自動化設計基礎知識ppt課件

自動化設計的基礎知識培訓講師 劉世標 1 自動化設備的概況和組成2 液壓傳動和氣壓傳動3 工件的定位和夾緊 一 自動化設備的概況和組成 自動化設備的優(yōu)點提高產品的性能和質量節(jié)約能源及材料消耗提高勞動生產效率改善勞動條件和減輕工人勞動強度能使企業(yè)擺脫員工對產品熟練程度的依賴性自動化設備在實際生活中的應用用機械來代替人工做動力的自動化技術在生產過程及業(yè)務處理過程中由檢測 控制 計算等環(huán)節(jié)產生的大量信息處理的自動化技術 自動化設備的組成一 機械部分1 原動機主要包括電動機和內燃機等 2 傳動機構要包括機械傳動 帶傳動 鏈傳動 齒輪傳動等 氣壓傳動和液壓傳動 在實際的自動化設計和應用中 是它們中兩者或三者的結合 氣壓傳動和液壓傳動在工業(yè)特別在輕工業(yè)中的應用越來越廣泛 它是接下來要重點討論的一個課題 3 定位機構和夾緊機構它能使工件在設備上的位置實現(xiàn)唯一性 使裝配件與被裝配件之間的自由度得到合理的控制 從而實現(xiàn)自動化生產和裝配 它也是接下來要重點討論的一個課題 4 控制和調節(jié)裝置這里談的控制與接下來電器中的控制是不一樣的 這里主要是一些液壓和氣壓控制回路 速度控制回路及方向控制回路5 執(zhí)行元件主要包括氣缸 馬達 油缸 真空吸盤及機械手等6 輔助裝置它們主要包括一些油箱 過濾器 蓄能器 消聲器和油霧器 管路和管接頭等 二 電氣部分1 自動控制系統(tǒng) 匯編語言 單片機及PLC程序2 自動控制系統(tǒng)中常用的的檢測和執(zhí)行元器件檢測元件主要有傳感器 接近開關 行程開關 編碼器及磁感應開關等 執(zhí)行元器件主要包括步進電機 伺服電機 真空發(fā)生器及磁粉離合器等 二 液壓和氣壓傳動基礎知識 一 液壓和氣壓傳動的現(xiàn)狀及應用液壓傳動有很多突出的特點 因此它的應用非常廣泛 如一般工業(yè)的塑料加工機械 壓力機械 機床等 行走機械中的工程機械 農業(yè)機械 汽車等 鋼鐵工業(yè)中的冶金機械 提升裝置 軋輥調整裝置等 氣壓傳動的應用也相當普遍 許多機器設備中都有氣壓傳動系統(tǒng) 在工業(yè)各領域 如機械 電子 鋼鐵 運輸車輛及制造 橡膠 紡織 化工 食品 包裝 印刷和煙草等領域氣壓傳動技術已成為基本組成部分 液壓傳動的特點與電動機相比 在同等體積下 液壓裝置能產生更大的動力 也就是說在同等的功率下 液壓裝置的體積小 重量輕 液壓裝置工作平穩(wěn) 換向沖擊小 便于實現(xiàn)頻繁換向 液壓裝置很容易實現(xiàn)過載保護 能實現(xiàn)自潤滑 使用壽命長 液壓裝置容易作到對速度的無級調節(jié) 并且對速度的調節(jié)還可以在工作中進行 液壓裝置易于實現(xiàn)自動化 很方便對液體的流動方向 壓力和流量進行調節(jié)和控制 并能很容易地和電氣 電子控制和氣壓控制結合起來 實現(xiàn)復雜的運動和操作 液壓元件易于實現(xiàn)系列化 標準化和通用化 便于設計 制造和推廣使用由于液壓傳動中的泄露和液體的可壓縮性使這種傳動無法保證嚴格的傳動比 液壓傳動有很多的能量損失 泄露損失 沿程壓力損失 局部壓力損失等 因此傳動效率相對很低 液壓傳動對油溫的變化比較敏感 不宜在較高或較低的溫度下工作 液壓傳動在出現(xiàn)故障時不易診斷 氣壓傳動的特點氣壓傳動的工作介質是空氣 它取之不盡用之不竭 用后的空氣可以排到大氣中去 不會污染環(huán)境 氣壓傳動的工作介質粘度很低 所以流動阻力很小 壓力損失小 可以便于集中供氣和遠距離輸送 氣壓傳動對環(huán)境的適應性好 在易燃 易爆 多塵埃 強輻射 振動等惡劣工作環(huán)境下仍能可靠地工作 氣壓傳動動作速度及反應快 液壓油在管道中的流動速度一般為1 5m s 而氣體流速可以大于10m s 甚至接近聲速 因此在0 02 0 03s內即可以達到所要求的工作壓力和速度 氣壓傳動有較好的自保持能力 即使壓縮機停止工作 氣閥關閉 氣壓傳動系統(tǒng)仍能維持一個穩(wěn)定的氣壓 而液壓傳動要維持一定的壓力 需要能源裝置或在系統(tǒng)中增加蓄能器 氣壓傳動在一定的超負載工況下也能保證系統(tǒng)安全工作 不易發(fā)生過熱現(xiàn)象 氣壓傳動系統(tǒng)的工作壓力低 工作氣壓一般在0 2 1Mpa之間 比較常用的0 4Mpa左右 由于空氣的可壓縮性大 因此氣壓傳動的速度穩(wěn)定性差 很難控制系統(tǒng)的位置精度 氣壓傳動系統(tǒng)的噪聲大 尤其是排氣時 需加銷聲器 氣壓傳動工作介質本身沒有潤滑性 需加油霧器進行潤滑 二 液壓和氣動系統(tǒng)的基本組成1 液壓系統(tǒng)的基本組成它由油箱 過濾器 液壓泵 溢流閥 開停閥 節(jié)流閥 換向閥和液壓缸組成 2 氣壓系統(tǒng)的基本組成它由空氣壓縮機 后冷卻器 除油器 干燥氣 儲氣罐 過濾器 減壓閥 壓力表 油霧器 換向閥和氣缸組成 在實際的應用中 除油器 減壓閥和油霧器做成一個整體 稱為氣源處理三聯(lián)件 AIRTAC氣動產品里的代號為AFR 三 液壓和氣壓傳動的執(zhí)行元件1 液壓傳動中的執(zhí)行元件是油缸 氣壓傳動中的執(zhí)行元件是氣缸 2 油缸和氣缸的品牌進口的 AIRTAC 臺灣亞德克 SMC 日本 英國的諾冠 美國的派克等國產的 佛山的實用 肇慶的方大等3 油缸和汽缸的基本參數結構型式缸徑行程安裝方式 雙軸復動型氣缸 單軸彈簧壓出型氣缸 氣缸的工作條件如上圖氣缸常用的缸徑和行程如上圖 四 液壓和氣壓傳動的控制調節(jié)元件1 方向控制閥單向閥分為普通單向閥 液控單向閥 梭閥和雙壓閥 換向閥復動氣缸常采用兩位五通電磁換向閥 單動氣缸常采用兩位三通電磁換向閥 油缸的換向閥常采用三位五通閥 油缸的換向閥需要有中位功能 2 壓力控制閥主要有溢流閥 減壓閥 順序閥和壓力繼電器3 流量控制閥主要有節(jié)流閥和調速閥等 調速閥實際上是一個節(jié)流閥和等差減壓閥的組合體 五 液壓和氣壓傳動的輔助元件1 蓄能器和儲氣罐液壓傳動系統(tǒng)一般采用蓄能器 氣壓傳動系統(tǒng)一般采用儲氣罐 2 過濾器主要分為粗過濾器 普通過濾器和精過濾器三種 3 油箱 熱交換器 壓力表 油霧器和銷聲器 六 液壓和氣壓傳動回路1 方向控制回路它主要分為一般方向控制回路和復雜方向控制回路 一般方向控制回路 一個換向閥控制一個汽缸或油缸 復雜方向控制回路 時間控制制動式和行程控制制動式兩種2 壓力控制回路 它主要分為調壓回路 減壓回路 增壓回路 保壓回路 卸荷回路 平衡回路和釋壓回路等組成 3 速度控制回路它主要有節(jié)流式調速回路 調速閥式調速回路 容積式調速回路 容積節(jié)流式調速回路 快速回路和速度換接回路 速度換接回路在后面的章節(jié)中介紹 4 多缸運動控制回路它主要包括順序運動回路 同步運動回路和運動互不干擾回路 順序運動回路在后面的章節(jié)中介紹 5 其他控制回路主要有氣壓延時回路和氣壓往復運動回路 氣壓延時回路是一個兩位三通氣控閥和一個單向節(jié)流閥組成 氣壓往復運動回路在后面的章節(jié)中介紹 七 典型的氣壓回路案例分析1 行程閥控制的單往復回路系統(tǒng)原理圖見右圖 功能簡介 按下手動換向1的手柄 氣控換向閥3切換 氣缸右行 當撞塊碰下行程閥2 氣控換向閥3復位 氣缸自動退回 2 行程閥控制的連續(xù)往復動作回路系統(tǒng)原理圖見右圖功能簡介 當按下手動換向閥1的手柄 氣控換向閥4切換 氣缸右行 此時由于二位二通機動換向閥3復位而將控制氣路斷開 氣控換向閥4不能復位 當活塞繼續(xù)前行到終點 撞塊碰下二位二通機動換向閥2時 氣控換向閥4中的控制氣經閥排出 氣控換向閥4在彈簧的作用下復位 氣缸自動返回 當活塞返回到終點時 壓下機動換向閥3 氣控換向閥4再次切換 重復上述循環(huán)動作 只有斷開手動換向閥1 方可使連續(xù)往復動作的的活塞返回到原位置時停止 3 行程閥控制的快慢速換接回路氣動系統(tǒng)原理圖如上圖功能簡介 當電磁閥7左端得到信號 電磁閥7氣路換到左端 壓縮氣通過電磁閥7 單向節(jié)流閥5進入到氣缸左端推動活塞桿右行 壓縮氣經單向節(jié)流閥6 電磁閥7排到大氣中 直到撞塊壓下行程開關 換向閥3得到信號 直接將氣路接通 壓縮氣直接經換向閥3排到大氣中 由于沒有經過接流閥 汽缸的速度非?？?汽缸返回的原理跟壓出基本一樣 4 行程開關和電磁閥控制的順序運動回路系統(tǒng)原理圖如上圖功能簡介 電磁換向閥7通電后 左氣缸按箭頭 的方向右行 當它右行到預定的位置時 擋塊壓下行程開關2 發(fā)出信號使電磁閥8的電磁鐵通電 右氣缸按箭頭 的方向右行 當它右行到預定的位置時 擋塊壓下行程開關4 發(fā)出信號使電磁閥7的電磁鐵斷電 左氣缸按箭頭 的方向左行 當它左行到原位時 擋塊壓下行程開關1 發(fā)出信號使電磁閥8的電磁鐵斷電 左氣缸按箭頭 的方向左行 當它左行到原位時 擋塊壓下行程開關3 發(fā)出信號表明整個工作循環(huán)結束 三 工件的定位和夾緊 目的和要求 通過學習工件定位的概念 方法 原理 六點定則 和工件常見定位方式及定位元件 能夠合理選擇定位元件 初步具備設計和分析工件定位方案的能力 內容摘要 一 工件定位的概念及方法二 工件定位的基本原理三 常見的定位方式及定位元件四 對定位元件的基本要求 一 工件定位的概念及方法 1 工件定位的概念工件在加工或裝配之前 使工件在設備或夾具上占據某一正確位置的過程稱為定位 工件定位后將其固定 使其在加工過程中保持定位位置不變的操作稱為夾緊 工件定位 夾緊的過程合稱為裝夾 2 工件定位的方法 1 直接找正定位法在機床上利用劃針或百分表等測量工具 儀器 直接找正工件的位置的方法稱為直接找正定位法 2 劃線找正定位法先根據工序簡圖在工件上劃出中心線 對稱線和加工表面的加工位置線等 然后再在機床上按劃好的線找正工件位置的方法稱為劃線找正法 3 利用夾具定位法中批以上生產中廣泛采用專用夾具定位 二 工件定位的基本原理 1 六點定則工件所具有的運動的可能性 稱為工件的自由度 如果把工件放在空間直角坐標系中來描述 工件具有六個自由度 即沿x y z軸移動和繞x y z軸轉動的六個自由度 可分別用x y z 表示沿x y z 軸移動的自由度 工件的定位 實質上就是限制工件應該被限制的自由度 即若要確定工件在某坐標方向上的位置 就需且只需用一個定位支承點限制工件在該方向上的自由度 用六個合理布置的定位支承點限制工件的六個自由度 就可使工件的位置完全確定 此稱為工件定位的 六點定位 如圖1所示 在空間直角坐標系的O面上布置三個定位支承點1 2 3 使工件的底面與三點相接觸 則該三點就限制了工件的三個自由度 同理 在O面上布置兩個定位支承點4 5與工件側面相接觸 就可限制工件兩個自由度 在O面上布置一個定位支承點與工件的另一側面接觸 就可限制工件最后一個的自由度 從而使工件的位置完全確定 任何一個工件 如果對其不加任何限制 那么 它在空間的位置是不確定的 可以向任意方向移動或轉動 工件所具有的這種運動的可能性 稱為工件的自由度 如果把工件放在空間直角坐標系中來描述 則工件具有六個自由度 即沿x y z軸移動和繞x y z軸轉動的六個自由度 可分別用x y z 表示沿x y z 軸移動的自由度 工件的定位形式 1 完全定位用六個合理布置的定位支承點限制工件的六個自由度 使工件位置完全確定的定位形式稱為完全定位 2 不完全定位工件被限制的自由度少于六個 但能滿足加工技術要求的定位形式稱為不完全定位 3 過定位兩個或兩個以上的定位支承點同時限制工件的同一個自由度的定位形式稱為過定位 也常稱為超定位或重復定位 可以通過改變定位元件的結構形狀而避免了過定位的現(xiàn)象 欠定位現(xiàn)象 根據裝配技術要求應限制的自由度沒有被限制 這種定位現(xiàn)象稱為欠定位現(xiàn)象 欠定位現(xiàn)象是不允許出現(xiàn)的 因為其不能保證工件的裝配技術要求 工件在夾具中的定位 并不是用定位支承點 而是用各種不同結構與形狀的定位元件與工件相應的定位基準面相接觸或配合實現(xiàn)的 工件上的定位基準面與相應的定位元件的工作表面合稱為定位副 定位副的選擇及其制造精度直接影響工件的定位精度和夾具的制造及使用性能 常見的定位方式及定位元件 常見的工件定位方式有四種 即工件以平面為定位基準面 工件以內孔為定位基準面 工件以外圓為定位基準面和工件以一面兩孔為定位基準面 1 工件以平面為定位基準面工件以平面作為定位基準面時 常用的定位元件有以下幾種 1 支承釘一個支承釘相當于一個支承點 可限制工件一個自由度 2 支承板支承板適用于工件以精基準定位的場合 工件以大平面與一大 寬 支承板相接觸定位時 該支承板相當于三個不在一條直線上的定位支承點 可限制工件三個自由度 一個窄長支承板相當于兩個定位支承點 可限制工件兩個自由度 工件以一個大平面同時與兩個窄長支承板相接觸定位時 這兩個窄長支承板相當于一個大 寬 支承板 限制工件三個自由度 上述支承釘與支承板是固定在夾具體上使用的 因此 也稱為固定支承 如圖2所示為三種標準支承釘 其中平頭支承釘多用于工件以精基準定位 球頭支承釘和齒紋支承釘適用于工件以粗基準定位 支承釘與夾具體上孔的配合為H7 r6或H7 n6 若支承釘需經常更換時 可加襯套 其外徑與夾具體孔的配合亦為H7 r6或H7 n6 內徑與支承釘的配合為H7 js6 當使用幾個A型支承釘 處于同一平面 時 裝配后應一次磨平其工作表面 以保證其等高性要求 如圖3所示為兩種標準支承板 其中A型支承板結構簡單 緊湊 但切屑易落入螺釘頭周圍的縫隙中 且不易清除 因此 多用于側面和頂面的定位 B型支承板在工作面上有45 的斜槽 且能保持與工件定位基準面連續(xù)接觸 清除切屑方便 所以多用于底面定位 根據定位的需要 也可按照工件定位基準面的具體輪廓形狀 設計非標準的定位支承板 如圖4所示的圓環(huán)支承板 3 可調支承可調支承是指高度可以調節(jié)的支承 一個可調支承限制工件一個自由度 必須注意 可調支承在一批工件加工之前只調整一次 在同一批工件加工中 其位置保持不變 作用相當于固定支承 所以 可調支承在調整后必須用鎖緊螺母鎖緊 4 自位支承 浮動支承 自位支承是在工件定位過程中 能隨工件定位基準面的位置變化而自動與之適應的多點接觸的浮動支承 其作用仍相當于一個定位支承點 限制工件的一個自由度 由于接觸點數目的增多 可提高工件的支承剛度和定位穩(wěn)定性 適用于粗基準定位或工件剛度不足的定位情況 可調支承可調支承是指高度可以調節(jié)的支承 如圖5所示 自位支承 浮動支承 自位支承是在工件定位過程中 能隨工件定位基準面的位置變化而自動與之適應的多點接觸的浮動支承 其作用仍相當于一個定位支承點 限制工件的一個自由度由于接觸點數目的增多 可提高工件的支承剛度和定位穩(wěn)定性適用于粗基準定位或工件剛度不足的定位情況 如圖6所示 2 工件以內孔為定位基準面工件以內孔作為定位基準面時 常用的定位元件有以下幾種 1 定位銷可限制工件兩個自由度 其工作表面直徑的基本尺寸與相應的工件定位孔的基本尺寸相同 其精度可根據工件加工精度 定位基準面的精度和工件裝卸的方便 按g5 g6 f6 f7制造 如圖7a b c所示為固定式定位銷 可直接用過盈配合 H7 r6或H7 n6 裝配在夾具體上 在大批大量生產中 定位銷使用一段時間后 會因磨損而不能再用 必須更換新的 可采用可換式定位銷 如圖7d所示可換式定位銷 襯套外徑與夾具體的配合為H7 n6 襯套內徑與可換式定位銷的配合為H7 h6或H7 h5 當工件以內孔和端面組合定位時 常采用帶臺肩的定位銷或定位銷與支承板等定位元件組合使用 如圖8所示為一非標準的帶臺肩的定位銷 如圖7d所示可換式定位銷 襯套外徑與夾具體的配合為H7 n6 襯套內徑與可換式定位銷的配合為H7 h6或H7 h5 如圖8所示為一非標準的帶臺肩的定位銷 2 定位心軸如圖所示為常用的幾種心軸結構形式 圖9a所示為間隙配合心軸 工件裝卸比較方便 但定心精度不高 采用間隙配合心軸時 工件常以內孔和端面聯(lián)合定位 心軸限制工件4個自由度 心軸的小臺肩端面限制工件一個自由度 圖9b所示為過盈配合心軸 心軸由引導部分1 工作部分2以及與傳動裝置 如撥盤 雞心夾頭等 相聯(lián)系的傳動部分3組成 引導部分的作用是使工件迅速而正確地套在心軸上 心軸的工作部分應稍帶錐度 這種心軸制造簡單 定心精度高 無需另設夾緊裝置 但裝卸工件不便 且易損傷工件定位孔 多用于定心精度要求高的精加工場合 圖9c所示為花鍵心軸 用于加工以花鍵孔定位的工件 當工件既要求定心精度高 又要裝卸方便時 常以圓柱孔在小錐度心軸上定位 這類心軸工作表面的錐度很小 常為1 1000 1 5000 工件裝在心軸上楔緊后 靠孔產生的彈性變形而有少許過盈 從而消除間隙并產生摩擦力帶動工件回轉 不需另行夾緊 但因傳遞的扭矩較小 所以僅適用于工件定位孔精度不低于IT7的精車和磨削加工 3 圓錐銷如圖10所示為幾種圓錐銷的應用示例 其中圖A用于粗基準定位 圖b用于精基準定位 如圖9所示為常用的幾種心軸結構形式 如圖10所示為幾種圓錐銷的應用示例 其中圖a用于粗基準定位 圖b用于精基準定位 3 工件以外圓為定位基準面工件以外圓為定位基準面時 常用的定位元件有以下幾種 1 V形架工件以外圓定位時 最常用的定位元件是V形塊 如圖11所示為常用V形架的結構形式 其中圖a用于較短的外圓柱面定位 可限制工件兩個自由度 其余三種用于較長的外圓柱表面或階梯軸 可限制工件四個自由度 V形架的最大優(yōu)點是對中性好可使一批工件的定位基準 軸線 對中在V形架的兩斜面的對稱平面上 而不受定位基準面直徑誤差的影響 且裝夾很方便 除上述固定式V形架外 夾具上還經常采用活動 形架 如圖11所示為常用V形架的結構形式 如圖12所示為活動V形架的應用實例 活動V形架除具有定位作用外 還兼有夾緊作用 2 定位套如圖13所示為幾種常見的定位套 為了限制工件的軸向自由度 定位套常與其端面 支承板 配合使用 圖20a所示是工件以較長的外圓柱面在長定位套的孔中定位 限制了工件四個自由度 同時工件以端面在定位套的小端面上定位 限制了工件一個自由度 共限制了工件五個自由度 圖20b c所示是工件以較短的外圓柱面在短定位套的孔中定位 限制了工件的兩個自由度 同時 工件以端面在定位套的大端面上定位 限制了工件的三個自由度 共限制了工件五個自由度 定位套結構簡單 容易制造 但定心精度不高 只適用于工件以精基準定位 且為了便于工件的裝入 在定位套孔口端應有15 或30 的倒角或圓角 3 半圓套如圖14所示為兩種半圓套定位裝置 其下面的半圓套部分起定位作用 上面的半圓套部分起夾緊作用 半圓套定位裝置主要適用于大型軸類工件及從軸向進行裝卸不方便的工件 采用半圓套定位時 限制工件自由度的情況與圓套筒相同 但工件定位基準面的精度不應低于IT8 IT9 半圓套的最小內徑應取工件定位基準面的最大直徑 4 圓錐套如圖15所示為通用的外撥頂尖 工件以圓柱面的端部在外撥頂尖的錐孔中定位 限制了工件的三個移動自由度 錐孔內有齒紋 可帶動工件旋轉 頂尖體的錐柄部分插入機床主軸孔中 圓錐套不能單獨使用 應和其它定位元件共同配合使用 如圖13所示為幾種常見的定位套 如圖14所示為兩種半圓套定位裝置 其