机床的总体设计

机床的总体设计第1页，共45页，2023年，2月20日，星期五机床设计基本要求

一、性能要求工艺范围：（机床的加工功能）适应不同生产要求的能力可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专用机床：工艺范围较窄，功能少数控机床：工艺范围宽，功能强通用机床：工艺范围较宽，功能较强机床功能的增加---〉结构复杂程度增加、制造难度、周期及成本增加机床功能选择的依据----批量技术经济指标第2页，共45页，2023年，2月20日，星期五柔性：适应加工对象变化的能力空间上：功能柔性，多品种小批量的加工时间上：结构柔性，重新组合，改变其功能与物流系统的可亲性物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度普通机床：人，要求机床的使用、操作、清理、维护方便。自动化柔性制造系统，自动，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便第3页，共45页，2023年，2月20日，星期五精度: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。三级：普通精度级、精密级和高精度级空载条件下的精度：几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等运动精度刚度静态刚度动态刚度热态刚度第4页，共45页，2023年，2月20日，星期五表面粗糙度工件、刀具的材料、进给量、刀具的几何形状和切削时的振动有关抗振性：受迫振动和自激振动噪声生产率和自动化单位时间内机床所能加工的工件数量效率----成本自动化程度----生产率----加工精度的稳定性FMSFA成本成本概念贯穿在产品的整个生命周期第5页，共45页，2023年，2月20日，星期五生产周期可靠性机床寿命造型与色彩第6页，共45页，2023年，2月20日，星期五二、经济效益成本加工效率和可靠性三人机关系操纵方便、省力、容易掌握、不易发生操纵错误和故障防止污染第7页，共45页，2023年，2月20日，星期五机床设计方法计算机技术和分析技术cad,CAE:传统经验设计，定性设计--〉定量设计；静态和线性分析--〉动态和非线性分析；可行性设计---〉最佳设计数控技术：机床的传动与结构发生了重大变化FMS的发展机床的设计方法是根据其设计类型而定通用机床采用系列化设计方法组合机床：组合设计类型创新设计类型：分析式设计：类比分析、推理方法产生方案创成式设计：创成解析的方法第8页，共45页，2023年，2月20日，星期五经验设计阶段主要任务是解决加工与强度问题经验（或类比）设计方法，经验数据为基础经验公式技术标准为手段产品结构安全系数偏大无法保证机床的良好性能第9页，共45页，2023年，2月20日，星期五试验设计阶段科技发展及工艺水平的提高机床试验研究：实物测试或模型试验试验设计方法：试验研究进行定性分析及定量比较，方案选择零部件的合理结构尺寸确定明显提高机床性能，局部调整第10页，共45页，2023年，2月20日，星期五计算机辅助设计实际问题简化为模型，计算机进行分析、计算并选定最佳方案结果的准确性第11页，共45页，2023年，2月20日，星期五现代设计方法特点设计对象系统化设计内容完善化：使机床产品实用经济及美观舒适设计目标最优化：多目标整体优化设计问题模型化模型是对设计问题的高度概括和抽象意义：工程问题与数学理论紧密结合第12页，共45页，2023年，2月20日，星期五设计过程动态化动态性能动力学模型，动态分析，参数修改设计手段计算机化初步设计阶段：方案分析、选择、评价和决策技术设计阶段：结构和参数确定，运动、动力或其他特性分析，材料选择、成本计算，参数优化工程图设计阶段第13页，共45页，2023年，2月20日，星期五机床设计步骤总体设计主要技术指标设计后续设计的前提和依据用途：机床的工艺范围生产率：加工对象的种类、批量、及所要求的生产率性能指标：精度、刚度、热变形、噪声等主要参数：加工空间和主参数驱动方式：直接影响传动方式的确定成本及生产周期第14页，共45页，2023年，2月20日，星期五总体方案设计运动功能设计：绘制机床的运动功能图基本参数设计：尺寸参数、运动参数和动力学参数设计传动系统设计：传动方式、传动原理图及传动系统图总体结构布局设计：运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构方案图设计控制系统设计：控制方式及控制原理、控制系统图总体方案综合评价与选择总体方案地设计修改或优化第15页，共45页，2023年，2月20日，星期五详细设计技术设计：确定结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化施工设计：零件图设计、商品化设计、编制技术文档机床整机综合评价整机性能分析和综合评价第16页，共45页，2023年，2月20日，星期五金属切削机床设计的基本理论精度普通精度级、精密级、高精度级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几何精度空载条件下，在不运动或运动速度较低时各主要部件的形状，相互位置和相对运动的精确程度基本指标允差：1：0.4：0.25导轨直线度、主轴径向跳动及轴向串动、主轴中心线对滑台移动方向的平行度或垂直度等第17页，共45页，2023年，2月20日，星期五运动精度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高速高精度机床的一个重要指标影响因素传动精度传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性影响因素：传动系统设计、元件的制造和装配回转精度第18页，共45页，2023年，2月20日，星期五定位精度定位部件运动到达规定位置的精度工件的尺寸精度和形位精度影响因素：构件、进给控制系统的精度、刚度及动态特性，测量系统的精度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综合影响精度保持性规定的工作期间内，保持机床所要求的精度影响因素：磨损第19页，共45页，2023年，2月20日，星期五刚度定义：K=F/y载荷：静载荷－－静刚度动载荷－－动刚度：抗振性整机刚度多构件构成构件及结合部变形直接或间接引起刀具和工件之间相对位移刚度的合理分配或优化第20页，共45页，2023年，2月20日，星期五抗振性机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力抵抗受迫振动振源：内部－动平衡外部共振自激振动－－切削稳定性刀具工件之间的一种相对振动切削过程中第21页，共45页，2023年，2月20日，星期五振动影响因素振动不利影响机床的刚度阻尼特性：特别是结合部阻尼固有频率：设计期间分析计算各阶阻尼第22页，共45页，2023年，2月20日，星期五热变形热源影响：破坏机床的原始几何精度、加快磨损甚至影响正常运转热平衡温度场措施：热源位置、散热、减小温差、热变形转向、预热、温度控制、补偿、隔热等第23页，共45页，2023年，2月20日，星期五噪声源泉：振动度量指标：声压和声压级、声功率和声功率级、声强和声强级；响度、声级来源：机械噪声液压噪声电磁噪声空气动力第24页，共45页，2023年，2月20日，星期五低速运动平稳性爬行现象和机理影响工件的加工精度和表面粗糙度摩擦自激振动：摩擦面上摩擦系数变化和传动机构的刚度不足力学模型措施减小静、动摩擦系数之差提供传动机构的刚度提高阻尼比降低移动件的质量第25页，共45页，2023年，2月20日，星期五第三节系列化、通用化、标准化机床系列化将同一品种或同一型式机床产品的规格按最佳数列科学排列，以最少的品种满足最广泛的需要内容：制订机床参数标准----主参数系列编制机床系列型谱----确定某类机床的系列品种、用途性能及其结构特征、基型系列型谱参数等系列设计第26页，共45页，2023年，2月20日，星期五机床产品系列设计编制整个系列的技术任务书，进行系列内阁产品的设计、样机试制及图纸定型等工作。系列产品统筹考虑有利于机床的生产、使用、维修、配套及管理等第27页，共45页，2023年，2月20日，星期五零部件通用化互换性基础上尽可能扩大同一零、部件的使用范围缩短机床设计与制造周期；扩大生产批量；减少工艺装备；降低成本；保证质量及便于管理第28页，共45页，2023年，2月20日，星期五通用化程度：通用化系数=产品零部件：专用件、通用件、标准件及外购件一般不应低于70%第29页，共45页，2023年，2月20日，星期五零部件标准化一般不应低于45%模块化设计将机床同一功能的单元，设计成具有不同用途和性能互换选用的模块。模块：一组具有同一功能和结合要素，而有不同用途（或性能）和不同结构且能互换的各个单元第30页，共45页，2023年，2月20日，星期五第四节机床总体布局主要内容确定机床型式、机床的主要零部件及其相对位置关系，使机床具有一个协调完美的造型注意问题：工件特征：以车床为例机床性能：传动精度；机床刚度；振动；热生产批量：车削盘类：卧式车床、转塔、多刀半自动、立式多轴半自动第31页，共45页，2023年，2月20日，星期五基本型式传统布局：卧式、立式、单臂式和龙门式卧式：重心低，占地面积较大立式：占地面积较小单臂式：方便地更换点位进行加工，刚度差龙门式：箱体平面加工。刚度、精度高数控机床第32页，共45页，2023年，2月20日，星期五机床的运动及其分配对布局的影响坯料的形式尺寸比例占地面积的大小和工件的重量机床性能对布局的影响操作、观察与调整对布局的影响第33页，共45页，2023年，2月20日，星期五第五节机床主要参数确定尺寸参数主参数：代表机床规格大小卧车：工件的最大回转直径齿轮：最大工件直径外圆磨床：最大磨削直径龙门刨：工作台工作面宽度卧式铣镗床：主轴直径立式钻床和搖臂钻床：最大钻孔直径牛头刨床：最大刨削长度第34页，共45页，2023年，2月20日，星期五第二主参数车床：工件的最大长度齿轮：最大工件直径外圆磨床：最大磨削直径龙门刨卧式铣镗床：主轴直径第35页，共45页，2023年，2月20日，星期五运动参数主运动参数回转主运动的机床：主轴转速n=1000v/πd直线运动的机床：每分钟的往复次数变速范围最低、最高转速：合理选择变速范围：对于卧式车床：第36页，共45页，2023年，2月20日，星期五分级变速时的主轴转速数列ｎ处于两级转速之间相对转速损失：最大相对损失率使Ａｍａｘ为一定值ｎｊ＋１＝ｎｊφ第37页，共45页，2023年，2月20日，星期五进给运动参数ｍｍ／ｒｍｍ／往复ｍｍ／ｍｉｎ数控、重型机床：无级调整普通机床：分级，通常也取等比数列；往复主运动机床等差数列；自动半自动机床；卧式车床分段等差第38页，共45页，2023年，2月20日，星期五标准公比和标准数列机床转速递增，使最大相对转速损失率不超过５０％标准公比：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,2公比的选用使用性能－－公比小－－级数多－－结构复杂普通机床：减少相对转速损失小型机床：简化构造自动机床