2、构设计基础第一节第二节零件的典型工艺性结构设计常用的气构模块设计气缸配直线轴承气缸配直线导轨气缸在快速夹具中的应用气缸在步进送料系统中的应用气缸驱动齿轮齿条将直线运动转换为旋转运动第三节常用的电构模块设计步进电机驱动滚珠丝杠+直线导轨的直线运步进电机驱动同步带+直线导轨的直线运构构步进电机驱动齿轮齿条的直线运倍速链基础知识构第1页FA工业自动化设备设计基础第四节工装夹具设计圆柱形的异形的夹紧设计第四章设备整体设计思路及方法第一节第二节设备设计的一般过程设备设计的思考方法和决策过程设备的功能模块划分和布局基础设备模块设计思路和方法设备方案失效模式分析方法设备设计术语英文单词附：第五章项目管理基
7、装置等。为了便于讲解，我们把自动化设备划分为的五大部分：上料、操作、卸料、系统、人机界面。上料上料部分实际上包括三大功能模块：上料模块、排列模块和分料模块（或者合流模块）。在工厂生产实际中，各种各样的原料加载衍生了各种类型的上料机构或上料装置。我们在工程实际中常用的上料方式主要有：振动盘上料、漏斗型料仓上料、料盘上料以及弹匣式料仓上料。在上料过程中，根据的外形规格还需要对进行整列，这就是排列模块的工作。而从上料模块到排列模块出来的都是一个挨一个的，这就需要有分料模块来将即将取走的工件从整列队列中分离出来，这是分料模块的活。若果是装配类设备，还需要有多种材料上料，那么，我们需要将各种原材料按照
8、装配顺序进给，所以，我们也需要有合理的合流装置。操作我们把任何设备对作。进行的任何、装配、检测等工作都称为操卸料置。卸料就是将本设备制造完成的按照要求从设备中取出放到指系统（PLC、工业系统包含硬件系统和软件系统。硬件系统指的是：由处理器计算机、单片机等处理单元器件）、继电器、传感器以及各类管线等组成的各种电路。软件系统指的是：为了让设备正常运转而设计的软件。人机界面为了让设备能够且易于操作而设计的装置：按钮、触摸屏、显示器等。三设备模块划分通过以上的划分，我们对设备已经有了一个大致的印象。接下来，我们应该去探索一下设备的内部了。任何自动化设备都是由各种各样的机构组成，所以，我们现在来说
9、说在工厂自动化过程中，我们需要常常用到的机构以及驱动系统。在现代工业自动化设计理论以及实践中都前所未有的强调模块化设计，不论是机械设计还是设计。这也是由现代工厂生产和自动化的发展所决定的。模块化设计的优点在于：提高设计效率（易于实现并行设计）、柔性好、便于生产（易于实现批量生产）、降低成本、便于调试、维护等方面。第4页FA工业自动化设备设计基础通常的机械功能模块都有两大部分：驱动系统和执行机构。在工厂自动化设备中，我们常用的驱动系统主要有：电机驱动系统（异步电机驱动系统、伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、直线电机驱动系统等）、驱动系统、气动驱动系统。常用的执行机构主要有：齿轮机构（包括蜗轮
10、蜗杆机构、齿轮齿条机构）、连杆机构（包括曲柄滑块机构）、凸轮机构、带传动系统（包括：平皮带传动、V带传动、同步带传动）、链传动系统（包括滚子链、倍速链等）、丝杠导轨系统等。另外，根据设备需要和运动方式的不同，有一个非常重要的概念需要强调：间歇机构。间歇机构指的是为实现间歇运动而设计制作的机构。比如：分度盘（实际上是凸轮机构的一种）、槽轮机构、棘轮机构以及由软硬件结合而形成的步进间歇系统、伺服间歇系统等。四设备元器件我们把设备中采购进来的可以直接装配的部件称为标准件，采购原材料需要工厂进行的部件称为件。以下我们根据部件不同的性质，将标准件分为电动配件、气动配件、配件、机械配件、配件五大部分
11、进行列举：电动配件电动配件包含各种电机及其附件。三相异步电机、单相电机、直流电机、步进电机及驱动器、伺服电机及驱动器、直线电机及驱动器等。气动配件气动配件包含各种气缸及其附件。直线气缸、旋转气缸、气爪、气囊、多行程气缸、真空吸盘、气动接头、换向阀、节流阀、磁性开关、浮动接头、过滤器、油雾器、减压阀、气压表、负压表、单向阀、比例阀等。配件配件包含各种缸及其附件。缸、换向阀、节流阀、浮动接头、过滤器、减压阀、表、单向阀、比例阀、溢流阀、伺服阀等。机械配件机械配件主要包含各种执行元器件。联轴器、机、缓冲器、稳速器、滚动轴承、直线轴承、滚珠丝杠、直线导轨、皮带及带轮、链及链轮、齿轮齿条等。配件配件包含
17、的经验积累也是非常重要，关键的问题是要吸取这些经验，然后形成的设计经验体系和思维方式，这才是最重要的。这也是本人的初衷，所以，希望接下来的这些文字和图片能够对一些人有用，本人也就不胜欣慰了。当然，由于本人知识水平以及经验阅历的限制，在接下来的各章节中出现的各种疏漏之处，热忱地欢迎各位批评、指正。杜林2013年3月于中国第7页FA工业自动化设备设计基础第一章基于工程实践的工程制图首先，请诸位注意：本文讲解的是制作一份信息完整、适合制造的工程图纸思维过程，而非机械制图的基础。目的在于纠正一些初级设计师常见的制图错误。所以，制图的基本知识：画法几何学、机械图学以及各种特征的简化表示法等基础
19、否能顺利运行，是否能让客户和操作者满意的根本。制作工程图是机械设计环节的最后一个过程，所以，任何工程图都离不开装配要求。任何离开装配而做的所谓工程图都是没有意义的，所以制作任何零部件图纸都需要着眼于设备或者模块的整体设计和装配需求。第一节工程图纸基本要求在介绍以下内容之前，先说说对图纸的基本要求：首先，要求图纸视图相对于图纸幅面大小比例合理，采取合理的视图布局、合理的视图比例、合理的主视图方向、合理的投影视图和辅助视图布置。其次，要求标注清晰、有条理，线不得直接交叉犹如蜘蛛网。再次，要求技术要求表达清楚，不得使用的语句和文字。最后，要求所有标题栏项目填写完整，特别是工件的重要信息，如：数量、
21、“主”字。3：尽量少用虚线，多用剖视图表达特征，把零件所有的特征都表达清楚。4：形状、结构异常复杂的工件要配有轴测图，方便理解图纸。5：可以选择使用适当的文字说明配合工程技术理解图纸。如以下示例：图1.2-1图1.2-2第9页FA工业自动化设备设计基础图1.2-3图1.2-4如上面图片所示，图1.2-1的工件的视图摆放如图1.2-2就非常清晰了，没有冗余视图，使用了剖面图，视图清楚。图1.2-3的主视图是冗余视图，图1.2-4第10页FA工业自动化设备设计基础的视图使用了虚线，没有使用剖面图而导致视图不清楚。所以，我们理应选择图1.2-2的处理方法。完整的1：不能漏标
22、2：不能多标，漏标，多标则同样让无法按照图纸零件。无法出需要的零件。3：基准选择符合设计基准。4：关联标注正确。5：链合理。如以下示例：图1.2-5图1.2-6图1.2-7第11页FA工业自动化设备设计基础图1.2-8图1.2-9第12页FA工业自动化设备设计基础图1.2-10图1.2-11如上面图片所示，图1.2-8中的标注完整、基准正确、链合理、关联特征合理。图1.2-9中的链不合理；图1.2-10中的槽特征基准选择第13页FA工业自动化设备设计基础错误；图1.2-11中孔的关联方法才能得到我们想要的工件。不合理。所以，我们只有选择图1.2-8中的标
24、它们之间的距离必须直接通过两个进行标注。这实际上也是链的问题和检验的问题。我们看这个工件的工序：首先，是下料，即将一块钢板外形到90X60X20；然后，铣槽40X20；最后，四个9通孔。下面，我们看图1.2-8中外形尺寸与孔的中的封闭环是：孔与边的距离；而在图1.2-11中这个封闭环被更换成了孔与孔之间的距离。而在实际的工件完成后，质检部门检测的是图纸标注的图1.2-11，而封闭环是不进行检验的。所以，这样导致的最终结果就是根据出来的工件孔距最终的偏差与图1.2-6中工件的孔距偏差之差值可能大于孔9与螺栓M8的外径偏差（其具体公差，请大家根据未注线性尺寸公差及图纸标题
27、见到的普通车床、铣床等的主轴零部件公差等级也都是在普通范围内，而并非想当然的高精度，其高精度保持与其进行批量生产和成装配技术有很大关系。在这里我们所说的公差，包含：公差、形状公差、位置公差。其基本概念和基础理论请参阅公差合理选用与正确标注、机械精度设计与检测基础。在这里我们要强调的是：装配。装配即组装与配合。在大多数应届生或者助理设计师的印象中配合即是轴与孔（狭义的轴孔概念）的配合，在于机械设计制造中这类配合是最多的。另外，学校的所讲的也是这类配合（广义的轴孔概念）。所以，本人不再在这方面絮絮叨叨的说太多。只是再解释两个概念：基轴制、基孔制。基轴制即在设计过程中以轴为基准的配合方式，比如：轴承
28、外圈和轴承座内孔的配合。基孔制即在设计过程中以孔为基准的配合方式，比如：轴承内圈和轴的配合。另外，再强调一点：基于工艺的（轴时，刀具在工件外表面进行操作；孔时，刀具在工件内表面进行操作），通常状况下在轴与孔的配合中，轴的公差选择比孔的公差高一级。比如：在轴承与轴的过渡配合中，轴承内圈公差等级为H7，则轴的精度等级选择k6。需要公差的地方：在工程实践应用中有很大一部分是除轴与孔之外的配合方式。所以，我们说凡是有配合的地方都需要公差。另外，在大批量的生产中，我们为了保持工件的一致性，也需要一定的公差约束。为了帮助大家理解配合的概念，我们在回到上面的装配图1.2-5中去，请诸位看清楚，上图中
29、的两个40X20的槽和凸台的装配即是配合之一种。那么，由此，我们可以清楚得得出结论，这个地方是需要公差约束的。所以，请看以下的工程图：图1.2-12第15页FA工业自动化设备设计基础（注意：此图中的公差40（+0.15/+0.05）和20（-0.05/-0.15）图1.2-13（注意：此图中的公差40（0/-0.1）和20（+0.1/0）请诸位注意比较图1.2-12和图1.2-13中的公差。另外，在工程实际应用中，象这样的精度要求不高的配合的地方也可以在图纸上注明“与X工件上的配做，间隙配合/过渡配合/过盈配合”。而如果是高精度的机构或者组件中的工件则需要根据设计的
30、结构和装配互换方式公差分配。工艺进行链解算和顺便说一下，在制造过程中有一种现象值得引起注意：通常加工出来的轴的较容易向公差范围内偏大的方向移动；孔的则相反，容易向公差范围内偏小的方向移动。这是由于担心“过切削”的心理导致的结果，也就是说，通常会有这样一种心态：轴如果大一点还可以再补加工一次，如果小了就没有办法挽救了；孔如果小一点也还可以补一次，如果大了零件也可能就报废了。所以，在这种心态支配下，通常就以最小极限为目标孔，以最大极限为目标轴。当然，在数控机出来的工件则不存在这个问题。请诸位注意图1.2-13中右视图内的两个所的链。为什么我们选（15）进行标注？20进行标注，而不是底座的高度
31、的问题。择的是凸台的高度提醒一下：这也是关联另外，我们给诸位提一提形位公差的问题。形位公差也是机械设计制造中非常重要的内容，形位公差选择、使用不合理同样会导致工件的、装配和使用的一系列问题。在实际工程应用中，我们除了要理解14种形位公差的基本意义第16页FA工业自动化设备设计基础以外，还得要理解形位公差选择的三大重要原则：最大实体原则、包容原则、独立原则。还有一个重要的问题是复合基准和多重基准的选用以及多基准的使用顺序。这方面内容请诸位参阅公差的合理选用与正确标注，这里面有非常详尽的论述，勿需本人置喙。这里需要专门提到的是本人见到很多初级设计师常犯的两个错误：1：把选择轴线（或者中线）作
33、能了如指掌，注意，我们说的各种性能是包括以下面：强度、韧性、刚度、可性、热处理性、导电性、导热性、焊接性等。比如：曾经有人使用POM设计了一个零件，其中有一个方形孔，当人家问到怎么这个方形孔的时候，他告诉别人：线切割。这种错误实在不是一个专业的机械设计师应该犯的。下面，提出一些常用材料，请诸位务必打开工程材料或者咨询材料供应商仔细熟悉其性能以在以后工作中熟练使用。机架用材料：焊接机架常用型材：热轧槽钢、冷拉方管、热轧工字钢装配机架常用型材：铝型材铸造机架常用材料：HT200、HT250、球墨铸铁普通工件用材料：普通板件常用材料：A3(Q235A)、45、AL6061（铝）、AL5052(铝)
36、给出制作本图纸所示零部件的材料及其牌号；数量：明确给出制作本图纸所示零部件的数量；热处理：明确指出本图纸所示零部件的热处理方法；表面处理：明确指出本图纸所示零部件的表面防腐蚀处理方法；技术要求：明确指出本图纸中所示的零部件所需要达到的各项技术指标。设计、制图、审核的签字及日期；图幅比例：通常，目前多数图纸都是由计算机制作而后打印出来的，其中大多数与实际比例并不一致。所以，应该让零件制作知道不可根据图纸上的距离测量工件，遗漏则应咨询设计、制图；版本代号：依照企业标准给出本图纸所示零部件的版本代号及修改内容；投影方法：由于目前国内外的技术交流越来越多，而各国使用的图纸投影方法并不一致，所以，诸
38、图纸，现将工程图纸中会常用到得专业词汇罗列如下，以供参考。Turning车削Milling铣削Grinding磨削Lapping研磨Boring镗削Drilling钻孔Tapping攻牙Welding焊接AdhesivebondingPolishing抛光WireEDM线切割Tolerance公差Roughness粗糙度Flatness平面度Straightness直线度Roundness圆度Cylindricity圆柱度Profileofline线轮廓度Profileofsurface面轮廓度Perpendicularity垂直度Angul
39、arity斜度Parallelism平行度Position位置度Concentricity同轴度Circularrunout圆跳动Totalrunout全跳动Clearancefit间隙配合Transitionfit过渡配合Anodizing阳极氧化Painting喷漆Sandblasting喷砂Knurling滚花Chamfer倒角Deburr去毛刺Normalizing正火Ageing老化处理Agehardening失效硬化Carburizing渗碳Spline花键Techniquerequirement技术要粘结Electricspa
40、rkle电火花Spindle主轴Micrometer千分尺Caliper卡尺LowerallowanceUpperallowance下偏差上偏差Interferencefit过盈配合ClearoxideBlackoxide发白发黑Chromeplating镀铬Zincplating镀锌elplating镀镍Hardening淬火Quench水淬火Tempering回火Annealing退火Heattreatment热处理Surfacefinish表面处理Levelbubble水平仪Gradienter水平仪Torque扭矩求Curva
42、别适应小批量和中等批量的生产方法。本节类容涉及到的概念和公式较多，以下解释几个本节会用到得概念。公式则边使用边解释，以便于诸位阅读。封闭环：指组成环：指增环：指减环：指链中通过已有间接得到的；链中直接标注出来的已有；链中随着封闭环的链中随着封闭环的增大而增大的组成环；增大而减小的组成环；完全互换法：装配时，全部的组成环都不需要进行挑选或者改变其大小和位置，装入后即可达到封闭环的公差要求。此法不考虑实际的分布情况，从链各环的极限值出发进行计算，能够保证的完全互换性，所以也称作极值法。大数互换法：装配时，绝大多数的组成环不需要挑选或者改变其大小和位置，装入后即可达到封闭环的公差要求。此法假定各
43、环都趋向正态分布，置信概率为99.73%，所以此法也称作概率法。采用此法设计计算时，应采取适当的工艺措施以排除个别超出公差范围。链解算基本步骤：1、画出2、根据链图；链图确定出封闭环和增环、减环；3、根据计算公式进行各环值的计算；4、校核计算结果；下面，请看示例：如图1.3-1所示，轴上装有4个零件：2个垫片、1个皮带轮、1个轴用弹性挡圈。已知：d1=42mm,d2=d5=5mm,d3=30mm,d4=20mm。要求装配完成-0.05后d0=0+0.2。求各组成环的公差、轴d1的极限偏差。+0.05第20页FA工业自动化设备设计基础图1.3-1图1.3
48、09-0.0165-0.01-0.009）=0.0305ES1=1+T1/2=0.0305+0.0195=0.05EI1=1-T1/2=0.0305-0.0195=0.01所以，可以得到d1=42+0.05mm。+0.01第23页14IT14400i15IT15640i16IT161000i17IT171600i18IT182500iFA工业自动化设备设计基础大数互换法（概率法）计算：本计算方法，第一、二步与完全互换法完全相同，此处略。3：计算各组成环的公差等级系数aav显然，T0=0.1mm，T4=0.02mm(轴用弹性挡圈的标准件公差)T0a=
50、T2i0i=14：计算各组成环的极限偏差根据单向体内原则，各组成环（轴d1除外）的极限偏差可定为：d=d=5025-0.048d=300-0.0843d=204-0.02所以，各环中间偏差i=（ESi+EIi）/2ESi第i个组成环的极限上偏差；EIi第i个组成环的极限下偏差；第24页FA工业自动化设备设计基础0=0.0752=5=-0.0243=-0.0424=-0.011=0.075+（-0.024-0.042-0.01-0.024）=-0.025ES1=1+T1/2=-0.025+0.0998=0.075
51、EI1=1-T1/2=-0.025-0.0998=-0.125所以，可以得到d1=42+0.075mm。-0.125诸位可以看到：本例中1出现了负值，所以，在条件高一个公差等级进行计算。的情况下可以提本节类容详细介绍了直线链的解算方法，请诸位仔细阅读以便于在将来的实际工作中可以根据具体情况解算链，合理的赋予各公差，而不是盲目地提高零件公差等级而导致难度加大，成本提高。当然了，我们并不是要求所有的公差都通过链解算得出来，这对于机械设计来说也是不现实的；但是，建议对于所设计的设备非常重要的零部件而且精度要求又很严格的地方的公差通过解算得出来，以防止给出的精度富裕，提高成本和难度