自动化机构设计基础

Automation that transformsFA工业自动化设备设计基础2022-MAY-1学习的本质–库博经验学习圈经验学习的起点非经验学习的起点大部分我们所谓的经验都只是具体经验，而且其中大部分是不全面的！所以作为工程师来说，更不应该只依赖于具体经验，只有不停的循环，才能积累经验，才能更好的指导我们的工作。

理论实践1.绪论–设备的结构与分类2.设备整体设计的思路和方法2.1 设备设计的一般过程2.2 生产线的布局方式2.3 工位设计的一般步骤2.4 一些模块的实现方法2.5 FMEA –故障模式及失效分析3 自动化部件机构设计基础3.1 零件的工艺性3.2 气动部件设计4 常见的术语 4.1 CYCLE TIME4.2 TA –TECHNICAL AVAILABILITY 技术可用性4.3 OEE –OVERALL EQUIPMENT EFFICIENCY 设备综合效率4.4 CPK –PROCESS CAPABILITY INDEX 过程能力指数4.5 CMK –MACHINE CAPABILITY INDEX 临界机器能力指数目录1 绪论工厂自动化（Factory Automation，简称FA），指自动完成产品制造的全部或部分加工过程。

这里提到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，与传统的纯机械结构组成的设备有一定的区别。

但是，作为工程师，不能盲目的崇拜自动化元器件及现代控制技术的能力，要充分认识到，传统的机械结构仍然是机械的重要组成部分。

传统的机械结构设计具有非常明显的简洁、高效的优点。

在设备设计过程中，只有合理地运用组合机械机构、现代自动化元器件和自动化控制系统才能设计出色的自动化设备。

由于机械结构学在18世纪就已经发展成熟，所以推荐大家要对大学课程《机械原理》《机械设计》进行复习，要将其作为桌子上的常用书。

《机械原理》《机械设计》是一切设备设计的理论基础，不能忽视。

“机械设计基础”考试大纲适用：20xx年金陵科技学院五年一贯制高职“专转本”考试专业名称：机械设计制造及其自动化专业考试科目：专业课一、机械设计概述1、考试内容机器的组成及特征；机器应满足的基本要求；机械设计的一般过程和主要内容；2、考试要求掌握机器的组成及特征；了解机械设计的一般过程和主要内容；二、平面机构的结构分析1．考试内容有关机构组成中的构件、运动副、运动链及机构等概念；机构具有确定运动的条件，机构运动简图的绘制和平面机构自由度的计算；2．考试要求（1）掌握组成机构的零件、构件、运动副及机构的基本概念和联系。

掌握运动副的常用类型及特点；（2）熟练掌握机构运动简图的绘制方法，能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；掌握常用机构构件和运动副的符号及机构运动简图的绘制方法；（3）熟练掌握机构自由度的意义和机构具有确定运动的条件；掌握平面机构自由度的计算公式，并正确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并做出正确处理；三、平面连杆机构1．考试内容平面四杆机构的基本特性及其演化；铰链四杆机构的曲柄存在条件；四杆机构的设计。

2．考试要求（1）掌握平面四杆机构的基本型式、特点及其演化方法；（2）掌握平面四杆机构的压力角、传动角、急回运动、极位夹角、行程速比系数等基本概念；掌握连杆机构最小传动角出现的位置及计算方法；掌握极位夹角与行程速比系数的关系式；掌握死点在什么情况下出现及死点位置在机构中的应用；（3）熟练掌握铰链四杆机构的曲柄存在条件，灵活运用并判断铰链四杆机构的类型；（4）掌握平面四杆机构的运动特征及其设计的基本问题；掌握按给定行程速比系数、给定连杆位置、给定连架杆对应位置设计四杆机构的方法；四、凸轮机构1、考试内容常用的从动件运动规律；盘形凸轮轮廓的设计与加工方法；凸轮机构基本尺寸的确定2、考试要求（1）了解常用的从动件运动规律；（2）了解按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线；五、间歇运动机构1、考试内容棘轮机构的工作原理、特点及作用；槽轮机构的工作原理、特点及作用。

自动化设备机械技术标准（试行）为了在尔后设备前期治理进程中，增强非标设备的质量操纵工作，改善设备初期状态，确保设备在生产服役进程中有良好的开动率，特制定本标准。

希望参与前期治理的技术人员参照执行，使技术要求更全面、准确、周密。

一、技术要求（一）、结构要求1．机械机构设计需符合人机工程学，方便人员操作与维修；2．机械结构设计需通过计算，达到正常利用的强度要求，并在平安余量之内；3．机械结构设计需依照我方具体要求，对关键点进行FEMA分析和验证；4．机械结构整体设计需考虑经济、环保、平安的原那么。

（二）、材料要求1．结构件、面板类钢材要求Q235，传动件、一样零部件材料要求45#、需热处置部件材料要求20-40Cr或指定其他材料，各类型材必需是国标型材，特殊要求依照设备设计需求具体提出来；2．所有材料必需有相应的合格证或符合质量要求的查验证书；3．关于特殊部件的材料，需同时提供检测报告，报告内容要紧涉及：成份、力学性能、物理性能等。

（三）、钢构表面要求1．钢结构件表面需经喷砂处置，除锈品级；假设手工进行表面处置，需介于St2与St3之间。

2．喷砂后需喷涂底漆为红丹防锈漆一遍,面漆为醇酸调和漆两遍，总干膜厚度为125μm；附着力达到ISO品级1级或ASTM品级4B级；3．结构件表面不能有明显的变形、划伤、撞伤、凹槽、凸现、缺失、分层等缺点。

（四）、焊接要求1．所有焊接都需有相应的焊接标准和标准，并进行焊接工艺验证；2．现场焊接时，需知足焊接标准的要求；3．焊缝表面不能有裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透、虚焊、形状缺点及上述之外的其他缺点；4．主梁受拉区的翼缘板、腹板的对接焊缝应进行无损探伤，超声波探伤不低于11345中的I级，并提供报告的复印件。

（五）、传动要求1．传动设计需考虑传动效率最优化；2．传动机构要求简单合理，以最少的环节实现功能；3．传动设计需考虑现场噪音操纵，尽一切可能降低噪音的产生；4．变速箱（SIEMENS或SEW）、电机（SIEMENS或SEW变频电机）、轴承（SKF或NSK）等部件要求指定厂家或品牌；5．变频电机采用的范围：风机、需调速的传动机构、需要和传动机构配合的传动系统。

机械设计制造及其自动化专业课程机械设计制造及其自动化专业课程主要课程在高中文化知识的基础上，掌握本专业所必需的基础知识、基本原理和较熟练的专业实践技能：机械制图、工程材料、工程力学，机械原理、工程经济，机械设计基础、电工与电子技术、微机系统原理与接口技术、机械工程材料、制造技术基础、微机电系统与制造，设备故障诊断、机电驱动技术、机械制造工艺学、控制工程、测试技术、数控技术、金属材料。

基础课从应职岗位需求出发，充分考虑学生的文化基础，选择灵活多样的教学方法和适宜的教学内容。

教学重点应是教法改革和内容选择，并注意培养学生自主学习和再学习的能力。

根据教学内容，教师恰当地分配每一次课的时间，确定自学讨论、讲授、实验与练习所占的时间比例。

同时使学生在学习态度、学习方法上为续课程打下基础。

利用第二课堂活动。

以形势报告、文艺汇演、音乐、美术欣赏及心理健康咨询等提高学生素养；结合“两操一课”与体育竞赛增强学生体质；开展英语知识竞赛、演出与口才训练、书法、绘画、微机强化等培训班培养学生的特长，提高学生推销自己的能力，增加就业机会。

1.两课本课程包括马克思主义哲学、毛泽东思想概论、邓小平理论和三个代表重要思想、法律基础知识、思想品德修养。

本课程是高等职业技术学院学生必修的一门德育课，主要讲授马克思主义哲学基础；充分认识毛泽东思想是中国共产党人在长期奋斗中坚持马克思主义基本原理同中国具体实际相结合的第一个理论成果；深刻领会邓小平理论和三个代表重要思想的意义，掌握邓小平理论和三个代表重要思想的理论论述；使学生了解宪法、行政法、民法、经济法、刑法、诉讼法中与学生关系密切的有关法律基本知识；对学生进行普遍关心的形势、政策、人生、理想、道德、民主、纪律等方面的教育。

初步树立正确的世界观、人生观和价值观；做到知法、懂法，增强法律意识，树立法制观念，提高辨别是非的能力；培养学生优良的思想品质、理想和人生观，为将来从事社会实践，做一个合格的高职生打下基础。

第四章凸轮机构在各种机器中，尤其是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。

只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。

本章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。

§4—1 凸轮机构的应用与分类一、凸轮机构的应用凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。

凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。

从动件是被凸轮直接推动的构件。

凸轮机构就是由凸轮、从动件和机架三个主要构件所组成的高副机构。

图4-1所示为内燃机配气凸轮机构。

当具有一定曲线轮廓的凸轮1以等角速度回转时，它的轮廓迫使从动作2（阀杆）按内燃机工作循环的要求启闭阀门。

图4-2为自动机床上控制刀架运动的凸轮机构。

当圆柱凸轮1回转时，凸轮凹槽侧面迫使杆2运动，以驱动刀架运动。

凹槽的形状将决定刀架的运动规律。

内燃机，配气机构凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。

凸轮机构广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。

但凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。

凸轮机构的特点1)优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑。

2)缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。

二、凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。

⒈按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮它是凸轮的最基本型式。

这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件，如图4-1。

（2）移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。

在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。

（3）圆柱凸轮(圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。

凸轮机构种类认识及选用目录1.凸轮机构认识2.常见凸轮机构约束方法3.凸轮机构简要说明4.凸轮曲线5.凸轮机构的设计6.凸轮材料7.凸轮加工8.凸轮应用9.凸轮的设计要点FollowerPressure anglePitch curveCam profile Base circle 1、凸轮机构的相关术语一、凸轮机构认识凸轮机构的相关术语说明1.凸轮理论廓线:从动件(推杆)对凸轮作相对运动时,从动件上的参考点(尖端从动件的尖端和滚子从动件的滚子中心等)在凸轮平面上所面的曲线.2.凸轮工作廓线:与从动件直接接触的凸轮轮廓曲线,也称凸轮实际廓线.3.压力角:凸轮给从动件的正压力方向(即接触点的公法线nn 方向)与从动件受力点速度v方向间所夹的锐角.4.基圆及其半径:以凸轮转动中心o为圆心,凸轮理论廓线的最小半径为半径所画的圆称为基圆,其半径称为基圆半径,以Rb表示.a)圆端直动从动杆移动凸轮b)圆端直动从动杆移动凸轮(从动型)c)圆端摆动从动杆移动凸轮d)圆端直动从动杆平面凸轮e)圆端摆动从动杆平面凸轮f )平端直动从动杆平面凸轮一、凸轮机构认识2、凸轮机构的简介一、凸轮机构认识g)平端摆动从动杆平面凸轮h)圆端直动从动杆沟槽凸轮i)圆端摆动从动杆沟槽凸轮j)等幅凸轮k)共轭凸轮(摆动从动件)l)共轭凸轮(直动从动件)一、凸轮机构认识m)平行分度凸轮n)圆端直动从动杆端面凸轮o)圆端摆动从动杆端面凸轮p)圆端直动从动杆圆柱凸轮q)圆端直动从动杆凸缘凸轮r)筒形凸轮s)弧面凸轮三.凸轮机构简要说明基圆指从动件在停留角的状态下走过的凸轮轮廓的最小半径所在的圆.φ从动件运动方向凸轮法向方向压力角指运动接触点的凸轮法向方向与从动件运动方向的夹角压力角越小越好,设计时直动的压力角应<20 °,摆动从动件可以略大四.凸轮曲线凸轮曲线指凸轮驱动的从动件的运动曲线,横轴为时间,纵轴为位移.四.凸轮曲线目前常用的2种凸轮曲线:修正梯形修正正弦四.凸轮曲线由此根据时间和位移的比例关系来确定有量纲的s,v,a,j值.例n=200rpm,stroke=3mm,MS凸轮曲线,升程角60°,圆端直动从动杆平面凸轮机构,根据无量纲参数可以求出v m,a m,j m1.凸轮转速(200/60)*360=1200°/s2.升程时间t h=60/1200=0.05s3.v m=(stroke/t h)*V m=(3/0.05)*1.76=105.6mm/s4.a m=(stroke/t h2)*A m=(3/0.052)*5.528=6633.6mm/s25.j m=(stroke/t h3)*J m=(3/0.053)*69.47=1667280mm/s3(j m是反映加速度变化快慢的参数,可以理解为接触点受力变化的程度.)五.凸轮机构设计1.顶切2.浮起凸轮设计时应注意凸轮的曲率半径的问题.1.顶切,在设计中先确定cam follower 中心的运动曲线,然后再决定凸轮的轮廓曲线时若ρ凸min <r cam follower ,发生顶切现象.2.浮起,在设计中如果ρ凹min <r cam follower , cam follower 不能到达最低段,发生浮起现象.曲率半径影响凸轮表面的接触应力,曲率半径一般取ρ凹min >2r cam follower ,越大越好.平滑的样式Rc作为设计计算时的基圆半径Rcθ*Rc可以将此凸轮曲线转化为平面凸轮圆半径五.凸轮机构设计以端子插针机为例介绍凸轮机构设计步骤:1.分析插针动作确定使用凸轮数量目前厂内端子插针有下列三个动作a.端子裁切端子与料带分离,与Holder夹紧端子b.端子插入端子插入HSGc.Holder回位holder张开保证端子脱离上述三个动作是按时间配合的独立动作,因此需要三个凸轮来完成.五.凸轮机构设计2.时序确定Punchholderinsertcam曲线的类型45 °时从动件的位置凸轮旋转方向(正时针,逆时针)凸轮基圆半径strokevAJθR10deg五.凸轮机构设计5.草图设计根据速度,加速度,跳动,求出凸轮机构所需要的动力,以裁切凸轮为例计算.a.量纲转换n=600rpm=10*2*3.14rad/sV max=6.72*10-3*3.14*10*2=0.42m/s, 裁切时的速度约为最大速度a max=26.9*10-3*(3.14*10*2)2=106m/s2b.裁切工作负载F=t*L*σ=0.2*4*53=42kgfc.惯性负载F=m*a max=0.1*106=1kgfd.裁切功率P=F*v=43*9.8*0.42=180we.裁切扭矩T=P/ω=180/(3.14*2*10)=2.9N*mf.马达选取Panasonic MSMD042G1U 400w未考虑凸轮机构约束弹簧的力,阻尼等因子,因此有必要在马达前加减速机,确保能提供所需的扭矩..五.凸轮机构设计345k=4N/mmF0=2*3*4=24N五.凸轮机构设计6.凸轮机构约束弹簧的选定约束弹簧的选定可以根据计算,也可以根据图解法得出,以裁切凸轮为例.•计算法:假设滚子刚好脱离凸轮便力平衡的方程m从动件质量a从动件加速度k弹簧系数y从动件位移F0弹簧初始张力α=F0/(k*y h)ma+ky+F0=0 (未考虑粘性阻力系数,摩擦力)0.3*106-k*1.5-2*3*k=0K=4.2N/mm 与图解法相近.Punchholderinsertcam五.凸轮机构设计7.凸轮图面图面中应该注明的要素有a.凸轮的外形尺寸b.时序c.stroked.cam follower 尺寸e.凸轮从动件运动的方式f.凸轮曲线类型g.凸轮旋转方向h.凸轮加工的技术要求i.凸轮材料,表面处理的方式六.凸轮材料凸轮和滚子的材料应该由足够的接触强度和良好的耐磨性.1.提高表面硬度可以提高接触强度2.耐磨性与材料的表面硬度有关,硬度越高,耐磨性越好.3.耐磨性与凸轮和滚子材料的搭配业有关.淬硬钢与磷青铜耐磨性好,但未淬硬钢与青铜之间的耐磨性就差.凸轮的材料有很多,目前使用的有SKD11,SCM440等,它们都应做表面处理,高频表面淬火,渗氮等.滚子一般都是外购标准品.七.凸轮加工1.直动凸轮X,Y联动工作台可以实现直动凸轮加工,刀具的直径可以比滚子直径小.七.凸轮加工2.平面凸轮X,Y轴联动加工刀具直动,凸轮旋转联动加工加工平面的沟槽凸轮时,精加工的阶段采用立铣刀的直径与滚子相同.七.凸轮加工3.圆柱凸轮直动从动件圆柱凸轮采用刀具直动,凸轮旋转联动加工,精加工的阶段采用立铣刀的直径与滚子相同.摆动从动件圆柱凸轮采用刀具X,Y联动,凸轮旋转联动加工,精加工的阶段采用立铣刀的直径与滚子相同.4. 双滚子空间凸轮实际运用:裁切.插针.夹持八.凸轮应用5. 盘形槽式凸轮实际运用:压入.辅助定位.植入一般槽凸轮均会有接触点不再同一侧的问题，这使滚子在沟槽内的运动时而正转、时而逆转，使滚子与沟槽产生相互撞击影响凸轮与滚子的寿命。