凯发国际工业自动化设备的设计基础pdf

原创 2020-04-28 21:38  阅读

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  FA 工业自动化设备设计基础 By: Duyeslin FA 工业自动化设备设计基础 目录 绪论 一 目的 二 设备结构划分 三 设备模块划分 四 设备元器件 五 图纸 六 软件 第一章 基于工程实践的工程制图基础 第一节 工程图纸基本要求 第二节 制作工程图纸 清晰的视图 完整的尺寸 合理的公差 适当的材料 正确的工艺要求 完整的文档管理内容及工件信息 附 1 图纸中常用英文单词 附2 尺寸链解算方法 第二章 常用的自动化元器件及选型基础 第一节 气动系统元器件选型及应用 气动系统基本元器件 气动元器件选型及应用 第二节 油压缓冲器选型计算 第三节 电力驱动元器件及相关执行机构配件选型及应用 伺服电机+减速机+滚珠丝杠机构的选型基础 步进电机+凸轮分割器圆盘分度机构的选型基础 第四节 常用传感器介绍 附 常用自动化元器件英文单词 第三章 自动化部件结构设计基础 第一节 零件的典型工艺性结构设计 第二节 常用的气动机构模块设计 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 常用的电动机构模块设计 步进电机驱动滚珠丝杠+直线导轨的直线运动机构 步进电机驱动同步带+直线导轨的直线运动机构 步进电机驱动齿轮齿条的直线运动机构 倍速链基础知识 第 1 页 FA 工业自动化设备设计基础 第四节 产品工装夹具设计 圆柱形产品的定位 异形产品的定位夹紧设计 第四章 设备整体设计思路及方法 第一节 设备设计的一般过程 第二节 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 附: 设备设计术语英文单词 第五章 项目管理基础 第一节 项目管理的基本内容 第二节 项目管理方法和过程 项目工作分解 项目时间管理 第 2 页 FA 工业自动化设备设计基础 绪 论 一 目的 随着科学技术的发展以及人们对于产品品质的更高追求,越来越多的企业和 工厂都期望使用大量的自动化设备和装置来取代工人繁冗无味的重复劳动,实现 产品的全部或者部分制造过程的自动化以消除因为人为因素导致的产品质量的 不稳定性,这就是我们通常所说的“工厂自动化”(Factory Automation,简称: FA)。 本文以及后续系列篇幅介绍的就是为了实现工厂自动化而做的工业自动化 设备的设计基础知识。本系列文章主要面对的对象是:有志于投身机械设计行业 的,具有基本机电知识的大学生、应届毕业生以及毕业 3 年以内的初级设计师(助 理设计师)。所以本系列文章的主要宗旨是:让在校大学生明白学习的方向,让 应届毕业生能迅速地把学校学到的理论知识正确地应用到设计实践中来,让助理 设计师发现自己的不足之处。本系列文章不会解释设计方法学的问题,凡涉及到 设计方法学的问题,烦请诸位自己查阅相关资料。比如:自顶向下设计、优化设 计等。所以,在接下来的讲解中,本人会尽量使用简洁、系列的方式,通俗的语 言列举我们所要表达的内容,尽量做到不罗嗦、不重复,尽量减小诸位的阅读强 度、节约大家的时间。所以,我们的口号是“理论联系实际”。好了,以下咱们 开始进入工厂自动化设备的天地中。 注意:本文中所说的自动化设备主要是大量使用了现代自动化元器件以及自 动化控制系统的各类设备,与传统的纯机械机构组成的设备有一定的区别。但是, 也不可盲目的崇拜自动化元器件和现代控制技术的能力,传统的机械机构仍然是 机械的主要组成部分;与现代自动化器件组成的结构模块相比较,传统的机械机 构具有非常明显的简洁、高效的优点;所以,在设备设计过程中,只有合理地运 用机构和自动化元器件、现代控制技术才有可能设计出完美的自动化设备。由于 机械机构学在 18 世纪已经发展成熟,而且在大学的《机械原理》课程中有清晰 的阐述,所以,本文会尽量少的提到机械原理,涉及到的机械原理相关知识请各 位自己去翻资料。但是,请各位一定要记住:机械原理是一切设备设计的理论基 础!切勿忽视!但凡由本人面试的工程师,如果机械原理知识不扎实,一概不予 录用。 声明:本系列篇章中讲述的都是一般工程应用知识,如有特殊应用场合,则 请参阅相关专著并结合实际应用场合进行分析、计算和设计。倾向于理论研究者 则完全不必在此耗费时间和心血。 以下介绍依据设备设计过程进行 二 设备结构划分 在工厂自动化的设备中,主要有三大类:物流类、制造类、检测类。物流类 第 3 页 FA 工业自动化设备设计基础 设备或者装置主要是为了解决产品原材料、半成品、成品在工厂内部各工序之间 的输送、包装等问题。比如:各种输送线、转送小车等。制造类设备主要是为了 实现产品原材料到成品或半成品之间各个工序的加工制造过程。比如:各类专用 机床等。检测类设备主要是为了控制产品质量而进行设计制造的离线或在线品质 监控装置。比如:各类尺寸、外观以及内部质量检测设备或装置等。 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、 控制系统、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,根据产品的外 形规格还需要对产品进行整列,这就是排列模块的工作。而从上料模块到排列模 块出来的产品都是一个挨一个的,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 我们把任何设备对产品进行的任何加工、装配、检测等工作都称为操 作。 卸料 卸料就是将本设备加工制造完成的产品按照要求从设备中取出放到 指定位置。 控制系统 控制系统包含硬件系统和软件系统。硬件系统指的是:由处理器 (PLC 、工业控制计算机、单片机等中央处理单元器件)、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控制设计。 这也是由现代工厂产品生产和自动化产品的发展所决定的。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)、 液压驱动系统、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 自己工厂进行加工的部件称为加工件。 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、液压配 件、机械配件、控制配件五大部分进行列举: 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。 液压配件 液压配件包含各种液压缸及其附件。液压缸、换向阀、节流阀、 浮动接头、过滤器、减压阀、压力表、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、减速机、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。 控制配件 控制配件包含控制系统各种硬件。PLC 、工业计算机、单片机、 板卡、继电器、接触器、滤波器、开关电源、传感器、各种管线 页 FA 工业自动化设备设计基础 另外,有一款元器件比较特殊,现也列举一下:气液增压缸。气液增压缸是 以气动系统控制液压系统来获得较大驱动力的办法,类似于以弱电系统控制强电 系统。其在工厂自动化设备中的应用也是比较广泛的,诸如:在一些冲压设备和 装配设备中都有应用。现在各网站论坛上也都有很多介绍,其应用选型非常简单。 诸位可以查找相关资料了解一下。 五 图纸 图纸是设计与加工、装配进行沟通的语言,其重要性不言而喻。图纸包括机 械图纸和电气图纸。机械图纸还包含装配图和零件图,电气图纸包括电气原理图 和接线图。 六 软件 目前,自动化设备领域常用的设计软件有:CAXA、Auto CAD 、Solidworks、 Pro/Engineer 、Unigraphics 、CATIA、Solid Edge、Protel 、VB 、VC 、Lab View 等。 机械设计领域内的软件使用原理大抵相似,所以,诸位只需选择其中一种熟悉其 操作即可。软件只是一门工具,其使用也是熟能生巧的事,只要在实际工作中使 用一段时间自然就熟练了,诸位大可不必去花大量精力去研究,以免舍本逐末。 以上内容是对于工厂自动化设备及其系统、模块、器件等进行了列举,目的 在于让诸位对设备及设备的内容有一个初步了解,明确自己需要掌握的相关知 识。只有具备了对这一系列知识的深刻理解和元器件的了解才有可能真正踏入工 业自动化设备设计的大门。 设备设计制造是一个综合→分析→综合的过程:整体布局设计→模块设计→ 部件设计→加工→装配。所以,以上介绍是自整体到部件的顺序。基于人的学习 过程是从局部到整体的顺序,后续的篇幅顺序则是:图纸→部件→整机。所以, 本文的阅读顺序是:如果从学习的角度,需要从头到尾按篇幅介绍顺序阅读;如 果从设计实践的角度,则应该从最后一章看起,以篇幅相反的顺序阅读。 需要提醒诸位的是:请重视基础原理。机械设计是非常庞大的系统知识的综 合运用,所以,请诸位努力掌握好材料学、理论力学、材料力学、机电传动系统、 液压气压传动、机械原理、机械设计、公差配合、机械制造工艺基础、人机工程 学等相关学科知识。人的精力是有限的,知识是无限的。所以,需要把有限的精 力放在钻研最重要的知识中去。所以,以下章节中所提到的大部分的元器件诸位 不必都去研究它的工作原理,明白其功能、使用方法、掌握正确选型即可。需要 了解工作原理的地方,文中自会阐释清楚。需要告诫诸位的是:在工程实践中任 何原理原则不是万能的,切不可生搬硬套,搞教条主义,必须要具体问题具体分 析,灵活运用基本原理解决实际问题始终是工程师的工作准则。 第 6 页 FA 工业自动化设备设计基础 本系列篇章力求尽量的使用国家标准给诸位介绍相关知识。但是,在工厂管 理和生产实践中会有一些不尽相符的地方,所以,在制图的章节中会使用到一些 企业标准,请诸位谅解。本系列篇章中所引用的相关学科基础理论和基础知识都 直接使用而不注明出处,敬请谅解! 注意:除特殊说明外,本系列篇幅中所使用的长度单位为:毫米(mm);质 量单位为:千克(kg);力单位为:牛(N);重力加速度为:10m/s²;其他单位为 国际单位制单位。 再次重申:本文所有的叙述都是从工程实践的角度出发,凯发国际,阐述基础的、普遍 的工程应用知识和经验,面向的对象是初级设计师。作为参考资料,本人的根本 想法是希望能够借助这些文字阐述出来一种工厂自动化设备设计的思路和思考 方法;让初级设计师能够通过这些描述的东西找到一些将书本知识应用到工程实 践中的办法,而不至于因为缺乏经验而茫然不知所措。因为,一个设计师的成长 和他的作品成熟最重要的是要靠正确的设计方法和思维方式,而不是靠书本上的 资料来决定。当然,书本带给我们的前人的经验积累也是非常重要,关键的问题 是要善于吸取这些经验,然后形成自己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,凯发国际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 于中国深圳 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、适合制造加工的工程 图纸思维过程,而非机械制图的基础教程。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 表示法等基础知识请查阅相关资料,本文概不赘述。本文中所使用的图框格式和 标题栏为工厂应用之一种,非国标格式。 工程图纸就是设计师、工程师、制造加工人员和装配人员进行沟通的语言, 它包括:装配图和零件图以及相关辅助的工艺说明或者设计要求文档。 装配图纸反应的是本装配图内的组件的性状、装配工艺要求和使用信息;零 件图纸反应的是你的零件的所有信息和部分设计信息,其中包括:零件材料、形 状、精度、表面质量、防腐蚀状况、硬度、制造工艺以及使用工况等。根据优秀 的图纸制作出来的零件才能保证设计需求和装配调试过程的顺利进行。所以,一 份标准合格的图纸对于设计师和设备来说都是至关重要的:对于设计师来说,它 是反应设计师水准和素质的一张名片;对于设备来说,它将关系到设备是否能顺 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,要求尺寸标注清晰、有条理,尺寸线不得直接交叉犹如蜘蛛网。 再次,要求技术要求表达清楚,不得使用模棱两可的语句和文字。 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、 版本、热处理、表面处理、材料等。 一份合格的、标准的、清晰的图纸应该能让加工制造人员在不咨询的情况下 能完全领会作图者的想法和设计者的思路。如果加工制作人员在加工过程中老是 需要向绘图员或者设计师咨询相关信息,那就表明这份图纸存在着非常严重的问 题。所以,对于工程图纸最基本的总体要求就是要能够非常清晰、明白无误地传 达出图纸中零部件的所有信息。 第 8 页 FA 工业自动化设备设计基础 第二节 制作工程图纸 一份标准的工程图纸应该能够清楚明晰的表达出下列内容:清晰的视图、完 整的尺寸、合理的公差、适当的材料、正确的工艺要求和完整的文档管理内容。 清晰的视图 1:用尽量少的视图表示出工件的所有特征,不要出现冗余视图。 2 :主视图包含最多的工件特征信息,凸显“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,方便加工人员理解图纸。 5:可以选择使用适当的文字说明配合工程技术人员理解图纸。 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。 完整的尺寸 1:不能漏标尺寸,漏标尺寸则加工人员无法按照图纸加工零件。 2 :不能多标尺寸,多标尺寸同样让加工人员无法加工出需要的零件。 3 :尺寸基准选择符合设计基准。 4 :关联尺寸标注正确。 5:尺寸链合理。 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 中的标注尺寸完整、尺寸基准正确、尺寸链合理、 关联特征尺寸合理。图 1.2-9 中的尺寸链不合理;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 中孔的关联尺寸不合理。所以,我们只有选择图 1.2-8 中的标注 方法才能得到我们想要的工件。 注意:所有的零件图的标注和工艺要求都离不开装配图!如上面的例子,如 果离开图 1.2-5,单独看以上的几张零件图,就无所谓对错了,因为按照其中任意 一张图纸都可以加工出来一件类似的工件。 在这里,我们重点解释一下图 1.2-11 中的错误问题,因为这个问题是较少在 教材中提到的。诸位通过比较可以发现图 1.2-11 中的标注与图 1.2-8 中的孔距标 注不一样,这里的孔距就是我们所谓的“关联尺寸”(或者“相关尺寸”)。在实 际工程应用中,我们把零件的同一组特征或者有参照关系的特征的尺寸称为“关 联尺寸”,它们之间必须有定位尺寸直接关联。诸位再看图 1.2-5 中,4 个Φ9 的 通孔是为了与图 1.2-6 中的零件进行螺纹连接用的,所以它们之间的距离必须直 接通过纵横两个尺寸进行标注。这实际上也是尺寸链的问题和检验的问题。我们 看加工这个工件的工序:首先,是下料,即将一块钢板外形加工到 90X60X20 ; 然后,铣槽 40X20 ;最后,加工四个Φ9 通孔。下面,我们看图 1.2-8 中外形尺 寸与孔的定位尺寸中的封闭环是: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。而在实际的工件加工完成后,质检部门检测的是图 纸标注的尺寸,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 图 1.2-11 加工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Φ9 与螺栓 M8 的外径偏差(其具体公差尺寸,请大家根据未注线性尺 寸公差及图纸标题栏中规定之公差等级进行核对),而使两工件不能顺利连接。 这也是我们的工艺不允许象图 1.2-11 中这样标注关联尺寸的根本原因所在。而以 上错误则是应届毕业生和初级设计师(助理设计师)由于缺乏工程实践而经常出 现的,请诸位务必谨记!!这也是我们一直强调的“着眼于装配图做零件图”的 原因,因为离开装配图去做零件图的话,就不存在关联尺寸这个概念了。 显然,工程图中的尺寸(包括公差)是由四个方面的因素决定的:零部件功 能因素、加工技术因素、检验检测因素、装配条件和技术因素。任何一个尺寸都 与这四个因素密切相关,切切不可大意! 在本环节中,提到的一个重要概念:尺寸链,请诸位务必理解透彻其本身意 义以及由它所引申出来的一系列概念的意义。因为尺寸链本身关系到在设备中各 相关零件的公差分配(即精度要求)、装配方法(互换性)以及加工工艺。尺寸 链包含:封闭环、增环、减环等内容。其基础理论请诸位查阅《机械制造工艺基 础》相关章节内容。在本章末尾部分,给出了两个解算尺寸链的范例,供诸位参 考阅读。 合理的公差 所谓合理的公差,即在需要公差的地方我们都要有公差约束以保证加工的准 确性;不需要公差的地方我们不得随意标注公差以降低加工难度、节约加工成本; 标注公差时要根据工程实际需要进行尺寸链计算来确定各工件间的公差合理分 配。很多人认为工件加工精度越高,设备的精度就越高,实际上不是这回事。设 备的整体精度除与工件精度有关以外,还与装配技术有关、与生产批量有关,希 第 14 页 FA 工业自动化设备设计基础 望诸位明白这一点。比如我们通常见到的普通车床、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 产和成熟的装配技术有很大关系。 在这里我们所说的公差,包含:尺寸公差、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,原因在于机械设计制 造中这类配合是最多的。另外,学校的教材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:基于加工工艺的原因(加工轴时,刀具在工件外表面进 行操作;加工孔时,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 XXXX 工件上的 XXX 尺寸配做,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结构和装配互换方式、加工工艺进行尺寸链解算和 公差分配。 顺便说一下,在加工制造过程中有一种现象值得引起注意:通常加工人员加 工出来的轴的尺寸较容易向公差范围内偏大的方向移动;孔的尺寸则相反,容易 向公差范围内偏小的方向移动。这是由于加工人员担心“过切削”的心理导致的 结果,也就是说,加工人员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加工一次,如果 大了零件也可能就报废了。所以,加工人员在这种心态支配下,通常就以最小极 限尺寸为目标加工孔,以最大极限尺寸为目标加工轴。当然,在数控机床上加工 出来的工件则不存在这个问题。 请诸位注意图 1.2-13 中右视图内的两个尺寸所构成的尺寸链。为什么我们选 择的是凸台的高度尺寸 20 进行标注,而不是底座的高度尺寸(15)进行标注? 提醒一下:这也是关联尺寸的问题。 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加工、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)作为基准的基准符号直接摆在轴线 :在 同一要素上给出的形状公差值大于位置公差值。切忌!切忌!! 在这里,再提一下一般公差的问题。所谓一般公差,指在车间通常加工条件 下能达到或保证的公差。在国标中,一般公差有三类:线性公差、倒圆半径和倒 圆高度公差和角度尺寸公差。他们分别有四个、两个、四个等级,国家标准中规 定了具体的尺寸极限偏差值和标注方法,请诸位查询 GB/T 1804-2000 。 适当的材料 所谓适当的材料,就是根据工件的实际设计使用状况和材料的工艺性能选择 合适的材料进行工件加工。常用的工程材料性能和规格请诸位自己翻阅相关资 料。需要特别指出的是:请诸位要善于运用型材,适当的使用型材可以降低制造 成本。另外,一定要对常用材料的各种性能了如指掌,注意,我们说的各种性能 是包括以下面:强度、韧性、刚度、可加工性、热处理性、导电性、导热性、焊 接性等。比如:曾经有人使用 POM 塑料设计了一个零件,其中有一个方形孔, 当人家问到怎么加工这个方形孔的时候,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) 轴用材料:45 、40Cr 、SUS304 (06Cr19Ni10 ) 夹具模具常用材料:D2 (Cr12Mo1v1 )、T10、Cr12、H13 、60Si2Mn 耐热材料:环氧树脂、氧化铝 防腐蚀环境用不锈钢:SUS316(18Cr12Ni2.5Mo) 可淬火不锈钢:440C 常用工程塑料:ABS 、PMMA(有机玻璃) 、POM (赛钢)、PP 、PU (聚氨酯)、 电木 正确的工艺要求 当工件具有特殊工艺要求时,请诸位在图纸中明确提出并选择正确的相关工 第 17 页 FA 工业自动化设备设计基础 艺。我们常说的工艺要求通常包含以下内容:工件的表面处理、热处理以及各种 特殊的加工工艺,譬如:线切割、电火花、化学腐蚀等。 完整的文档管理内容及工件信息 文档管理内容及工件信息是指为了方便企业对于设计文件进行管理而对图 纸的标题栏等图纸中的文字类容进行的企业标准设计项目和零部件的制作信息。 诸位在做图纸的时候请将这些项目都整理清楚、填写完整以方便企业管理、项目 追踪和零件制作。 通常,一份清晰完整的图纸标题栏和文字说明应包含以下内容: 项目名称:本图纸隶属于哪个项目下; 项目代号:由公司或者项目组制定的本图纸所隶属于的项目代码; 零件名称:本图纸所表示的零部件的名称,通常,这个名称会指示出本零件 的大致功用; 零件代号:根据企业标准确定出来的本图纸中的零部件代号,通常,这个代 号在本企业中是属于唯一的,它为了方便图纸制作完成以后的所有工作中的相关 人员的联系和项目管理; 材料:明确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、审核人员的签字及日期; 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 多数尺寸与实际比例并不一致。所以,应该让零件制作人员知道不可根据图纸上 的距离自己测量工件尺寸,如有遗漏尺寸则应咨询设计、制图人员; 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,诸位有必要在自己的图纸中清晰地指出本图纸的投影方法。 目前,国际上流行的工程图纸投影方法主要有两种:第一视图投影法和第三视图 投影法。 现在,我们总结一下制作工程图的过程: 首先,布置视图。 然后,标注尺寸。 然后,标注公差。 然后,根据工件工况条件和材料性能选择合适的材料。 然后,确定工件的工艺要求,填写相关参数。 然后,撰写技术要求。 然后,填写标题栏 最后审核图纸。 第 18 页 FA 工业自动化设备设计基础 附 1:图纸中常用英文单词 由于近年来随着开放的深入,国内外的交流越来越多,特别是在自动化领域, 更不乏出口或者为外资企业设计制造设备的企业,那么从事自动化设备设计行业 工作的人员不可避免的需要同英文图纸打交道。所以,为方便大家阅读英文图纸, 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 Tolerance 公差 Milling 铣削 Roughness 粗糙度 Grinding 磨削 Flatness 平面度 Lapping 研磨 Straightness 直线度 Boring 镗削 Roundness 圆度 Drilling 钻孔 Cylindricity 圆柱度 Tapping 攻牙 Profile of line 线轮廓度 Welding 焊接 Profile of surface 面轮廓度 Adhesive bonding 粘结 Perpendicularity 垂直度 Polishing 抛光 Angularity 斜度 Wire EDM 线切割 Parallelism 平行度 Electric sparkle 电火花加工 Position 位置度 Spindle 主轴 Concentricity 同轴度 Micrometer 千分尺 Circular runout 圆跳动 Caliper 卡尺 Total runout 全跳动 Lower allowance 下偏差 Clearance fit 间隙配合 Upper allowance 上偏差 Transition fit 过渡配合 Interference fit 过盈配合 Anodizing 阳极氧化 Clear oxide 发白 Painting 喷漆 Black oxide 发黑 Sandblasting 喷砂 Chrome plating 镀铬 Knurling 滚花 Zinc plating 镀锌 Chamfer 倒角 Nickel plating 镀镍 Deburr 去毛刺 Hardening 淬火 Normalizing 正火 Quench 水淬火 Ageing 老化处理 Tempering 回火 Age hardening 失效硬化 Annealing 退火 Carburizing 渗碳 Heat treatment 热处理 Spline 花键 Surface finish 表面处理 Technique requirement 技术要 Level bubble 水平仪 求 Gradienter 水平仪 Curvature 曲率 Torque 扭矩 Inertia 惯量 第 19 页 FA 工业自动化设备设计基础 附 2 :尺寸链的解算方法 尺寸链的计算就是指计算封闭环和组成环的基本尺寸及其极限偏差。在设计 计算中通常是:已知封闭环的基本尺寸和极限偏差和各组成环的基本尺寸,求各 组成环的极限偏差和公差。其目的是根据设计总体要求来确定各组成环的上、下 偏差,也就是解决公差的分配问题。正确地运用尺寸链知识,能够合理地确定零 部件相关尺寸的公差和极限偏差,以最经济的方法达到一定的技术要求和装配精 度。尺寸链的计算根据装配方法和生产批量的不同也具有相应的几种不同方法: 完全互换法、大数互换法、分组互换法、修配补偿法等。本节类容介绍完全互换 法和大数互换法供诸位参考,通常这两类是应用最多的,它们分别适应小批量和

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