机械制造装备设计教学课件

,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计 主讲教师：张庆春 哈尔滨工业大学机电工程学院 机械制造及自动化系 2012年3月,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,制造业是一个国家经济发展的重要支柱,标志着一个国家的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力的水平。 它主要是为国防和国民经济的各个领域提供合格的产品，它所创造的产值约占国民经济总产值的百分之七十。,第1章 绪 论,1.1 机械制造装备及其在国民经济中的重要作用,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造业是制造业的核心。他担负着为其他领域提供高水平机械装备的重要任务，这主要包括：, 农业机械 动力机械 运输机械,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院, 矿山机械 化工机械 林业与木工机械 食品机械 医疗机械 纺织机械 服装机械 制造装备,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,20世纪20年代生产军火主要采用不计成本的生产模式。 20世纪50年代为了降低成本、提高效率，采用大量生产模式。 20世纪70年代生产模式的基本原则是“消灭一切浪费”，代表的公司是日本的丰田公司，后来被美国麻省理工学院总结成为：精益生产的制造模式。,1.2 机械制造装备的状况及发展,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院, 20世纪80年代，随着人们生活水平的提高，对产品的需求更加多样化，出现了单项的先进制造技术。 计算机辅助设计技术(CAD) 计算机辅助制造技术(CAM) 计算机辅助工艺规划(CAPP),Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院, 制造资源规划(MRP) 成组技术(GT) 并行工程(CE) 柔性制造系统（单元）(FMS) 全面质量管理(TQC),Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,进入90年代，随着信息技术的发展，全球经济打破了地域经济的束缚。 快速响应市场成为制造业发展的主要方向 敏捷制造 精益敏捷柔性 快速可重组制造,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,21世纪制造模式的主要特征: 以用户需求为重心 制造的战略重点是时间、速度、质量、品种 以柔性、敏捷、精益作为竞争的优势 技术进步、人因改善、组织创新为基础 实现企业资源的快速集成 虚拟公司将是一种新的企业模式,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,将更多地采用高技术装备来满足产品的个性化和多样化的要求。,生产模式的变化对机械制造装备提出了新的要求,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,1.3 机械制造装备的类型,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,主要指机床，制造机器的机器，也称工作母机。,一、加工装备,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,车床、铣床、钻床、镗床、磨床、刨（插）床、拉床、 齿轮加工机床 螺纹加工机床 其他机床（珩磨机床、锯床、键槽加工机床）,（一）金属切削机床,利用切削刀具与金属工件的相对运动从工件上切除多余的金属或预留层，以获得符合规定的尺寸、形状、精度及表面质量要求的零件。,按加工方式分：,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,通用机床 专用机床 专门化机床 自动生产线,按通用性分：,按精度分：,普通精度机床 精密机床 高精度机床 超精密机床,按自动化程度分：,手动机床 自动机床 半自动机床,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,（二）特种加工机床 电加工机床、超声波机床、激光加工机床、电子束加工机床、离子束加工机床、水射流加工机床等 1、电加工机床 直接利用电能对工件进行加工的机床 主要指 电火花机床 线切割机床 电解加工机床,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2、超声波加工机床 直接利用超声波能对工件进行加工的机床 3、激光加工机床 直接利用激光能对工件进行加工的机床 4、离子束加工机床 5、水射流加工机床,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,（三）锻压机床 锻压机床是利用金属的塑性变形的特点进行成形加工的机床。属于无屑加工机床。 主要指: 锻造机 冲压机 挤压机 轧制机,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,二、工艺装备 工艺装备是指产品制造时所用的刀具、模具、夹具、量具等。 （一）刀具 从工件上切除多余的材料所用的工具，称之为刀具。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,刀具的种类 车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、 齿轮刀具等。 大部分已经标准化，不需要专门设计。,哈尔滨工业大学精密工程研究所,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,（二）模具 模具是用来将材料填充在其形腔中，以获得所需要形状和尺寸之间的工具，按填充的方法和材料的不同模具分为： 粉末冶金模具 塑料模具 压铸模具 冷冲模具 锻压模具,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,（三）夹具 夹具是安装在机床上用于定位和夹紧工件的工艺装备，它保证加工时的定位精度、被加工面之间的相对位置精度，有利于工艺规程的贯彻和提高生产效率。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,夹具： 定位机构、夹紧机构、刀具导向装置、工件推入和取出导向装置和夹具体构成。 按夹具安装在什么机床上可分为： 车床夹具、铣床夹具、刨床夹具、钻床夹具、 镗床夹具、磨床夹具等。 按夹具通用化程度可分为： 通用夹具、专用夹具、成组夹具和组合夹具等。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,（四）量具 量具是以固定形式复现量值的计量器具的总称。 三、仓储输送装备 仓储输送装备包括各级仓储、物料输送、机床 上下料等。 机器人可作为加工装备，如焊接机器人和喷漆 机器人等，也可属于仓储输送装备，用于物料 输送和机床上下料。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,1仓储 2物料输送装置 3机床上下料装置 四、辅助装备 辅助装备包括清洗机、排屑和计量等设备。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,1.4 课程学习目的和内容,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,第2章 机械制造装备设计方法,设计是一切产品实现的前提，设计质量的优劣直接影响产品的质量、成本、生产周期及市场竞争力。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,本章主要内容： 机械制造装备设计的要求 机械制造装备设计的类型 机械制造装备设计的方法 机械制造装备设计的评价,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.1.1 一般功能 1、加工精度的要求 加工获得的机械零件与理想零件在尺寸、形状、位置及表面质量方面的符合程度。,2.1 机械制造装备设计的要求,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,对机械制造装备的要求 几何精度 传动精度 运动精度 定位精度 低速运动的平稳性,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2、强度、刚度、抗振性 抵抗高速、大切削力的能力 3、加工精度的稳定性 抵抗切削热、摩擦热、环境热及磨损的能力。 4、技术经济的要求,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.1.2 柔性化 1、 结构的柔性化 2、功能的柔性化,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.1.3 精密化 1、提高装备本身的设计精度 2、提高装备本身的制造精度 3、误差补偿 4、环境因素的影响,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.1.4 自动化 全自动化和半自动化 全自动化：自动完成工件的上料、加工、下料的全过程 半自动化：人工上料、下料 实现自动化的方法从低级到高级的顺序为： 凸轮控制程序控制 数字控制自适应控制,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.1.5 机电一体化 机电一体化是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，有机组成的最佳技术系统。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,采用机电一体化技术的产品可以获得如下功能: 1、对装备的运行参数进行巡检和控制 2、对装备的运行程序进行控制 3、用微电子技术简化传统机械制造装备，使得结构更为简单。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.1.6 结构模块化 2.1.7 符合工业工程的要求 2.1.8 符合绿色工程的要求,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.2 机械制造装备设计的类型,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.2.1 新产品设计 是依据市场需求发展的预测，进行产品结构调整，用新的技术手段和技术原理，改造传统产品，开发新产品。 提高竞争力 产品规划 方案设计 技术设计 施工设计 技术可行性、制造工艺与装备可行性验证 周期长、工作量大,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.2.2 变形产品设计 适应型设计： 变参数型设计： 变型设计不是无序地进行 原有产品创新设计时应考虑变型设计的可能性 遵循系列化设计的原理 作为系列化产品中基型产品,2.2.3组合设计 组合设计又称模块化设计，是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”。 例如：建筑业、机床、家具业,创新设计是企业在市场竞争中取胜的必要条件； 变形设计和组合设计是在已有创新设计的基础上进行的。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计,哈尔滨工业大学机电工程学院,2.3 机械制造装备设计的方法,2.3.1 系列化设计 1. 系列化设计的基本概念 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的产品为基型，以它为基础，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其它各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,在产品基型系列的基础上，同样运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，增加、减去、更换或修改少数零部件，派生出不同用途的变型产品，构成产品派生系列。编制反映基型系列和派生系列关系的产品系列型谱。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,在系列型谱中，各规格产品应有相同的功能结构，相似的结构型式；同一类型的零部件在规格不同的产品中具有完全相同的功能结构；不同规格的产品，同一种参数按一定规律（通常按等比级数）变化。 系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化、结构的典型化”，即所谓的“四化”原则。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,2. 系列化设计的优缺点 系列化设计的优点： 1）降低生产成本，提高产品制造质量的稳定性； 2）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）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） 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。 系列化设计的缺点是： 用户只能在系列型谱内有限 的一些品种规格中选择所需 的产品。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,3. 系列化设计的步骤 1主参数和主要性能指标的确定 2参数分级 3制订系列型谱 系列型谱通常是二维甚至多维的，其中一维是主参数，其它维是主要性能指标。通过系列型谱的制订，确定产品的品种、基型和变型、布局，各产品品种的技术性能和技术参数等。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,（1）纵系列产品 纵系列产品是一组功能、工作原理和结构 相同，而尺寸和性能参数不同的产品。 主要技术指标和主参数按优先数系派布。 （2）横系列产品 横系列产品是在基型产品基础上，通过 加、减去、更换或修改某些零部件，实 现功能扩展的派生产品。 （3）跨系列产品 跨系列产品是采用相同的主要基础件和 通用部件的不同类型产品。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,2.3.2 模块化设计 1. 模块化设计的基本概念 模块化设计的基本概念是：为了开发多种不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,2. 模块化设计的优点 l）便于用新技术设计性能更好的模块取代原有旧的模块，提高产品的性能，加快产品的更新换代。 2）可快速满足用户提出的特殊订货要求，大大缩短设计和供货周期。 3）有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业化生产，既提高质量，又降低成本。 4）维护修理更为方便，对生产影响少。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,3. 模块化设计的步骤 1)明确任务,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,2)建立功能结构 划分模块的出发点是功能分析。根据产品的总功能分解为分功能、功能元，求相应的功能模块，再具体化为生产模块。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,基本模块实现系统中最基本的功能，是反复使用和不可缺少的，它可能仅有一种参数规格，或者有多种参数规格，有时还可有不同的精度级别。 辅助模块的用途是实现模块间的联接，通常为联接元件和接头。 特殊模块完成某些特殊的、补充的和设计任务书特别要求的功能。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,调整模块是为了适应其它系统和边界条件，模块某些结构尺寸是不确定的，可随着边界条件的变化加以调整。 非标模块是为某个具体任务单独开发的，以解决模块化系统有时满足不了一些意想不到的功能要求，与标准模块构成所谓的“混合系统”。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计-机械制造装备设计方法,3)合理确定产品的系列型谱和参数 模块化系统也应遵循系列化设计的原理， 纵系列模块系统中模块功能及原理方案相同，结构相似， 而尺寸参数有变化。 横系列模块系统是在一定基型产品基础上更换或添加模块， 以得到扩展功能的同类变型产品。 跨系列模块系统可有两种模块化方式： 在相同基础件结构上选用不同模块系统的模块组成跨系列产品； 基础件不同的跨系列产品中具有同一功能的零部件选用相同的 功能模块。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计-机械制造装备设计方法,4)模块的组合 用较少种类的模块组合出尽可能多的组合产品 模块系统分开式和闭式两类。 闭式系统由一定数量种类的模块组成有限数量的组合， 而开式系统则是由模块得到无限多的组合。,Harbin Institute of Technology,机械制造装备设计-机械制造装备设计方法,5)模块的计算机管理系统 功能： 1）对模块进行编码，以便进行计算机管理； 2）给出模块系统最多可组合的产品数； 3）对于用户某一给定的设计要求，分析是否存在一种 有效的组合方案； 4）在满足要求的几种组合方案中进行评价，选择最佳 的组合方案； 5）若无有效的组合方案满足用户要求，为新的模块设 计提供信息； 6）给出已选方案的模块组装图、明细表及价格表。,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,2.4 机械制造装备设计的评价,技术经济性评价 可靠性评价 人机工程评价 结构工艺性评价 产品造型评价,2、模块化超精密机床的研制： 超精密机床系列和型谱的制定 模块的划分,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,主轴系统 导轨系统 工作台驱动系统 环境控制系统 模块化超精密机床 微量进给系统 床身系统 位置检测系统 控制系统 其他,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,空气静压主轴（ZZ） 空气静压主轴（ZZ） 主轴模块 （ZZ） 液体静压主轴（ZZ） 超精高速主轴（ZZ）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,空气静压导轨（DG） 空气静压导轨（DG） 导轨模块 (DG) 液体静压导轨（DG） 液体静压导轨（DG）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,滚珠丝杠（QD） 工作台驱动模块 直线电机（QD） (QD) 摩擦驱动机构（QD）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,振动控制系统（HJ） 环境控制模块 (HJ) 温度控制系统（HJ）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,单向压电陶瓷机构（WJ） 微量进给模块 (WJ) 双向压电陶瓷机构（WJ）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,卧式床身(CS) 床身模块 (CS) 立式床身（CS）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,双频激光干涉仪(WZ) 位置检测模块 (WZ) 光栅尺（WZ）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,单坐标联动数控系统（SK） 数控模块 (SK) 双坐标联动数控系统（SK）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,主轴电机（QT） 刀架（QT） 其他模块 (QT) 进给电机（QT） 吸盘（QT）,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,陀螺仪表加工用超精密车床 巡航导弹下视镜加工用小型非球曲面磨床 激光核聚变倍频晶体超精密铣床 侦察卫星有效载荷主镜头超精密加工机床 超精密平面磨床 加工挠性接头超精密镗床,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,超精密研磨机 超精密内表面磨床 伺服阀低刚度反馈杆超精密加工机床 卧式超精密镗床,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,加工动压马达零件的超精密外圆磨床 超精密高速钻床 超精密多面体铣床 金刚石刀具刃磨机 小型超精密加工机,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,Harbin Institute of Technology,哈尔滨工业大学机电工程学院,机械制造装备设计,