能 βiS βi 200V 高性价比、紧凑型电机 αiF( HV) αiF 电机的高电压信号 αiS( HV) αi( HV) 400V αiS 电机的高电压型号 βiS( HV) βi( HV) 400V βi 电机的高电压型号 z 1.1 低压( 200V)系列伺服电机 低压伺服电机是目前我们最常用的伺服电机。其产品系列包括 αiF、 αiS 以及 βiS 三个系列的电机。这三种规格的电机如下表: 电机类型 电机功率(额定) 扭矩 αiF 0.5 ~ 9kW 1 ~ 53Nm αiS 0.75 ~ 60kW 2 ~ 500Nm βiS 0.05 ~ 3kW 0.16 ~ 40Nm注:电机类型中的字符含义。 *1)本书中以低压伺服电机为例进行介绍,由于高电压( 400V)伺服电机使用较少,具体电机特性请参阅电机规格说明书 Title伺服电机选型计算手册 1.0 2011-5-11 沈锦波 新发布 No. Ver Date Design Description Pag 4 / 28 z 1.2 高压( 400V)系列伺服电机 高压伺服电机规格列表: 电机类型 电机功率(额定) 扭矩 α(HV)iF 1.4 ~ 4kW 4 ~ 22Nm α(HV)iS 0.75 ~ 220kW 2 ~ 3000Nm β(HV)iS 0.5 ~ 3kW 2 ~ 40Nm Title伺服电机选型计算手册 1.0 2011-5-11 沈锦波 新发布 No. Ver Date Design Description Pag 5 / 28 z 2 选择伺服电机 伺服电机的选择主要是对进给轴驱动电机的选择。基于伺服电机的精度、负载、快速移动的速度、系统的最小进给单位以及其他因素进行综合的考虑,从而得出正确的选择。 在机械加工中,电机所受的力包括:连续负载扭矩(包括重力、摩擦力等)、加减速扭矩、切削扭矩。在选择电机时,需要对上述各个力的大小进行综合的分析,最终确定电机的型号。 除此以外,电机在工作的过程中,由于会受到工作环境的影响。因此,在选择电机的时候,还需要考虑电机所处的环境对电机的影响,例如:温度、湿度、震动等因素。 z 2.1 影响电机选择的因素 为机床选择进给驱动电机时,需要考虑机械部分的传动结构与电机的匹配、电机的运转速度、机床的加减速时间大小、电机的停止距离等因素。 概括言之,即选择与机械相匹配的电机,主要包括以下因素: 1、 负载惯量比; 2、 加减速特性(短时加工因素); 3、 连续负载扭矩; 4、 电机速度; 5、 扭矩的均方根值; 6、 动态刹车距离。 需要注意的是,需要通过正确的计算方法,对电机进行选择。 除了对电机大小的选择以外,在选择电机的过程中,还必须要考虑电机的工作环境。例如: 高温、高湿度、粉尘等因素。这样就需要对电机的防护等级进行选择。 下面就针对上述的各个因素进行说明。 z 2.1.1 负载惯量比 负载惯量比是指进给轴的负载惯量与进给轴电机惯量的比值。该值反映了电机对于负载的控制能力。该值越小,电机的控制力越强。要确保伺服电机能够有效的工作,需要为机床选择具有恰当惯量的电机。而其选择的技术指标称为负载惯量比(负载惯量 / 电机惯量)。 尤其,当以工件加工表面质量为优先考虑要素时,机床的惯量与选择的进给轴伺服电Title伺服电机选型计算手册 1.0 2011-5-11 沈锦波 新发布 No. Ver Date Design Description Pag 6 / 28 机惯量之比应该在推荐的负载惯量比范围内,并且尽可能的使得负载惯量比比值较小。 负载惯量比选取的过大,会造成电机的控制不稳定,调试电机将十分困难。同时,还会使得加工表面的精度与粗糙度降低,定位时间变长。 推荐选取范围:负载惯量 /电机惯量 = 3~5。 注:在特殊的加工情况下,例如木工机械加工。需要在高速移动中进行曲线以及沟槽的加工,在这种情况下,建议选择惯量大于或者等于负载惯量的电机,以满足高速加工的需求。 另外,在进行高速高精度加工以及模具加工等时,建议选择电机的惯量值使负载惯量比小于 3。 z 2.1.2 加减速特性(短时加工因素) 在机械加工中,除了需要保证推动负载加工的连续推力之外,还必须要考虑短时的加工因素,即:电机在加减速过程中的输出特性。在加减速过程中,会达到机械需要的最大推力。因此,在选择电机时,需要考虑电机的最大扭矩与机械加减速过程中所需要的最大扭矩是否匹配。 电机的最大扭矩直接影响加减速时间常数的设定。 z 2.1.3 空载扭矩 空载扭矩指不进行切削时电机所承受的扭矩,主要包括机械摩擦以及重力轴中重力的作用力矩,通常空载的扭矩应该不超过伺服电机堵转扭矩的 30%。 如果空载扭矩与堵转扭矩相同,则在计算均方根值时,会导致整个加工过程中的平均扭矩值(包括加 /减速扭矩、切削扭矩)超过电机的额定扭矩。 在无配重重力轴电机的使用中,如果加工中只存在向下切削的情况,此时重力可提供部分切削力。在这种情况下,空载扭矩最高可至伺服电机堵转扭矩的 70%。 注:堵转扭矩的标准,请根据机床的实际特点以及实际机械的结构进行衡量,根据实际的调试经验,建议连续负载的扭矩不要超过电机堵转扭矩的 30%。 z 2.1.4 电机速度 在实际机械运转中,电机的旋转速度不可以超过电机旋转的最大速度。 Title伺服电机选型计算手册 1.0 2011-5-11 沈锦波 新发布 No. Ver Date Design Description Pag 7 / 28 z 2.1.5 扭矩的均方根值 扭矩的均方根值在一个加工周期内应该小于电机的堵转扭矩的 90%。 例如:下图为一个加工周期内的运转情况,根据各个动作时的扭矩平方的平均值求出连续有效的负载扭矩。 电机速度 电机扭矩 连续运转模式示意图 均方根值计算: 0t8t7t6t5t4t3t2t1tT2827262524232221rms⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=TTTTTTTT在选择电机时,需要使得90%Trms×≤堵转扭矩。 z 2.1.6 动态刹车距离 动态刹车距离是指当意外事故发生时,需要机床停止时的刹车距离。动态刹车的方法是将电机动力线的两端进行短接(系统放大器内完成,不需要进行额外的连线)。 动态刹车的过程分为三个过程: 1)放大器接收时间延迟产生的移动距离。延时时间为 t1; 2)电磁接触器( MCC)的关断时间产生的移动距离。延时时间为 t2; 3)电磁接触器关断后,动态刹车过程产生的距离。 通常, t1+t2=0.05 秒。 刹车距离 = L)0NB0N(A)J(J2)t1(tVm3LM××+××+++×[mm/deg] Title伺服电机选型计算手册 1.0 2011-5-11 沈锦波 新发布 No. Ver Date Design Description Pag 8 / 28 B:BA:AVL60/0N]deg[]mm[L][min0N]m[kgJ]m[kgJsec]/deg[sec/mmVmm12L2M车系数计算动态刹车距离的刹车系数计算动态刹车距离的刹)(或者:电机一转的移动距离:电机快速移动速度:负载惯量:电机惯量或者:快速移动速度,=×⋅⋅−在使用中,还可以选系统功能来缩短动态刹车的距离:紧急停止距离缩短功能。 注:刹车系数 A 与 B 可以查询说明书 65262EN 以及 65302EN。 z 2.1.7 电机的保护 电机的保护主要是指在使用电机过程中,需要注意电机工作的环境。包括温度、湿度、粉尘等因素。正确的使用电机,会延长电机的使用寿命,同时大大减低电机的故障发生概率。 主要包括: 1)工作温度: 0℃ ~40℃。 即电机工作车间或者室内的温度。若温度超过 40℃,则应通过外界降温的方法使温度处于正常的工作范围内。 在本说明书中,关于电机的所有数据(功率、扭矩等)均是在工作温度为 20℃时测量的数据。 2)湿度:≤ 80%RH。 3)震动:安装在机床上的电机,其可以承受的最大震动为 5G。 4)防护等级: FANUC 系列电机的单体电机防护等级为 IP65( IEC 标准)(带风扇的电机除外)。 但是这个防护等级数据是会在使用电机的过程中发生变化的。因此,在使用中,需要注意如下事项: a、保护电机不要处于切削液或者切削油之下。 b、避免切削油或者切削液沿电机的动力线流入电机接头部分。 注意:在极端恶劣的工作环境中,为了避免电机受到更大的侵蚀而损坏电机,请务必做好电机的防护工作。一些特殊机床,如:齿轮加工机、磨床等,若是不能很好的保护电机,请选择更高防护等级的电机,例如: IP67( IEC 标准)等级的伺服电机。 Title伺服电机选型计算手册 1.0 2011-5-11 沈锦波 新发布 No. Ver Date Design Description Pag 9 / 28 z 3 典型结构伺服电机选型举例 z 3.1 单丝杆传动水平轴电机选型计算 z 3.1.1 基本轴参数输入 根据丝杆传动水平轴示意图,在丝杆传动水平轴参数表中填写轴基本参数。 注 : 除注:最大进给速度 V 外,表中参数填写的数值均为国际单位。 参数 单位 值(例) 备注 质量 m Kg 3500 质量 m 包括工作台及工作台的负载质量。 丝杆直径 d M 0.040 丝杆导程 pb m/rev 0.010 注意设定值为丝杆导程而非螺距。 丝杆长度 l M 2.000 减速比 1/Z 1 / 1 其它惯量 Jl3 kgm2 0.001 其它惯量 Jl3主要包括电机到丝杆间减速机构在电机轴端的折算惯量。 摩擦系数 μ- 0.05 根据实际机械情况进行设定,一般滚动导轨为0.05,滑动导轨为 0.1。 切削力 FcN 0 如无法确定,可暂设定为 0,电机选型时根据空载扭矩比率进行选型。 机械效率 η - 0.9 根据实际机械传动情况进行设定,一般综合机械效率可设定为 0.9。 最大进给速度 V m/min 15.000 最大加速度 αmaxm/sec2 4.9 根据实际机床的设计要求设定要求的最大加速度。 1本科毕业设计(论文)任务书Ⅰ、毕业设计(论文)题目:立式高速铣削加工中心圆盘刀库机构设计 Ⅱ、毕业设计(论文)工作内容(从专业知识的综合运用、论文框架的设计、文献资料的收集和应用、观点创新等方面详细说明): 本课题拟根据现代机械行业对高速钻铣加工的需求,针对立式高速铣削加工中心的设计功能需求,开展圆盘刀库机构的设计工作。具备机械原理、机械设计、机械制造技术基础、互换性与公差测量、SolidWorks三维 CAD 建模与仿真等的基本知识和能力,进行必要的设计计算和校核、结构设计。技术参数:名 称 规 格刀库规格 BT40 刀库容量 20最大刀具直径(满刀) Ф80最大刀具直径(临空刀) Ф160最大刀具长度 300mm最大刀具重量 7kg刀库重量 220kg刀架水平运动行程 240mm具体工作内容:21) 查阅与课题相关文献资料 10 篇以上,其中英文资料 2 篇以上,英文资料翻译5000 汉字以上;2) 在分析立式高速铣削加工中心设计功能要求的基础上,研究其圆盘刀库机构的总体设计方案,并撰写课题开题报告;3) 圆盘刀库传动机构设计(电 机 选 型 、 传 动 件 设 计 、 支承组件等) ;4) 刀 库 转 动 定 位 机 构 设 计5) 设计图纸量:折合约 3 张 A0;6) 设计说明书一份(1-1.5 万字,要求电脑打印,说明书组成包括毕业设计任务书、中外文摘要及关键词、目录、正文、主要参考文献、致谢和附录等,具体格式参照学院毕业设计(论文)工作管理规定) 。Ⅲ、进度安排:2014 年 10 月 20 日~2014 年 11 月 9 日(3 周):选择题目,收集材料,联系落实毕业实习单位,填写毕业设计任务书; 2014 年 11 月 10 日~2014 年 12 月 7 日(4 周):布置任务,明确目标、制定计划,确定初步毕业设计方案; 2014 年 12 月 8 日~2015 年 1 月 4 日(4 周):深化初步方案,结合毕业实习加深对毕业设计方案的认识; 2015 年 1 月 5 日~2015 年 1 月 16 日(2 周):学生毕业设计方案进一步完善;2015 年 1 月 17 日~2015 年 3 月 1 日(6 周):继续前期工作; 2015 年 3 月 2 日~2015 年 5 月 17 日(11 周):学生全部返校,进行毕业设计计算、绘图,编制毕业设计说明书,完成毕业设计工作任务(2015 年 3 月 30日~2015 年 4 月 5 日接受学校毕业设计期中检查) ; 2015 年 5 月 18 日~2015 年 5 月 31 日(2 周):毕业成果预提交、修改、评阅、答辩。 Ⅳ、主要参考资料:[1] 夏田. 数控加工中心设计[M]. 北京:化学工业出版社,2006. [2] 李佳,欧阳渺安,赵小林等. 数控机床及应用[M]. 北京:清华大学出版社,2001.[3] 晏初宏. 数控机床与机械结构[M]. 北京:机械工业出版社,2005.[4] 杨美英. 数控机床主轴组件设计及刚度计算[J]. 机械工程与自动化,2004(2):71-74.[5] 王爱玲,白恩远,赵学良等. 现代数控机床[M]. 北京:国防工业出版社,2003. [6] 朱孝录主编,中国机械工程学会、 《中国机械设计大典》编委会. 中国机械设计大典(第 4 卷)机械传动设计[M]. 南昌:江西科学技术出版社,2002.[7] 文怀兴 ,陆君 ,吕玉清. 高速立式加工中心主轴箱结构设计及分析[J]. 中国制造业信息化,2010,19:37-40.[8] 刘超峰,张淳,张功学. 基于 ANYSY 的高速加工中心主轴箱有限元分析及优化[J]. 组合机床与自动化加工技术,2010,07:26-28+34.[9] 赵东平. 高速卧式加工中心立柱的轻量化设计[D].兰州理工大学,2012.3[10]《现代实用机床设计手册》编委会编. 现代实用机床设计手册(上、下册)[M]. 北京:机械工业出版社,2006.[11] 成大先主编. 机械设计手册(第三版)[M]. 北京:化学工业出版社,1993. [12] 束雯,王玮. 机床主传动系统优化设计方法的研究[J]. 机床与液压,2006(2):61-63.[13] 吴宗泽,罗圣国. 机械设计课程设计手册(第二版)[M]. 北京:高等教育出版社,1999.[14] 文怀兴,夏田. 数控机床系统设计[M]. 北京:化学工业出版社,2005.[15] 加工中心 BT40-24DV 圆盘式刀库产品说明书 http://wenku.baidu.com/[16] 曹秋霞,陈新亚.加工中心圆盘式刀库转动定位机构的设计计算[J].机械传动. 2005,30(4):34-36指导教师:(签名: ) , 年 月 日学生姓名:(签名: ) ,专业年级: 系负责人审核意见(从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核):专业负责人签字: , 年 月 日山东理工大学毕业设计(论文)外文资料及译文学 院 : 机 械 工 程 学 院 专 业 : 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 学 生 姓 名 : 赵 枫 学 号 : 0832100714 指 导 教 师 : 杨 振 宇 外文资料及译文- 1 -The Conceptual Design Method for a Pumping Unit Based on QFD and TRIZAbstract: Quality function deployment (QFD) is a quality system, that can help to design novel products that meet customers’ needs. Theory of inventive problem solving (TRIZ) is a very powerful tool in helping to solve difficult technical problems encountered in the design process. Introducing QFD and TRIZ into the conceptual design of the pumping unit combines advantages of these two theories, therefore meeting different demands of different users. It can tell us “What should we do it” with QFD and “How should we do it” with TRIZ. The conceptual design method, which is based on QFD and TRIZ, is introduced and used to analyze and evaluate the conceptual design project of a pumping unit. Key words: Pumping unit, quality function deployment (QFD), theory of inventive problem solving (TRIZ), conceptual design method 1. Introduction The beam-pumping unit is applied most extensively in oilfields. The competition of products becomes more and more severe due to the development of the economic globalization. Our country has vast territory and complex topography, so the requirements for the pumping unit are different in different areas. How to develop a new pumping unit to satisfy different customers’ requests and to enhance the company’s competitiveness becomes more and more important to the pumping unit corporation. Since the development of the design method, the process of design has changed from “parameter design” to “manage design.” Conceptual design is the core in the process for designing the pumping unit. The work at this stage reflects the art and creativity of design. Quality function deployment (QFD) is a kind of quality system to improve the market share by satisfying the customers’ demands. Information about customers’ desires were surveyed and analyzed systematically, and then translated into actions and designs, such as technical characteristics and specifications. This makes the products meet customers’ requests (Heather, 2001). Theory of inventive problem 外文资料及译文- 2 -solving (TRIZ) considers that the fundamental principle of invention is of objective reality. TRIZ will promote invention and shorten the cycle time of invention. Furthermore, it makes invention foreseeable (Lin and Che, 1998). The conceptual design method, which is based on the QFD and TRIZ, is an effective method. This method can satisfy different customers’ needs, shorten design periods and promote product quality. The conceptual design method of a pumping unit combines QFD and TRIZ: It can tell us “What should we do” with QFD and “How should we do it” with TRIZ. 2. Principle of QFD and TRIZ The fundamental principle of QFD is that the process from product’s feasibility assessment to its production should be driven by customers’ requests. QFD emphasizes the translating of the customers’ desires into product design characteristics. Everyone including managers, designers, production department and project department staff must understand the information that reflects the customers’ requests. This can make corporation’s products satisfy customers’ requests, and then improve the market share. QFD is a methodology for product development, by which high quality products are designed. The main idea of QFD is “requirement translation”. The tool of this translation is House of Quality (HOQ), which provides a way for designers to collect the relevant information about customers and identify what product characters will contribute to customers’ requests. Fig. 1 is the frame of HOQ (Stephen, 1991). The main work of TRIZ is to solve contradictions. A new solution in conceptual design should have such characters: improvement of one characteristic cannot lead to 外文资料及译文- 3 -the deterioration of one or more other characteristics of the system or other systems (Altshuller, 1999). To help researchers solve engineering conundrums and contradictions, TRIZ developed 39 engineering parameters to describe all contradictions and developed 40 inventive principles. Over years and years of research, TRIZ developed a contradiction matrix to describe the relationship between 39 engineering parameters and 40 inventive principles. In the contradiction matrix, improved parameters list along the vertical axis, and the undesired results or degraded parameters along the horizontal axis. The number in the contradiction matrix is the number of inventive principles. Table 1 is the contradiction matrix. When using this contradiction matrix, we should select one degraded parameter along the horizontal axis and an improved parameter along the vertical axis, and then the intersection point in the matrix is the number of inventive principles that can be used. 3. Conceptual design method for the pumping unit based on QFD and TRIZ TRIZ tells us “How should we do” but cannot tell us “What should we do.” Many engineering examples have proved that TRIZ discovers design contradictions through experience and qualitative description. Other theory as QFD tells us “What should we do.” So the combination of QFD and TRIZ will contribute to the design of novel products (Tan, et al., 2002). 外文资料及译文- 4 -基于 QFD 和 TRIZ 的抽油机概念设计方法摘要:质量功能展开法(QFD)是一个质量体系,可以帮助设计人员设计满足客户需求的新产品。发明问题的解决理论(TRIZ)是一个非常强大的工具,可以帮助设计人员解决设计过程中遇到的技术难题。将 QFD 和 TRIZ 应用于抽油机的概念设计中,可以结合两者的优点,满足不同用户的各种需求。QFD 告诉我们“应该做什么”,TRIZ 则告诉我们“应该怎么做”。基于 QFD 和 TRIZ的概念设计方法,可以被应用于分析和评价抽油机的概念设计方案。关键词:抽油机,质量功能展开法(QFD),发明问题的解决理论(TRIZ),概念设计法1.绪论游梁式抽油机是目前应用最广泛的采油设备。随着经济全球化的发展,产品的竞争越来越激烈。而我国幅员辽阔、地形复杂的情况,也使不同地区对抽油机的要求不尽相同。所以,对抽油机生产商来说,如何使开发设计的抽油机满足不同客户的需求,提升公司的竞争力,已变得越来越重要。随着设计方法的发展,设计过程已经从“参数化设计”发展为“管理型设计”。整个抽油机设计过程的核心就是概念设计,这一阶段的工作体现了设计的艺术性和创造性。质量功能展开法(QFD)是一种通过不断地满足客户的需求来提高产品市场份额的质量体系。通过系统性的调查和分析,将客户的需求信息转化为产品的结构特征、技术规格等设计信息,进而使产品真正地满足客户的需求(海瑟,2001) 。发明问题的解决理论(TRIZ)认为,发明的基本原则是客观存在的。TRIZ 能够提高发明的成功率,缩短产品的设计周期,并且使发明具有可预见性(林志航和车阿大,1998) 。基于 QFD 和 TRIZ 的概念设计方法是一种高效率的设计方法,可以满足不同客户的需求,缩短产品的设计周期,提高产品的质量。抽油机的概念设计方法将 QFD 和 TRIZ 很好地融合在一起:首先,QFD 告诉我们“应该做什么”;然后,TRIZ 告诉我们“应该怎么做”。2.QFD 和 TRIZ 的原理QFD 的基本原理是,从产品方案的可行性分析到产品生产的整个过程,都外文资料及译文- 5 -要根据客户的需求来进行决策。QFD 强调,产品的设计特征要反映出客户的需求。生产环节中的每个人,包括管理人员、设计人员、生产部门和工程部门的员工,都必须理解反映顾客需求的信息。这样才可以使企业的产品满足客户的需求,进而提高产品的市场份额。QFD 是一种以设计高质量产品为目的的产品开发理论。QFD 的主要的思想就是“需求转化” ,而转化的工具就是质量屋(HOQ ) 。HOQ 为设计人员提供了一种分析方法,有利于设计人员收集客户的相关信息和确定哪些产品特征适合客户的需求。HOQ 的结构如图 1 所示(史蒂芬, 1991) 。TRIZ 的主要工作是解决矛盾。概念设计中的新产品解决方案必须保证,在改进一个特性的同时不能导致这个系统或其他系统中的一个或多个其他特征恶化(阿利赫舒列尔,1999) 。为帮助研究人员解决工程难题和技术矛盾,TRIZ 采用 39 个工程参数来描述工程中遇到的所有矛盾,并提出了 40 条发明原理。经过多年的研究,TRIZ开发出一个矛盾矩阵来描述 39 个工程参数和 40 条发明原理之间的关系。在矛盾矩阵中,改进的参数沿矩阵的垂直轴排列,不希望得到的结果或退化的参数沿矩阵的水平轴排列。矛盾矩阵中相应的数字即是发明原理的号码。矛盾矩阵如表 1 所示。在使用这种矛盾矩阵时,我们需要在水平轴上选择一个退化的参数,在垂直轴上选择一个改进的参数,矩阵中交叉点的数字即是可以采用的发明原理的号码。外文资料及译文- 6 -3. 基于 QFD 和 TRIZ 的抽油机概念设计方法TRIZ 可以告诉我们“应该怎么做” ,却不能告诉我们“应该做什么”。许多工程实例已经证明,TRIZ 可以通过经验和定性描述发现设计中的矛盾。其他理论,如 QFD,则可以告诉我们“应该做什么”。 所以 QFD 和 TRIZ 的融合将有助于新产品的设计(檀润华、马建红等人,2002) 。图 2 表示的即是基于 QFD 和 TRIZ 的抽油机概念设计方法的结构。首先,我们需要利用 HOQ 来确定“我们想要设计什么样的抽油机”和“我们需要哪些工程技术来实现这些目标” 。在设计过程中,矛盾是不可避免的。如果我们能够清楚地识别这些矛盾,就可以用 TRIZ 来解决这些矛盾。3.1 用 QFD 分析抽油机QFD 的基础是收集与客户相关的所有信息,计算出客户需求值(WCR ) 。WCR 是所有客户对某一项需求的评分的平均值,总分是 5 分。根据 WCR 的评价,哪一项需求是最重要的就很清楚了。现在,假设有 4 项客户需求,如表 2所示。外文资料及译文- 7 -在收集到客户的需求信息后,我们可以利用 HOQ 来选取工程技术。现在,假设有 3 项工程技术(ETs):排量、变速箱和结构。图 3 是客户需求和工程技术的 HOQ。在 HOQ 中,用评分表(1-3-5)来表示客户需求与工程技术间的相关性(弱- 中-强) ,用“〇” 和“╳”来表示工程技术间积极的或消极的相关性。
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