机械装备设计

1、（一）普通卧式车床主轴部件 结构分析：1. 主轴头大尾小，轴上零件依次从头向尾安装；2. 主轴采用齿轮传动，传动齿轮位于前后支承之间，中间设置辅助支承，。3. 前、后主支承均为圆柱滚子轴承，属于刚度型配置；前，后滚子轴承均采用 锁紧螺母预紧；4. 前端设置双向推力角接触球轴承，承受双向轴向载荷；5. 因圆柱滚子轴承允许轴向窜动，故主轴受热后向后端延伸； 结构分析：1. 主轴直径头大尾小轴上零件依次从头向尾安装2. 主轴尾部安装卸货皮带轮，传动的径向力直接传递到轴承座；3. 主轴前后支承均为两个同向角接触球轴承，前后支承为背靠背安装，为速度型配置；轴承通过螺母1锁紧;通过调整轴套2与轴承座之间的

2、轴向公差实现预紧。机械：机构与机器总称。机构为变换和传递力和运动的可动装置 机械制造装备：用于制造机械产品的工具或产品，典型的装备是机床。机械制造过程：从原材料开始，经过热、冷加工，装配成产品，对产品进行调试和检测、包装和发运的全过程。机械制造装备的发展趋势 ：（1）高效、高速、高精度方向发展（2）多功能复合化、柔性自动化（3 ）绿色制造和可持续发（4）智能化装备（5）北京机床博览会（一）机械制造生产模式的演变：（1）单件小批量，作坊式生产（2）中小批量生产，（3）大批量，流水线生产（4）大批量定制生产，大批量定制是以大批量生产的成本和速度，提供定制的个性化产品和服务的生产模式机械制造装备包括

3、加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。（1 ）加工装备：主要指采用机械制造方法制作机械零件的机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机。包括： 金属切削机床、特种加工机床、锻压机床等。（2）工艺装备：各种刀具、模具、夹具、量具等总称 为工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、 提高生产效率的重要手段。（3 ）仓储运送装备：仓储运输装备包括各级仓储、物 料运输、机床上下料、机器人等。（4）辅助装备：排屑装置、过滤装置、清洗设备等。 金属切削机床： 俗称工作母机，是机械制造业的基础 装备，性能要求高于其它机械产品。机床设计总体趋势：专业化程度越来越高，功能化部 件应用设计越来越多，

4、机电匹配部分增多。 机床设计应满足的基本要求 ：（一）工艺范围（二）柔 性（三）与物流系统的可亲性（四）刚度（五）精度（六）噪声（七）生产率和自动（八）成本（九）生产周期（十）可靠性（十一）造型与色彩 金属切削机床其基本工作原理是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料， 形成工件加工表面的几何形状、尺寸，并达到其精度要求。（二）工件表面的形成方法及机床运动 刀具切削刃类型：（1）点切削刃（2）线切削刃3）面切削刃 发生线的形成1）轨迹法（描述法）2）成型法（仿形法）3）相切法（旋切法）4）展成法（滚切法） 直线运动的六项偏差： ?EZZ:Z坐标在运动方向上的位移偏

5、差；EXZ、EYZ : Z运动方向在 X、Y方向的位置偏差向上的角度偏差颠覆向上的角度扭摆?EAZ : A 方（ pitch ）; EBZ： B 方误差（yaw） ?ECZ: C方向上角度误差roll,摇摆）厂气动先聚装曩厂靈监装置一MUK丸紧装置1电侶火紧裝館一-華本变速范国小变連范ER 一大变谨范型 旧凋叟速范朗fi袖主轴耘1-僉朗慷头厂有嫌红进给机构I无悌纯逬纶机构丄单連进给桃构门累址祐系统UJli刀舉仿形刀堰 转位刀架 立铀犬槪堆 戶卜轴武转塔尾座床身系统一一床身-气动區座敵用足座'一粘孔用宅座1-讯轴足.电_-基奉件 宀一双川衆用味身押制弋缩 厂指令帝探停翌制悝阿emt帘孔卡

6、件宇植制快建行密机构蔦常即壬获朋用快連形程嘶（三）机床运动分类按运动性质分：直线运动和回转运动按运动的功能分：成形运动：加工表面几何形状的生成和金属切除主运动：消耗大部分动力的形状创成运动进给运动：主运动之外的形状创成运动非成形运动：成形运动之外的一些运动。如切入、分度等主传动系组成：一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。（一）主传动系分类（1）按驱动主传动的电机类型：交流电动机驱动直流电动机驱动（2）按传动装置类型：机械传动装置、液压传动装置、电床设计气传动装置以及它们的组合（3）按变速的连续性：分极变速传动、无极变速传动（二）

7、主传动系的传动方式分离传动方式：主传动系中的大部分传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中。转速图包括：竖线：轴及编号；横线：各级转速；圆点：转速点圆点连线传动比。分级变速主传动系（三）主变速传动系设计的一般原则（1）传动副前多后少的原则。 （2）传动顺序与扩大顺序相一致的原则，或前密后疏（二）进给传动系设计应满足的基本要求：a）具有足够的静刚度和动刚度；b）具有良好的快速响应性，不爬性；c）;抗振性好d）具有足够宽的调速范围；e）进给系统的传动精度和定位精度要高；f）结构简单，加工和装配工艺好。（二）电气伺服进给系统驱动部件 伺服驱动部件如步进电动机直流伺服、电动机、交流伺服电动机等。（1

8、）对进给驱动部件的基本要求：1调速范围宽，低速运行平稳，无爬行；2快速响应性好；3抗负载振动能力强；4可承受频繁启动、制动和反转；5振动和噪音小，可靠性高，寿命长；6调整维修方便。（2）机械传动部件设计 齿轮传动间隙的消除自动进给系统的齿轮副需消除间隙，双片直齿轮错齿间隙消除机构（2.3）滚珠丝杠及其支承滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的线运动的运动转换机构。由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。 滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠的 三种支承方式：一端固定，另一端自由方式；一端固定一端简支承方式；两端固定滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧同齿轮的传动副一样滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并

9、施加预紧力，以保证丝杠滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。电气伺服进给系统介绍（1）开环系统：结构简单，调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中。（2）闭环系统：检测反馈装置有两类：用旋转变压器作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈；用脉冲编码器 兼作位置和速度反馈。后者用的多。闭环控制的定位精度取决于检测装置的精度。其控制精度、动态性能都较好，但是较复杂，安装调试较麻烦，成 本高，用于精密型机床上（3）半闭环系统：半闭环的精度比闭环差，但系统稳定性好，且结构比较简单，调整容易，价格低。主轴部件：是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。基本要求：

10、（1）旋转精度：是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。 旋转精度取决于主轴、轴承箱体孔等的制造、装配和调整精度。（2）刚度：是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变性的能力。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等 刚度的综合反映。K=F/3（3）抗振性：是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。低阶固有频率应远高于激振频率。（4）温升和热变性主轴部件运转时因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变性。精度：810 C；精密：1520 C；普通：3040C（5 ）：精度保持性是指长期地保持其原始制造

11、精度的能力。主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电机直接驱动等。（1）齿轮传动：特点是结构简单、紧凑，能够传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点 是线速度不能过高，通常小于 1215m/s，不如带传动平稳。（2） 带传动特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的 两轴间传动。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动。带传动在过载中会打滑，能起到过载保护 作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。（3）电动机直接驱动方式：特点是主轴单元大大简化了结构，

12、有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振 动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭矩；便于组织专业化生产。（二）液体静压轴承液体静压轴承系统：一套专用供油系统、节流器和轴承。静压轴承与动压轴承相比具有的优点：承载能力高；旋 转精度高油膜有均化误差的作用；可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工 作；摩擦小，轴承寿命长。缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。（二）液体静压轴承定压式静压轴承；节流器有两类：固定节流器和可变节流器（三）气体静压轴承用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。具有气体

13、静压轴承的主轴结构形式主要有三种：（1）具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件床设计（2 ）采用双半球形气体静压轴承（3）前端为球形，后端为圆柱形或半球形。车床刀架自动换装置应满足的要求 （1）满足工艺过程所提出的要求（2）在刀架、刀库上牢固地安装刀具，精确 调整刀具位置（3）刀架、刀库、换刀机械手都应有足够的刚度（ 4）可靠性高（5）刀架和自动换刀装置的换刀 时间尽量短提高生产率（6）操作方便和安全刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。机床刀架的转位结构设计 ：液或气的塞齿条齿轮转位、压（动）驱动活机构、圆柱凸轮步进式转位机构、伺服电 动驱

14、动的刀架转位。（三）定位机构设计刀架的定位机构多采用锥销定位和端面齿盘定位定位的特点 是定位精度高、重复定位精度好，定位刚性好，承载能力大。自动换刀装置的工作原理和构成链式刀库的构成刀库的准停需要采取的措施：（1）定位盘准停由液压油缸推动的定位销插，入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停。这种准停方式的优点是 ：a能有效地消除传动链反向间隙的影响；b保护传动链，使其免受换刀的撞击力；c驱动电动机可不用制动自锁装置。（2 ）链式刀库要选用节距精度较高的套筒滚子链和链轮，而且在把刀套装在链条上时，要用专用夹具来定位以 保证刀套间距一致。（3）圆盘式刀库宜采用单头双导程蜗杆传动。（4）尽量减小刀套孔径

15、和轴向尺寸的分散度，以保证刀柄槽在换刀位置上的轴向位置精度。（5 ）要消除反向间隙的影响。有以下几种：a电气系统自动补偿方式。b.在链轮轴上装编码器，对链轮传动进行补偿的方法实现准停。c单头双导程蜗杆传动方式 d.使刀套单方向运行单方向定位方式。e.使刀套双向运行，单向定位方式。机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件。支承件应满足的基本要求：（1）应具有足够的刚度和较高的刚度 一一质量比（2）应具有良好的动态特性各阶频率不致引起，结构共振（3）热稳定好（4）排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性机床的类型可分为三类：中小型机床、精密和高精密机床、大型和重型机床 支承件的布局：前倾式后

16、倾平床身，支承件的基本形状：箱形类、板块类、梁类 支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同材料相等的截面面积其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：（1 ）空心截面的刚度都比实心的大（2 ）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低（3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度筋板是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整 个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平、垂直、斜向。一般将筋条配置在支承件的某一内壁上主要为了减小

17、局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列。焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩预应力、钢筋混凝土、树脂混凝土等。（一）铸铁：铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。要进行时效处理，以消除内 应力。（二）钢板焊接结构：制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻。（三）预应力钢筋混凝土：抗振性好，成本低。（四）天然花岗岩：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。（五）树脂混凝土：刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性

18、好，热稳定性高，质量轻，可有良好的几何形状精度， 极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力 学性能。提高支承件的静刚度和固有频率主要方法：措施1支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面措施2合理布置支承件隔板的筋条导轨的功用和分类：导轨的功用是承受载荷和导向。 分类：开式导轨和闭式导轨 （结构形式）；动导轨和静导轨（运 动状态）；滑动导轨和滚动导轨（运动原理）。开式导轨不能承受较大的倾覆力矩，适用于大型机床的水平导轨。当倾覆力矩较大时，为保持导轨副始终接触， 需增加辅助导轨副（由压块和床身导轨的下底面a组成），从而形成闭式导轨。

19、导轨应满足的要求：1导向精度：导向精度主要是指导轨副相对运动时的直线度。2精度保持性：是导轨设计制造的关键，也是衡量机床优劣的重要指标之一。 影响精度保持性的主要因素 是磨损，即导轨的耐磨性。常见的磨损形式有：磨料（或 磨粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和疲劳磨损。3刚度：导轨承载后的变形，影响部件之间的相对位置和导向精度因。此要求导轨应具有足够的刚度。导轨的变形包括接触变形、扭转变形以及由于导轨支承件变形而引起的导轨变形。导轨的变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承件的连接方式、受载情况等。4低速运动平稳性：当进给传动系统低速转动或间歇微量进给时，应保证导轨运行平稳进不（时、给量准确，产生爬行快

20、时慢或时走时 停）现象。低速运动平稳性与导轨的材料及结构尺寸、润滑状况、动静摩擦因数之差、导轨运动的传动系统刚度 有关。低速运动平稳性对高精度机床尤为重要。5.结构简单、工艺性好。直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。（1）矩形导轨：承载能力大、刚度高、制造简单、检验和维修方便等优点。适于载荷较大而导向要求略低的机床。（2）三角形导轨：磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械；大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种。（3）燕尾形导轨：承载较大的颠

21、覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚性较差加，工检验 维修都不大方便。适于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。（4）圆柱形导轨：应用较少。（三）导轨的组合形式（1 ）双三角形导轨：不需要鑲条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验和维修都不方便。（2）双矩形导轨：承载能力大，制造简单。（3）矩形和三角形组合导轨：导向性好，刚度高，应用广泛。（4）矩形和燕尾形组合导轨：承受较大力矩，调整方便。（四）导轨间隙的调整 导轨常用压板、鑲条来调整。（1）用来调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩。（2）鑲条：调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙常用的鑲条有滑动导轨具有

22、一定动压效应的混合摩擦状态。导轨的动压效应主要与导轨的摩擦速度、润滑油粘度、导轨面的油沟尺寸和型式等有关。速度较高的主运动导轨，应合理设计油沟型式和尺寸，选择合适粘度的润滑油，以产生较 好的动压效果。优点是结构简单、制造方便和抗振性好。缺点是磨损快。四种导轨：粘结塑料软带导轨、塑料涂层、金属塑料复合导轨、鑲钢导轨4. 卸荷导轨：导轨运动精度要求高的机床和承载能力大的重型机床，为减少导轨面的接触压强减小，静摩擦因 数，提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，可采用卸荷导轨。（四）静压导轨：静压导轨按结构形式分开式和闭式两大类。（三）卸荷导轨：导轨的卸荷方式有机械卸荷、液压卸荷和气压卸荷。（四）滚动导

23、轨优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数很接近。缺点是抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高。（1）滚动导轨的类型：按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针（2 ）直线滚动导轨副（3）滚动导轨块（4）预紧：方法是靠螺钉、垫块或斜块移动导轨实现靠尺寸差达到预紧。（二）回转运动导轨的截面形状（a）平面环形导轨：结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力，但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使 用，由主轴来承受经向载荷。（b）锥面环形导轨：除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比 平面环形好，但制造较困（c）双锥面导轨：能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠覆力矩，制造研

24、磨均较困难。（一）合理选择导轨的材料和热处理导轨材料和热处理方法，对导轨性能精度有直接影响，要合理的选择，以便降低摩擦系数，提高导轨的耐磨性， 降低成本。导轨的材料有铸铁、钢、有色金属、塑料等。（1）铸铁导轨：良好的抗振性抗，工艺性和耐磨性。（2）鑲钢导轨：磨损能力强。（3）有色金属：可以防止撕伤，保证运动的平稳性和提高运动精度。（4）塑料：摩擦因数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速不易爬行、运动平稳、工艺简单、化学性能好、成本 低等特点。（二）导轨的预紧合理地将滚动导轨预紧可以提高其承载能力运、动精度和刚度。（三）导轨的良好润滑和可靠防护导轨的良好润滑和可靠防护，可以降低摩擦力，减少磨损，降低

25、温度和防止生锈，延长寿命。（四）争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补偿磨损量磨损的原因：导轨结合面在定压强作用下直接接触并相对运动而造成的。争取不磨损的条件： 让结合面在运动时不接触。方法：保证完全的液体润滑。机床的上下料：是指将毛坯送到正确的加工位置及将加工好的工件从机床上取下的过程。料仓式上料装置（一）功用和组成功用：当单件毛坯的尺寸较大，而且形状比较复杂难于自动定向时，可采用料仓上料机构。适用于加工时间较长 的零件，用在大量和批量生产中。组成：料仓、隔料器、上料器、上料杆、下料杆等部分。（二）料仓作用是储存毛坯。大小取决于毛坯的尺寸及工作循环的长短。按照毛坯在料仓中的送进方法，将料仓分为两类，即靠毛坯的自重送进和强制送进。（1） 靠毛坯自重送进的料仓：直线式、曲线式、螺旋式、管式、料斗式、料斗一料箱式（2）强制送进的料仓：重锤式、弹簧式、摩擦式、链式圆盘式，当毛坯质量太轻，不能保证靠自重可靠地落在 上料器中，或毛坯形状复杂，不便靠自重送进，采用强制送进的料仓。（三）隔料器作用：把待加工的毛坯从料仓中的许多毛坯中隔离出