自动化机构设计基础
SSQ FA工业自动化设备设计基础
Automation that transformsFA工业自动化设备设计基础2022-MAY-1学习的本质–库博经验学习圈经验学习的起点非经验学习的起点大部分我们所谓的经验都只是具体经验，而且其中大部分是不全面的！所以作为工程师来说，更不应该只依赖于具体经验，只有不停的循环，才能积累经验，才能更好的指导我们的工作。
理论实践1.绪论–设备的结构与分类2.设备整体设计的思路和方法2.1 设备设计的一般过程2.2 生产线的布局方式2.3 工位设计的一般步骤2.4 一些模块的实现方法2.5 FMEA –故障模式及失效分析3 自动化部件机构设计基础3.1 零件的工艺性3.2 气动部件设计4 常见的术语 4.1 CYCLE TIME4.2 TA –TECHNICAL AVAILABILITY 技术可用性4.3 OEE –OVERALL EQUIPMENT EFFICIENCY 设备综合效率4.4 CPK –PROCESS CAPABILITY INDEX 过程能力指数4.5 CMK –MACHINE CAPABILITY INDEX 临界机器能力指数目录1 绪论工厂自动化（Factory Automation，简称FA），指自动完成产品制造的全部或部分加工过程。
这里提到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，与传统的纯机械结构组成的设备有一定的区别。
但是，作为工程师，不能盲目的崇拜自动化元器件及现代控制技术的能力，要充分认识到，传统的机械结构仍然是机械的重要组成部分。
传统的机械结构设计具有非常明显的简洁、高效的优点。
在设备设计过程中，只有合理地运用组合机械机构、现代自动化元器件和自动化控制系统才能设计出色的自动化设备。
由于机械结构学在18世纪就已经发展成熟，所以推荐大家要对大学课程《机械原理》《机械设计》进行复习，要将其作为桌子上的常用书。
《机械原理》《机械设计》是一切设备设计的理论基础，不能忽视。
机械设计制造及其自动化 考试大纲
“机械设计基础”考试大纲适用：20xx年金陵科技学院五年一贯制高职“专转本”考试专业名称：机械设计制造及其自动化专业考试科目：专业课一、机械设计概述1、考试内容机器的组成及特征；机器应满足的基本要求；机械设计的一般过程和主要内容；2、考试要求掌握机器的组成及特征；了解机械设计的一般过程和主要内容；二、平面机构的结构分析1．考试内容有关机构组成中的构件、运动副、运动链及机构等概念；机构具有确定运动的条件，机构运动简图的绘制和平面机构自由度的计算；2．考试要求（1）掌握组成机构的零件、构件、运动副及机构的基本概念和联系。
掌握运动副的常用类型及特点；（2）熟练掌握机构运动简图的绘制方法，能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；掌握常用机构构件和运动副的符号及机构运动简图的绘制方法；（3）熟练掌握机构自由度的意义和机构具有确定运动的条件；掌握平面机构自由度的计算公式，并正确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并做出正确处理；三、平面连杆机构1．考试内容平面四杆机构的基本特性及其演化；铰链四杆机构的曲柄存在条件；四杆机构的设计。
2．考试要求（1）掌握平面四杆机构的基本型式、特点及其演化方法；（2）掌握平面四杆机构的压力角、传动角、急回运动、极位夹角、行程速比系数等基本概念；掌握连杆机构最小传动角出现的位置及计算方法；掌握极位夹角与行程速比系数的关系式；掌握死点在什么情况下出现及死点位置在机构中的应用；（3）熟练掌握铰链四杆机构的曲柄存在条件，灵活运用并判断铰链四杆机构的类型；（4）掌握平面四杆机构的运动特征及其设计的基本问题；掌握按给定行程速比系数、给定连杆位置、给定连架杆对应位置设计四杆机构的方法；四、凸轮机构1、考试内容常用的从动件运动规律；盘形凸轮轮廓的设计与加工方法；凸轮机构基本尺寸的确定2、考试要求（1）了解常用的从动件运动规律；（2）了解按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线；五、间歇运动机构1、考试内容棘轮机构的工作原理、特点及作用；槽轮机构的工作原理、特点及作用。
自动化设备机械技术标准
自动化设备机械技术标准（试行）为了在尔后设备前期治理进程中，增强非标设备的质量操纵工作，改善设备初期状态，确保设备在生产服役进程中有良好的开动率，特制定本标准。
希望参与前期治理的技术人员参照执行，使技术要求更全面、准确、周密。
一、技术要求（一）、结构要求1．机械机构设计需符合人机工程学，方便人员操作与维修；2．机械结构设计需通过计算，达到正常利用的强度要求，并在平安余量之内；3．机械结构设计需依照我方具体要求，对关键点进行FEMA分析和验证；4．机械结构整体设计需考虑经济、环保、平安的原那么。
（二）、材料要求1．结构件、面板类钢材要求Q235，传动件、一样零部件材料要求45#、需热处置部件材料要求20-40Cr或指定其他材料，各类型材必需是国标型材，特殊要求依照设备设计需求具体提出来；2．所有材料必需有相应的合格证或符合质量要求的查验证书；3．关于特殊部件的材料，需同时提供检测报告，报告内容要紧涉及：成份、力学性能、物理性能等。
（三）、钢构表面要求1．钢结构件表面需经喷砂处置，除锈品级；假设手工进行表面处置，需介于St2与St3之间。
2．喷砂后需喷涂底漆为红丹防锈漆一遍,面漆为醇酸调和漆两遍，总干膜厚度为125μm；附着力达到ISO品级1级或ASTM品级4B级；3．结构件表面不能有明显的变形、划伤、撞伤、凹槽、凸现、缺失、分层等缺点。
（四）、焊接要求1．所有焊接都需有相应的焊接标准和标准，并进行焊接工艺验证；2．现场焊接时，需知足焊接标准的要求；3．焊缝表面不能有裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透、虚焊、形状缺点及上述之外的其他缺点；4．主梁受拉区的翼缘板、腹板的对接焊缝应进行无损探伤，超声波探伤不低于11345中的I级，并提供报告的复印件。
（五）、传动要求1．传动设计需考虑传动效率最优化；2．传动机构要求简单合理，以最少的环节实现功能；3．传动设计需考虑现场噪音操纵，尽一切可能降低噪音的产生；4．变速箱（SIEMENS或SEW）、电机（SIEMENS或SEW变频电机）、轴承（SKF或NSK）等部件要求指定厂家或品牌；5．变频电机采用的范围：风机、需调速的传动机构、需要和传动机构配合的传动系统。
机械设计制造及其自动化专业课程
机械设计制造及其自动化专业课程机械设计制造及其自动化专业课程主要课程在高中文化知识的基础上，掌握本专业所必需的基础知识、基本原理和较熟练的专业实践技能：机械制图、工程材料、工程力学，机械原理、工程经济，机械设计基础、电工与电子技术、微机系统原理与接口技术、机械工程材料、制造技术基础、微机电系统与制造，设备故障诊断、机电驱动技术、机械制造工艺学、控制工程、测试技术、数控技术、金属材料。
基础课从应职岗位需求出发，充分考虑学生的文化基础，选择灵活多样的教学方法和适宜的教学内容。
教学重点应是教法改革和内容选择，并注意培养学生自主学习和再学习的能力。
根据教学内容，教师恰当地分配每一次课的时间，确定自学讨论、讲授、实验与练习所占的时间比例。
同时使学生在学习态度、学习方法上为续课程打下基础。
利用第二课堂活动。
以形势报告、文艺汇演、音乐、美术欣赏及心理健康咨询等提高学生素养；结合“两操一课”与体育竞赛增强学生体质；开展英语知识竞赛、演出与口才训练、书法、绘画、微机强化等培训班培养学生的特长，提高学生推销自己的能力，增加就业机会。
1.两课本课程包括马克思主义哲学、毛泽东思想概论、邓小平理论和三个代表重要思想、法律基础知识、思想品德修养。
本课程是高等职业技术学院学生必修的一门德育课，主要讲授马克思主义哲学基础；充分认识毛泽东思想是中国共产党人在长期奋斗中坚持马克思主义基本原理同中国具体实际相结合的第一个理论成果；深刻领会邓小平理论和三个代表重要思想的意义，掌握邓小平理论和三个代表重要思想的理论论述；使学生了解宪法、行政法、民法、经济法、刑法、诉讼法中与学生关系密切的有关法律基本知识；对学生进行普遍关心的形势、政策、人生、理想、道德、民主、纪律等方面的教育。
初步树立正确的世界观、人生观和价值观；做到知法、懂法，增强法律意识，树立法制观念，提高辨别是非的能力；培养学生优良的思想品质、理想和人生观，为将来从事社会实践，做一个合格的高职生打下基础。
化工自动化基础
第一节 化工自动化的基本概念
3.2、检测元件及变送器：它将ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要监测的 工艺变量的变化转换成特定信号（电信号）， 为自动控制系统提供控制的依据。
3.3、调节器：它把检测元件与变送器送来 的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行 比较得出偏差，根据偏差的正负、大小及变 化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算 后，输出相应的控制作用给执行机构。
第一节 化工自动化的基本概念
3.4、执行器：它接受调节器送来的信号， 相应地改变操纵变量，克服扰动的影响， 实现控制要求。在化工生产中最常用的执 行机构是气动薄膜调节器。
第二节 调节器及基本调节规律
调节器是自动控制系统的重要组成部分。 它将生产过程被控变量的测量值与设定值 进行比较，得出偏差，根据偏差的正负、 大小和变化趋势，按照一定的运算规律输 出控制信号，送往执行器，实现对生产过 程的自动控制。
第一节 化工自动化的基本概念
3、自动控制系统的组成
自动控制系统主要由两大部分组成，一部 分是起控制作用的全套自动化装置，它主要 包括检测元件及变送器、调节器和执行器； 另一部分是自动化装置控制下的被控过程。 3.1、被控过程：自动控制系统中，工艺变 量需要控制的生产过程、设备或机器称被控 过程。化工生产中的各类塔器、反应器、泵、 压缩机以及各种容器、储槽（罐），甚至一 段输送流体的管道都可以是被控过程。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
3、比值控制系统
使两个或两个以上物料量保持一定比值 关系以达到某种控制要求的控制系统，称 为比值控制系统。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
4、前馈控制系统
前馈控制是改善和克服反馈控制不及时 的另一种控制方法。它是利用补偿原理， 采用开环结构，按扰动作用的大小进行控 制。
第二章工业机器人的机械设计基础
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
机械设计基础第4章
第四章凸轮机构在各种机器中，尤其是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。
只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。
本章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。
§4—1 凸轮机构的应用与分类一、凸轮机构的应用凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。
凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。
从动件是被凸轮直接推动的构件。
凸轮机构就是由凸轮、从动件和机架三个主要构件所组成的高副机构。
图4-1所示为内燃机配气凸轮机构。
当具有一定曲线轮廓的凸轮1以等角速度回转时，它的轮廓迫使从动作2（阀杆）按内燃机工作循环的要求启闭阀门。
图4-2为自动机床上控制刀架运动的凸轮机构。
当圆柱凸轮1回转时，凸轮凹槽侧面迫使杆2运动，以驱动刀架运动。
凹槽的形状将决定刀架的运动规律。
内燃机，配气机构凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。
凸轮机构广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。
但凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。
凸轮机构的特点1)优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑。
2)缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
二、凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。
⒈按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮它是凸轮的最基本型式。
这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件，如图4-1。
（2）移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。
在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。
（3）圆柱凸轮(圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。
化工仪表自动化基础知识
④节流装置应正确安装。
⑤接至差压变送器的差压应该与节流装置前后差压相一致，这就需要正确安装 压信号管路。（如后面图示）
(2)靶式流量计F≈K*Q
(3)转子流量计
转子流量计示意图
靶式流量计示意图
(4)涡轮流量计
(5)电磁流量计
电磁流量计工作原理图
涡轮流量计示意图
(6)旋涡流量计q=f/k (7)超声波流量计∆t≈2Lv/c2
电容式压力传感 器示意图 压电式压力传感器结构示意图
DTC二O .流量检测及仪表
分类 1、速度式流量计（差压式流量计、转子式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰 式流量计） 2、容量式流量计（椭圆齿轮流量计（罗茨）、活塞式流量计） 3、质量流量计 4、热导式流量计
（1）、速度式流量计 （1）节流装置—包括孔板、喷嘴和文丘管 Q=K*Sqr(∆P)
过程参数仪表位号的字母代号如下：
字母
A B C D E F G H I J K L M N P Q R S T U V W
第一位字母 被测变量或初始变量
分析 喷嘴火焰 电导率 密度或重度 电压（电动势） 流量 尺度（尺寸） 手动 电流 功率 时间或时间程序 物位 水份或湿度 浓度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 多变量 拈度 重量或力
2、常用压力检测仪表
（1）弹性式压力表
①膜片
②波纹管波纹管
③弹簧管弹簧管
平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管
(2)压力传感器
①应变片式压力传感 器 ②压电式压力传感器 ③压阻式压力传感器 ④电容式压力传感器 ⑤集成式压力传感器
箔式应变片
弹簧管压力表
压阻式集成传感器 检测元件示意图
FA工业自动化设备设计基础
产）、降低成本、便于调试、维护等方面。
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。
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。
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。
自动化设备设计资料
• 液压传动的特点 1. 与电动机相比,在同等体积下,液压装置能产生更大的动力,也就是说
在同等的功率下,液压装置的体积小,重量轻. 2. 液压装置工作平稳,换向冲击小,便于实现频繁换向. 3. 液压装置很容易实现过载保护,能实现自润滑,使用寿命长. 4. 液压装置容易作到对速度的无级调节,并且对速度的调节还可以在工
2. 气压传动的工作介质粘度很低,所以流动阻力很小,压力损失小,可以便于集 中供气和远距离输送.
3. 气压传动对环境的适应性好,在易燃,易爆,多尘埃,强辐射,振动等恶劣工作环 境下仍能可靠地工作.
4. 气压传动动作速度及反应快.液压油在管道中的流动速度一般为1~5m/s, 而气体流速可以大于10 m/s,甚至接近声速,因此在0.02~0.03s内即可以
作中进行. 5. 液压装置易于实现自动化,很方便对液体的流动方向,压力和流量进
行调节和控制,并能很容易地和电气,电子控制和气压控制结合起来, 实现复杂的运动和操作. 6. 液压元件易于实现系列化,标准化和通用化,便于设计,制造和推广使 用
7. 由于液压传动中的泄露和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格 的传动比.
三.液压和气压传动的执行元件 1.液压传动中的执行元件是油缸,气
压传动中的执行元件是气缸. 2.油缸和气缸的品牌 • 进口的: AIRTAC(台湾亚德克
),SMC(日本),英国的诺冠,美国的 派克等
• 国产的:佛山的实用, 肇庆的方 大等
3.油缸和汽缸的基本参数 • 结构型式 • 缸径 • 行程 • 安装方式
3. 定位机构和夹紧机构 它能使工件在设备上的位置实 现唯一性,使装配件与被装配件之间的自由度得到合理 的控制,从而实现自动化生产和装配. 它也是接下来要 重点讨论的一个课题。