物理实验装置机械设计研究
物理实验装置机械设计研究 摘要：由于我所主要从事实验物理相关研究，需要机械、 电子、光学等多个学科的支撑，机械设计专业作为重要支撑 专业之一，发挥着举足轻重的作用，而机械设计是一项技巧 性、流程性和技术性都很强的工作，在机械设计过程中很容 易出现各种各样的问题，因此要细化整个机械设计流程，总 览全局，善于查漏补缺，才能提高机械加工产品的质量，最 大限度地满足物理实验需求。本文分析了物理实验装置机械 设计中应注意的问题，阐述了机械设计的有效策略和优化措 施。关键词：物理实验装置；
机械设计；
非标设计 引言 在经济快速发展的情况下，各个行业均离不开机械的应 用，机械制造行业的体系不断完善，极大地保证了行业制造 的质量，同时也促进了我国其他行业的快速发展，在我所大 多物理实验顺利完成中，机械专业作为其支撑专业之一，物 理实验装置机械设计显得尤为重要，由于物理实验装置机械 设计加工是一项精密且复杂的工程，在整个过程中会不可避 免地出现一些问题，因此需要对机械设计的相关技术问题进 行探究，以便提高物理实验装置整体的质量，从而充分发挥 出机械设计在我所物理实验支撑的重要作用。
1物理实验装置中的非标机械设计问题 物理实验机械装置中大部分零部件由于物理实验需求而非标件，因此加大了设计加工难度，必须有理论知识积累 和一定的实际工作经验才能做到。这就对设计人员提出了非 常高的要求，设计人员不但需要掌握一般标准件或者标准设 备参数，还需要对物理实验装置的实际需求加以掌握，包括 具体的物理需求方面的技术参数以及机械加工精度等要求， 除尽可能获得实验装置的详细需求信息之外还应该注意以 下问题。
1.1非标设计中部分零部件设计的标准化 我所用的大多物理实验机械装置都不是通用装置，许多 部件由于物理实验需求等方面的需要，只能是非标设计，而 在当前工业经济化、信息化时代背景下，工业产品设计要遵 循标准化、系列化、通用化的原则，并且这些标准化产品一 般都是批量生产，在非标设计中部分零部件设计采用标准化 方法，有利于提高物理实验机械设计质量并缩短生产周期。
在保证产品质量的同时，节约了材料，降低了成本。标准化 的最终目的是为了提高效率和确保质量，与标准设计制造相 比，非标设计制造具有以下特征：（1）加工时无法采用通 用夹具等辅助工装；
（2）对外协加工能力要求高；
（3）互 换性较差；
（4）设计和加工成本较高。而标准件则是规格 一致，采取批量生产，在保证零件质量的基础上大大减小了 成本，因此物理实验装置中局部结构有标准的应按标准安 排：例如密封圈、法兰、螺钉等这些最常用的零部件，既节 省了设计时间，又便于与其他机械装置在装配过程中配套，实现较高的互换性和重复利用率，同时大大提高了科研生产 效率。
1.2坚持标准零部件的成品首选原则 在非标设计时，在保证技术需求的前提下要尽可能地采 用标准零部件的成品件，在我们大多物理实验装置设计中不 少的非标设计者往往不愿采用某些零部件的成品而自行设 计，而是对此类零件、做出相应改进或创新，但这种情况下 的结果往往事倍功半，没有很好的实际应用效果，浪费了时 间并且增加了设计与制造成本，因此标准零部件设计时应优 先考虑选择成品，这样能有效降低非标装置的设计、制造成 本。
2物理实验装置科学、合理机械设计的实现 2.1合理选择机械设计加工零件材料 一套大的物理实验装置由许多零部件构成，各个零部件 对材料的要求参差不齐，在物理实验装置设计中选择机械设 计加工零材料时，必须要充分考到材料的性价比、工艺性能、 质量、价格等因素，所以对于机械设计中零件材料的选择需 要极其细心。机械零件材料选择必须充分考虑其实际使用要 求、加工工艺性能及高性价比的要求。（1）根据物理实验 需求来选择材料必须根据物理实验使用需求来选择材料，所 要选用的材料需要符合物理实验的需求性能，在选用材料的 时候需要认真分析材料使用的合理性，首先应与需求者沟通， 提前获知需求者对各零部件在物理实验中对材料物理性能的要求，譬如良好的导电性、绝缘性、弱磁性等。在考虑是 否满足物理实验要求之后，再对各种材料的强度、刚性等机 械性能方面进行考量，以从中挑选出能既满足物理需求又满 足机械性能要求的材料。（2）考虑加工工艺与材料性能的 适用性必须根据加工工艺的需求对材料进行筛选，做到加工 工艺与材料性能的适用性，例如：铝制件不宜焊接，我们应 该尽量避免焊接件采用铝；
一些薄壁、非金属类零件设计可 能由于尺寸过小、强度不够等原因导致机械加工工艺无法满 足机械设计；
这时就需要选择一种既能满足使用要求又便于 加工的材料来替代，诸如此类的情况还有很多，都是我们应 该要考虑到的。（3）以经济性、实用性为原则选择材料控 制机械设计加工的成本，选择性价比最高的材料，由于大多 物理实验装对材料要求较高或者材料比较特殊，所以不能够 仅仅以价格作为选择的唯一标准，虽然有些材料的成本比其 他材料成本较高，但却具有加工成本相对比较低或者在使用 过程中更能满足或者接近所需材料的性能指标、实验中检修 费用低等优势，其实使用了这种材料在一定程度上来说节约 了成本，在充分保证使用要求的情况下，尽量选择能够重复 利用的材料，尽量选择常见的、容易获得的材料来代替很少 用的材料，一些稀缺材料在机械行业里比较少用、稀缺，带 来了采购困难的问题，因此需要尽可能地降低采购成本、采 购周期，从而提高机械生产的经济性，缩短整个加工周期， 尽可能避免因加工周期延长给科研任务的顺利完成带来的影响。
2.2机械设计中加工精度要求的合理性 在日常科研中用到的各类机械装置用途不一，有的仅仅 作为升降、支撑等装置，这些装置的加工精度要求不高，在 满足使用要求的同时只需要做到美观即可，提出过高的精度 要求反而增加了加工成本，浪费了资源。而有的零部件需要 较高的加工精度，像高压开关电极、紧配合接插件等需要较 好的表面粗糙度、较高的尺寸精度，这就需要精度要求必须 达到物理实验要求，精度设计过低会直接影响实验的可靠性。
2.3提高机械设计可靠性 标准化的零部件，一般都是经过长期的实践得到广泛认 可投入市场的，与我们只经过初次设计、制造的物理实验中 非标零部件相比，具有更好的可靠性。在初次设计非标零部 件时，总会存在设计上的不足，在日常科研任务中使用了这 些带有缺陷的非标零部件后会降低机械装置自身工作效率 和科研生产效率，因此，在对零部件进行设计时必须注重零 部件设计的可靠性。可以通过各种仿真软件校核要加工的零 部件是否满足强度、刚度要求，同时考虑零部件的形状、尺 寸大小、加工精度和配合要求对整个装置的使用效果影响程 度做出正确认知和预判。
2.4考虑人机学的结构设计问题 此外，许多物理实验装置由于物理实验的需求，工作人 员会反复操作其中的机构，这样需要工作人员经常要进行舒适而且合理的操作。例如，一些机构高度设置为适应人体舒 适性的操作高度；
在离操作员手臂较近或者顺手操作的位置 放置机械操作机构；
操作手柄、旋钮的大小、形状应使操作 人员方便操作并且省力；
一些物理实验装置结构复杂而且还 需要反复拆装，这就要求在机械设计时要保证零部件拆装方 便，给操作人员留足够的操作空间，做到操作自如。最终目 的是让工作人员能在身体处于很舒服的状态下操作，做到人 性化，宜人化。
3机械设计人员与外协加工单位加强沟通 我所大多物理实验装置中机械部分需要在外协加工单 位的配合下完成，外协加工单位根据我所提供的图纸进行加 工，制作出相应的产品，光洁度、加工精度尺寸公差都是设 计人员规定的，没有一定的范式。在本单位技术保障中心加 工机械装置时设计人员可以很方便地和工艺员一对一、面对 面交流，而与外协单位的合作使得双方的交流不是很方便， 外协单位在进行有些零部件的加工时需要严格按照图纸要 求进行，而在这个过程中存在一些物理实验装置中部分机械 加工工序复杂并且在中途变更加工工艺和工序的可变性较 大、机械加工精度要求过高等问题，由于设计人员与外协加 工单位没有进行很好的沟通造成了加工周期的延长，进而影 响科研生产任务，因此需要机械设计人员与外协加工单位提 前交流，根据加工图纸提前沟通好在加工过程中可能遇到的 困难、问题，保证外协加工、科研任务的顺利完成。结论 综上所述，在物理实验装置机械设计过程中，需要注意 的问题有很多。物理实验装置机械设计的过程既要有扎实的 理论知识还要有丰富的实践经验。只有将理论知识和实践经 验有机地结合起来做到面面俱到，才能更好地实现物理实验 装置机械设计的最优化。物理实验装置机械设计在日常科研 任务中的作用举足轻重，一个优秀的物理试验装置设计人员， 应当善于对整个设计加工过程进行全面考虑，不仅要周全考 虑满足物理实验装置的物理需求，还需要对物理需求造成的 加工工艺的可实现性做出科学判断，这样在加工前做好充分 的准备工作，才能够达到机械设计加工的理想状态，设计制 造出性价比极高并且1满足物理需求的物理实验装置，以便 保证各项科研任务的顺利完成。
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