机械制造装备设计(2)..doc

1-1 为什么说机械制造装备在国民经济发展中起着重要的作用？ 制造业是国民经济发展的支柱产业，也是科技技术发展的载体及使其转化为规模生产力的工具和桥梁。装备制造业是一个国家综合制造能力的集中表现，重大装备研制能力是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标准。 1-2 机械制造装备与其他工业化装备相比，特别强调应满足哪些要求？为什么？ 柔性化 精密化 自动化 机电一体化 节材节能 符合工业工程要求 符合绿色工程要求 1-3 柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。其柔性表现在哪里？ 答：机械制造装备的柔性化是机床可以调整以满足不同工件加工的性能。柔性化包括产品结构柔性化和功能柔性化。 按照柔性化从高到低排列应为：普通机床、数控机床、加工中心、FMS、组合机床（专用机床）。 普通机床柔性化表现在功能多、适应性强，为功能柔性化；数控机床和加工中心改变加工程序即可适应新的需要，结构柔性化；FMS加工效率较高，改变调度和程序可适应新的需要，为结构柔性化；组合机床（专用机床）生产率高，专门设计，适应性差，基本上无柔性。1-7 对机械制造装备如何进行分类？ 加工装备：采用机械制造方法制造机器零件的机床。 工艺装备：产品制造是用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具。 仓储运输装备：各级仓库、物料传送、机床上下料等设备。 辅助装备：清洗机和排屑装置等设备。 1-9 机械制造装备设计有哪些类型？它们的本质区别是什么？ 答：机械制造装备设计类型有创新设计、变型设计和模块化设计三种类型。 它们的本质区别：创新设计是一种新的理论、概念的设计，变型设计是在原设计基础上改变部分部件、参数或者结构的设计，模块化设计是采用预先设计的模块进行组合的一种设计方法。 目前大多为变型设计，模块化设计缩短了新产品设计开发的时间，创新设计的产品很少。1-12 哪些产品宜采用系列化设计方法？为什么？有哪些优缺点? 系列化设计方法是在设计的某一类产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型产品为基型，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。 优点：1）用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。 2）可以减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险，缩短产品的研制周期。3）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，系列中的产品结构相似，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 缺点：用户只能在系类型谱内有限的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需求。另一方面有些功能还可能冗余。 1-15 设计的评价方法很多，结合机械制造装备设计，指出哪些评价方法较为重要，为什么？ 答：设计的评价方法有：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、标准化评价六种。 对于机械制造装备设计，这六种评价方法按重要程度由高向低排队一般是：可靠性评价、人机工程学评价、结构工艺性评价、标准化评价、技术经济评价、产品造型评价。其原因是机械制造装备投资较大，使用周期较长。为了保证产品质量、降低成本、提高可靠性和竞争能力，六种评价都是不可缺少的。 可靠性评价对产品质量与可靠性进行评价；人机工程学评价产品设计在人机工程方面的合理性；结构工艺性评价是对产品结构便于加工制造的性能进行评价，以降低生产成本，缩短生产时间；技术经济评价综合评价产品技术的先进性和经济的合理性；标准化评价是在标准化方面对产品进行评价；而产品造型评价是对产品的外观设计的合理性和新颖性进行评价。 1-17可靠性指的是什么？有哪些可靠性衡量指标？它们之间有哪些数值上的联系？ 答：可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定任务的能力。 衡量指标有：可靠度R(t)、累计失效概率F(t)、失效率、平均寿命和平均无故障工作时间、可靠寿命、维修度、修复率、平均修复时间等（P37-38）。 它们之间的主要联系：F(t)=1-R(t)。1-18 从系统设计的角度，如何提高产品的可靠性？ 答：从系统设计角度，提高产品可靠性要提高其组成各单元的可靠性水平，因此要进行系统和单元可靠性的预测。（P39） 此外要将系统可靠性指标合理分配到各组成单元中，明确各组成单元的可靠性设计要求。（P42） 第二章：2-1 机床设计应满足哪些基本要求？其理由是什么? 工艺范围、柔性、与物流系统的可亲性、刚度、精度、噪声、成产率自动化、成本、生产周期、可靠性、造型与色彩 2-2机床设计的主要内容及步骤是什么？ 确定结构原理方案 a、用途b、生产率 c、性能指标d、主要参数e、驱动方式f、结构原理g、成本及生产周期 总体设计 a 、总体设计的内容 运动功能设计、基本参数设计、传动系统设计、总体机构布局设计、控制系统设计b 、总体方案综合评价与选择 c 、总体方案的设计修或优化 机构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 2-3机床设计的基本理论有哪些？其定义、原理、要求如何？ 1、机床的运动学原理 定义：研究、分析和实现机床期望的加工功能所需的运动配置 原理：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件上多余的金属材料，使工件具有要求的尺寸和精度的几何形状 2、精度 定义：机床的精度包括几何精度、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 3、刚度 定义:机床刚度指机床系统抵抗变形的能力。 4、抗振性 定义：机床抗振性指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力。 5、热变形 产生原因：机床工作时受到内部热源（如电动机、液压系统，机械磨擦副，切削热）和外部热源（如环境温度，周围热源辐射等）的影响，使机床各部分温度发生变化，因不同的材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。 6、噪声 噪声：机床工作时产生各种不同的振动，这些不同频率，不同振幅的振动将产生不同频率、不同强度的声音，这些声音无规律地组合在一起即成为噪声。 7、低速运动平稳性 爬行：机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即：时走时停，时快时慢的现象爬行。2-4 机床系列型谱含意是什么？ 答：先选择用量大的机床为“基型系列”，然后在此基础上派生出若干“变型系列”，基型和变型即为机床的系列型谱。例如，中型卧式车床的简略系列型谱如表2-1所示（P76）。 2-5机床的基本工作原理是什么？ 通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。 2-6工件表面的形成原理是什么？ 任何一个表面都可以看成是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。而加工表面的发生线是通过刀具切削刃和工件接触并发生相对运动而形成的。 2-7 工件表面的形成方法是什么？（P63） 答：工件表面的形成方法有四种：轨迹法，如图2-2(a),(b)；成形法，如图2-2(c),(d)；相切法，如图2-2(e)；展成法，如图2-2(f)。 2-8工件表面的形成方法是什么？ 是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合 2-9、机床的运动功能有哪些？2-8工件表面的形成方法是什么？ 是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合 2-9、机床的运动功能有哪些？2-10、机床的主运动与形状创成运动关系如何？进给运动与形状创成运动的关系如何？ 成形运动：完成一个表面的加工所必需的最基本的运动 成形运动分为：1、主要运动：它是切除加工表面上多余的金属材料的主要运动，运动速度高 2、形状创形运动：它的功能是用来形成工件加工表面的发生线。 当形状创形运动中不包含主运动“形状创形运动”与“进给运动”两词等价； 当形状创形运动中包含主运动“形状创形运动”与“成形运动”两词等价。 2-11 机床的复合运动、内联系传动链、运动轴的联动的含义及关系如何？（P69-71） 答：机床的复合运动：运动之间有严格的运动关系（P65）。如车床主轴旋转和车螺纹的纵向移动。 内联系传动链：机床执行件与执行件之间的传动链成为内联系传动链，内链将两个或以上的运动组成复合成形运动。车床车螺纹的传动链即为内联系传动链。 运动轴的联动：数控机床各运动轴之间通过伺服电机联动可实现内链的复合成形运动，联动即为协调的运动。2-12、机床运动功能法案设计的方法及步骤如何？ 1、工艺分析 对所设计的机床的工艺范围进行分析（普通机床，加工对象为工件群，选几个典型工件进行分析） 选择确定加工方法（同一个表面有多种加工方法） 2、选取坐标系 坐标系的规定：用直角坐标系，沿X、Y、Z轴的直线运动符号及运动量仍用X、Y、Z表示，绕X、Y、Z轴的迴转运动用A、B、C表示，其运动量用 、 表示。 写出机床运动功能式 方法：左边写工件W、右边写刀具T、中间写运动，按运动顺序排列，用“/”分开 4、画出机床运动功能图 运动功能图：是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，是机床传动系统设计的依据。 5、绘制机床传动原理图 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。传动原理图：表示动力源与执行件，不同执行件之间的运动及传动的关系图。 2-13、数控机床的坐标系如何选取？ 数控机床的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，规定直角坐标X、Y、Z三者的关系及其正方向用右手定则制定。 标准规定：平行于主轴的坐标轴为Z轴，取刀具远离工件的方向为正向（+Z），X轴为水平方向，且垂直于Z轴。 2-14 机床运动功能式和运动功能图表达的含义是什么？ 答：运动功能式（P67）：表示机床运动的个数、形式（直线或回转运动）、功能（主运动、进给运动、非成形运动）及排列顺序，是描述机床运动功能最简洁的表达形式。 运动功能图（P68）：与机床运动功能式对应的图成为运动功能图，如图2-4，又称机床运动原理图。 2-15、虚拟轴机床的原理是什么？有哪些特点？ 虚拟轴机床又称并联机床 ,实质上是机器人技术和机床技术相结合的产物。 特点：1、优点：比刚度高、响应速度快及运动精度高。 2. 缺点：运动空间小、空间可转角度（灵活性）小、开放性差2-17、机床的传动原理如何表现？它与机床运动功能图的区别是什么？ 传动原理图：表示动力源与执行件，不同执行件之间的运动及传动的关系图。 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。 2-18 机床运动分配式的含义是什么？（P70） 答：运动分配式：带有接地符号“”符号的运动功能式。一个运动功能式可能有几种运动分配式。 如铣床运动功能式W /Xf, Zf, Yf, Cp /T，可能有下列4种运动分配式： W /Xf, Zf, Yf, Cp/ T W /XfZf, Yf, Cp/ T W /Xf, ZfYf, Cp/ T W /Xf, Zf, YfCp/ T 2-19、机床总体结构概略设计过程大致如何？ 确定末端执行件的概略形状与尺寸。 设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式，概略尺寸选择并确定导轨的类型及尺寸。 根据导轨接合部的设计结果和该运动的行程尺寸，同时考虑部件的刚度要求，确定下一个功能部件（即滑台侧）的概略形状与尺寸。 重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。若要进行机床结构模块设计，可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。 初步进行造型与色彩设计。 机床总体结构方案的综合评价。 2-20 机床的主参数及尺寸运动参数根据什么确定？（P80-81） 答：对于通用机床，机床的主参数及尺寸参数主要根据国家标准GB/T 15375-1994确定。对于专用机床，应根据加工工件要求，参照通用机床的有关标准来确定。 机床的运动参数的确定主要依据所设计机床加工工件的尺寸、主传动类型和采用刀具的材质和类型等确定的。比如车床的设计，一定材质的车刀所承受的切削速度是一定的，工件直径增大，主轴转速应减小；反之，工件直径减小，主轴转速应增大。 2-21、机床的运动参数如何确定？驱动方式如何选择？数控机床与普通机床确定方法有什么不同？ 1、主运动参数 迴转式主运动的机床其主运动参数为主轴转速 最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定 主轴转速的合理排列 标准公比值和标准转速数列 公比的选用 变速范围Rn，公比和级数Z的关系 2、进给量的确定 3、变速形式与驱动方式选择 驱动方式：电动机驱动、液压驱动 驱动方式的选择主要是根据机床的变速形式和运动特性要求来确定的。 数控机床一般采用伺服电动机无机变速形式 其他机床多采用有级变速形式或无极与有级变速的组合形式 2-23 机床主传动系都有哪些类型？由哪些部分组成？ 按驱动主传动的电动机类型：交流电动机驱动、直流电动机驱动 按传动装置类型：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合 按变速的连续性：分极变速传动、无极变速传动 主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。2-24 什么是传动组的级比和级比指数？常规变速传动系的各传动组的级比指数有什么规律性？ 答：级比：主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值；用i Xj 表示；其中指数i X称为级比指数，它相当于由相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。 常规变速传动系的各传动组的级比指数有什么规律是：基本组的级比指数X0=1；，第一扩大组的级比指数X1=P0（P0基本组的传动副数）；第二扩大组的级比指数X2=P0P1（P1为第一扩大组的传动副数）。 如12级传动的传动结构式为13612322=，排列为基本组、一扩、二扩；下角标为级比指数。2-26某车床的主轴转速为n=401800 r/min，公比=1.41，电动机的转速n电=1440 r/min，试拟定结构式、转速图；确定齿轮齿数、带轮直径、验算转速误差；画出主传动系图。 a) 初步设计的转速图 (b) 最后确定的转速图 (4)传动系图设计（包括计算齿轮齿数、带轮直径） 参考教材p85，图3-13，可以得到本设计传动系图为 2-27某机床主轴转速n=1001120 r/min，转速级数Z=8，电动机转速n电=1440 r/min，试设计该机床主传动系，包括拟定结构式和转速图，画出主传动系图。 2-34 数控机床主传动设计有哪些特点？（P111-116） 答：主传动采用直流或交流电动机无极调速；驱动电动机和主轴功率的匹配性设计；数控机床的高速主传动设计；采用部件标准、模块化结构设计；柔性化、复合化设计；并联机床设计。 （本题需要适当展开、解释！） 2-35、进给传动系设计要能满足的基本要求是什么？ 进给传动系设计应满足的基本要求： 1、足够的静刚度和动刚度。 2、良好的快速响应性，低速微量进给不爬行，运动平稳，灵敏度高。 3、抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动冲击。 4、足够的调速范围：保证实现所要求的进给量，适应不同材料，不同刀具，不同零件要求的加工，传递较大扭矩。5、传动精度、定位精度要高。 6、结构简单，加工、装配工艺性好，调整维修方便，操纵轻便灵活。2-36 进给传动与主传动相比较，有哪些不同点？ 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是其最高转速 3）进给传动的转速图为前疏后密结构 4）进给传动的变速范围 5）进给传动系采用传动间隙消除机构 6）快速空程传动的采用 7）微量进给机构的采用 2-37进给伺服系的驱动部件有哪几种类型？其特点和应用范围怎样？ 步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线伺服电动机 2-38、试述滚珠丝杠螺母机构的特点，其支撑方式有哪几种？ 滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构 载荷特点：主要承受轴向载荷，对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，采用角接触轴承或双向推力园柱滚子与滚针轴承的组合。 滚珠丝杠的支承方式：1、一端固定，一端自由：用于短丝杠与竖直丝杠2、一端固定，一端简支：用于较长的卧式安装丝杠 3、两端固定：用于长丝杠或高转速，要求高抗压刚度场合2-39 机床控制系统有几种分类方法？是如何进行分类的？ 按自动化程度分类：手动、机动、半自动、自动控制系统。 按控制系统是否有反馈：开环、半闭环、闭环控制系统。 按控制方式和内容分类：时间控制、程序控制、数字控制、误差补偿控制和自适应控制第三章： 3-1 主轴部件应满足哪些基本要求？ 旋转精度、刚度、抗振性、温升和热变形、精度保持性 3-2 主轴轴向定位方式有哪几种？各有什么特点？适用于那些场合？（P145，如图3-4） 答：前端配置：前支承轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，刚度较高，适于高精度机床或数控机床。 后端配置：前支承轴承较少，发热小大，温升低，但主轴受热伸长后向前伸长，影响轴向精度，适于普通机床，如立铣床、车床等。 两端配置：当主轴受热伸长时，影响主轴承的轴向间隙，可采用弹簧消隙和补偿热膨胀措施，适于短主轴，如组合机床等。 中间配置：可减少主轴的悬伸量，并使主轴热膨胀后向后伸长，但前支承复杂，温升较高。 3-9 在支承件设计中，支承件应满足哪些基本要求？（P162） 答：(1)具有足够的刚度和刚度-质量比；(2)具有较好的动态特性（动刚度大、低阶固有频率高、无薄壁噪声等）：(3)热稳定性好；(4)排屑畅通、吊运安全，结构工艺性好。 3-10 支承件常用的材料有哪些？有什么特点？（P166-167） 答：铸铁：铸造性能好、容易成型，具有一定的吸振性能，但综合机械性能较差、生产周期较长；钢板焊接结构：生产周期短，综合机械性能较好，但抗振性能较差；预应力钢筋混凝土：抗振性较好、成本较低，但脆性大，耐腐蚀性能差；天然花岗岩：热稳定性好，精度保持性好，抗振性好，但脆性较大，抗冲击性能差；树脂混凝土：刚度高，抗振性好，热稳定性好，密度较低。3-11 根据什么原则选择支承件的截面形状，如何布置支承件上的助板和助条？ 1）无论是方形、圆形或矩形，空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的断面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以为提高支承件的刚度，支承件的截面应是中空形状，尽可能加大截面尺寸，在工艺可能的条件下壁厚尽量薄一些。 2）圆（环）形截面抗扭刚度好于方形，抗弯刚度比方形低；以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方向为受弯方向；以承受转矩为主的支承件的截面形状取圆（环）形。 3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。截面应尽可能设计成封闭形状。 助板的布置取决去支承件的受力方向。 肋条置于支承件某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。 3-12 提高支承件结构刚度和动态性能有哪些措施？（P168-170） 答：提高支承件结构刚度的主要方法是：根据支承件受力情况合理的选择支撑件的材料、截面形 状和尺寸、壁厚，合理的分布肋板和肋条。 提高动态性能的方法：1、改善阻尼特性2、采用新材料制造支承件3-13、导轨设计中应满足什么要求？ 导轨应满足的基本要求 1、导向精度 指动导轨运动轨迹的准确度 2、承载能力大，刚度好，根据承受载荷的性质，方向和大小，合理选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨有足够的刚度，保证机床的加工精度。 3、精度保持性好，导轨原始精度丧失的主要原因是磨损 4、低速运动平稳 动导轨作低速运动或微量进给时，运动始终平稳，不出现爬行现象。 5、结构简单、工艺性好，易于加工 3-14 镶条和压板有什么作用？（P174） 答：压板的作用调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩； 镶条的作用是调整矩形和燕尾形导轨的侧向间隙，有平镶条和斜镶条两种。 3-15、导轨的卸荷方式有哪几种？各有什么特点？ 1、机械卸荷 2、液压卸荷导轨 3、自动调节气压卸荷导轨3-16提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施 1）合理选择导轨的材料和热处理 2）导轨的预紧 3）导轨的良好润滑和可靠防护 4）保证完全的液体润滑，用油膜隔