1、机械制造装备答案机械制造装备设计课后答案初稿机械制造装备答案【机械制造装备设计课后答案初稿】 第一章 1-1 为什么说机械制造装备在国民经济发展中起着重要的作用？ 制造业是国民经济发展的支柱产业，也是科学技术发展的载体及使其转化为规模生产力的工具和桥梁。装备制造业是一个国家综合制造能力的集中表现，重大装备研制能力是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标准。 1-7 对机械制造装备如何进行分类？ 1)加工装备：采用机械制造方法制造机器零件的机床。 2)工艺装备：产品制造是用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具。 3)仓储运输装备：各级仓库、物料传送、机床上下料等设备。 4)辅助装备：清洗机和排屑
2、装置等设备。 1-9 机械制造装备设计有哪些类型？他们的本质区别是什么？ 1)类型：机械制造装备设计包括创新设计、变形设计、模块化设计； 2)本质区别：创新设计：一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量； 变型设计：变型设计不是孤立无序的设计，而是在创新设计的基础上进行 的； 模块化设计：对一定范围内不同性能，不同规格的产品进行功能分析，划 分一系列的功能模块，而后组合而成的； 1-10.创新设计的步骤是什么？为什么应重视需求分析和可行性论证？ 创新设计可划分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计四个阶段。 原因：1、产品设计是为了满足市场的需求，而市场的需求往往是不具体的，有时
3、是模糊的、潜在的，甚至是不可能实现的。而需求分析的任务是使这些需求具体化和恰到好处，明确设计任务的要求。需求分析本身就是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且自始至终指导设计工作的进行。所以设计人员必须重视需要分析。 2、可行性分析是进行新产品立项必不可少的一向依据，其包括技术分析，经济分析和社会分析三个方面。只有经过技术、经济、社会等方面的分析，和对开发可能性的研究，才能对产品开发中的重大问题进行充分的技术经论证，判断是否可行 第二章 2-1 机床设计应满足哪些基本要求？其理由是什么? 机床设计应满足如下基本要求： 1）工艺范围，机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，也可称之为机床的
4、加工功能。机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。 2）柔性，机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，分为功能柔性和结构柔性； 3）与物流系统的可接近性，可接近性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）流动的方便程度； 4）刚度，机床的刚度是指加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率； 5）精度，机床精度主要指机床的几何精度和机床的工作精度。机床的几何精度指空载条件下机床本身的精度，机床的工作精度指精加工条件下机床的加工精度（尺
5、寸、形状及位 置偏差）。 6）噪声；7）、自动化；8）、生产周期； 9）生产率，机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量来表示。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。 10）成本，成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护、再利用和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标； 11）可靠性，应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概率要高。 12）造型与色彩，机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学要求进行设计。 2-2
6、机床设计的主要内容及步骤是什么？ 一般机床设计的内容及步骤大致如下: 1)总体设计:机床主要技术指标设计：包括工艺范围 运行模式，生产率，性能指标，主要参数，驱动方式，成本及生产周期。总体方案设计包括运动功能设计，基本参数设计，传动系统设计，传动系统图设计，总体结构布局设计，控制系统设计。总体方案综合评价与选择；总体方案的设计修改或优化; 2)详细设计:包括技术设计,施工设计。设计机床的传动系统，部件装配图，对主要零件进行分析计算或优化，设计液压部件装配图，电气控制系统等。 3)机床整机综合评价 4)定型设计:可进行实物样机的制造、实验及评价。根据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的
7、定型设计。 2-3机床设计的基本理论有哪些？其定义、原理、要求如何？ 1)机床的运动学原理:研究、分析和实现机床期望的加工功能所需的运动配置 原理：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件上多余的金属材料，使工件具有要求的尺寸和精度的几何形状 2)精度：机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度、定位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等 3)刚度：机床刚度指机床系统抵抗变形的能力。 4)抗振性：机床抗振性指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力。 5)热变形 产生原因：机床工作时受到内部热源（如电动机)液压系统，机械磨擦副，切削热）和外部热源（如环境温度，周围热源辐射等）的影响，使机床各部
8、分温度发生变化，因不同的材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。 6)噪声：机床工作时产生各种不同的振动，这些不同频率，不同振幅的振动将产生不同频率)不同强度的声音，这些声音无规律地组合在一起即成为噪声。 7)低速运动平稳性爬行：机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即：时走时停，时快时慢的现象爬行。 2-4机床系列型谱的含义是什么？ （P76）。 为了以最少的品种规格，满足尽可能多用户的不同需求，通常是按照该类机床的主参数标准，先确定一种用途最广)需要量较少的机床系列作为“基型系列”
9、，在这系列的基础上，根据用户的需求派生出若干种变型机床，形成“变型系列”。“基型”和“变型”构成了机床的“系类型谱”。（参考：每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，合称为这类机床的系列和型谱。机床的主参数系列是系列型谱的纵向（按尺寸大小）发展，而同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向发展，因此，“系列型谱”也就是综合地表明机床产品规格参数的系列性与结构相似性的表。） 2-5机床的基本工作原理是什么？ 通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。 2-6工件表面的形成原理是什么？ 任何一个表面都可以看成是一条曲线（或直线
10、）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。而加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。 2-7 工件表面发生线的形成方法有哪些？ 1)工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的 2)方法有四种：轨迹法)成形法)相切法)展成法 2-8工件表面的形成方法是什么？ 工件表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，工件表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。 2-9机床的运动功能有哪些？ 为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，各个运
11、动的功能是不同的。可以分为成形运动和非成形运动，或简单运动和复合运动。(参考：1)操作面板 它是操作人员与数控装置进行交流的工具。2)控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是C系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入C系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3) C装置(C单元)组成：计算机系统)位置控制板)PLC接口板，通讯接口板)特殊功能模块以及相应的控制软件。 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理)机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的
12、执行部件(伺服单元)驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由C装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。C装置是C系统的核心 4) 伺服单元)驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机 测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用 保证灵敏)准确地跟踪C装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）5) PLC)机床I/O电路和装置PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/
13、O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器)电磁阀)行程开关)接触器等组成的逻辑电路；功能：接受C的M)S)T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给C装置，经其处理后，输出指令控制C系统的工作状态和机床的动作。） 2-12 机床运动功能法案设计的方法及步骤如何？需要再确认教材 机床运动功能方案设计的方法及步骤如下： 1)工艺分析:对所设计的机床的工艺范围进行分析;然后选择确定加工方法。工件加工工序的集中与分散主要根据作业对象的批量来决定，应根据可达到的生产率和加工精度、机床制造
14、成本、操作维护方便程度等因素综合分析进行机床的工艺范围选择。 2)选取坐标系：坐标系的规定：用直角坐标系，沿X)Y)Z轴的直线运动符号及运动量仍用X)Y)Z表示，绕X)Y)Z轴的迴转运动用A)B)C表示，其运动量用 ) 表示。 3)写出机床运动功能式：左边写工件W)右边写刀具T)中间写运动，按运动顺序排列，用“/”分开 4)画出机床运动功能图：运动功能图：是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，是机床传动系统设计的依据。 5)绘制机床传动原理图： 机床的运动功能图只表示运动的个数)形式)功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。传动原理图：表示动力源与执行件，不同执行件之间的运动及传动
15、的关系图。 (参考：（1）工艺分析。首先对所设计的机床的工艺范围进行分析；然后选择适当的加工方法。工件加工工序的集中与分散主要根据作业对象的批量来决定，应根据可达到的生产率和加工精度、机床制造成本、操作维护方便程度等因素综合分析进行机床的工艺范围选择。 （2）机床运动功能设置。运动功能设置的方法有两类：分析式设计方法和解析式设计方法。 （3）写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。根据对所提出的运动功能方案的评定结果，选择和确定机床的运动功能配置，写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。） 2-13数控机床的坐标系如何选取？ 数控机床的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，规定直角坐标X)Y)Z
16、三者的关系及其正方向用右手定则制定。 标准规定：平行于主轴的坐标轴为Z轴，取刀具远离工件的方向为正向（+Z），X轴为水平方向，且垂直于Z轴。 （参考：为了进行机床运动功能式、机床运动原理图的描述，首先要建立机床基准坐标系与机床运动轴坐标系，一般采用直角坐标系。(1)机床基准坐标系：机床基准坐标系（即机床总体坐标系）XYZ (2)机床运动轴坐标系：沿X，Y，Z坐标轴方向的直线运动仍用X，Y，Z表示，绕X，Y，Z轴的回转运动分别用A，B，C表示。平行于X、Y、Z的辅助轴用U、V、W及P、Q、R表示，绕X，Y的辅助回转轴用D、E等表示。与机床基准坐标系坐标方向不平行的斜置运动轴坐标系用加“-”表示，
17、如沿斜置坐标系的Z轴运动用Z表示。） 2-14机床的运动功能式和运动功能图表达的含义是什么？ 1)机床运动功能式:表示机床的运动个数，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。 2)运动功能图：是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，除了描述机床的运动轴个数，形式及排列顺序之外，还表示了机床的两个末端执行器和各个运动轴的空间相对方位，是认识分析和设计机床传动系统的依据。 2-16分析图2-14所示各种机床的运动原理图，说明各个运动的所属类型、作用及工件加工表面的形成方法。 图2-4a是车床的运动原理图，旋转运动Cp为主运
18、动；直线运动Zf和Xf为进给运动。对于一般的车床，Cp仅为主运动；对于有螺纹加工功能或有加工非圆回转面（如椭圆面）功能的数控车床，则Cp一方面为主运动，另一方面Cp可与Zf组成复合运动进行螺纹加工，或Cp可与X f组成复合运动进行非圆回转面加工，称这类数控车床具有C轴功能。 图2-4b是铣床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Xf 、Yf和 Zf为进给运动。 图2-4c是平面刨床的运动原理图，往复直线运动Xp为主运动；直线运动Yf为进给运动；直线运动Za为切入运动。 图2-4d是数控外圆磨床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf 、直线运动Zf和Xf为进给运动；回转运动Ba为
19、砂轮的调整运动。当Xf和Zf组成复合运动时，用碟形砂轮可磨削长圆锥面或任意形状的回转表面；Cf和Zf组成复合运动时，可进行螺旋面磨削。在进行长轴纵向进给磨削时，Xf应改为Xa，为切入运动，但在进行横向进给磨削端面时，Xf为横向进给运动，Zf应改为Za，为切入运动。若一个运动既可为进给运动又可为非成形运动，则用进给运动符号表示。 图2-4e是摇臂钻床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为进给运动；回转运动Ca、直线运动Za及Xa为调整运动，用来调整刀具与工件的相对位置。 图2-4f是镗床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为镗孔加工时工件作进给运动，Wf为镗孔加工时镗杆作
20、进给运动,在数控镗床或加工中心上，镗孔进给通常由工件完成，只有Zf一个镗孔进给运动；Yf为刀具的径向进给运动，用于加工端面或孔槽；回转运动Ba为分度运动、直线运动Xa及Ya为调整运动，分别用来调整工件与刀具的相对方向及位置，用来加工不同方向和位置的孔。在镗铣床上通常Xa和Ya可改为进给运动Xf、Yf，用来铣削平面。 图2-4g是滚齿机床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf和直线运动Zf为进给运动。Cp与 Cf组成复合运动创成渐开线母线；直线运动Zf创成直导线，用于加工直齿轮，若Zf与Cf组成复合运动，则创成螺旋导线，用于加工斜齿轮；回转运动Ba为调整运动，用来调整刀具的安装角，使刀
21、具与工件的齿向一致；直线运动Ya为经向切入运动，当用径向进给法加工蜗论时Ya为径向进给运动；a为滚刀的轴向窜刀运动，为调整运动，用来调整滚刀的轴向位置，当用切向进给法加工蜗论时a为切向进给运动。 图2-4h是采用齿轮式插齿刀加工直齿圆柱齿轮的插齿机床的运动原理图，刀具和工件相当一对相互啮合的直齿圆柱齿轮，往复直线运动Zp为主运动；回转运动Cf1、Cf2为进给运动，并组成复合运动，创成渐开线母线；直线运动Ya为切入运动。 图2-4i 是直齿锥齿轮刨齿机的运动原理图，刨刀的往复直线运动ZP为主运动；回转运动Cf（假想齿轮摇架回转）和Cf（工件回转）组成复合运动，产生范成运动；回转运动Ca为分度运动
22、，直线运动Za为趋近与退离运动，回转运动Ba为调整运动，根据刀倾角进行调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。 图2-6j是弧齿锥齿轮铣齿机的运动原理图。Cp是铣刀盘的旋转运动，为主运动，铣刀盘的刀刃为直线形，铣刀盘作旋转运动时刀刃轨迹形成假想齿轮（平面齿轮或平顶齿轮）上 Cf为工件的回转运动，的一个齿的齿廓面；Cf为假想齿轮的往复摆动运动（即摇架的摆动）， Cf和Cf复合组成范成运动；Ca为工件的分度运动，Za为趋近与退离运动，Ba为调整运动，按工件的齿根角进行调整。铣刀盘一面进行作旋转运动Cp，一面随摇架作摆动运动Cf，摆动一次为一个行程，一个行程内完成一个齿的加工，行程终了，工件退离、分度，
23、进行下一个齿的加工。 2-17机床的传动原理如何表现？它与机床运动功能图的区别是什么？ 1)传动原理图：表示动力源与执行件，不同执行件之间的运动及传动的关系图。 2)机床的运动功能图:只表示运动的个数，形式，功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。 2-18.机床运动分配式的含义是什么？（P70） 运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用符号“.”表示。符号“.”左侧的运动由工件完成，右侧的运动的刀具完成。机床的运动功能式中添加上接地符号“.”后，称之为运动分配式。一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得到多个运动分配式。 2-19机床总体结构概略设计过程大致如何？ 确定末
24、端执行件的概略形状与尺寸。 设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式，概略尺寸选择并确定导轨的类型及尺寸。 根据导轨接合部的设计结果和该运动的行程尺寸，同时考虑部件的刚度要求，确定下一个功能部件（即滑台侧）的概略形状与尺寸。 重复上述过程，直到基础支承件（底座)立柱)床身等）设计完毕。 若要进行机床结构模块设计，可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。 初步进行造型与色彩设计。机床总体结构方案的综合评价。 2-20 机床的主参数及尺寸参数根据什么确定？ （P80-81） 1)通用机床的主参数和主参数系列国家已制订标准，设计时可根据市场的需求在主参数系列标
25、准中选用相近的数值。专用机床的主参数是以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示，一般也参照类似的通用机床主参数系列选取。 2)尺寸参数:指机床的主要结构尺寸参数,包括: 与被加工件有关的尺寸： 标准化工具或夹具的安装面尺寸 2-21机床的运动参数如何确定？驱动方式如何选择？数控机床与普通机床确定方法有什么不同？ 1)机床的运功参数的确定： (1)主运动参数：回转式主运动的机床其主运动参数为主轴转速 最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定主轴转速的合理排列标准公比值和标准转速数列公比的选用变速范围Rn，公比和级数Z的关系 (2)进给量的确定 (3)变速形式与驱动方式选择 2)驱动方式选择：驱动
26、方式有电动机驱动、液压驱动。 驱动方式的选择主要是根据机床的变速形式和运动特性要求来确定的。 3)不同：数控机床一般采用伺服电动机无机变速形式，其他机床多采用有级变速形式或无极与有级变速的组合形式。 2-22 机床的动力参数如何确定？数控机床与普通机床的确定方法有什么不同？ 1)动力参数确定方法：动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或扭矩。通常通过类比法、相似机床试验法和计算方法确定 2)不同：对于数控机床的进给运动，伺服电动机按扭矩选择。数控机床主传动采用直流或交流电动机无级变速，要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题 2-23 机床主传动系都有哪些类型？由哪些部分组成？ 1)类型 - 按
27、驱动主传动的电动机类型：交流电动机驱动、直流电动机驱动 - 按传动装置类型：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的 组合 - 按变速的连续性：分极变速传动、无极变速传动 2)主传动系一般由动力源（如电动机）)变速装置及执行件（如主轴)刀架)工作台），以及开停)换向和制动机构等部分组成。 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？ Xi1)传动组的级比是指主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，用表示。级 Xi比中的Xi值称为级比指数。它相当于由上述相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。 2)规律性：设计时要使主轴转速为连续等比数列
28、，必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组称为基本组。基本组的级比指数用X0表示，即X0=1。后面变速组因起变速扩大作用，所以统称为扩大组。第一扩大组的级比指数X1一般等于基本组的传动副数P0，即X1=P0。第二扩大姐的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数X2等于基本组的传动副数和第一扩大组传动副数的乘积，即X2=P0P1。如有更多的变速组，则依此类推。 2-25 什么是传动组的变速范围？各传动组的变速范围之间有什么关系？ 1)变速范围：传动组中最大与最小传动比的比值，称为该变速组的变速范围。 2)关系：Ri=(umax)i/(umin)i (i=0、2、?j) Xi（pi-
29、1） 变速范围一般可写为 Ri= 2-26至2-32计算题暂时没有，可以参阅刘家威作业 2-36 试述进给传动与主传动相比较，有哪些不同点？ 1）进给传动是恒转矩传动2）进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速3）进给传动的转速图为前疏后密结构 4）进给传动的变速范围5）进给传动系采用传动间隙消除机构6）快速空程传动的采用7）微量进给机构的采用 （参考：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；
30、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。） 2-37进给伺服系的驱动部件有哪几种类型？其特点和应用范围怎样？ 1)类型：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线伺服电动机 2)应用范围:1）步进电机：将电脉冲信号变换成角位移（或线位移）的一种机电式数模，转换器适用于中)小型机床和速度季度要求不高的地方2）直流伺服电机：一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置，常用于高速轻载的小型数控机床中。3）交流伺服电机：将电动机的电压矢量或电流矢量作操作量，控制其幅值和相位，常用于中小型数控机床 （参考：进给驱动部件种类很多，用于机床上的有步进电动机、小惯量直流电动机、大惯量直流电动机、交流调速电动机和直线电动机等。 （1） 步进电动机又称脉冲电动机，是将电脉冲信号变换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。它每接受数控装置输出的一个电脉冲信号，电动机轴就转过一定的角度，称为步距角。转速可以在很宽的范围内调节。改变绕组通电的顺序，可以控制电动机的正转或反转。步进电动机的优点是没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，制造成本低，步进电动机带动
