机械制造装备控制.pdf
第一章第一章 绪绪 论论 什么是机械制造装备？机械制造装备应具备的主要功能*：一般的功能要求（精度、强度/刚度/抗振性5项），柔性化、精密化、自动化、机电一体化、节约材料、符合工业工程要求、符合绿色工程要求。总总复复习习 机械制造装备的分类*：大致可划分为加工装备（切、锻、特）、工艺装备（刀、夹、模、量）、仓储传送装备（？）和辅助装备四大类（？）。机械制造装备设计类型：分为创新设计、变型设计和模块化设计、（系列化设计）等类型*。设计方法：系列化、模块化、合理化工程。机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价*：技术经济评价可靠性评价人机工程学评价结构工艺性评价产品造型评价标准化评价思考题：1、对机械制造装备如何进行分类？2、机械制造装备设计有哪些类型？3、设计的评价主要有哪些？各自的核心思想是什么？哪些比较重要？为什么？第二第二章章 金属切削机床金属切削机床设计设计2.1 概述什么是金属切削机床？常见有哪些？*机床设计应满足的基本要求：工艺范围工艺范围、柔性、柔性13项项*了解：机床模块化设计方法、机床的设计步骤2.2 金属切削机床设计的基本理论 运动学原理 发生线：母线、导线（可互换性？）*发生线形成方法：四种，可辨别*机床运动分类：直/回、非/成形、独立/复合*主运动、形状创成运动、进给运动，给定机床能找出各运动可辨别*图中各加工方法哪是主运动、哪是创形、哪是进给。创形：要么是主运动，要么是进给运动。坐标系XYZ，UVW，ABC，给定机床标识各坐标轴*运动功能式与运动原理图：给定前者画后者或反之*运动功能分配：分配的原则、表述方法，对机床机构的影响*给定实际机床，写运动功能式与运动原理图（含接地表达）*了解：传动原理图 机床运动功能方案设计步骤*第二章金属切削机床设计 练习：写出如图机床运动功能式及运动原理图练习：写出如图机床运动功能式及运动原理图 精度的内容：几何精度、运动精度*刚度:主要影响因素*振动：两种形式、主要影响因素*热变形：影响度、控制措施*噪声：低速平稳性：产生原因及控制措施*2.3 金属切削机床总体设计 机床总体设计的步骤：以下四步*机床系列型谱的制订：什么是基型系列*机床运动功能的设置 总体结构方案设计 机床主要参数的设计 主参数与尺寸参数*运动参数：nmax、nmin、R、Z*样题：样题：400mm卧式车床，刀具最大切削速度卧式车床，刀具最大切削速度200m/min，最小切削速度，最小切削速度1.5m/min，卧式车床，卧式车床K1=0.5，K2=0.25。求最大最小主轴转速及变速范围。求最大最小主轴转速及变速范围。、Z？主轴转速采用等比数列排列的主轴转速采用等比数列排列的原因：原因：减少速度损失，减少速度损失，经经典公比数典公比数1.06、1.12、1.26、1.41、1.58*Rn、及级数及级数Z的的关系关系*：动力参数：主电机功率构成*进给进给驱动进给驱动的型的型式式*什么情况下进给电机需考虑惯性力？第二章金属切削机床设计2.4 主传动系设计 主传动系设计应满足的基本要求 主传动系分类与传动方式：集中与分离传动的优缺点*分级变速主传动系设计 分级变速主传动系的设计步骤 根据转速图写结构式或相反*12=212234第二章金属切削机床设计 主轴的极限变速范围：1/4 u2，给定速度图判断超限，给定速度图判断超限与否（上页图）与否（上页图）*转速图设计一般原则：前多后前多后少、少、传动顺序与扩大顺序相传动顺序与扩大顺序相一致、一致、速降前慢后快，中间轴转速不超过电机转速速降前慢后快，中间轴转速不超过电机转速*设计转速图设计转速图*第二章金属切削机床设计 例：例：设计一个12级转速的车床主传动系统，公比=1.41，主轴最高转速1440rpm，电机转速1440rpm，电动机与主轴箱之间带传动，设计其转速图。Z=12 R=1.41e11=44nmin=1440/44=31.5 结构式：结构式：12=312326 从结构式看需从结构式看需4轴，考虑皮带传动则一共为轴，考虑皮带传动则一共为5轴轴 完成转速图框架完成转速图框架 考虑到前缓后快，最后一级速降四格考虑到前缓后快，最后一级速降四格 跳跳6格，所以升速为格，所以升速为2也满足要求也满足要求 考虑到前缓后快，第二级速降考虑到前缓后快，第二级速降3格格 第一级速降第一级速降2格格 最后最后2格给皮带传动格给皮带传动电I II III IV第二章金属切削机床设计 特殊情况：多速电机驱动、交换齿轮、公用齿轮*扩大变速范围的方法：加组、背轮、双公比、分支传动*齿轮齿数的确定*同一传动副模数相同则齿数和Sz相同最大与次大齿数之间的齿数差应大于或等于4。2018minZ第二章金属切削机床设计 计算转速:*定义 中型通用机床的计算转速：从最低速往上1/3 传动轴与传动齿轮计算转速的确定 了解：变速箱空间布置与计算：轴向固定、刚度第二章金属切削机床设计 无级变速主传动系 无级变速装置的分类及特点：变速电机、机械无级变速、液压无级变速*无级变速主传动系设计原则：三条*数控机床主传动系设计 电机无级调速*驱动电机与主轴功率特性匹配设计：三种匹配情况功率特性匹配设计：三种匹配情况*高速主轴 部件标准化、模块化设计 柔性化、复合化 并联机床 数控机床转速图设计*第二章金属切削机床设计思考题：思考题：数控机床，nmax=4000rpm，nmin=40rpm，nj=180rpm，直流电机，P电=15kW，电机额定转速1500rpm，最高转速4500rpm。设计分级变速箱传动系转速图。解：1）电机变速范围：Rd=4500/1500=32）主轴恒功率变速范围：Rn=4000/180=22.23）需要的机械变速范围：Rf=22.2/3=7.44）机械变速公比与级速：7.4=f(Z-1)5）机械变速公比必须满足，不然会造成主轴恒功率速度机械变速公比必须满足，不然会造成主轴恒功率速度范围不能落在：范围不能落在：180-4000内。所以机械公比必须是内。所以机械公比必须是7.4的的整数次方。整数次方。两种方案 f=2.72、Z=3或者 f=7.4 Z=2 6)先看第一种方案先看第一种方案：以180rpm为中心，公比2.72 向上反推。找出各速度点490,1332,36227）从180向1500反推注意降速比别超4，升速比别超2。取180对应720，速比4，这时升速1332/720=1.85小于2。带轮速降1500/720=2.088）验算高速区:4500/2.08*1.85=4000所以1500-4500对应180-4000没有问题。9）完善转速图主轴40rpm对应电机333rpm10）绘出功率特性图，并指明重叠区:第二方案略第二章金属切削机床设计2.5 进给传动系设计 应满足的基本要求 组成 应满足的基本要求（相对于主轴）进给传动系设计特点有哪些？*恒扭矩 计算转速是最高转速 转速图前疏后密 变速范围：Rn 14 常采用间隙消除 快速空程 微量进给第二章金属切削机床设计 电气伺服进给系统 分类：开环、闭环、半开环*驱动部件：步进、直流伺服、交流伺服、直线电机*伺服进给系统的机械部件（了解）速降比 齿轮传动间隙消除 滚珠丝杠及其支承 拉压刚度计算 滚珠丝杠间隙消除 滚珠丝杠的预拉伸思考题：机床设计的基本理论包括哪些内容？机床设计的基本理论包括哪些内容？工件表面的形成方法？工件表面的形成方法？机床运动功能式的含义是什么？机床运动功能式的含义是什么？分析图分析图2 2-4 4所示各种机床的运动原理图。说明各个运动的所属类型、作用及所示各种机床的运动原理图。说明各个运动的所属类型、作用及工件加工表面的形成方法工件加工表面的形成方法 什么什么是传动组的级比和级比指数？级比指数选取有何规律？是传动组的级比和级比指数？级比指数选取有何规律？某车床主轴转速某车床主轴转速n=40n=40-1800rpm1800rpm，公比，公比1.411.41，电机转速，电机转速1440rpm1440rpm，请：拟定结，请：拟定结构式、转速图，确定齿轮齿数。构式、转速图，确定齿轮齿数。试从公比试从公比1.261.26，Z=18Z=18的各种传动方案中确定最佳方案，写出结构式，画出转的各种传动方案中确定最佳方案，写出结构式，画出转速图。速图。求图求图2 2-6262中各轴、齿轮计算转速。按普通车床考虑。中各轴、齿轮计算转速。按普通车床考虑。第三第三章章 典型部件典型部件设计：设计：3.1 主轴部件设计主轴部件设计 主轴主轴部件的组成部件的组成*应应满足的基本要求：满足的基本要求：旋转精度、刚度、抗振性、温升和热变形、精度保持性*主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式*齿轮传动：缺点？带传动（同步带）：特点？应用场合 直接驱动：特点、应用场合 主轴部件结构设计主轴部件结构设计 主轴部件的支承数目 推力轴承的配置型式：前、后、两端、中*主轴传动件位置的合理布置原则*：传动件靠近前支撑传动件靠近前支撑、传、传动力动力产生变形部分产生变形部分抵消抵消切削力变形切削力变形 主轴的主要结构参数*：前前、后轴径，前端悬伸量、支承跨、后轴径，前端悬伸量、支承跨距，内孔直径距，内孔直径等等 主轴结构一般特征：空心、前大后小空心、前大后小 主轴轴承的主要形式：主轴轴承的主要形式：滚动、动压、静压、空气、磁浮等滚动、动压、静压、空气、磁浮等*对主轴轴承的要求：对主轴轴承的要求：旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等（不说出不少于4种）*主轴主轴滚动轴承滚动轴承 常用的滚动轴承，及各自的特点*:角接触角接触球轴承、球轴承、双列短双列短圆圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、双向推力角接触双向推力角接触球轴承、球轴承、陶瓷滚动轴承陶瓷滚动轴承 主轴轴承配置型式：速度型、刚度型、速度刚度型*滚动轴承精度选择原则：前轴承应比后轴承高一个精度前轴承应比后轴承高一个精度等级等级*轴承的预紧：预紧等级、预紧类型、双列短圆柱滚子轴承预紧方式（两种）、角接触球轴承的预紧方式（三种）*轴承的润滑与密封：润滑剂类型、脂润滑特点、油润滑特点、油润滑的方式*主轴常用材质：45钢，40Cr、20Cr、38CrMoALA、65Mn*主轴材料热处理：调质、淬火、渗（碳）氮 主轴主轴滑动轴承滑动轴承 滑动轴承的特点 滑动轴承的类型 动压轴承：原理、型式、特点*静压轴承：原理、优缺点*气体静压轴承：主轴主轴磁浮轴承磁浮轴承 主轴知识综合运用：挑错主轴知识综合运用：挑错3.2 支承件设计支承件设计 支承件指哪些件？支承件指哪些件？*支承支承件应满足的基本件应满足的基本要求：要求：4条条*支承件的结构设计支承件的结构设计 支承件承受的载荷类型 支承件截面形状与选择：方与圆、空/实心、开口、抗弯、抗扭*按抗弯排队？按抗扭排队？筋板与筋条的布置 支承件壁厚的选择 支承件的材料支承件的材料 铸铁特点：*焊接件特点：*预应力钢筋混凝土：特点*天然花岗岩：特点*人造混凝土特点：*提高支承件结构性能的措施提高支承件结构性能的措施提高静刚度和固有频率：材料、截面形状和尺寸、壁厚材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理的布置肋板和肋条肋板和肋条*提高动态特性：提高阻尼的方法*提高热稳定性*3.3 导轨设计导轨设计 导轨的导轨的功能、类型及应功能、类型及应满足的基本满足的基本要求要求*功能 类型 应满足的要求 导轨截面形状与间隙调整导轨截面形状与间隙调整 直线导轨截面形状及特点：矩形、三角、燕尾、圆柱*环形导轨 导轨的组合形式 导轨的间隙调整：压板调整、镶条调整、导向板调整*导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 滑动导轨：特点、提高耐磨性的措施*静压导轨：原理、特点*卸荷导轨：类型、原理、特点*滚动导轨：特点、类型、*导轨的设计 提高导轨精度、刚度、耐磨性的措施提高导轨精度、刚度、耐磨性的措施*合理选择导轨的材料和热处理 预紧 润滑与防护 磨损控制3.4 刀架与自动换刀装置设计刀架与自动换刀装置设计 认识几种认识几种典型的刀架典型的刀架 四方刀架 转塔刀架 自动转位刀架 排刀刀架 链式刀库第三章典型部件设计思考题：思考题：主轴轴向定位方式(推力轴承位置)有哪几种？各自特点？适用场合？动压轴承的工作原理 静压轴承的工作原理 导轨设计应满足哪些要求？镶条和压板的作用？提高导轨耐磨性的措施？卸荷的方式有哪几种？各自什么特点？第四章第四章 工业机器人的设计工业机器人的设计第一节第一节 概述概述第二节第二节 工业机器人运动功能设计工业机器人运动功能设计第三节第三节 工业机器人传动系统设计工业机器人传动系统设计第四节第四节 工业机器人机械机构系统设计工业机器人机械机构系统设计第五节第五节 工业机器人的控制工业机器人的控制第六节第六节 工业机器人在机械制造系统中的应用工业机器人在机械制造系统中的应用4.1 4.1 概述概述 概念：概念：机器人机器人模仿人的动作及行为的机器。工业机器人工业机器人是用于工业生产的机器人。工业机器人是一种生产装备，基本功能基本功能是提供作业所需的运动和动力，工作原理工作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自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。工业机器人的工业机器人的组成组成:1）操作机、2）驱动单元、3）控制装置*工业机器人的工业机器人的分类分类(按结构方式分按结构方式分)：a）关节型机器人、b）球坐标型机器人、c）圆柱坐标型机器人、d）直角坐标型机器人*运动原理图，运动原理图，用符号表示*。坐标变换，坐标变换，机器人运动学和控制的基础。工业机器人的主要特性工业机器人的主要特性*根据国标GB/T 12644-2001的规定，有13项主要特性：坐标型式坐标型式运动自由度数运动自由度数各自由度的动作范围各自由度的动作范围各自由度的动作速度各自由度的动作速度额定负载额定负载精度精度其它（用途、外形尺寸、驱动方式、控制、编程方法、分辨率、环其它（用途、外形尺寸、驱动方式、控制、编程方法、分辨率、环境条件境条件等）第二章金属切削机床设计4.4工业机器人机械结构系统设计工业机器人机械结构系统设计 机械结构的组成及特点机械结构的组成及特点*工业机器人工业机器人的手臂和机座的手臂和机座 手臂结构设计手臂结构设计要求要求*机座机座结构设计结构设计要求要求*驱动驱动方式及其特点方式及其特点*典型手臂结构：典型手臂结构：液压驱动圆柱坐标液压驱动圆柱坐标型、型、电动机驱动机械传动圆柱坐标电动机驱动机械传动圆柱坐标型、型、PUMAPUMA机器人机器人手臂、手臂、带谐波减速器的机器人手臂带谐波减速器的机器人手臂 工业机器人工业机器人的手腕的手腕 手腕设计手腕设计要求要求*手腕典型结构：诱导运动手腕典型结构：诱导运动*工业机器人工业机器人的手部（末端执行器）的手部（末端执行器）设计要求设计要求*典型结构：三类典型结构：三类*与数控机床的区别？与数控机床的区别？*如何从结构设计角度提高机器人的精度？如何从结构设计角度提高机器人的精度？*“第五章“第五章 机床夹具设计”复习机床夹具设计”复习5.1机床夹具的功能和应满足的要求*机床夹具的功能 机床夹具应满足的要求5.2机床夹具的类型和组成 机床夹具的类型*通用夹具、专用夹具、可调夹具和成组夹具、组合夹具、随行夹具 机床夹具的基本组成*定位元件、夹紧元件、导向及对刀元件、动力装置、夹具体5.3机床夹具定位机构的设计 工件定位*六点定位原理*完全定位和不完全定位*定位的正常情况与非正常情况*典型的定位方式、定位元件及装置 平面定位*钉、板支承 孔定位*心轴、销 外圆定位*定位套筒、卡盘、V形块 定位表面组合*第一（主）、第二（导向）、第三（定程）第五章机床夹具设计指使同一批工件中的任何一个，在夹具中未受夹紧力之前，都得到同一个确定位置的过程。夹具设计时，原则上应选择加工工艺基准为定位基准。“第五章“第五章 机床夹具设计”内容回顾：机床夹具设计”内容回顾：定位误差的分析与计算*定位误差*定位误差分析*第五章机床夹具设计工件的加工误差：工件加工后在尺寸、形状和位置三个方面偏离理想工件的大小。产生因素：产生因素：（1）定位、夹紧误差取(1/31/5)总偏差。（2）对定误差夹具相对于机床主轴（或刀具）或运动轨道位置误差。（3）加工过程中的误差机床几何精度、热变形、切削振动等。定位误差：定位误差：工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。“第五章“第五章 机床夹具设计”内容回顾：机床夹具设计”内容回顾：5.4机床夹具夹紧机构的设计 夹紧机构设计应满足的要求 夹紧力的确定 夹紧力方向确定*夹紧力作用点选择*夹紧力大小的确定 常用夹紧机构 斜楔夹紧机构*螺旋夹紧机构*偏心夹紧机构*其他夹紧机构 铰链夹紧机构 定心夹紧机构 联动夹紧机构第五章机床夹具设计夹紧力的确定夹紧力的确定大小、方向、作用点。大小、方向、作用点。1 1、夹紧力方向的确定、夹紧力方向的确定应有利于工件定位，不能破坏定位（主夹紧力垂直第一定位基准）与工件刚性高的方向一致（减少变形）尽量与切削力、重力方向一致（减少夹紧力）2 2、夹紧力作用点的选择、夹紧力作用点的选择与支承点“点对点”对应作用在工件刚度高的部位尽量靠近切削部位（抗振性)夹紧力反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形3 3、夹紧力大小的确定、夹紧力大小的确定将夹具和工件看作刚性系统以切削力的作用点、方向、大小处于最不利于夹紧时的状况为工件受力情况计算理论夹紧力，再乘以安全系数，作为实际所需夹紧力。“第五章“第五章 机床夹具设计”内容回顾：机床夹具设计”内容回顾：夹紧机构动力装置 气动夹紧装置 液压夹紧装置 气液联合夹紧装置 其他动力装置5.5 机床夹具的其他装置*孔加工刀具的导向装置 对刀装置 分度装置 对定装置5.6可调整夹具的设计 可调整夹具的特点 可调整夹具的调整方式 可调整夹具的设计 成组夹具的设计5.7 组合夹具的设计第五章机床夹具设计1 1、钻孔的导向装置、钻孔的导向装置 钻套钻套固定钻套固定钻套:中小批量,只钻一次可换钻套可换钻套:中批以上快换钻套快换钻套:钻扩铰2 2、镗孔的导向、镗孔的导向镗套镗套固定镗套：镗杆固定镗套：镗杆v20m/min v20m/min 回转式镗套：镗杆回转式镗套：镗杆v20m/min v20m/min “第五章“第五章 机床夹具设计”内容回顾：机床夹具设计”内容回顾：5.8 机床夹具设计步骤 机床专用夹具的设计步骤 设计前准备工作 总体方案的确定 绘制夹具装配图 绘制夹具零件图 夹具精度的验算 夹具装配图上应标注的尺寸和技术条件第五章机床夹具设计第五章机床夹具设计题14*：在所示零件上铣键槽，要求保证尺寸54及对称度，已知内外圆同轴度公差为0.02mm，计算三种方案的定位误差，选出最优方案。b）定位误差定位误差=21sin2 1=0.05*(1.414-1)=0.021对称误差对称误差=同轴度误差同轴度误差=0.02c）定位误差定位误差=(+同轴度误差)+2=0.03+0.03+0.02+0.05=0.13对称误差：对称误差：=0.06d）定位误差定位误差=0对称误差：对称误差：=2+同轴度同轴度=0.07第五章机床夹具设计思考题思考题：13、分析、分析所必须限制的自由度，选择定位基准和定位元件所必须限制的自由度，选择定位基准和定位元件a)过工件球心钻孔b)加工齿坯两个端面，保证尺寸A及两个端面与孔的垂直度c)在小轴上铣槽，保证尺寸H和L （）三爪卡盘三爪卡盘或：圆锥套或：圆锥套或：或：V块块+定定位钉位钉 、长销轴长销轴+小小端面端面两两次装卡次装卡定心夹紧定心夹紧（）、长长V块块+定位钉定位钉第五章机床夹具设计e)在支座零件上加工两孔，保证尺寸A和Hd)过轴心钻通孔，保证尺寸L 、长圆套长圆套+小端面小端面 、底面底面3定位钉定位钉+大孔大孔长长菱形销菱形销第五章机床夹具设计题18：加工C面，要求C面与O1O2平行，工件一端圆柱d1用120V形块定位，另一端d2定位在支承钉上，已知，计算定位误差。中心距为mmLmmdmmd0.150020.02015.0180,50,50解：解：O1定位误差定位误差=21sin2=0.075*0.866=0.065O2定位定位误差误差=2=0.1平行平行度误差度误差=1+2=0.165/80=0.002rad思考题：1、机床夹具的组成有哪些部分？2、何谓六点定位原理？何谓定位的正常与非正常情况？它们各包含哪些方面？3、何谓定位误差？由哪些因素引起？4、书中题12：分析定位方案的自由度，有无欠定位或过定位，对方案不合理处提出改进意见。公邮：
