引言

装备制造是现代工业体系的核心支柱，涵盖了从机械加工、电气控制到自动化集成的广泛领域。对于从业者、学生或相关专业人员而言，掌握装备制造的基础知识、理解典型问题的解法，并能将其应用于实际工程场景，是提升专业能力的关键。本指南旨在提供一个系统化的学习框架，通过基础题库、详细答案解析以及实战应用案例，帮助读者夯实理论基础，提升解决实际问题的能力。

第一部分：装备制造基础题库

本部分精选了装备制造领域的典型基础题目，涵盖机械设计、材料科学、制造工艺、电气控制及自动化等核心模块。题目设计注重基础概念与原理的考察。

1.1 机械设计基础

题目1： 简述齿轮传动的特点，并计算一对标准直齿圆柱齿轮的基本参数。已知：主动轮齿数 ( z_1 = 20 )，从动轮齿数 ( z_2 = 60 )，模数 ( m = 4 \, \text{mm} )，压力角 ( \alpha = 20^\circ )。求：

  1. 传动比 ( i )；
  2. 中心距 ( a )；
  3. 齿轮分度圆直径 ( d_1, d_2 )；
  4. 齿顶高 ( h_a ) 和齿根高 ( h_f )。

题目2： 轴承选型计算。某轴承受径向载荷 ( F_r = 5000 \, \text{N} )，轴向载荷 ( Fa = 1500 \, \text{N} )，转速 ( n = 1500 \, \text{r/min} )，预期寿命 ( L{10h} = 20000 \, \text{h} )。试根据深沟球轴承（6000系列）的额定动载荷 ( C_r = 12000 \, \text{N} ) 判断该轴承是否满足寿命要求（取载荷系数 ( f_p = 1.2 )，温度系数 ( f_t = 1.0 )）。

1.2 材料与热处理

题目3： 材料性能对比。比较45钢（中碳钢）与Q235钢（低碳钢）在成分、力学性能（强度、塑性、韧性）及典型热处理工艺上的主要区别，并说明各自在装备制造中的常见应用场景。

题目4： 热处理工艺选择。一个由40Cr钢制成的齿轮，要求表面硬度高（HRC 55-60），心部韧性好。请设计合理的热处理工艺路线，并解释每一步的目的。

1.3 制造工艺

题目5： 加工工艺分析。某零件图纸标注尺寸为 ( \phi 50 \pm 0.02 \, \text{mm} )，表面粗糙度要求 ( Ra \leq 1.6 \, \mu m )。请从车削、铣削、磨削中选择最合适的加工方法，并简述其工艺过程。

题目6： 公差与配合。解释基孔制与基轴制的区别。对于孔 ( \phi 50H7 ) 与轴 ( \phi 50g6 ) 的配合，属于哪种基准制？是间隙配合、过渡配合还是过盈配合？计算其极限间隙或过盈。

1.4 电气控制与自动化

题目7： PLC编程基础。使用梯形图（LAD）编写一个简单的控制程序：按下启动按钮（I0.0），电机（Q0.0）启动并自锁；按下停止按钮（I0.1），电机停止。请画出梯形图并解释其工作原理。

题目8： 传感器应用。在自动化生产线中，检测金属工件到位通常使用哪种传感器？请比较电感式接近开关与光电传感器的优缺点及适用场景。

第二部分：答案解析与详解

本部分对第一部分的题目进行详细解答，不仅给出答案，更注重解题思路、原理阐述和计算过程。

2.1 机械设计基础解析

题目1解析：

  1. 传动比 ( i )：齿轮传动比等于从动轮齿数与主动轮齿数之比。 [ i = \frac{z_2}{z_1} = \frac{60}{20} = 3 ] 这意味着从动轮转速是主动轮的1/3，扭矩放大3倍。

  2. 中心距 ( a )：标准直齿圆柱齿轮的中心距计算公式为： [ a = \frac{m(z_1 + z_2)}{2} = \frac{4 \times (20 + 60)}{2} = \frac{4 \times 80}{2} = 160 \, \text{mm} ] 中心距是设计齿轮箱体的关键尺寸。

  3. 分度圆直径 ( d_1, d_2 )：分度圆是齿轮设计的基准圆。 [ d_1 = m \cdot z_1 = 4 \times 20 = 80 \, \text{mm} ] [ d_2 = m \cdot z_2 = 4 \times 60 = 240 \, \text{mm} ]

  4. 齿顶高 ( h_a ) 和齿根高 ( h_f )：对于标准齿轮，齿顶高系数 ( h_a^* = 1 )，顶隙系数 ( c^* = 0.25 )。 [ h_a = h_a^* \cdot m = 1 \times 4 = 4 \, \text{mm} ] [ h_f = (h_a^* + c^*) \cdot m = (1 + 0.25) \times 4 = 5 \, \text{mm} ] 实战意义：这些计算是齿轮设计和箱体加工的基础。在实际生产中，还需考虑变位、强度校核等。

题目2解析：

  1. 计算当量动载荷 ( P )：对于深沟球轴承，当量动载荷公式为 ( P = f_p (X F_r + Y F_a) )。查表得，对于 ( e = 0.22 )（近似值），当 ( F_a / F_r > e ) 时，( X=0.56, Y=1.5 )。 [ \frac{F_a}{F_r} = \frac{1500}{5000} = 0.3 > 0.22 ] [ P = 1.2 \times (0.56 \times 5000 + 1.5 \times 1500) = 1.2 \times (2800 + 2250) = 1.2 \times 5050 = 6060 \, \text{N} ]

  2. 计算所需额定动载荷 ( C_{req} )：寿命公式 ( L{10} = (\frac{C}{P})^{10⁄3} \times 10^6 )（转）。转换为小时： [ L{10h} = \frac{10^6}{60n} \times (\frac{C}{P})^{10⁄3} ] 代入 ( L{10h} = 20000 \, \text{h} )，( n = 1500 \, \text{r/min} )，( P = 6060 \, \text{N} )： [ 20000 = \frac{10^6}{60 \times 1500} \times (\frac{C{req}}{6060})^{10⁄3} ] [ 20000 = 11.11 \times (\frac{C{req}}{6060})^{3.333} ] [ (\frac{C{req}}{6060})^{3.333} = \frac{20000}{11.11} \approx 1800 ] [ \frac{C{req}}{6060} = 1800^{1⁄3.333} \approx 1800^{0.3} \approx 4.5 ] [ C{req} \approx 6060 \times 4.5 \approx 27270 \, \text{N} ]

  3. 判断：所选轴承的额定动载荷 ( Cr = 12000 \, \text{N} < C{req} = 27270 \, \text{N} )。因此，该轴承不满足寿命要求，需要选择更大规格的轴承或改用圆锥滚子轴承等。

2.2 材料与热处理解析

题目3解析：

特性 45钢 (中碳钢) Q235钢 (低碳钢)
主要成分 C: 0.42-0.50%, Mn: 0.50-0.80%, Si: 0.17-0.37% C: ≤0.22%, Mn: ≤1.4%, Si: ≤0.35%
力学性能 强度较高，塑性、韧性适中。热处理后性能提升显著。 强度较低，塑性、韧性极好，焊接性优良。
热处理 常用调质（淬火+高温回火）获得良好综合力学性能；表面淬火提高耐磨性。 通常不进行热处理，以热轧态使用。
应用场景 齿轮、轴、连杆等受力复杂、要求强度和耐磨性的零件。 机架、支架、容器、焊接结构等对强度要求不高但需良好成型性和焊接性的场合。

题目4解析： 工艺路线：下料 → 锻造 → 正火 → 粗加工 → 调质 → 半精加工 → 高频感应淬火+低温回火 → 精加工。

  1. 下料与锻造：获得所需形状和致密组织。
  2. 正火：细化晶粒，消除锻造应力，为后续热处理做准备。
  3. 粗加工：去除大部分余量。
  4. 调质（淬火+高温回火）：获得良好的心部综合力学性能（强度、韧性）。
  5. 半精加工：为淬火留出余量。
  6. 高频感应淬火+低温回火：仅对齿轮齿面进行快速加热淬火，获得高硬度（HRC 55-60）的耐磨表层，低温回火消除淬火应力。
  7. 精加工：最终磨削齿面至尺寸和粗糙度要求。 原理：此路线结合了整体强韧化（调质）和局部表面硬化（感应淬火），完美满足了齿轮“外硬内韧”的要求。

2.3 制造工艺解析

题目5解析：

  1. 方法选择：磨削。
    • 车削：通常用于粗加工和半精加工，公差等级一般在IT8-IT7，表面粗糙度Ra 1.6-3.2μm，难以稳定达到Ra≤1.6μm。
    • 铣削：用于平面和轮廓加工，精度和粗糙度通常不如磨削。
    • 磨削：作为精加工方法，可稳定达到IT6-IT5公差等级和Ra 0.8-0.2μm的表面粗糙度，完全满足题目要求。
  2. 工艺过程：
    • 粗车：车削外圆至 ( \phi 52 \, \text{mm} ) 左右，留出精加工余量。
    • 半精车：车削至 ( \phi 50.5 \, \text{mm} )，留出磨削余量0.5mm。
    • 热处理（如需要）：根据材料进行调质等。
    • 磨削：使用外圆磨床，通过多次光磨，将尺寸控制在 ( \phi 50 \pm 0.02 \, \text{mm} ) 范围内，并保证Ra≤1.6μm。

题目6解析：

  • 基孔制：基本偏差为H的孔，与不同基本偏差的轴形成配合。基准孔的下偏差为0。
  • 基轴制：基本偏差为h的轴，与不同基本偏差的孔形成配合。基准轴的上偏差为0。
  • 配合类型：孔 ( \phi 50H7 )（( +0.025, 0 )），轴 ( \phi 50g6 )（( -0.009, -0.025 )）。
    • 孔的最小极限尺寸 = 50.000 mm，最大 = 50.025 mm。
    • 轴的最大极限尺寸 = 49.991 mm，最小 = 49.975 mm。
    • 最大间隙 = 孔最大 - 轴最小 = 50.025 - 49.975 = 0.050 mm。
    • 最小间隙 = 孔最小 - 轴最大 = 50.000 - 49.991 = 0.009 mm。
    • 因为始终存在间隙（最小间隙 > 0），所以是间隙配合。
    • 基准制：孔为H7，是基准孔，因此是基孔制配合。

2.4 电气控制与自动化解析

题目7解析： 梯形图（LAD）：

    I0.0 (启动)      Q0.0 (电机)
    |----| |----------( )----|
    |    |            |
    |    |            |
    |----|/|----------|      |
    I0.1 (停止)      Q0.0 (自锁)

工作原理：

  1. 启动：按下启动按钮I0.0，其常开触点闭合，电流流过，使输出线圈Q0.0得电。Q0.0的常开触点（自锁触点）同时闭合，形成自锁回路。即使松开I0.0，电流仍可通过Q0.0的自锁触点维持Q0.0得电，电机持续运行。
  2. 停止：按下停止按钮I0.1，其常闭触点断开，切断整个回路，Q0.0失电，电机停止。松开I0.1后，其触点恢复闭合，但因Q0.0已失电且无启动信号，电机保持停止状态。 实战应用：这是最基础的电机启停控制电路，广泛应用于各类设备的启动控制中。

题目8解析：

  • 常用传感器：电感式接近开关。
  • 比较： | 特性 | 电感式接近开关 | 光电传感器 | | :— | :— | :— | | 检测对象 | 仅金属（铁、钢、铝等） | 任何不透明或透明物体 | | 检测距离 | 较短（几毫米到几十毫米） | 较长（几厘米到几米） | | 抗干扰性 | 对油污、灰尘不敏感，抗干扰强 | 易受环境光、灰尘影响 | | 响应速度 | 快（微秒级） | 快（微秒级） | | 成本 | 较低 | 较高（尤其长距离型） | | 适用场景 | 金属工件定位、计数、限位（如机床、流水线） | 透明瓶检测、物体有无检测、长距离定位（如包装、物流） |

第三部分：实战应用指南

本部分将理论知识与实际工程场景结合，提供可操作的指导和案例。

3.1 从图纸到零件：一个轴类零件的制造全流程

案例：设计并制造一个用于减速器的输出轴（材料：45钢）。

  1. 设计阶段：
    • 受力分析：计算扭矩、弯矩，确定轴径。
    • 结构设计：设计轴肩、键槽、退刀槽、圆角等。
    • 公差与配合：轴承位（φ40k6）、齿轮位（φ45h7）、密封位（φ30f7）。
    • 图纸绘制：使用CAD软件（如SolidWorks, AutoCAD）完成，标注所有尺寸、公差、粗糙度、形位公差。
  2. 工艺规划：
    • 工艺路线：下料 → 车端面钻中心孔 → 粗车各外圆 → 调质 → 修研中心孔 → 半精车 → 铣键槽 → 磨轴承位 → 检验。
    • 工装设计：设计专用夹具（如三爪卡盘+顶尖）。
  3. 加工与检测：
    • 数控车床：编程（G代码）加工外圆、台阶。 
      
O1001 (程序号)
G54 G90 G95 (建立工件坐标系，绝对编程，每转进给)
T0101 (调用1号刀，1号刀补)
G00 X52 Z2 (快速定位)
G01 X45 F0.2 (车削φ45外圆)
G01 Z-50 F0.2 (车削长度)
G00 X52 Z2 (退刀)
... (其他车削步骤)
M30 (程序结束)
    • 铣床：加工键槽（使用立铣刀或键槽铣刀）。
    • 外圆磨床：精磨轴承位至φ40k6。
    • 检测：使用千分尺、粗糙度仪、三坐标测量机（CMM）进行尺寸和形位公差检测。

3.2 自动化生产线调试：PLC与传感器集成

案例：一个简单的物料分拣站，使用PLC控制。

  1. 系统组成：

    • 传感器：电感式接近开关（检测金属物料），光电传感器（检测物料到位）。
    • 执行器：气缸（推杆）、传送带电机。
    • 控制器：西门子S7-1200 PLC。

  2. PLC程序设计（结构化文本ST示例）：

    // 变量定义
VAR
    StartBtn : BOOL; // I0.0
    StopBtn : BOOL;  // I0.1
    MetalSensor : BOOL; // I0.2
    PositionSensor : BOOL; // I0.3
    ConveyorMotor : BOOL; // Q0.0
    PusherCylinder : BOOL; // Q0.1
    SystemRunning : BOOL;
END_VAR


// 主程序
// 1. 启停逻辑
IF StartBtn AND NOT StopBtn THEN
    SystemRunning := TRUE;
ELSIF StopBtn THEN
    SystemRunning := FALSE;
END_IF;


// 2. 运行逻辑
IF SystemRunning THEN
    // 传送带运行
    ConveyorMotor := TRUE;


    // 当金属物料到达分拣位
    IF MetalSensor AND PositionSensor THEN
        // 启动气缸推杆（假设推金属件）
        PusherCylinder := TRUE;
        // 延时2秒后收回
        // (实际需使用定时器，此处简化)
        // ... 延时逻辑
        PusherCylinder := FALSE;
    END_IF;
ELSE
    ConveyorMotor := FALSE;
    PusherCylinder := FALSE;
END_IF;

  3. 调试步骤：

    • 硬件接线：确保传感器、执行器与PLC I/O模块正确连接。
    • 软件下载：将程序下载至PLC。
    • 在线监控：使用TIA Portal的在线视图，监控I/O状态和变量值。
    • 功能测试：手动触发传感器，观察执行器动作是否符合逻辑。
    • 优化：调整传感器灵敏度、气缸速度、程序延时参数，优化节拍。

3.3 常见问题与解决方案（Troubleshooting）

  1. 问题：加工出的轴尺寸超差。
    • 可能原因：刀具磨损、机床热变形、夹具松动、编程错误。
    • 解决方案：检查刀具磨损情况并更换；加工前进行机床预热；检查夹具锁紧；核对G代码和刀补设置。
  2. 问题：PLC控制的电机无法启动。
    • 可能原因：电源故障、急停按钮未复位、程序逻辑错误、输出模块损坏。
    • 解决方案：检查电源电压；确认急停按钮状态；在线监控程序，检查I0.0和Q0.0的状态；使用万用表测量输出端子电压。
  3. 问题：轴承过早失效。
    • 可能原因：润滑不良、安装不当（敲击）、负载过大、密封失效。
    • 解决方案：检查润滑脂型号和加注量；使用专用工具（如压力机）安装轴承；重新校核负载和选型；检查密封件。

结语

装备制造是一门实践性极强的学科，理论知识必须与工程实践紧密结合。本指南通过题库、解析和实战案例，构建了一个从基础到应用的完整学习路径。建议读者在掌握理论后，积极通过实验、实习或项目实践来巩固技能。持续关注行业新技术（如增材制造、数字孪生、工业互联网），将使你在装备制造领域保持竞争力。记住，每一个精密零件的诞生，都源于对基础知识的深刻理解和严谨的工程实践。