自动化设计的基础知识 培训讲师: 刘世标1.自动化设备的概况和组成2.液压传动和气压传动3.工件的定位和夹紧一、自动化设备的概况和组成自动化设备的优点1.提高产品的性能和质量 2.节约能源及材料消耗 3.提高劳动生产效率 4.改善劳动条件和减轻工人劳动强度5.能使企业摆脱员工对产品熟练程度的依赖性自动化设备在实际生活中的应用1.用机械来代替人工做动力的自动化技术 2.在生产过程及业务处理过程中由检测,控制,计算等环节产生的大量信息处理的自动化技术. 自动化设备的组成一、机械部分1. 原动机 主要包括电动机和内燃机等. 2. 传动机构 要包括机械传动(带传动,链传动,齿轮传动等),气压传动和液压传动.在实际的自动化设计和应用中，是它们中两者或三者的结合.气压传动和液压传动在工业特别在轻工业中的应用越来越广泛，它是接下来要重点讨论的一个课题。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。4. 控制和调节装置 这里谈的控制与接下来电器中的控制是不一样的,这里主要是一些液压和气压控制回路，速度控制回路及方向控制回路 5. 执行元件 主要包括气缸,马达,油缸,真空吸盘及机械手等 6. 辅助装置 它们主要包括一些油箱,过滤器,蓄能器,消声器和油雾器,管路和管接头等.二、电气部分1. 自动控制系统-汇编语言,单片机及PLC程序 2. 自动控制系统中常用的的检测和执行元器件 检测元件主要有传感器,接近开关,行程开关,编码器及磁感应开关等 . 执行元器件主要包括步进电机,伺服电机,真空发生器及磁粉离合器等.二、液压和气压传动基础知识一.液压和气压传动的现状及应用 1.液压传动有很多突出的特点,因此它的应用非常广泛,如一般工业的塑料加工机械,压力机械,机床等；行走机械中的工程机械,农业机械,汽车等；钢铁工业中的冶金机械,提升装置,轧辊调整装置等.2.气压传动的应用也相当普遍,许多机器设备中都有气压传动系统,在工业各领域,如机械,电子.钢铁,运输车辆及制造,橡胶,纺织,化工,食品,包装,印刷和烟草等领域气压传动技术已成为基本组成部分.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.8.液压传动有很多的能量损失(泄露损失,沿程压力损失,局部压力损失等),因此传动效率相对很低.9.液压传动对油温的变化比较敏感,不宜在较高或较低的温度下工作.10.液压传动在出现故障时不易诊断.气压传动的特点1.气压传动的工作介质是空气,它取之不尽用之不竭,用后的空气可以排到大气中去,不会污染环境.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15m/s,而气体流速可以大于10 m/s,甚至接近声速,因此在0.020.03s内即可以达到所要求的工作压力和速度.5.气压传动有较好的自保持能力.即使压缩机停止工作,气阀关闭,气压传动系统仍能维持一个稳定的气压.而液压传动要维持一定的压力,需要能源装置或在系统中增加蓄能器.6.气压传动在一定的超负载工况下也能保证系统安全工作,不易发生过热现象.7.气压传动系统的工作压力低.工作气压一般在0.2-1Mpa之间,比较常用的0.4Mpa左右.8.由于空气的可压缩性大,因此气压传动的速度稳定性差,很难控制系统的位置精度.9.气压传动系统的噪声大,尤其是排气时,需加销声器.10.气压传动工作介质本身没有润滑性,需加油雾器进行润滑.二.液压和气动系统的基本组成1.液压系统的基本组成 它由油箱,过滤器,液压泵,溢流阀,开停阀, 节流阀,换向阀和液压缸组成. 2.气压系统的基本组成 它由空气压缩机,后冷却器,除油器,干燥气,储气罐,过滤器,减压阀,压力表,油雾器,换向阀和气缸组成. 在实际的应用中, 除油器,减压阀和油雾器做成一个整体, 称为气源处理三联件. AIRTAC气动产品里的代号为AFR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双轴复动型气缸单轴弹簧压出型气缸气缸的工作条件如上图气缸常用的缸径和行程如上图四.液压和气压传动的控制调节元件1.方向控制阀 单向阀 分为普通单向阀,液控单向阀,梭阀和双压阀.换向阀复动气缸常采用两位五通电磁换向阀,单动气缸常采用两位三通电磁换向阀,油缸的换向阀常采用三位五通阀,油缸的换向阀需要有中位功能.2.压力控制阀主要有溢流阀,减压阀,顺序阀和压力继电器3.流量控制阀主要有节流阀和调速阀等.调速阀实际上是一个节流阀和等差减压阀的组合体五.液压和气压传动的辅助元件1.蓄能器和储气罐 液压传动系统一般采用蓄能器,气压传动系统一般采用储气罐.2.过滤器主要分为粗过滤器,普通过滤器和精过滤器三种.3.油箱,热交换器,压力表,油雾器和销声器.六.液压和气压传动回路1.方向控制回路 它主要分为一般方向控制回路和复杂方向控制回路.一般方向控制回路:一个换向阀控制一个汽缸或油缸.复杂方向控制回路:时间控制制动式和行程控制制动式两种2.压力控制回路.它主要分为调压回路,减压回路,增压回路,保压回路,卸荷回路,平衡回路和释压回路等组成.3.速度控制回路它主要有节流式调速回路,调速阀式调速回路,容积式调速回路,容积节流式调速回路,快速回路和速度换接回路.速度换接回路在后面的章节中介绍.4.多缸运动控制回路它主要包括顺序运动回路,同步运动回路和运动互不干扰回路.顺序运动回路在后面的章节中介绍.5.其他控制回路主要有气压延时回路和气压往复运动回路.气压延时回路是一个两位三通气控阀和一个单向节流阀组成.气压往复运动回路在后面的章节中介绍.七.典型的气压回路案例分析1.行程阀控制的单往复回路系统原理图见右图.功能简介: 按下手动换向1的手柄，气控换向阀3切换，气缸右行，当撞块碰下行程阀2，气控换向阀3复位，气缸自动退回.2.行程阀控制的连续往复动作回路系统原理图见右图功能简介:当按下手动换向阀1的手柄,气控换向阀4切换,气缸右行,此时由于二位二通机动换向阀3复位而将控制气路断开, 气控换向阀4不能复位.当活塞继续前行到终点,撞块碰下二位二通机动换向阀2时,气控换向阀4中的控制气经阀排出, 气控换向阀4在弹簧的作用下复位,气缸自动返回.当活塞返回到终点时,压下机动换向阀3, 气控换向阀4再次切换,重复上述循环动作,只有断开手动换向阀1,方可使连续往复动作的的活塞返回到原位置时停止.3.行程阀控制的快慢速换接回路气动系统原理图如上图功能简介: 当电磁阀7左端得到信号,电磁阀7气路换到左端,压缩气通过电磁阀7,单向节流阀5进入到气缸左端推动活塞杆右行,压缩气经单向节流阀6,电磁阀7排到大气中,直到撞块压下行程开关,换向阀3得到信号,直接将气路接通,压缩气直接经换向阀3排到大气中,由于没有经过接流阀,汽缸的速度非常快.汽缸返回的原理跟压出基本一样.4.行程开关和电磁阀控制的顺序运动回路系统原理图如上图功能简介: 电磁换向阀7通电后,左气缸按箭头的方向右行,当它右行到预定的位置时,挡块压下行程开关2,发出信号使电磁阀8的电磁铁通电,右气缸按箭头的方向右行.当它右行到预定的位置时,挡块压下行程开关4,发出信号使电磁阀7的电磁铁断电,左气缸按箭头的方向左行,当它左行到原位时,挡块压下行程开关1,发出信号使电磁阀8的电磁铁断电,左气缸按箭头的方向左行,当它左行到原位时,挡块压下行程开关3,发出信号表明整个工作循环结束.三、工件的定位和夹紧三、工件的定位和夹紧【目的和要求】通过学习工件定位的概念、方法、原理（六点定则）和工件常见定位方式及定位元件，能够合理选择定位元件，初步具备设计和分析工件定位方案的能力。 【内容摘要】 一、工件定位的概念及方法 二、工件定位的基本原理 三、常见的定位方式及定 位元件 四、对定位元件的基本要求一、工件定位的概念及方法一、工件定位的概念及方法1. 1. 工件定位的概念工件定位的概念 工件在加工或装配之前，使工件在设备或夹具上占据某一正确位置的过程称为定定位位；工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作称为夹夹紧紧；工件定位、夹紧的过程合称为装夹装夹。2. 2. 工件定位的方法工件定位的方法 (1) 直接找正定位法 在机床上利用划针或百分表等测量工具(仪器)直接找正工件的位置的方法称为直接找正定位法。 (2) 划线找正定位法 先根据工序简图在工件上划出中心线、对称线和加工表面的加工位置线等，然后再在机床上按划好的线找正工件位置的方法称为划线找正法。 （3）利用夹具定位法 中批以上生产中广泛采用专用夹具定位。二、 工件定位的基本原理工件定位的基本原理1六点定则六点定则 工件所具有的运动的可能性，称为工件的自由度。如果把工件放在空间直角坐标系中来描述，工件具有六个自由度，即沿x、y、z轴移动和绕x、y、z轴转动的六个自由度，可分别用x、y、z表示沿x、y、z轴移动的自由度。 工件的定位，实质上就是限制工件应该被限制的自由度。即若要确定工件在某坐标方向上的位置，就需且只需用一个定位支承点限制工件在该方向上的自由度，用六个合理布置的定位支承点限制工件的六个自由度，就可使工件的位置完全确定，此称为工件定位的“六点定位六点定位”. 如图1所示，在空间直角坐标系的O面上布置三个定位支承点1、2、3，使工件的底面与三点相接触，则该三点就限制了工件的三个自由度。同理，在O面上布置两个定位支承点4、5与工件侧面相接触，就可限制工件两个自由度。在O面上布置一个定位支承点与工件的另一侧面接触，就可限制工件最后一个的自由度，从而使工件的位置完全确定。 任何一个工件，如果对其不加任何限制，那么，它在空间的位置是不确定的，可以向任意方向移动或转动，工件所具有的这种运动的可能性，称为工件的自由度。如果把工件放在空间直角坐标系中来描述，则工件具有六个自由度，即沿x、y、z轴移动和绕x、y、z轴转动的六个自由度，可分别用x、y、z表示沿x、y、z轴移动的自由度。工件的定位形式工件的定位形式（1）完全定位 用六个合理布置的定位支承点限制工件的六个自由度，使工件位置完全确定的定位形式称为完全定位。（2）不完全定位 工件被限制的自由度少于六个，但能满足加工技术要求的定位形式称为不完全定位。（3）过定位 两个或两个以上的定位支承点同时限制工件的同一个自由度的定位形式称为过定位，也常称为超定位或重复定位。可以通过改变定位元件的结构形状而避免了过定位的现象。 欠定位现象欠定位现象根据装配技术要求应限制的自由度没有被限制，这种定位现象称为欠定位现象。欠定位现象是不允许出现的，因为其不能保证工件的装配技术要求。 工件在夹具中的定位，并不是用定位支承点，而是用各种不同结构与形状的定位元件与工件相应的定位基准面相接触或配合实现的。工件上的定位基准面与相应的定位元件的工作表面合称为定位副。定位副的选择及其制造精度直接影响工件的定位精度和夹具的制造及使用性能。常见的定位方式及定位元件常见的定位方式及定位元件常见的工件定位方式有四种，即工件以平面为定位基准面、工件以内孔为定位基准面、工件以外圆为定位基准面和工件以一面两孔为定位基准面。 1 1工件工件以平面为定位基准面以平面为定位基准面 工件以平面作为定位基准面时，常用的定位元件有以下几种：（1）支承钉 一个支承钉相当于一个支承点，可限制工件一个自由度。（2） 支承板 支承板适用于工件以精基准定位的场合。工件以大平面与一大（宽）支承板相接触定位时，该支承板相当于三个不在一条直线上的定位支承点，可限制工件三个自由度。一个窄长支承 板相当于两个定位支承点，可限制工件两个自由度。工件以一个大平面同时与两个窄长支承板相接触定位时，这两个窄长支承板相当于一个大（宽）支承板，限制工件三个自由度。 上述支承钉与支承板是固定在夹具体上使用的，因此，也称为固定支承。 如图2所示为三种标准支承钉，其中平头支承钉多用于工件以精基准定位；球头支承钉和齿纹支承钉适用于工件以粗基准定位，支承钉与夹具体上孔的配合为H7/r6或H7/n6。若支承钉需经常更换时，可加衬套，其外径与夹具体孔的配合亦为H7/r6或H7/n6，内径与支承钉的配合为H7/js6。当使用几个A型支承钉（处于同一平面）时，装配后应一次磨平其工作表面，以保证其等高性要求。如图3所示为两种标准支承板。其中A型支承板结构简单、紧凑，但切屑易落入螺钉头周围的缝隙中，且不易清除。因此，多用于侧面和顶面的定位。B型支承板在工作面上有45的斜槽，且能保持与工件定位基准面连续接触，清除切屑方便，所以多用于底面定位. 根据定位的需要，也可按照工件定位基准面的具体轮廓形状，设计非标准的定位支承板。如图4所示的圆环支承板。(3) 可调支承 可调支承是指高度可以调节的支承，一个可调支承限制工件一个自由度。 必必须须注注意意，可调支承在一批工件加工之前只调整一次，在同一批工件加工中，其位置保持不变，作用相当于固定支承，所以，可调支承在调整后必须用锁紧螺母锁紧。（4）自位支承(浮动支承) 自位支承是在工件定位过程中，能随工件定位基准面的位置变化而自动与之适应的多点接触的浮动支承，其作用仍相当于一个定位支承点，限制工件的一个自由度, 由于接触点数目的增多，可提高工件的支承刚度和定位稳定性,适用于粗基准定位或工件刚度不足的定位情况。可调支承 可调支承是指高度可以调节的支承, 如图5所示.自位支承(浮动支承) 自位支承是在工件定位过程中，能随工件定位基准面的位置变化而自动与之适应的多点接触的浮动支承，其作用仍相当于一个定位支承点，限制工件的一个自由度由于接触点数目的增多，可提高工件的支承刚度和定位稳定性适用于粗基准定位或工件刚度不足的定位情况。如图6所示.2.工件以内孔为定位基准面工件以内孔作为定位基准面时，常用的定位元件有以下几种：（1） 定位销 可限制工件两个自由度。其工作表面直径的基本尺寸与相应的工件定位孔的基本尺寸相同，其精度可根据工件加工精度、定位基准面的精度和工件装卸的方便，按g5、g6 、 f6、f7制造。如图7a、b、c所示为固定式定位销，可直接用过盈配合(H7/r6或H7/n6)装配在夹具体上。在大批大量生产中，定位销使用一段时间后，会因磨损而不能再用，必须更换新的，可采用可换式定位销。如图7d所示可换式定位销，衬套外径与夹具体的配合为H7/n6，衬套内径与可换式定位销的配合为H7/h6或H7/h5。 当工件以内孔和端面组合定位时，常采用带台肩的定位销或定位销与支承板等定位元件组合使用。如图8所示为一非标准的带台肩的定位销。如图7d所示可换式定位销，衬套外径与夹具体的配合为H7/n6，衬套内径与可换式定位销的配合为H7/h6或H7/h5。如图8所示为一非标准的带台肩的定位销。（2）定位心轴 如图所示为常用的几种心轴结构形式。 图9a所示为间隙配合心轴，工件装卸比较方便，但定心精度不高。采用间隙配合心轴时，工件常以内孔和端面联合定位。心轴限制工件4个自由度，心轴的小台肩端面限制工件一个自由度。 图9b所示为过盈配合心轴。心轴由引导部分1、工作部分2以及与传动装置（如拨盘、鸡心夹头等）相联系的传动部分3组成。引导部分的作用是使工件迅速而正确地套在心轴上，心轴的工作部分应稍带锥度。这种心轴制造简单、定心精度高，无需另设夹紧装置，但装卸工件不便，且易损伤工件定位孔，多用于定心精度要求高的精加工场合。 图9c所示为花键心轴，用于加工以花键孔定位的工件。 当工件既要求定心精度高，又要装卸方便时，常以圆柱孔在小锥度心轴上定位，这类心轴工作表面的锥度很小，常为1：10001：5000。工件装在心轴上楔紧后，靠孔产生的弹性变形而有少许过盈，从而消除间隙并产生摩擦力带动工件回转，不需另行夹紧，但因传递的扭矩较小，所以仅适用于工件定位孔精度不低于IT7的精车和磨削加工。（3）圆锥销 如图10所示为几种圆锥销的应用示例。其中图A用于粗基准定位；图b用于精基准定位。如图9所示为常用的几种心轴结构形式。如图10所示为几种圆锥销的应用示例。其中图a用于粗基准定位；图b用于精基准定位。3.3.工件以外圆为定位基准面工件以外圆为定位基准面工件以外圆为定位基准面时，常用的定位元件有以下几种：（1）V形架 工件以外圆定位时，最常用的定位元件是V形块。如图11所示为常用V形架的结构形式。其中图a用于较短的外圆柱面定位，可限制工件两个自由度；其余三种用于较长的外圆柱表面或阶梯轴，可限制工件四个自由度，V形架的最大优点是对中性好可使一批工件的定位基准(轴线)对中在V形架的两斜面的对称平面上，而不受定位基准面直径误差的影响，且装夹很方便。 除上述固定式V形架外，夹具上还经常采用活动形架。如图11所示为常用V形架的结构形式如图12所示为活动V形架的应用实例。活动V形架除具有定位作用外，还兼有夹紧作用。2) 定位套 如图13所示为几种常见的定位套。为了限制工件的轴向自由 度，定位套常与其端面(支承板)配合使用。图20a所示是工件以较长 的外圆柱面在长定位套的孔中定位，限制了工件四个自由度；同时工件 以端面在定位套的小端面上定位，限制了工件一个自由度，共限制了工 件五个自由度。图20b、c所示是工件以较短的外圆柱面在短定位套的 孔中定位，限制了工件的两个自由度；同时，工件以端面在定位套的大 端面上定位，限制了工件的三个自由度，共限制了工件五个自由度。 定位套结构简单、容易制造，但定心精度不高，只适用于工件以精基准 定位。且为了便于工件的装入，在定位套孔口端应有15或30的倒角 或圆角。 （3）半圆套 如图14所示为两种半圆套定位装置，其下面的半圆套部分 起定位作用，上面的半圆套部分起夹紧作用。半圆套定位装置主要适用 于大型轴类工件及从轴向进行装卸不方便的工件。 采用半圆套定位时，限制工件自由度的情况与圆套筒相同，但工件定位 基准面的精度不应低于IT8IT9，半圆套的最小内径应取工件定位基准 面的最大直径。 （4）圆锥套 如图15所示为通用的外拨顶尖。工件以圆柱面的端部在外 拨顶尖的锥孔中定位，限制了工件的三个移动自由度。锥孔内有齿纹， 可带动工件旋转。顶尖体的锥柄部分插入机床主轴孔中。 圆锥套不能单独使用，应和其它定位元件共同配合使用，如图13所示为几种常见的定位套如图14所示为两种半圆套定位装置，其下面的半圆套部分起定位作用，上面的半圆套部分起夹紧作用。半圆套定位装置主要适用于大型轴类工件及从轴向进行装卸不方便的工件。如图15所示为通用的外拨顶尖。4.4.工件以一面两孔定位工件以一面两孔定位在装配箱体、杠杆、盖板和支架等零件时，工件常以两个轴线互相平行的孔及与两孔轴线相垂直的大平面为定位基准。如图16所示，所用的定位元件为一大支承板，它限制了工件的三个自由度；一个圆柱销，它限制了工件两个自由度；一个菱形销(也称为削边销)，它可限制工件绕圆柱销转动的一个自由度。工件以一面两孔定位，共限制了工件的六个自由度，属完全定位形式，而且易于做到在工艺过程中的基准统一，便于保证工件的相互位置精度。 常用菱形销的结构形状如图17所示。当工件定位孔直径D3mm时，用图17a所示的结构，当工件定位孔直径D350mm时，用17b所示的结构，当工件定位孔直径D50mm时，用图17c所示的结构。 在将菱形销装配到夹具体上时，应使削边方向垂直于两销连心线方向.如图16所示，所用的定位元件为一大支承板，它限制了工件的三个自由度；一个圆柱销，它限制了工件两个自由度；一个菱形销(也称为削边销)，它可限制工件绕圆柱销转动的一个自由度。工件以一面两孔定位，共限制了工件的六个自由度，属完全定位形式，而且易于做到在工艺过程中的基准统一，便于保证工件的相互位置精度。常用菱形销的结构形状如图17所示谢谢大家!