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FA 工业自动化设备设计基础By: Duyeslin&&&&FA 工业自动化设备设计基础目录绪论 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 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 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 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 倍速链基础知识第一章第二章第三章第 1 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础第四节第四章第五章产品工装夹具设计 圆柱形产品的定位 异形产品的定位夹紧设计 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 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 项目时间管理第 2 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础绪一 目的论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” （Factory Automation,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。物流类第 3 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础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。第 4 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础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。第 5 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础另外，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、Auto CAD、Solidworks、 Pro/Engineer、Unigraphics、CATIA、Solid Edge、Protel、VB、VC、Lab View 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，则应该从最后一章看起，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 力放在钻研最重要的知识中去。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。第 6 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础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/s?；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 和他的作品成熟最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 是要善于吸取这些经验，然后形成自己的设计经验体系和思维方式，这才是最重 要的。这也是本人的初衷，所以，希望接下来的这些文字和图片能够对一些人有 用，本人也就不胜欣慰了。 当然，由于本人知识水平以及经验阅历的限制，在接下来的各章节中出现的 各种疏漏之处，热忱地欢迎各位批评、指正。杜林2013 年 3 月 于中国深圳第 7 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础第一章 基于工程实践的工程制图首先，请诸位注意：本文讲解的是制作一份信息完整、适合制造加工的工程 图纸思维过程，而非机械制图的基础教程。目的在于纠正一些初级设计师常见的 制图错误。所以，制图的基本知识：画法几何学、机械图学以及各种特征的简化 表示法等基础知识请查阅相关资料，本文概不赘述。本文中所使用的图框格式和 标题栏为工厂应用之一种，非国标格式。 工程图纸就是设计师、工程师、制造加工人员和装配人员进行沟通的语言， 它包括：装配图和零件图以及相关辅助的工艺说明或者设计要求文档。 装配图纸反应的是本装配图内的组件的性状、装配工艺要求和使用信息；零 件图纸反应的是你的零件的所有信息和部分设计信息，其中包括：零件材料、形 状、精度、表面质量、防腐蚀状况、硬度、制造工艺以及使用工况等。根据优秀 的图纸制作出来的零件才能保证设计需求和装配调试过程的顺利进行。所以，一 份标准合格的图纸对于设计师和设备来说都是至关重要的：对于设计师来说，它 是反应设计师水准和素质的一张名片；对于设备来说，它将关系到设备是否能顺 利运行，是否能让客户和操作者满意的根本。 制作工程图是机械设计环节的最后一个过程，所以，任何工程图都离不开装 配要求。任何离开装配而做的所谓工程图都是没有意义的，所以制作任何零部件 图纸都需要着眼于设备或者模块的整体设计和装配需求。 第一节 工程图纸基本要求 在介绍以下内容之前，先说说对图纸的基本要求： 首先，要求图纸视图相对于图纸幅面大小比例合理，采取合理的视图布局、 合理的视图比例、合理的主视图方向、合理的投影视图和辅助视图布置。 其次，要求尺寸标注清晰、有条理，尺寸线不得直接交叉犹如蜘蛛网。 再次，要求技术要求表达清楚，不得使用模棱两可的语句和文字。 最后，要求所有标题栏项目填写完整，特别是工件的重要信息，如：数量、 版本、热处理、表面处理、材料等。 一份合格的、标准的、清晰的图纸应该能让加工制造人员在不咨询的情况下 能完全领会作图者的想法和设计者的思路。 如果加工制作人员在加工过程中老是 需要向绘图员或者设计师咨询相关信息， 那就表明这份图纸存在着非常严重的问 题。所以，对于工程图纸最基本的总体要求就是要能够非常清晰、明白无误地传 达出图纸中零部件的所有信息。第 8 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础第二节 制作工程图纸 一份标准的工程图纸应该能够清楚明晰的表达出下列内容：清晰的视图、完 整的尺寸、合理的公差、适当的材料、正确的工艺要求和完整的文档管理内容。 清晰的视图 1：用尽量少的视图表示出工件的所有特征，不要出现冗余视图。 2：主视图包含最多的工件特征信息，凸显“主”字。 3：尽量少用虚线，多用剖视图表达特征，把零件所有的特征都表达清楚。 4：形状、结构异常复杂的工件要配有轴测图，方便加工人员理解图纸。 5：可以选择使用适当的文字说明配合工程技术人员理解图纸。 如以下示例：图 1.2-1图 1.2-2第 9 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础图 1.2-3图 1.2-4 如上面图片所示，图 1.2-1 的工件的视图摆放如图 1.2-2 就非常清晰了，没 有冗余视图，使用了剖面图，视图清楚。图 1.2-3 的主视图是冗余视图，图 1.2-4第 10 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础的视图使用了虚线，没有使用剖面图而导致视图不清楚。所以，我们理应选择图 1.2-2 的处理方法。 完整的尺寸 1：不能漏标尺寸，漏标尺寸则加工人员无法按照图纸加工零件。 2：不能多标尺寸，多标尺寸同样让加工人员无法加工出需要的零件。 3：尺寸基准选择符合设计基准。 4：关联尺寸标注正确。 5：尺寸链合理。 如以下示例：图 1.2-5图 1.2-6图 1.2-7第 11 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础图 1.2-8图 1.2-9第 12 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础图 1.2-10图 1.2-11 如上面图片所示，图 1.2-8 中的标注尺寸完整、尺寸基准正确、尺寸链合理、 关联特征尺寸合理。图 1.2-9 中的尺寸链不合理；图 1.2-10 中的槽特征基准选择第 13 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础错误；图 1.2-11 中孔的关联尺寸不合理。所以，我们只有选择图 1.2-8 中的标注 方法才能得到我们想要的工件。 注意：所有的零件图的标注和工艺要求都离不开装配图！如上面的例子，如 果离开图 1.2-5,单独看以上的几张零件图，就无所谓对错了，因为按照其中任意 一张图纸都可以加工出来一件类似的工件。 在这里， 我们重点解释一下图 1.2-11 中的错误问题， 因为这个问题是较少在 教材中提到的。诸位通过比较可以发现图 1.2-11 中的标注与图 1.2-8 中的孔距标 注不一样，这里的孔距就是我们所谓的“关联尺寸” （或者“相关尺寸” ） 。在实 际工程应用中，我们把零件的同一组特征或者有参照关系的特征的尺寸称为“关 联尺寸” ，它们之间必须有定位尺寸直接关联。诸位再看图 1.2-5 中，4 个Φ9 的 通孔是为了与图 1.2-6 中的零件进行螺纹连接用的，所以它们之间的距离必须直 接通过纵横两个尺寸进行标注。这实际上也是尺寸链的问题和检验的问题。我们 看加工这个工件的工序：首先，是下料，即将一块钢板外形加工到 90X60X20； 然后，铣槽 40X20；最后，加工四个Φ9 通孔。下面，我们看图 1.2-8 中外形尺 寸与孔的定位尺寸中的封闭环是： 孔与边的距离； 而在图 1.2-11 中这个封闭环被 更换成了孔与孔之间的距离。而在实际的工件加工完成后，质检部门检测的是图 纸标注的尺寸，而封闭环是不进行检验的。所以，这样导致的最终结果就是根据 图 1.2-11 加工出来的工件孔距最终的偏差与图 1.2-6 中工件的孔距偏差之差值可 能大于孔Φ9 与螺栓 M8 的外径偏差（其具体公差尺寸，请大家根据未注线性尺 寸公差及图纸标题栏中规定之公差等级进行核对） ，而使两工件不能顺利连接。 这也是我们的工艺不允许象图 1.2-11 中这样标注关联尺寸的根本原因所在。 而以 上错误则是应届毕业生和初级设计师（助理设计师）由于缺乏工程实践而经常出 现的，请诸位务必谨记！ ！这也是我们一直强调的“着眼于装配图做零件图”的 原因，因为离开装配图去做零件图的话，就不存在关联尺寸这个概念了。 显然，工程图中的尺寸（包括公差）是由四个方面的因素决定的：零部件功 能因素、加工技术因素、检验检测因素、装配条件和技术因素。任何一个尺寸都 与这四个因素密切相关，切切不可大意！ 在本环节中，提到的一个重要概念：尺寸链，请诸位务必理解透彻其本身意 义以及由它所引申出来的一系列概念的意义。 因为尺寸链本身关系到在设备中各 相关零件的公差分配（即精度要求） 、装配方法（互换性）以及加工工艺。尺寸 链包含：封闭环、增环、减环等内容。其基础理论请诸位查阅《机械制造工艺基 础》相关章节内容。在本章末尾部分，给出了两个解算尺寸链的范例，供诸位参 考阅读。 合理的公差 所谓合理的公差,即在需要公差的地方我们都要有公差约束以保证加工的准 确性； 不需要公差的地方我们不得随意标注公差以降低加工难度、 节约加工成本； 标注公差时要根据工程实际需要进行尺寸链计算来确定各工件间的公差合理分 配。很多人认为工件加工精度越高，设备的精度就越高，实际上不是这回事。设 备的整体精度除与工件精度有关以外，还与装配技术有关、与生产批量有关，希第 14 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础望诸位明白这一点。比如我们通常见到的普通车床、铣床等的主轴零部件公差等 级也都是在普通范围内，而并非想当然的高精度，其高精度保持与其进行批量生 产和成熟的装配技术有很大关系。 在这里我们所说的公差，包含：尺寸公差、形状公差、位置公差。其基本概 念和基础理论请参阅《公差合理选用与正确标注》 、 《机械精度设计与检测基础》 。 在这里我们要强调的是：装配。装配即组装与配合。在大多数应届生或者助理设 计师的印象中配合即是轴与孔（狭义的轴孔概念）的配合，原因在于机械设计制 造中这类配合是最多的。另外，学校的教材所讲的也是这类配合（广义的轴孔概 念） 。所以，本人不再在这方面絮絮叨叨的说太多。只是再解释两个概念：基轴 制、基孔制。基轴制即在设计过程中以轴为基准的配合方式，比如：轴承外圈和 轴承座内孔的配合。基孔制即在设计过程中以孔为基准的配合方式，比如：轴承 内圈和轴的配合。 另外，再强调一点：基于加工工艺的原因（加工轴时，刀具在工件外表面进 行操作；加工孔时，刀具在工件内表面进行操作） ，通常状况下在轴与孔的配合 中，轴的公差选择比孔的公差高一级。比如：在轴承与轴的过渡配合中，轴承内 圈公差等级为 H7，则轴的精度等级选择 k6。 需要公差的地方： 在工程实践应用中有很大一部分是除轴与孔之外的配合方式。所以，我们说 凡是有配合的地方都需要公差。另外，在大批量的生产中，我们为了保持工件的 一致性，也需要一定的公差约束。为了帮助大家理解配合的概念，我们在回到上 面的装配图 1.2-5 中去，请诸位看清楚，上图中的两个 40X20 的槽和凸台的装配 即是配合之一种。那么，由此，我们可以清楚得得出结论，这个地方是需要公差 约束的。所以，请看以下的工程图：图 1.2-12第 15 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础（注意：此图中的公差 40（+0.15/+0.05）和 20（-0.05/-0.15） ）图 1.2-13 （注意：此图中的公差 40（0/-0.1）和 20（+0.1/0） ） 请诸位注意比较图 1.2-12 和图 1.2-13 中的公差。另外，在工程实际应用中， 象这样的精度要求不高的配合的地方也可以在图纸上注明“与 XXXX 工件上的 XXX 尺寸配做，间隙配合/过渡配合/过盈配合” 。而如果是高精度的机构或者组 件中的工件则需要根据设计的结构和装配互换方式、 加工工艺进行尺寸链解算和 公差分配。 顺便说一下，在加工制造过程中有一种现象值得引起注意：通常加工人员加 工出来的轴的尺寸较容易向公差范围内偏大的方向移动；孔的尺寸则相反，容易 向公差范围内偏小的方向移动。这是由于加工人员担心“过切削”的心理导致的 结果，也就是说，加工人员通常会有这样一种心态：轴如果大一点还可以再补加 工一次，如果小了就没有办法挽救了；孔如果小一点也还可以补加工一次，如果 大了零件也可能就报废了。所以，加工人员在这种心态支配下，通常就以最小极 限尺寸为目标加工孔，以最大极限尺寸为目标加工轴。当然，在数控机床上加工 出来的工件则不存在这个问题。 请诸位注意图 1.2-13 中右视图内的两个尺寸所构成的尺寸链。 为什么我们选 择的是凸台的高度尺寸 20 进行标注，而不是底座的高度尺寸（15）进行标注？ 提醒一下：这也是关联尺寸的问题。 另外，我们给诸位提一提形位公差的问题。形位公差也是机械设计制造中非 常重要的内容，形位公差选择、使用不合理同样会导致工件的加工、装配和使用 的一系列问题。在实际工程应用中，我们除了要理解 14 种形位公差的基本意义第 16 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础以外，还得要理解形位公差选择的三大重要原则：最大实体原则、包容原则、独 立原则。 还有一个重要的问题是复合基准和多重基准的选用以及多基准的使用顺 序。这方面内容请诸位参阅《公差的合理选用与正确标注》 ，这里面有非常详尽 的论述，勿需本人置喙。 这里需要专门提到的是本人见到很多初级设计师常犯的两个错误：1：把选 择轴线（或者中线）作为基准的基准符号直接摆在轴线上，请诸位注意；2：在 同一要素上给出的形状公差值大于位置公差值。切忌！切忌！ ！ 在这里，再提一下一般公差的问题。所谓一般公差，指在车间通常加工条件 下能达到或保证的公差。在国标中，一般公差有三类：线性公差、倒圆半径和倒 圆高度公差和角度尺寸公差。他们分别有四个、两个、四个等级，国家标准中规 定了具体的尺寸极限偏差值和标注方法，请诸位查询 GB/T 。适当的材料 所谓适当的材料， 就是根据工件的实际设计使用状况和材料的工艺性能选择 合适的材料进行工件加工。常用的工程材料性能和规格请诸位自己翻阅相关资 料。需要特别指出的是：请诸位要善于运用型材，适当的使用型材可以降低制造 成本。另外，一定要对常用材料的各种性能了如指掌，注意，我们说的各种性能 是包括以下面：强度、韧性、刚度、可加工性、热处理性、导电性、导热性、焊 接性等。比如：曾经有人使用 POM 塑料设计了一个零件，其中有一个方形孔， 当人家问到怎么加工这个方形孔的时候，他告诉别人：线切割。这种错误实在不 是一个专业的机械设计师应该犯的。 下面，提出一些常用材料，请诸位务必打开《工程材料》或者咨询材料供应 商仔细熟悉其性能以在以后工作中熟练使用。 机架用材料： 焊接机架常用型材：热轧槽钢、冷拉方管、热轧工字钢 装配机架常用型材：铝型材 铸造机架常用材料：HT200、HT250、球墨铸铁 普通工件用材料： 普通板件常用材料：A3(Q235A)、45、AL6061（铝） 、AL5052(铝) 轴用材料：45、40Cr、SUS304（06Cr19Ni10） 夹具模具常用材料：D2（Cr12Mo1v1） 、T10、Cr12、H13、60Si2Mn 耐热材料：环氧树脂、氧化铝 防腐蚀环境用不锈钢：SUS316(18Cr12Ni2.5Mo) 可淬火不锈钢：440C 常用工程塑料：ABS、PMMA(有机玻璃)、POM（赛钢） 、PP、PU（聚氨酯） 、 电木 正确的工艺要求 当工件具有特殊工艺要求时， 请诸位在图纸中明确提出并选择正确的相关工第 17 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础艺。我们常说的工艺要求通常包含以下内容：工件的表面处理、热处理以及各种 特殊的加工工艺，譬如：线切割、电火花、化学腐蚀等。 完整的文档管理内容及工件信息 文档管理内容及工件信息是指为了方便企业对于设计文件进行管理而对图 纸的标题栏等图纸中的文字类容进行的企业标准设计项目和零部件的制作信息。 诸位在做图纸的时候请将这些项目都整理清楚、填写完整以方便企业管理、项目 追踪和零件制作。 通常，一份清晰完整的图纸标题栏和文字说明应包含以下内容： 项目名称：本图纸隶属于哪个项目下； 项目代号：由公司或者项目组制定的本图纸所隶属于的项目代码； 零件名称：本图纸所表示的零部件的名称，通常，这个名称会指示出本零件 的大致功用； 零件代号：根据企业标准确定出来的本图纸中的零部件代号，通常，这个代 号在本企业中是属于唯一的， 它为了方便图纸制作完成以后的所有工作中的相关 人员的联系和项目管理； 材料：明确给出制作本图纸所示零部件的材料及其牌号； 数量：明确给出制作本图纸所示零部件的数量； 热处理：明确指出本图纸所示零部件的热处理方法； 表面处理：明确指出本图纸所示零部件的表面防腐蚀处理方法； 技术要求：明确指出本图纸中所示的零部件所需要达到的各项技术指标。 设计、制图、审核人员的签字及日期； 图幅比例：通常，目前多数图纸都是由计算机制作而后打印出来的，其中大 多数尺寸与实际比例并不一致。所以，应该让零件制作人员知道不可根据图纸上 的距离自己测量工件尺寸，如有遗漏尺寸则应咨询设计、制图人员； 版本代号：依照企业标准给出本图纸所示零部件的版本代号及修改内容； 投影方法：由于目前国内外的技术交流越来越多，而各国使用的图纸投影方 法并不一致，所以，诸位有必要在自己的图纸中清晰地指出本图纸的投影方法。 目前，国际上流行的工程图纸投影方法主要有两种：第一视图投影法和第三视图 投影法。 现在，我们总结一下制作工程图的过程： 首先，布置视图。 然后，标注尺寸。 然后，标注公差。 然后，根据工件工况条件和材料性能选择合适的材料。 然后，确定工件的工艺要求，填写相关参数。 然后，撰写技术要求。 然后，填写标题栏 最后审核图纸。第 18 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础附 1：图纸中常用英文单词由于近年来随着开放的深入， 国内外的交流越来越多， 特别是在自动化领域， 更不乏出口或者为外资企业设计制造设备的企业， 那么从事自动化设备设计行业 工作的人员不可避免的需要同英文图纸打交道。 所以， 为方便大家阅读英文图纸， 现将工程图纸中会常用到得专业词汇罗列如下，以供参考。 Turning 车削 Milling 铣削 Grinding 磨削 Lapping 研磨 Boring 镗削 Drilling 钻孔 Tapping 攻牙 Welding 焊接 Adhesive bonding 粘结 Polishing 抛光 Wire EDM 线切割 Electric sparkle 电火花加工 Spindle 主轴 Micrometer 千分尺 Caliper 卡尺 Lower allowance 下偏差 Upper allowance 上偏差 Interference fit 过盈配合 Clear oxide 发白 Black oxide 发黑 Chrome plating 镀铬 Zinc plating 镀锌 Nickel plating 镀镍 Hardening 淬火 Quench 水淬火 Tempering 回火 Annealing 退火 Heat treatment 热处理 Surface finish 表面处理 Level bubble 水平仪 Gradienter 水平仪 Torque 扭矩 Tolerance 公差 Roughness 粗糙度 Flatness 平面度 Straightness 直线度 Roundness 圆度 Cylindricity 圆柱度 Profile of line 线轮廓度 Profile of surface 面轮廓度 Perpendicularity 垂直度 Angularity 斜度 Parallelism 平行度 Position 位置度 Concentricity 同轴度 Circular runout 圆跳动 Total runout 全跳动 Clearance fit 间隙配合 Transition fit 过渡配合 Anodizing 阳极氧化 Painting 喷漆 Sandblasting 喷砂 Knurling 滚花 Chamfer 倒角 Deburr 去毛刺 Normalizing 正火 Ageing 老化处理 Age hardening 失效硬化 Carburizing 渗碳 Spline 花键 Technique requirement 技 术 要 求 Curvature 曲率 Inertia 惯量第 19 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础附 2：尺寸链的解算方法尺寸链的计算就是指计算封闭环和组成环的基本尺寸及其极限偏差。 在设计 计算中通常是：已知封闭环的基本尺寸和极限偏差和各组成环的基本尺寸，求各 组成环的极限偏差和公差。其目的是根据设计总体要求来确定各组成环的上、下 偏差，也就是解决公差的分配问题。正确地运用尺寸链知识，能够合理地确定零 部件相关尺寸的公差和极限偏差， 以最经济的方法达到一定的技术要求和装配精 度。尺寸链的计算根据装配方法和生产批量的不同也具有相应的几种不同方法： 完全互换法、大数互换法、分组互换法、修配补偿法等。本节类容介绍完全互换 法和大数互换法供诸位参考，通常这两类是应用最多的，它们分别适应小批量和 中等批量的生产方法。 本节类容涉及到的概念和公式较多，以下解释几个本节会用到得概念。公式 则边使用边解释，以便于诸位阅读。 封闭环：指尺寸链中通过已有尺寸间接得到的尺寸； 组成环：指尺寸链中直接标注出来的已有尺寸； 增环：指尺寸链中随着封闭环的尺寸增大而增大的组成环； 减环：指尺寸链中随着封闭环的尺寸增大而减小的组成环； 完全互换法：装配时，全部产品的组成环都不需要进行挑选或者改变其大小 和位置，装入后即可达到封闭环的公差要求。此法不考虑实际尺寸的分布情况， 从尺寸链各环的极限值出发进行计算，能够保证产品的完全互换性，所以也称作 极值法。 大数互换法：装配时，绝大多数产品的组成环不需要挑选或者改变其大小和 位置，装入后即可达到封闭环的公差要求。此法假定各环都趋向正态分布，置信 概率为 99.73%，所以此法也称作概率法。采用此法设计计算时，应采取适当的 工艺措施以排除个别产品超出公差范围。 尺寸链解算基本步骤： 1、画出尺寸链图； 2、根据尺寸链图确定出封闭环和增环、减环； 3、根据计算公式进行各环值的计算； 4、校核计算结果；下面，请看示例： 如图 1.3-1 所示，轴上装有 4 个零件：2 个垫片、1 个皮带轮、1 个轴用弹性 挡圈。已知：d1=42mm, d2= d5=5mm, d3=30mm, d4= 2 0 ? 0.05 mm。要求装配完成0.2 后 d0= 0 + + 0.05 。求各组成环的公差、轴 d1 的极限偏差。第 20 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础图 1.3-1图 1.3-2 完全互换法（极值法）计算：1、画尺寸链图，如图 1.3-2； 2、确定封闭环、增环、减环。显然，封闭环为 d0，增环为 d1，减环为 d2， d3，d4，d5。0.2 封闭环尺寸为：d0= 0 + + 0.053、 计算各组成环的公差等级系数 α av 显然，T 0 =0.1mm，T 4 =0.02mm(轴用弹性挡圈的标准件公差)第 21 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础α av =T0∑ii =1miα av ——各组成环的平均公差等级系数；i i ——第 i 个组成环的公差单位； T i ——第 i 个组成环的上下偏差之差值；基本尺寸与公差单位表 尺寸 分段 i/ μ m 尺寸 分段 i/ μ m 1--3 0.54 &3--6 0.73 &6-10 0.9 &10--18 1.08 &18--30 1.31 &30--50 1.56 &50-80 1.86&80-120 &120--180 &180-250 &250-315 &315--400 &400--500 2.17 2.52 2.9 3.23 3.54 3.86查询基本尺寸与公差单位表，计算公差等级系数： (0.15 ? 0.02) × 1000 ∴ α av = ≈ 30 1.31 + 0.73 + 1.56 + 0.73 注意：上式中的 1000，来源于 mm 与μm 之间的单位换算系数。 标准公差计算公式表 基本尺寸（mm） D&=500 D&500-+0.012D 1.414i 0.8+0.02D 2i (IT1)(IT5/IT1)^0.25 (IT1)(IT5/IT1)^0.5 (IT1)(IT5/IT1)^0.75 7i 10i 16i 25i 40i 64i 100i 160i 250i公差等 级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13标准公 差 IT0 IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 IT8 IT9 IT10 IT11 IT12 IT13第 22 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础14 15 16 17 18IT14 IT15 IT16 IT17 IT1i i 2500i所以，根据标准公差计算公式表，待确定组成环的公差等级可以选择为 IT8(T=25i)。所以，可以得到：T 1 = 25 × 1.56 / 1000 = 0.039 mm T 2 =T 5 = 25 × 0.73 / 1000 = 0.018 mm T 3 = 25 × 1.31 / 1000 = 0.033 mm∑Ti =15i= 0.128mm&0.15mm= T 0所以，符合设计需要。 4、 计算各组成环的极限偏差 根据单向体内原则，各组成环（轴 d1 除外）的极限偏差可定为：d 2 = d 5 = 50 ? 0.018 d 3 = 30 0 ? 0.033 d 4 = 20 ? 0.02所以，各环中间偏差 Δ i =（ ES i + EI i ）/2 ES i ——第 i 个组成环的极限上偏差； EI i ——第 i 个组成环的极限下偏差； Δ 0 =0.075 Δ 2 =Δ 5 =-0.009 Δ 3 =-0.0165 Δ 4 =-0.01 ∴Δ 1 =0.075+（-0.009-0.-0.009）=0.0305 ∴ ES1 = Δ 1 + T1 / 2 = 0.5=0.05EI 1 = Δ 1 ? T1 / 2 =0.5=0.010.05 所以，可以得到 d1=42 + + 0.01 mm。第 23 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础大数互换法（概率法）计算： 本计算方法，第一、二步与完全互换法完全相同，此处略。 3：计算各组成环的公差等级系数 α av 显然，T 0 =0.1mm，T 4 =0.02mm(轴用弹性挡圈的标准件公差)α av =T0∑ii =1m2 iα av ——各组成环的平均公差等级系数；i i ——第 i 个组成环的公差单位； T i ——第 i 个组成环的上下偏差之差值；∴ α av =(150 2 ? 20 2 ) /(1.56 2 + 0.73 2 + 1.312 + 0.73 2 ) ≈ 65所以，选取公差等级 IT10 级（T=64i） 。T 1 = 64 × 1.56 / 1000 = 0.0998 mm T 2 =T 5 = 64 × 0.73 / 1000 = 0.048 mm T 3 = 64 × 1.31 / 1000 = 0.084 mm∑Ti =152i= 0.14mm&0.15mm= T 04：计算各组成环的极限偏差 根据单向体内原则，各组成环（轴 d1 除外）的极限偏差可定为： d 2 = d 5 = 50 ? 0.048 d 3 = 30 0 ? 0.084 d 4 = 20 ? 0.02 所以，各环中间偏差 Δ i =（ ES i + EI i ）/2 ES i ——第 i 个组成环的极限上偏差； EI i ——第 i 个组成环的极限下偏差；第 24 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础Δ 0 =0.075 Δ 2 =Δ 5 =-0.024 Δ 3 =-0.042 Δ 4 =-0.01 ∴Δ 1 =0.075+（-0.024-0.042-0.01-0.024）=-0.025 ∴ ES1 = Δ 1 + T1 / 2 = -0.025+0.EI 1 = Δ 1 ? T1 / 2 =-0.025-0.0.075 所以，可以得到 d1=42 + ? 0.125 mm。诸位可以看到：本例中Δ1 出现了负值，所以，在条件允许的情况下可以提 高一个公差等级进行计算。 本节类容详细介绍了直线尺寸链的解算方法， 请诸位仔细阅读以便于在将来 的实际工作中可以根据具体情况解算尺寸链，合理的赋予各尺寸公差，而不是盲 目地提高零件公差等级而导致加工难度加大，成本提高。当然了，我们并不是要 求所有的公差都通过尺寸链解算得出来，这对于机械设计来说也是不现实的；但 是， 建议对于所设计的设备非常重要的零部件而且精度要求又很严格的地方的公 差通过解算得出来，以防止给出的精度富裕，提高加工成本和难度。 顺便说一句，在工程实践中通常还有这样的一种状况，就是当工厂在制作只 有一套零件的非标件时，加工人员通常会忽视图纸给定的公差要求，而是采用配 合加工的办法——即以一件为基准， 加工另一件的配合尺寸——来满足装配要求 以降低加工难度。这种状况的结果是设备运行正常则没有问题，如果其中一个零 件出现损坏，则其他与之配合的零件都必须换掉。如果配合零件不多，成套替换 成本较低、技术难度较小，通常也可使用这种方法来降低加工难度和成本。第 25 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础第二章 常用的自动化元器件及选型基础前面，我们介绍了工程图的制作及相关的基础知识储备。现在，我们开始介 绍常用的自动化元器件的基本知识。 本文的重点在于各种常用自动化部件的选型 计算方法和基础应用知识，所以，其中涉及到得相关理论知识不做重点阐述。在 各种驱动元件和执行元件的选型中会有相当一部分的力学知识的应用，所以，在 阅读本章前，请诸位做好相关知识的储备。由于液压系统一般应用于大负载的场 合且其控制回路相对复杂，初级设计师较少涉及到，其具体理论和应用知识请查 阅《液压传动系统》一书，其器件选型思路与气动系统元器件选型大致相似，所 以本文不做介绍。第一节 气动系统元器件选型及应用气动系统基本元器件 在现代工业自动化设备中，气动元器件得到了广泛的运用。需要声明的是： 本文的主要面对对象是初级工程师及以下资质人员，所以，本节内容着重介绍普 通的气动回路和气动系统元器件的基本知识和选型应用方法，突出的是“常用” 二字，关于特殊的气动系统应用请参考专门的资料或者咨询气动产品供应商。 首先，我们来了解一下气动驱动系统的基本组成部件。 气源：气动系统的气源为纯净的压缩空气。所以，我们常用的气源部件主要 包括：空气压缩机、过滤器、减压阀、压力表、油雾器等器件。空气压缩机主要 是产生压缩空气（工作介质） ；过滤器主要是过滤压缩空气中的杂质，主要是水， 所以过滤器一般有手动排水和自动排水两种； 减压阀主要是为了调节气动回路的 压力，是压力恒定，维持气动系统的稳定性；压力表是气压的指示仪器，它的单 位通常有两种：帕斯卡（Pa） 、100 kpa（Bar） ，面向欧美的压力表也会有磅/平 方英寸（Psi） ；油雾器的主要作用是雾化气动元器件的润滑油。 气缸：气缸是主要的气动驱动元件之一，它有多种类型。根据作用方式可分 为：单作用气缸和双作用气缸。单作用气缸是指气缸的活塞杆的某一个方向的运 动由压缩空气驱动，而另一个相反方向的运动由弹簧驱动复位。双作用气缸是指 气缸活塞杆的两个方向的运动都由压缩空气驱动。 气缸根据其运动方式可以分为 三类：直线运动气缸、旋转气缸和气爪。直线运动气缸驱动执行机构做直线往复 运动；旋转气缸驱动执行机构做旋转往复运动；气爪驱动执行机构做开合运动， 主要用于工件或者产品的抓取、夹持等方面。根据气缸的使用工况环境区分，可 分为：普通气缸、防水气缸、洁净气缸。普通气缸适用于一般的工作环境；防水 气缸适用于具有一定程度的水雾和湿度环境下；洁净气缸主要应用于洁净室内第 26 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础（Clean Room）的工作环境中。 节流阀：节流阀主要功能是调节气流大小，控制气动驱动元件的速度。通常 分为：进气节流阀和出气节流阀两种。进气节流阀直接调节供气管的气流大小， 出气节流阀通过调节排气管的气流大小达到控制气动驱动元件的速度， 因而具有 比进气节流控制更稳定的特点。 电磁换向阀：气缸的往复运动、真空吸盘的吸取和放置动作都由电磁换向阀 来控制。电磁换向阀的动作由控制系统直接输出电信号进行驱动，所以，电磁换 向阀实际上属于气动系统的控制元件。我们常用的电磁换向阀通常有：两位四通 电磁阀、三位四通电磁阀、两位五通电磁阀、三位五通电磁阀。在这里，请诸位 区分开“位”和“通”这两个概念：位，是指阀芯的工作位置，两位即两个工作 位置；通，是指阀体内部通过阀芯的运动而形成的气流通路。 磁性开关：磁性开关是一种检测气缸活塞位置的传感器。气缸活塞位置如果 通过磁性开关检测，则要求选用带磁性的气缸活塞，否则无效。 真空吸盘：真空吸盘是一种应用真空原理抓取产品的塑料元件。 真空发生器：真空发生器的主要功能是产生一定程度的真空。 负压表：负压表是检测气路真空程度的仪表，它通常作为一种传感器使用。 快换接头：直接插拔式的气管接头。 气管：通常，气管规格都是以气管外径来区分的。我们常用的气管规格有： Φ4，Φ6，Φ8，Φ10，Φ12。 附：气动系统中常用单位的换算 1 psi = 6.895 Kpa = 0.06895 bar = 0.0703 atm(标准大气压) 在一般工程应用中可以将千克力/平方厘米和 bar 等值对待。气动元器件选型及应用 声明：本节内容所有的计算过程中气动回路的压力供应按照 6bar 进行。本 节内容中所采用的气动元件样本为 FESTO 气动产品。 一 空气压缩机通常是由工厂配备，所以，这里不介绍其选型计算。 二 空气过滤组合件的选型及计算方法 空气过滤组合件常用的主要包含以下四种种元件：空气过滤器、减压阀、油第 27 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础雾器、压力表。通常，供应商会根据其产品使用状况将这四种元件集成配置成一 个组件以方便客户选择使用。所以，在选择此组合件的时候，我们只需要关注两 个问题即可：本组件的流量和过滤器的排水方式。在工程实践中，空气流量的计 算单位为：升/分钟（L/min） 。所以，我们只要保证此组件供气的所有回路中最 大耗气时刻的气体流量小于本组件的额定供气流量， 并根据工厂实际使用需要选 择适当的排水方式（手动排水或自动排水）即可。最大耗气时刻气体消耗量即在 耗气量最大的时候所有气动元件工作的耗气量。 气体流量计算公式：Q = A X V/1000 Q：气体流量，单位：L/min A：缸体截面积，单位：cm? V: 活塞运动速度，cm/min 三 气缸的选型及计算方法 气缸的选型主要有三个参数需要关注，其中一个结构参数：即选用什么型式 的气缸的问题；另外两个数据参数：即缸径和行程。 经过前面的了解我们知道气缸的作用方式有两种：一种是单作用气缸，一种 是双作用气缸。所以，根据实际使用状况选择：如果回程复位没有负载，则可以 选择单作用气缸；否则，选择双作用气缸。因为任何气缸供应商提供的气缸产品 都有多种外形结构，它们对应了不同的制造工艺和成本，所以，应根据实际机械 结构设计使用的需要选择不同型式的气缸。 气缸缸径：指气缸缸体的内径。 气缸行程：指气缸活塞移动的最大距离。 请看下面的示例：图 2.1-1第 28 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础图 2.1-1 中显示的负载是 40kg，设定提升行程是 90mm。所以，根据图中的 气缸安装方式其回程推力应大于 40kgf。而在实际工程应用中，气缸的效率大约 是 85%，所以，而我们再乘以一个安全系数 Sp，则实际要求的推力为：F = (Fl X Sp) / 0.85 Fl: 负载； Sp: 气动产品安全系数 1.25，此参数是一个工程经验值，根据各种应用场 合不同可以适当做一些调整，无量纲常量； 气缸作用力的计算公式：F = A X P A: 压缩空气作用于活塞的运动方向的面积，单位：cm?； P: 气路供气压强，单位：kgf/cm?； F: 气缸作用力，单位：kgf； 根据以上公式，可以得到：A = F / P A = 58.8 / 6 = 9.8 cm? 根据图示的安装方式，可以知道，气缸的回程方向为负载提升方向，所以， 其气体作用于活塞的面积为：A = 3.14 X (D/2)? - 3.14 X (d/2)? D: 气缸缸径，单位：cm； d: 气缸活塞杆直径，单位：cm； 所以,我们假设选择标准气缸 DNC 系列，则根据 FESTO 的样本可以选择气缸 缸径为：40mm。 校验气缸： 由 FESTO 样本知道，DNC 系列气缸中 40mm 缸径的活塞杆直径为Φ16，所以， 实际回程时气体作用面积为：A = 3.14 X (D/2)? - 3.14 X (d/2)? A = 10.56 cm? & 9.8 cm? 所以，缸径选择合适。 根据要求，提升行程 90mm,则选取气缸标准行程为 100mm。气缸两端或者单 端加限位调整装置，调整到需要行程即可。 注意：通常普通气缸的行程都会有+/-1mm 的误差，所以在需要精确定位的 时候，需要选择气缸行程大于需要行程而在定位处加设限位装置。 那么，现在气缸的主要参数确定完毕。接下来看看气缸的辅助参数。 如果，需要选择直接检测气缸活塞的位置，则需要选择带磁性的活塞。 如果，在结构设计时允许外设缓冲装置则可以选择不带气动缓冲的气缸，否 则选择带有气动缓冲的气缸。以使气缸平稳停下。至于外设缓冲器的选择计算， 我们将在后面模块设计中给诸位介绍。第 29 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础剩下最后一个参数确定，即气管规格。40mm 缸径气缸我们通常配管规格选 择 6mm 气管。 至此，气缸选择完毕：DNC-40-100-P-A。 四 节流阀选择 为了气缸运行更趋于平稳状态，我们选择排气节流型节流阀。根据气缸气接 口螺纹（G1/4）和选定的气缸规格选择节流阀型号即可。 五 电磁换向阀选择 电磁换向阀的选择是很多初级工程师迷惑不解的问题。 以下我们介绍五种工 业自动化设备中使用最为广泛的电磁换向阀动作过程及相应过程中电磁阀的输 出对于气缸动作的影响。 请诸位认真阅读并结合工作实践仔细思考何种工作条件 该选择何种电磁换向阀。 两位阀： 单线圈两位五通电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯只有两个工作位置，换向阀 的一端有电磁线圈进行控制电磁阀动作。此线圈得电动作，失电复位。即阀芯在 线圈通电时移向靠近线圈的位置，线圈断电时移向远离线圈的位置。即线圈断电 后阀芯复位，气缸也复位。 双线圈两位五通电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯只有两个工作位置，换向阀 两端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A 线圈通电且 B 线圈断电，阀芯移向靠 近 A 线圈位置；B 线圈通电且 A 线圈断电，阀芯移向靠近 B 线圈位置。此款双线 圈电磁阀的特点即意味着当设备异常断电时，气缸不会动作。 三位阀： 三位五通中封式电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯有三个工作位置，换向阀两 端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A 线圈通电且 B 线圈断电，阀芯移向靠近 A 线圈位置；B 线圈通电且 A 线圈断电，阀芯移向靠近 B 线圈位置。两端同时断 电，则电磁阀阀芯回到中间位置，两个气管都不形成回路，即气缸两个腔体完全 封闭，不供气，不排气，气缸活塞保持位置不动。 三位五通中压式电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯有三个工作位置，换向阀两 端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A 线圈通电且 B 线圈断电，阀芯移向靠近 A 线圈位置；B 线圈通电且 A 线圈断电，阀芯移向靠近 B 线圈位置。两端同时断 电， 则电磁阀阀芯回到中间位置， 两个气管同时供气， 即气缸两个腔体同时供气， 气缸活塞向有活塞杆一端缓慢移动。 三位五通中泄式电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯有三个工作位置，换向阀两 端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A 线圈通电且 B 线圈断电，阀芯移向靠近 A 线圈位置；B 线圈通电且 A 线圈断电，阀芯移向靠近 B 线圈位置。两端同时断 电， 则电磁阀阀芯回到中间位置， 两个气管同时排气， 即气缸两个腔体同时排气， 气缸活塞可通过任何外力随意移动，气缸为不受控状态。第 30 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础以上五种电磁换向阀的不同特点决定了我们的不同选择。所以，在图 2.1-1 中，出于安全考虑，我们为了防止负载提升至上面工位时异常断电导致的负载突 然下落，应该选择双线圈两位五通电磁阀。 磁性开关：磁性开关的选择比较简单，任何气动产品供应商都会在气缸的页 面明确告诉使用者什么气缸适合哪些类型的磁性开关。 用户只需根据自己的使用 情况和控制系统状态选择不同输出电压、 输出制式以及磁性开关信号线引出方式 选择一款即可。 真空吸盘、真空发生器、负压表：这套元器件实现的功能主要是真空吸取产 品， 而选型规则十分简单： 只要选择的真空吸盘产生的吸力大于负载 X 安全系数， 另外选择配套流量的真空发生器和负压表即可。 这些在任何供应商的样本中都有 详细描述，本人在这里也就不唠叨了。第 31 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础第二节油压缓冲器的选型计算鉴于诸多初级设计师不知道怎样通过计算的方式选择油压缓冲器， 而且大学 教材也没有关于这方面的内容，所以，在此为大家做一个简单介绍。缓冲器是设 备中使用非常广泛的一种器件，诸位有必要了解其计算选型方法。实际上，缓冲 器的使用场合很多，但是在工业自动化设备中，其主要使用场合还是配合气缸使 用。所以，将缓冲器的知识放在气缸内容后面介绍，以方便大家查阅。特别是现 代工厂自动化设备中气缸使用日益广泛的基础上， 缓冲器已经成为一种常用的标 准器件，本节内容也主要介绍在气功作为驱动力的冲击情况下，怎样对缓冲器的 选型进行计算分析。 缓冲器的计算方法根据冲击类型的不同而略有不同（主要是计算公式） ，为 了方便大家在工程中使用，免去做受力分析的过程，节约时间，将在下面给出几 种不同冲击方式下的计算公式，以供参考。为了方便总结和使用，我们将冲击方 式划分为以下几种：水平冲击、垂直冲击、倾斜冲击、摆动冲击和旋转冲击。 水平冲击：图 2.1-2如图 2.1-2 所示，当由气缸驱动物体向右冲击时，能量计算公式如下： 动能： E1 =1 ? M ? v2 2推力当量动能： E 2 = F ? S 缓冲器吸收能量： E = E1 + E 2 冲击物当量质量： M e =2? E v2每分钟吸收能量： Et = E ? n S——缓冲器吸收能量的行程； n——动作频率，即每分钟冲击的动作次数；第 32 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础垂直冲击：图 2.1-3如图 2.1-3 所示，在垂直方向由于重力作用的问题，所以，这两种方向的受 力不同，公式略有差异： 缓冲器向上： 1 动能： E1 = ? M ? v 2 2 推力当量动能： E 2 = ( M ? g + F ) ? S 缓冲器吸收能量： E = E1 + E 2 冲击物当量质量： M e =2? E v2每分钟吸收能量： Et = E ? n 缓冲器向下： 1 动能： E1 = ? M ? v 2 2 推力当量动能： E 2 = ( F ? M ? g ) ? S 缓冲器吸收能量： E = E1 + E 2 冲击物当量质量： M e =2? E v2每分钟吸收能量： Et = E ? n第 33 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础下面，我们举例说明其计算方法（由于各厂家制造的缓冲器规格型号及性能 并不一致，本例采用 CKD 的样本性能参数做介绍） ：图 2.1-4冲击方式如图 2.1-4 重物质量：M=15 kg 冲击速度：v=1.5 m/s 气缸推力：F=240 N 动作频率：n=10 次/min 复位时间：t=2 s 动能：E1 =1 1 ? M ? v 2 = × 15 × 1.5 2 = 16.875 J 2 2根据上式中计算得到的动能和临时行程选择表选定临时行程 S ' ： 显然， S ' = 0.03 ； 注意：选择缓冲器时所说的冲击速度指的是物体撞击缓冲器之前的瞬时速 度，并非气缸的平均速度（气缸行程/时间） 。通常，在使用气缸驱动时，冲击速 度采用平均速度的 1.5-2 倍。 临时行程选择表 0.3-1.1 0.8-3 1.8-7 5-21 17-32 30-60 动能 E1 (J) 临 时 行 程 0.005 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05S ' (m)当量动能： E 2 = ( M ? g + F ) ? S = (15 × 10 + 240) × 0.03 = 11.7 J 缓冲器吸收总能量： E = E1 + E 2 = 16.875 + 11.7 = 28.575 J第 34 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础根据能量比选择缓冲器孔口型式：E2 11.7 = = 0.693 E1 16.875选择多孔孔板型；临时选择型号 FCK-H-3； 孔口型式选择表 孔口型式 单孔孔板 多孔不规则孔板 能量比 0.1-5 1-5 冲击速度(m/s) 0.3-1 0.5-2 根据临时选择的型号行程校核吸收能量：E 2 = ( M ? g + F ) ? S = (15 × 10 + 240) × 0.016 = 6.24 J E = E1 + E 2 = 16.875 + 6.24 = 23.115 J多孔孔板 0.1-2 0.7-3每分钟吸收能量：Et = E ? n =23.115 × 10=231.15J计算当量质量： 2 ? E 2 × 23.115 Me = 2 = = 20.55kg v 1.5 2 对比样本参数中 FCK-H-3 的以上各项校验参数，合格。即所选型号满足实际 使用需求。第 35 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础第三节电力驱动元器件及相关执行机构配件选型及应用本节内容所谓电气驱动元器件主要指三种常用类型电机：三相异步电机、步 进电机和伺服电机；所谓执行机构配件主要指：减速机、分割器、同步带、齿轮 齿条、滚珠丝杠、直线导轨等常用自动化配件。因为学校教材采取分开讲解驱动 原件和执行原件的模式而使大家不易于理解和应用（当然，这也是理论知识教学 的需要） 。所以，本文本着理论联系实际的原则将这些元器件揉和在一起进行讲 解，通过实例和工程实际应用的方式向诸位介绍怎样选择这些常用的配件。本节 内容会使用到几个重要概念：功率、扭矩、角速度、角加速度、惯量、矩频特性、 分辨率，请诸位注意。 首先，向诸位阐述一下几个概念在工程实际应用中的作用，作为对教材纯粹 解释概念的补充。 惯量：诸位在《理论力学》中看到的都是转动惯量这个词，这里所说得惯量 是超越转动惯量的范畴。 惯量是惯性的一种定量表示， 它对伺服系统的定位精度、 稳定性和动态特性都有很大的影响。众所周知，扭矩=惯量 × 角加速度。对于初 级设计师来说： 它在工程应用中的意义主要是驱动系统能否在规定的时间内正常 启动或者在指定位置能否精确刹车（精确定位） ，负载惯量越小，系统就越容易 控制，这就是负载与驱动系统之间的惯量匹配。惯量匹配在步进驱动和伺服驱动 系统的选择中是非常重要的一个指标！惯量大，则系统的响应速度慢，会使系统 的固有频率下降，容易产生谐振。所以，在工程实践中，大家应尽量考虑将负载 惯量设计得比较小。当然，大惯量对于解决系统低速爬行现象有一定好处，也需 要综合考虑。 伺服电机和步进电机的区别：这个问题是困扰许多工程师的问题，而且它也 是经常被作为一个面试试题出现在工程师的面前。二者在电机原理、启动方法、 启动特性、过载特性、制动、控制方法、输出特性方面的区别请翻阅相关资料。 这里主要是阐述二者在实际应用中的差别。控制方式的区别：步进电机是开环控 制，但是我们也可以通过外置传感器构成半闭环或者闭环控制方式；伺服电机是 闭环控制（实际上是半闭环） ，通过编码器实时反馈负载位移及速度参数。所以， 我们在实际使用中， 如果是较少位移点的控制也可以使用步进电机加传感器的方 式取代伺服电机。矩频特性（转矩特性） ：通常，步进电机获得额定转矩的转速 在 300-400r/min 左右；伺服电机则高的多，基本都是在额定转速范围能获得额 定转矩。所以，在实际使用中，如果驱动高速机构则通常选择伺服电机。过载特 性：步进电机基本不能过载，过载则出现丢步；伺服电机具有短时大过载能力。 在实际使用中就意味着：如果出现过载，步进电机丢步，只要给定的脉冲发完， 则步进电机不再转动，执行机构停在过载的位置；伺服电机则一直发脉冲直至克 服过载， 执行机构到达指定位置， 或者损坏机构元器件， 执行机构停在过载位置。 选型参数：步进电机选型需要确定扭矩、惯量、转速、步距角；伺服电机选型需 要确定功率、扭矩、惯量、转速、分辨率。第 36 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础伺服电机+减速机+滚珠丝杠机构的选型基础 在现代工厂自动化设备中，由伺服电机驱动滚珠丝杠机构应用非常广泛。所 以，诸位有必要非常熟练地掌握其相关元件的选型方法。在工程实践中，有两种 常用的使用方式：竖直方向驱动负载和水平方向驱动负载。由于在两种不同的方 向使用时，负载重力对于扭矩的影响差异大，所以，我们在下面对两种使用方法 进行分开介绍。图 2.2-1图 2.2-2第 37 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础使用工况：m1=80kg 重复定位精度 工作台质量 行程长度 ls=1000mm 匀速运行时最低速度 驱动马达 AC 伺服马达 加速时间 t1=0.15s 减速时间 减速机 i=2 无效行程 0.15mm 直线导轨的摩擦系数 定位精度 ±0.3mm/1000mm 导向面的阻力 （从单方向进行定位）需要选型确定的内容： 滚珠丝杠直径 导程 精度 轴向间隙（予压） 滚珠丝杠支撑方式 驱动马达 水平方向使用时的选型计算方法（图 2.2-1） ： 导程精度的选择：±0.1mm Vmax=400mm/st3=0.15s μ=0.003（滚动） f=15N(空载时)所谓导程精度，是指在单位导程内滚珠丝杠的定位精度。通常，滚珠丝杠的 导程精度是规定的 300mm 的精度。 为了得出定位精度±0.1mm/1000mm： ± 0.1 ± 0.03 =
导程精度必须选择±0.09mm/300mm 以上。 所以滚珠丝杠的精度等级选择如下。 C6（运行距离误差：±0.023mm/300mm） 因精度等级 C6 既有轧制滚珠丝杠，又有精密滚珠丝杠，在此首先选择价格 低廉的轧制滚珠丝杠。 轴向间隙（予压）的选择： 为了满足 0.15mm 无效行程的要求，必须选择轴向间隙在 0.15mm 一下的滚 珠丝杠。 因此， 从满足轴向间隙 0.15mm 一下的轧制滚珠丝杠里选择轴径 32mm 以下 的滚珠丝杠。 从上所述，选择丝杠轴之间在 32mm 以下、精度等级 C6 的轧制滚珠丝杠。 导程选择：第 38 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础因为减速机的减速比为 i=2， 所以， 假设选择驱动马达的额定转速 3000r/min、 最高速度 400mm/s 时，滚珠丝杠导程如下。 400 × 60 × 2 = 16 mm 3000 因此，必须选择 16mm 或 16mm 以上的导程。 滚珠丝杠的支撑方式选择： 因行程是很长的 1000mm， 最高速度是 400mm/s 属中速使用， 故丝杠轴的支 撑方法可选择固定-支撑或固定-固定的方式。 但是，固定-固定的方式结构比较复杂，且部件精度和组装精度要求高。 因此，在此例中滚珠丝杠的支撑方法选择固定-支撑的方式。 轴向负荷的计算： 根据本例的参数要求： 加速度 V a = max = 2.67 m/s2 t1 工作行程加速时 Fa1=μ·(m1+m2)g+f+(m1+m2)· a =231N 工作行程等速时 Fa2=μ·(m1+m2)g+f=17.4N 工作行程减速时 Fa3=μ·(m1+m2)g+f-(m1+m2)· α = -196.2N 返程加速时 Fa4=-μ·(m1+m2)g-f-(m1+m2)· α = -231N 返程等速时 Fa5=-μ·(m1+m2)g-f=-17.4N 返程减速时 Fa6=-μ·(m1+m2)g-f+(m1+m2)· α =196.2N 作为在滚珠丝杠上的最大轴向负荷如下所述： Famax=Fa1=231N 因此，如果使用 20mm 丝杠轴直径、20mm 导程（最小沟槽谷径 17.5mm） 没问题，那么使用直径 30mm 的丝杠轴也应该符合条件。所以，对于丝杠轴的弯 曲载荷和容许压缩拉伸负荷的以下计算， 是假定 20mm 的丝杠轴直径和 20mm 的 导程。 丝杠的弯曲载荷计算： 与安装方法相关的系数η 2 = 20第 39 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础为考虑弯曲因素，螺母和轴承间的安装方法按固定—固定方式。 安装间距 丝杠轴沟槽谷径P1 = η 2 ? d14 2 4l a = 1100 mm（推算：约为行程+丝杠螺母的长度）d1 =17.5mmla17.5 4 × 10 = 20 × × 10 4 = 15500 N 2 1100滚珠丝杠的容许拉伸压缩负荷：P2 = 116 × d1 = 116 × 17.5 2 = 35500 N最大轴向不得大于计算所得的弯曲载荷和容易拉伸压缩负荷。因此，满足这 些条件的滚珠丝杠在使用上没有问题。 设计容许转速的探讨： 设计最高转速： 因为减速比为： i=2, 所以，等效最高转速：V1max=2 Vmax=800mm/s 丝杠轴直径：20mm；导程：20mm 最大速度 V1max=800mm/s 导程 Ph=20mmN max = V 1max × 60 = 2400r / min Ph2丝杠轴直径：20mm；导程：40mm 最大速度 Vmax=800mm/s 导程 Ph=40mmN max = V 1max × 60 = 1200r / min Ph丝杠轴直径：30mm；导程：60mm 最大速度 V1max=800mm/s 导程 Ph=60mmN max = V 1max × 60 = 800r / min Ph由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速 与安装方法相关的系数 λ 2 = 15.1 为考虑危险速度，螺母—轴承间的安装方法按固定—支撑。 安装间距 l b = 1100 mm（推算）第 40 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础丝杠轴直径：20mm；导程：20mm 和 40mm 丝杠轴沟槽谷径 d1=26.4mmN1 = λ2 ×d1lb210 7 = 15.1 ×17.5 × 10 7 = 2180 min ?1 2 1100丝杠轴直径：30mm；导程：60mm 丝杠轴沟槽谷径 d1=26.4mmN1 = λ2 ×d1lb210 7 = 15.1 ×26.4 × 10 7 = 3294 min ?1 1100 2由 DN 值所决定的容许转速 丝杠轴直径：20mm；导程：20mm 和 40mm（大导程滚珠丝杠） 钢球中心直径 D=20.75mm
N2 = = = 3370 min ?1 D 20.75 丝杠轴直径：30mm；导程：60mm（大导程滚珠丝杠） 钢球中心直径 D=31.25mm
N2 = = = 2240 min ?1 D 31.25 由上述可见，当滚珠丝杠的丝杠轴直径为 20mm、导程为 20mm 时，丝杠轴的 最高转速超过了危险转速。相反，当一组丝杠轴直径为 20mm、导程为 40mm 以及 另一组丝杠直径为 30mm、导程为 60mm 时，能满足危险速度和 DN 值。 因此，选择丝杠轴直径为 20mm、导程为 40mm 的丝杠。 从单方向进行定位时,轴向间隙(予压)不影响定位精度,所以不需要对轴向 间隙进行探讨。 以下部分进入电机的选型计算过程， 因为这个过程对于大多数初级设计师来 说是比较模糊的， 所以， 本人在此以黑体字标识各计算项目的标题， 请诸位注意！电机转速的选择：根据前面的计算：当选择丝杠轴直径为 20mm，导程为 40mm 的丝杠时，设计 最高转速 1200r/min 即可以达到指定的速度要求，而其危险转速为 2180r/min， 所以，我们选择电机转速应该为： n=1500r/min。旋转扭矩的计算：第 41 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础由外部负荷引起的摩擦扭矩 摩擦扭矩如下∶T1 =Fa ? Ph 17.4 × 40 = 123.14 N ? mm = 2π ? η 2 × π × 0.9由滚珠丝杠予压引起的扭矩 对滚珠丝杠没有施加予压。 加速时所需的扭矩 惯量： 每单位长度的丝杠轴惯量为： 1.23×10-3kg?cm2/mm （根据选定的型号查参数表） ,则丝杠轴全长1200mm （行 程+螺母长度+轴端）的惯量如下∶J s = 1.23 × 10 ?3 × 1200 = 1.48kg ? cm 2 = 1.48 × 10 ?4 kg ? m 2在这里， 计算丝杠轴的惯量也可以自己使用圆柱体绕自身中心线旋转的转动 惯量计算公式：J = mr 2J：转动惯量，单位：kg·cm?； m：丝杠轴质量，单位：kg； r: 丝杠半径，单位：cm； 作用于减速机输出端的总体惯量为： 丝杠上的负载惯量计算公式为：? Ph ? J = m? ? ? 2π ?2J：丝杠负载惯量，单位：kg·cm?； m: 丝杠负载质量, 单位：kg； Ph：丝杠导程，单位：cm； 此公式是《理论力学》教材上没有的，所以，请诸位谨记!另外，为方便诸 位记忆，在此顺便说一下：使用皮带驱动和齿轮驱动系统的负载惯量计算方法， 与丝杠系统负载惯量计算类似。? A? J = m? ? ? 2π ?2J：负载惯量，单位：kg·cm?； m: 负载质量,所有被驱动的直线运动部件的质量总和， 单位：kg；第 42 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础A：皮带主动轮转一圈或者齿轮转一圈负载的行程，单位：cm；? Ph ? ?6 J = m1 ? ? × 10 + J s π 2 × ? ? ? 40 ? ?6 ?4 = 80? ? × 10 + 1.48 × 10 ? 2×π ? = 3.39 × 10 ?3 kg ? m 22 2请诸位注意：以上惯量计算公式中的长度单位都是cm，因为工程上的惯例是 惯量单位使用kg·cm?。但也有部分资料上的单位是采用国际单位制的：kg·m?。 所以， 诸位在选择元器件的时候要注意看清楚供应商提供的资料上的惯量单位并 自己进行换算。 角加速度： 根据以上的危险速度计算，选择电机转速为1500r/min.因为减速比为2，所 以，减速机输出转速为750r/minα=2π ? Nm 2π × 750 = = 525rad / s 2 60 ? t1 60 × 0.15根据上述,加速所需要的扭矩如下∶T2 = ( J + J m ) × α = 3.39 × 10 ?3 + 1 × 10 ?3 × 525 = 2.305 N ? m = 2.305 × 10 3 N ? mm因此,所需扭矩如下∶ 加速时 Tk＝T1+T2＝123.14+2.305×10?＝2428.14 N·mm 等速时 Tt＝T1＝123.14 N·mm 减速时 Tg＝T1-T2＝120-2.305×10?＝-2181.86 N·mm 所以，需要的最大扭矩为：2.43Nm。 折算到电机轴上的最大扭矩和转动惯量： 请诸位注意，转动惯量通过减速机的折算方法：()J A = JB / i2J A :折算到电机轴的转动惯量； J B :减速机输出轴端的负载转动惯量；第 43 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础i ：减速比；所以，在本示例中： J A = 3.39 × 10 ?3 / 2 2 = 8.475 × 10 ?4 kg ? m 2 所以，折算到电机端的最大扭矩为： T A = 2.43 / 2 = 1.215 Nm 扭矩有效值： 扭矩有效值实际上是各阶段扭矩综合后的一个指标， 在工程实际应用中可以 等同于额定扭矩，所以，它是我们选择电机的一个重要参数，我们根据扭矩的有 效值来选择电机的额定扭矩。TR =2 2 2 2 2 2 2 Tac 1 ? t1 + Tav1 ? t 2 + Tde1 ? t 3 + Tac 2 ? t 4 + Tav 2 ? t 5 + Tde 2 ? t 6 + Ts ? t 7 t1 + t 2 + t 3 + t 4 + t 5 + t 6 + t 7TR : 扭矩有效值；Tac1 ：往程加速扭矩； Tav1 ：往程匀速扭矩； Tde1 ：往程减速扭矩； Tac 2 ：返程加速扭矩； Tav 2 ：返程匀速扭矩； Tde 2 ：返程减速扭矩； Ts ：停止保持扭矩；t1 — t 7 ：各作用区间时对应的时间；计算（略） 需要注意的是， 通常在工程实践中要求电机的输出扭矩在计算得到的负载扭 矩 基 础 上 乘 以 一 个 适 当 的 安 全 系 数 Sa 。 如 无 特 殊 要 求 ， 大 家 的 惯 例 是 ：1.5 ≤ S a ≤ 2 。另外，在转动惯量中，还需要加上减速机的惯量。由于本例中没有选用减速 机样本，所以，略去此项。 通常，在中低速系统中选择伺服电机进行惯量匹配时，要求负载惯量小于第 44 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础电机转子惯量的 3-5 倍；在高速系统中，要求负载惯量小于或等于电机转子惯 量。交直流伺服电机略有区别，具体系数请参考供应商提供的样本。 定位精度对电机分辨率的要求： 根据通常随着马达的标准角度测试仪的分辨率（1000p/rev；1500p/rev）,AC 伺服马达每转 1 周的最小分辨率如下所示。 1000 p/rev（无倍增） 1500 p/rev（无倍增） 2000 p/rev（双倍增） 3000 p/rev（双倍增） 4000 p/rev（4 倍增） 6000 p/rev（4 倍增） 而本例选择了减速比为 2 的减速机，实际上，相当于双倍增的分辨率。而通 常为了实现工程实践中所要求的定位精度， 我们通常要求进给系统的最小进给量 大于定位精度一个数量级。所以，我们需要的最小进给量为：0.02-0.03mm/脉冲。 为了满足选择条件中的最小进给量 0.02mm/脉冲，应符合如下。 导程 20mm－2000 p/rev 30mm－3000 p/rev 40mm－4000 p/rev 60mm－6000 p/rev 80mm－8000 p/rev 由此，大家可以了解，对于分辨率的解析，对于选择步进电机的步距角也是 具有相当重要的意义。步进电机步距角跟电机和细分驱动器相关。目前所有的步 进电机供应商提供的样本都包含有驱动器的细分技术说明。 电机功率： 电机功率的计算公式： Tn P= 9550 P: 功率，单位：kW； T: 转矩，单位：Nm； n: 转速，单位：r/min； 诸位可能有注意到，在本例中没有关于使用寿命的解说，主要是由于各供应 商提供的产品使用寿命有相当差异的缘故；另外，通常滚珠丝杠的使用寿命规定 为滚珠丝杠的回转次数，所以，使用寿命的分析也是比较简单的，是请诸位自己 找一份样本结合实际的工况条件动手分析。 至此，本例解说完毕。第 45 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础竖直方向使用时的选型计算方法（图 2.2-2） ： 导程精度的选择： 所谓导程精度，是指在单位导程内滚珠丝杠的定位精度。通常，滚珠丝杠的 导程精度是规定的 300mm 的精度。 为了得出定位精度±0.1mm/1000mm： ± 0.1 ± 0.03 =
导程精度必须选择±0.09mm/300mm 以上。 所以滚珠丝杠的精度等级选择如下。 C6（运行距离误差：±0.023mm/300mm） 因精度等级 C6 既有轧制滚珠丝杠，又有精密滚珠丝杠，在此首先选择价格 低廉的轧制滚珠丝杠。 轴向间隙（予压）的选择： 尽管要求无效行程在0.15mm以下,因为是竖直方向使用,轴向负荷始终作用 于一个方向（竖直向下）,不论轴向间隙多大,使用时也不成为无效行程，即不会 造成返程间隙。 因此,轴向间隙(予压)不会有问题,所以选择价格低廉的轧制滚珠 丝杠。请诸位注意：此处是与水平方向使用时的第一个不同之处。 导程选择： 因为减速机的减速比为 i=2， 所以， 假设选择驱动马达的额定转速 3000r/min、 最高速度 400mm/s 时，滚珠丝杠导程如下。 400 × 60 × 2 = 16 mm 3000 因此，必须选择 16mm 或 16mm 以上的导程。 滚珠丝杠的支撑方式选择： 因行程是很长的 1000mm， 最高速度是 400mm/s 属中速使用， 故丝杠轴的支 撑方法可选择固定-支撑或固定-固定的方式。 但是，固定-固定的方式结构比较复杂，且部件精度和组装精度要求高。 因此，在此例中滚珠丝杠的支撑方法选择固定-支撑的方式。 上升加速时 Fa1=m1·g+f+m1·α=1028.6N 上升等速时 Fa2=m1g+f=815N 上升减速时 Fa3=m1·g+f-m1·α=591.4N 下降加速时 Fa4=m1g-f-m1·α=561.4N 下降等速时第 46 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础Fa5=m1·g-f=785N 下降减速时 Fa6=m1·g-f+m1·α=998.6N 作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷如下所示∶ Famax=Fa1=1028.6N 请诸位注意：此处是与水平方向使用时的第二个不同之处。 以下各步骤与水平使用时计算方法一致，所以略去。 另外， 需要强调一下的是： 诸位在设计更高精度的滚珠丝杠传动系统的时候， 通常还需要考虑定位精度的问题。以上示例中由于定位精度都比较低，所选择的 导程精度都远大于定位精度，所以在其他几个方面的讨论都省略掉了。实际上， 在我们工程实践中设计使用高精密磨削导轨的时候还需要在定位精度方面讨论 以下几个方面的问题： （以上面水平方向使用的示例解释）定位精度的探索导程精度的影响： “导程精度与轴向间隙(予压)的选择”项中,选择了精度等级C6。 C6（运行距离误差∶± 0.023mm/300mm） 轴向间隙(予压)的影响： 轴向间隙主要考虑的是丝杠在回城时， 由于丝杠与螺母之间本身的间隙造成 的误差。 在本例中， 从一个方向进行定位时,轴向间隙(予压)不影响定位精度,所以不 需要探讨。 换句话说，如果是需要在两个方向进行定位时就需要讨论这个轴向间隙，如 果选择的丝杠轴向间隙大于某个值（这个值根据总的精度误差决定）时，就需要 对导轨进行预压或者换轴向间隙小的滚珠丝杠。 轴向刚性的影响： 本例中， 因负荷方向不发生变化,所以不需要根据轴向刚性来探讨定位精度。 而实际上在大负载、双方向、高精度的定位系统中有必要全面考虑轴向刚性 给系统带来的定位误差影响。对于滚珠丝杠传动系统来说：n 1 1 =∑ K i =1 K iK: 丝杠传动系统的轴向刚性，单位：N/μm；K i ：丝杠传动系统中各相关部分的刚性，例如：丝杠轴、丝杠螺母、支撑轴承、螺母座、支撑轴承座等相关部件。 单位：N/μm； 而在实际使用中，整个系统的刚性跟系统结构设计有直接的关系，如有无预第 47 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础压、安装方式等。对于滚珠丝杠来说，各供应商应该提供各种结构的刚性曲线或 者计算公式，诸位只需要按照其选择或者计算就可以了。 因发热而引起热变形的计算： 假设在使用中,温度上升5℃。 因温度上升而引起的定位误差如下。Δl = ρ × Δt × l = 12 × 10 ?6 × 5 × 1000 = 0.06mmΔl ：温升定位误差；ρ ：丝杠轴的温度影响系数（热膨胀系数），根据材质和成型工艺不同而有区别，具体请向供应商咨询； l ：丝杠行程； 由此可见，发热对于精度影响的程度。所以，在要求高精度定位场合时，必 须采取对策防止温度上升。比如：尽可能减少预压量、控制转速、选择合适的润 滑剂、对丝杠轴外部进行冷却等措施。 运行中因结构形位公差引起的误差的计算： 根据结构假设垂直度公差在± 10 " 以下,因垂直度公差而引起的定位误差 为∶Δα = l × sin θ =150 × sin (± 10′′) = ± 0.007mm由以上叙述可知：系统的定位误差主要由以上几部分误差组成，其值为各误 差值之和。关于直线导轨的选型问题通常，依据工程使用的惯例，直线导轨如果与滚珠丝杠配合使用则其规格应 与滚珠丝杠的外径相近似。譬如：滚珠丝杠的公称直径为 20mm，则选择 20 规 格的直线导轨。而滑块数量通常是依据载荷状态或者设计师的经验选择。所以， 本节类容不介绍直线导轨的计算问题，如果诸位有兴趣，可以自行翻阅供应商提 供的样本目录。需要注意的是：在选择直线导轨的精度等级的时候，请根据自身 使用状况选用能够满足工程实际要求的导轨即可， 不要无谓地提高精度等级加大 制造装配难度和制造成本。下面，介绍一下其中相对重要的几个基本的概念。 基本静额定负荷： 直线导轨在静止或者运动过程中如果承受过大的负载或者 承受很大的冲击负载时， 会导致导轨滚珠滑道的接触面和滚珠产生局部的永久的 塑性变形，当这种变形量超过一定限度后，将会影响到直线导轨运行精度和平稳第 48 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础性。基本静额定负荷就是容许这种变形量的极限负荷。国际通用的定义是：在负 载的方向和大小不变的情况下，受到最大应力的接触面处，钢珠与滑道的永久变 形量为钢珠直径万分之一时的静止载荷。所以，这个参数对于直线导轨来说是非 常重要的， 我们在使用过程中必须保证施加给直线导轨的最大静止载荷在允许范 围内。通常，为了考虑其使用寿命和安全性，我们在使用时需要有一个安全系数 来保证其正常使用的安全性和使用寿命，特别是在有冲击载荷时，这个安全系数 更要取得相对较大。普通的运行状态下通常取安全系数 1.5 ≤ S ≤ 3 ，在有冲击载 荷的时候通常 3 ≤ S ≤ 5 。 基本动额定负荷：在直线导轨的负荷大小和方向不变的情况下，直线导轨的 额定寿命为 50km 时的最大负载。由定义可以知道，这个参数主要是为了计算和 保证直线导轨的使用寿命的。这里我们给出滚珠直线导轨的额定寿命计算公式：? fh ? ft ? fc ? C ? ? L = 50 ? ? ? ? f w ? Pc ? ?3L：额定寿命，km； f h ：直线导轨硬度系数； f t ：直线导轨温度系数； f c ：直线导轨接触系数； f w ：直线导轨负荷系数； C：直线导轨的基本动额定负荷； P C ：直线导轨的实际负载；以上介绍滚珠丝杠传动系统选型计算完毕。除此之外， 利用同步带和齿轮齿条驱动负载直线运动的机构元器件选型计算 与伺服电机基本类似，唯一的区别：是同步带需要根据负载功率计算同步带的容 量，齿轮齿条机构需要根据负载功率计算模数。其计算方法与大学教材《机械设 计》中讲解的一致。关于具体元器件的负载能力、使用寿命等方面的参数，诸位 在使用过程中咨询相应的供应商即可。在此，无须赘述。需要强调的是：如果在 实际使用中由伺服或者步进电机驱动则需要根据我们前面给出的惯量公式和扭 矩公式进行相应的计算选择合适的启动扭矩。第 49 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础步进电机+凸轮分割器圆盘分度机构的选型基础 间歇运动是工业自动化设备为了最大的解决生产效率问题、 实现多工位工艺 并行而采取的一种送料方法，通常也称为步进运动。它主要有两种结构方式：直 线间歇输送和圆盘间歇输送。 能实现间歇运动的机构我们通常也称为分度机构或 者间歇运动机构，这类机构非常多而且也非常成熟，譬如：曲柄连杆机构、凸轮 机构、槽轮机构、棘轮机构等。在现代工厂自动化设备中，由步进电机/交流电 机+离合器/伺服电机等驱动原件配凸轮分割器（indexer）的圆盘分度机构是应 用最为广泛的并行工艺处理机构之一。 这类机构可以非常轻松的实现停歇及多工 位的操作，特别是在装配、检测、焊接等工艺处理中得到了普遍应用。当然，也 有一些分度盘在精度及时间要求不高的场合直接由步进电机驱动的。 凸轮分割器，也习惯称间歇分割器。凸轮分割器是实现间歇运动的机构，具 有分度精度高、运转平稳、传递扭矩大、定位时自锁、结构紧凑、体积小、噪音 低、高速性能好、寿命长等显著特点，是替代槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮 机构、气动控制机构等传统机构的理想产品。 广泛应用于制药机械、食品包装 机械、压力机自动送料机构、玻璃机械、陶瓷机械、烟草机械、灌装机械、印刷 机械、电子机械、加工中心自动换刀装置等需要把连续运转转化为步进动作的各 种自动化机械上。我们通常使用到的分割器工位数有：2、3、4、6、8、10、12、 16、20、24、32、36 等。目前，国内外本产品做得比较好的有：台湾谭子（Tan Tzu）、美国 Camco、德国 Weiss 等厂家。 凸轮分割器原理图：图 2.2-3第 50 页&&&&FA 工业自动化设备设计基础另外，需要强调的是：凸轮分割器也可应用于直线步进运动中进行步进驱动 的控制。因为在很多初级工程师的认知中：只要一提到分割器、分度机构就认为 是圆盘式的分度机构，实际不然。 因为凸轮分割器本身就是将连续运动转换为步进动作的一种机构，所以，最 为广泛的应用方式为：交流电机+凸轮分割器。交流电机驱动则其停歇、工作时 间比为定值，而步进电机或者伺服电机则可以做到任意停歇