1、结构工程师所需基础大全 结构工程师所需知识大全机电设备知识 1机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置它用来完成有用功、转换能量或处理信息以代替或减轻人类的劳动。 2构件是机器中的运动单元零件是制造单元。 机构由若干构件组成各个构件之间具有确定的相对运动并能实现运动和动力的传递。 机器和机构一样由若干构件组成各个构件之间具有确定的相对运动能实现运动和动力的传递并且能够实现机械能和其他形式能量的转换。 机械是机器和机构的总称。 3毛坯指供进一步加工的对象。 铸造是将熔化的液体金属浇铸到与零件形状相似的铸型型腔中冷却凝固后获得毛坯的方法。 压力加工是利用外力使金属材料产生永久变形制成所需尺寸
2、和形状毛坯或零件的加工方法。 焊接是通过加热或加压(或二者并用)使两个分离的物体连接成为一个整体的加工方法。 4加工精度系指零件加工后其实际几何参数(尺寸、形状何位置)与理想几何参数符合的程度。 加工误差则指实际几何参数与理想几何参数的偏离程度。 5尺寸精度是指零件表面本身的尺寸精度和表面间相互距离尺寸的精度。 尺寸公差是允许尺寸的变动量。它等于最大极限尺寸减去最小极限尺寸之差或上偏差减去下偏差之差。 尺寸公差带是指代表上下偏差的两条直线所限定的区域也是最大极限尺寸和最小极限尺寸所限定的区域。 尺寸公差带由公差带大小和公差带位置两个要素确定。 国家规定尺寸公差有IT01-ITl8共有20个等级
3、。其中1T01精度最高、ITl8精度最低。 6形状和位置公差研究的对象是机械零件的几何要素几何要素是构成机械零件几何特征的点、线、面的统称。 形位公差是指实际被测要素的允许变动量。 形位公差带是限制实际要素变动的区域。 形位公差带由公差带形状、 公差带大小、 公差带方向和公差带位置四个要素确定。 形位公差特征项目一共14种。其中形状公差4种即直线度、平面度、圆度、圆柱度。 位置公差8种即平行度、垂直度、倾斜度、对称度、同轴度、位置度、圆跳动和全跳动。 形状或位置公差2种线轮廓度和面轮廓度。 除圆度、圆柱度外各种形位公差均分为12级最高为1级最低为12级。圆度和圆柱度增加了0级为最高级。 形位公
4、差对机械产品的工作精度、连接强度、运动平稳性、密封性、耐磨性、配合性质、可装配性乃至机器寿命等都会产生影响。 7表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距的峰谷所组成的微观集合形状特性。 常用轮廓的算术平均偏差来衡量即在一定测量长度内轮廓上各点至中线距离绝对值的算术平均值记为Ra单位为 Ra值越小被测表面越光滑反之Ra值越大表面越粗糙。 表面粗糙度对机器零件的配合性质、耐磨性、工作精度、耐腐蚀性等有较大影响。 8配合基本尺寸相同相互结合的孔和轴的公差带之间的关系。 间隙配合孔的公差带在轴的公差带之上任取加工合格的孔和轴配合一定产生间隙包括最小间隙为零的配合。 过盈配合孔的公差带在轴的公差带之下任取加
5、工合格的孔和轴配合一定产生过盈包括最小过盈为零的配合。 过渡配合孔的公差带与轴的公差带交叠任取加工合格的孔和轴配合可能产生间隙也可能产生过盈的配合。 不论是计算间隙还是过盈一律是用孔的尺寸减去轴的尺寸。差值为正时是间隙反之是过盈。 9生产纲领即合格产品的年产量。 生产类型分为单件生产、成批生产和大量生产三种。 10工艺成本与工艺方案有关的费用总和包括可变费用和不可变费用。 其中可变费用与产量成正比包括材料费、机床工人工资、机床电费、万能机床折旧费、万能夹具维护折旧费、万能刀具维护与折旧费等。 不可变费用指完全或基本与产品数量无关包括专用机床维护折旧费、专用夹具维护折旧费用、调整工人工资与调整杂
6、费等。 年度工艺成本Cn与年产量Q为直线关系。 单件工艺成本Cd与产品年产量Q成双曲线关系。 1机床的技术经济指标 主要有 (1)工艺的可能性 (2)加工精度和表面粗糙度 (3)生产率 (4)系列化、通用化、标准化程度 (5)寿命。 2机床的工作运动可分为主运动和进给运动。主运动是形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动进给运动是使工件的多余材料不断被去除的工作运动。切削过程中主运动只有一个进给运动可以是一个或多于一个。机床的运动除工作运动外还有一些实现机床切削过程的辅助工作而必须进行的辅助运动。 3车床是用车刀在工件上加工旋转表面的机床车床加工范围较广主要有车外圆、车端面、切槽、钻孔、镗孔、
7、车锥面、车螺纹、车成形面、钻中心孔及滚花等。一般车床的加工精度可达ITl0-IT7表面粗糙度Ra值可达 。 普通车床由主轴箱、进给箱、丝杠、光杠、溜板箱、刀架、尾架和床身组成。普通车床的主参数为床身上最大工件回转直径。 常见的其他车床有立式车床、六角车床等。 4钻床的特点是加工中工件不动而让刀具移动将刀具中心对正待加工孔中心并使刀具转动(主运动)、刀具移动(进给运动)来加工孔。 钻床有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。 钻床加工精度可达ITl2表面粗糙度Ra值可达 。 5镗床主要完成精度高、孔径大或孔系的加工此外还可铣平面、沟槽、钻孔、扩孔、铰孔和车端面、外圆、内外环形槽及车螺纹等。 常见的镗床有
8、卧式镗床、坐标镗床和金刚镗床等。 6刨床、插床和拉床的共同特点是主运动都是直线运动。 常见的刨床有牛头刨床和龙门刨床。 插床实际上是一种立式刨床。 拉床是用拉刀加工工件各种内外成形表面的机床拉削时机床只有拉刀的直线运动它是主运动。 拉床一般是液压传动。 7铣床是利用铣刀在工件上加工各种表面的机床。铣床加工范围与刨床相近但比刨床加工范围广生产率也较高。常见的铣床有卧式铣床、立式铣床和龙门铣床。 8磨床是用磨具或磨料加工工件各种表面的精密加工机床通常磨具旋转为主运动。 常见的普通磨床有外圆磨床和平面磨床。 9特种加工机床是利用电能、电化学能、光能、声能等特种加工方法加工工件的机床。主要用于一般切削
9、方法难以加工(如材料性能特殊、形状复杂)的工件。 10组合机床是以通用部件为基础配以少量专用部件对一种或若干种工件按预定的工序进行加工的机床。 由若干台组合机床及辅助设备组成的自动化生产线称为组合机床自动线。 1数控机床使传统的机械加工工艺发生了质的变化它具有一系列的优点。按照能够控制刀具与工件间相对运动的轨迹可把数控机床分为点位控制数控机床和轮廓控制数控机床。按照伺服系统的控制方式可把数控机床分为开环控制、闭环控制和半闭环控制数控机床。按照加工方式可把数控机床分为金属切削类、金属成型类、特种加工类和其他类数控机床。按照CNC装置的功能水平可把数控机床分为高、中、低三档。 2数控机床由CNC系
10、统和机床主机及辅助装置组成。CNC 系统由程序、输入输出设备、CNC装置及主轴、进给驱动装置组成其中CNC装置是CNC系统的核心部件。为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求与普通机床相比数控机床主机的机械结构具有高刚度和高抗振性、小的机床热变形等要求为此在结构设计及材料选用上采取一系列措施此外在数控机床中多采用高效率、无间隙、低摩擦传动并尽量简化机械传动结构。 3CNC装置是在硬件支持下执行软件来进行工作的。CNC装置的硬件有单微处理器和多微处理器结构两种结构形式。单微处理器结构CNC装置按印刷电路板插接方式的不同分为大板结构和模块化结构按CNC装置制造方式不同又可将
11、其分为专用型CNC装置和通用型CNC装置。多微处理器结构CNC装置采用模块化结构基本功能模块有六种。进一步扩展功能可增加相应模块。CNC软件要处理两种信息即低速辅助信息和高速轨迹信息CNC系统软件需要完成多项任务在许多情况下CNC装置中的管理和控制的某些工作必须同时进行即所谓的并行处理。 4正因为可编程序控制器具有可贵的特点(如控制程序可变具有良好的柔性采用面向过程的语言编程方便功能完善扩展方便配置灵活系统构成简单安装调试方便可靠性高等)才成为CNC装置不可缺少的组成部分。可编程序控制器应用于数控机床中有两种型式即内装型PLC和独立型PLC。 内装型PLC的特点是 (1)其性能指标由所属的CN
12、C装置的性能规格确定。它的硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计具有结构紧凑、适配性强等优点。 (2)它有与CNC共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC微处理器的余力来完成PLC的功能IO点数较少后者由于有独立的微处理器多用于顺序程序复杂及动作速度要求快的场合。(3)它与CNC其他电路同装在一个机箱内共用一个电源和地线。(4)它的硬件电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷电路板上也可以单独制成一块附加印刷电路板。(5)它对外没有单独配置的I0接口电路而是使用CNC装置本身的I0接口电路。(6)采用内装型PLC扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功能可以采用梯形图编辑和传送高
13、级控制功能且造价低提高了CNC的性能价格比。 独立型PLC的特点是 (1)可根据数控机床对控制功能的要求灵活选购或自行开发。(2)有自己的IO接口电路PLC与CNC装置、PLC与机床侧的连接都通过I0接口电路连接。PLC本身采用模块化结构装在插板式笼箱内I?O点数可通过IO模块或插板的增减灵活配置。 (3)可以扩大CNC的控制功能可以形成两个以上的附加轴控制。 (4)在性能价格比上不如内装型PLC。 5数控机床的进给伺服驱动系统应该满足高精度、快速响应、调速范围宽、低速大转矩、可靠性高等要求。数控机床的主轴驱动系统不仅应该具有宽的调速范围而且能在尽可能宽的调速范围内保持恒功率输出。另外为了满足
14、不同数控机床的加工要求主轴驱动系统还应该满足一些特殊要求。 6步进电动机具有独特的优点。永磁感应子式步进电动机与反应式步进电动机在结构上有许多相似之处。但永磁感应子式步进电动机的磁路内含有永久磁钢故当定子绕组断电后仍具有一定的定位转矩。步进电动机的步距角用下式计算 步进电动机的转速用下式计算 步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电源的综合体现。驱动电源应满足必要的基本要求。驱动电源由环行分配器和功率驱动器组成。 7直流主轴电动机的结构和普通直流电动机的结构基本相同其主要区别是在主磁极上除了绕有主磁极绕组外还绕有补偿绕组以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响改善电动机的调速性能直流主轴电动机
15、都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却以改善冷却效果。直流主轴电动机在基本速度以下为恒转矩范围在基本速度以上为恒功率范围。直流主轴电动机采用双域调速系统调速。 永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体其转子分为普通型和小惯量型两类。普通型转子永磁直流电动机和小惯量型转子直流电动机各有其自己的特点。永磁直流伺服电动机需用特性曲线和数据表描述其性能。用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机主要采用晶体管脉宽调制调速系统调速。 8交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。与直流主轴电动机相类似在基本速度以下为恒转矩区在基本速度以上为恒功率区。恒功率的速度范围只有13的速度比当速度超过一定值
16、后功率一速度特性曲线会向下倾斜。交流主轴电动机广泛采用矢量控制调速方法进行速度控制。 永磁同步交流伺服电动机的定子与普通感应电动机的定子相似不过其外表面呈多边形且无外壳转子由多块永久磁铁和冲片组成。与直流伺服电动机一样交流伺服电动机的性能也需用数据表和特性曲线来描述。永磁同步交流伺服电动机可以通过改变电动机电源频率来调速。 9工业机器人由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。工业机器人可按坐标形式、驱动方式、控制方式、使用范围进行分类。工业机器人有示教编程和语言编程两种编程方式。工业机器人的主要特征参数包括坐标形型式、运动自由度、各自由度的动作范围、各自由度的动作速度、额定负载和精度等。工业机
17、器人的技术要求包括外观和结构、电气设备、可靠性和安全性等。 10柔性制造单元有托盘存储库式和机器人直接搬运式两种结构形式。与加工中心相比它具有更好的柔性更高的生产率可实现某些零件的多品种、小批量加工。柔性制造系统的基本功能包括自动加工功能(包括检验、清洗等)、自动搬运功能和将以上两者综合起来的综合软件功能。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。柔性制造系统的柔性体现在随机加工能力、容忍故障能力、工作和生产能力的柔性和系统生产纲领的柔性等几个方面。 1燃料直接在发动机内部燃烧的热力发动机称为内燃机。 内燃机性能通常用动力性能和经济性能指标表示主要有输出扭矩、有效功率、有效燃料消耗率、有
18、效热效率等。 2金属熔炼的目的是要获得预定的成分和一定温度的金属液并尽量减少金属液中的气体和夹杂物。在熔炼中要提高熔炼设备的熔化率降低燃料消耗以提高经济效益。 常用金属熔炼设备有 (1)铸铁熔炼设备主要有冲天炉、反射炉、工频感应炉。 (2)一般工厂为了生产铸钢件采用电弧炉和感应电炉做为铸钢熔炼设备。 (3)有色金属熔炼的特点是熔点低、合金元素易于氧化烧损常用的熔炉有坩埚炉、反射炉、电阻炉等。 3金属压力加工包括锻造和冲压两大类加工方法。 锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、形状和尺寸的锻件加工方法。常用的锻造设备有空气锤、蒸汽-空气锤、水压机、摩擦压力机
19、、曲柄压力机等。 冲压是压力机和模具对板材、带材、管材、型材等施加外力使之产生塑性变形或分离从而获得所需形状和尺寸的工件加工方法。常用的板料冲压设备有剪板机、剪切冲型机和通用压力机。 4压力容器是一种内部或外部承受气体或液体压力的密封容器。由于使用条件恶劣故对其安全性有很高的要求。 压力容器的使用工艺条件是指压力、温度、容积、介质等。 压力容器可按使用位置、设计压力、作用原理、壁厚和压力等级进行分类。 5锅炉是利用燃料或其他能源的热能把水加热成热水或蒸汽的机械设备。 锅炉主要分类方法 (1)按用途分类可分为发电锅炉、工业锅炉、热水锅炉和特种锅炉。 (2)按压力分类(锅炉出口压力)可分为低压、中
20、压、高压、超高压、亚临界、超临界锅炉六种。 (3)按结构形式可分为火管式和水管式两种。 锅炉的基本参数有锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度和给水温度。 锅炉由锅炉本体和辅助设备组成。锅炉本体是由锅和炉两部分组成。锅是汽水系统其作用是吸收和发出热量。锅由省煤器、锅筒、水冷壁、过热器组成。炉是燃烧系统有关燃料燃烧的部分由空气预热器、燃烧器和炉膛、炉墙组成。 6起重机械。起重机械按其功能和构造特点可分为轻小型起重设备、起重机和升降机。起重机最主要的性能参数是起重量和工作级别除此之外还有跨度、轨迹等。 典型通用桥式起重机有 (1)吊式桥式起重机是基本类型吊具是吊钩用途广泛。 (2)抓斗桥式起重机用抓斗抓重物
21、适用于散装物料的装卸吊运工作。 (3)电磁桥式起重机取物是用电磁吸盘适用于吊运具有导磁性的金属物料。 流动起重机是一种工作场所经常变换能在带载或空载情况下沿无轨路面运行并依靠自重保持稳定的臂架型起重机。典型流动起重机有 (1)汽车起重机将起重部分接装在通用或专用汽车底盘上运行速度快适于长距离迅速转换作业场地。机动性好但不能带载荷行驶通过性能差适用于有公路通达、流动性大、工作地点分散的作业场所。 (2)轮胎起重机采用专用底盘其车桥为刚性悬挂可吊重行驶越野能力强适用于作业场地较集中的场合。 (3)全路面起重机既可高速行驶又有较强通过崎岖路面的能力可吊重行驶。适于流动性大通行条件差的工地。 (4)履
22、带起重机用履带和地面接触可吊重物行驶适于松散、泥泞地面作业。 1寿命周期费用是指设备一生的总费用即设置费和维持费两者之和。设置费是指设备前期的一次性投入费用包括研究开发费设计费制造费安装费及试运行费等维持费是指在设备使用过程中分期投人的费用包括运行费维修费后勤支援费报废费用等。 在计算设备的寿命周期费用时有两种前提即在不考虑资金的时间价值的前提下计算和在考虑资金的时间价值前提下计算。 2设备的磨损有两种有形磨损和无形磨损 (1)有形磨损是指设备在实物形态上的磨损又称物质磨损。有形磨损分为以下两种 在使用过程中由于发生摩擦、振动、腐蚀和疲劳等现象产生的磨损称为第工种有形磨损。第1种有形磨损与使用
23、时间和使用强度有关。 在闲置过程中由于自然力的作用而腐蚀或管理不善和缺乏必要的维护而自然丧失精度和工作能力称为第种有形磨损。第种有形磨损在一定程度上与闲置时间和保管条件有关。 设备的有形磨损一部分是可以通过修理消除属于可消除性的有形磨损另一部分不可以通过修理消除属于不可消除性的有形磨损。 (2)设备无形磨损是由于工艺改进或生产规模扩大等原因使生产同样结构设备的重置价值降低导致原有设备贬值或由于科学技术进步而不断出现性能更加完善、生产效率更高的设备致使原有设备价值降低。前者称为第1种无形磨损后者称为第种无形磨损。第工种无形磨损设备技术结构和经济性能并未改变只是购买新设备的费用比过去降低了这种无形
24、磨损虽然使使用中的现有设备部分贬值但是设备本身的技术特性和功能不受影响设备尚可继续使用因此一般不需要更新。第种无形磨损是由于出现了生产率更高、经济性更好的设备旧设备在生产效率、产品质量以及生产中的原材料、燃料、动力和人工成本消耗方面相对落后导致生产成本的相对提高和经济效果的降低。这种经济效果的降低实际上反映了原设备使用价值的部分或全部丧失当设备的贬值达到一定程度就需要用新设备来代替现有旧设备或对旧设备进行技术改造。第种无形磨损也称功能性磨损。 (3)设备磨损程度的度量。设备有形磨损的度量一般用设备实际价值损失与设备重置价值之比来表示。对于可以通过修理消除的有形磨损其价值损失等于设备的修复费用对
25、于不能通过修理消除的有形磨损其价值损失一般反映为价值的降低第1种无形磨损反映为设备的重置价值的降低第种无形磨损反映为成本费用相对提高的折现值综合反映设备有形磨损和无形磨损的指标是综合磨损程度。 3设备维修是指对设备的维护、检查和修理 设备维护包括清理擦拭、润滑涂油、检查调校以及补充能源、燃料等消耗品等分为日常维护、定期维护设备检查分为日常检查、定期检查、精度检查和法定检查等设备修理可分为预防性修理、事后修理、改善修理和质量修理等。 4设备的修理费用包括日常维护保养费用、小修理费用、中修理费用和大修理费用等 (1)设备小修与维护保养费用。设备小修与维护保养费用的确定主要应从维修费用定额的确定及维
26、修费用的核算这两方面来考虑。确定维修费用定额主要有三种方法按设备拥有量确定按工业产值确定按设备计划开动台时确定。维修费用的核算是指定期对维修费用进行整理、统计与核算对单机、生产线或生产班组等进行核算并对维修费用发生情况进行经济分析找出设备开动台时与维修费用的关系综合评价设备的可靠性、维修性、经济性为制定合理的维修费用定额指标以及为设备维修费用的控制和设备信息反馈提供依据。 (2)设备大修理成本及其经济分析。设备的大修理费用一般使用设备的单位大修理成本这一指标。即一个修理复杂系数的设备所要消耗的各种修理费用。 设备的修理复杂系数是表示设备修理复杂程度的计量单位。该系数在国际上通常用R表示。主要由
27、设备的结构复杂程度、加工精度、规格尺寸、转速和变速级数以及可维修性等因素决定。 5设备更新的经济分析 (1)设备的更新周期的确定常用最小平均费用法和低劣化数值法。 (2)有形磨损导致设备更新的经济分析方法为最小年度费用法。对年度费用的比较有两种方式一是以设备更新改造的时点作为比较时点即将未来发生的费用(如年度的维护费用等)折为现值进行比较二是以实际的发生年度作为比较时点即将一次性的投资费用(如更新、修理费用等)折算成未来年金。 6设备技术改造的经济分析 设备技术改造的经济分析方法一般也采用寿命周期费用法。对于改造效果相同的方案进行比较应采用总费用现值法。对于改造效果不同的方案需要进行费用效率分
28、析。 7设备的报废的条件 凡符合下述条件之一者即应申请报废 (1)超过经济寿命和规定的使用年限由于严重磨损已达不到最低的工艺要求且无修理或技术改造价值者。 (2)设备虽然没有超过规定的使用年限但由于严重损坏不具备使用条件而又无修复价值者。 (3)影响安全、严重污染环境虽然通过采取一定措施能够得到解决但在经济上很不合算。 (4)设备老化、技术性能落后、耗能高、效率低、经济效益差或由于新设备的出现若继续使用可能严重影响企业经济效益的设备。 (5)国家强制淘汰的高耗能设备。 (6)因为其他原因而不能继续使用也不宜转让给其他企业又无保留价值的设备。 8设备管理的主要技术经济指标 (1)设备完好指标 主
29、要生产设备完好率=主要生产设备完好台数/主要生产设备总台数100 (2)设备数量利用指标 现有设备实际利用率=实际使用设备数/实有设备数100 实有设备安装率=已安装设备数/实有设备数100 已安装设备利用率=实际使用设备数/已安装设备数x100 以上三个指标具有密切的内在联系可表示为 现有设备实际利用率=实有设备安装率已安装设备利用率 (3)设备时间利用指标 计划时间利用率=实际工作时间/计划工作时间100 日历时间利用率=实际工作时间/日历时间100 (4)设备能力利用指标 设备能力利用率=一定时期的实际产量/此期间的最大可能产量x100 (5)设备的综合利用率指标 设备的综合利用率=设备
30、的时间利用率设备的能力利用率 1设备的寿命可分为自然寿命、技术寿命和经济寿命。 2磨损是指固体相对运动时在摩擦的作用下摩擦面上物质不断耗损的现象。其主要表现形式为物体尺寸或几何形状的改变、表面质量的变化。它使机器零件丧失精度并影响其使用寿命和可靠性。 正常的磨损过程分为三个阶段初期磨损阶段(第阶段)、正常磨损阶段(第阶段)和急剧磨损阶段(第阶段)。 各阶段的磨损量可分别用相应的磨损方程进行计算。在实际的工程计算中经常采用简化的磨损方程。 对以磨损为主的机器或零部件可以根据磨损曲线计算其剩余磨损寿命或磨损率。 3疲劳寿命理论及应用 (1)疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件如起重机的桥架和其他结构件、压力容器、机器的轴和齿轮等它导致零件或构件的过大变形或断裂。零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下经过一定的循环次数以后在应力集中部位萌生裂纹。裂纹在一定条件下扩展最终突然断裂这一失效过程称为疲劳破坏。材料在疲
