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FA工业自动化设备设计基础By:Duyeslin目录绪论一目的二设备结构划分三设备模块划分四设备元器件五图纸六软件第一章基于工程实践的工程制图基础第一节工程图纸基本要求第二节制作工程图纸清晰的视图完整的尺寸合理的公差适当的材料正确的工艺要求完整的文档管理内容及工件信息附1图纸中常用英文单词附2尺寸链解算方法第二章常用的自动化元器件及选型基础第一节气动系统元器件选型及应用气动系统基本元器件气动元器件选型及应用第二节油压缓冲器选型计算第三节电力驱动元器件及相关执行机构配件选型及应用伺服电机+减速机+滚珠丝杠机构的选型基础步进电机+凸轮分割器圆盘分度机构的选型基础第四节常用传感器介绍附常用自动化元器件英文单词第三章自动化部件结构设计基础第一节零件的典型工艺性结构设计第二节常用的气动机构模块设计气缸配直线轴承气缸配直线导轨气缸在快速夹具中的应用气缸在步进送料系统中的应用气缸驱动齿轮齿条将直线运动转换为旋转运动第三节常用的电动机构模块设计步进电机驱动滚珠丝杠+直线导轨的直线运动机构步进电机驱动同步带+直线导轨的直线运动机构步进电机驱动齿轮齿条的直线运动机构倍速链基础知识FA工业自动化设备设计基础第1页第四节产品工装夹具设计圆柱形产品的定位异形产品的定位夹紧设计第四章设备整体设计思路及方法第一节设备设计的一般过程第二节设备设计的思考方法和决策过程设备的功能模块划分和布局基础设备模块设计思路和方法设备方案失效模式分析方法附：设备设计术语英文单词第五章项目管理基础第一节项目管理的基本内容第二节项目管理方法和过程项目工作分解项目时间管理FA工业自动化设备设计基础第2页绪论一目的随着科学技术的发展以及人们对于产品品质的更高追求，越来越多的企业和工厂都期望使用大量的自动化设备和装置来取代工人繁冗无味的重复劳动，实现产品的全部或者部分制造过程的自动化以消除因为人为因素导致的产品质量的不稳定性，这就是我们通常所说的“工厂自动化”（FactoryAutomation,简称：FA）。本文以及后续系列篇幅介绍的就是为了实现工厂自动化而做的工业自动化设备的设计基础知识。本系列文章主要面对的对象是：有志于投身机械设计行业的，具有基本机电知识的大学生、应届毕业生以及毕业3年以内的初级设计师（助理设计师）。所以本系列文章的主要宗旨是：让在校大学生明白学习的方向，让应届毕业生能迅速地把学校学到的理论知识正确地应用到设计实践中来，让助理设计师发现自己的不足之处。本系列文章不会解释设计方法学的问题，凡涉及到设计方法学的问题，烦请诸位自己查阅相关资料。比如：自顶向下设计、优化设计等。所以，在接下来的讲解中，本人会尽量使用简洁、系列的方式，通俗的语言列举我们所要表达的内容，尽量做到不罗嗦、不重复，尽量减小诸位的阅读强度、节约大家的时间。所以，我们的口号是“理论联系实际”。好了，以下咱们开始进入工厂自动化设备的天地中。注意：本文中所说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，与传统的纯机械机构组成的设备有一定的区别。但是，也不可盲目的崇拜自动化元器件和现代控制技术的能力，传统的机械机构仍然是机械的主要组成部分；与现代自动化器件组成的结构模块相比较，传统的机械机构具有非常明显的简洁、高效的优点；所以，在设备设计过程中，只有合理地运用机构和自动化元器件、现代控制技术才有可能设计出完美的自动化设备。由于机械机构学在18世纪已经发展成熟，而且在大学的《机械原理》课程中有清晰的阐述，所以，本文会尽量少的提到机械原理，涉及到的机械原理相关知识请各位自己去翻资料。但是，请各位一定要记住：机械原理是一切设备设计的理论基础！切勿忽视！但凡由本人面试的工程师，如果机械原理知识不扎实，一概不予录用。声明：本系列篇章中讲述的都是一般工程应用知识，如有特殊应用场合，则请参阅相关专著并结合实际应用场合进行分析、计算和设计。倾向于理论研究者则完全不必在此耗费时间和心血。以下介绍依据设备设计过程进行二设备结构划分在工厂自动化的设备中，主要有三大类：物流类、制造类、检测类。物流类FA工业自动化设备设计基础第3页设备或者装置主要是为了解决产品原材料、半成品、成品在工厂内部各工序之间的输送、包装等问题。比如：各种输送线、转送小车等。制造类设备主要是为了实现产品原材料到成品或半成品之间各个工序的加工制造过程。比如：各类专用机床等。检测类设备主要是为了控制产品质量而进行设计制造的离线或在线品质监控装置。比如：各类尺寸、外观以及内部质量检测设备或装置等。为了便于讲解，我们把自动化设备划分为的五大部分：上料、操作、卸料、控制系统、人机界面。上料上料部分实际上包括三大功能模块：上料模块、排列模块和分料模块（或者合流模块）。在工厂生产实际中，各种各样的原料加载衍生了各种类型的上料机构或上料装置。我们在工程实际中常用的上料方式主要有：振动盘上料、漏斗型料仓上料、料盘上料以及弹匣式料仓上料。在上料过程中，根据产品的外形规格还需要对产品进行整列，这就是排列模块的工作。而从上料模块到排列模块出来的产品都是一个挨一个的，这就需要有分料模块来将即将取走的工件从整列队列中分离出来，这是分料模块的活。若果是装配类设备，还需要有多种材料上料，那么，我们需要将各种原材料按照装配顺序进给，所以，我们也需要有合理的合流装置。操作我们把任何设备对产品进行的任何加工、装配、检测等工作都称为操作。卸料卸料就是将本设备加工制造完成的产品按照要求从设备中取出放到指定位置。控制系统控制系统包含硬件系统和软件系统。硬件系统指的是：由处理器（PLC、工业控制计算机、单片机等中央处理单元器件）、继电器、传感器以及各类管线等组成的各种电路。软件系统指的是：为了让设备正常运转而设计的软件。人机界面为了让设备能够且易于操作而设计的装置：按钮、触摸屏、显示器等。三设备模块划分通过以上的划分，我们对设备已经有了一个大致的印象。接下来，我们应该去探索一下设备的内部了。任何自动化设备都是由各种各样的机构组成，所以，我们现在来说说在工厂自动化过程中，我们需要常常用到的机构以及驱动系统。在现代工业自动化设计理论以及实践中都前所未有的强调模块化设计，不论是机械设计还是控制设计。这也是由现代工厂产品生产和自动化产品的发展所决定的。模块化设计的优点在于：提高设计效率（易于实现并行设计）、柔性好、便于生产（易于实现批量生产）、降低成本、便于调试、维护等方面。FA工业自动化设备设计基础第4页通常的机械功能模块都有两大部分：驱动系统和执行机构。在工厂自动化设备中，我们常用的驱动系统主要有：电机驱动系统（异步电机驱动系统、伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、直线电机驱动系统等）、液压驱动系统、气动驱动系统。常用的执行机构主要有：齿轮机构（包括蜗轮蜗杆机构、齿轮齿条机构）、连杆机构（包括曲柄滑块机构）、凸轮机构、带传动系统（包括：平皮带传动、V带传动、同步带传动）、链传动系统（包括滚子链、倍速链等）、丝杠导轨系统等。另外，根据设备需要和运动方式的不同，有一个非常重要的概念需要强调：间歇机构。间歇机构指的是为实现间歇运动而设计制作的机构。比如：分度盘（实际上是凸轮机构的一种）、槽轮机构、棘轮机构以及由软硬件结合而形成的步进间歇系统、伺服间歇系统等。四设备元器件我们把设备中采购进来的可以直接装配的部件称为标准件，采购原材料需要自己工厂进行加工的部件称为加工件。以下我们根据部件不同的性质，将标准件分为电动配件、气动配件、液压配件、机械配件、控制配件五大部分进行列举：电动配件电动配件包含各种电机及其附件。三相异步电机、单相电机、直流电机、步进电机及驱动器、伺服电机及驱动器、直线电机及驱动器等。气动配件气动配件包含各种气缸及其附件。直线气缸、旋转气缸、气爪、气囊、多行程气缸、真空吸盘、气动接头、换向阀、节流阀、磁性开关、浮动接头、过滤器、油雾器、减压阀、气压表、负压表、单向阀、比例阀等。液压配件液压配件包含各种液压缸及其附件。液压缸、换向阀、节流阀、浮动接头、过滤器、减压阀、压力表、单向阀、比例阀、溢流阀、伺服阀等。机械配件机械配件主要包含各种执行元器件。联轴器、减速机、缓冲器、稳速器、滚动轴承、直线轴承、滚珠丝杠、直线导轨、皮带及带轮、链及链轮、齿轮齿条等。控制配件控制配件包含控制系统各种硬件。PLC、工业计算机、单片机、板卡、继电器、接触器、滤波器、开关电源、传感器、各种管线等。FA工业自动化设备设计基础第5页另外，有一款元器件比较特殊，现也列举一下：气液增压缸。气液增压缸是以气动系统控制液压系统来获得较大驱动力的办法，类似于以弱电系统控制强电系统。其在工厂自动化设备中的应用也是比较广泛的，诸如：在一些冲压设备和装配设备中都有应用。现在各网站论坛上也都有很多介绍，其应用选型非常简单。诸位可以查找相关资料了解一下。五图纸图纸是设计与加工、装配进行沟通的语言，其重要性不言而喻。图纸包括机械图纸和电气图纸。机械图纸还包含装配图和零件图，电气图纸包括电气原理图和接线图。六软件目前，自动化设备领域常用的设计软件有：CAXA、AutoCAD、Solidworks、Pro/Engineer、Unigraphics、CATIA、SolidEdge、Protel、VB、VC、LabView等。机械设计领域内的软件使用原理大抵相似，所以，诸位只需选择其中一种熟悉其操作即可。软件只是一门工具，其使用也是熟能生巧的事，只要在实际工作中使用一段时间自然就熟练了，诸位大可不必去花大量精力去研究，以免舍本逐末。以上内容是对于工厂自动化设备及其系统、模块、器件等进行了列举，目的在于让诸位对设备及设备的内容有一个初步了解，明确自己需要掌握的相关知识。只有具备了对这一系列知识的深刻理解和元器件的了解才有可能真正踏入工业自动化设备设计的大门。设备设计制造是一个综合→分析→综合的过程：整体布局设计→模块设计→部件设计→加工→装配。所以，以上介绍是自整体到部件的顺序。基于人的学习过程是从局部到整体的顺序，后续的篇幅顺序则是：图纸→部件→整机。所以，本文的阅读顺序是：如果从学习的角度，需要从头到尾按篇幅介绍顺序阅读；如果从设计实践的角度，则应该从昀后一章看起，以篇幅相反的顺序阅读。需要提醒诸位的是：请重视基础原理。机械设计是非常庞大的系统知识的综合运用，所以，请诸位努力掌握好材料学、理论力学、材料力学、机电传动系统、液压气压传动、机械原理、机械设计、公差配合、机械制造工艺基础、人机工程学等相关学科知识。人的精力是有限的，知识是无限的。所以，需要把有限的精力放在钻研昀重要的知识中去。所以，以下章节中所提到的大部分的元器件诸位不必都去研究它的工作原理，明白其功能、使用方法、掌握正确选型即可。需要了解工作原理的地方，文中自会阐释清楚。需要告诫诸位的是：在工程实践中任何原理原则不是万能的，切不可生搬硬套，搞教条主义，必须要具体问题具体分析，灵活运用基本原理解决实际问题始终是工程师的工作准则。FA工业自动化设备设计基础第6页本系列篇章力求尽量的使用国家标准给诸位介绍相关知识。但是，在工厂管理和生产实践中会有一些不尽相符的地方，所以，在制图的章节中会使用到一些企业标准，请诸位谅解。本系列篇章中所引用的相关学科基础理论和基础知识都直接使用而不注明出处，敬请谅解!注意：除特殊说明外，本系列篇幅中所使用的长度单位为：毫米（mm）；质量单位为：千克（kg）；力单位为：牛(N)；重力加速度为：10m/s²；其他单位为国际单位制单位。再次重申：本文所有的叙述都是从工程实践的角度出发，阐述基础的、普遍的工程应用知识和经验，面向的对象是初级设计师。作为参考资料，本人的根本想法是希望能够借助这些文字阐述出来一种工厂自动化设备设计的思路和思考方法；让初级设计师能够通过这些描述的东西找到一些将书本知识应用到工程实践中的办法，而不至于因为缺乏经验而茫然不知所措。因为，一个设计师的成长和他的作品成熟昀重要的是要靠正确的设计方法和思维方式，而不是靠书本上的资料来决定。当然，书本带给我们的前人的经验积累也是非常重要，关键的问题是要善于吸取这些