机械制造装备设计第四章

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1、第四章 其它机械制造装备,第一节 激光加工第二节 三坐标测量机第三节 快速原型机第四节 物料储运装备第五节 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.1 激光加工,使用高能量激光束作为工具对材料进行热处理、表面熔覆、切割和焊接等加工。 4.1.1 激光切割的原理、分类和特点 原理： 聚焦激光 熔化并气化或燃烧材料 辅以同轴高速气流吹除 分类: 激光气化切割 激光熔化切割 激光氧气切割 激光划片与控制断裂,第四章 其他机械制造装备,4.1 特种加工机床,4.1.1 激光切割的原理、分类和特点 特点：切割质量好效率高速度快非接触适用范围广,第四章 其他机械制造装备,4,4.1 特种加工机床,4.1

2、.2 激光焊接的原理,第四章 其他机械制造装备,光斑小瞬间汽化材料成小径深孔激光在等离子体中反射，能量被小孔吸收小孔周围材料融化小孔随激光光斑移动小孔后方熔融材料塌陷，相互融合焊缝深窄热输入量小热影响区小,5,4.1 特种加工机床,4.1.3 激光熔覆的原理,第四章 其他机械制造装备,4.2 三坐标测量机,4.2.1 逆向工程： 概念： 也称为反求工程，是指利用已经存在的产品模型，反推出产品的设计数据，并将这些数据进行处理，使之能够复原产品或在修改后可对原产品进行改良。 代表性的关键技术： 三维扫描技术 快速原型制造技术,第四章 其他机械制造装备,4.2 三坐标测量机,4.2.2 三座标测量机

3、 用于根据测量产品实物几何特征数据的设备 类型： 接触式 非接触式,第四章 其他机械制造装备,4.2 三坐标测量机,4.2.2 三座标测量机 原理 接触式：,第四章 其他机械制造装备,4.2 三坐标测量机,4.2.2 三座标测量机 原理 非接触式照相式 用多次多面照相 图像处理、合成 激光式 用一束激光光带 判断光带偏扭 生成文件 点云格式（.stl）,第四章 其他机械制造装备,4.2 三坐标测量机,4.2.2 三座标测量机 点云文件1,第四章 其他机械制造装备,4.2 三坐标测量机,4.2.2 三座标测量机 点云文件2,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,4.3.1 快速成型概念

4、用离散分层的原理制作产品原型的总称 产品三维CAD模型分层离散按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型。 相对于传统机械加工来说属于“加式”加工 优点：可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。 无振动、噪声和切削废料。可实现夜间完全自动化生产。加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,4.3.9 快速成型机分类 光驱动 SLA（Stereolithography）激光固化光敏树脂成型 S

5、LS （ Selective Laser Sintering ） 激光粉末烧结 SLM（ Selective Laser Melting ） 激光粉末烧结 立体印刷 LOM （ Laminated Object Manufacturing）叠层实体制造 微滴成型 FDM （ Fused Deposition Modeling）熔融沉积成型 光敏树脂打印,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,4.3.2 各种成型原理介绍 SLA 最底层开始，激光在光敏树脂表面扫描，在扫描过程中，激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方才会发生聚合反应形成固态,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原

6、型机,4.3.2 各种成型原理介绍 SLS/SLM 利用激光所提供的能量有选择性地融化热塑性材料以形成三维零件,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,4.3.2 各种成型原理介绍 LOM 是通过逐层剪切并粘接薄片材料制造零件的一种技术,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,4.3.2 各种成型原理介绍 FDM 利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件 成型零件,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,4.3.2 各种成型原理介绍 光敏树脂打印,第四章 其他机械制造装备,4.3 快速原型机,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备

7、,4.4.1 概述物流系统是实现物料运输、存储、分配及管理的系统物料储运系统包括： 机床上下料装置 物料的仓储和运输装置物料储运装置的总体方案设计： 物料运输、仓储装置 相关辅助装备 控制方案 驱动方案 布局、尺寸和相关技术参数,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.1 概述设计要考虑的影响因素 物料的结构、形状、尺寸、质量等特征参数 物料输送的距离、速度及频率要求 与生产系统或生产线中加工设备的功能和匹配及接口连接 厂房的空间位置约束及生产系统或生产线的总体布局形式 物流系统的自动化程度、柔性和可扩充性要求 生产系统或生产线对仓库容量的要求 输送装置与仓储装备及其他辅助装备

8、的功能匹配和接口连接 生产安全性、可靠性及维护、操作方便性等方面要求 投资额度要求,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置类型和特点（根据毛坯形式不同）带（卷）状上料装置棒料上料装置单件毛坯上料装置,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置 料仓式上料装置,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置 斗式料仓中的搅拌器,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置 上料机构,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置 隔料器,第四章 其他机械

9、制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置 料斗式上料装置 自动化装备 工件成批倒入料斗 由定向机构将工件定向 以一定节拍将工件送出 机械和传动式料斗振动式料斗,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.2 机床上料装置 装卸式机械手,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.3 物料运输装置 输料槽,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.3 物料运输装置 输送机,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.3 物料运输装置 AGV小车,第四章 其他机械制造装备,4.4 物料储运装备,4.4.4 托盘,第四章 其他机械制造

10、装备,4.4 物料储运装备,4.4.5 自动化立体仓库,第四章 其他机械制造装备,34,35,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.1 概述,工业机器人不一定仿人通常包括操作机、机械手我国国家标准GBT1264390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、工件或操持工具，用以完成各种作业”。将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”,36,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.1 工业机器人与数控机床的异同,基本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的

11、动作功能及技术要求。 1)二者的末端执行器都有位姿变化要求，如机床在加工过程中，刀具相对工件有位姿变化要求，机器人的手部在作业过程中相对机座也有位姿变化要求； 2)二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。 3)机床以按直角坐标形式运动为主，而机器人以按关节形式运动为主； 4)机床对刚度、精度要求很高，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。,37,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.2 工业机器人的一般结构,38,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.2 工业机器人的一般结构,(1)关节型机器人(图a),(2)球坐标型机器

12、人(图b),(3)圆柱坐标型机器人(图c),(4)直角坐标型机器人(图d),39,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.2 工业机器人的一般结构,结构主要分为： 串联机器人 和 并联机器人,40,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.1 工业机器人的一般结构,41,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.3 工业机器人的特征表示,（1）坐标描述,42,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.3 工业机器人的特征表示,（1）坐标描述,43,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.3 工业机器人的特征表示,（2）机械结构类型

13、 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。 关于结构坐标形式已在机器人分类中作了叙述。自由度是表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示。机器人的自由度数相当于机床的轴数，都表示运动的个数。例如具有三个自由度的机器人称为三自由度机器人，从运动功能上看，也可以把它称为三坐标机器人，或三轴机器人。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但结构和控制越复杂。机器人的自由度数与原动件数目相等。,44,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.3 工业机器人的特征表示,(三)工作空间 工作空间指工业机器人正常运行时，手腕参考点(也可以用机械接口坐标

14、系原点)能在空间活动的最大范围，用它来衡量机器人工作范围的大小。机床的工作空间(加工空间)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 (四)其它特性 包括用途、外形尺寸和质量、负载、速度、驱动方式和动力源、控制、编程方法、性能、分辨率及环境条件等。,45,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.4 工业机器人系统设计,设计内容与步骤 1总体设计(1)基本技术参数设计： 1)用途，如搬运、点焊等等。 2)额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的允许值。包括机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力(矩)，外界的作用力(矩)来确定。 3)

15、按作业要求确定工作空间，要考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。 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。由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。 5)驱动方式的选择。 6)性能指标。,46,47,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.4 工业机器人系统设计,1总体设计(2)总体方案设计： 1)运动功能方案设计。该阶段的主要设计任务是设计确定机器人的自由度数、各关节运动的性质及排列顺序、在基准状态时各关节轴的方向。 2)传动系统方案设计。根据动力及速度参数、驱动方式等选择传动方

16、式和传动元件。 3)结构布局方案。根据机器人的工作空间、运动功能方案及传动方案，确定关节的形式、各构件的概略形状和尺寸。 4)参数设计。确定在基本技术参数设计阶段尚无法考虑的一些参数，如单轴速度、单轴负载、单轴运动范围等。该项工作应与第3项设计工作交叉进行。 5)控制系统方案设计。近期设计的工业机器人基本上都是采用计算机控制系统。 6)总体方案评价。,48,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.4 工业机器人系统设计,2详细设计 详细设计内容包括 装配图设计、零件图设计和控制系统设计。 3总体评价 总体设计阶段所得的设计结果是各构件及关节的概略形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑的细节也具体化了，因此各部分尺寸会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。,49,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.4 工业机器人系统设计感性认识,50,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,4.5.4 工业机器人系统设计感性认识,51,4.5 工业机器人,第四章 其他机械制造装备,