机械设计制造及其自动化作业指导书

机械设计制造及其自动化作业指导书TOC\o"1-2"\h\u9533第一章绪论 376741.1课程概述 3127751.2学习目标 336831.3学习方法 314362第二章机械设计基础 496322.1材料力学基础 4257252.1.1材料的力学功能 4315622.1.2应力与应变 4162962.1.3破坏规律 439522.2常用机械零件 4255662.2.1螺纹连接件 430622.2.2键连接件 444692.2.3轴承 5322092.2.4齿轮 580992.3机械传动系统 5115642.3.1齿轮传动 5298312.3.2皮带传动 5132482.3.3蜗杆传动 5180882.3.4液压传动 5109812.4设计规范与标准 5151702.4.1国家标准 5223052.4.2行业标准 5204992.4.3企业标准 595402.4.4设计规范 513452第三章机构设计与分析 6116023.1平面机构设计 655213.2空间机构设计 6209383.3机构运动分析 6143823.4机构动力学分析 71542第四章金属材料与热处理 7253154.1金属材料基本性质 7237574.1.1物理性质 7211174.1.2化学性质 7185134.1.3力学性质 778344.2金属热处理工艺 8325504.2.1热处理基本概念 8213074.2.2退火 8220154.2.3正火 8287024.2.4淬火 872114.2.5回火 8173364.3金属材料的选用 8146344.4金属材料的加工方法 817814.4.1铸造 8317094.4.2锻造 921084.4.3焊接 9204924.4.4热处理 9264344.4.5机械加工 930050第五章传感器与检测技术 9124575.1常用传感器 9274095.2传感器信号处理 9244605.3传感器在自动化系统中的应用 1076055.4检测技术的发展趋势 1015453第六章电气控制系统 1044006.1电气控制系统概述 1030096.1.1基本原理 10201246.1.2组成 11218466.1.3分类 11241886.2电动机及控制系统 1124276.2.1电动机类型 1166186.2.2电动机控制系统 11180736.3PLC编程与应用 11125346.3.1PLC编程 12167696.3.2PLC应用 12319106.4电气控制系统故障诊断与维护 12127566.4.1故障诊断 1260546.4.2维护措施 1227281第七章机械制造工艺 13264617.1零件加工工艺 13184987.1.1加工方法选择 13143147.1.2加工顺序安排 13105897.1.3工序设计 13280207.2装配工艺 1327677.2.1装配顺序 1374377.2.2装配方法 13291397.2.3装配精度控制 13127207.3制造工艺参数 14218857.3.1切削参数 1497557.3.2刀具选择 1434897.3.3工件装夹 14252417.4制造工艺改进 14148547.4.1优化加工方法 1415247.4.2引入先进制造技术 14276417.4.3改进工艺流程 14233407.4.4提高工艺创新能力 1428099第八章自动化生产线设计 1424648.1自动化生产线概述 1478258.2生产线布局设计 14153128.3自动化设备选型 15201728.4自动化生产线控制系统 156370第九章计算机辅助设计与制造 15102239.1CAD/CAM技术概述 1539799.2CAD软件应用 16175059.3CAM软件应用 1694889.4计算机辅助工艺过程规划 1632483第十章安全生产与环境保护 172085410.1机械制造安全常识 173239210.2环境保护法规与标准 173126510.3生产过程中的节能减排 182747710.4安全生产管理与实践 18第一章绪论1.1课程概述机械设计制造及其自动化专业是现代工程技术领域中的重要分支，本课程旨在培养学生的机械设计、制造及其自动化方面的基本理论、基本知识和基本技能。课程内容包括机械设计原理、机械制造工艺、自动化技术及其应用等，通过理论学习与实践操作相结合，使学生具备从事机械设计制造及其自动化领域工作的能力。1.2学习目标（1）掌握机械设计制造及其自动化领域的基本理论、基本知识和基本技能；（2）理解机械设计、制造和自动化技术的基本原理和方法；（3）培养学生的创新意识、团队协作精神和实际操作能力；（4）使学生具备从事机械设计制造及其自动化领域工作的基本素质。1.3学习方法（1）理论学习：通过课堂讲授、自学、讨论等方式，深入学习机械设计制造及其自动化领域的相关理论，掌握基本概念、原理和方法；（2）实践操作：结合课程内容，进行实验、实习等实践环节，提高实际操作能力和动手能力；（3）创新能力培养：鼓励学生开展科技创新活动，参加各类竞赛，提高创新意识和创新能力；（4）团队协作：培养学生良好的团队协作精神，通过分组讨论、合作完成课题等方式，提高协作能力；（5）自主学习：引导学生自主学习，养成独立思考、善于总结的习惯，提高综合素质。第二章机械设计基础2.1材料力学基础材料力学是研究在外力作用下，固体材料的力学功能、应力与应变分布以及破坏规律的基础学科。在机械设计制造及其自动化领域，了解材料力学基础对于保证机械结构的安全性和可靠性具有重要意义。2.1.1材料的力学功能材料的力学功能主要包括强度、刚度、韧性、塑性、疲劳强度等。在设计过程中，应根据机械零件的工作条件和功能要求，合理选择具有相应力学功能的材料。2.1.2应力与应变应力是指单位面积上的内力，应变是指物体在受力后产生的相对变形。在材料力学中，应力与应变关系是研究的重要内容。了解应力与应变的基本概念和计算方法，有助于分析机械零件的承载能力和变形情况。2.1.3破坏规律材料在受力过程中，当应力超过其承受能力时，将发生破坏。了解材料的破坏规律，有助于预防机械零件的破坏，提高机械设备的可靠性。2.2常用机械零件常用机械零件是指广泛应用于各种机械设备中的基本构件。以下为几种常用的机械零件：2.2.1螺纹连接件螺纹连接件主要包括螺栓、螺母、垫圈等，用于连接两个或多个零件，具有结构简单、装拆方便等特点。2.2.2键连接件键连接件主要用于连接轴与齿轮、带轮等旋转零件，传递扭矩和载荷。2.2.3轴承轴承是支撑旋转零件的重要部件，可分为滑动轴承和滚动轴承两大类。2.2.4齿轮齿轮是传递运动和扭矩的重要零件，具有传动平稳、效率高等优点。2.3机械传动系统机械传动系统是机械设备的核心部分，负责将动力和运动传递给执行机构。以下为几种常见的机械传动方式：2.3.1齿轮传动齿轮传动具有传动比准确、传动效率高等优点，广泛应用于各种机械设备中。2.3.2皮带传动皮带传动具有结构简单、维护方便等优点，适用于小功率、低速度的传动场合。2.3.3蜗杆传动蜗杆传动具有自锁功能好、传动比大等优点，适用于大功率、低速度的传动场合。2.3.4液压传动液压传动具有传动平稳、响应速度快等优点，广泛应用于各种高精度、高效率的机械设备中。2.4设计规范与标准设计规范与标准是机械设计制造及其自动化领域的重要依据，主要包括以下几个方面：2.4.1国家标准国家标准是国家质量监督检验检疫总局发布的具有强制性的技术规范，包括产品设计、制造、检验等方面的要求。2.4.2行业标准行业标准是针对特定行业制定的技术规范，具有一定的指导性和约束力。2.4.3企业标准企业标准是企业内部制定的技术规范，用于指导企业的设计和生产活动。2.4.4设计规范设计规范是针对具体产品设计过程中应遵循的技术要求，包括设计原则、参数选择、结构形式等方面。第三章机构设计与分析3.1平面机构设计平面机构设计是机械设计中的环节。其主要目的是实现机械系统在平面内的运动与力的传递。平面机构设计需遵循以下原则：（1）保证机构运动的确定性：在运动过程中，各构件之间的相对位置和运动轨迹应保持一致。（2）满足运动要求：根据实际需求，设计出满足运动范围、运动速度、运动精度等要求的机构。（3）考虑力的传递：合理设计力的传递路径，提高机构的传动效率，降低能量损失。（4）优化结构：在满足功能要求的前提下，力求结构简单、紧凑，便于加工和维护。（5）考虑动力学特性：分析机构的惯性力、摩擦力等动力学因素，保证机构的稳定运行。3.2空间机构设计空间机构设计涉及三维空间的运动与力的传递。与平面机构相比，空间机构的设计更为复杂。以下是空间机构设计的关键点：（1）运动轨迹规划：合理规划空间构件的运动轨迹，以满足实际应用需求。（2）运动副设计：选择合适的运动副类型，保证空间构件之间的运动协调。（3）力的传递与分配：分析空间机构中力的传递路径，实现力的合理分配。（4）动力学分析：考虑空间机构的惯性力、摩擦力等动力学因素，保证机构的稳定运行。（5）结构优化：在满足功能要求的前提下，优化空间机构的结构，提高其功能。3.3机构运动分析机构运动分析是研究机构运动规律和运动特性的过程。其主要内容包括：（1）运动轨迹分析：求解机构各构件的运动轨迹，判断其是否符合实际需求。（2）运动参数分析：求解机构运动过程中的速度、加速度等参数，分析其变化规律。（3）运动干涉分析：检查机构运动过程中各构件是否发生干涉，避免运动障碍。（4）运动精度分析：评估机构运动精度，保证满足实际应用要求。3.4机构动力学分析机构动力学分析是研究机构在运动过程中受力情况和动态响应的过程。其主要内容包括：（1）受力分析：求解机构各构件的受力情况，分析力的传递和分配。（2）动态响应分析：研究机构在受力作用下的运动响应，评估其稳定性。（3）振动分析：分析机构在运动过程中的振动现象，提出减振措施。（4）疲劳分析：评估机构在长期运行过程中的疲劳寿命，保证其可靠性。（5）动力学优化：通过调整机构参数，提高其动力学功能。第四章金属材料与热处理4.1金属材料基本性质4.1.1物理性质金属材料具有优良的物理性质，包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性和光泽等。其中，密度决定了材料的重量；熔点反映了材料在高温下的稳定性；导电性和导热性则表明了材料在电流和热量传递方面的能力；磁性则涉及材料在外磁场作用下的响应；光泽则是材料表面的光学特性。4.1.2化学性质金属材料的化学性质主要表现在抗氧化性、耐腐蚀性、耐高温性等方面。抗氧化性指材料在高温下抵抗氧化的能力；耐腐蚀性反映了材料在恶劣环境中的稳定性；耐高温性则表示材料在高温条件下的结构稳定性。4.1.3力学性质金属材料的力学性质包括强度、韧性、硬度、塑性等。强度指材料在受到外力作用时的抵抗能力；韧性表示材料在受到冲击或振动时的抗断裂能力；硬度反映了材料抵抗局部塑性变形的能力；塑性则表明材料在受力过程中可发生的塑性变形程度。4.2金属热处理工艺4.2.1热处理基本概念热处理是指将金属材料在一定的温度和时间内进行加热、保温和冷却的过程，以改变其内部组织和功能。热处理主要包括退火、正火、淬火、回火等工艺。4.2.2退火退火是将金属材料加热到一定温度，保温一定时间后，缓慢冷却的热处理工艺。退火可降低材料的硬度、提高塑性，改善材料的加工功能。4.2.3正火正火是将金属材料加热到一定温度，保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火可提高材料的强度和硬度，降低塑性。4.2.4淬火淬火是将金属材料加热到一定温度，保温一定时间后，快速冷却的热处理工艺。淬火可提高材料的硬度和耐磨性，但会降低塑性。4.2.5回火回火是将淬火后的金属材料加热到一定温度，保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺。回火可降低材料的硬度，提高塑性和韧性。4.3金属材料的选用金属材料的选用应根据其功能、价格、加工工艺、应用场合等因素进行。在选择金属材料时，应充分考虑以下原则：（1）材料的力学功能应满足使用要求；（2）材料的化学功能应适应环境条件；（3）材料的物理功能应满足特殊要求；（4）材料的加工功能应满足加工工艺要求；（5）材料的价格应具有竞争力。4.4金属材料的加工方法金属材料的加工方法主要包括铸造、锻造、焊接、热处理、机械加工等。4.4.1铸造铸造是将熔化的金属材料浇注到预先制备好的模具中，冷却凝固后获得所需形状的工件。铸造方法适用于生产形状复杂、尺寸较大的工件。4.4.2锻造锻造是将金属材料加热到一定温度后，在压力作用下使其产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的工件。锻造方法适用于生产强度高、韧性好的工件。4.4.3焊接焊接是将金属材料通过加热或加压使其连接在一起的方法。焊接方法适用于生产大型结构或连接不同材料。4.4.4热处理热处理是将金属材料在一定的温度和时间内进行加热、保温和冷却的过程，以改变其内部组织和功能。4.4.5机械加工机械加工是利用机械设备对金属材料进行切削、磨削等加工，以获得所需形状和尺寸的工件。机械加工方法适用于生产精度高、表面质量好的工件。第五章传感器与检测技术5.1常用传感器传感器作为检测系统中不可或缺的部件，其作用在于将各种非电量信号转换为电量信号，以便于后续信号的处理与传输。常用的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。各类传感器的工作原理、功能特点及适用范围如下：（1）温度传感器：包括热电偶、热敏电阻、集成温度传感器等。主要用于测量各种场合的温度参数。（2）压力传感器：包括应变式、压电式、电容式等。用于测量气体、液体等介质的压力。（3）流量传感器：包括电磁流量传感器、超声波流量传感器、涡街流量传感器等。用于测量管道中介质的流量。（4）位移传感器：包括电感式、差动变压器式、霍尔式等。用于测量物体的位移。（5）速度传感器：包括光电式、电磁式、霍尔式等。用于测量物体的速度。5.2传感器信号处理传感器输出信号通常需要经过信号处理才能满足后续控制、显示等要求。信号处理主要包括滤波、放大、转换、线性化等环节。（1）滤波：用于消除传感器输出信号中的噪声，提高信号质量。（2）放大：将传感器输出信号进行放大，以满足后续电路的要求。（3）转换：将传感器输出信号转换为易于处理的信号形式，如电压、频率等。（4）线性化：对传感器输出信号进行线性化处理，以提高测量精度。5.3传感器在自动化系统中的应用传感器在自动化系统中具有广泛的应用，如工业生产过程控制、控制、智能交通系统等。以下是几个典型的应用实例：（1）工业生产过程控制：利用传感器对生产过程中的温度、压力、流量等参数进行实时监测，实现生产过程的自动控制。（2）控制：利用传感器获取周围环境信息，实现的导航、避障等功能。（3）智能交通系统：利用传感器对交通状况进行实时监测，为交通指挥、调度提供数据支持。5.4检测技术的发展趋势科学技术的不断进步，检测技术呈现出以下发展趋势：（1）传感器技术向微型化、智能化、网络化方向发展。（2）信号处理技术向高功能、低功耗、集成化方向发展。（3）检测系统向高度集成、模块化、智能化方向发展。（4）检测技术在各领域的应用不断拓展，为人类社会的发展提供有力支持。第六章电气控制系统6.1电气控制系统概述电气控制系统是机械设计制造及其自动化领域的重要组成部分，其主要功能是实现对机械设备的精确控制和自动化运行。电气控制系统由电源、控制器、执行器、传感器和信号传输线路等部分组成。本章将对电气控制系统的基本原理、组成和分类进行介绍。6.1.1基本原理电气控制系统通过控制器对输入信号进行处理，输出控制信号，驱动执行器实现对机械设备的控制。控制器根据设定的控制策略，对输入信号进行逻辑、数值和模拟运算，以实现对执行器的精确控制。6.1.2组成电气控制系统主要由以下几部分组成：（1）电源：为电气控制系统提供稳定、可靠的电源。（2）控制器：对输入信号进行处理，输出控制信号。（3）执行器：根据控制信号实现对机械设备的驱动和控制。（4）传感器：检测机械设备的运行状态，将信号反馈给控制器。（5）信号传输线路：连接各部分，实现信号的传输。6.1.3分类根据控制策略和功能的不同，电气控制系统可分为以下几类：（1）开关控制系统：采用开关元件实现控制。（2）模拟控制系统：采用模拟信号进行处理。（3）数字控制系统：采用数字信号进行处理。（4）混合控制系统：结合模拟和数字控制技术。6.2电动机及控制系统电动机及控制系统是电气控制系统中的核心部分，主要负责驱动机械设备实现预定动作。6.2.1电动机类型根据不同的应用场合和功能要求，电动机可分为以下几种类型：（1）交流电动机：包括异步电动机和同步电动机。（2）直流电动机：包括有刷直流电动机和无刷直流电动机。（3）特殊电动机：如步进电动机、伺服电动机等。6.2.2电动机控制系统电动机控制系统主要包括以下几种：（1）起动控制系统：包括直接起动、降压起动等。（2）速度控制系统：包括调速系统、制动系统等。（3）位置控制系统：包括定位系统、伺服系统等。6.3PLC编程与应用PLC（ProgrammableLogicController）可编程逻辑控制器是电气控制系统中的核心组件，主要负责实现控制逻辑和数据处理。6.3.1PLC编程PLC编程主要包括以下几种语言：（1）梯形图：以图形化方式表示控制逻辑。（2）指令表：以文本形式表示控制逻辑。（3）功能块图：以功能块表示控制逻辑。（4）结构文本：以高级语言表示控制逻辑。6.3.2PLC应用PLC在电气控制系统中的应用主要包括以下几个方面：（1）逻辑控制：实现开关量控制。（2）定时控制：实现定时功能。（3）计数控制：实现计数功能。（4）数据处理：实现数值运算、数据转换等。（5）通信与联网：实现与其他设备或系统的数据交换。6.4电气控制系统故障诊断与维护电气控制系统在运行过程中可能会出现各种故障，及时进行故障诊断与维护是保证系统正常运行的关键。6.4.1故障诊断电气控制系统故障诊断主要包括以下几个方面：（1）电源故障：检查电源电压、电流是否正常。（2）控制器故障：检查控制器输入、输出信号是否正常。（3）执行器故障：检查执行器驱动信号是否正常。（4）传感器故障：检查传感器信号是否准确。（5）信号传输线路故障：检查线路是否连通、接触良好。6.4.2维护措施电气控制系统维护措施主要包括以下几个方面：（1）定期检查电源、控制器、执行器等设备的工作状态。（2）检查信号传输线路的连通性和接触情况。（3）对PLC进行编程和调试，优化控制策略。（4）定期进行系统软件和硬件的升级。（5）加强设备清洁、防潮、防尘等工作。第七章机械制造工艺7.1零件加工工艺7.1.1加工方法选择在零件加工工艺中，加工方法的选择。应根据零件的材质、形状、尺寸、精度等要求，结合加工设备、工具和加工条件，选择合适的加工方法。常见的加工方法包括车削、铣削、磨削、刨削、钻削等。7.1.2加工顺序安排加工顺序的安排应遵循先粗后精、先主后次、先内后外的原则。在保证加工质量的前提下，应尽量减少加工步骤，降低生产成本。7.1.3工序设计工序设计是零件加工工艺的核心内容。应根据加工方法、加工顺序和加工设备，设计合理的工序。工序设计应遵循以下原则：（1）保证加工精度和表面质量；（2）减少加工时间和生产成本；（3）便于操作和检查；（4）适应生产规模和设备条件。7.2装配工艺7.2.1装配顺序装配顺序应根据零件的结构特点、装配关系和生产条件确定。一般遵循从内到外、从下到上、从简单到复杂的顺序。7.2.2装配方法装配方法包括手工装配和自动化装配。应根据零件的结构特点、精度要求和生产规模选择合适的装配方法。7.2.3装配精度控制装配精度控制是保证产品质量的关键。应通过合理的工艺措施，如选用合适的配合精度、采用精确的测量工具和检测方法等，保证装配精度。7.3制造工艺参数7.3.1切削参数切削参数包括切削速度、进给量和切削深度。应根据零件材质、加工要求和加工设备功能，合理选择切削参数。7.3.2刀具选择刀具选择应考虑刀具的材质、形状、尺寸和加工要求。合理选择刀具，可以提高加工效率、保证加工质量和降低生产成本。7.3.3工件装夹工件装夹应保证加工精度和操作安全。应根据工件形状、尺寸和加工要求，选择合适的装夹方式。7.4制造工艺改进7.4.1优化加工方法通过对现有加工方法的优化，提高加工效率、降低生产成本。如采用高速切削、干切削等技术。7.4.2引入先进制造技术引入先进制造技术，如数控加工、装配等，提高生产自动化程度和产品质量。7.4.3改进工艺流程通过对工艺流程的改进，减少加工步骤、提高生产效率。如采用并行加工、精益生产等方法。7.4.4提高工艺创新能力加强工艺创新能力，不断摸索新的加工方法、工艺路线和工艺参数，以满足不断变化的市场需求。第八章自动化生产线设计8.1自动化生产线概述自动化生产线是现代制造业中不可或缺的部分，其通过自动化技术和设备实现生产过程的自动化，从而提高生产效率，降低生产成本，保证产品质量。自动化生产线主要由自动化设备、控制系统、执行系统等组成，涵盖了生产线的全部或大部分工艺流程。8.2生产线布局设计生产线布局设计是自动化生产线设计的重要环节，其设计原则应遵循生产流程的合理性、设备利用的高效性以及生产安全的保障。具体设计步骤包括：（1）分析生产流程，确定生产线的基本构成；（2）根据生产规模、生产效率等因素确定生产线长度、宽度；（3）根据设备特性、生产节拍等因素进行设备布局；（4）考虑物料运输、储存等因素进行物流布局；（5）结合生产环境、安全等因素进行辅助设施布局。8.3自动化设备选型自动化设备选型是自动化生产线设计的核心环节，其选型原则应遵循设备功能的稳定性、生产效率的高效性以及设备成本的合理性。具体选型步骤包括：（1）分析生产需求，确定设备类型；（2）对比不同品牌、型号的设备功能、价格、售后服务等；（3）根据生产规模、生产效率等因素确定设备规格；（4）考虑设备兼容性、扩展性等因素进行选型；（5）结合企业实际情况，进行设备采购。8.4自动化生产线控制系统自动化生产线控制系统是自动化生产线运行的关键，其主要由控制器、传感器、执行器、通信网络等组成。控制系统的主要功能包括：（1）实时监控生产线的运行状态，保证生产过程的稳定性和安全性；（2）根据生产需求，自动调整生产线运行参数；（3）实现生产数据的采集、处理、存储和传输；（4）对生产线故障进行诊断和处理；（5）实现生产线的远程监控和管理。在控制系统设计中，应充分考虑系统的可靠性、实时性、可扩展性等因素，保证控制系统在生产过程中的高效运行。第九章计算机辅助设计与制造9.1CAD/CAM技术概述计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术是现代机械设计制造领域的重要技术手段。CAD/CAM技术将计算机技术、图形学、数据库技术、人工智能等技术与机械设计制造相结合，实现了从设计到制造的自动化、智能化和集成化。CAD技术主要用于产品的设计阶段，通过计算机辅助设计软件，实现产品形状、结构、尺寸等参数的数字化表达。CAM技术则主要用于产品的制造阶段，通过计算机辅助制造软件，实现对加工设备、工艺参数和加工路径的自动编程和控制。9.2CAD软件应用在现代机械设计中，CAD软件已成为不可或缺的工具。以下为几种常见的CAD软件应用：（1）二维CAD软件：如AutoCAD、CADWorx等，主要用于绘制平面图形、标注尺寸、编写技术要求等。（2）三维CAD软件：如SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER等，能够实现三维模型的创建、编辑、分析、渲染等功能。（3）参数化设计软件：如Creo、NX等，通过参数驱动模型，提高设计效率，便于产品修改和优化。（4）专业领域CAD软件：如ANSYS、ABAQUS等，用于结构分析、热力学分析、流体动力学分析等专业领域。9.3CAM软件应用CAM软件是计算机辅助制造的核心部分，其主要应用于以下几个方面：（1）数控编程：如Mastercam、EdgeCAM等，能够根据产品模型和加工工艺要求，数控加工程序。（2）刀具路径规划：如HyperMill、PowerMill等，根据加工要求，自动规划刀具路径，提高加工效率。（3）工艺参数设置：如WorkNC、Esprit等，根据材料、设备、加工要求等，设置合理的工艺参数。（4）加工仿真：如Vericut、CAMPOST等，对的加工程序进行仿真，检验加工过程是否正确。9.4计算机辅助工艺过程规划计算机辅助工艺过程规划（CAPP）是连接CAD与CAM的桥梁，其主要任务是根据产品设计信息和制造资源，合理的工艺路线、工艺参数和加工指令。以下为CAPP的主要应用：（1）工艺路线规