機械制造裝備設計-習題解答

1、“機械制造裝備設計”部分習題解答第一章：1-3 柔性化指的是什么？試分析組合機床、普通機床、數控機床、加工中心和柔性制造系統(tǒng)的柔性化程度。其柔性表現在哪里？ 答：機械制造裝備的柔性化是機床可以調整以滿足不同工件加工的性能。柔性化包括產品結構柔性化和功能柔性化。按照柔性化從高到低排列應為：普通機床、數控機床、加工中心、FMS、組合機床（專用機床）。普通機床柔性化表現在功能多、適應性強，為功能柔性化；數控機床和加工中心改變加工程序即可適應新的需要，結構柔性化；FMS加工效率較高，改變調度和程序可適應新的需要，為結構柔性化；組合機床（專用機床）生產率高，專門設計，適應性差，基本上無柔性。1-9 機械

2、制造裝備設計有哪些類型？它們的本質區(qū)別是什么？ 答：機械制造裝備設計類型有創(chuàng)新設計、變型設計和模塊化設計三種類型。 它們的本質區(qū)別：創(chuàng)新設計是一種新的理論、概念的設計，變型設計是在原設計基礎上改變部分部件、參數或者結構的設計，模塊化設計是采用預先設計的模塊進行組合的一種設計方法。 目前大多為變型設計，模塊化設計縮短了新產品設計開發(fā)的時間，創(chuàng)新設計的產品很少。1-15 設計的評價方法很多，結合機械制造裝備設計，指出哪些評價方法較為重要，為什么？答：設計的評價方法有：技術經濟評價、可靠性評價、人機工程學評價、結構工藝性評價、產品造型評價、標準化評價六種。對于機械制造裝備設計，這六種評價方法按重要程

3、度由高向低排隊一般是：可靠性評價、人機工程學評價、結構工藝性評價、標準化評價、技術經濟評價、產品造型評價。其原因是機械制造裝備投資較大，使用周期較長。為了保證產品質量、降低成本、提高可靠性和競爭能力，六種評價都是不可缺少的?？煽啃栽u價對產品質量與可靠性進行評價；人機工程學評價產品設計在人機工程方面的合理性；結構工藝性評價是對產品結構便于加工制造的性能進行評價，以降低生產成本，縮短生產時間；技術經濟評價綜合評價產品技術的先進性和經濟的合理性；標準化評價是在標準化方面對產品進行評價；而產品造型評價是對產品的外觀設計的合理性和新穎性進行評價。1-17可靠性指的是什么？有哪些可靠性衡量指標？它們之間有

4、哪些數值上的聯系？ 答：可靠性是指產品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定任務的能力。 衡量指標有：可靠度R(t)、累計失效概率F(t)、失效率、平均壽命和平均無故障工作時間、可靠壽命、維修度、修復率、平均修復時間等（P37-38）。 它們之間的主要聯系：F(t)=1-R(t)。1-18 從系統(tǒng)設計的角度，如何提高產品的可靠性？答：從系統(tǒng)設計角度，提高產品可靠性要提高其組成各單元的可靠性水平，因此要進行系統(tǒng)和單元可靠性的預測。（P39）此外要將系統(tǒng)可靠性指標合理分配到各組成單元中，明確各組成單元的可靠性設計要求。（P42）第二章：2-4 機床系列型譜含意是什么？答：先選擇用量大的機床為“基型系

5、列”，然后在此基礎上派生出若干“變型系列”，基型和變型即為機床的系列型譜。例如，中型臥式車床的簡略系列型譜如表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種：軌跡法，如圖2-2(a),(b)；成形法，如圖2-2(c),(d)；相切法，如圖2-2(e)；展成法，如圖2-2(f)。2-11 機床的復合運動、內聯系傳動鏈、運動軸的聯動的含義及關系如何？（P69-71）答：機床的復合運動：運動之間有嚴格的運動關系（P65）。如車床主軸旋轉和車螺紋的縱向移動。內聯系傳動鏈：機床執(zhí)行件與執(zhí)行件之間的傳動鏈成為內聯系傳動鏈，內鏈將兩個或以上的運動組成復合成形

6、運動。車床車螺紋的傳動鏈即為內聯系傳動鏈。運動軸的聯動：數控機床各運動軸之間通過伺服電機聯動可實現內鏈的復合成形運動，聯動即為協調的運動。2-14 機床運動功能式和運動功能圖表達的含義是什么？答：運動功能式（P67）：表示機床運動的個數、形式（直線或回轉運動）、功能（主運動、進給運動、非成形運動）及排列順序，是描述機床運動功能最簡潔的表達形式。運動功能圖（P68）：與機床運動功能式對應的圖成為運動功能圖，如圖2-4，又稱機床運動原理圖。2-18 機床運動分配式的含義是什么？（P70）答：運動分配式：帶有接地符號“”符號的運動功能式。一個運動功能式可能有幾種運動分配式。如銑床運動功能式W /Xf

7、, Zf, Yf, Cp /T，可能有下列4種運動分配式：W /Xf, Zf, Yf, Cp/ TW /XfZf, Yf, Cp/ TW /Xf, ZfYf, Cp/ TW /Xf, Zf, YfCp/ T 2-20 機床的主參數及尺寸運動參數根據什么確定？（P80-81）答：對于通用機床，機床的主參數及尺寸參數主要根據國家標準GB/T 15375-1994確定。對于專用機床，應根據加工工件要求，參照通用機床的有關標準來確定。 機床的運動參數的確定主要依據所設計機床加工工件的尺寸、主傳動類型和采用刀具的材質和類型等確定的。比如車床的設計，一定材質的車刀所承受的切削速度是一定的，工件直徑增大，主

8、軸轉速應減?。环粗?，工件直徑減小，主軸轉速應增大。2-24 什么是傳動組的級比和級比指數？常規(guī)變速傳動系的各傳動組的級比指數有什么規(guī)律性？答：級比：主動軸上同一點傳往從動軸相鄰兩傳動線的比值；用表示；其中指數稱為級比指數，它相當于由相鄰兩傳動線與從動軸交點之間相距的格數。常規(guī)變速傳動系的各傳動組的級比指數有什么規(guī)律是：基本組的級比指數X0=1；，第一擴大組的級比指數X1=P0（P0基本組的傳動副數）；第二擴大組的級比指數X2=P0P1（P1為第一擴大組的傳動副數）。 如12級傳動的傳動結構式為，排列為基本組、一擴、二擴；下角標為級比指數。2-26某車床的主軸轉速為n=401800 r/min，

9、公比=1.41，電動機的轉速n電=1440 r/min，試擬定結構式、轉速圖；確定齒輪齒數、帶輪直徑、驗算轉速誤差；畫出主傳動系圖。解：(1)確定轉速級數：根據教材式（3-2）， 其中，所以轉速級數 (2) 確定傳動結構式選擇傳動方案：，考慮到主傳動設計前密后疏的原則，傳動結構式應為，(3)繪制轉速圖根據表3-6標準數列，經圓整可以得到12級轉速為：40, 56, 80, 112, 160, 224, 315, 450, 630, 900, 1250, 1800確定定比傳動比：取軸的轉速值為900r/min，則電機軸與軸的傳動比為： 確定各變速組最小傳動比從轉速點900 r/min到40r/m

10、in共有10格，按照前緩后急的原則，第二變速組最小傳動線下降2格；第一變速組最小傳動線下降1格；第二變速組下降3格，第三變速組最小傳動線下降4格，最大上升2格。則，轉速圖如下： (a) 初步設計的轉速圖 (b) 最后確定的轉速圖(4)傳動系圖設計（包括計算齒輪齒數、帶輪直徑）參考教材p85，圖3-13，可以得到本設計傳動系圖為(5)驗算實際轉速誤差，與標注轉速相比，沒有誤差；，實際誤差；，實際誤差。 轉速誤差小于5%，符合設計要求。2-27某機床主軸轉速n=1001120 r/min，轉速級數Z=8，電動機轉速n電=1440 r/min，試設計該機床主傳動系，包括擬定結構式和轉速圖，畫出主傳動

11、系圖。解：(1)計算公比根據教材式（3-2），可以得到，由于， 所以 (2)確定傳動結構式根據傳動組和傳動副擬定原則，可選方案有： Z=42； Z=24； Z=222在方案，中，可減少一根軸，但有一個傳動組內有四個傳動副，增加傳動軸軸向長度，所以選擇方案：Z=222 根據前疏后密原則，選擇結構式為： 8=212224 (3) 轉速圖的設計根據表3-6標準數列，經圓整可以得到8級轉速為：100, 140, 200, 280, 400, 560, 800, 1120 r/min確定定比傳動比：取軸的轉速值為800r/min，則電機軸與軸的傳動比為： 確定各變速組最小傳動比從轉速點800 r/min

12、到100r/min共有6格，三個變速組的最小傳動線平均下降兩格，按照前緩后急的原則，第二變速組最小傳動線下降2格；第一變速組最小傳動線下降2-1=1格；第三變速組最小傳動線下降2+1=3格。(4)繪制轉速圖(5)傳動系簡圖設計2-28 試從級變速機構的各種傳動方案中選出其最佳方案，并寫出結構式、畫出轉速圖和傳動系圖。 解：主傳動最佳傳動方案的傳動結構式為 ，基本組傳動副為3，第一擴大組傳動副為3，級比指數為3；第二擴大組傳動副為2，級比指數為9。根據標準數列表，取轉速為：31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500,

13、630, 800, 1000, 1250, 1600。 設電機轉速為1440r/min。確定定比傳動比：取軸的轉速值為800r/min，則電機軸與軸的傳動比為： 定比傳動皮帶輪的直徑分別為130和234mm。 確定各變速組最小傳動比：從轉速點800 r/min到31.5r/min共有14格，按照前緩后急的原則，基本組最小傳動線下降2格，基本組相鄰兩變速組下降1格；第一變速組下降6格，其中相鄰兩變速組下降3格；第二變速組最小傳動線下降6格，最大上升3格。初步確定的轉速圖如圖1所示。 圖(a) 初步設計確定的轉速圖 圖(b) 確定齒輪齒數后的轉速圖假定同一變速組內每對齒輪的齒數和相等，根據教材表2

14、-8(p100- -101)，可以確定齒輪的齒數，齒輪齒數確定結果如圖2所示。(4) 確定主軸的計算轉速根據教材表2-9(p103)，中型通用機床主軸計算轉速為：r/min 圖(c)設計的主傳動系統(tǒng)圖2-29 用于成批生產的車床，主軸轉速n=45500 r/min，為簡化機構采用雙速電動機，n電=720/1440 r/min，試畫出該機床的轉速圖和傳動系圖。解：(1)計算公比確定轉速級數根據教材式（3-2），由于，設轉速級數Z=8，則 ， 所以 (2)確定傳動結構式選擇方案：Z=222，根據前疏后密原則，考慮到電動機的情況，選擇結構式為： 8=222124其中第一級是由雙速電機確定的，實際變速

15、箱的結構式為：4=2124 。(3) 轉速圖的設計根據表3-6標準數列，經圓整可以得到8級轉速為：45, 63, 90, 125, 180, 250, 355, 500 r/min確定定比傳動比：取軸的轉速值為710, 355r/min，則電機軸與軸的傳動比為： 確定各變速組最小傳動比從轉速點355 r/min到45r/min共有6格，按照前緩后急的原則，第一變速組最小傳動線下降2格；第二變速組最小傳動線下降4格。(4)繪制轉速圖 (a) 初步設計的轉速圖 b) 最后確定的轉速圖(5)傳動系簡圖設計2-31 求圖2-61所示的車床各軸、各齒輪的計算轉速。 解：如下圖所示，根據教材p103表2-

16、9所示，各軸的計算轉速用紅色的圈標注在圖中，各對齒輪中小齒輪的計算轉速用紅色箭頭標注在圖中。2-32求圖2-62中各齒輪、各軸的計算轉速。解：如下圖所示，根據教材p103表2-9所示，各軸的計算轉速用紅色的圈標注在圖中，各對齒輪中小齒輪的計算轉速用紅色箭頭標注在圖中。2-34 數控機床主傳動設計有哪些特點？（P111-116） 答：主傳動采用直流或交流電動機無極調速；驅動電動機和主軸功率的匹配性設計；數控機床的高速主傳動設計；采用部件標準、模塊化結構設計；柔性化、復合化設計；并聯機床設計。 （本題需要適當展開、解釋！）2-36 進給傳動與主傳動相比較，有哪些不同的特點？答：機床主傳動設計特點：

17、主傳動采用恒功率傳動；除主軸之外，各軸計算轉速為最低轉速；轉速圖為前密后疏結構；采用背輪機構、雙公比傳動、雙速電機等方式。機床進給傳動設計特點：進給傳動是恒轉矩傳動；各傳動件的計算轉速是其最高轉速；轉速圖為前疏后密結構；變速范圍可比主傳動大；采用傳動間隙消除機構；采用快速空程傳動和微量進給機構。第三章：3-2 主軸軸向定位方式有哪幾種？各有什么特點？適用于那些場合？（P145，如圖3-4）答：前端配置：前支承軸承較多，發(fā)熱大，溫升高，但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，精度高，剛度較高，適于高精度機床或數控機床。后端配置：前支承軸承較少，發(fā)熱小大，溫升低，但主軸受熱伸長后向前伸長，影響軸向精

18、度，適于普通機床，如立銑床、車床等。兩端配置：當主軸受熱伸長時，影響主軸承的軸向間隙，可采用彈簧消隙和補償熱膨脹措施，適于短主軸，如組合機床等。中間配置：可減少主軸的懸伸量，并使主軸熱膨脹后向后伸長，但前支承復雜，溫升較高。3-9 在支承件設計中，支承件應滿足哪些基本要求？（P162） 答：(1)具有足夠的剛度和剛度-質量比；(2)具有較好的動態(tài)特性（動剛度大、低階固有頻率高、無薄壁噪聲等）：(3)熱穩(wěn)定性好；(4)排屑暢通、吊運安全，結構工藝性好。3-10 支承件常用的材料有哪些？有什么特點？（P166-167） 答：鑄鐵：鑄造性能好、容易成型，具有一定的吸振性能，但綜合機械性能較差、生產周

19、期較長；鋼板焊接結構：生產周期短，綜合機械性能較好，但抗振性能較差；預應力鋼筋混凝土：抗振性較好、成本較低，但脆性大，耐腐蝕性能差；天然花崗巖：熱穩(wěn)定性好，精度保持性好，抗振性好，但脆性較大，抗沖擊性能差；樹脂混凝土：剛度高，抗振性好，熱穩(wěn)定性好，密度較低。3-12 提高支承件結構剛度和動態(tài)性能有哪些措施？（P168-170） 答：提高機床支承件結構剛度和固有頻率的方法是：合理選擇支承件材料、截面形狀和尺寸、壁厚，合理布置肋板和肋條，減少質量提高固有頻率，改善支承件之間的接觸剛度和與地基的聯結強度。提高動態(tài)性能的措施是：改善阻尼特性（鑄件砂芯不清除、充填型砂或混凝土；焊接結構采用斷續(xù)焊縫、支承

20、件表面采用阻尼涂層等），采用新材料制造支承件，如采用樹脂混凝土材料制造支承件可使動剛度提高幾倍。3-14 鑲條和壓板有什么作用？（P174）答：壓板的作用調整輔助導軌面的間隙和承受顛覆力矩；鑲條的作用是調整矩形和燕尾形導軌的側向間隙，有平鑲條和斜鑲條兩種。3-15 導軌的卸荷方式有哪幾種？各有什么特點？（P178-179） 答：機械卸荷、液壓卸荷和自動調節(jié)氣壓卸荷三種，（各種卸荷導軌特點請自己總結?。?-16 提高導軌耐磨性有哪些措施？（P183-184） 答：導軌的預緊、導軌的潤滑和防護、導軌的減摩處理（如導軌貼塑、涂層，滑動改滾動導軌、卸荷導軌等）。（需要自己總結發(fā)揮?。?-19 何謂端

21、面齒盤定位？有何特點？（P193）答：齒盤定位是兩個齒形相同的端面齒盤嚙合而成的定位機構，由于嚙合時各個齒的誤差抵消，起到誤差均化作用，定位精度高。其特點是定位精度高、重復定位精度好、定位剛性好、承載能力大。該機構在數控機床回轉刀架、加工中心鼓輪式刀具庫以及機床回轉工作臺分度、定位機構中得到應用。3-20 加工中心自動換刀裝置包括些什么？（P195） 答：加工中心自動換刀裝置包括：刀具庫（伺服驅動電機、傳動機構、鼓輪式或鏈式結構等）、自動換刀機械手（驅動裝置、傳動機構、手臂和手爪等）等。3-21 加工中心上刀庫的類型有哪些？各有何特點？（P195-196）答：有四種：鼓輪式刀庫、鏈式刀庫、格子

22、箱式刀庫和直線式刀庫。鼓輪式刀庫：結構簡單、緊湊，但刀具容量較小，鼓輪回轉慣性較大。鏈式刀庫：外形緊湊、占用空間較小、刀具容量大。格子箱式刀庫：結構緊湊、空間利用率高、刀庫容量較大，但布局不靈活。直線式刀庫：結構簡單、刀庫容量較小。第四章：4-2 工業(yè)機器人由哪幾部分組成？比較它們與數控機床組成的區(qū)別？（P219-220） 答：工業(yè)機器人由操作機、驅動單元和數控裝置三部分組成。操作機有機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器組成。數控機床由機床、驅動單元和數控裝置等組成。其中機床部分由立柱、支座、工作臺、主軸箱刀具等部分組成。工業(yè)機器人和數控機床的區(qū)別在操作機和機床部分，機器人的作用是搬運和操作工具，機床

23、主要是加工工件，數控機床可以說是一種特殊的機器人。4-19 諧波減速器的工作原理是什么？特點是什么？了解在機器人設計中的一些典型用法。（P235）答： 工作原理：諧波齒輪減速器由剛輪（內齒）、柔輪（外齒）和諧波發(fā)生器組成，柔輪在剛輪之內，諧波發(fā)生器在柔輪內部。柔輪在波發(fā)生器作用下變成橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪完全嚙合，短軸完全脫開，其余的齒視回轉方向的不同分別處于“嚙入”、“嚙處”狀態(tài)，由于柔輪比剛輪少兩個齒，當波發(fā)生器連續(xù)回轉時，嚙入嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸的相位的變化而依次變化，于是柔輪就相對于不動的剛輪沿波發(fā)生器轉向相反的方向作低速回轉。其速比關系可以寫成：當波發(fā)生器主動，剛輪固定、柔輪

24、從動時，波發(fā)生器與柔輪的減速比為, 則傳動比為： 當波發(fā)生器主動，柔輪固定、剛輪從動時，波發(fā)生器與剛輪的減速比為式中：zG, zR分別為剛輪和柔輪的齒數；nH, nR, nG分別為波發(fā)生器、柔輪和剛輪的轉速。諧波齒輪減速器體積小、結構緊湊，輸入和輸出同軸；在工業(yè)機械人底座、手臂和手腕的傳動中使用很普遍，典型使用見圖4-29（P245）。4-20 機器人的驅動方式有哪些？如何選用？（P238-240）答：機器人的驅動方式主要是電機驅動方式，有直流伺服電機、步進電機和交流伺服電機三種。其特點是無需能量轉換、控制靈活、使用方便，噪聲較低、起動轉矩大等，用于額定負載1kN以下的工業(yè)機器人。液壓和氣壓驅

25、動方式，液壓驅動主要在經濟型機器人、重型工業(yè)機器人和噴漆機器人中使用；氣壓驅動主要在輕負荷搬運、上下料點位操作工業(yè)機器人中使用。4-21 機器人手臂設計要求是什么？了解一些典型機器人手臂工作原理結構及特點。（P241-245）答：(1)應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求；(2)合理選擇手臂截面形狀，使用高強度的輕型材料；(3)盡量減小手臂質量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏心力矩；(4)設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動精確性和運動剛度。典型機器人手臂結構如圖4-22，圖4-24，圖4-27，圖4-28和4-29.4-23 機器人手腕設計要求是什么？了解一些典型的機器人手腕工作原

26、理、結構和特點。答：(1)力求手腕結構緊湊，減輕其質量和體積；(2)不應盲目增加手腕的自由度數，一般最多為三個自由度；(3)提高手腕動作的精確性，提高傳動剛度，減小間隙反轉回差；(4)設置限位開關和機械擋塊，防止動作超限而造成事故。典型結構見圖4-31，圖4-32，圖4-33等。4-31 什么是智能機器人？（P264） 答：智能機器人是按照人工智能決定行動的機器人。智能機器人分為適應控制機器人和學習控制機器人。4-33 在機械制造系統(tǒng)中工業(yè)機器人的選擇與布局設計原則是什么？（P267）答：(1)滿足作業(yè)技術參數要求；(2) 性能價格比好；(3) 滿足系統(tǒng)生產節(jié)拍的要求；(4) 在不發(fā)生干涉的條

27、件下，優(yōu)化與前后連接裝備之間的布置，減小占地面積，縮短運動路徑。第六章：6-2 物流系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)有哪些？物料系統(tǒng)設計時應滿足哪些條件？（P328, 332）答：物流系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)如圖6-1所示，有原材料及配套件的調入、儲存、加工制造、檢驗、裝配、包裝、成品儲存、發(fā)送等。物流系統(tǒng)設計應滿足的條件：連續(xù)性與流暢性；平行性與交叉性；比例性與協調性；均衡性與節(jié)奏性；準時性；柔性和適應性。6-6 目前機床間工件傳輸裝置有哪幾種？各適用于哪些場合？（P369-380）答：機床間工件傳輸裝置有托盤與托盤交換器、隨行夾具、傳送裝置、有軌運輸小車、無軌運輸小車。托盤交換器常用于機床和傳送裝置的連接；隨行夾具用于

28、結構形狀復雜而缺少可靠運輸面工件傳送、滾道和帶式傳送機用于機床之間或裝配線上工件的傳輸、有軌運輸小車和無軌運輸小車則用于車間內FMS系統(tǒng)工件在機床或工作站之間運輸和傳送。6-13 自動化倉庫的工作原理是什么？（P388） 答：如圖6-73所示。簡單說是：進庫、傳送、入庫、出庫、返回原始位置；（應詳細敘述、發(fā)揮）6-15 車間物料設計的原則是什么？（P346） 答：（共6條，應回答?。?6-16 物料搬運裝備的選擇原則是什么？（P354）答：(1) 適用于短距離和低物流量簡單傳送裝備，如叉車、電瓶車、傳送滾道等。(2) 適用于短距離和高物流量復雜傳送裝備，如搬運機械手或機器人等。(3) 適用于長距離和低物流量簡單運輸設備，如汽車等運輸車輛。(4) 適用于長距離和高物流量復雜運輸裝備，如火車、船舶等。第七章：7-1 什么是機械加工生產線？它的主要組成類型及特點有哪些？