1、机械制造装备设计方案知识点第一章 第一节 机械制造装备及其在国民经济中的重要作用缩短生产周期（T），提高产品质量（Q），降低生产成本（C），改善服务质量（S）传统模式（产业）精益-敏捷-柔性（LAF）生产系统，是全面吸收精益生产、敏捷制造和柔性制造的精髓，包括了全面质量管理（TQC）、准时生产（Just in time，缩写JIT）、快速课重组制造和并行工程等现代生产和管理技术。这种模式的主要特征是：以用户的需求为中心；制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量和品种；以柔性、精益和敏捷作为竞争的优势；技术进步、人因改善和组织创新是三项并重的基础工作；实现资源快速有效的集成是其中心任务，集成对象涉
2、及技术、人、组织和管理等，应在企业之间、制造过程和作业等不同层次上分别实施相应的资源集成；组织形式采用如“虚拟公司”在内的多种类型。装备制造业是国民经济的重要支柱，是出口创汇的重要产业。装备制造业是用先进科学技术改进传统产业的重要纽带和载体。装备制造业是高新技术产业和信息化产业发展的基础。装备制造业是国民经济安全和军事的重要保障。装备制造业是解决我国劳动就业的重要途径。第二节 机械制造装备应具备的主要功能一、机械制造装备应满足的一般功能包括：加工精度方面的要求；强度、刚度和抗振性方面的要求；加工稳定性方面的要求； 耐用度方面的要求，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等技术经济
3、方面的要求二、柔性化含义：产品结构柔性化和功能柔性化模块化设计三、精密化：采用传统的措施，一味提高机械制造装备自身的精度已无法奏效，需采用误差补偿技术。误差补偿技术可以是机械式的，如为提高丝杠或分度蜗轮的精度采用的校正尺或校正凸轮等。 四、自动化自动化有全自动（能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程）和半自动（人工完成上下料）之分。实现自动化的方法从初级到高级依次为：凸轮控制、程序控制、数字控制和适应控制等。五、机电一体化（是指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体化的方法，有机地组成最佳技术系统。）这个系统应该是功能强、质量好和故障率低、节能和
4、节材、性价比高，具有足够的“结构柔性”“。六、节材七、符合工业工程要求工业工程是对人、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和实施的一门学科。其目标是设计一个生产系统及其控制方法，在保证工人和最终用户健康和安全的条件下，以最低的成本生产出符合质量要求的产品。产品设计符合要求是指：在产品开发阶段，充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳的工艺方案，选择合理的质量标准，减少操作过程中工人的体力消耗；对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准，减少因质量标准定得过高造成不必要的超额工作量。（强度、刚度、抗振性）八、符合绿色工程要求企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源
5、来增加产出的错误做法，使经济发展更少地依赖地球上的有限资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。这就是所谓的绿色工程要求。第三节 机械制造装备的分类机械制造大致可划分为加工装备、工艺装备、仓储传送装备和辅助装备四大类。一、加工装备是指采用机械制造方法制作机器零件的机床。（一）金属切削机床是采用切削工具或特种加工等方法，从工件上除去多余或预留的金属，以获得符合规定尺寸、几何形状、尺寸精度和表面质量要求的零件。按机床的加工原理进行分类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、特种加工机床、切断机床和其他机床等12类。(二)特种加工机床：1电加工机床。直接利用
6、电能对工件进行加工的机床，统称电加工机床。（一般仅指电火花加工机床、电火花切割机床和电解加工机床）2超声波加工机床。3激光加工机床。4电子束加工机床。5离子束加工机床。6水射流加工机床。(三）锻压机床利用金属的塑性变形特点进行成形加工，属无屑加工设备，主要包括锻造机、冲压机和轧制机四大类。二、工艺装备：产品制造时所用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具，总称工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。模具分类：1.粉末冶金模具2.塑料模具3.压铸模具4.冷冲模具5.锻压模具夹具：安装在机床上用于定位和夹紧工件的工艺设备，以保证加工时的定位精度、被加工面之间的相对位置精度
7、。利于工艺规程的贯彻和提高生产效率。量具：是以固定形式复现量值的计量器具的总称。如千分尺、百分表、量块。三、仓储传送设备包括各级仓储、物料传送、机床上下料等设备。机器人可作为加工装备，如焊接机器人和涂装机器人等，也可属于仓储传送设备，用于物料传送和机床上下料。四、辅助装备包括清洗机和排屑等设备。第二章第一节 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类型。适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”第二节 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计典型步骤（一）产品规划阶段：1.需求分析:产品设计是为了满足市场的需求，而市场的需求往往是不具体的，有时是模糊的、潜在
8、的，甚至是不可能实现的。需求分析的本身就是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且至始至终指导设计工作的进行。2.调查研究：市场调研、技术调研和社会调研三部分：市场调研：技术调研：社会调研：企业目标市场所处的社会环境，有关的经济技术政策；社会风俗习惯3.预测4.可行性分析1）产品开发的必要性2）同类产品国内外技术水平3）从技术上预期产品开发能达到的技术水平4）从设计、工艺和质量等方面需要解决的关键技术问题5）投资费用及开发时间进度，经济效益和社会效益估计6）现有条件下开发的可能性及准备采取的措施5.编制设计任务书经过可行性分析后，应确定待设计产品的设计要求和设计参数，编制“设计要求”将科学原理
9、具体运用于特定的技术目的，提炼、构思成所谓的技术原理，是设计中最关键、最富于创造性的一个环节。4.初步设计方案的形成系统结合法 所谓系统结合法是按功能结构的树状结构，根据逻辑关系把原理解结合起来。数学方法结合法 当子功能原理解的物理和几何特征可定量表达时，有可能借助电子计算机，采用数学方法进行初步设计方案的组合。在方案设计阶段，如子功能的原理解还不够具体，定量表达原理解的特征有困难或不够精确时，采用数学方法形成初步设计方案是不可行的，甚至会导致错误的结果。在变型设计、模块化设计或电路设计中，由于是已知零部件、元器件的组合，各子功能的物理和几何特征可以精确地测量定量表达，采用数学方法。确定结构原
10、理方案的过程如下：（1）确定结构原理方案的主要依据 根据初步设计方案，在充分理解原理的基础上，确定结构原理方案的主要依据，其中包括：决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等。决定布局的依据：物流方向、运动方向和操作位置等。决定材料的依据，如抗腐蚀能力、耐用性、市场供应情况决定和限制结构设计的空间条件：距离、规定的轴的方向、装入的限制范围确定结构原理方案的过程如下：确定结构原理方案的主要依据 根据初步设计方案，在充分理解原理解的基础上，确定结构原理方案的主要依据，其中包括：决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据，如物流方向、运动方向和操作位置等；决定材料的依据，如抗腐蚀能力、耐
11、用性、市场供应情况等等；和决定和限制结构设计的空间条件，如距离、规定的轴的方向、装入的限制范围等等。确定结构原理方案 4.编制技术文档如果创新设计遵循系列化和模块化设计的原理，为产品的进一步变型和组合已做了必要的考虑，变型设计和模块化设计的有些步骤可以简化甚至省略。二、系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化”原则，简称“叄化”原则。有时将“结构的典型化”作为第四条原则，即所谓的“四化”原则。（二）系列化设计的优缺点：优点：1）可以用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2）减少产品品种意味着提高每个品种产品的生产批量，有助于降低生产成本，提高产品制造质量的稳定性。3）产品有较高
12、的结构相似性和零部件的通用性，因而可以压缩工艺装备的数量和种类，有助于缩短产品的研制周期，降低生产成本。4）零备件的种类少，系列中的产品结构类似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量。5）为开展变型设计提供技术基础。系列化设计的缺点是：为以减少品种规格的产品满足市场较大范围的需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，用户只能在系列型谱内有心啊的一些品种规格中选择所需的产品，选到的产品，一方面其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，另方面有些功能还可能冗余。（和机械图谱相联系）三、模块化设计（一）模块化设
13、计的基本概念：为了开发多种不同功能的结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。（二）模块化设计的优缺点采用模块化设计方法开发产品的优缺点类似系列化设计方法，在缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力方面综合经济效果十分明显优点：1）根据科学技术的发展，便于用新技术设计性能更好的模块，取代原有的模块，提高产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代。2）采用模块化设计，只需要更换部分模块，或设计制造个别模块和专用部件，便可快速满足用户提出的
14、特殊订货要求，大大缩短设计和供货周期。3）模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体制的改革。由于产品的大多数零部件由单件小批生产性质变为批量生产，有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业化生产，既提高质量又降低成本。 4）模块系统中大部分部件由模块组成，设备如发生故障，只需要更换有关模块，维护修理更为方便，对生产影响少。为了实现产品结构和产品开发过程的重组，企业必须采用CAD/CAM和MRP-技术，并实现两者之间的信息集成。第三节 机械制造装备设计的评价（六）经济评价Ej通常理想成本CL应低于市场同类产品最低价的70%。经济评价Ej越大，代表经济效果越好。Ej=1的方案经济上最
15、理想。如经济评价值小于0.7，说明方案的实际生产成本大于市场同类产品最低价，一般不予考虑。二、可靠性评价可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度：是指可靠性的量化指标，是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定任务的概率。（一般记为R）（三）可靠性分配的原则1）对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用的可靠性有把握达到较高水平的单元，可分配较高的可靠度。2）对较简单的单元，组成单元的零部件数量少，装配容易保证质量或故障后期易于恢复的单元，可分配度较高的可靠度。3）对重要的单元，该单元的失效将引起严重的后果，或该单元失效会导致全系统失效，应分配较高
16、的可靠度。4）对整个任务时间内需连续工作，或工作条件严酷的单元，应分配较低的可靠度。加工工艺性： 1.产品结构的合理组合产品结构的合理组合：一个产品是由部件、组件和零件组成。组成产品的零部件越少，结构越简单，质量也可减小，但可能导致零件的形状复杂，加工工艺性差。2.零件的加工工艺：零件的结构形状、材料、尺寸、表面质量、公差和配合等确定了其加工工艺性。产品设计的标准化产品设计的标准化对提高设计水平，保证设计质量，简化设计程序，节约设计费用将产生显著效果。设计文件的标准化审查包括图样和技术文件成套性检查；P53第三章金属切削机床设计第一节 概述一、机床设计应满足的基本要求1.工艺范围是指机床适应不
17、同生产要求的能力，也可称之为机床的加工功能。一般包括可加工的工件类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸的范围、毛坯类型机床的工艺范围主要取决于其使用什么生产模式。一般包括可加工的工件类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸范围、毛坯类型机床的工艺范围主要取决于其使用什么生产模式。工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。（影响因素）生产模式：单件大批量、大量、批量。柔性：机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。包括空间上的柔性和时间上的柔性。所谓空间柔性是指一台机床的工艺范围相当于多台机床的工艺范围,即机床的运动功能和刀具的数目较多，工艺范
18、围较广，机床能够在同一时期内完成多品种加工的能力。所谓时间上的柔性也就是结构柔性，指的是在不同时期，机床各个部件经过重新组合，即通过机床重构，改变其功能，形成新的加工功能，以适应产品更新变化快的要求。P563.与物流系统的可接近性（accessibility）可接近性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）流动的方便程度。4.刚度：加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。刚度包括：静态刚度、动态刚度、热态刚度。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。5.精度 分为机床本身的精度，即空载条件下的精度（几何精度、运动精度、
19、传动精度、定位精度等）和工作精度。7.生产率：通常是指单位时间内机床所加工的合格工件数量。柔性制造系统（FMS）第二节 金属切削机床设计的基本理论工件表面的形成方法1.几何表面的形成原理2.发生线的形成：方法：轨迹法（描述法） 成形法（仿形法） 相切法（旋切法） 展成法（创成法）3.加工表面的形成方法母线形成方法和导线形成方法的组合（三）运动分类1.按运动的功能分类成形运动主运动形状创成运动当形状创成运动中不包含主运动时，“形状创成运动与进给运动”与“进给运动”两个词等价；当创成运动中包含主运动时，“形状创成运动”与“成形运动”两个词等价。1.按运动的功能分类独立运动：与其他运动之间无严格的运
20、动关系复合运动：与其他运动之间有严格的运动关系4.机床传动原理图机床的运动功能图只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。图见书本P65a）合成机构b）传动比可变的变速传动c）传动比不变的传动d）车床传动原理图e）滚动机传动原理图二、精度包括几何精度、传动精度、运动精度、定位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等。几何精度：机床在空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不移动及转动等情况下）或运动速度较低时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。运动精度 是指机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度。工作精度 加工（标准）规定的试件，用试件的加工精度
21、表示机床的工作精度。三、刚度：机床受载时抵抗变型的能力。公式： K=振动：机床的抗振能力是指机床在交变在和作用下，抵抗变形的能力。包括：抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。习惯上称之为：抗振性，后者常称为：切削稳定性。(平稳)1.受迫振动2.自激振动3.影响机床振动的主要原因有：机床的刚度。机床的阻尼特性。机床系统固有频率。详细见P68五、热变形机床在工作时受到内部热源（）和外部热源（）的影响（环境温度、周围热源辐射）的影响，使机床的温度高于环境温度，称之为温升。热变形对加工精度的影响。分贝（d B）机床噪声源：4个机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声七、低速运动平稳性低速运动时产生
22、的运动不平稳称为爬行。是因为摩擦产生的自己振动现象。四、机床主要参数设计包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。P76相对转速损失率。任意两级转速之间的关系：Nj+1=nj应用等比数级排列的主轴转速，课借助于串联若干个滑移齿轮来实现。标准公比的确定原则：相见P76-78二、主传动系分类和传动方式：（一）主传动系分类（二）主传动系的传动方式传动轴格线间转速点的连接线称为传动线，表示两轴间一对传动副的传动比u，用主动齿轮与从动齿轮的齿数比或主动带轮与从动带轮的轮径比表示。变速组的级比是指主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，用#表示。级比*中的指数Xi值称为级
23、比指数，它相当于由上述相邻两传动线的比值，用#表示。级比指数中的指数Xi值称为级比指数，它相当于由上述相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。（三）主变速传动系设计的一般原则1.传动副前多后少原则2.传动顺序与扩大顺序相一致的原则3.变速组的降速要前慢后快，中间轴的转速不宜超过电动机的转速。（四）主变速传动系的几种特殊设计1.具有多速电动机的主变速传动系设计2.具有交换齿轮的变速传动系优缺点：（齿轮齿数的确定） 一般在主传动中，取最小齿轮数Zmin1822.（七）计算转速机床的功率转矩特性P963.各传动轴的估算和经验：机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。无级变速装置的分
24、类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比#理论上应等于无级变速装置的变速范围Rd。进给传动系设计应满足的基本要求：具有足够的静刚度和动刚度。具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行。抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件P111机械进给传动设计系的设计特点：1.进给传动是恒转矩传动 2.进给传动系中各传动件的计算转速第九节 机床刀架和自动换刀装置设计一、 刀库和换刀机械组成1、 刀库组成 加工中心上刀库类型有：鼓轮式刀库、链式刀库、格子箱式刀库和直线刀库等。2、 换刀机械换刀机械手分为单臂单手式、单臂双手式和
25、双手式机械手。第四章 工业机器人设计第一节 概述一、 工业机器人的定义和工作原理（一） 机器人的定义工业机器人是一种自动化生产设备。可以广义的把机器人理解为模仿人的机器。我国国家标准将工业机器人定义为：是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或夹持工具，用以完成各种作业。（二） 工业机器人的基本工作原理工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供作业所须得运动和动力，其基本原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。（三） 工业机器人与机床的不同之处有：机床是按直角坐标形式运动为主，而机器人是按关节形式运动为主；机床对刚度、精度要求
26、很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低。二、 工业机器人的构成及分类（一） 工业机器人的构成1）操作机 是机器人的机械本体，也称为主机。2）驱动单元 由驱动装置、减速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动力和运动。3）控制装置 由检测和控制两部分组成，用来控制驱动单元，检测器预备队参数并进行反馈。（二）工业机器人的分类1）关节型机器人 所谓关节就是运动副，由于关节型机器人的动作呢类似人的关节动作，故将其运动副成关节。2）球坐标型机器人3）圆柱坐标型机器人4）直角坐标型机器人三、 工业机器人运动功能图形符号 P215四、 工业机器人的主要特性表示方法（一
27、） 机械结构类型机器人的机械结构类型特征，用它的结构坐标形式和自由度数表示。（二） 工作空间工作空间指工业机器人正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，用它来衡量机器人工作范围能力的大小。机床的工作空间一般为长方体或圆柱体空间；而机器人的工作空间形状复杂。五、 工业机器人的设计方法1、 基本技术参数的选择1）用途，如搬运等。2）额定负载。即指在机器人规定的性能范围内，机械借口出所能负载的允许值。3）按作业要求确定工作空间，同时考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求。4）额定速度 指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。5）驱动方式的选择6）性能指标 按作业
28、要求确定。一般指位姿准确度及位姿重复性、轨迹准确度及轨迹重复性、最小定位时间及分辨率等。第二节 工业机器人运动功能设计一、 工业机器人的位姿描述工业机器人的位姿是指其末端执行器在制定坐标系中的位置和姿态。（一） 作业功能姿态描述法所谓用作业动作功能要求来描述机器人位姿，就是直接用末端执行器和机座之间的齐次坐标变换来描述。（二） 机器人运动功能姿态描述法P220二、 工业机器人的轨迹解析由机器人的末端执行器的位姿求关节运动量，称为机器人的逆运动学解析。第三节 工业机器人传动系统设计 四， 工业机器人的传动系统设计（一） 谐波齿轮减速装置（二） 1。工作原理：谐波齿轮传动装置是由三个基本构件组成的
29、，即具有内齿的刚轮G，具有外齿容易变形的，薄壁圆筒状柔轮R和波发生器H，如图4-16所示。2。传动比计算1）波发生器主动，刚轮固定，柔轮从动时，波发生器与柔轮的减速传动比为P2342）波发生器主动，柔轮固定，刚轮从动时，波发生器和刚轮的减速传动比为 P2353. 谐波减速器在机器人中的应用 由于谐波减速传动装置具有传动比大（一级谐波齿轮减速比可以在50500之间，采用多级或复波式传动时，传动比更大），承载能力强，传动精度高，传动平稳，效率高（一般可达0.70.9），体积小，质量小等优点，已广泛用于工业机器人中。第四节工业机器人机械结构系统由机座，手臂，手腕，末端执行器和移动装置组成。工业机器人
30、的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。（一） 设计要求1， 手臂结构设计要求1） 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间的形状和大小与手臂的长度，手臂关节的转角范围密切相关（关于工作空间问题已在本章第二节中讨论了）2） 根据手臂所受载荷结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。如常采用空心的薄壁矩形框体或圆筒，以提高其抗弯刚度和抗扭刚度，减小自身的质量。空心结构内部可以方便地安置机器人的驱动系统。3） 尽量减小手臂质量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷，减少运转的动力载荷与冲击，提高手臂运动的响应速
31、度。4） 要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度2， 机座结构要求1） 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性2） 机座承受机器人全部重力和工作载荷，应保证足够的强度，刚度和承受能力3） 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动影响最大，因此机座与手臂的连接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构二，工业机器人的手腕 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。（一） 设计要求对
