机械制造装备设计习题解答.docx

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机械制造装备设计习题解答

“机械制造装备设计”部分习题解答

第一章：

1-3柔性化指的是什么？

试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。

其柔性表现在哪里？

答：

机械制造装备的柔性化是机床可以调整以满足不同工件加工的性能。

柔性化包括产品结构柔性化和功能柔性化。

按照柔性化从高到低排列应为：

普通机床、数控机床、加工中心、FMS、组合机床（专用机床）。

普通机床柔性化表现在功能多、适应性强，为功能柔性化；数控机床和加工中心改变加工程序即可适应新的需要，结构柔性化；FMS加工效率较高，改变调度和程序可适应新的需要，为结构柔性化；组合机床（专用机床）生产率高，专门设计，适应性差，基本上无柔性。

1-9机械制造装备设计有哪些类型？

它们的本质区别是什么？

答：

机械制造装备设计类型有创新设计、变型设计和模块化设计三种类型。

它们的本质区别：

创新设计是一种新的理论、概念的设计，变型设计是在原设计基础上改变部分部件、参数或者结构的设计，模块化设计是采用预先设计的模块进行组合的一种设计方法。

目前大多为变型设计，模块化设计缩短了新产品设计开发的时间，创新设计的产品很少。

1-15设计的评价方法很多，结合机械制造装备设计，指出哪些评价方法较为重要，为什么？

答：

设计的评价方法有：

技术经济评价、可靠性评价、人机工程学评价、结构工艺性评价、产品造型评价、标准化评价六种。

对于机械制造装备设计，这六种评价方法按重要程度由高向低排队一般是：

可靠性评价、人机工程学评价、结构工艺性评价、标准化评价、技术经济评价、产品造型评价。

其原因是机械制造装备投资较大，使用周期较长。

为了保证产品质量、降低成本、提高可靠性和竞争能力，六种评价都是不可缺少的。

可靠性评价对产品质量及可靠性进行评价；人机工程学评价产品设计在人机工程方面的合理性；结构工艺性评价是对产品结构便于加工制造的性能进行评价，以降低生产成本，缩短生产时间；技术经济评价综合评价产品技术的先进性和经济的合理性；标准化评价是在标准化方面对产品进行评价；而产品造型评价是对产品的外观设计的合理性和新颖性进行评价。

1-17可靠性指的是什么？

有哪些可靠性衡量指标？

它们之间有哪些数值上的联系？

答：

可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定任务的能力。

衡量指标有：

可靠度R（t）、累计失效概率F（t）、失效率、平均寿命和平均无故障工作时间、可靠寿命、维修度、修复率、平均修复时间等（P37-38）。

它们之间的主要联系：

F（t）=1-R（t）。

1-18从系统设计的角度，如何提高产品的可靠性？

答：

从系统设计角度，提高产品可靠性要提高其组成各单元的可靠性水平，因此要进行系统和单元可靠性的预测。

（P39）

此外要将系统可靠性指标合理分配到各组成单元中，明确各组成单元的可靠性设计要求。

（P42）

第二章：

2-4机床系列型谱含意是什么？

答：

先选择用量大的机床为“基型系列”，然后在此基础上派生出若干“变型系列”，基型和变型即为机床的系列型谱。

例如，中型卧式车床的简略系列型谱如表2-1所示（P76）。

2-8工件表面的形成方法是什么？

（P63）

答：

工件表面的形成方法有四种：

轨迹法，如图2-2（a）,（b）；成形法，如图2-2（c）,（d）；相切法，如图2-2（e）；展成法，如图2-2（f）。

2-11机床的复合运动、内联系传动链、运动轴的联动的含义及关系如何？

（P69-71）

答：

机床的复合运动：

运动之间有严格的运动关系（P65）。

如车床主轴旋转和车螺纹的纵向移动。

内联系传动链：

机床执行件及执行件之间的传动链成为内联系传动链，内链将两个或以上的运动组成复合成形运动。

车床车螺纹的传动链即为内联系传动链。

运动轴的联动：

数控机床各运动轴之间通过伺服电机联动可实现内链的复合成形运动，联动即为协调的运动。

2-14机床运动功能式和运动功能图表达的含义是什么？

答：

运动功能式（P67）：

表示机床运动的个数、形式（直线或回转运动）、功能（主运动、进给运动、非成形运动）及排列顺序，是描述机床运动功能最简洁的表达形式。

运动功能图（P68）：

及机床运动功能式对应的图成为运动功能图，如图2-4，又称机床运动原理图。

2-18机床运动分配式的含义是什么？

（P70）

答：

运动分配式：

带有接地符号“·”符号的运动功能式。

一个运动功能式可能有几种运动分配式。

如铣床运动功能式W/Xf,Zf,Yf,Cp/T，可能有下列4种运动分配式：

①W/·Xf,Zf,Yf,Cp/T

②W/Xf·Zf,Yf,Cp/T

③W/Xf,Zf·Yf,Cp/T

④W/Xf,Zf,Yf·Cp/T

2-20机床的主参数及尺寸运动参数根据什么确定？

（P80-81）

答：

对于通用机床，机床的主参数及尺寸参数主要根据国家标准GB/T15375-1994确定。

对于专用机床，应根据加工工件要求，参照通用机床的有关标准来确定。

机床的运动参数的确定主要依据所设计机床加工工件的尺寸、主传动类型和采用刀具的材质和类型等确定的。

比如车床的设计，一定材质的车刀所承受的切削速度是一定的，工件直径增大，主轴转速应减小；反之，工件直径减小，主轴转速应增大。

2-24什么是传动组的级比和级比指数？

常规变速传动系的各传动组的级比指数有什么规律性？

答：

级比：

主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值；用

表示；其中指数

称为级比指数，它相当于由相邻两传动线及从动轴交点之间相距的格数。

常规变速传动系的各传动组的级比指数有什么规律是：

基本组的级比指数X0=1；，第一扩大组的级比指数X1=P0（P0基本组的传动副数）；第二扩大组的级比指数X2=P0P1（P1为第一扩大组的传动副数）。

如12级传动的传动结构式为

，排列为基本组、一扩、二扩；下角标为级比指数。

2-26某车床的主轴转速为n=40～1800r/min，公比φ=1.41，电动机的转速n电=1440r/min，试拟定结构式、转速图；确定齿轮齿数、带轮直径、验算转速误差；画出主传动系图。

解：

（1）确定转速级数：

根据教材式（3-2），

其中

，所以转速级数

（2）确定传动结构式

选择传动方案：

，考虑到主传动设计前密后疏的原则，

传动结构式应为

，

（3）绘制转速图

根据表3-6标准数列，经圆整可以得到12级转速为：

40,56,80,112,160,224,315,450,630,900,1250,1800

确定定比传动比：

取轴Ⅰ的转速值为900r/min，则电机轴及轴Ⅰ的传动比为：

确定各变速组最小传动比

从转速点900r/min到40r/min共有10格，按照前缓后急的原则，第二变速组最小传动线下降2格；第一变速组最小传动线下降1格；第二变速组下降3格，第三变速组最小传动线下降4格，最大上升2格。

则，转速图如下：

（a）初步设计的转速图（b）最后确定的转速图

（4）传动系图设计（包括计算齿轮齿数、带轮直径）

参考教材p85，图3-13，可以得到本设计传动系图为

（5）验算实际转速误差

，及标注转速相比，没有误差；

，实际误差

；

，实际误差

。

……

转速误差小于5%，符合设计要求。

2-27某机床主轴转速n=100～1120r/min，转速级数Z=8，电动机转速n电=1440r/min，试设计该机床主传动系，包括拟定结构式和转速图，画出主传动系图。

解：

（1）计算公比

根据教材式（3-2），可以得到

，由于

，所以

（2）确定传动结构式

根据传动组和传动副拟定原则，可选方案有：

①Z=4×2；②Z=2×4；③Z=2×2×2

在方案①，②中，可减少一根轴，但有一个传动组内有四个传动副，增加传动轴轴向长度，所以选择方案③：

Z=2×2×2

根据前疏后密原则，选择结构式为：

8=21×22×24

（3）转速图的设计

根据表3-6标准数列，经圆整可以得到8级转速为：

100,140,200,280,400,560,800,1120r/min

确定定比传动比：

取轴Ⅰ的转速值为800r/min，则电机轴及轴Ⅰ的传动比为：

确定各变速组最小传动比

从转速点800r/min到100r/min共有6格，三个变速组的最小传动线平均下降两格，按照前缓后急的原则，第二变速组最小传动线下降2格；第一变速组最小传动线下降2-1=1格；第三变速组最小传动线下降2+1=3格。

（4）绘制转速图

（5）传动系简图设计

2-28试从

级变速机构的各种传动方案中选出其最佳方案，并写出结构式、画出转速图和传动系图。

解：

主传动最佳传动方案的传动结构式为

，基本组传动副为3，第一扩大组传动副为3，级比指数为3；第二扩大组传动副为2，级比指数为9。

根据标准数列表，取转速为：

31.5,40,50,63,80,100,125,160,200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1600。

设电机转速为1440r/min。

确定定比传动比：

取轴Ⅰ的转速值为800r/min，则电机轴及轴Ⅰ的传动比为：

定比传动皮带轮的直径分别为130和234mm。

确定各变速组最小传动比：

从转速点800r/min到31.5r/min共有14格，按照前缓后急的原则，基本组最小传动线下降2格，基本组相邻两变速组下降1格；第一变速组下降6格，其中相邻两变速组下降3格；第二变速组最小传动线下降6格，最大上升3格。

初步确定的转速图如图1所示。

图（a）初步设计确定的转速图图（b）确定齿轮齿数后的转速图

假定同一变速组内每对齿轮的齿数和相等，根据教材表2-8（p100--101），可以确定齿轮的齿数，齿轮齿数确定结果如图2所示。

（4）确定主轴的计算转速

根据教材表2-9（p103），中型通用机床主轴计算转速为：

r/min

图（c）设计的主传动系统图

2-29用于成批生产的车床，主轴转速n=45～500r/min，为简化机构采用双速电动机，n电=720/1440r/min，试画出该机床的转速图和传动系图。

解：

（1）计算公比确定转速级数

根据教材式（3-2），

，由于

，设转速级数Z=8，

则

，所以

（2）确定传动结构式

选择方案：

Z=2×2×2，根据前疏后密原则，考虑到电动机的情况，选择结构式为：

8=22×21×24

其中第一级是由双速电机确定的，实际变速箱的结构式为：

4=21×24。

（3）转速图的设计

根据表3-6标准数列，经圆整可以得到8级转速为：

45,63,90,125,180,250,355,500r/min

确定定比传动比：

取轴Ⅰ的转速值为710,355r/min，则电机轴及轴Ⅰ的传动比为：

确定各变速组最小传动比

从转速点355r/min到45r/min共有6格，按照前缓后急的原则，第一变速组最小传动线下降2格；第二变速组最小传动线下降4格。

（4）绘制转速图

（a）初步设计的转速图b）最后确定的转速图

（5）传动系简图设计

2-31求图2-61所示的车床各轴、各齿轮的计算转速。

解：

如下图所示，根据教材p103表2-9所示，各轴的计算转速用红色的圈标注在图中，各对齿轮中小齿轮的计算转速用红色箭头标注在图中。

2-32求图2-62中各齿轮、各轴的计算转速。

解：

如下图所示，根据教材p103表2-9所示，各轴的计算转速用红色的圈标注在图中，各对齿轮中小齿轮的计算转速用红色箭头标注在图中。

2-34数控机床主传动设计有哪些特点？

（P111-116）

答：

主传动采用直流或交流电动机无极调速；驱动电动机和主轴功率的匹配性设计；数控机床的高速主传动设计；采用部件标准、模块化结构设计；柔性化、复合化设计；并联机床设计。

（本题需要适当展开、解释！

）

2-36进给传动及主传动相比较，有哪些不同的特点？

答：

机床主传动设计特点：

主传动采用恒功率传动；除主轴之外，各轴计算转速为最低转速；转速图为前密后疏结构；采用背轮机构、双公比传动、双速电机等方式。

机床进给传动设计特点：

进给传动是恒转矩传动；各传动件的计算转速是其最高转速；转速图为前疏后密结构；变速范围可比主传动大；采用传动间隙消除机构；采用快速空程传动和微量进给机构。

第三章：

3-2主轴轴向定位方式有哪几种？

各有什么特点？

适用于那些场合？

（P145，如图3-4）

答：

前端配置：

前支承轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，刚度较高，适于高精度机床或数控机床。

后端配置：

前支承轴承较少，发热小大，温升低，但主轴受热伸长后向前伸长，影响轴向精度，适于普通机床，如立铣床、车床等。

两端配置：

当主轴受热伸长时，影响主轴承的轴向间隙，可采用弹簧消隙和补偿热膨胀措施，适于短主轴，如组合机床等。

中间配置：

可减少主轴的悬伸量，并使主轴热膨胀后向后伸长，但前支承复杂，温升较高。

3-9在支承件设计中，支承件应满足哪些基本要求？

（P162）

答：

（1）具有足够的刚度和刚度-质量比；

（2）具有较好的动态特性（动刚度大、低阶固有频率高、无薄壁噪声等）：

（3）热稳定性好；（4）排屑畅通、吊运安全，结构工艺性好。

3-10支承件常用的材料有哪些？

有什么特点？

（P166-167）

答：

铸铁：

铸造性能好、容易成型，具有一定的吸振性能，但综合机械性能较差、生产周期较长；钢板焊接结构：

生产周期短，综合机械性能较好，但抗振性能较差；预应力钢筋混凝土：

抗振性较好、成本较低，但脆性大，耐腐蚀性能差；天然花岗岩：

热稳定性好，精度保持性好，抗振性好，但脆性较大，抗冲击性能差；树脂混凝土：

刚度高，抗振性好，热稳定性好，密度较低。

3-12提高支承件结构刚度和动态性能有哪些措施？

（P168-170）

答：

提高机床支承件结构刚度和固有频率的方法是：

合理选择支承件材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理布置肋板和肋条，减少质量提高固有频率，改善支承件之间的接触刚度和及地基的联结强度。

提高动态性能的措施是：

改善阻尼特性（铸件砂芯不清除、充填型砂或混凝土；焊接结构采用断续焊缝、支承件表面采用阻尼涂层等），采用新材料制造支承件，如采用树脂混凝土材料制造支承件可使动刚度提高几倍。

3-14镶条和压板有什么作用？

（P174）

答：

压板的作用调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩；

镶条的作用是调整矩形和燕尾形导轨的侧向间隙，有平镶条和斜镶条两种。

3-15导轨的卸荷方式有哪几种？

各有什么特点？

（P178-179）

答：

机械卸荷、液压卸荷和自动调节气压卸荷三种，（各种卸荷导轨特点请自己总结！

）。

3-16提高导轨耐磨性有哪些措施？

（P183-184）

答：

导轨的预紧、导轨的润滑和防护、导轨的减摩处理（如导轨贴塑、涂层，滑动改滚动导轨、卸荷导轨等）。

（需要自己总结发挥！

）

3-19何谓端面齿盘定位？

有何特点？

（P193）

答：

齿盘定位是两个齿形相同的端面齿盘啮合而成的定位机构，由于啮合时各个齿的误差抵消，起到误差均化作用，定位精度高。

其特点是定位精度高、重复定位精度好、定位刚性好、承载能力大。

该机构在数控机床回转刀架、加工中心鼓轮式刀具库以及机床回转工作台分度、定位机构中得到应用。

3-20加工中心自动换刀装置包括些什么？

（P195）

答：

加工中心自动换刀装置包括：

刀具库（伺服驱动电机、传动机构、鼓轮式或链式结构等）、自动换刀机械手（驱动装置、传动机构、手臂和手爪等）等。

3-21加工中心上刀库的类型有哪些？

各有何特点？

（P195-196）

答：

有四种：

鼓轮式刀库、链式刀库、格子箱式刀库和直线式刀库。

鼓轮式刀库：

结构简单、紧凑，但刀具容量较小，鼓轮回转惯性较大。

链式刀库：

外形紧凑、占用空间较小、刀具容量大。

格子箱式刀库：

结构紧凑、空间利用率高、刀库容量较大，但布局不灵活。

直线式刀库：

结构简单、刀库容量较小。

第四章：

4-2工业机器人由哪几部分组成？

比较它们及数控机床组成的区别？

（P219-220）

答：

工业机器人由操作机、驱动单元和数控装置三部分组成。

操作机有机座、手臂、手腕和末端执行器组成。

数控机床由机床、驱动单元和数控装置等组成。

其中机床部分由立柱、支座、工作台、主轴箱刀具等部分组成。

工业机器人和数控机床的区别在操作机和机床部分，机器人的作用是搬运和操作工具，机床主要是加工工件，数控机床可以说是一种特殊的机器人。

4-19谐波减速器的工作原理是什么？

特点是什么？

了解在机器人设计中的一些典型用法。

（P235）

答：

工作原理：

谐波齿轮减速器由刚轮（内齿）、柔轮（外齿）和谐波发生器组成，柔轮在刚轮之内，谐波发生器在柔轮内部。

柔轮在波发生器作用下变成椭圆，使其长轴两端的齿及刚轮完全啮合，短轴完全脱开，其余的齿视回转方向的不同分别处于“啮入”、“啮处”状态，由于柔轮比刚轮少两个齿，当波发生器连续回转时，啮入啮出区将随着椭圆长短轴的相位的变化而依次变化，于是柔轮就相对于不动的刚轮沿波发生器转向相反的方向作低速回转。

其速比关系可以写成：

当波发生器主动，刚轮固定、柔轮从动时，波发生器及柔轮的减速比为

则传动比为：

当波发生器主动，柔轮固定、刚轮从动时，波发生器及刚轮的减速比为

式中：

zG,zR分别为刚轮和柔轮的齿数；nH,nR,nG分别为波发生器、柔轮和刚轮的转速。

谐波齿轮减速器体积小、结构紧凑，输入和输出同轴；在工业机械人底座、手臂和手腕的传动中使用很普遍，典型使用见图4-29（P245）。

4-20机器人的驱动方式有哪些？

如何选用？

（P238-240）

答：

机器人的驱动方式主要是电机驱动方式，有直流伺服电机、步进电机和交流伺服电机三种。

其特点是无需能量转换、控制灵活、使用方便，噪声较低、起动转矩大等，用于额定负载1kN以下的工业机器人。

液压和气压驱动方式，液压驱动主要在经济型机器人、重型工业机器人和喷漆机器人中使用；气压驱动主要在轻负荷搬运、上下料点位操作工业机器人中使用。

4-21机器人手臂设计要求是什么？

了解一些典型机器人手臂工作原理结构及特点。

（P241-245）

答：

（1）应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求；

（2）合理选择手臂截面形状，使用高强度的轻型材料；

（3）尽量减小手臂质量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏心力矩；

（4）设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动精确性和运动刚度。

典型机器人手臂结构如图4-22，图4-24，图4-27，图4-28和4-29.

4-23机器人手腕设计要求是什么？

了解一些典型的机器人手腕工作原理、结构和特点。

答：

（1）力求手腕结构紧凑，减轻其质量和体积；

（2）不应盲目增加手腕的自由度数，一般最多为三个自由度；（3）提高手腕动作的精确性，提高传动刚度，减小间隙反转回差；（4）设置限位开关和机械挡块，防止动作超限而造成事故。

典型结构见图4-31，图4-32，图4-33等。

4-31什么是智能机器人？

（P264）

答：

智能机器人是按照人工智能决定行动的机器人。

智能机器人分为适应控制机器人和学习控制机器人。

4-33在机械制造系统中工业机器人的选择及布局设计原则是什么？

（P267）

答：

（1）满足作业技术参数要求；

（2）性能价格比好；

（3）满足系统生产节拍的要求；

（4）在不发生干涉的条件下，优化及前后连接装备之间的布置，减小占地面积，缩短运动路径。

第六章：

6-2物流系统的组成环节有哪些？

物料系统设计时应满足哪些条件？

（P328,332）

答：

物流系统组成环节如图6-1所示，有原材料及配套件的调入、储存、加工制造、检验、装配、包装、成品储存、发送等。

物流系统设计应满足的条件：

连续性及流畅性；平行性及交叉性；比例性及协调性；均衡性及节奏性；准时性；柔性和适应性。

6-6目前机床间工件传输装置有哪几种？

各适用于哪些场合？

（P369-380）

答：

机床间工件传输装置有托盘及托盘交换器、随行夹具、传送装置、有轨运输小车、无轨运输小车。

托盘交换器常用于机床和传送装置的连接；随行夹具用于结构形状复杂而缺少可靠运输面工件传送、滚道和带式传送机用于机床之间或装配线上工件的传输、有轨运输小车和无轨运输小车则用于车间内FMS系统工件在机床或工作站之间运输和传送。

6-13自动化仓库的工作原理是什么？

（P388）

答：

如图6-73所示。

简单说是：

进库、传送、入库、出库、返回原始位置；（应详细叙述、发挥）

6-15车间物料设计的原则是什么？

（P346）

答：

（共6条，应回答！

）

6-16物料搬运装备的选择原则是什么？

（P354）

答：

（1）适用于短距离和低物流量简单传送装备，如叉车、电瓶车、传送滚道等。

（2）适用于短距离和高物流量复杂传送装备，如搬运机械手或机器人等。

（3）适用于长距离和低物流量简单运输设备，如汽车等运输车辆。

（4）适用于长距离和高物流量复杂运输装备，如火车、船舶等。

第七章：

7-1什么是机械加工生产线？

它的主要组成类型及特点有哪些？

（P393-394）

答：

机械加工生产线——将加工装备按照一定顺序依次排列，并用一些输送装置及辅助装置将它们连接成一个整体，使之能够完成工件的指定加工过程。

组成类型有：

通用机床生产线：

建线周期短，成本低，用于盘类、轴、套、齿轮等中小旋转体工件。

组合机床生产线：

由组合机床联机构成，主要适用于加工箱体及杂类工件大批量生产。

专用机床生产线：

设计制造周期长，成本高，适于加工结构特殊、复杂的工件，大量生产类型。

柔性连接生产线：

以数控机床为主，适应工件品种变化的能力强。

7-5简述生产节拍平衡和生产线分段的意义和相应的措施？

（P400-402）

答：

生产节拍平衡的意义：

对生产全部工序进行平均化，调整各作业负荷，以使各作业时间尽可能相近。

通过平衡，提高效率，减少工时，降低成本，减少在制品，实现有序流动。

生产线平衡措施是：

六条（P401，，需要总结归纳！

）

生产线分段的意义：

适应生产节拍平衡的需要和工件的输送的需要。

生产线分段的措施和场合：

四条（P401-402，需要总结归纳！

）

7-6提高生产线可靠性的主要手段有哪些？

（P403）

答：

（共5条，需要归纳总结！

）

7-8组合机床总体设计的内容有哪些？

（P410-421）

答：

主要是三图一卡的设计，包括绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床总联系尺寸图和编制生产率计算卡。

（需展开简介三图一卡的含义！

并注意三图一卡的定义。

）

7-10柔性制造系统的概念、组成及类型？

（P430-431）

答：

FMS概念：

是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统，是实现CIMS的基础，它具有CAD、数控编程、分布式数控、工夹具管理、数据采集和质量管理等功能，它能根据制造任务和生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。

FMS组成：

（1）加工子系统：

加工装备、辅助装备、工艺装备。

（2）物流子系统：

物料储存、传送和搬运。

物料指工件和刀具，典型的物流过程：

工件流，刀具流。

（3）控制子系统：

过程控制、过程监视。

上述为三种基本组成，还包括FMS的管理、操作及调整维护及编程等工作。

FMS类型：

根据所含机床的数量、机床结构的不同，可将柔性制造系统分为柔性制造装置（FMU）、柔性加工单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、柔性生产线（