机械装备设计.doc

知识点总结1.人类社会需求的产品可划分为两大类：机械类产品，非机械类产品。2.机械类产品可分为三类：1）生活机械类产品（汽车、飞机、轮船、枪支等），2）机械设备（食品机械），机械制造装备（机床）。3.机械制造业是生产机械类产品（包括生活类机械产品、机械设备、机械制造装备）的产业。4.市场竞争的要素：时间要素、质量要素、成本要素、服务要素。5.机械制造装备的柔性：机械制造装备的功能具有柔性（例如，一台机床具备多台机床的功能），适应对象的能力。6.制造装备的时间柔性：当企业的产品更新时，可以经过制造装备重组重构，以适应新的产品加工，从时间上看，今天在柔性制造系统中使用的装备，两三年后产品变了，该装备经过重组重构后，还可以在新的柔性制造系统中使用。7.制造装备的空间柔性：制造装备可以同时适应多种零件的加工，从占地空间上看，一个柔性制造系统相当于制造系统的功能。8.制造装备的柔性与生产率是相互矛盾的：装备的功能强，柔性好，其生产率一般不高；反之，生产率很高。9.机械制造装备的组成（及各自的功能、常用类型）：1）加工装备-加工功能，机床、夹具和清洗机等；2）物流装备-搬运功能，搬运装置、上下料装置和交换装置等；3）测控装备-测量及控制功能，检测装置、监视装置和控制装置等。10.刚度：机械系统抵抗变形的能力，刚度影响它的工作精度和生产率。也指在指加工过程中，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，其大小是变形方向上，单位变形所能承受的最大载荷。通常用下式表示刚度：k=F/y，k-刚度，N/um；F-载荷，N；y-在载荷作用下产生的变形，um。刚度包括静态刚度（一般情况下所说的刚度）、动态刚度和热态刚度。静载荷：不随时间变化或变化极为缓慢的载荷；静刚度：抵抗静载荷引起变形的能力；动载荷：随时间变化的载荷；动态刚度：抵抗交变的动载荷引起变形的能力，是抗振性的一部分；热态刚度：抵抗温度变化引起变形的能力。11.振动：抗振动能力指其在交变载荷作用下抵抗变形的能力，振动会降低其工作精度，影响生产率并加速损坏，而且会产生噪声。影响机床振动的主要原因有：机床的刚度。如构件的材料选择、截面形状、尺寸、筋板分布，接触表面 的预紧力、表面粗糙度、加工方法、几何尺寸等。机床的阻尼特性。提高阻尼是减少振动的有效方法。 机床结构的阻尼包括构件材料的内阻尼和部件结合部的阻尼。结合部阻尼往往占总阻尼的 70%90%左右， 应从设计和工艺上提高结合部的刚度和阻尼。机床系统固有频率。若激振频率远离固有频率，将不出现 共振。在设计阶段通过分析计算预测所设计机床的各阶固有频率是很必要的。12.精度：观测结果、计算值或估计值与真值之间的接近程度。分为普通精度级、精密级和超精密级。在设计阶段主要从整机的精度分配、元件及材料选择等方面来提高其精度。a几何精度：机械制造装备空载条件下，在不运动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，是评价机械制造装备质量的基本标准，它主要决定于结构设计、制造和装配质量。主要分为，直线度、平行度、平面度、垂直度、回转轴的径向和轴向振摆、同轴度、分度精度及丝杠螺距精度等。b回转精度：主轴误差运动的范围，影响因素为结构设计及制造等方面 。c传动精度：是指传动系统各末端执行件之间运动的协调性与均匀性，主要影响因素是传动系统的设计、传动元件的制造和装配精度。d定位精度：是指机械制造装备的定位部件达到规定的位置的精度，对数控装备而言，是指实际运动到达的位置与指令位置一致的程度。定位精度直接影响工作精度。影响因素有装备构件伺服控制系统的精度、刚度以及其动态特性等都会影响数控装备的定位精度。e重复定位精度：是指机械制造装备运动部件在相同的条件下、用相同的方法重复定位时位置的一致程度。影响因素为传动机构的反向间隙。f工作精度：机械制造装备的作业精度。工作精度是各种因素综合影响的结果，包括装备的精度、刚度、热变形等。g精度保持性：在规定的工作期间内，保持机械制造装备所要求的精度。主要影响因素有结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等。（1.加工精度加工精度是加工后零件表面的实际尺寸、形状、位置三种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度。2.尺寸精度指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的相符合程度。3.形状精度指加工后的零件表面的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。4.位置精度指加工后零件有关表面之间的实际位置精度差别。5.尺寸精度、形状精度和位置精度的关系通常在设计机器零件及规定零件加工精度时，应注意将形状误差控制在位置公差内，位置误差又应小于尺寸公差。即精密零件或零件重要表面，其形状精度要求应高于位置精度要求，位置精度要求应高于尺寸精度要求。）13.低速运动平稳性，爬行：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，即时走时停或者时快时慢的现象。爬行影响其定位精度和工作精度。产生爬行现象的主要原因是摩擦面上摩擦系数的变化和传动机构的刚度不足。防止爬行，设计有低速运动工况的部件时，应减少静、动摩擦系数之差，提高传动机构刚度和降低移动件的质量等；。14.机械制造装备设计的内容：产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等四个方面。15.机械制造装备设计的设计类型：1）创新设计2）变型设计3）组合设计。本质区别：创新设计，一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量；变型设计，变型设计不是孤立无序的设计，而是在创新设计的基础上进行的；模块化设计，对一定范围内不同性能，不同规格的产品进行功能分析，划分一系列的功能模块，而后组合而成的。16.创新设计的四个阶段：产品规划、方案设计、技术设计和施工设计。17.创新设计及意义：创新设计是指采用新技术、新原理和非常规方法进行设计，它使得设计产品的整体或局部是前所未有的或前所未知的。意义：面对日益激烈的市场竞争，创新设计是增强机械产品竞争力的根本途径，产品创新设计将成为抢占市场的决定性因素，只有创新设计才能产生真正具有市场竞争力的创新产品。同时，创新设计作为设计的本质，它既是面向产品全生命周期的设计，又是面向市场、面向用户的设计。18.位姿：是指其末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态。19.作业功能位姿（作业位姿）：用作业功能的要求来描述；运动功能位姿（运动位姿）：用坐标运动类型机械制造坐标的运动功能来描述。20.机械制造装备的运动学方程（功能矩阵方程）：Tw=Tm Tw是机械制造装备的作业功能矩阵，表示作业功能所要求的末端执行器之间的位置和姿态关系，可以用齐次坐标变换矩阵来描述。Tm是机械制造装备的运动功能矩阵，含义是用机械制造装备的运动功能去实现它的作业功能要求。求解运动原理方案就是求运动学方程的解，即寻找能够满足功能要求的运动原理方案。21.机床的基本工作原理：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。22.工件几何表面的形成原理：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。工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。23.发生线的形成方法：a轨迹法（描述法）b成形法（仿形法）c相切法（旋切法）d展成法（滚切法）。24.几何齐次坐标变换矩阵：描述静止状态下坐标系之间的位姿关系的齐次坐标变换矩阵。25.运动齐次坐标变换矩阵：描述运动前后坐标系之间的位姿关系的齐次坐标变换矩阵。26.机床的运动学方程（功能矩阵方程）：tTp=Tt,p 其中tTp是机床的作业功能矩阵，是根据机床的作业功能，用几何齐次坐标变换矩阵表示的机床一个末端执行器工作台坐标系与机床另一个末端执行器主轴的机械接口坐标系的位姿关系，是Tw=Tm 的作业功能矩阵Tw在机床运动学中的具体描述；Tt,p是根据机床的运动功能，用运动齐次坐标变换矩阵表示的机床一个末端执行器工作台坐标系与机床另一个末端执行器主轴机械接口坐标系的位置关系，它描述了机床两个末端执行器工作台和主轴之间的相对运动，是Tw=Tm 的运动功能矩阵Tm在机床运动学中的具体描述。27.机床运动原理方案的判断：采用分析式设计法求解运动原理方案，判断标准：既能满足加工作业要求，运动轴的设置有无冗余。28.用机器人的基本运动方案设置其他运动方案：推理设置，采用运动功能等效、排列顺序互换等方法还可以推理设置其他各种运动原理方案。29.机床设计应满足的基本要求：1）工艺范围，指机床适应不同生产要求的能力，也可称之为机床的加工功能。它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。2）柔性，指其适应加工对象变化的能力。市场经济的发展，对机床及其组成的生产线要求越来越高，以适应越来越快的产品更新换代速度。3）与物流系统的可接近性，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，指加工过程中，在切削力的作用下，抵抗道具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。5）精度，要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须具有更高的精度要求。6）噪声，噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染，应设法降低。7）生产率，通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量。提高生产率，可降低工件的加工成本。8）自动化，指在无人工干预的情况下，按规定的动作要求，通过机械、电子或计算机的控制，自动完成全部或部分的加工。机床自动化程度越高，加工精度稳定性越好，还可有效降低工人劳动强度，便于一个工人看管多台机床，大大提高劳动生产率。9）成本，是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。10）生产周期，也是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。12）可靠性，无故障运行的概率，应在保证生产要求的前提下，尽可能提高。13）造型和色彩，应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学的要求进行设计。30.机床工艺范围：机床适应不同生产要求的能力，又称机床加工功能。包括加工的工件类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件、加工尺寸范围和毛坯类型等。31.机床设计的内容及步骤：1）机床主要技术指标设计2）总体方案设计3）详细设计4）机床整机综合评价5）定型设计。32.机床的传动原理图：将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来。33.机床的运动原理图（运动功能原理图）：将机床运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，除了描述机床的运动个数、形式及排列顺序之外，还表达了机床的两个末端执行器和各个运动轴的空间相对方位，是认识、分析和设计机床传动系统的依据。34.运动分配式：运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用一点（?）表示，点（?）左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成，机床的运动功能式中添加点（?）接地符号后，称之为运动分配式。评价依据：“避重就轻”的原则机械评价。35.机床的主要技术参数：包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数。1）尺寸参数：指机床主要结构尺寸参数，通常包括与被加工零件有关的尺寸；标准化工具或夹具安装面尺寸；2）运动参数：机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台）的运动速度；3）动力参数：包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩。36.机床主参数：是代表机床规格大小及反应机床最大能力的一种参数。37.专用机床区别于通用机床的最大特征：用于完成某种零件的特定工序，加工范围窄，通用性差，结构简单，生产率高，自动化程度高，其主参数是以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示的。38确定机床的最高转速Nmax和最低转速Nmin：按照典型工序的切削速度和刀具（工件）直径，可由下式算出机床的最高转速和最低转速：Nmax=1000Vmax/paidmin(r/min)，Nmin=1000Vmin/paidmax(r/min)式中Vmax、Vmin可根据切削用量手册、现有机床使用情况调查或切削试验确定。dmax、dmin不是机床上可能加工的最大最小直径，而是指实际使用情况下，采用Vmax、Vmin时常用的经济加工直径。39.述确定标准公比的原则：因为转速由Nmin至Nmax必须递增，所以公比应大于1；为了限制转速损失的最大值Amax不大于50%，则相应的公比不得大于2，故公比大于1小于2；为了使用记忆方便，转速数列中转速呈10倍比关系，故公比应在10的根号E1次方（E1为正整数）中取数；如采用多速电动机驱动，通常电动机为（3000/1500）r/min或（3000/1500/750）r/min，故公比也应在2的根号E2次方（E2为正整数）中取数。40.在机床分级主轴变速箱设计中，公比的选用:1）对于通用机床，辅助时间和准备结束时间长，机动时间在加工周期中占的比重不是很大，转速损失不会引起加工周期过多的延长，为了机床变速箱结构不过于复杂，一般取1.26或1.41等较大的公比；2）对于大批大；大批大量生产的专用机床、专门化机床及自动机，情况却相反，通常取1.12或1.26等较小的公比；3） 对于非自动化小型机床，加工周期内切削时间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，常采用1.58、1.78甚至2等更大的公比，以简化机床结构。41.在设计机床传动系统时，如何限制齿轮的最大传动比Umax和最小传动比Umin及各传动组的最大变速范围Rmax：1）设计机床主传动系统时，为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，一般限制直齿圆柱齿轮的最小传动比Umin大于等于1/4，为避免扩大传动误差，减少振动噪声，一般限制直齿圆柱齿轮的最大升速比Umax2。斜齿圆柱齿轮传动较平稳，可取Umax2.5；2）各传动组的最大变速范围为Rmax=Umax/Umin（2至2.5）/0.25=8至10。42.机床的转速图：可以表示出传动轴的数目、传动轴之间的传动关系、主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值、各传动副的传动比等。转速图是由一些相互平行和垂直的线束组成。其中，距离相等（不代表各轴间的实际中心距）的一组竖线代表各轴，轴号写在上面，距离相等的水平线之间的距离代表公比，各竖线上的小圆圈代表各轴的转速。43.变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用xi表示。44.级比xi中的指数Xi值称为级比指数，它相当于上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。45.常规变速传动系统中各变速组遵循的级比指数规律：（1）基本组的级比指数等于1，即x0=1；（2）任一扩大组的级比指数大于1，且等于基本组的传动副数与该扩大组之前（按扩大顺序计）各扩大组的副数的乘积，即xi=P0P1P2?Pi-1。46.有级变速主传动系统设计原则：变速组的排列顺序、扩大顺序、降速顺序及变速范围应遵循如下原则：前多后少（传动副较多的变速组安排在前面，传动副较少的变速组放在后面，减少变速箱的外形尺寸，理由：接近电动机的传动件转速较高，传递的转矩较小，尺寸较小，反之. .）、前密后疏（变速组的传动顺序与扩大组相一致,理由：基本组在后面时，在传递系统功率的情况下，2轴受的转矩较大传动件的尺寸大，基本组应在最前面）、先缓后急（变速组的降速，理由，使中间传动轴具有较高的转速，以减小传动件的尺寸）、不超极限（变速组的变速范围小于极限值，理由：避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，及避免扩大传动误差，减小振动噪声）。47.卸荷：去掉或减少结构上承担的荷载。48.卸荷机构：使装备处于不带载荷或减少载荷情况下工作的机构。 49.卸荷机构的作用：因为床头箱内部紧凑，而第一轴除皮带轮外的受力不大，没有必要为抵消皮带的拉力而选用大的轴承和轴，所以用卸荷式机构更划算。50.机床主传动系统设计中，扩大变速范围的方法：1）增加变速组；是扩大变速范围最简单的方法，但增加的变速组的级比指数不得不小于理论值，导致部分转速重复；2）采用背轮机构 高速直连传动时，应使背轮脱开，以减少空载功率损失、噪声和发热及避免超速现象；3）采用双公比的传动系统；4）采用分支传动51.主轴的计算转速：主轴传递全部功率的最低转速，范围是1/4-1/3段的最高一级转速。52.各传动件的计算转速：根据主轴计算转速和转速图来确定。53.滚动轴承精度等级的选择：主轴轴承中、前、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响大。因此轴承精度选取时，前轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承精度高一级。另外，在安装主轴轴承时，如将前、后轴承的偏移方向放在同一侧，可以有效地减少主轴端部的偏移。54.机械有级变速进给传动系统的换向机构：1）进给电动机换向，换向方便，但换向不能太频繁；2）机械换向，这种方式换向可靠。55.设置传动间隙消除机构的原因：保证数控机床传动精度和定位精度，尤其是换向精度。如齿轮传动间隙消除机构和丝杠螺母传动间隙消除机构等。56.齿轮传动间隙的消除：传动副为齿轮传动时，要消除其传动间隙。两种方法：刚性调整法和柔性调整法。57.刚性调整法：调整后的齿轮间隙不能自动进行补偿，如偏心轴套调整法、变齿厚调整法、斜齿轮轴向垫片调整法等。特点是结构简单，传动刚度较高，但要求严格控制齿轮的齿厚及齿距公差，否则将影响运动的灵活性。58.柔性调整法：是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿，结构比较复杂，传动刚度低些，会影响传动的平稳性。主要有双片直齿轮错齿调整法，薄片斜齿轮轴向压簧调整法，双齿轮弹簧调整法等。59.滚珠丝杠副机械消除和预紧：滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠副存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，同齿轮的传动副一样，滚珠丝杠副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。滚珠丝杠副通常采用双螺母结构。通过调整两螺母之间的轴向位置，使两螺母的滚珠在承受工作载荷时分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。60.滚珠丝杠副机械消除和预紧方法：1）垫片调整式，通过改变垫片的厚度来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单，刚度高，可靠性好；缺点是精度调整较困难，当滚道和滚珠有磨损时不能随时调整。2）齿差调整式，左、右螺母法兰外圆上制有外齿轮，齿数常相差1。这两个外齿轮又与固定在螺母体两侧的两个齿数相同的内齿圈啮合。调整方法是两个螺母相对其啮合的内齿圈同向都转一个齿，则两螺母的相对轴向位移S0为：S0=L/z1z2，式中L位丝杠的导程，mm；z1、z2分别为两齿轮的齿数。61.导轨设计的基本要求：1）一定的导向精度，导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性；2）运动轻便平稳，工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象；3）良好的耐磨性，导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整；4）足够的刚度，运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载；5）结构工艺性好，在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本（简洁回答：应满足以下要求：精度高，承载能力大，刚度好，摩擦阻力小，运动平稳，精度保持性好，寿命长，结构简单，工艺性好，便于加工、装配、调整和维修，成本低等）。 62.导轨的低速运动平稳性：当动导轨作低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳，不产生爬行现象。影响因素：导轨的结构形式，润滑情况，导轨摩擦面的静、动摩擦系数的差值。不同导轨的低速运动平稳性不同，滚动导轨比机械导轨低速运动平稳性好。63.导轨类型选择原则：根机床对导轨的要求和各种类型导轨的特点及导向精度、承载能力、精度保持性、低速运动平稳性、结构工艺及成本方面综合分析。64.导轨设计的主要内容和步骤：导轨设计的主要内容有：1）根据导轨工作条件、承载特性，选择导轨的结构类型、截面外形及其组合形式；2）进行导轨的力学计算，确定结构尺寸；3）确定导轨副的间隙、公差和加工精度；4）选择导轨材料、摩擦面硬度匹配和表面精加工和热处理方法；5）选择导轨的预紧载荷，设计预紧载荷的加载方法与装置；6)选择导轨面磨损后的补偿方式和调整装置；7)选择导轨的润滑方式，设计润滑系统和防护装置。65.卸荷导轨用来降低机械导轨面的压力，减小摩擦阻力，从而提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性。65.导轨的卸荷方式及特点：1）机械卸荷，卸荷力不能随外载荷的变化而调节；2）液压卸荷，与静压导轨相比后者的上浮力足以将工作台全部浮起形成纯流体摩擦；而前者的上浮力不足以将工作台全部浮起，难于保持摩擦力恒定；3）气压卸荷，当外载荷有较大变化时，导轨间的接触力和摩擦力只有微小变化，保证运动平稳无爬行。66.导轨间隙调整的原因：导轨面间的间隙对机床工作性能有直接影响，间隙过大，将直接影响运动精度；间隙过小，摩擦力增大，导轨的磨损加快。必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整。方法：压板、镶条和导向调整板。67.镶条和压板的作用：镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙；镶条应放在导轨受力较小一侧。压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。68.在支承件设计中支承件的基本要求：1）具有良好的动、静、热特性。a应具有足够的刚度和比刚度b应具有较好的动态特性。有足够的动刚度，整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构共振，不会因薄壁振动而产生噪声c热稳定性好，控制热变形不能过大。2）结构工艺性好，包括毛坯制造和加工工艺性；3）排屑畅通；4）吊带安全。6