《机械装备制造》配套教学课件

机械制造装备设计

第一章绪

论

第一节概述（机械制造装备及其在国民经济中的重要作用）一、本课程的学习内容、目的及要求

本课程学习内容：①绪论；②机械制造装备设计方法；③金属切削机床设计；④机床夹具设计。1.本课程要求（教学目的）

机械制造装备设计是机械专业的一门专业课，通过本课程的教学，使学生明白机械制造装备的重要性，了解机械制造装备的技术现状和发展趋势；对机械制造装备的构成和应满足的要求有一个较全面的认识；掌握主要机械制造装备的现代设计原理和方法；通过本课程的学习，具备一定的机械制造装备的总体设计和结构设计能力。

2.内容及要求

（1）掌握机械制造装备设计的一般方法，具备一定的方案设计分析比较能力。（2）熟悉机械制造装备典型机构工作原理，掌握运动分析、受力分析和结构分析的方法。（3）熟悉典型部件和机构的传动设计，结构设计方法（主传动设计，主轴部件，进给驱动，支承件，夹具）。（4）推广到其它机械设计的能力。

二.机械制造装备工业的作用和发展

1.制造业的概述

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力的竞争。而机械制造业是制造业的核心，是制造如农业机械、动力机械、运输机械和矿山机械等机械产品的工业部门，也是为国民经济部门提供机械装备的部门。机械制造业的生产能力和发展水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度。

2.知识经济的概述

当今世界已经进入知识经济时代，知识经济时代与以往经济形态的不同主要在于对知识，特别是对知识的创新与利用的直接依赖。

21世纪是知识经济的时代，知识经济是在充分知识化的社会中发展的经济，是以知识决策为导向的经济。它以高科技产业为第一产业支柱，以智力资源为首要依托，是可持续发展的经济。知识经济的价值体现在智力和知识的占有。因此，人类已进入科学技术是第一生产力的依托，它将引导社会价值取向的新变革，知识经济时代的到来将使“尊重知识，尊重人才”成为现实。科技和经济的大发展，人才是最关键、最根本的因素。 因此现在提高制造生产能力的决定因素不是劳动力和资本的密集累积，而是各项高新技术的迅速发展，高新技术促进制造技术的蓬勃发展，改变了企业的产品结构、生产方式、生产工艺和装备以及生产组织结构。

3.机械制造装备的发展阶段

(1)以通用制造设备为基础的初期阶段 时间：20年代开始（制造业开始起家）到二次世界大战。 特点：不计成本大力发展军火，使制造业取得飞速的发展。

(2)以高效专用加工设备为基础的刚性自动化阶段

时间：50年代和平发展时期。特点：不计成本的生产制造模式已经不能被企业接受，为了降低成本、提高效率，采用“少品种大批量”的生产。强调“规模效益”。代表：H.福特开创的大量生产制造模式。

规模效益

大批大量生产

（提高效率，自动化程度提高）

工序分散

设备结构简单(专用机床，组合机床)

(3)以数控机床为基础的柔性自动化阶段

时间：60－70年代。计算机技术得到了飞速的发展，数控技术取代了机械液压、电气式的自动化车床。将高效率、高质量和高柔性集于一体。特点：

1）有较强的适应性和通用性加工对象改变时，只需重新编制加工程序。

2）能够加工形状复杂的零件

数控机床可以实现多个坐标轴联动。3）可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量

因为数控机床是按照预定的程序自动加工，可避免人为的干扰因素，而且加工精度还可以利用软件来进行校正和补偿。4）有较高的生产率

可以选择最佳切削用量，选用很高的空行程速度，缩短了辅助时间，可以不停车就自动换刀和自动改变切削用量。更换零件时，只需改变加工程序，节省了机床准备与调整时间。这些都可提高生产率。5）大大减轻了工人的劳动强度。6）提高了生产管理水平。(4)以精益生产（LeanProduction）——敏捷制造（Agilemanufacturing）——柔性生产系统为基础的先进生产模式(LAF) 精益生产：70年代，市场的竞争日益激烈，企业为了击败竞争对手，主要通过提高质量（Q）和降低成本（C）来实现。其基本原则是“消灭一切浪费”和“不断改善”，以最优质量和最低成本的产品提供给市场。70年代日本丰田公司采用了这些原则，提出了一种新的生产制造模式，在汽车工业击败美国，震惊世界。1990年，美国麻省理工学院对日本的这种生产制造模式进行总结，提出了“精益生产LP”这个概念。

精益生产,也有人称之为精益制造,无论哪一种叫法,核心都是精益.lean的英文原意有;瘦的,少脂肪的.有“精干”的意思,在这里取之为“完善、周密高品质、高效益”的意思。 当前对精益生产的理解有广义和狭义，狭义的精益生产就是生产系统的精益化，广义的精益生产已超越了生产系统，其实就是企业精益管理。

精益管理就是通过以人为本，以团体为组织细胞，由顾客确定产品价值结构，实施JIT（适时、适量、适物）生产和供应，采用并行工程进行产品开发，最终实现“杜绝（浪费）”的战略思想，其结果是使企业能够满足用户快速变化的、多样性的、个性化的需求并获得丰厚的利润。 80年代，历史在前进，时代在进步，市场环境发生变化，竞争全球化。制造业仍然采用传统的做法，依靠计算机技术的兴起，依靠制造技术的改进和管理方法的创新来适应变化迅速无法预料的买方市场，以单项的先进制造技术，如CAD，CAM，CAPP，MRP等作为工具与手段，来缩短T、提高Q、降低C、改善S。对不适应当前时代要求的传统大批量封闭式生产制造模式没有进行改造。

90年代，全球经济打破了传统的地域经济发展模式，市场变得更加广阔，快速响应市场成为制造业发展的一个主要方向，提出了许多新的生产制造模式：如

Agilemanufacturing，LAF，快速可重组制造和并行工程等现代生产和管理技术，是21世纪很有发展前景的先进制造模式。

敏捷制造（Agilemanufacturing

） 为了响应日本企业的挑战，重振美国制造业的雄风，1988年，美国通用汽车公司（GM）与美国里海大学的几位教授共同首次提出了一种新的制造企业战略――敏捷制造“AgileManufacturing”的概念。1991年，美国Iacocca研究所在美国国会和国防部的支持下，主持召开了21世纪发展战略讨论会，历时半年形成了一份著名报告——“美国21世纪制造战略报告”，并向美国国会提交。这份报告对敏捷制造的概念，方法及相关技术作了全面的描述。敏捷制造的概念

美国AgilityForum（敏捷制造的研究组织）将敏捷制造AM定义为：能在不可预测的持续变化的竞争环境中使企业繁荣和成长，并具有面对由顾客需求的产品和服务驱动的市场作出迅速响应的能力。敏捷制造的要素

(1)集成(2)高速(3)各级工作人员的自信心和责任心 敏捷制造模式强调将柔性的、先进的、实用的制造技术，熟练掌握生产技能的、高素质的劳动者以及企业之间和企业内部灵活的管理三者有机地集成起来，实现总体最佳化，对千变万化的市场作出快速反应。敏捷制造要求企业具备的特点：(1)技术研发能力 高技术含量的产品带来高附加值。技术成为决定产品利润的重要因素。这也正是美国企业赖以抗衡日本企业的武器。 日本人提出了精益生产模式，主要是通过降低成本的方法来提高利润。而美国人的敏捷制造模式认为，决定产品成本、产品利润和产品竞争能力的主要因素是开发、生产该产品所需的知识的价值而不是材料，设备或劳动力。(2)生产的柔性能力 现在生产潮流由大批量生产转向小批量多品种的方式，因此刚性生产模式也要改成敏捷化生产。即通过可重组的、模块化的加工单元，实现快速生产新产品及各种各样的变型产品，从而使生产小批量、高性能产品能达到与大批量生产同样的效益，达到同一产品的价格和生产批量无关。(3)个性化生产 敏捷制造型企业按订单组织生产，以合适的价格生产顾客的订制产品或顾客个性化产品。这种方式取代了单一品种的生产模式，满足了顾客多种多样的要求。(4)企业间的动态合作 敏捷制造要求企业对内部的生产工艺、流程、机构能迅速进行重组，以对市场机遇作出敏捷反应，生产出用户所需要的产品。当企业发现单独不能作出敏捷反应时，就要进行企业间的合作。(5)激发员工的创造精神 敏捷制造型企业建立一种能充分调动员工积极性、保持员工创造性的环境，以巩固和提升企业持续的创新能力。有远见的领导者将具有创新能力的员工看成是企业的主要财富，而把对员工的培养和再教育作为企业长期投资行为。(6)新型的用户关系 敏捷制造型企业强调与用户建立一种崭新的“战略依存关系”，强调用户参与制造的全过程。LAF这种全新的生产制造模式的主要特征有6点：

1)以用户的需求为中心；

2)制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量和品种；

3)以柔性、精益和敏捷作为竞争的优势；

4)技术进步、人因改善和组织创新是三项并重的基础工作；

5）实现资源快速有效的集成是其中心任务，集成对象涉及技术、人、组织和管理等，应在企业之间、制造过程和作业等不同层次上分别实施相应的资源集成。6)组织形式采用如“虚拟公司”在内的多种类型。

三、我国机械制造装备工业目前状况

1.柔性低。我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺设备，数控机床在机械制造装备中的比重比较低。刚性强，就要求产品的生产批量不宜太小，生产品种不宜过多。2.自动化程度低。导致劳动生产效率低下，产品质量不稳定。3.智能化程度低。人占的比重大，导致生产效率低，加工精度的进一步提高受到限制。机械制造装备设计

第一章绪

论

第二节机械制造装备的主要功能（要求）一、一般的功能要求(重点)1.加工精度 加工精度是指加工后零件对理想尺寸、形状和位置的符合程度。包括：尺寸精度，表面形状精度，相互位置精度和表面粗糙度。

影响因素：机床—工件的工艺装备系统的影响（刀具、夹具和量具）。2.强度、刚度和抗振性（1）强度（传动件）强度设计包括：静强度设计和

疲劳强度设计

（2）刚度（静刚度）（3）抗振性 结论：不能通过加大装备零部件的尺寸和重量来提高强度、刚度和抗振性，应利用新技术、新工艺和新结构、新材料，对主要零件和整体结构进行改进设计，使装备的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。

3.加工稳定性方面的要求 机械制造装备在使用过程中，受切削热、摩擦热、环境热等的影响，会产生热变形，设备热变形影响工作性能的稳定性，热产生“畸变”。措施：减少发热量、散热和隔热、均热、热补偿、控制环境温度等。

4.耐用度方面的要求定义：精度保持性。影响因素：磨损。措施：应从设计、工艺、材料、热处理和使用多方面综合考虑，减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。5.技术经济方面的要求

进行技术经济分析，核算产品成本。

二、柔性化（重点）

柔性：指设备适应不同加工对象的能力。

产品结构柔性化：产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的、具有不同功能的新产品。例：模块式机床，组合式机床。

功能柔性化：只需进行少量的调整或修改软件，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。例：数控机床，柔性制造单元。

三、精密化

1.采用新的技术手段、结构原理。2.提高关键零部件制造、装备、精度。3.采用误差补偿技术

1）机械式误差补偿

提高丝杆或分度涡轮的精度所采用的校正尺、校正凸轮。

2）数字式误差补偿

3）闭环控制技术

四、自动化（重点）1.目的 稳定产品质量

、提高生产效率和减轻劳动强度。2.全自动、半自动

全自动：指自动完成工件的上料，加工和卸料的生产全过程。

半自动：上下料需人工完成。

3.自动控制方式

（1）机械式（凸轮控制）（2）程序式控制

固定程序控制：继电器可变程序控制：PLC特点：动作顺序—由程序控制器设定；终点位置—挡块，行程开关；不能控制运动轨迹。（3）数字控制

运动轨迹：通过计算机对给定曲线进行拟合，并经过伺服驱动，使各执行机构协调运动。 动作顺序：依加工程序内容的先后顺序。（4）适应性控制定义

、用途及分类：约束适应性控制、最佳适应性控制、学习适应性控制。

五、机电一体化（重点）

1.定义2.组成：机械、传感器检测、计算机处理、控制系统。因此，在系统中要充分考虑机械、液压、气动、电力电子、计算机的特点。3.功能1）对机器或机组系统的运行参数进行巡检或控制运行参数包括压力、流量、温度、转速、物料成分等。

2）对机器或机组系统工作程序的控制。3）用微电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构。六、节省材料

采用现代设计方法，合理地选取安全系数，改进产品的结构，采用先进的制造装备提高材料的利用率。

七、符合工业工程的要求

1.工业工程的定义

2.目标

3.主要针对产品开发阶段八、符合绿色工程的要求

对环境的影响最小，资源利用率最高。

1.对材料的选择：无毒、无污染、易回收、可重用。 2.产品制造过程：原材料的再循环、零部件的再利用。 3.产品的包装：要选用资源丰富的包装材料，包装材料的回收利用及其对环境的影响。机械制造装备设计

第一章绪

论

第三节机械制造装备的分类 机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储输送装备和辅助装备四大类。

一、加工装备 加工装备主要指机床。机床是制造机器的机器，称为工作母机。(一)金属切削机床1.定义：利用刀具与工件的相对运动，从工件上切除多余或预留的金属层，以获得符合规定尺寸、形状、精度和表面粗糙度要求的零件。2.分类

（1）通用机床按切削方式分为：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、拉床等。

（2）专用机床：为特殊的工艺目的设计和制造的加工装备。（3）按通用特征分为：高精度、精密、自动、半自动、数控等.（二）特种加工机床

产品朝着高精度、高速度、高温、高压、大功率和小型化方向发展。采用特种加工技术，解决用常规加工手段难以解决的许多工艺难题。例：大面积镜面加工、弯孔加工等。

1.电加工机床

1）定义。2）原理：电能－热能转换，局部溶化工件的表面材料。3）种类：电火花加工、线切割加工、电子束加工、离子束加工。4）用途2.超声波加工机床

1）定义 2）原理：声能－机械能转换，工具作超声高频振动，通过磨料进行加工。 3）用途：特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等

3.激光加工机床

1）定义。2）原理：光能－热能转换，利用激光束溶化表面材料。3）用途：适合于加工微小孔和材料切割。常用于加工陶瓷、玻璃等非金属材料、硬质合金、不锈钢等材料。

4.电解加工机床

1.定义：利用直流电进行机械加工的设备。

2.原理：电能－化学能转换，工件产生阳极溶化。3.用途：用于穿孔、切割、蚀刻、焊接、注入5.水射流加工机床

1.定义2.原理：利用水的冲击能量。3.用途：常用于切割某些难加工材料，如陶瓷、硬质合金、淬火刚、复合材料

。

(三)锻压机床

1.定义：利用金属的塑性变形特点进行成形加工，属无屑加工设备。2.分类：包括锻造机、冲压机、挤压机和轧制机四种。

二.工艺装备（重点）

组成：刀具、夹具、量具、模具。

(一)刀具1.定义：从工件上切除多余材料所用的工具。2.分类：刀具包括车刀、刨刀、铣刀、丝锥、齿轮滚刀等。大部分刀具已标准化，不需自行设计。(二)模具

1.定义：模具是用来将材料填充在型腔中，以获得所需形状和尺寸制作的工具。2.分类：按填充方法和填充材料的不同分为以下几类：（1）粉末冶金模具

粉末冶金是一种加工方法，多种或一种金属或非金属粉末混合，放在粉末冶金模具的模腔内，加压成形，再烧结成制品。

（2）塑料模具

塑料以高分子合成树脂为主要成分。包括压塑模具、挤塑模具、注射模具。（3）压铸模具：主要用于制造有色金属件。（4）冷冲模具：主要用于含C量较低的高塑性钢。（5）锻压模具：是锻造用模具的总称。（3）压铸模具：主要用于制造有色金属件

（三）夹具

1.定义：是安装在机床上用于定位和夹紧工件的工艺装备，它保证加工时的定位精度，被加工面之间的想对位置精度，有利于工艺规程的贯彻和提高生产效率。2.组成：定位机构、夹紧机构、导向装置、动力装置、夹具体等。

3.分类：按安装在什么机床上可分为车床夹具、铣床夹具。。。。；按夹具专用化程度分为专用夹具、成组夹具和组合夹具。

（四）量具

计量器具的总称。分为专用的和通用的。许多器具已商品化。三.仓储输送装备

组成：仓储、物料输送、机床上下料等。

1.仓储（1）定义：用来存储原材料、外购器材、半成品、成品、工具等，归车间或分厂管理。（2）要求：现代的仓储系统，配合生产管理信息系统，控制合理的库存量。立体仓库（很有发展的仓储结构），便于实现金属机械化和自动化，便于计算机库存管理。2.物料输送装置

物料输送装置主要指坯料、半成品或成品在车间内工作中心间的传输。输送方法：输送装置和自动运输小车。（1）输送装置

滑道：由人工实现输送；推杆推动工件的步进式输送装置；输送机械手；链条带动工件或随行夹具的非同步输送装置。（2）自动运输小车

便于计算机控制路线，较大的柔性。1）有轨

2）无轨：电缆进行控制，装有接收天线。3.机床上下料装置（针对自动机床）

上料装置：将坯料送到加工位置的机构下料装置：将制品从机床上取走的机构优点：在大批量自动化生产中，可以减轻工人体力劳动，缩短上下料时间。

四.辅助装备

包括清洗机、排屑和计量等设备。1.清洗机用来清洗工作表面尘屑油污的机械设备。保证装备质量和使用寿命。2.排屑装置清除切屑。

本章习题

1、机械制造装备应满足的一般功能。2、柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。其柔性表现在哪里？3、机械制造装备的机电一体化体现在哪些方面？可获得什么好处？4、机电一体化指的是什么？如何在设计机械制造装备时体现机电一体化的要求。5、实现机床自动化的方法有哪些？全自动机床与半自动机床有何区别？

本章习题

1、机械制造装备应满足的一般功能。2、柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。其柔性表现在哪里？3、机械制造装备的机电一体化体现在哪些方面？可获得什么好处？4、机电一体化指的是什么？如何在设计机械制造装备时体现机电一体化的要求。5、实现机床自动化的方法有哪些？全自动机床与半自动机床有何区别？

第二章

机械制造装备设计方法

第一节机械制造装备设计的类型

机械制造装备设计分为创新设计、变型设计和组合设计等三大类型。一、创新设计（重点）1.必要性企业要生存，就要不断推出具有竞争力的创新产品。2.定义：创新设计是依据市场需求发展的预测，进行产品结构的调整，用新的技术手段和技术原理，改造传统产品，开发新一代的具有高技术附加值的新产品，提高产品的竞争能力，进一步占领和扩大国内外市场。3.分为四个阶段

（1）产品规划阶段（2）方案设计阶段

（3）技术设计阶段

（4）施工设计阶段

4.缺点：需要较长的开发周期和投入较大的开发工作量。

二、变型设计（快速满足市场要求的变化）

（重点）1.概念：在原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保持不变，按一定的规律演变出各种不同的规格参数，布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能。2.特点：变型设计的原有产品，是采用创新设计方法完成的。

φ320普通车床

创新

φ320数控机床变型设计

φ320精密车床

3.类型

都是在原有产品的基础上，基本工作原理和总体结构保持不变，按照一定的规律演变出各种不同的规格参数、布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能，形成一个产品系列。（1）适应型设计：通过改变或更换部分部件或结构。（2）变参数型设计：通过改变部分尺寸与性能参数。

例适应型设计：普通型摇臂钻床

车式摇臂钻床（铁道用）

万向摇臂钻床（大型零件用）

变参数型设计：φ400车床

φ300车床

φ630车床

结论：构成产品系列

创新设计：基型产品变型设计：变形产品三、组合设计

（重点）1.定义：又称为模块化设计，按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成组合产品。

2.要求：组合产品的设计应先在一定范围内不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列模块，通过模块的组合，构成不同类型或相同类型不同性能的产品，以满足市场的要求。3.原理：按系列化设计的原理进行。

结论：在机械制造装备产品有一大半属于变型设计和组合产品，创新设计的产品只占一小部分。但创新设计的意义不容低估，是企业在市场竞争中取胜的必要条件。变型设计和组合设计是在基型和模块系统的基础上进行的。而基型和模块系统也是采用创新设计方法完成的。

第二节机械制造装备设计的方法

一、机械制造装备设计的的典型步骤(创新设计)(一)产品规划阶段(动与静)

任务：协调企业生产要求相对稳定和市场需求瞬间万变的矛盾。明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计技术任务书。综合运用技术预测、市场学、信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。

1.需求分析

市场的需求往往是不具体的，开发新产品最困难的不是技术，而是需要开发什么样的产品，识别需求是一个创造性的过程。 任务：明确设计任务的要求。 需求分析包括销售市场和原材料市场的分析。（具体内容

P15）2.调查研究

（1）市场调研（2）技术调研（3）社会调研3.预测

(1)定性预测：采用方法有走访调查、查资料、抽样调查、类比调查、专家调查。

(2)定量预测：采用方法有时间序列回归法、因果关系回归法、产品寿命周期法（建立数学模型）。

4.可行性分析(技术经济论证)（1）技术分析：关键技术作全面的分析，提出解决这些关键技术问题的措施。（2）经济分析：最少的投入获得最满意的功能，取得较好的经济效果。（3）社会分析：分析开发的产品对社会和环境的影响。提出产品开发的可行性报告。（P16）（3）压铸模具：主要用于制造有色金属件

5.编制设计任务书

内容：确定最佳设计方针，产品的必要性和现实意义，产品的用途描述，应满足的要求、条件和限制。

(二)方案设计阶段

1.任务：根据设计任务书的要求，进行产品功能原理的设计。2.建立功能结构（步骤）：例：车削加工

功能间的联系有3种基本结构型式：

1）串联结构（顺序结构）：分功能间存在的因果关系或时间、空间顺序关系。

2）并联结构：同时完成多个功能后再执行下一个分功能。3）环形结构：输出反馈为输入的循环结构。3.寻求原理解与求解方法

原理解：能实现某种功能的工作原理，和实现该工作原理的技术手段和结构原理。工作原理是科学原理和技术原理的统称。

4、初步设计方案的形成

将所有子功能的原理解结合起来，才能形成和实现总功能，可以得到多个初步设计方案。常用的结合方法有：系统结合法，数学方法结合法等。

5.初步设计方案的评价与筛选（1）初步设计方案的初选 1）观察淘汰法 2）分数比较法（2）初步设计方案的具体化量化方法有：绘出方案原理图、整机总体布局草图、主要零部件草图。。。（3）对初步设计方案进行技术经济评价 (三)技术设计阶段（具体化）

1.确定结构原理方案（1）确定结构原理方案的依据；（2）确定结构原理方案；（3）评价和修改（技术经济评价）。2.总体设计（将结构原理方案进一步具体化）

（1）主要结构参数；（2）总体布局；（3）系统原理图；（4）经济核算；（5）其它。3.结构设计

绘制产品总装图、部件装配图；提出初步的零件表，加工和装配说明书；对结构设计进行技术经济评价。 遵守标准规范，考虑零部件通用化和标准化，采用现代设计技术：采用有限元分析、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计。

(四)施工设计阶段

1.零件图设计

零件分为：标准件、外购件、基本件。零件图包含了制造零件所需的全部信息。2.完善装配图 更加具体地从结构强度、工艺性和标准化进行零件的结构设计。

3.商品化设计

(1)价值分析和价值设计

(2)色彩、造型设计(3)包装设计4.编制技术文档

编制技术文档的目的：为产品制造、安装和调试提供所需要的信息，为产品的质量检验、安装运输、使用等作出相应的规定。

二.系列化设计（重点） 市场的需求是多样化的，不能用单一规格的产品去满足市场的需求。需要设计制造出尺寸规格、功率参数和精度等各不相同的一系列产品投放市场。系列化设计是提高产品质量，降低成本，开发变型产品的重要途径。

1.系列化设计的概念： 是在设计的某一类产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型的产品为基型，以它为基础，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其它各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。

2.遵循的原则：零部件通用化、标准化、结构的典型化、产品系列化。

3.系列化设计的优缺点

优点：P23缺点：P234.系列化设计的步骤

（1）主参数和主要性能指标的确定

主参数和主要性能指标应最大程度地反映产品的工作性能和设计要求。

例：普通车床的主参数是在床身上的最大回转直径，主要性能指标是最大的工件长度。

升降台铣床的主参数是工作台工作面的宽度、主要性能指标是工作台工作面的长度。

摇臂钻床的主参数是最大钻孔直径，主要性能指标是主轴中心线至立柱母线的最大距离。

结论：这些参数决定了相应机床的主要几何尺寸、功率和转速范围，因而决定了该机床的设计要求。

（2）参数分级

1）将产品的主参数和主要性能指标按一定规律进行分级，制订参数标准。产品的主参数应尽可能采用优先数系。

2）如果主参数。系列公比选得较小，则分级较密，有利于选到满意的产品3）如果主参数系列公比选得较大，则分级较粗，系列内产品的规格品种较小。

结论：如果产品的需求量越大，要求的技术性能越准确，参数分级应越密；反之，参数分级可粗些。

（3）制订系列型谱

型谱通常是二维或三维的，其中的一维主参数，其它维是主要性能指标。 通用化：指同一类型、不同规格或不同类型的产品中，部分零部件彼此相互适用。 标准化：指使用要求相同的零部件按照现行的各种标准和规范进行设计和制造。

分类：

（1）纵系列产品：是一组功能、工作原理和结构相同，而尺寸和性能参数不同的产品。（2）横系列产品：在基型产品基础上，增、删、更换或修改某些零部件，构成产品主参数同、用途结构不同。

（3）跨系列产品：采用相同的主要基础件和通用部件的不同类型产品。

三.模块化设计

1.模块：具有一定功能和联接要素的单位。联接要素指边界条件（联接尺寸、联接表面、联接方法、形状、概念）2.模块化设计的概念：为了开发出不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。

3.模块化设计的目的：提高产品质量，降低成本，加快设计进度，进行组合设计的重要途径。不同模块中的零部件尽可能标准化和通用化。4.纯模块系统：一个模块化系统完全由模块组合而成。很难实现，要考虑很多因素。5.模块化系统的组成：属于模块和非模块的混合系统。

6.模块分类：

1)基本模块：实现系统中最基本的功能。

2)辅助模块：实现模块间的联接。通常为联接元件和接头。

3)特殊模块：完成某些特殊的、补充的和设计任务书特别要求的功能。

4)调整模块：不同系统边界转换。

5)非标准模块：为某个具体任务单独开发的。

(二)模块化设计的优点

采用模块化设计方法开发产品可以缩短新产品开发周期，提高产品质量，降低成本和加强市场竞争能力。

优点：P25(三)模块化设计的步骤

四.合理化工程

如果设计周期长交货期长失去顾客。产品设计开发过程的重组：1）全新产品设计：换代产品和创新产品的设计。2）合同产品设计：变型设计和组合设计。

习题：1.机械制造装备设计有哪些类型？它们的本质区别是什么？2.创新设计的步骤是什么？为什么应重视需求分析和可行性论证？3.系列化设计时主参数系列公比的选取原则是什么？公比选得过大或过小会带来哪些问题？4.哪些产品宜采用模块化设计方法，为什么？有哪些优缺点？

机械制造装备设计

第三章金属切削机床设计

第一节概述 金属切削机床是利用刀具与工件的相对运动，从工件上切除多余或预留的金属层，以获得符合规定尺寸、形状、精度和表面粗糙度要求的零件。在金属切削加工过程中，刀具和工件之间需有一定的相对运动和相对位置、合适的运动参数和动力参数，所有这些都是由金属切削机床来实现的。因此，机床是进行金属切削加工所必备的重要设备。

一、金属切削机床加工的生产模式（经历的6个阶段）

1.通用机床加专用工艺装备或专用机床

时间：30年代到50年代，适应成批生产的需要，采用通用机床加专用工艺装备的模式。单品种大批生产中，采用专用机床或组合机床的模式。

缺点：刚性高，加工柔性低，转产困难。更换产品时需要更换大批工艺装备。

2.数显机床（坐标数字显示装置）

50年代末数显机床开始推广应用，可提高加工精度和效率。例：坐标镗床配备坐标自动数字显示装置。

3.计算机数控机床

60年代到70年代，计算机技术得到了飞速的发展，数控机床取代了机械、液压、电气式的自动化车床。将高效率、高质量和高柔性集于一体。4.柔性制造系统（FMS）

70年代末，FMS是采用一组数控机床和其他自动化的工艺装备，由计算机信息控制系统和物料（工件及刀具）自动储运系统联接起来的整体。是自由调度管理的机械加工自动生产线，就是FMS能自动地适应加工工件和生产批量的变化。它既是自动化的又是柔性的，特别适合多品种小批量生产。5.计算机集成制造系统（CIMS）

80年代开始的一种新的生产模式。CIMS是用计算机网络控制的综合计划、设计、加工、检验、装备和辅助功能等综合自动化系统，涉及的范围非常广泛，包括了计划、设计、制造、管理和经营等有关部门的主要工作。将计算机辅助设计CAD和计算机辅助制造CAM综合为一体，是适合于多品种中小批量生产的高质量、高效益和高柔性的智能生产系统，是产品设计和制造的全盘自动化系统。

6.以LAF为代表的先进的生产模式

90年代开始。二、金属切削机床型号的编制方法

机床型号就是按一定规律赋予每种机床一个代号，以便于机床的管理和使用。我国机床型号的编制，是采用汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成的，可以简明表达机床的类型、主要规格及有关特征等。

我国1975年开始对机床型号的编制方法作了规定，现行的规定是按照JB1838－85《金属切削机床型号编制方法》执行。适合于各类通用、专门化及专用机床，不包括组合机床在内。

本课程主要介绍通用化机床和专门化机床的型号编制。

通用化机床和专门化机床的型号

基本形式由三部分组成。

例如：床身上最大回转直径为400mm的卧式车床的型号为

(1)类代号：用大写汉语拼音字母表示，位于型号之前。

车C钻Z镗T磨M齿轮加工机床Y铣床X拉床L螺纹加工机床S（2）组、系代号

用两位阿拉伯数字表示，位于类代号后面。每类机床划分为10组，同一组机床的结构性能和使用范围基本相同。每个组又划分为10个系，同一系机床的基本结构的布局型式相同。

（3）主参数

用主参数折算值1/10或1/100或实际值表示，位于组、系代号之后。

三.机床设计应满足的基本要求

（一）工艺范围

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的加工功能。1.工艺范围定义：机床的加工功能。2.工艺范围包括：加工方法（车、铣）、零件类型、加工表面形状、尺寸、毛坯种类。

3.各种机床工艺范围

专用机床：工艺范围较窄，相应的功能较少。通用机床：工艺范围较宽，相应的功能较强，但自动化程度低。数控机床：工艺范围较宽，相应的功能较强，自动化程度高。机床功能的增加，将使机床的结构复杂程度增加，制造难度，制造周期和制造成本增加，但会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间。

4.工艺范围宽窄的选择依据

主要依据：生产批量

大批大量生产工序分散工艺范围窄（专用机床，数控机床）

小批单件工序集中工艺范围宽（通用机床，数控机床）

(二)柔性

随着产品的多品种小批量生产的发展，对机床的柔性要求越来越高。1.机床的柔性：指适应加工对象变化的能力，包括空间上和时间上的柔性。2.空间柔性：就是功能柔性，指在同一时期内，机床能够适应多品种小批量的加工即机床的运动功能和刀具数目多，工艺范围广，一台机床具备几台机床的个功能。3.时间上的柔性也就是结构柔性，是指在不同时期，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，以适应产品更新换代快的要求。

(三)与物流系统的可亲性

1.可亲性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）交接的方便程度。2.单机的普通机床：由人工进行物料交接的，要求机床的使用、操作、清理和维护方便。3.自动化柔性制造系统：机床与物流系统是自动进行交接的，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便。结论：要求机床结构开放性好，便于物料（刀具、工具、工作台）交换。

(四)刚度

机床的刚度将影响机床的生产率和加工精度。刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。(五)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求。包括空载条件下的精度（几何精度、运动精度、传动精度、定位精度）和工作精度（加工精度）。

(六)噪声

是一种环境污染，设计和制造过程中要设法降低噪声。

(七)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。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产效率越高。使用效率高的机床，可以降低工件的加工成本。生产率Q＝1/（T切＋T辅＋T准）

T切：切削时间

T辅：辅助时间

T准：单件加工前准备时间提高Q的措施：1.T切大，T辅T准小（如大型机床）措施：大切削用量，多刀多工位同时加工2.T切较小，T辅T准较大（如中小型机床）

主要使T切，T辅减少。措施：是V空增大，自动化、数控化程度增高。

(八)成本

在设计、制造、包装、运输、使用、维护和报废处理的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标。因此在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。(九)生产周期

为了快速响应市场需求变化，生产周期是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短生产周期。设计时尽可能采用现代设计方法，如CAD，模块化设计等。

(十)可靠性

对机械产品而言，主要取决于设计阶段。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，无故障运行的概率要高。

(十一)造型与色彩

机床的造型与色彩，要简洁明快，美观大方，按人机工程学的要求进行设计。

四.机床设计方法

随着科学技术的进步和社会需求的变化，机床的设计理论和技术也在不断地发展。1.CAD和CAE，由人工绘图向计算机绘图，改变了传统的经验设计方法。2.数控技术的发展：使机床的传动与结构发生变化。3.伺服驱动系统可实现机床的单轴运动及多轴运动，省去复杂的机械传动系统设计，使结构及布局发生很大变化。4.通用机床采用系列化设计方法，系列中基型产品属创新设计类型，其它类型属变型设计类型。

五.机床设计步骤

(一)总体设计1.主要技术指标设计(1)用途：机床的工艺范围，包括加工对象的材料、质量、形状及尺寸等。(2)生产率：包括加工对象的种类、批量及所要求的生产率。(3)性能指标：加工对象要求的精度或机床的精度、刚度、热变形、噪声等性能指标。(4)主要参数：确定机床的加工空间和主参数。(5)驱动方式：电动机驱动和液压驱动。(6)成本及生产周期

2.总体方案设计

(1)运动功能设计：画出机床的运动功能图。(2)基本参数设计：运动参数、尺寸参数、动力参数设计。(3)传动系统设计：包括传动式，传动原理图及传动系统图。(4)总体结构布局设计：包括运动功能分配，总体布局结构形式。(5)控制系统设计：控制方式、控制原理、控制系统图设计。

3.总体方案综合评价与选择

4.总体方案的设计修改或优化

(二)详细设计

1.技术设计：确定结构原理方案，装配图设计，分析计算或优化。 2.施工设计：零件图设计、商品化设计、编制技术文档。

(三)机床整机综合评价

机械制造装备设计

第二节金属切削机床设计的基本理论

本节主要讨论引起刀具、工件之间相对位移误差的因素。机床是用来生产其它机械的工作母机，因此在刚度、精度及运动特性方面有其特殊要求。一.精度（机床精度）

1.机床精度：加工中保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度，并能在机床长期使用中保持这些要求，机床本身必须具备的精度。2.包括几何精度、传动精度、运动精度、定位精度及精度保持性。 3.精度等级：普通精度级、精密级和高精度级。4.提高机床精度的措施：从机床的精度分配、元件及材料选择。

5.名词定义

(1)几何精度

机床在空载、静止（主轴不转或工作台不移动）或低速时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精度程度。

(2)传动精度

指内联系传动链，首、末端执行相对运动关系准确性。

(3)定位精度

定义：定位精度是指机床的定位部件运动达到规定位置的精度。（也就是规定位置与理论值的差距）。对自动机床的定位精度要求高。

(4）运动精度

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。

(5)工作精度

加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。

(6)精度保持性

在规定的工作期间内，对规定试件切削加工，坚持加工精度、耐磨性。

二.刚度（静刚度）(一)概述

静载荷：不随时间变化或变化极为缓慢的力。刚度表达式：K=F/y其中：F是作用在机床上的载荷。Y是在载荷作用下，机床或主要零部件的变形。

(二)构件刚度和整机刚度

1.构件刚度

接触变形提高高度：预紧

2.整机刚度

K＝F/y(F:刀具工件间的载荷y：刀具工件之间的总位移)提高整机刚度措施：提高构件刚度;各部件间刚度匹配

。三.抗振性

抗振性指动刚度：在交变载荷作用下，抵抗变形的能力。1.受迫振动

特点：振动频率与振源频率相同，不切削振动也存在。 强调：避免共振。机床是由许多零、部件及结合部组成的复杂振动系统，是一个多自由度系统，具有多个固有频率。由于激振率较低，因此主要关心机床低阶固有频率。

2.自激振动

特点：产生在切削过程中的振动，发生在刀具和工件之间的一种相对振动，切削停止，振动也消失。例：毛坯不均匀切削厚度变化切削力变化（交变载荷）刀具工件之间弹性位移变化（振动）切削厚度再次变化若厚度变化逐渐减少，不振动（平稳）；若厚度变化逐渐增大，振动加剧。

3.提高抗振性措施

(1)提高机床的刚度。如构件的材料选择，截面形状、尺寸、肋板分布、几个尺寸等。 (2)提高阻尼。(3)激振频率远离固有频率，将不出现共振。

四.热变形(一)概述定义：机床部件受热温升之后，其形状位置的热畸变，影响几何精度。

(二)减少热变形措施减少发热量减少温升减少温升不均热补偿五.噪声也是一种振动，是一种污染。六.低速运动稳定性（爬行）(重点)

(一)概念机床上有些运动部件，需作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件出现速度不均匀的跳跃式运动，即时走时停或时快时慢的现象。

(二)产生机理

运动过程：

(1)主动件运动，从动件不动

弹簧使从动件受力，储能。F弹<F静，从动件静止，但F弹

(2)主动件运动，从动件加速运动

当F弹>F静，静摩擦变为动摩擦，F动<F静，摩擦系数µ降低。从动件加速运动.当加速到V从>V主，F弹

(3)主动件运动，从动件减速

当F弹<F动，V从减小，F动，V从，直至停止。(4)重复上述过程

产生时走时停的爬行。

(三)消除爬行措施F：正压力；Δf：动静摩擦系数之差；ξ：阻尼比。

K：刚度m：移动部件的质量

措施：

(1)减少动静摩擦系数之差；(2)提高传动系统刚度；(3)提高阻尼比；(4)降低移动件的质量。机械制造装备设计

第三节机床总体设计一.机床系列型谱的制定

1.机床分成若干种类型，如通常所说的车、钻、镗、磨等11大类通用机床，同一种类型的机床又分为大小不同的几种规格。2.主参数系列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250，320，400，500，630，800，1000（公比为1.25）。

3.机床的型谱4.每种机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，称为这类机床的系列和型谱。

二.机床运动功能设计（机床运动学）

(一)机床工作原理

金属切削机床的基本功能是提供切削加工所必须的运动和动力。1.机床的基本工作原理就是通过刀具和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。 2.工件的加工表面是通过机床上刀具和工件的相对运动形成的。

(二)工件表面的形成方法

1.几何表面的形成原理母线沿着导线形成的零件表面。发生线：母线和导线。

工件表面的形成方法

线性表面——母线沿导线运动而成1母线，2导线

2.切削刃的形成方法

切削刃形状—切削刃与工件成形表面相接触部分的形状。为一切削点；为一切削线—与发生线形状吻合（螺纹车刀）；为一切削线—与发生线形状不吻合。1.刀刃2.发生线3.运动轨迹1刀刃2发生线1.刀刃2.发生线3.运动轨迹

由于加工方法和使用的刀具结构及其切削刃形状不同，机床上形成发生线的方法与所需运动也不同，概括起来有以下四种：轨迹法成形法相切法范成法(1)轨迹法用尖头车刀、刨刀等刀具加工时切削刃与被加工表面为点接触（实际是短弧线）切削刃沿发生线作轨迹运动——获得所需发生线。需要一个成形运动（从独立运动的概念来讲） 特点：刀具切削刃与工件被加工表面为点接触，按一定的规律作直（曲）线运动，形成发生线。发生线2是由刀刃1作轨迹运动3得到的。这时候刀具和工件之间需要有1个相对运动。(2)成型法采用成形刀具加工切削刃与所需形成的发生线完全吻合加工时刀具不需任何运动特点：刀具的形状与母线的形状一样，不需成形运动。也就是刀刃的形状与需要形成的发生线完全重合，故形成发生线不需要专门的运动，而由刀刃本身来实现。

(3)相切法刀具——铣刀、砂轮等旋转加工刀具垂直于刀具旋转轴线的截面内，切削刃也可看作是点,当该切削点绕着刀具轴线作旋转运动，刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动；发生线——切削点运动轨迹的包络线运动——刀具旋转刀具与工件之间的相对移动(4)范成法

刀具——插齿刀、齿轮滚刀和花键滚刀切削刃——与需要形成的发生线共轭的切削线刀具与工件按确定的运动关系作相对运动（范成运动），切削刃与被加工表面相切(点接触)发生线——切削刃瞬时位置包络线3.形成零件表面所需成形运动

(三)机床运动功能方案设计

1.机床的坐标系－对各单元运动命名（参照数控机床坐标系,采用直角坐标系）1）直线运动Z­—平行于主轴方向的运动。X—水平的，沿主要切削力方向。Y—垂直于XZ平面，右手定则。2.运动功能式

作用：表达机床运动数，功能，排列顺序。表示方法：W/CpZfXf/T

W:工件；T：刀具CpZfXf：单元运动数（各单元运动)按顺序：P主运动；f进给运动；a非成形运动

3.运动功能图

(1)运动功能符号

转动：移动：既转动又移动：

（2）典型机床运动功能图

车床铣床

外圆磨床（Cf周向进给Ba转位运动）钻床滚齿机4.机床传动原理图（重点）1）作用：表示机床的所有单元运动及其运动联系的简图2）符号：定比传动

可变速比

加法器（一个执行件同时完成2个单元运动）

3）概念介绍

运动源：为了驱动机床的执行件，实现机床的运动，必须要有动力来源。通常为电动机。可以几个运动共用一个电源，也可以每个运动单独有运动源。 执行件：机床上直接夹持刀具或工件并实现其运动的零部件。常见的有主轴、刀架、工作台等。它是传递运动的末端件。 传动件：为了将运动源的动力和运动要求传递给执行件，就必须有传递动力和运动的零件。如齿轮、链轮、丝杆、螺母等。

外联系：运动源与执行件之间的传动联系。外联系的作用是驱动机床的运动。即提供给机床的运动以速度和动力。 外联系传动链：机床上运动源和执行件之间为了实现外联系而顺次串联的传动副。 内联系：机床上为了将两个或两个以上单元运动组成复合的成形运动，执行件与执行件之间的传递联系称为内联系。 内联系传动链：两个执行件之间为了实现内联系而顺次串联的传动副。

绘制机床传动原理图（重点）uv：表示主运动变速传动机构的传动比。uf:表示进给运动变速传动机构的传动比。

主轴箱刀架尾座进给箱床身溜板箱光杠丝杠实例1：螺纹车床分析： 母线：(与螺纹轴向剖面形状一致的螺纹车刀的刀刃保证)，V型线，成型法，不需要运动0。

导线：螺旋线，轨迹法，复合运动CPZf。传动链：(1)主传动链（外）：电机n电主轴n转

1Uv2

(2)进给传动链（内）：主轴1转刀具移动一个导程（Tmm）

2Uf3

实例2：滚齿机（斜齿）

分析：母线：渐开线，范成法，复合运动CPCf。导线：螺旋线，相切法，需要运动ZfCf1，CP注释：直齿齿轮的齿长是直线形。斜齿齿轮的齿长是螺旋形，所以进给运动是螺旋运动，由回转运动和直线运动复合而成。螺旋进给运动是ZfCf1，CP的复合运动，Cf1是附加回转运动。

传动链：

(1)主传动链（外）：电机n电滚刀n刀转 1Uv2(2)范成传动链(母线)：滚刀1/K转工件转1/Z转 2ΣUx3(3)轴向进给传动链：工件1转刀架下降fmm（使毛坯不断低投入切削）3Uf4(4)差动传动链：刀架下降一个导程T工件附加1转4UyΣ3Uv：速度换置机构，用来变换主运动的速度。Uf：进给量换置机构。Ux：分齿换置机构，用来变换被加工齿轮的齿数。

主传动链的作用是驱动运动和动力，即给主运动以速度和动力。范成传动链：联系2个单元运动组成复合运动，保证刀具工件的相对运动轨迹。进给传动链：驱动进给运动Zf工件转速：若工件与滚刀的螺旋方向相同，则等于基本回转＋附加回转的转速。若工件与滚刀的螺旋方向相反，则等于基本回转—附加回转的转速。基本回转与附加回转的相加或相减，通常借助合成机构（差动机构）来实现的。合成机构的作用是同时接通范成传动链和差动传动链，并使基本回转与附加回转的相加或相减。

作业：分析用滚刀加工直齿圆柱齿轮的滚齿机： （1)分析零件母线、导线的形状，加工方法及所需成形运动。

（2）画出该机床的传动原理图并写出相应的传动链。

机械制造装备设计

第四节主传动系设计一.主传动系统的基本要求

1.满足机床使用性能要求。也就是要满足机床的运动特性：机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。2.满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩。3.满足机床工作性能的要求。主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。4.满足产品设计经济性的要求。传动链要尽可能的少，节省材料，降低成本。5.调整维修方便，结构简单、合理，便于加工和维护。

二.主传动系统分类和传动方式

（一）主传动系分类

主传动系可按不同的特征来分类:1.按驱动主传动的电动机类型：交流电动机和直流电动机驱动。2.按传动装置类型：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。3.按变速的连续性：分级变速传动和无级变速传动。 分级变速传动：只能在一定的变速范围内得到某些转速，变速级数一般不超过20～30级。特点是传动比准确，缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速。 无级变速传动：可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速。

(二)

主传动系的传动方式

1.集中传动方式：全部传动和变速机构都集中在主轴箱内。

特点：结构紧凑，但传动过程中所产生的振动，将直接影响主轴的平稳性；传动件所产生的热量，使主轴产生热变形，使主轴回转中心线偏离正确位置而直接影响加工精度。这种传动方式适用于普通精度的大中型机床。

2.分离式传动：主传动系中的大部分的传动和变速机构装在单独的变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式。 特点：变速箱的传动件所产生的振动和热量不能直接或少传给主轴，减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度。

(三)分级变速主传动系

(一)拟定转速图和结构式

1.转速图

⑴转速图构成①等距平行竖线（表示传动轴）

从左到右表示传动顺序。②平行横线（代表各级转速）采用对数坐标。

因为故是等距的平行横线。

③轴上圆点：表示轴的实际转速。④两轴间圆点（转速）连线（代表传动付）。

⑵转速图的作用

①表示传动系组成传动轴数，传动顺序，传动组数，各传动组的传动付数。②主轴转速级数及构成 12＝3×2×2③各传动付的传动比

④传动轴、传动组的变速范围

2.变速系的变速扩大规律及结构式

⑴传动组的级比和级比指数

级比：同一传动组内相邻两传动比的比值，级比用表示。

⑵各变速组的级比规律

规律：依扩大顺序，后一变速组的级比指数等于它前面各传动组的传动付的乘积。

基本组：级比指数X0=1

第一扩大组：级比指数X1=P0（等于基本组的传动付数）

第二扩大组：级比指数X2=P0P1

⑶结构式 12＝31×23×26 传动顺序与扩大顺序一致：12＝31×23×26传动顺序与扩大顺序不一致：12＝23×31×26或12＝32×21×26结论：通用公式Z＝(Pa)xa×(Pb)xb×(Pc)xc×(Pi)xi(二)主变速系转速图设计1.结构式的拟定原则⑴变速组的常用传动付数取2或3（双联、三联齿轮）。如是4联齿轮，会发生干涉。⑵传动顺序安排：传动付“前多后少”

主变速传动系从电动机到主轴，通常为降速传动，接近电动机的传动件转速较高，传递的扭矩T较小，因为T＝9550P/n，则传动件尺寸可小一些，可减少变速箱的外形尺寸。 当P一定，ni增大，则Ti减小，传动件尺寸减小。 因此，靠近主轴转速较低，传递的扭矩较大，尺寸就较大。

结论：将传动付较多的变速组安排在前面，尺寸小一些，以节省变速箱的造价，减少变速箱的外形尺寸。

因此：12＝3×2×2，12＝2×2×3，12＝2×3×2中12＝3×2×2方案最好。

⑶扩大顺序安排：“前密后疏”（基前扩后） 传动顺序，扩大顺序一致：基本组在最前面，依次为第一扩大组，第二扩大组。。。各变速组变速范围逐渐扩大。

教材P83将12＝31×23×26，12＝32×21×26两方案进行比较，第二种方案中间轴II轴的最低转速较低，在传递相同功率的情况下，受的扭矩较大，传动件的尺寸也就比前种方案大。

从转速图上可知：当变速组的扩大顺序与传动顺序一致时，前面变速组的传动线分布紧密，而后面变速组传动线分布较疏松，所以“变速组的扩大顺序与传动顺序一致”原则可简称为“前密后疏”原则。

⑷变速组的降速要“前慢后快”，中间轴的转速不宜超过电动机的转速

从电动机到主轴之间的总趋势是降速传动，为使中间转速较高，减少传动件的尺寸，前面的变速组降慢些，后面变速组降速要快些。

⑸传动组的极限传动比和极限变速范围（升2降4的原则）

2.转速图设计

①传动比的确定“前慢后快”。方法：通常是确定主轴传动路线中各速比。②转速图设计步骤

2）分配传动比3）画出转速图，传动系统图（如P80）例2：设计主传动系，=1.58，n电=1440r/min，n主＝（95～950）r/min，画出转速图，传动系统图。

4)画出转速图，传动系统图

转速图：

传动系统图：

（三）主传动系的几种特殊设计

1.多速电动机变速系设计（只要求双速电机，三速的不要求)(1)电传动组的变速级数和级比

电传动组：双速电动机在变速传动系的最前面。多速电动机同步转速比：同步转速比为2（常用）：750/1500，1500/3000同步转速比为1.5（机床不用，主轴转速没有1.5倍的转速）：750/1000，1000/1500

(2)多速电动机变速系设计

重点在确定结构式上。

2.具有交换齿轮的变速系

交换齿轮：相啮合的两齿轮可互换位置安装，即互为主、被动齿轮。在工件加工中，如需要更换别的转速，为了简化结构，常常采用交换齿轮变速方式。缺点：更换交换齿轮较费力费时。装在变速箱外，润滑密封较困难；装在变速箱内，则更换麻烦。转速图特点：交换齿轮传动组的传动比是对称的（成反比）。3.采用公用齿轮的变速系

公用齿轮：在变速传动系中，既是前一变速组的被动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮。采用公用齿轮，2个变速组的模数必须相同。公用齿轮轮齿受的弯曲应力属于对称循环，选择较大的齿轮作为公用齿轮。优点：采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。

（四）扩大变速范围的方法

1.增加变速组（转速重合）

重合级数⊿Z＝

2.采用背轮机构（常用）

特点：两排，三根轴的变速组。高速：直传，u高＝1；Z1处于最右位置与Z2脱离啮合，离合器M结合，运动由主动轴I传入到被动轴III。低速：两次降速，（u低）min＝1/4×1/4＝1/16。Z1处于最左位置与Z2啮合，经过Z1Z2Z3Z4降速传到被动轴III。

3.双公比传动

机床的每级转速使用的机会不相同。经常使用的转速一般是在转速范围的中段，转速范围的高、低段使用较少。

主轴的转速数列有2个公比，转速范围中经常使用的中段采用小公比，不经常使用的高、低段用大公比。

双公比变速传动系是在常规变速传动系基础上，通过改变变速组的级比指数演变而来的。

（五）齿轮齿数的确定

2.中心距的确定

中心距取决于传递的扭矩。对降速传动系，越到后面变速组传动的扭矩越大，因此中心距就越大。

3.模数m的选取

①不能太小：齿轮经不起冲击，易磨损。②不能太大：齿数较少（d=mz），如最小齿轮齿数Z＜17，产生根切现象，最小齿轮也可能无法安装在轴上。齿轮装在轴上的条件如图3-21P90所示，壁厚a≥2mm，以保证齿轮具有足够的强度。

当三联滑移齿轮左移时，齿轮42将从24滑移过去，要使42和24齿轮外圆不相碰，齿顶圆半径之和≤中心距a。

采用三联滑移齿轮，应检查滑移齿轮之间的齿数关系，必须满足条件：Zmax-Z次大≥4（保证滑移时，齿轮外圆不相碰）

(六)计算转速的确定（重点）切削螺纹、铰孔、精车等使用主轴转速较低的低速段，消耗的功率较小，计算时如按传递全部功率计算，将会使传动件的尺寸增大，造成浪费。

1.机床的功率扭矩特