《机械系统设计》第三章-机械系统的物料流设计课件

第三章机械系统的物料流设计基本内容：1.物料流系统的概念、特性和组成；2.生产线物流系统；3.存储子系统设计；4.输送及搬运系统设计；5.工件装夹和定位的含义及设计原则；6.制造系统的物流系统设计。重点和难点：1.存储子系统设计；2.输送及搬运系统设计；3.制造系统物流设计。1.物料流的基本概念及其重要性物料流：机械系统工作过程中一切物料，如毛坯、半成品、成品、废料、颗粒、液体等的运动变化过程。主流程：（主物料流程）作业对象的转化流程。辅助物料流程最主要的物料－机械的作业对象其他的物料－为主要的物料服务的。机械系统中是否需要？？？一、物料流系统物料流系统决定了机械系统的总体布置物料流系统决定了能量流系统的主要参数物料流系统是信息流系统的主要控制对象机械系统设计实际上就是从主流程展开的2.物料流系统的组成组成加工：机械系统用以完成转变或改变加工对象的形态、结构、性质、外观等的动作或运动。输送：又称物料输送，指在各工作位置之间移动物料，以改变其空间位置的功能。储存：又称停滞，指在一段时间内，使工件处于无任何形状和空间位置改变的形态。检验：指物料的质量控制。物流过程的四种基本形态一般是交错和重复出现的，有时其中两个或多个过程是一体的。构成存储子系统（含物料供应、中间储存、成品储存）输送子系统定位与装夹装置执行子系统存储系统输送系统定位装夹输送系统定位装夹存储系统…物料检验物料检验加工加工例：硬币计数包卷机的物料流3.生产线物流系统物流：物资场所（位置）的转移及其时间的占用。生产制造系统的高效率和物流系统的低效率。降低物流成本FMS柔性制造系统：是一种典型的成组布局的生产线。(FlexibleManufacturingSystem)其思想是机床或设备按照成组工艺分组，每一组设备用来生产一个零件族的零件，不同的零件可以按照不同的工艺路径，有不同的物料流。柔性制造系统是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。柔性制造系统的加工组成和结构二、存储子系统作用为了保持机械系统能按预定的节拍工作，将物料按一定的余量存储起来，并按生产节拍释放出去。小型件料料仓式储料装置：需要人工将坯件按一定方向摆放到仓内。（储存已定向的工件）料斗式储料装置：只需将坯件倒入料斗，由料斗自动完成定向。（容纳成堆散乱的工件）中型或中型以上的件料需要由装卸料机械手完成供料过程设计从结构和功能两方面考虑

理想的存储系统应符合以下要求效率高、供料速度快、工作可靠、噪声小、不损伤物料、结构紧凑、通用性好、使用寿命长、易维护修理和制造成本低廉。1.料仓结构设计（1）件料料仓（储存已定向的工件）坯件自重式和外力作用式优点：结构简单，应用广泛。（2）散装料料仓仓斗部分：料仓出口，对料仓的功能影响很大。物料在这里改变流向，流出能力在很大程度上取决于仓斗的结构和形状。类型名称简图备注坯件自重式螺旋式可以在不加大外形尺寸的条件下多容纳坯件料斗式设计难度较小，但坯件容易形成拱形而阻塞出料口，应设有拱形消除机构类型名称简图备注外力作用式重锤压送式适合于容易粘附料仓壁的小零件水平压送式适用于自重较大的零件散装料料仓设计计算：仓斗壁倾角、出口尺寸、排料能力槽形、缝式和圆锥形料仓矩形和方形锥体料仓——仓斗垂直高度，mm；——仓斗边长，mm。仓斗壁倾角排料能力——物料堆积密度，t/m3——出料口面积，m2——物料流速，m/s出口尺寸——出料口直径，mm；——物料典型块尺寸，mm。出料口可以是底开式、侧开式和侧斜式。2.料斗设计料斗的主要类型有机械式料斗和电磁振动料斗。

料斗式上料装置：主要由料斗、输料槽和上料机构等组成。料仓式上料装置：主要由料仓、输料槽和上料机构等组成。（1）机械式料斗料斗式上料装置：工件任意堆放在料斗内，由定向机构按一定方向顺序送入输料槽中，然后由上料机构送到机床上的加工位置。有的料斗上还装有剔除器，用以防止定向不正确的工件混入输料槽中。适用于形式简单、重量不大而批量很大、工序时间较短的工件，如紧固件、轴承环、钟表零件等。料仓式上料装置：有的料仓还设有搅动器以免工件卡住。工件由人工定向排列装入料仓，然后经输料槽由上料机构送到机床上的加工位置。适用于形状较复杂、尺寸和重量较大而难于自动定向排列的工件，或不允许损伤表面和工序时间较长的工件，如轴、齿轮、连杆、壳体等。机械式料斗的结构设计（见表3-3）料斗的平均供料率与生产率的关系机构名称简图适用范围/mm技术特性最大生产率Q/(件.min)定向机构最高速度v/m.s-1上料系数K板料定向机构d＝4～12，l＜120的带肩小轴；d＜15，l＜50的光轴；h＝3～15，d＜40的圆盘及垫圈；M20以下的螺母40～800.3～0.50.3～0.6往复管式定向机构d＜15，l＝（1.1～1.25）d的短轴；d＞20的球类80～1000.3～0.40.5～0.6往复半管式定向机构0.8＜l/d＜1.4的短柱；l/d＞5，d＜3的小杆60～1000.2～0.50.4～0.6定向机构使料斗中散乱状态的工件定向排列。定向方法根据工件形状特点和尺寸大小选择，常用的有抓取、选取和剔除3种方法。①抓取法:利用运动的定向机构抓取工件的某一部位，或者使工件落入定向机构的沟槽或缝隙中定向排列。②选取法：利用定向机构上的型孔分选工件，当工件方位与型孔一致而落入型孔时就得到定向。③剔除法：定向机构根据工件形状、尺寸和重心偏移等特点剔除定向不正确的工件，或使之调头或转向达到正确定向。振动料斗通常采用这种定向机构。圆锥形工件定向机构摆动式料斗供料器离心式圆柱形工件供料器摇杆式供料器能自动调节生产率的给料机钢球分选装置应用于一些相关机械系统中应用范围利用电磁振动使物料排列和定向工作原理优点结构简单、工作速度快、物料损伤小、适用范围宽例：用于散装料的电磁振动料斗利用电磁振动使仓壁产生局部高频微振动，破坏物料之间和物料与仓壁之间的摩擦力的平衡，从而保证物料连续地由料仓排出。（2）电磁振动料斗3.输料槽设计（1）结构设计滚动式（适合于长径比小于3的回转类物料）滑动式（适合于长径比大于3的回转件或非回转件）全封闭式、半封闭式、可调整式开式轨道，适用于平面零件；另有V形开式轨道，适用于球、圆柱、套等零件覆盖式轨道，适用于薄平面及须防止边缘重叠的零件。半覆盖式轨道，适用于薄平面及须防止边缘重叠的零件，便于处理故障两侧覆盖式轨道，适用于大头零件带拨杆式轨道。防止零件重叠局部接触轨道。摸杂面小，对轨道上异物有一定容纳能力，稳定性较差圆环轨道，适用于球、柱、套等零件开口圆环轨道，适用于球、柱、套等零件，便于处理故障形轨道，适用于悬置的大头零件（2）物料的非料斗定向非料斗定向：有些复杂的物料不易在料斗内定向，或在料斗内不能完全定向，需在料斗外的输料槽中再次定向，也称二次定向。4.送料与隔料机构设计送料功能：指连续供给工件的功能。隔料功能：对连续供给的工件，根据工作机的生产周期要求进行分离的功能。放置式送料、隔料机构优点：上料平衡、适应于工作节拍较短、连续作业的场合。缺点：构造复杂。复合运动式送料、隔料机构优点：可以在上升送料过程中将坯件旋转一定角度。缺点：构造复杂、工作速度低，设计中较少采用。直线往复式送料、隔料机构摆动往复式送料、隔料机构优点：结构简单，工作可靠。缺点：不适合工作节拍较短的机械系统(a)无搅动器，会形成拱形堵塞；

(b)、(c)搅动器装在下料孔附近，以破坏小的拱形，适用于搅动表面较光滑的件料；

(d)、(e)、(f)用于搅动表面较粗糙的件料，以破坏下料孔上部的拱形。斗式料仓及其搅动器示意图三、输送及搬运系统按输送路线不同直线输送、环形输送、空间输送按输送方式不同连续输送、间歇输送1.带输送系统组成输送带、传动装置（动力设备、减速器、传动链和驱动滚筒）、托辊、张紧装置原理利用带与物料之间的摩擦力实现输送功能连续输送常用于矿砂、煤炭、粮食及某些物件的输送间歇输送常用于在自动生产线上，使工件在工位上停顿一段时间，以便进行工艺操作。带式输送机的工作图可移动式带式输送机气垫式输送机普通托辊2.链输送系统组成链条、链轮、动力设备、减速器、联轴器等。长距离输送时，应附加张紧装置和链条支承导轨。原理物料大多通过链条上的附件带动前进，附件可用链条上的零件扩展而成。输送链与传动链的区别输送链相对较长、重量大，影响输送系统性能。将输送链的节距设计成普通传动链节距的二倍或三倍以上，通过减少铰链个数，间接减轻链条重量，提高输送性能。提高输送系统性能的措施片式套筒滚柱链、弯片链、叉形链、可拆链、履带链、齿形链等齿形链弯片链叉形链履带链可拆链3.摩擦轮输送系统压轮（被动轮）、滚轮（主动轮）利用摩擦力进行工作一般用于较薄的片状物料的输送组成工作原理适用范围针式打印机结论：利用各种机构运动形式各异的输送系统，如平行四杆机构可实现直线输送。带式输送机斗式提升机板式输送机刮板输送机埋刮板输送机悬挂输送机架空索道自动扶梯螺旋输送机振动输送机辊柱输送机有挠性牵引构件的输送机械无挠性牵引构件的输送机械气力输送机液力输送机机械式流体式连续输送机械斗式提升机：以带条（或链条）作为牵引构件，以装载料斗作为承载构件，用于垂直方向或接近垂直、大倾角方向连续输送散货的输送机械。1-牵引构件；2-料斗；3-驱动装置；4-张紧装置；5-上部罩壳；6-驱动装置；7-下部罩壳；8-导轨；9-中部罩壳；10-导向装置；11-停止器；12-供料口；13-卸料口刮板输送机在牵引构件（链条）3上固定着刮板4，并一起沿着固定在机座2上的敞开槽1运动。牵引链条环绕着端部驱动链轮5和张紧链轮6，并由驱动链轮5来驱动，由张紧链轮6进行张紧。被输送的物料可以在输送机长度上的任意一点装入敞开槽内，并由刮板推动前移。输送机的卸载同样可以在槽底任意一点所打开的洞孔来进行，这些洞孔是用闸门关闭的。链式刮板输送机埋刮板输送机：是由刮板输送机发展而来的。其工作原理是利用散粒物料具有内摩擦力以及在封闭壳体内对竖直壁产生侧压力的特性，来实现物料的连续输送。辊子输送机：在两侧框架间排列若干辊子的连续输送机。它主要是用来输送具有一定规则形状、底部平直的成件物品。如箱类、托盘等。平带驱动、链条驱动、电动机驱动螺旋输送机：一种不具有挠性牵引构件的连续输送机械。它是由带有螺旋片的转动轴在一封闭的料槽内旋转，使装入料槽的物料由于本身重力及对料槽的摩擦力的作用，而不和螺旋一起旋转，只沿料槽向前移动，达到输送物料的目的。水平螺旋输送机垂直螺旋输送机在垂直的螺旋输送机中，物料是靠离心力和对槽壁所产生的摩擦力而向上运移的。斗轮堆取料机：一种既能堆料又能取料的新型、高效的连续装卸机械。它主要由斗轮机构、俯仰机构、回转机构、行走机构、悬臂带式输送机、尾部带式输送机（主带式输送机）等部分组成。链板输送机链板输送机板链输送悬挂链输送地面链式输送机循环板链输送线龙骨链输送机4.液体输送系统及气力输送系统简介（1）液体输送系统各种金属或非金属管材、各种管件与管法兰、各种阀门以及各类泵。组成（2）气力输送系统各种供料装置、输送管系统、物料分离器等。组成系统输送能力计算输送比计算物料的悬浮速度计算输送气流速度选取压力损失计算风量及气源的功率计算计算内容密相动压气力输送：气流速度适中，通常8～15m/s输送比：与所采用的气送装置有关。若是高压压送和高真空吸送，可达15~30；对易充气材料所采用的流态化输送装置可达200以上。稀相气力输送：气流速度较高，通常12～40m/s输送比：料重:气重＝1～5柱流气力输送:运动速度较低，一般为0.2～2m/s，仅用于30m以内的短距离输送。栓流气力输送:中等距离输送的较好方法。输送压力通常为0.15～0.3MPa。筒式气力输送：利用空气静压实现输送。密相静压气力输送气力输送机可分为吸送式、压送式和混合式移动式气力输送机吸粮机（1）利用管道输送不受管路周围条件和气候变化的影响；（2）输送生产率高，有利于实现散货装卸自动化，降低生产成本；（3）能够避免物料受潮、污损或混入其他杂物，保证输送物料的质量；（4）输送管道能灵活布置，适应各种装卸工艺；（5）结构较简单，机械故障较少，维修方便。（1）动力消耗大；如生产率为200t/h的吸粮机，其鼓风机的电动机功率为240kW。（2）被输送物料有一定限制，不宜输送潮湿、粘性的和易碎的物料；（3）在输送颗粒大、坚硬物料时，管道等部件容易磨损；（4）风机噪声大，必须采取消声措施。优点缺点所谓垃圾气力输送系统，是利用环保型抽风机制造气流，通过埋设在地下的真空管道网络，将各个垃圾投放口投入的垃圾输送至垃圾收集站，实施气、固分离，再经过压缩、过滤、净化、除臭等一系列处理，最后被悄悄地送出园区，运至垃圾处理厂。这是一种高效、卫生的垃圾收集方式，是国内首次应用于大型场馆和市政道路垃圾收运的自动化系统。道路两旁有不少智能化垃圾投放口。它们一身绿装，两个一组，分别向两侧弯曲，仿佛一棵棵嫩芽。每个垃圾投入口都将有红、绿两个按钮，如果投入的是可回收垃圾就按绿色按钮，如果投入的是不可回收垃圾，就按红色按钮。这些投放口有自动控制设备，当储存的垃圾达到一定量后，将进入与投放口连通的地下管道网络。此时，距离投放口近千米外的抽风机开始“大口大口”地抽气，用强大的吸力将垃圾吸往“垃圾收集站”，其平均运送速度可达60米/秒。其中，最远的一个投放口距收集站有1700多米的距离，打破了垃圾气力输送的“世界纪录”。工程队在投放口建了补气阀和螺旋输送器，它们能补充气体，为进入管道的垃圾“送上一程”。垃圾气力输送系统在国外已有了应用。在挪威、日本、新加坡等国，它的普及率已高达百分之四十左右。在芬兰的港口城市，甚至全部采用气力输送。物料搬运机械（1）起重机械桥式起重机、门式起重机、轮胎式起重机、门座起重机（2）连续输送机械（3）装卸搬运机械叉车、单斗车、跨运车、牵引车和搬运车等（4）集装箱装卸专用机械岸边集装箱起重机、集装箱龙门起重机、集装箱叉式装卸车和跨运车、集装箱正面吊运机、集装箱牵引车和挂车等桥式起重机门座起重机轮胎起重机轮胎龙门起重机轮胎式集装箱龙门起重机轮胎式集装箱门式起重机搬运车叉车单斗车电动牵引车挂车（带活动梯）挂车牵引车跨运车集装箱转运跨运车四、物料的装夹与定位装置设计1.工件的定位定位与装夹：在机械系统的工作过程中，物料应占有正确的位置，并在一定的力作用下保持这一正确位置相对不变。（1）六点定位规则六个支承点的分布必须适当，否则就限制不了工件的自由度。用支承点取限制工件在空间的自由度时，支承点必须与工件的定位基准始终保持紧贴接触，不得脱离，否则支承点就失去了限制工件的自由度的作用。在分析支承点的定位作用时，不应考虑力的影响。定位与装夹的区别？（2）限制工件自由度与加工要求的关系完全定位：工件的六个自由度全部被限制的定位。不完全定位：工件被限制的自由度少于六个，但能满足加工要求的定位。影响加工要求的自由度必须限制；不影响加工要求的自由度可不必限制；欠定位：按照加工要求必须限制的自由度没有被限制的定位。重复定位：也称过定位，同一或几个自由度被夹具上的定位元件重复限制的定位。重复定位造成的后果：使定位不稳定，破坏预定的正确位置；使工件或定位元件产生变形，从而降低加工精度；使工件无法安装，以致不能进行加工。工件以P、M两面和孔D定位。两块支承板3限制，短圆柱销2限制，小台阶端面1限制。此处自由度被重复限制，属于重复定位。（3）工件的定位方法与元件平面定位平面定位元件：固定支承、可调支承、自位支承外圆柱面定位外圆柱面定位元件：V形块、定位套、半圆套、圆锥套圆孔定位圆孔定位元件：圆柱销、圆柱心轴、圆锥销、圆锥心轴2.工件的夹紧夹紧装置：产生夹紧力的机构。（1）夹紧装置的组成力源装置夹具的动力装置：来源于机械或电力的力源装置。常见的有气压装置、液压装置、电动装置等。手动夹紧装置：来源于人力的力源装置。夹紧机构夹紧机构：在工件夹紧过程中，将力源装置产生的夹紧力作用在工件上的机构。中间传力机构：它将力源装置产生的夹紧力传递给夹紧元件，以便对工件实施夹紧。根据需要，它可以改变夹紧作用力的大小和方向，并具有一定的自锁性能。夹紧元件：它是夹紧装置的最终执行元件，与工件直接接触而完成夹紧作用。（2）对夹紧装置的基本要求夹紧过程可靠夹紧力大小适当结构性好使用性好手动夹紧机构机动夹紧机构力源装置夹紧机构中间传力机构夹紧元件工件夹紧装置的组成框图阿奇舒勒传奇姓名：根里奇·阿奇舒勒（GenrichS.Altshuler）出生地：苏联的塔什罕干出生时间：1926年10月15日主要经历：14岁时获得首个专利证书，专利作品是水下呼吸器。15岁时，制作了一条船，船上装有使用碳化物作燃料的喷气发动机。1946年开始，经过研究成千上万的专利，发现了发明背后存在的模式并形成TRIZ理论的基础。

为了验证这些理论，相继做出了多项发明。，由此被安排到海军专利局工作。1948年12月，担忧因二次世界大战胜利使得苏联缺乏创新气氛，给斯大林写了一封信。主要经历：1950年被捕入狱，罪名为利用发明技术进行阴谋破坏。五、制造系统的物料系统设计工件在制造系统中的流动输送存储工件的流动方式决定制造系统连线布局L－上料；UN－卸料；M－机床；S－加工工位；B－缓冲工位；Mis－清洗机；C－检验机工件的传送和储存1.存储系统中间储存系统中央仓库缓存站N—中央仓库存储数量；T—无人化生产时间，若每天8h由工人备料，则T＝16h；若考虑星期日无人化生产，则T＝40h；n—系统中机床台数；t—托具上所装工件的平均加工时间，h/托具；a—待用托具数；b—存储所用托具数。中央仓库中央仓库立体库平面库存放架（货架）搬运设备（堆垛式起重机或放物架）输入输出站直线形环形缓存站缓冲供需之间的矛盾如果柔性制造系统规模较小，而又不要求无人化运行，其缓冲存储已能满足系统运行要求，则可以不设计中央仓库。加工设备工件输送装置托板交换装置作用：连接两者；暂时储存工件，防止系统阻塞。缓存站托板交换装置装卸站回转式托盘交换装置往复式托盘交换装置装卸站毛坯库和成品库毛坯输入和成品输出的装置人工完成起重设备移载装置自动线的前端或后端2.输送系统步伐式输送装置弹簧棘爪式、摆杆式抬起带走式、托盘式悬挂输送装置吊具、驱动装置、转向装置、牵引构件、架空轨道、张紧装置组成链轮、链条、滑架滚轮滑架：提式滑架和推式滑架搬运小车按导向方式分：有轨式、自导式按驱动方式分：自驱式、它驱式它驱式：在地沟内或在架空轨道上装设牵引链，用车前的传动销带动，要小车停下来，只需将传动销从牵引链中拔出即可自驱式：一般为电动小车，电源可由三相动力滑线输入或自备蓄电瓶。典型搬运设备有轨小车自动导向车固定路线型、半固定路线型、无固定路线型电磁式、光电式电磁式自动导向搬运车电磁式自动导向搬运车光电式自动导向搬运车正在研制的无固定路线自动小车有回转式、自动巡航式、坐标式、超声式、激光式等等前景展望堆垛起重机按行走方式分：地面驱动式、上部驱动式、上下同时传动方式、转车台式按活动叉支持方式分：敞开式、门式堆垛起重机桥式堆垛起重机巷道堆垛起重机桥式堆垛起重机：在桥式起重机小车上增加带有可回转3600的立柱机构。起升高度一般不超过12m，，适用于笨重和长大件物料的堆垛和搬运，可以服务于其跨度间的所有巷道。巷道堆垛起重机：是自动化立体仓库中最重要的设备。整机结构高而窄，方便地在狭窄的货架巷道内通行，完成对高层货架的货物存取。组成：运行机构、起升机构、货架伸缩机构、机架、载货台、电器设备及安全装置等。1.绞车2.顶部导轨3.吊链4.立柱5.控制盘6.支持架7.托物叉8.行走装置9.地面导轨地面移动式堆垛起重机地面驱动式：绞车通过吊链带动支持架垂直移动，托物叉可两侧滑动将托板移进或移出，而整机可在导轨上行走。适用于中、小型立体中央仓库、起重量范围大、各种高度的立体仓库转台式：它的立柱能在两个垂直方向移动。适用于多巷道立体中央仓库适用于大型立体中央仓库上下驱动方式：在空中和地面架设的单轨上同时驱动。适用于大型立体中央仓库、起重量小、高度较小的仓库悬挂式：在空中架设的单轨上驱动行走，下方滚轮支承在地面轨道上。支承式：在空中架设的两根天轨上驱动行走，下方滚轮支承在地面轨道上。上部驱动式转轨式堆垛起重机巷道式堆垛起重机桥式堆垛起重机双立柱堆垛起重机单立柱堆垛起重机支承式运行机构的巷道堆垛机支承式运行机构的巷道堆垛机机械手与工业机器人机械手：附属于主机、具有固定工作程序而无独立控制系统的机械装置。特点：动作自由度少、工作对象单一、结构简单、实用可靠、造价低，适用于大批量生产。工业机器人：是一种独立的具有控制系统、程序可变、动作灵活多样的通用的自动化装置，可在生产中替代工人进行生产操作。特点：工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于中、小批量、多品种生产的自动化生产线。组成：操作系统（手部、腕部、臂部、立柱或机身）、驱动系统、控制系统、检测系统。机械手机器人的主运动：手臂的动作机器人的次要运动：手腕的动作机器人的动作自由度数：手臂和手腕所具有的运动数