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1、机械制造装备设计,目 录,第一章 机械制造及装备设计方法,第二章 金属切削机床设计,第三章 典型部件设计,第七章 机械加工生产线总体设计,第五章 机床夹具设计,第四章 工业机器人设计,第六章 物流系统设计,共60页 第1页,第一节 概述,第二节 机械制造装备应具备的主要功能,第三节 机械制造装备的分类,第四节 机械制造装备设计类型和设计方法,第五节 机械制造装备设计的评价,第一章 机械制造装备设计方法,制造大国 制造业占国民经济30%的产值 工业增加值居世界第四位 建设制造强国是我国的国家目标 发展高端制造装备 掌握关键零部件的核心制造技术,1.1 概述,发展机械制造装备的战略意义,第一章,共
2、60页 第2页,国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力的竞争。 机械制造业是制造业的核心，其生产能力和发展水平标志着一个国家或地区的经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。 “拿来主义”不能形成制造业的核心竞争力，发展先进的装备制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。 机床及其它制造装备是机械制造技术的重要载体。,机床工业的战略地位,国际军事竞争的战略物资 高档数控机床对我国禁运: 2000年10月14日,美国参议院通过控制高技术机床出口法案,美国商务部把数控机床列为对我出口的20类敏感物资; 日本通产省禁止东芝公司龙门五面体加工中心、安田公司
3、高精度数控机床、森精机公司精密机床、五轴联动数控机床出口到中国。,机械制造装备的发展趋势,用中国装备装备中国,1、向高效、高速、高精度方向发展,2、多功能复合化、柔性自动化的产品成为主流,3、实施绿色制造与可持续制造发展战略,4、智能制造技术和智能化装备有了新的发展,5、我国自主创新和高新技术的发展,1.2 机械制造装备的主要功能,一般的功能要求； 柔性化； 精密化； 自动化； 机电一体化； 节材； 符合工业工程要求； 符合绿色工程要求,多角度的功能要求！,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,1加工精度方面的要求 加工精度是指加工后零件对理想尺寸、形状和位置的符合程度，
4、一般包括尺寸精度、表面形状精度、相互位置精度和表面粗糙度等。满足加工精度方面的要求应是机械制造装备最基本的要求。影响机械制造装备加工精度的因素很多，与机械制造装备本身有关的因素有其几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速运动平稳性等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,2强度、刚度和抗振性方面的要求 为了提高加工效率，切削速度越来越高，切削力越来 越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。 提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件 的尺寸和重量，成为“傻、大、黑、粗”的产品。应利用新 技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结构 进行改进设
5、计，在不增加或少增加重量的前提下，使装备 的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,3加工稳定性方面的要求 机械制造装备在使用过程中，受到切削热、摩擦热、环境热等的影响，会产生热变形，影响加工性能的稳定性。对于自动化程度较高的机械制造装备，加工稳定性方面的要求尤为重要。提高加工稳定性的措施是减少发热量，散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。,温升,变形,误差,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,4耐用度方面的要求 机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很高的机械
6、制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面综合考虑。从设计角度，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。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,5技术经济方面的要求 投入机械制造装备上的费用将分摊到产品成本中去。如产品产量很大，分摊到每个产品的费用较少。反之，产品的产量较少，甚至是单件，过大地在机械制造装备上投资，将大幅度地提高产品的成本，削弱产品的市场竞争力。因此不应盲目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投入，而应该进行仔细的技术经济分析，确定机械制造装备设计和选购方面的指导方针。,1.2 机械制
7、造装备的主要功能,1.2.2 柔性化,柔性化即产品结构柔性化和功能柔性化。 产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的、具有不同功能的新产品。 功能柔性化是指只需进行少量的调整或修改软件，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.2 柔性化,在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。这类加工装备投资极大，研制周期长，使用维护涉及的技术难度大，应通过认真的技术经济分析认为有利可图
8、时才可考虑采用。 要实现机械制造装备的柔性化不一定非要采用柔性制造单元或系统。专用机床也可设计成具有一定的柔性。其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。调整方法如采用备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化和部分动作实现数控化等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.3 精密化,随着市场竞争的国际化，对产品技术性能的要求越来越苛刻，制造精度的要求越来越高。 为提高产品的质量，许多工厂还不断地压缩工件制造的公差带，机械制造装备的精密化成为普遍发展的趋势，从微米级发展到亚微米级，乃至纳米级。 采用误差补偿技术可提高机械制造装备自身的精度。误差补偿技术可以是机械式的，如采用
9、的校正尺或校正凸轮等。较先进的是采用数字化技术，将误差的数学模型存人计算机。在加工时，算出将产生的综合误差，然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.4 自动化,可以提高加工效率和劳动生产率，还可以提高产品质量的稳定性，改善劳动条件等。 动化有全自动和半自动之分：全自动是指能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程；半自动则上下料需人工完成。 凸轮控制是采用凸轮机构控制多个部件的运动，使之互相协调地工作，改变工作循环需更换或调整凸轮。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.4 自动化,程序控制指工作程序和定位尺寸可以根据不同的加工对象选择，但不能
10、控制运动轨迹。程序控制可分为固定程序控制和可变程序控制。 数字控制除了可控制工作程序外，还可以控制运动轨迹，一般采用专门的数控装置。 适应控制能按事先给定的评价指标，在加工过程中根据实际工作条件(如材料硬度的变化，刀具磨损等)自动地改变加工系统的参数(如切削用量等)，使加工过程始终按照给定的评价指标进行。适应控制分约束适应控制、最佳适应控制和学习适应控制等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.5 机电一体化,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，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成的最佳技术系统。 机电一体化系统和产品的结构通常是机械的，用传感器检测来自外界
11、和机器内部运行状态的信息，由计算机进行处理，经控制系统由机械、液压、气动、电气、电子及它们的混合形式的执行系统进行操作，使系统能自动适应外界环境的变化，机器始终处于正常的工作状态 系统功能强、质量好和故障率低、节能和节材、性能价格比高，具有足够的“结构柔性”的系统。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.6 节材,我国产品设计水平低，选取的安全系数一般偏大，造成产品肥头大耳，造成所谓的结构性材料浪费；又由于工艺水平落后，铸造和锻造过程中金属回收率低，毛坯的加工余量大，不仅浪费了原材料，也浪费了加工工时和能源，造成所谓的工艺性材料浪费。 采用现代设计法，合理地选取安全系数，对主要零部件进行精确
12、计算和优化，改进产品的结构，采用先进的制造装备提高材料的利用率是必要的。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.7 符合工业工程要求,工业工程是对由人、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。 工业工程可以定量分析为主，研究整个大系统工作效率和成本的优化。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.7 符合工业工程要求,产品设计符合工业工程的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，选择最合理的制
13、造设备，减少工时和材料的消耗；合理地进行机械制造装备的总体布局，优化操作步骤和方法，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，保证产品正确的质量标准，减少因质量标准订得过高造成不必要的超额工作量。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.8 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。 按绿色工程要求设计的产品称绿色产品。绿色产品设计在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计要素，使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理
14、的整个生命周期中，对环境的影响最小，资源效率最高。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.8 符合绿色工程要求,绿色产品设计考虑的内容很广泛，包括产品材料的选择应是无毒、无污染、易回收、可重用、易降解的； 产品制造过程应充分考虑对环境的保护，资源回收，如废弃物的再生和处理，原材料的再循环，零部件的再利用等；产品的包装也应充分考虑选用资源丰富的包装材料，以及包装材料的回收利用及其对环境的影响等。 原材料再循环的成本一般较高，应考虑经济上、结构上和工艺上的可行性。为了零部件的再利用，应通过改变材料、结构布局和零部件的连接方式等来实现产品拆卸的方便性和经济性。,其中，假设机床的主轴功率22KW,加
15、工时间占57%，并假设每年SUV行驶12,000英里，耗油量为20.7mpg。,美国麻省理工学院的Gutowski教授在2009年的一个报告中给出了一个令人震惊的结论：一台主轴功率22KW的数控机床（配置有相应的辅助装置），运行一年的所耗电能所对应的CO2排放量（按美国国家电网有关 数据推算）相当于61辆 SUV汽车的排放量。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备（主要指机床，也称工作母机） 包括金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。 1.3.2 工艺装备 包括刀具、模具、夹具、量具、辅具等。 1.3.3 储运装备 包括物料运输装置、机床上下
16、料装置、刀具输送装置、仓储设备等 1.3.4 辅助装备 包括清洗机、排屑设备和测量、包装设备等。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 金属切削机床 通用的金属切削机床按其切削方式可分为车床、钻床、镗床、螺纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、切断机床和其它机床等。 专用机床是为特殊的工艺目的设计和制造的加工装备，组合机床及其自动线是其中的一个大分支，包括大型组合机床及其自动线、小型组合机床及其自动线、自动换刀数控组合机床及其自动线等。 机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等。,1.3 机械制造装备的类型,1.3.1 加工装备: 特种加工机床 1电加工机床 直接利用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、火花线切割机床和电解加工机床。 电火花加工机床是利用工具电极与工件之间产生的电火花小电弧从工件上去除微粒材料达到加工要求的机床，主要用于加工硬的导电金属，如淬火钢、硬质合金等。按工具电极的形状和电极是否旋转，电火花加工可进行成形穿孔加工、电火花成形加工、电火
