机械设计与制造自动化作业指导书

机械设计与制造自动化作业指导书TOC\o"1-2"\h\u10504第1章绪论 321041.1机械设计与制造自动化概述 3280921.2作业指导书的目的与意义 46372第2章机械设计基础 455072.1机械设计原理 4127502.1.1设计概述 4166802.1.2设计原则 4221042.1.3设计内容 5156782.2设计方法与流程 511792.2.1设计方法 5112662.2.2设计流程 5103072.3设计规范与标准 5233752.3.1设计规范 533772.3.2设计标准 53881第3章制造工艺与自动化 662333.1制造工艺概述 634993.2自动化制造技术 61263.3柔性制造系统 624414第4章材料选择与力学功能 7198804.1常用工程材料 739004.1.1金属材料 7239584.1.2非金属材料 7204714.2材料力学功能 7236734.2.1弹性功能 8225804.2.2塑性功能 8237314.2.3疲劳功能 855914.2.4冲击功能 8198314.2.5蠕变功能 863044.3材料选择原则与应用 8203454.3.1满足使用功能要求 8221734.3.2经济性原则 882114.3.3可加工性原则 8167044.3.4可靠性原则 822143第5章机械传动设计 861725.1传动系统概述 9194945.1.1传动系统的功能与分类 937345.1.2传动系统的设计原则 941085.2常用传动机构设计 9174205.2.1齿轮传动设计 917525.2.2带传动设计 9190055.2.3链传动设计 992465.2.4蜗杆传动设计 951185.3传动装置的强度计算与校核 10201625.3.1强度计算 10139485.3.2校核 1020913第6章轴承与轴的设计 10311266.1轴承的类型与选择 108476.1.1轴承分类 10225556.1.2轴承选择 10248936.2轴的设计与计算 11222606.2.1轴的设计 1129206.2.2轴的计算 1147256.3轴承与轴的配合设计 1183216.3.1轴承与轴的配合类型 1170276.3.2轴承与轴的配合尺寸计算 11203046.3.3轴承与轴的配合质量检测 1118895第7章联接件设计 12193277.1螺纹联接设计 1262947.1.1螺纹联接概述 1225087.1.2螺纹联接设计要求 12327447.1.3螺纹联接设计步骤 1217367.2键联接与花键联接设计 1290237.2.1键联接概述 12134487.2.2键联接设计要求 1278897.2.3花键联接设计要求 12202177.2.4键联接与花键联接设计步骤 13217947.3其他常用联接件设计 1350467.3.1弹簧联接件设计 13261117.3.2销联接件设计 133907.3.3焊接联接件设计 136347.3.4胶接联接件设计 139464第8章机床设计与自动化 13116798.1机床概述 13252708.1.1机床的基本概念 14143308.1.2机床的分类 14300808.1.3机床在制造业中的应用 14297378.2机床主要部件设计 14176478.2.1床身设计 14217678.2.2传动系统设计 1490778.2.3刀具设计 15271928.3数控机床与自动化 15136208.3.1数控机床的组成 1556688.3.2数控机床的工作原理 1537378.3.3自动化技术在数控机床中的应用 1528825第9章液压与气压系统设计 16207169.1液压与气压系统概述 1691349.1.1液压系统基本原理 16317869.1.2气压系统基本原理 16155229.2液压与气压元件选型 16104699.2.1液压泵与气压泵选型 16309219.2.2液压缸与气压缸选型 16128069.2.3液压阀与气压阀选型 1658299.2.4液压与气压辅件选型 16219129.3液压与气压系统设计与计算 16139789.3.1液压系统设计与计算 16197309.3.2气压系统设计与计算 16264699.3.3液压与气压系统仿真分析 1783679.3.4液压与气压系统安全性与可靠性分析 17142639.3.5液压与气压系统节能设计 1722235第10章机械控制系统设计 17151110.1控制系统概述 172656410.1.1控制系统的基本概念 173068310.1.2控制系统的组成 172419010.2电气控制系统设计 173226910.2.1电气控制系统的基本元件 17727610.2.2电气控制电路设计原则 17918310.2.3电气控制电路设计步骤 18634210.3PLC控制系统设计 181625510.3.1PLC概述 18139610.3.2PLC程序设计方法 182608510.3.3PLC控制系统设计步骤 181934910.4传感器与执行器选型与应用 182756310.4.1传感器概述 18957810.4.2常用传感器及其选型 181685510.4.3执行器概述 18218110.4.4常用执行器及其选型 19第1章绪论1.1机械设计与制造自动化概述机械设计与制造自动化作为现代制造业的核心技术之一，涉及到机械工程、电子技术、计算机科学、自动化技术等多个领域的知识。它通过对机械设计及制造过程的自动化改造，提高生产效率，降低生产成本，缩短产品研发周期，从而为企业带来显著的经济效益。机械设计与制造自动化技术在我国工业发展进程中具有举足轻重的地位，对于提升我国制造业竞争力具有重要意义。1.2作业指导书的目的与意义本作业指导书旨在为机械设计与制造自动化的学习与实践提供系统性的指导，使读者能够全面了解和掌握该领域的基本知识和技能。其主要目的与意义如下：（1）明确学习目标：通过阐述机械设计与制造自动化的基本概念、技术体系及其在实际工程中的应用，使读者明确学习目标，提高学习效率。（2）指导实践操作：详细介绍机械设计与制造自动化相关软件和设备的使用方法，引导读者进行实际操作，提高实践能力。（3）培养创新能力：通过案例分析、拓展训练等环节，激发读者的创新意识，培养解决实际工程问题的能力。（4）提高综合素质：结合企业实际需求，使读者掌握机械设计与制造自动化的基础知识，提升就业竞争力。（5）促进学术交流：为从事机械设计与制造自动化相关领域研究的学者和工程技术人员提供一个交流平台，推动技术发展。通过本作业指导书的学习，读者将能够对机械设计与制造自动化有一个全面、系统的认识，为今后的学术研究和工程实践打下坚实基础。第2章机械设计基础2.1机械设计原理2.1.1设计概述机械设计是指根据使用要求，对机械系统、装置或零部件进行创新和优化的过程。其目标是在满足功能要求的前提下，实现结构合理、功能可靠、经济适用和便于制造与维修。2.1.2设计原则在设计过程中，应遵循以下原则：（1）保证使用功能；（2）结构简单，便于制造与维修；（3）提高材料利用率，降低成本；（4）充分考虑安全性、可靠性和环保性；（5）注重产品的人机工程和美观性。2.1.3设计内容机械设计主要包括以下内容：（1）总体设计：确定产品类型、功能参数和结构形式；（2）部件设计：设计各部件结构，满足使用功能；（3）零件设计：根据零件的功能和受力情况，选择合适的材料、形状和尺寸；（4）装配设计：保证各部件之间装配关系正确，便于组装和维修；（5）工程图纸：绘制工程图纸，明确表达设计意图。2.2设计方法与流程2.2.1设计方法（1）经验设计法：依据设计师的经验和现有产品进行设计；（2）计算设计法：通过理论计算，确定产品的主要参数；（3）优化设计法：运用数学方法和计算机技术，对设计方案进行优化；（4）模拟设计法：利用计算机模拟技术，分析产品功能和结构。2.2.2设计流程（1）需求分析：了解用户需求，明确设计任务；（2）方案设计：提出多个设计方案，进行对比分析；（3）详细设计：对选定的方案进行详细设计，包括结构、尺寸、材料等；（4）设计验证：通过计算、实验等方法，验证设计方案的可行性；（5）设计修改：根据验证结果，对设计方案进行修改和完善；（6）设计评审：对最终设计方案进行评审，确认符合要求；（7）工程图纸：绘制工程图纸，指导生产。2.3设计规范与标准2.3.1设计规范设计过程中应遵循以下规范：（1）国家及行业标准；（2）企业内部标准；（3）行业通用规范。2.3.2设计标准（1）材料标准：选择合适的材料，满足产品功能要求；（2）零件标准：采用标准零件，提高互换性和通用性；（3）装配标准：保证装配关系正确，便于组装和维修；（4）工艺标准：采用合理的加工工艺，提高生产效率；（5）安全标准：保证产品使用安全，防止发生；（6）环保标准：降低产品对环境的影响，符合环保要求。第3章制造工艺与自动化3.1制造工艺概述制造工艺是指将原材料或半成品通过一定的加工方法、设备和工具，转化为成品的过程。它包括金属切削、压力加工、焊接、热处理等多种加工方法。制造工艺在机械设计与制造领域具有举足轻重的地位，直接影响到产品的质量、生产效率和成本。本节将对制造工艺的基本概念、分类及发展趋势进行概述。3.2自动化制造技术自动化制造技术是指采用计算机技术、信息技术、传感器技术、控制技术等现代科技成果，实现制造过程自动化、智能化和高效化的技术。它主要包括以下方面：（1）自动化加工：采用数控机床、加工中心、等自动化设备进行加工，提高生产效率和加工精度。（2）自动化装配：采用自动化装配线、等设备，实现产品的自动化装配，降低劳动强度，提高装配质量。（3）自动化检测：利用现代检测技术和设备，对制造过程和产品质量进行实时监测，保证产品质量。（4）自动化物流：通过自动化物流系统，实现原材料、半成品和成品的自动存储、输送和搬运，提高物流效率。（5）自动化信息管理：采用计算机管理系统，实现生产计划、生产调度、库存管理、质量控制等信息的集成管理。3.3柔性制造系统柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）是一种高度自动化、具有较高适应性和灵活性的制造系统。它主要由数控机床、加工中心、自动化仓库、物流系统、计算机控制系统等组成。柔性制造系统具有以下特点：（1）适应性：可根据生产任务需求，快速调整生产线和设备配置，实现不同产品的生产。（2）灵活性：具备多种加工能力和加工方法，可满足多样化、个性化的生产需求。（3）集成性：各组成部分高度集成，实现生产、物流、信息流的一体化管理。（4）高效性：采用先进的自动化设备和控制系统，提高生产效率，缩短生产周期。（5）经济性：降低生产成本，提高产品质量，实现资源优化配置。柔性制造系统在机械制造、电子、汽车、航空等领域得到了广泛应用，成为现代制造业的重要组成部分。通过采用柔性制造系统，企业能够提高生产竞争力，适应市场需求变化，实现可持续发展。第4章材料选择与力学功能4.1常用工程材料工程材料的选用是机械设计与制造过程中的关键环节，合理的材料选择可以提高产品的功能、延长使用寿命、降低生产成本。以下是常用的工程材料：4.1.1金属材料（1）碳素钢：普通碳素钢、优质碳素钢；（2）合金钢：低合金钢、中合金钢、高合金钢；（3）不锈钢：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢；（4）有色金属：铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金；（5）特殊金属：高温合金、耐蚀合金、磁性材料。4.1.2非金属材料（1）塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等；（2）橡胶：天然橡胶、合成橡胶；（3）陶瓷：氧化铝、碳化硅、氮化硅；（4）复合材料：玻璃钢、碳纤维复合材料、金属基复合材料。4.2材料力学功能材料的力学功能是衡量材料在使用过程中承受外力作用的能力，主要包括以下几方面：4.2.1弹性功能弹性模量、弹性极限、屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度等。4.2.2塑性功能屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率等。4.2.3疲劳功能疲劳极限、疲劳寿命、疲劳强度等。4.2.4冲击功能冲击吸收功、冲击韧性等。4.2.5蠕变功能长期强度、蠕变极限等。4.3材料选择原则与应用材料的选择应遵循以下原则：4.3.1满足使用功能要求根据产品的使用环境、载荷条件、工作温度等，选择具有相应力学功能、物理功能和化学功能的材料。4.3.2经济性原则在满足使用功能要求的前提下，选择成本较低的材料，降低生产成本。4.3.3可加工性原则选择易于加工、成型和焊接的材料，提高生产效率。4.3.4可靠性原则选择质量稳定、供应充足的材料，保证产品质量。具体应用时，可根据以下步骤进行材料选择：（1）明确产品的使用要求和环境条件；（2）分析各种材料的功能特点；（3）结合经济性、可加工性和可靠性原则，筛选出合适的材料；（4）进行试验验证，保证所选材料满足设计要求。第5章机械传动设计5.1传动系统概述5.1.1传动系统的功能与分类传动系统是机械设备中实现动力传递和运动控制的重要组成部分。其主要功能是按照预定要求将原动机的转矩和转速传递到执行部件，以实现各种工作需求。根据传动方式的不同，传动系统可分为齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动等。5.1.2传动系统的设计原则在设计传动系统时，应遵循以下原则：（1）满足工作功能要求，保证传动平稳、可靠；（2）结构简单、紧凑，便于制造、安装和维修；（3）考虑经济性，降低成本，提高效益；（4）符合国家及行业标准，保证安全、环保。5.2常用传动机构设计5.2.1齿轮传动设计（1）选择合适的齿轮类型和材料；（2）确定齿轮的模数、齿数、压力角等基本参数；（3）计算齿轮的几何尺寸和齿面硬度；（4）设计齿轮的润滑和冷却系统。5.2.2带传动设计（1）选择合适的带型、材料和尺寸；（2）确定带轮的直径、宽度、轮毂尺寸等；（3）计算带的张紧力和预紧力；（4）设计带传动的防护装置。5.2.3链传动设计（1）选择合适的链型和链轮材料；（2）确定链轮的齿数、模数、链节距等参数；（3）计算链的拉力、链条长度和链轮直径；（4）设计链传动的润滑和防护装置。5.2.4蜗杆传动设计（1）选择合适的蜗杆类型和材料；（2）确定蜗杆的模数、螺旋角、直径等参数；（3）计算蜗轮的几何尺寸和齿面硬度；（4）设计蜗杆传动的润滑和冷却系统。5.3传动装置的强度计算与校核5.3.1强度计算（1）根据工作条件，确定传动装置的载荷和转速；（2）计算传动元件的受力情况，如齿轮、带、链条等；（3）根据材料力学公式，计算传动元件的应力、应变；（4）选取合适的强度条件，进行强度计算。5.3.2校核（1）对传动装置的强度进行校核，保证其在工作过程中安全可靠；（2）校核内容包括：齿轮的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度，带的疲劳寿命，链的拉断强度等；（3）若校核结果不符合要求，需对传动装置进行调整，直至满足强度条件。第6章轴承与轴的设计6.1轴承的类型与选择6.1.1轴承分类轴承根据其结构、工作原理及用途可分为以下几类：滚动轴承、滑动轴承、关节轴承、圆锥滚子轴承和特殊轴承等。各类轴承具有不同的特点和适用范围。6.1.2轴承选择在选择轴承时，应考虑以下因素：（1）轴承负荷：根据轴承所承受的径向负荷、轴向负荷及转速，选择合适的轴承类型和尺寸。（2）工作环境：考虑轴承工作环境中的温度、湿度、污染等因素，选择适应特定环境的轴承材料及密封形式。（3）精度要求：根据轴的转速、负荷及工作功能要求，选择合适的轴承精度等级。（4）寿命要求：根据设备的使用寿命及维护周期，选择具有适当寿命的轴承。6.2轴的设计与计算6.2.1轴的设计（1）确定轴的尺寸：根据轴承类型、负荷、转速等因素，确定轴的直径、长度等尺寸。（2）选择轴的材料：根据工作环境、负荷、转速等因素，选择具有良好机械功能、耐磨性和抗腐蚀性的材料。（3）确定轴的结构：根据设备的工作原理和空间布局，设计轴的结构，包括轴上零件的布置、轴的支撑形式等。6.2.2轴的计算（1）轴的强度计算：根据轴所承受的负荷，计算轴的应力，保证轴在许用应力范围内工作。（2）轴的刚度计算：计算轴的弯曲刚度和扭转刚度，保证轴在给定负荷下的变形在允许范围内。（3）轴的稳定性计算：对于细长轴，需要计算其临界载荷，以避免发生失稳现象。6.3轴承与轴的配合设计6.3.1轴承与轴的配合类型轴承与轴的配合可分为过盈配合、间隙配合和过渡配合。应根据轴承类型、负荷、转速等因素选择合适的配合类型。6.3.2轴承与轴的配合尺寸计算（1）计算配合尺寸：根据轴承和轴的尺寸、配合类型，计算配合过盈量或间隙量。（2）确定配合公差：根据配合尺寸计算结果，参照相关标准，确定轴承与轴的配合公差。6.3.3轴承与轴的配合质量检测为保证轴承与轴的配合质量，应进行以下检测：（1）尺寸检测：检测轴承和轴的尺寸，保证符合配合尺寸要求。（2）配合质量检测：通过测量配合面的接触斑点、配合过盈量等参数，评价轴承与轴的配合质量。第7章联接件设计7.1螺纹联接设计7.1.1螺纹联接概述螺纹联接是机械设计中常用的一种联接方式，具有结构简单、装拆方便、联接力大等优点。螺纹联接主要包括螺纹副和螺纹紧固件两部分。7.1.2螺纹联接设计要求（1）根据工作条件和载荷特点，选择合适的螺纹规格和类型。（2）保证螺纹联接的强度和刚度满足工作要求。（3）考虑螺纹联接的防松和密封功能。（4）符合国家标准和行业标准。7.1.3螺纹联接设计步骤（1）确定螺纹联接的类型和规格。（2）计算螺纹的受力情况，包括预紧力和工作载荷。（3）校核螺纹的强度，保证其满足工作要求。（4）确定螺纹联接的防松措施和密封形式。（5）绘制螺纹联接的工程图。7.2键联接与花键联接设计7.2.1键联接概述键联接是用于轴与轴上零件之间的周向固定，具有结构简单、装拆方便等优点。花键联接是键联接的一种特殊形式，适用于传递转矩较大的场合。7.2.2键联接设计要求（1）根据传递转矩和轴向力的大小，选择合适的键类型和规格。（2）保证键联接的强度和刚度满足工作要求。（3）考虑键的安装和拆卸方便性。（4）符合国家标准和行业标准。7.2.3花键联接设计要求（1）确定花键的类型和规格，如矩形花键、渐开线花键等。（2）计算花键的受力情况，校核其强度和刚度。（3）确定花键的配合长度和配合间隙。（4）绘制花键联接的工程图。7.2.4键联接与花键联接设计步骤（1）确定键联接或花键联接的类型和规格。（2）计算键或花键的受力情况，校核其强度。（3）确定键或花键的配合长度、配合间隙和防松措施。（4）绘制键联接或花键联接的工程图。7.3其他常用联接件设计7.3.1弹簧联接件设计（1）根据工作条件，选择合适的弹簧类型，如压缩弹簧、拉伸弹簧等。（2）计算弹簧的受力情况，确定弹簧的材料、线径和圈数。（3）校核弹簧的强度和刚度。（4）绘制弹簧联接件的工程图。7.3.2销联接件设计（1）选择合适的销类型，如圆柱销、圆锥销等。（2）确定销的尺寸和材料。（3）校核销的强度和刚度。（4）绘制销联接件的工程图。7.3.3焊接联接件设计（1）确定焊接联接的结构形式，如对接焊、角焊等。（2）选择合适的焊接材料和焊接方法。（3）计算焊接接头的强度，校核其满足工作要求。（4）绘制焊接联接件的工程图。7.3.4胶接联接件设计（1）选择合适的胶接剂和胶接工艺。（2）确定胶接面积和胶接强度。（3）考虑胶接件的耐环境功能和耐久性。（4）绘制胶接联接件的工程图。第8章机床设计与自动化8.1机床概述机床是机械加工中必不可少的设备，主要用于对工件进行金属切削加工。科技的不断发展，机床的设计和制造也在不断优化，机床自动化水平已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。本节主要介绍机床的基本概念、分类及其在制造业中的应用。8.1.1机床的基本概念机床是一种利用机械运动来实现工件加工的设备，通过装夹在机床上的刀具与工件之间的相对运动，实现对工件的切削加工。机床主要由床身、立柱、横梁、工作台、刀具和传动系统等部分组成。8.1.2机床的分类机床的分类方法有很多，根据不同的分类标准，可分为以下几类：（1）按照机床的用途，可分为通用机床和专用机床。（2）按照机床的布局，可分为卧式机床、立式机床、龙门机床等。（3）按照机床的自动化程度，可分为手动机床、半自动机床和全自动机床。8.1.3机床在制造业中的应用机床在制造业中的应用非常广泛，主要包括以下方面：（1）金属切削加工：如车削、铣削、磨削、钻孔、镗孔等。（2）金属成型加工：如锻造、冲压、折弯等。（3）特种加工：如电火花加工、激光加工、超声波加工等。8.2机床主要部件设计机床主要部件的设计是机床设计和制造的核心内容，关系到机床的功能、精度和稳定性。本节主要介绍机床主要部件的设计原则和方法。8.2.1床身设计床身是机床的基础部件，其设计应考虑以下因素：（1）床身的结构形式：根据机床的用途和布局选择合适的结构形式。（2）床身的材料：选用高硬度、高耐磨、高强度的材料。（3）床身的导轨：导轨的设计关系到机床的运动精度，应选用高精度、高耐磨的导轨。8.2.2传动系统设计传动系统是机床实现运动的核心部分，其设计应考虑以下因素：（1）传动系统的类型：如齿轮传动、皮带传动、丝杠传动等。（2）传动系统的精度：保证机床在加工过程中具有高精度。（3）传动系统的可靠性：保证机床长时间稳定运行。8.2.3刀具设计刀具是机床实现切削加工的关键部件，其设计应考虑以下因素：（1）刀具的材料：选择高硬度、高耐磨、高强度的刀具材料。（2）刀具的结构：根据加工工艺和工件要求，设计合适的刀具结构。（3）刀具的夹紧方式：保证刀具在加工过程中具有高刚性和高稳定性。8.3数控机床与自动化数控机床是采用数字控制系统进行控制的机床，具有高精度、高效率、自动化程度高等特点。本节主要介绍数控机床的组成、工作原理及自动化技术在数控机床中的应用。8.3.1数控机床的组成数控机床主要由以下部分组成：（1）数控系统：是数控机床的核心部分，负责对机床进行控制。（2）机床主体：包括床身、立柱、横梁、工作台等。（3）伺服系统：驱动机床各轴运动，实现加工过程。（4）辅助装置：如冷却系统、润滑系统、排屑器等。8.3.2数控机床的工作原理数控机床的工作原理是通过数控系统接收编程输入的加工指令，将其转换为机床各轴的运动，从而实现工件的加工。8.3.3自动化技术在数控机床中的应用自动化技术在数控机床中的应用主要包括以下方面：（1）自动编程：采用计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，实现加工过程的自动编程。（2）自动装夹：采用、气动或液压装置实现工件的自动装夹。（3）自动加工：通过数控系统控制机床各轴运动，实现工件的自动加工。（4）自动检测：采用各种传感器对加工过程中的工件进行实时检测，保证加工质量。（5）自动物流：实现工件、刀具和辅料的自动搬运和存储。第9章液压与气压系统设计9.1液压与气压系统概述9.1.1液压系统基本原理液压系统是利用流体传递动力和能量的一种机械传动系统。本章主要介绍液压系统的基本原理、组成部分及其在机械设计与制造自动化中的应用。9.1.2气压系统基本原理气压系统是利用