机械制造装备学3.1

1、制造装 备 学 机械制造装备设计、制造与控制机械制造装备设计、制造与控制金金 属属 切切 削削 机机 床床特特 种种 加加 工工 机机 床床工工 业业 机机 器器 人人 设设 备备成成 型型 加加 工工 机机 床床第三章 加 工 装 备3.13.1金金 属属 切切 削削 机机 床床 基基 本本 要要 求求 总总 体体 设设 计计 基本要求基本要求 工艺范围工艺范围 精精 度度刚度刚度 抗振性抗振性 热变形热变形 噪声噪声 低速运动平稳性低速运动平稳性1 1、基本要求、基本要求（1 1）机床设计应满足的）机床设计应满足的基本要求基本要求 1 1）工艺范围）工艺范围 加工功能加工功能 机床是用来完

2、成工件表面加工的，应该具备完成一定工艺范围（包括机床是用来完成工件表面加工的，应该具备完成一定工艺范围（包括加工方法、工加工方法、工件类型、加工表面形状、尺寸件类型、加工表面形状、尺寸等）的加工功能，因此，也可以把工艺范围称之为机床的等）的加工功能，因此，也可以把工艺范围称之为机床的 加工功能加工功能。 对于对于专用机床专用机床，工艺，工艺范围较窄范围较窄相应的相应的功能功能也较也较少少. . 而而通用机床通用机床，工艺，工艺范围较宽范围较宽，功能较强功能较强特别是多品种，小批量生产需求的增加，特别是多品种，小批量生产需求的增加，要求扩大机床的功能。要求扩大机床的功能。 机床功能的增加，将使机

3、床的结构复杂程度增加制造难度、制造周期及制造成本机床功能的增加，将使机床的结构复杂程度增加制造难度、制造周期及制造成本增加。而且会使生产率下降增加。而且会使生产率下降 但机床功能的增加，将会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，会使但机床功能的增加，将会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，会使总的生产率提高。总的生产率提高。 机床的功能主要根据被加工对象的机床的功能主要根据被加工对象的批量批量来选择。大批量生产用的专用机床的功能设来选择。大批量生产用的专用机床的功能设置较少，只要满足特定的工艺范围要求就行了，以获得提高生产率、缩短机床制造周期置较少，只要满足特定的工艺范围要求

4、就行了，以获得提高生产率、缩短机床制造周期及降低机床成本等效果。单件小批量生产用的通用机床则应扩大机床的功能。及降低机床成本等效果。单件小批量生产用的通用机床则应扩大机床的功能。2 2）柔性）柔性 随着多品种小批量生产的发展，对机床的柔性要求随着多品种小批量生产的发展，对机床的柔性要求 越来越高越来越高。 机床的机床的柔性柔性，是指其，是指其适应加工对象变化的能力适应加工对象变化的能力，包括，包括空间上空间上的柔性和的柔性和时间时间上上的柔性。的柔性。 所谓所谓空间柔性空间柔性也就是也就是功能柔性功能柔性，指的是在同一时期内，机床能够适应多品种小批，指的是在同一时期内，机床能够适应多品种小批量

5、的加工，即机床的运动功能和刀具数目多工艺范围广，量的加工，即机床的运动功能和刀具数目多工艺范围广， 一台机床具备有几台机床的一台机床具备有几台机床的功能，因此在空间上布置一台高柔性机床，其作用等于布置了几台机床。功能，因此在空间上布置一台高柔性机床，其作用等于布置了几台机床。 所谓所谓时间上的柔性时间上的柔性也就是也就是结构柔性结构柔性，指的是在不同时期，机床各部件重新组合，指的是在不同时期，机床各部件重新组合，构成新的机床功能，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。构成新的机床功能，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。 又如，有的单件或极小批量又如，有的

6、单件或极小批量FMS FMS 作业线上，经过识别装置对下一个待加工的工件进行作业线上，经过识别装置对下一个待加工的工件进行识别，根据其加工要求，在作业线上就可自动进行机床功能重构有些重构几秒钟内即可识别，根据其加工要求，在作业线上就可自动进行机床功能重构有些重构几秒钟内即可完 成 ， 这 就 要 求 机 床 的 功 能 部 件 具 有 快 速 分 离 与 组 合 的 功 能 。完 成 ， 这 就 要 求 机 床 的 功 能 部 件 具 有 快 速 分 离 与 组 合 的 功 能 。（1 1）机床设计应满足的基本要求）机床设计应满足的基本要求 1 1、基本要求、基本要求3 3）与物流系统的）与物

7、流系统的可亲性可亲性（accessibility )accessibility ) 可亲性就是指机床与物流系统之间进行可亲性就是指机床与物流系统之间进行物料物料（工件、刀具、切屑等）（工件、刀具、切屑等）交接交接的的方方便程度便程度。 对于对于单机单机工作形式的普通机床，是由人进行物料交接的，要求机床的使用、操工作形式的普通机床，是由人进行物料交接的，要求机床的使用、操作、清理、维护方便。作、清理、维护方便。 对于对于自动化柔性制造系统自动化柔性制造系统，机床与物流系统（如输送线）是自动进行物料交接，机床与物流系统（如输送线）是自动进行物料交接的，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便。的，要

8、求机床结构形式开放性好，物料交接方便。4 4）刚度）刚度 机床的刚度将影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。刚度机床的刚度将影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。刚度包括包括静态刚度、动态刚度、热态刚度静态刚度、动态刚度、热态刚度（1 1）机床设计应满足的基本要求）机床设计应满足的基本要求 1 1、基本要求、基本要求 5 5）精度）精度 要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须具有更高的精度要要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须具有更高的精度要求。机床精度分为机床本身的精度，即空载条件下的精度（包括求。机床精度分为机床本身的精度，即空载条

9、件下的精度（包括几何精度、运几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等）和工作精度（加工精度）动精度、传动精度、定位精度等）和工作精度（加工精度） 6 6）噪声）噪声 噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染环境污染。设计和制造过程中要。设计和制造过程中要设法降低噪声设法降低噪声 7 7）生产率和自动化）生产率和自动化 机床的生产率用单位时间内机床所能加工的工件数量来表示。机床的切削效率机床的生产率用单位时间内机床所能加工的工件数量来表示。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产效率越高。越高，辅助时间越短，则它的生产效率越高。 对用户而言，使用高

10、效率的机床，可以降低工件的加工成本。机床的自动化程对用户而言，使用高效率的机床，可以降低工件的加工成本。机床的自动化程度越高，则它的生产率越高，加工精度的稳定性越好，越容易适应自动化制造系统度越高，则它的生产率越高，加工精度的稳定性越好，越容易适应自动化制造系统的要求。的要求。（1 1）机床设计应满足的基本要求）机床设计应满足的基本要求 1 1、基本要求、基本要求8 8）成本）成本 成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维设计、制造、包装、运输、使用维护和报废处理等护和报废处理等的的费用费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标，

11、应在尽可能保证机床性，是衡量产品市场竞争力的重要指标，应在尽可能保证机床性能要求的前提下提高其性能价格比。能要求的前提下提高其性能价格比。9 9）周期）周期 为了快速响应市场需求变化，生产周期（包括设计和制造）是衡量产品市场竞争为了快速响应市场需求变化，生产周期（包括设计和制造）是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求机床设计应尽可能采用现代力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求机床设计应尽可能采用现代设计方法，如设计方法，如CAD CAD 、模块化设计等。、模块化设计等。1010）可靠性）可靠性 应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的

12、加工功能时无故应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的加工功能时无故障运行的概率要高障运行的概率要高1111）造型与色彩）造型与色彩 机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好应根据机床功能、机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好应根据机床功能、结 构 、 工 艺 及 操 作 控 制 等 特 点 ， 按 照 人 机 工 程 学 的 要 求 进 行 设 计 。结 构 、 工 艺 及 操 作 控 制 等 特 点 ， 按 照 人 机 工 程 学 的 要 求 进 行 设 计 。（1 1）机床设计应满足的基本要求）机床设计应满足的基本要求 1 1、基本要求、基

13、本要求（2 2）精度）精度 加工中保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度，并能在加工中保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度，并能在机床长期使用中保持这些要求，机床本身必须具备的精度称为机床长期使用中保持这些要求，机床本身必须具备的精度称为机床机床精度。精度。 H7H7， H7/f6H7/f6， H7/h6H7/h6， 1 1、基本要求、基本要求1 1、基本要求、基本要求（2 2）精度）精度 它包括它包括 几何精度、传动精度、运动精度、定位精度几何精度、传动精度、运动精度、定位精度及及精度保精度保持性持性 等几个方面。等几个方面。 各类机床按精度可分为各类机床按精度可分为 普通精度级、精密

14、级和高精度级普通精度级、精密级和高精度级。 以上三种精度等级的机床均有相应的精度标准，其允差若以普通以上三种精度等级的机床均有相应的精度标准，其允差若以普通级为级为1 1 ，则大致比例为，则大致比例为1 1 ：0 04 4 ：0 025 25 。 在设计阶段主要从机床的精度分配、元件及材料选择等方面来提在设计阶段主要从机床的精度分配、元件及材料选择等方面来提高机床精度高机床精度1 1、基本要求、基本要求（2 2）精度）精度1 1 ）几何精度）几何精度 几何精度是指机床几何精度是指机床空载空载条件下，在条件下，在不运动不运动（机床主轴不转或工作台不移动等清（机床主轴不转或工作台不移动等清况下）或

15、运动况下）或运动速速度较度较低低时各主要部件的形状，时各主要部件的形状， 相互位置和相对运动的相互位置和相对运动的精确程度精确程度 如如 导轨的直线度，导轨的直线度， 主轴径向跳动及轴向窜动，主轴径向跳动及轴向窜动， 主轴中心线对滑台移动方向的平行度或垂直度等。主轴中心线对滑台移动方向的平行度或垂直度等。 几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。它主要决定于结几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。它主要决定于结构设计、制造和装配质量构设计、制造和装配质量2 2 ）运动精度）运动精度 运动精度是指机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度。运动精度

16、是指机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度。 如如 高速回转主轴的回转精度。高速回转主轴的回转精度。 对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。它与结构设计及对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。它与结构设计及制造等因素有关。制造等因素有关。基本要求基本要求（2 2）精度）精度3 3）传动精度）传动精度 传动精度是指机床传动系各末端执行件之间运动的传动精度是指机床传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性协调性和均匀性。 影响传动精度的主要因素是传动系统的设计，传动元件的制造和装配精度影响传动精度的主要因素是传动系统的设计，传动元件的制造和装配精度

17、4 4）定位精度）定位精度 定位精度是指机床的定位部件定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度运动到达规定位置的精度。定位精度直接。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。机床构件和进给控制系统的精度、刚度以影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。机床构件和进给控制系统的精度、刚度以及其动态特胜，机床测量系统的精度都将影响机床定位精度。及其动态特胜，机床测量系统的精度都将影响机床定位精度。5 5）工作精度）工作精度 加工规定的试件用加工规定的试件用试件的加工精度试件的加工精度表示机床的工作精度。工作精度是各表示机床的工作精度。工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚

18、度、热变形和刀具、工件的刚度种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、工件的刚度及热变形等及热变形等6 6）精度保持性）精度保持性 在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度，称之为精度保持性。，称之为精度保持性。 影响精度保持性的主要因素是磨损。磨损的影响因素十分复杂，如结构设计、影响精度保持性的主要因素是磨损。磨损的影响因素十分复杂，如结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等基本要求基本要求（3 3）刚度刚度 机床刚度指机床刚度指机床系统抵抗变形的能力机床系统抵抗变形的能力，通常

19、用下式表示，通常用下式表示 K= F / y K= F / y 式中式中K K 机床刚度（机床刚度（N /m ) ;N /m ) ; F F 作用在机床上的载荷（作用在机床上的载荷（N ) ;N ) ; y y 在载荷作用下，机床或主要零、部件的变形（在载荷作用下，机床或主要零、部件的变形（ mm）。）。 作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动干作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动干扰力等。扰力等。 按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷即不随时间变化或变化极为缓慢按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷即不随时间变化或变化极为缓慢的

20、力称静载荷，如重力、切削力的静力部分等。的力称静载荷，如重力、切削力的静力部分等。 凡凡随时间变化的力随时间变化的力如如 冲击振动力及切削力的交变部分等称冲击振动力及切削力的交变部分等称动态力动态力。 故机床刚度相应地分为静刚度及动刚度后者是抗振性的一部分故机床刚度相应地分为静刚度及动刚度后者是抗振性的一部分基本要求基本要求（3 3）刚度刚度 整机刚度整机刚度 机床是由许多构件结合而成的，在载荷作用下各构件及结合部都要产机床是由许多构件结合而成的，在载荷作用下各构件及结合部都要产生变形，这些变形直接或间接的引起生变形，这些变形直接或间接的引起刀具和工件之间相对位移刀具和工件之间相对位移这个位移

21、这个位移的大小代表了机床的的大小代表了机床的整机刚度整机刚度 因此，机床因此，机床整机刚度整机刚度不能用某个零、部件的刚度评价，而是指整台机不能用某个零、部件的刚度评价，而是指整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力综合能力。 显然，刀具和工件间的相对位移影响加工精度，同时静刚度对机床抗显然，刀具和工件间的相对位移影响加工精度，同时静刚度对机床抗振性、生产率等均有影响因此，在机床设计中对如何提高其刚度是十分重振性、生产率等均有影响因此，在机床设计中对如何提高其刚度是十分重视的。视的。 国内外对国内外对结构刚度结构刚度和和接触刚度接触刚度

22、做了大量的研究工作在设计中即要考虑做了大量的研究工作在设计中即要考虑提高各部件刚度，同时也要考虑结合部刚度及各部件间刚度匹配各个部件提高各部件刚度，同时也要考虑结合部刚度及各部件间刚度匹配各个部件和结合部对机床整机刚度的贡献大小是不同的，设计中应进行刚度的合理和结合部对机床整机刚度的贡献大小是不同的，设计中应进行刚度的合理分配或优化分配或优化基本要求基本要求（4 4）抗振性）抗振性 机床抗振性指机床在机床抗振性指机床在交变载荷作用下交变载荷作用下，抵抗变形的能力。它包括两个方面：抵，抵抗变形的能力。它包括两个方面：抵抗受迫振功的能力和抵抗自激振动的能力。前者有时习惯上称之为抗振性，后者常抗受迫

23、振功的能力和抵抗自激振动的能力。前者有时习惯上称之为抗振性，后者常称为切削稳定性称为切削稳定性（5 5）热变形）热变形 机床在工作时受到内部热源（如电动机、液压系统、机械摩擦副、切削热等）机床在工作时受到内部热源（如电动机、液压系统、机械摩擦副、切削热等）和外部热源（如环境温度、周围热源辐射等）的影响，使机床各部分温度发生变化。和外部热源（如环境温度、周围热源辐射等）的影响，使机床各部分温度发生变化。因不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。它因不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。它不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至

24、会影响正常运转。不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转。 据统计由于据统计由于热变形热变形而使加工工件产生而使加工工件产生误差误差最大可占全部误差的最大可占全部误差的70 70 左右。特左右。特别对精密机床、大型机床、自动化机床、数控机床等，热变形的影响尤其不能忽视别对精密机床、大型机床、自动化机床、数控机床等，热变形的影响尤其不能忽视 基本要求基本要求（6 6）噪声）噪声 物体振动是产生声的源泉。机床上作时各种振动频率不同，振幅也不同，它们物体振动是产生声的源泉。机床上作时各种振动频率不同，振幅也不同，它们将产生不同频率和不同强度的声音。将产生不同频率和不同强度的

25、声音。 这些声音无规律地组合在一起即成噪声。随着现代机床切削这些声音无规律地组合在一起即成噪声。随着现代机床切削速度速度的的提高提高、功率功率的的增大增大、自动化、自动化功能功能的的增多增多噪声污染问题也越来越严重。噪声污染问题也越来越严重。 降低机床噪声保护环境是机床设计者的任务之一降低机床噪声保护环境是机床设计者的任务之一 机床噪声源机床噪声源来自四个方面：来自四个方面：l l ）机械噪声。如齿轮、滚动轴承及其它传动元件的振动、摩擦等。一般速度增加一倍）机械噪声。如齿轮、滚动轴承及其它传动元件的振动、摩擦等。一般速度增加一倍噪声增加噪声增加6dB 6dB 。载荷增加一倍噪声增加。载荷增加一

26、倍噪声增加3dB 3dB 。故机床速度提高，功率加大都可能增加噪。故机床速度提高，功率加大都可能增加噪声污染。声污染。2 2 ）液压噪声。如泵、阀、管道等的液压冲击，气穴，紊流产生噪声）液压噪声。如泵、阀、管道等的液压冲击，气穴，紊流产生噪声3 3 ）电磁噪声。如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声）电磁噪声。如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声4 4 ）空气动力噪声。如电动机风扇、转子高速旋转对空气的搅动等产生噪声）空气动力噪声。如电动机风扇、转子高速旋转对空气的搅动等产生噪声基本要求基本要求（7 7）低速运动平稳性低速运动平稳性 爬行现象和机理爬行现象和机理 机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移

27、。当运动部件低速运动机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即即 时走时停时走时停 或者或者时快时慢时快时慢的现象这种现象称为爬行。的现象这种现象称为爬行。 机床运动部件产生爬行，影响工件的加工精度和表面粗糙度。如精密机床运动部件产生爬行，影响工件的加工精度和表面粗糙度。如精密机床和数控机床加工中的定位运动速度很低或位移极小，产生爬行影响定机床和数控机床加工中的定位运动速度很低或位移极小，产生爬行影响定位精度。在精密、自动化及大型机床上，爬行危害极

28、大，是评价机床质量位精度。在精密、自动化及大型机床上，爬行危害极大，是评价机床质量的一个重要指标。的一个重要指标。 机床系列型谱机床系列型谱机床的运动功能机床的运动功能机床总体结构方案设计机床总体结构方案设计机床主要参数总体设计机床主要参数总体设计 总总 体体 设设 计计机床系列型谱机床系列型谱（1 1）机床系列型谱的制定）机床系列型谱的制定 通常所说通用机床分为通常所说通用机床分为十一大类（？）十一大类（？） C C、Z Z、T T、M M、Y Y、S S、X X、B B、L L、G G、Q Q（？）（？） 如车（如车（C C）、钻（）、钻（Z Z）、镗（）、镗（T T）、磨（）、磨（M M

29、）、齿轮加工（）、齿轮加工（Y Y）、螺纹加工）、螺纹加工（S S）、铣（）、铣（X X）、刨（）、刨（B B）、拉（）、拉（L L）、锯（）、锯（G G）、其他加工（）、其他加工（Q Q） 同一种机床又分为大小不同的同一种机床又分为大小不同的几种规格几种规格 国家根据机床的生产和使用情况在调查研究的基础上，规定了每一种国家根据机床的生产和使用情况在调查研究的基础上，规定了每一种通用机床的主规格（主要参数）称为主参数系列，这是一个等比级数的数列通用机床的主规格（主要参数）称为主参数系列，这是一个等比级数的数列例如，中型卧式车床的主参数是床身上工件最大回转直径其系列为例如，中型卧式车床的主参数是

30、床身上工件最大回转直径其系列为250250，320320，400400，500500，630 . 800630 . 800，1000om1000om 七种规格，七种规格， 该系列是公比等于该系列是公比等于1.251.25 的等比数列的等比数列 其它各类机床的主规格见其它各类机床的主规格见 GB /15375-94 GB /15375-94属切削机床型号编制方法属切削机床型号编制方法 同一规格的机床，还需要具备各种不同的形式，以满足各种各样的要求。同一规格的机床，还需要具备各种不同的形式，以满足各种各样的要求。通常是按照该类机床的参数标准，先确定一种用途最厂，需要量较大的机床通常是按照该类机床的

31、参数标准，先确定一种用途最厂，需要量较大的机床系列作为系列作为“基型系列基型系列”，在此系列基础上，根据用户的需要派生出若干变型，在此系列基础上，根据用户的需要派生出若干变型机床，形成机床，形成“变形系列变形系列”“”“基型基型”和和“变型变型”构成了机床的构成了机床的“型谱型谱”。 机床系列型谱机床系列型谱 由上表可见，每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型由上表可见，每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型和变型 合称为这类机床的系列和型谱。合称为这类机床的系列和型谱。 机床的主参数系列是系列型谱的纵向（按尺寸大小）发展，而同规格的机床的主参数系列是系列型谱的纵

32、向（按尺寸大小）发展，而同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向拓展。各种变型机床则是系列型谱的横向拓展。 表3-1 中型卧式车床的简略系列型谱表注：基型，变型 型式最大上件直径/mm万能式马鞍式提高精度无丝杠式卡盘式球面加工端面车床2503204005006308001000 意义（？）意义（？） 同一系列中尺寸不同的机床，结构形式是相同一系列中尺寸不同的机床，结构形式是相似的。似的。 因此，部分零部件可以通用另些零部件结因此，部分零部件可以通用另些零部件结构相似。便于设计和组织生产，可缩短设计、制构相似。便于设计和组织生产，可缩短设计、制造周期，降低成本，提高机床产品质量造周期，降低成本，提

33、高机床产品质量 规定机床的系列型谱，对机床工业的发展有规定机床的系列型谱，对机床工业的发展有很大好处，因为基型机床和变型机床之间大部份很大好处，因为基型机床和变型机床之间大部份零部件是相同的（零部件是相同的（通用件通用件或或通用部件通用部件）；）；机床系列型谱机床系列型谱机床的运动功能机床的运动功能机床总体结构方案设计机床总体结构方案设计机床主要参数总体设计机床主要参数总体设计机床的运动功能机床的运动功能（1 1）机床的工作原理）机床的工作原理 金属切削机床的金属切削机床的 基本功能基本功能 是提供切削加工所必须的运动和动力。是提供切削加工所必须的运动和动力。 机床的机床的 基本工作原理基本工

34、作原理 是（？）：是（？）： 通过通过刀具刀具与与工件工件之间的之间的相对运动相对运动，由刀具，由刀具切除切除工件加工表面工件加工表面多余多余的的金属材料，金属材料，形成形成工件加工表面的工件加工表面的几何形状、尺寸几何形状、尺寸，并并达到达到其其精度精度要求要求 可以看出，工件的加工表面是通过机床上刀具与工件的相对运动而形成的，因可以看出，工件的加工表面是通过机床上刀具与工件的相对运动而形成的，因此要进行机床的运动设计，此要进行机床的运动设计， 需要先了解工件表面的形成方法需要先了解工件表面的形成方法机床的运动功能机床的运动功能（2 2）工件表面的形成方法）工件表面的形成方法 1) 1) 几

35、何表面的形成原理几何表面的形成原理 任何一个表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动任何一个表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹，这两条曲线（或直线）称为该表面的的轨迹，这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线发生线， 前者称为前者称为母线母线，后者称为，后者称为导线导线。 例如例如: :几何表面分别由几何表面分别由: : a) a)平面是由直线母线平面是由直线母线1 1和直线导线和直线导线2 2 b) b)直纹面是由曲线母线直纹面是由曲线母线1 1 沿着直线导线沿着直线导线2 2 移动而形成的；移动而形成的； c)c)圆柱面是由直母线圆柱面是由

36、直母线1 1 沿轴线与它相平行的圆导线沿轴线与它相平行的圆导线2 2 运动而形成的；运动而形成的； d)d)圆锥面是由直母线圆锥面是由直母线1 1 沿轴线与它相交的圆导线沿轴线与它相交的圆导线2 2 运动形成的；运动形成的； e)e)自由曲面是由曲线母线自由曲面是由曲线母线1 1 沿曲线导线沿曲线导线2 2 运动而形成的。运动而形成的。 有些表面的母线和导线可以互换，如有些表面的母线和导线可以互换，如a a 、b b 、c c、e ; e ; 机床的运动功能机床的运动功能（2 2）工件表面的形成方法）工件表面的形成方法 2) 2) 发生线的形成发生线的形成 通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运

37、动而形成的。有如下四种方法：通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。有如下四种方法： (l(l）轨迹法）轨迹法（描述法）（描述法） 如图如图3 34a4a，发生线发生线1 1 （直导线）（直导线）是由点切削刃作直是由点切削刃作直线运动轨迹形成的。线运动轨迹形成的。 因此为了形因此为了形成发生线成发生线1 1 ，刀具，刀具和工件之间需要一和工件之间需要一个相对运动个相对运动点刃车刀车外圆柱面点刃车刀车外圆柱面机床的运动功能机床的运动功能 2 2）成型法）成型法 仿形法）如图仿形法）如图3 3b b，刀具是线，刀具是线切削刃，切削刃，与工件发生线与工件发生线1 1 （直导线）吻合，（直导线

38、）吻合，因此发生线因此发生线1 1 由刀刃实现，由刀刃实现，发生线发生线1 1 的形成不需要刀具与工件的形成不需要刀具与工件的相对运动。的相对运动。宽刃车刀车外圆柱面宽刃车刀车外圆柱面机床的运动功能机床的运动功能 3 3）相切法）相切法（旋切法）如图（旋切法）如图3 3 4c 4c 、d d ，当砂轮或圆柱铣，当砂轮或圆柱铣刀旋转时，磨粒或切削刃形成回转刀旋转时，磨粒或切削刃形成回转面，面上的任一点与工件接触均可面，面上的任一点与工件接触均可发生切削，故称之为面切削刃发生发生切削，故称之为面切削刃发生线线1 1 （圆母线）是面切削刃（圆母线）是面切削刃2 2 运动运动轨迹的切线轨迹的切线。 因

39、此为了形成发生线因此为了形成发生线1 1 ，刀具和工件之间需要两个刀具和工件之间需要两个运动：一 个是刀具的旋运动：一 个是刀具的旋转形成面切削刃转形成面切削刃2 2 ；另；另一个是刀具回转中心与工一个是刀具回转中心与工件之间按圆轨迹件之间按圆轨迹3 3 进行相进行相对运动对运动砂轮磨外圆柱面砂轮磨外圆柱面盘铣刀铣外圆柱面盘铣刀铣外圆柱面 4 )4 )范成法范成法（滚切法）如图滚切法）如图34e34e ，发生线，发生线1 1 （渐开线母线）（渐开线母线）是由切削刃是由切削刃2 2 （线切削刃）在（线切削刃）在刀具与工件作范成运动刀具与工件作范成运动时所形成的一系列时所形成的一系列轨迹线的轨迹线

40、的包络线包络线。 这时刀具与工件之间需要一个相对运动（简称范成运动）这时刀具与工件之间需要一个相对运动（简称范成运动）机床的运动功能机床的运动功能滚滚 齿齿 加加 工工机床的运动功能机床的运动功能锥锥 齿齿 轮轮 刨刨 齿齿 加加 工工机床的运动功能机床的运动功能弧弧 齿齿 锥锥 齿齿 轮轮 铣铣 齿齿 加加 工工机床的运动功能机床的运动功能（3 3）运动分类）运动分类 主运动主运动成形运动成形运动 ： 形状创成运动形状创成运动 主运动主运动它的功能是它的功能是切除加工切除加工表面上多余的金属材料，因表面上多余的金属材料，因此运动速度高，消耗机床的大部分动力，故称为主运动，也可称为此运动速度高

41、，消耗机床的大部分动力，故称为主运动，也可称为切削运动切削运动。它是形成加工表面必不可少的成形运动。它是形成加工表面必不可少的成形运动。 车床车床 磨床磨床 铣床（？）铣床（？） 例如车床上主轴的回转运动，磨床上砂轮的回转运动，铣床例如车床上主轴的回转运动，磨床上砂轮的回转运动，铣床上的铣刀回转运动等为主运动等。上的铣刀回转运动等为主运动等。 形状创成运动形状创成运动 它的功能是用来它的功能是用来形成形成工件加工表面的工件加工表面的发生发生线线。 同样的加工表面，采用的刀具不同，所需的形状创成运动数目同样的加工表面，采用的刀具不同，所需的形状创成运动数目不同不同 。机床的运动功能机床的运动功能

42、（3 3）运动分类）运动分类 非成形运动非成形运动 ： 切入运动切入运动 （使刀具切入用）；（使刀具切入用）； 分度运动分度运动 （当工件加工表面由多个表面组成时，由一个表（当工件加工表面由多个表面组成时，由一个表面过渡到另一个表面所需的运动）；面过渡到另一个表面所需的运动）； 辅助运动辅助运动 （如刀具的接近、退刀、返回等）；（如刀具的接近、退刀、返回等）； 控制运动控制运动 （如一些操纵运动）（如一些操纵运动） 机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 1) 1) 工艺分析工艺分析 对所设计的机床的工艺范围进行分析（对于通用机床，加工对对所设计的机床的工艺范围进行

43、分析（对于通用机床，加工对象为象为工件群工件群，选择其中几种典型工件进行分析），选择确定加工方，选择其中几种典型工件进行分析），选择确定加工方法法 ( (同一种表面有多种加工方法）。同一种表面有多种加工方法）。 2) 2) 选取坐标系选取坐标系 机床坐标系（即机床总体坐标系）采用直角坐标系，直线移动机床坐标系（即机床总体坐标系）采用直角坐标系，直线移动用用X , Y , Z X , Y , Z 表示，表示，绕绕X , Y , Z X , Y , Z 轴轴的回转运动用的回转运动用A , B , C A , B , C 表示，表示，主运动部件主运动部件为移动时，移动方向一般取为移动时，移动方向一般

44、取X X轴轴。主运动部件主运动部件为转动时，沿转轴方向的移动一般取为转动时，沿转轴方向的移动一般取Z Z轴轴。机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 局部坐标系局部坐标系（1 1）运动部件上的运动件用局部坐标系表示，局）运动部件上的运动件用局部坐标系表示，局部坐标系固定在部坐标系固定在运动部件运动部件上上（2 2）局部坐标系上的运动件的运动方向）局部坐标系上的运动件的运动方向与机床坐与机床坐标系轴线平行标系轴线平行时，符号和主坐标系一样，但用功能下标时，符号和主坐标系一样，但用功能下标p p ， f f ， a a区分不同的功能。区分不同的功能。 （3 3）当有）当

45、有斜置式斜置式运动时，符号可运动时，符号可自由选取。但符自由选取。但符号上方加一横号上方加一横“”。 机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 3) 3) 写出机床运动功能式写出机床运动功能式 确定机床的运动功能，写出机床运动功能式。确定机床的运动功能，写出机床运动功能式。 运动功能式表示机床的运动功能式表示机床的运动个数运动个数、形式形式（直线或回转运动）、（直线或回转运动）、功能功能（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标p p ， f f ， a a 表示）及排列顺序。表示）及排列顺序。 左边写工件，用左

46、边写工件，用W W 表示；右边写刀具，用表示；右边写刀具，用T T 表示，中间写运动，表示，中间写运动，按运动顺序排列，并用按运动顺序排列，并用“/ / ”分开分开 如：如： 车床的运动功能式为车床的运动功能式为 W / CW / Cp p Z Z f f X X f f /T /T 三轴升降台式铣床的运动式为三轴升降台式铣床的运动式为 W / XW / Xf f Y Yf f Z Z f f C Cp p /T /T机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出画出机床运动功机床运动功能图能图 运动功能运动功能图图是 将 机 床 的是 将

47、机 床 的运 动 功 能 式运 动 功 能 式用 简 洁 的 符用 简 洁 的 符号 和 图 形 表号 和 图 形 表达 出 来 ， 是达 出 来 ， 是机 床 传 动 系机 床 传 动 系统 设 计 的 依统 设 计 的 依据据运动功能图中，除实物轮廓外，仅用到两种功能符号机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 车床车床机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 铣铣 床床机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床

48、运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 龙龙 门门 刨刨 床床单柱刨床机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 外外 圆圆 磨磨 床床机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 摇摇 臂臂 钻钻 床床机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 镗镗 床床机床的运动功能机床的运动功能（

49、4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 滚滚 齿齿 机机机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 插插 齿齿 机机机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 刨刨 齿齿 机机机床的运动功能机床的运动功能（4 4）机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 4) 4) 画出机床运动功能图画出机床运动功能图 铣铣 齿齿 机机机床的运动功能机床的运动功能（4 4）

50、机床运动功能方案设计）机床运动功能方案设计 5) 5) 绘制机绘制机床传动原理图床传动原理图 机床的运动功能机床的运动功能图 只 表 示 运 动 的 个图 只 表 示 运 动 的 个数形式、功能及排数形式、功能及排列顺序，不表示运动列顺序，不表示运动之间的传动关系。之间的传动关系。若将动力源与执若将动力源与执行件、不同执行件之行件、不同执行件之间的运动及传动关系间的运动及传动关系同时表示出来，就是同时表示出来，就是传动原理图。传动原理图。机床系列型谱机床系列型谱机床的运动功能机床的运动功能机床总体结构方案设计机床总体结构方案设计机床主要参数总体设计机床主要参数总体设计4 4、机床总体结构方案设

51、计、机床总体结构方案设计 机床运动功能式（或功能图）描述了机床运动功能式（或功能图）描述了 刀具刀具与工件之间的相对运动，与工件之间的相对运动， 但基础支承件设在何处（即但基础支承件设在何处（即接地接地”）尚）尚未确定，即相对未确定，即相对“地地”来说，哪些运动是由刀来说，哪些运动是由刀具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成也还不具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成也还不清楚所以首先是运动功能的分配问题清楚所以首先是运动功能的分配问题4 4、机床总体结构、机床总体结构方案设计方案设计（1 1）运动功能分配设计）运动功能分配设计 运动功能分配设计是确定运动功能式中运动功能分配设计是确定运动功能式中”接

52、地接地”的位置，用的位置，用“ ”符号表示。（？）符号表示。（？） 基础支撑件设在何处基础支撑件设在何处 “ ”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。 机床的机床的运动功能式运动功能式中添加上中添加上“ ”接地符号后，可称为接地符号后，可称为运动分运动分配式配式。 一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得几个运动一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得几个运动分配式，如前例的铣床的运动功能式：分配式，如前例的铣床的运动功能式：机床总体结构方机床总体结构方案设计案设计（1 1）运动功能分配设计）运动功能分配设计 W / XW

53、/ X f f Z Z f f Y Y f f C Cp p /T /T 其运动分配式有：其运动分配式有：1 1）W / W / X X f f Z Z f f Y Y f f C Cp p /T /T2 2）W / XW / X f f Z Z f f Y Y f f C Cp p /T /T3 3）W / XW / X f f Z Z f f Y Y f f C Cp p /T /T4 4）W / XW / X f f Z Z f f Y Y f f C Cp p /T /T 其中卧式升降台式铣床的运动分配式就是上述的第其中卧式升降台式铣床的运动分配式就是上述的第4 4 方案，方案， 卧式

54、立柱移动式铣床的运动分配式为上述的第卧式立柱移动式铣床的运动分配式为上述的第2 2 方案方案 由众多的运动功能式经过评价筛选后，保留下的方案都可进行运动分配设计，由众多的运动功能式经过评价筛选后，保留下的方案都可进行运动分配设计， 再对众多的运动分配式进行评价，剔除一些明显不合理方案，如对大型工件，再对众多的运动分配式进行评价，剔除一些明显不合理方案，如对大型工件，工件侧的运动数应尽量少，上例中的第工件侧的运动数应尽量少，上例中的第4 4 方案应剔除方案应剔除铣床的运动功能式要“避重就轻”机床总体结构方案设计机床总体结构方案设计（2 2）结构布局设计）结构布局设计 机床的结构布局机床的结构布局形式形式有有立立式、卧式式、卧式及及斜置式斜置式等；等； 其中其中基础支承件基础支承件的形式又的形式又有有底座式底座式，立柱式龙门式立柱式龙门式等；等； 基础支承件的基础支承件的结构结构又有一又有一体式和分离式等等。体式和分离