机电装备设计第六章(12-14)

6.1总体设计6.1.1机床设计应满足的基本要求

机床非一般机电装备，是用来生产其他机械的工作母机。机床在精度、刚度、动态特性方面有特殊要求。

1精度机床精度分三级：普通精度级、精密级和高精度级。三种精度等级允差，如以普通精度级为1，则它们之间的比例大致为：1：0.4：0.25。机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度和工作精度等。第六章金属切削机床与数控化11）几何精度是机床在不运动或运动速度较低时的精度。由机床各主要部件的几何形状和它们之间的相对位置与相对运动轨迹的精度所决定的。2）传动精度是指机床传动系统各末端执行件之间相对运动的协调性和准确度。决定于传动系统中各件的制造精度和装配精度以及传动系统设计的合理性。3）运动精度是指机床的主要部(组)件以工作状态的速度运动时的精度。4）定位精度是指机床主要部件在运动终点所达到的实际位置的精度。

5）工作精度机床加工规定的试件所能达到的加工精度。6)精度保持性在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。主要影响因素是磨损。2除对机床本身的精度要求外，还要求机床及主要零、部件在载荷作用下，具有一定抵抗变形的能力，保证各主要零、部件相对位置的正确性。→刚度2刚度●静载荷不随时间变化或变化极为缓慢的力称静载荷，如重力、切削力的静力部分等。●动载荷随时间变化的力，如冲击振动力及切削力的交变部分等称动载荷。

一般所说刚度一般指静刚度。动刚度是抗振性的一部分。机床刚度分为静刚度及动刚度按照载荷的性质不同，分为静载荷和动载荷。33抗振性机床的抗振性包括两个方面，抵抗受迫振动的能力（抗振性）和抵抗自激振动（切削稳定性）的能力。如果振源的频率与机床某主要部件(例如主轴组件、床身)的某一振型(如弯曲振动、扭转振动)的固有频率重合时，就将发生共振。振幅大增。加工表面的粗糙度将会大大增加。受迫振动的振源可能来自机床内部，也可能来自于机床之外。

切削自激振动，产生于切削过程之中。如果切削不稳定，则切过的表面，其波纹度将越来越大，振动越来越剧烈，将严重影响加工表面的质量。

自激振动的发生在刀具和工件之间的一种相对振动，它在切削过程中出现，是由切削过程和机床结构动态特性之间的相互作用而产生的。机床在交变载荷作用下抵抗变形的能力。4◎切削自激振动(self—excitedvibration)也称为颤振(chatter)，是在切削过程中产生的。◎由于工件与刀具之间是一个弹性系统，切削力的振动就会引起工件与刀刃的相对位移，使得切削后的表而也产生高低起伏。◎如果切削后的表面波纹度不超过切削前的表面波纹度，则振动不会加剧或将逐渐减小，切削就是稳定的；若超过，振动将越来越激烈，切削就是不稳定的。◎在车床上切槽或切断时特别明显。◎自激振动的能量来于切削本身。不论振动多么剧烈，只要切削停止，振动立即消失。54工艺范围

包括内容为：在机床上能完成的工序种类；加工零件的类型、材料和尺寸范围；毛坯的种类等。机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。5加工精度和表面粗糙度

机床的加工精度是被加工零件在尺寸形状和相互位置等方面所能达到的准确程度。影响机床加工精度的主要因素有机床的精度和静刚度等。

机床自动化程度，可以用机床自动工作的时间与全部工作时间的比值来表示。根据自动化程度机床大致可分为自动、半自动和普通机床三类。6自动化程度67机床寿命

随着技术设备更新的加速，对机床寿命所要求的时间也在减短。●中、小型通用机床，寿命约为八年左右；●专用机床则要求短些，因为它将随所加工的产品的更新而废弃；●大型机床和精密级、高精度级机床，则要求寿命长些，因为这些机床的价格高，希望能在较长的时间里保持精度，以提高经济效益。机床寿命就是机床保持它应具有的加工精度的时间。78人机关系●

机床应操纵方便、省力、容易掌握、不易发生操作错误和故障；●

防止机床对周围环境的污染，噪声要低，不仅噪声声级要达到规定值以下，而且不能对入耳有强烈的不适感；●

渗、漏油必须避免；●

采用油雾润滑时，必须保证油雾不得逸散到周围的环境中去，以防止对人体的危害；●

机床造形要美观大方，色调和谐，使操作者感到在一个舒适的环境中工作。人机关系问题，—人机学或称宜人学(Ergonomics)。86.1.2设计步骤机床设计系统框图→总体方案设计包括：(1)运动功能设计(2)基本参数设计(3)传动系统设计(4)总体结构布局设计(5)控制系统设计96.1.3几何运动设计●机床是依靠刀具与工件之间的相对运动，加工出一定几何形状和尺寸精度的工件表面；●不同的工件几何表面，采用不同类型的刀具，作不同的表面形成运动，而成为不同类型的机床；●车床为获得圆柱面，应有主轴的回转运动(主运动)和刀架溜板的纵向移动(进给运动)，车端面时则刀架作横向进给运动。1工作原理

要进行机床的几何运动设计要了解工件表面形成的几何方法。102工作表面的形成○任何一个表面都可看作一条曲线(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)称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。1）几何表面的形成112）发生线的形成

工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。发生线的形成有如下四种方法。轨迹法成形法

相切法

12加工方法与形状创成运动的关系相切法

范成法●

加工表面的形成是母线形成和导线形成的组合。●加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。

3）加工表面的形成133运动分类●成形运动完成表面加工所必需的最基本的运动成为表面成形运动，简称成形运动。●根据运动在表面形成中所完成的功能，成形运动又分为主运动和形状创成运动。根据运动的功能不同，可以分为成形运动和非成形运动。1）按运动的功能分类（1）主运动（cuttingmotion)消耗动力主要用于切除加工表面上多余的材料，是运动速度最高的运动，称为主运动（切削运动）。如：车床上主轴的回转运动、磨床砂轮的回转运动、铣床铣刀的回转运动

14（2）形状创成运动功能：是用来形成工件加工表面的发生线。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也不同。图a）中，用点刃车刀车外圆柱面，形成直母线需要一个创成运动v，形成圆导线需要一个形状创成运动n，共需两个创成运动。图b）中，用宽刃刀车外圆柱面，直母线由刀刃形成，不需创成运动，圆导线形成需要一个创成运动n。

15●非成形运动

除了上述成形运动之外，机床还需设置一些其他运动，称为非成形运动。如切入运动(使刀具切入)；分度运动(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)：辅助运动(如刀具的接近、退刀、返回等)。○独立运动与其他运动之间无严格的关系要求。○复合运动与其他运动之间有严格的关系要求。如车螺纹的复合运动。对机械传动形式的机床来讲，复合运动是通过内联系传动链来实现的；对数控机床而言，复合运动是通过运动轴的联动来实现的。2）按运动之间的关系分类164运动功能方案设计1）工艺分析2）选取坐标系参照数控机床坐标系，沿X、Y、Z轴的直线运动符号及运动量仍用X、Y、Z表示，绕X、Y、Z轴的回转运动用A、B、C表示，其运动量用α、β、γ表示。3）写出机床几何运动功能关系式运动功能关系式表示机床的运动个数、形式(直线或回转运动)、功能(主运动、进给运动、非成形运动），分别用下标（p、f、a表示)及排列顺序。左边写工件，用W表示；右边写刀具，用T表示，中间写运动，按运动顺序排列，并用“／”分开。

机床的几何运动功能方案的设计方法和步骤如下：174）画出机床运动机构原理图机床几何运动功能关系式18机床运动机构原理图195）绘制机床传动原理图●机床的运动机构原理图只表示运动的个数、形式、功能及运动构件联接关系，不表示运动之间的传动关系。●将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原理图。a)合成机构b)传动比可变的变速传动c)传动比不变的传动20机床传动原理图21机床传动原理图2223246.1.4总体结构方案设计

机床几何运动机构原理图是根据工艺要求确定的，所确定的仅仅是刀具与工件之间的相对运动。如刨削平面，可以由刀具作往复运动如牛头刨床，也可以由工件作往复运动如龙门刨床实现，两者效果是一样的。至于哪些运动由刀具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成还未确定，基础支承件设在何处是未知数。所以，首先要进行运动功能的分配。251几何运动功能分配设计●坯料的形式如，加工卷料的小型自动车床，由于工件不能旋转，主运动必须由刀具来完成。刀具装在刀具盘上，刀具盘绕工件高速旋转，常称为“套车”。●加工的尺寸比例如，立式钻床和摇臂钻床，由钻头同时作回转主运动和轴向进给运动。但在深孔钻床上钻深孔时，为了减少孔的歪斜和便于排屑，常由工件作回转主运动，钻头只作轴向进给运动。●工件的重量一般来说，都是使重量较轻的部件运动。影响几何运动功能分配的因素为2627通过几何运动功能分配设计确定了基础支承件，即运动功能式中“接地”的位置，用“●”符号表示。“●”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“●”接地符号后，可称为运动分配式。一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得几个运动分配式。←目前采用的方法282结构布局设计●结构布局形式：立式、卧式及斜置式等；●基础支承件形式：底座式、柱式和龙门式等；●基础支承件结构：一体式和分离式等等；●结构布局形式：运动分配设计阶段评价后保留下来的运动分配式方案的全部结构布局方案有很多种，因此需要再次进行评价，去除不合理方案；●评价依据：主要定性分析机床的刚度、占地面积以及对物流系统开放性等因素；●设计结果：机床总体结构布局形态图。29五轴镗铣机床的结构布局形态图303总体结构草绘设计设计主要依据：机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果、机床动力参数、加工空间尺寸参数以及机床整机的刚度及精度分配。进行运动或支承部件的概略形状和尺寸设计。设计过程如下：1)首先确定末端执行件的概略形状与尺寸；2)设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸；3）确定下一个功能部件(即滑台侧)的概略形状与尺寸；4)基础支承件(底座、立柱、床身等)设计；5）进行机床结构模块设计；6)初步进行造型与色彩设计；7)机床总体结构方案的综合评价。31326.2主要技术参数设计●机床主参数代表机床规格大小，反映机床最大工作能力的一种参数。有些机床还规定有第二主参数，通用机床主参数已有标准。专用机床的主参数，一般以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示。

金属切削机床型号编制方法

GB/T15375一1994Metal-cuttingmachinetoolsMethodoftypedesignation包括机床的尺寸参数、运动参数和动力参数。6.2.1主参数和尺寸参数33机床的类和分类代号34机床的通用特性代号356.2.2运动参数运动参数：指机床执行件如主轴、工作台和刀架等的运动速度。1主运动参数对于主运动是回转运动的机床，其主运动参数是主轴转速，它与切削速度的关系是对于主运动是直线运动的机床，如插床或牛头刨床，主运动参数是插刀或刨刀的每分钟往复次数(次/分)。36●主轴要进行变速，确定变速范围及最低和最高转速，并确定采用无级变速，还是采用有级变速。●确定nmax和nmin的方法，主要是分析所设计的机床可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典型工序，按照典型工序刀具、工件材料、切削速度和刀具(或工件)的直径，计算出nmax、nmin及变速范围Rn372进给运动参数●大部分机床的进给量用工件或刀具每转的位移量表示，即单位为mm/r，如车床、钻床、镗床、滚齿机等。●直线往复运动的机床，如刨、插床，以每一往复的位移表示。●铣床和磨床，由于使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移量表示，即单位为mm／min。机床上广泛采用有级或无级变速方式来实现进给量的变换。如T68型镗床的进给数列是；0.05、0.07、0.10、0.13、0.19、0.27、0.37、0.52、0.74、1.03、1.43、2.05、2.9、4、5.7、8、11.1、16共18级，公比为1.41。如刨床和插床等，为使进给机构简单，采用间歇进给棘轮机构，进给量由每次往复转过的齿数(1、2、3…)而定，是等差数列。383动力参数动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等。机床各传动件的结构参数是根据动力参数设计计算的。如果动力参数定得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力：如果定得过小，又将影响机床的性能。计算方法在现阶段只能做为参考，原因为：通用机床使用情况复杂，切削用量的变化较大；对某些加工过程中切削力和进给力的规律还没有很好地掌握；机床传动系统中的摩擦损失，尤其是高速下的损失研究得也不够。391)主传动电动机功率的确定

空载功率：机床主运动空转时，由于传动件摩擦、搅油、空气阻力和其他动载荷等原因，电动机要消耗一部分功率，为空转功率损失Pq，其值随传动件转速的增大而增大，与传动件预紧程度及装配质量有关。402）进给传动系统驱动功率的确定机床进给运动驱动功率的确定有几种情况：(1)进给运动与主运动共用一个电动机，如卧式车床、钻床等。统计结果：卧式车床进给功率Pf=(0.03～0.04)PL，钻床Pf=(0.03～0.04)PL，铣床Pf＝(0.03～0.04)PL。(2)进给运动中工作进给与快速进给共用一个电动机，由于快速进给所需功率远大于工作进给的功率，且两者不同时工作，所以不必单独考虑工作所需功率，如升降台铣床。(3)进给运动采用单独电动机驱动，则需要确定进给运动所需功率(或转矩)。对普通交流电动机，进给电动机功率由下式计算416.3刀架和自动换刀装置设计6.3.1功能和基本要求1功能

刀架是安放刀具的重要部件，直接承受极大的切削力，是工艺系统中的较薄弱的环节。

随着自动化技术的发展，采用自动更换刀具装置，实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，存放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从几十秒减少到几秒甚至零点几秒。——加工中心（MC)42(1)满足工艺要求；为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，要求刀架、刀库可以方便转位。(2)保证足够的重复定位精度；(3)具有足够的刚度；(4)提高可靠性；(5)缩短换刀时间；(6)操作方便和安全。2基本要求43按照安装刀具的数目6.3.2类型①单刀架②多刀架按结构形式①方刀架②转塔刀架③回轮式刀架按驱动刀架转位的动力分①手动转位刀架②自动(电动和液动)转位刀架44数控车床常用的自动换刀装置方式45加工中心的刀库和换刀装置方式46（1）盘形刀库应用较广，结构简单紧凑，因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径将较大，转动惯量大，选刀运动时间长。这种形式的刀库容量较小，一般不超过32把刀具。

（2）链式刀库容量较大，当采用多环链式刀