【现货速发】机械制造装备设计

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　　《机械制造装备设计》是“卓越工程师教育培养机械类创新系列规划教材”之一，是根据“机械设计制造及其自动化”专业教学指导委员会讨论通过的指导性教学计划以及相应的“十二五”教材编写计划组织编写而成。
　　《机械制造装备设计》将机床设计、夹具设计、刀具设计、工业机器人设计、检测系统设计、物流系统设计和智能制造系统与装备等内容合为一门专业课程，构成了一个新的课程体系。
　　《机械制造装备设计》着重介绍机械制造装备设计的基本原理和方法，并反映国内外的先进技术和发展趋势。《机械制造装备设计》内容与生产实践紧密相连，取材精练，深入浅出，并通过设计范例进一步说明机械制造装备设计的方法和步骤，方便读者学习和应用。

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目录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 机械制造生产模式的演变 2
1.1.2 机械制造的作用、地位和发展趋势 5
1.1.3 机械制造装备的作用、地位和发展趋势 7
1.2 机械制造装备的分类 11
1.2.1 加工装备 11
1.2.2 工艺装备 13
1.2.3 仓储输送装备 14
1.2.4 辅助装备 15
1.3 机械制造装备的设计类型和方法 15
1.3.1 设计类型 15
1.3.2 一般产品开发设计方法及步骤 16
1.4 机械制造装备设计的评价 25
1.4.1 评定指标 25
1.4.2 价值分析 28
1.4.3 设计评价 29
习题与思考 32
第2章 金属切削机床设计 33
2.1 概述 33
2.1.1 机床产品的分类 34
2.1.2 机床产品设计要求 36
2.1.3 机床产品设计的方法 37
2.1.4 机床设计步骤 38
2.2 金属切削机床总体设计 39
2.2.1 机床系列型谱的制定 39
2.2.2 机床运动原理方案设计与分析 41
2.2.3 表面形成的方法 42
2.2.4 非表面形成的运动 44
2.3 机床主要参数的设计 44
2.3.1 尺寸参数 44
2.3.2 运动参数 45
2.3.3 动力参数及一般计算方法 46
2.4 主传动系统设计 50
2.4.1 主传动系统分类和传动方式 50
2.4.2 分级变速主传动系统设计 52
2.4.3 无级变速主传动系统的设计 61
2.5 进给传动系统设计 62
2.5.1 进给传动系统的特点、转速和组成 62
2.5.2 机械进给传动系统的设计特点 63
2.5.3 电气伺服进给系统 64
习题与思考 66
第3章 机床典型部件设计 67
3.1 概述 67
3.2 变速箱结构及传动轴和变速机构 68
3.2.1 变速箱结构及传动轴 68
3.2.2 变速机构 72
3.3 主轴部件设计 75
3.3.1 主轴部件设计应满足的基本要求 76
3.3.2 主轴的传动方式 78
3.3.3 主轴部件结构设计 79
3.4 滚珠丝杠副传动选型设计 90
3.4.1 滚珠丝杠副结构类型和特点 90
3.4.2 滚珠丝杠副的代号和标注方法 91
3.4.3 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 93
3.4.4 滚珠丝杠副结构的选择计算 94
3.5 支承件设计 95
3.5.1 支承件设计的基本要求 95
3.5.2 支承件的材料 96
3.5.3 支承件力学分析 97
3.5.4 机座或机架的设计 98
3.6 导轨设计 103
3.6.1 导轨的功用和分类 103
3.6.2 导轨的设计要求 104
3.6.3 导轨截面形状选择和导轨间隙调整 104
3.6.4 导轨的材料 108
3.6.5 导轨的验算 109
3.6.6 滚动导轨 111
3.6.7 静压导轨 112
习题与思考 114
第4章 金属切削机床夹具设计 115
4.1 概述 115
4.1.1 机床夹具的组成 116
4.1.2 夹具的分类 117
4.2 六点定位原理 118
4.3 常用定位元件及约束状态 120
4.3.1 支承钉 120
4.3.2 支承板 120
4.3.3 定位销 121
4.3.4 V形块 122
4.4 定位误差的分析与计算 122
4.5 夹紧机构设计 126
4.5.1 夹紧力三要素分析 126
4.5.2 常用夹紧机构设计 128
4.5.3 典型机床的夹具 133
4.5.4 组合夹具的设计 137
习题与思考 139
第5章 金属切削刀具设计 141
5.1 概述 141
5.2 刀具的几何角度及切削要素 142
5.2.1 切削运动与切削用量 142
5.2.2 刀具的几何参数 144
5.2.3 刀具角度及工作角度 146
5.3 切削基本理论的应用 149
5.3.1 工件材料的切削加工性 149
5.3.2 切削液的选用 150
5.3.3 刀具几何参数的合理选择 152
5.3.4 切削用量的合理选择 155
5.4 刀具材料 156
5.4.1 刀具材料类型 156
5.4.2 常用的刀具材料 157
5.5 常用刀具的选择 161
5.5.1 车刀 161
5.5.2 铣刀 163
5.6 孔加工刀具 165
5.7 齿轮加工刀具 167
习题与思考 169
第6章 机械加工检测装置 170
6.1 概述 170
6.1.1 光学检测装置及其类型 171
6.1.2 电磁检测装置及其类型 172
6.1.3 电量检测装置及其类型 172
6.1.4 其他检测装置及其类型 173
6.2 机床运动位移检测装置 174
6.2.1 电感式传感器 174
6.2.2 电容式位移传感器 177
6.2.3 光栅尺原理及其应用 179
6.2.4 感应同步器 181
6.2.5 角数字编码器 182
6.2.6 激光干涉测量原理 185
6.2.7 三坐标测量仪 189
6.3 加工系统在线测量与监测 193
6.3.1 孔径的自动测量 193
6.3.2 探针式红外自动测量系统 194
6.3.3 加工误差在线检测与补偿系统 195
6.3.4 在线检测加工尺寸和刀具磨损情况 196
6.3.5 用探针在线检测刀具状态 196
6.3.6 刀具状态的智能化在线监控系统 196
习题与思考 197
第7章 机械制造物流系统设计 198
7.1 概述 198
7.2 制造业物流系统总体设计 201
7.2.1 生产物流系统的布置方式 201
7.2.2 精益生产方式物流系统布置 202
7.2.3 物流设备及其选择与设计要求 203
7.3 上、下料装置设计 203
7.3.1 卷状料上料装置 204
7.3.2 棒状料上料装置 204
7.3.3 件料上料机构 206
7.4 上、下料机器人(机械手) 208
7.4.1 机器人的基本构成 209
7.4.2 机器人的结构形式和运动形态分类 210
7.4.3 机器人主要技术参数 212
7.4.4 机器人主要部件 213
7.5 物流输送装置的设计 224
7.5.1 带式输送机 224
7.5.2 螺旋输送机 227
7.5.3 辊子输送机 229
7.5.4 链板输送机 232
7.5.5 悬挂输送机 234
7.5.6 自动运输小车 236
7.6 自动化立体仓库 237
7.6.1 自动化立体仓库的分类 237
7.6.2 自动化立体仓库的构成 238
7.6.3 自动化立体仓库总体设计 242
习题与思考 246
第8章 智能制造系统与装备 247
8.1 概述 247
8.2 智能制造系统模式 250
8.3 智能制造关键技术 251
8.3.1 先进制造基础技术 252
8.3.2 新一代信息技术 253
8.3.3 人工智能技术 254
8.3.4 制造优化技术 255
8.3.5 大数据分析与决策支持技术 256
8.4 智能制造装备 256
8.4.1 智能制造装备国内外发展现状 257
8.4.2 智能制造装备关键技术 260
8.4.3 精密、超精密和智能机床产品 271
习题与思考 275
第9章 机械制造装备设计范例 276
9.1 机械制造装备设计基本方法 276
9.2 C6140卧式车床数控化改造设计(范例1) 277
9.2.1 概述 277
9.2.2 总体方案的确定 278
9.2.3 进给传动部件的计算和选型 280
9.3 激光加工机的设计(范例2) 287
9.3.1 概述 287
9.3.2 轴的伺服传动系统设计 288
9.3.3 x轴的伺服传动系统设计 291
9.4 机械手自动控制(范例3) 294
9.4.1 设计任务与控制要求 294
9.4.2 控制方案 295
9.5 钻床夹具设计(范例4) 298
9.5.1 设计任务 298
9.5.2 加工工艺分析与设计 299
9.6 成形车刀的计算与设计(范例5) 303
9.6.1 设计任务 303
9.6.2 圆体成形车刀设计 303
习题与思考 309
参考文献 310

　　《机械制造装备设计》是“卓越工程师教育培养机械类创新系列规划教材”之一，是根据“机械设计制造及其自动化”专业教学指导委员会讨论通过的指导性教学计划以及相应的“十二五”教材编写计划组织编写而成。
　　《机械制造装备设计》将机床设计、夹具设计、刀具设计、工业机器人设计、检测系统设计、物流系统设计和智能制造系统与装备等内容合为一门专业课程，构成了一个新的课程体系。
　　《机械制造装备设计》着重介绍机械制造装备设计的基本原理和方法，并反映国内外的先进技术和发展趋势。《机械制造装备设计》内容与生产实践紧密相连，取材精练，深入浅出，并通过设计范例进一步说明机械制造装备设计的方法和步骤，方便读者学习和应用。

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第1章 绪论
　　1.1 概述
　　制造业是国民经济的支柱产业，是制造生产资料和生活资料的主要部门，是一个国家经济发展、社会进步和人民生活水平提高的基本保证，无论在工业经济时代还是在信息技术时代，制造业都是国民经济的基础。而机械制造业是制造业的核心，其机械制造装备又是机械制造业的基础，直接为机械制造业提供生产用装备；同时间接为非机械制造业提供生产用机械设备，因此机械制造装备是机械制造业乃至整个制造业发展的基础，机械制造装备的发展水平是一个国家工业水平的重要标志。
　　随着社会需求的变化和科学技术的发展，机械制造业的生产模式发生着巨大的变革。与生产模式的变革相适应，机械制造装备的组成也发生了很大变化，目前，正在从传统的单机生产模式(单台机床及工装)向先进生产模式(数控机床及自动化)方向发展；但是，无论是单机生产模式还是先进生产模式都涉及机械制造装备问题；本书重点介绍机械制造装备设计，常见机械制造装备如图1-1所示。
　　图1-1 常见机械制造装备
　　本章知识要点
　　(1) 了解机械制造生产模式的演变过程，机械制造作用、地位和发展趋势，机械制造装备设计所涉及的内容，机械制造装备的发展方向。
　　(2) 掌握机械制造装备的设计基本方法和设计水平的评价方法。
　　情趣实践
　　(1) 到学校机械实习工厂或附近的机械制造企业去参观访问。
　　(2) 用学到的基本评价方法，对你熟悉的机电类产品(如洗衣机)进行设计水平评价。
　　探索思考
　　机械制造装备的设计基本方法很多，如创新设计、变形设计和模块化等，它们各自特点是什么？各适用于什么场合？
　　预习准备
　　(1) 翻阅制造业发展史，简要阅读了解机械制造生产模式的演变过程。
　　(2) 重点阅读机械制造装备，如车床、铣床、镗床等机床，它们各自特点和作用。　　
　　1.1.1 机械制造生产模式的演变
　　纵观近300年来世界机械制造生产模式的发展史，机械制造业经历了单件生产、少品种小批量、少品种大批量、多品种小批量生产模式的过渡，并随着科学技术的进步正向大规模定制生产模式(多品种大批量生产模式)方向发展。计算机等先进技术的出现进一步促进了先进制造生产模式的发展。
　　1. 手工与单件生产
　　17世纪～1830年，在专业化协作分工、蒸汽动力机的基础上出现了制造企业的雏形工厂式的制造厂，人类社会的生产率开始出现大幅度的飞跃。到大约1900年，制造业成为一个重要的产业，其主要生产模式是“少品种单件小批量生产”。机械制造业推行的是“刚性”生产模式，基本上是“一个工人、一把刀具、一台机床”进行的个人单机生产模式，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。如汽车行业，当时处于****地位的轿车公司P&L每年只制造几百辆汽车，而且所造的汽车没有两辆是完全相同的，原因在于P&L所有的承包商都不采用标准的计量器具，装配时，依靠装配工的熟练程度来修整零件，使之配合良好。到1905年，欧洲已有几百家这类公司采用单件生产方式少量地制作汽车，这些独立承担大部分生产任务的小工厂没有能力开发新技术，以至于当时新产品开发的速度较为缓慢。
　　2. 少品种小批量(成组技术)
　　20世纪50年代末60年代初成组技术传入东欧和西欧各国。成组技术是一门生产技术科学，在机械零件加工方面的应用，是将多种零件按其工艺的相似性分类，以形成零件族，把同一零件族中生产量小的零件汇集成生产量大的组，从而使小批量生产能获得接近大批量生产的经济效益。把成组技术原理应用于生产组织和计划管理，制定成组生产作业计划，组织成组生产，可节省设备投资，从而达到高效与经济的目的。成组技术是解决当前手工作坊式落后生产模式的基本途径，适应多品种小批量生产和研制的需要。60年代以后，日本、美国也积极采用成组技术，并取得了显著的经济效果。自70年代以后，美国和其他先进工业国家已认识到，要想进一步发挥数控机床的优越性，必须与成组技术相结合，并用成组技术指导它的应用。目前，现代成组生产单元已广泛应用到数控机床和加工中心。
　　3. 少品种大批量(刚性生产线)
　　20世纪20年代，Whitney提出了互换性和大批量生产，Oliver Eons把传送带引入制造系统，在Taylor的科学管理的支撑下，与当时的电气化、标准化与系列化相结合，Henry Ford开创了机械自动流水线生产，出现了少品种大批量生产的模式，又称为底特律式自动化，成为各国纷纷仿效的制造生产模式，制造业开始了**次生产模式的转换。这种新的大量生产方式给制造业带来一场重大变革，它推动了工业化的进程和经济高速发展，为社会提供了大量的经济产品，促进了市场经济的发展。其主要特征是少品种大批量生产、塔形多层次的垂直**和严格的产品节拍控制，称这种少品种大批量生产模式为刚性生产线。刚性生产线大大提高了生产效率，从而降低了产品成本，但这是以损失产品的多样性为代价的。到90年代，少品种大批量生产方式达到了**。
　　4. 柔性自动化生产阶段(多品种少批量)
　　从20世纪50年代开始，随着生产环境的变化，人们逐渐认识到刚性自动化的不足。大批量生产少数产品品种的局限性越来越大，包括对市场和用户需求的应变能力较低以及劳动分工过细等。1952年美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)试制成功**台数控铣床，揭开了柔性自动化生产的序幕。1968年英国莫林公司和美国辛辛那提公司建造了**条由计算机集中控制的自动化制造系统，定名为柔性制造系统。70年代出现了各种微型机数控系统、柔性制造单元、柔性生产线和自动化工厂等。
　　柔性制造系统主要特征如下。
　　(1) 工序集中，无固定节拍，物料非顺序输送将高效率和高柔性融为一体。
　　(2) 生产成本低，具有较强的灵活性和适应性。
　　5. 多品种大批量(大规模定制生产)
　　大规模定制(Mass Customization，MC)是一种在系统整体优化的思想指导下，集企业、顾客、供应商和环境于一体，充分利用企业已有的各种资源，根据顾客的个性化需求，以大量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产模式。
　　大规模定制的基本思想是：将定制产品的生产问题，通过产品结构和制造过程的重组全部或部分转化为批量生产。具有以下特征。
　　(1) 以客户需求为导向。
　　(2) 以现代信息技术和先进生产制造技术为支撑。
　　(3) 以客户细分的产品结构模块化、零部件和生产工艺通用化及标准化为平台段。
　　6. 并行工程
　　并行工程(Concurrent Engineering，CE)，也称并行设计(Concurrent Design)或同期工程(Simultaneous Engineering)，其概念是由美国国防部防御分析研究所于1988年12月首先提出的。并行工程是一种系统的集成方法，采用并行方法处理产品设计及相关过程，包括制造和支持过程。这种方法力求使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到产品报废的整个产品生产周期中的所有因素，包括产品质量、成本、作业调度及用户需求。它通过组成多学科产品开发队伍，改进产品开发过程，利用各种先进的计算机辅助工具和产品数据管理(Product Data Management，PDM)等技术手段，使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素，达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本的目的。它要求各有关部门人员在产品开发的早期阶段就要介入，而且参与每一个有关环节，强调各个部门的“协同工作”，即产品设计师、工艺师、财务分析人员、生产计划人员以及采购供应、市场营销人员在开始时就集合在一起，把设计思想“传递下去”，变成各部门之间的“共同任务”，充分利用集体智慧，获取有效的知识和经验，使产品设计能更好地满足用户要求，大大减少设计中的返工现象，从而缩短产品开发周期，降低成本。
　　7. 敏捷制造 
　　1988年美国通用汽车公司和里海大学共同提出敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)战略，于1990年向社会半公开；1990年日、美、加、澳等国及西欧各国联合进行10年期的智能制造系统(Intelligent Manufacturing System，IMS)的研究与开发；1992年德、美两国提出精益生产。1994年德国提出改变工业组织结构的分形公司(Fractal Company)。从1991年开始，以美国为首的各发达国家对敏捷制造进行了大量广泛的研究。
　　1992年，由美国国会和工业界在里海大学建立了美国敏捷制造企业协会(Agile Manufacturing Enterprise Forum，AMEF)。从1994年开始，由AMEF牵头，有近百家公司和大学研究机构就敏捷制造的 6 个领域(集成产品与过程开发/并行过程、人的问题、虚拟企业、信息与控制、过程与设备、法律障碍)进行了研究与实践。其主要特性如下。
　　(1) 并行特性。把时间上有先后顺序的活动转变为同时考虑和尽可能同时进行处理的活动。
　　(2) 整体特性。将制造系统看成一个有机整体，设计、制造、管理等过程不再是一个个相互孤立的单元而是将其纳入一个系统考虑。
　　(3) 协同特性。特别强调人们的群体协调作用，包括与产品全生命周期(设计、工艺、制造、质量、销售、服务等)的有关部门人员组成的小组协同工作。
　　8. 精益生产 
　　精益生产(Lean Production，LP)这一概念，是由美国麻省理工学院倡导的国际机动车研究小组，用了5年时间全面总结日本丰田汽车公司等90余家汽车企业生产方式后提出来的。精益生产是相对大批量生产而言的，其注重时间效率，其焦点是识别整个价值流，使价值增值流动并应用顾客拉动系统，使价值增值行为在*短的时间内流动，找出创造价值的源泉，消除浪费，在稳定的需求环境下以**的成本及时交付高质量的产品。
　　精益生产以准时制(Just in Time，JIT)为核心，寻求精益的方式进行产品开发、生产和销售。精益生产方式起源于日本丰田汽车公司，早期精益生产具有如下几个特征。
　　(1) 消除浪费。其核心思想是降低成本来增加企业获利的空间。
　　(2) 看板管理。为实现准时制生产和降低库存，大野耐一提出看板管理的生产方式，将所需要的零件，在需要的时候，按需要的数量不多不少地供给各工序，也就是所谓的三及时。
　　(3) 快速变换程序。所谓快速变换程序是通过快速变换机种或快速换模技术，快速变换程来提高快速反应能力及流程效率，减少有效作业时间的浪费。
　　进入21世纪以来，数字化设计与制造的应用也日趋广泛。数字化制造是指在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术下，根据用户需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行