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机械结构设计准则及实例

发表时间：2021/1/29 来源：《建筑科技》2020年8月上作者：郭闻阜

[导读] 机械制造业改革的关键期，应具体落实机械结构科学化设计工作，以便为设计实践提供正确指导，全面提升机械产品质量。机械结构设计期间，客观掌握设计要点及设计要求，并遵循设计准则。本文围绕实例具体介绍机械结构设计准则的实践体现，旨在为相关设计人员提供理论指导，推动机械行业可持续发展。

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摘要：机械制造业改革的关键期，应具体落实机械结构科学化设计工作，以便为设计实践提供正确指导，全面提升机械产品质量。机械结构设计期间，客观掌握设计要点及设计要求，并遵循设计准则。本文围绕实例具体介绍机械结构设计准则的实践体现，旨在为相关设计人员提供理论指导，推动机械行业可持续发展。
关键词：机械结构；设计准则；实例
        引言：近年来，机械产品功能日益丰富化，并且产品质量、效能被提出较高要求，为更好地满足机械结构现代化设计要求，务必动态创新机械结构设计准则，取得低成本、高效率、高质量的设计效果。发展主义视域下，深层次解读机械设计准则内涵，为机械结构规范化设计给予新思路，确保机械行业更好地顺应时代发展。
        1.机械结构设计特点及要求
        1.1特点
        第一，复杂性。机械结构设计活动交叉推进，一旦单体设计环节出现问题，那么整体设计效果会受到影响。实际设计环节，要求设计人员树立全局意识，灵活运用设计知识分析机械结构部件设计要点，将整体设计环节的安全风险及时排除[1]。第二，关键性。设计图对施工、安装等行为起到引导作用，如果设计环节出错，那么设计图在设计实践中的参考价值将大打折扣，不利于优化整体设计效果。第三，多解性。在满足机械结构功能需求的前提下，设计方案不止一种，考虑多种因素后选择适宜设计方案。
        1.2要求
        机械产品设计期间，应客观分析工业发展现状，结合现有生产条件灵活运用先进技术、渗透最新设计理念，确保设计完成的机械产品达到质效兼备、经济实用、结构创新等要求。这既能提高机械产品质量，又能降低故障率，为工业现代化生产助力，促进工业经济、国家经济稳健发展。
        2.机械结构设计期间遵循的基本准则
        2.1造型美观准则
        机械结构设计阶段，应遵循美学原理，确保设计后的机械产品符合消费者心理审美需求，通过视觉吸引提高机械产品销量。美观准则内涵从三方面体现，即造型新颖、颜色搭配和谐、尺寸比例协调。
        2.2装配便捷准则
        机械部件装配环节必不可少，为准确无误地完成装配任务，应细分装配单元，在各单元间有效连接，使整体安装效果与预期要求相一致。足以见之，设计期间遵循装配便捷准则，能够缩短装配周期，确保装配实践在相关要求的指导下规范化开展，大大提高安装有效性，促进机械设备常态运转。
        2.3工艺设计准则
        机械零部件结构设计期间，既要保证机械产品功能、性能，又要在结构设计环节提升工艺性，从而降低生产成本，优化产品质量[2]。加工工艺设计阶段，秉持工艺性能提升原则，为机械产品创新式研发奠定基础，更好地为机械行业发展服务。
        2.4功能实现准则
        产品设计期间，设计人员事前设定预期功能，在设计过程中不断探索、持续修正。功能实现准则指导下，先明确功能，接下来合理配置功能。机械结构设计初期，从整体层面把控，客观分析零部件尺寸、结构，具体了解其运动功能、荷载力承受功能。为保证各项设计环节达到质控要求，通过设计任务细分这一方式完成机械结构功能划分任务，经协调协配强化机械结构功能优势，使整体功能全面实现。当多零件共同参与功能效用地发挥，定会减轻单一零件的压力，并且零件使用时间相应延长。
        2.5成本节约准则
        机械制造业设计环节，将经济性考虑在内，即满足机械产品功能的同时，以最低成本呈现最佳的设计效果，使企业利润空间扩大化。

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设计过程中，细致分析机械产品功能，将相似功能合并，将非实用性功能摒弃，这既能减少后续维修、养护的复杂性，又能减少不必要的资金支出[3]。除此之外，妥善布置连接件的位置，尽可能简化维修程序，以最少维修量达到最佳的维修效果。
        2.6刚度及强度设计准则
        机械零件在使用期限内常态发挥功能，意味着设计刚度达到标准化要求。构件刚度提升过程中，参照力流最短路线设计零件形状，减少承载区域，整体变形幅度最小化管控，一定程度上提高整体构件刚度避免材料浪费，大大降低成本。机械结构强度设计时，尽可能减小应力集中结构，如增大过度圆角、采用卸载结构等与此同时，维持载荷平衡，基于平衡元件、对称布置等方式强化结构强度。
        3.机械结构设计实例分析
        3.1车床机械结构改造方案
        3.1.1总体方案
        首先，记录车床新旧零件数据信息。车床改造活动开展前，细致记录参数，参照指标分析车床存在的问题，在结构设计阶段科学提出问题解决思路。指标信息包括零件尺寸、车床载荷、零件连接方式、车床部件及整机刚度等，使设计后的车床具有高性能、高精确度等优点。其次，细致分析车床工艺。考虑车床零件种类多样，不同零件加工技术标准各异，所以改造设计环节分析整体工艺，精益化确定参数指标。最后，制定总体改造方案。了解机床现状以及工艺特点，据此设计实用性较强的改造方案，并充分准备改造环节所需要的工具，科学调整技术参数，为车床改造实践提供正确指导。
        3.1.2改造目标
        车床改造后，达到主传动系统不变、进给系统开环控制、自动转位等既定目标。纵向进给系统改造方案设计时，坚持装配便捷准则，拆除车床溜板箱、进给箱中传动件、操作件，保留箱体。一级齿轮速度下调，步进电机为丝杠提供驱动力，转动纵拖板，实现纵向运动。在丝杠右方建立手轮设施，便捷手动与对刀的灵活操作，结束后将其拆卸，运用时便捷安装。与此同时，坚持成本节约准则，即转化原始车床内进给箱为一级齿轮减速箱，保证滚珠丝杠部位不变，能够大大减少不必要的经费支出。
        3.2车床机械结构改造设计要点
        主传动结构设计要点：车床向数控化改造，设计人员在主传动机械结构设计环节，自动改变车床运行速度，适当扩大速度变化区间，为变速电机运用提供契机。与此同时，参照相关标准科学设置电机变速系统，完成主电机对原主轴传动链结构的置换，在变频调速装置的辅助下，确保机床常态运转。电机选择时观察等效力矩指标，使系统加工误差最小化。主轴电机转速控制时，制定稳速运转的设计要点，如转速波动范围缩小、工作振动幅度降低、噪声减弱。
        传动结构设计要点：进给传动结构设计时，为提高机床作业效率，调整电机转动方向，使其达到自动化控制目标。机床操纵阶段，在丝杠处安装齿轮箱体，并稳固滚珠丝杠，实现结构高精度控制。除此之外，遵循刚度及强度设计准则，为缩小拖板、重点传动齿轮间隙，适当进行柔性调整或刚度调整，让齿轮灵敏传动，大大提高齿轮抗磨度[4]。
        其他结构设计要点：遵循功能实现、工艺设计准则，车床刀架改造期间，拆除手动刀架，结合数控车床生产需要，安装自动回转数控刀架，充分的保障刀架定位自动化，使零件加工误差最小化。溜板箱结构设计时，检测掌握住车床传动性能、主轴进给性能情况，确保车床运行效果达到数控车床加工标准。
        结论：综上所述，机械结构设计要求逐渐提高，为优化机械结构质量，提高机械产品实用性，务必遵循机械结构设计准则。以机床机械结构设计为例，制定合理化机械结构设计方案，围绕主传动结构、传动结构、其他结构的设计活动，将装配便捷准则、功能实现准则、刚度及强度设计准则，以及其他设计准则具体落实，推动机械行业稳健发展。
参考文献：
[1]李振霞,程方.变焦激光切割技术在微型机械结构设计中的应用[J].激光杂志,2020,41(12):122-125.
[2]徐宏爱.机械结构设计常见错误分析[J].大众标准化,2020(24):110-111.
[3]展一贤,张珊珊.联合一体化农机设备机械结构的设计要点分析[J].南方农机,2020,51(23):70+73.
[4]高有山,权龙,赵斌,等.工程机械作业机构能量回收技术研究现状[J].液压与气动,2019(10):1-10.