第2章金屬切削機(jī)床設(shè)計

1、引言引言. 金屬切削機(jī)床的設(shè)計趨勢金屬切削機(jī)床的設(shè)計趨勢（一）工藝范圍（一）工藝范圍 （二）柔性（二）柔性（三）與物流系統(tǒng)的可親性（三）與物流系統(tǒng)的可親性 （四）剛度（四）剛度（五）精度（五）精度 （六）噪聲（六）噪聲（七）生產(chǎn)率和自動化（七）生產(chǎn)率和自動化 （八）成本（八）成本（九）生產(chǎn)周期（九）生產(chǎn)周期 （十）可靠性（十）可靠性（十一）造型與色彩（十一）造型與色彩機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求1) 工藝范圍（加工能力）工藝范圍（加工能力）p 指機(jī)床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求的能力。p 包括：機(jī)床可完成的工序種類，所加工零件的類型、材料和尺寸范圍、毛坯種類、加工精度和表面粗燥度。p

2、如果機(jī)床的工藝范圍過寬，將使機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能充分發(fā)揮機(jī)床各部件的性能；p 如果機(jī)床的工藝范圍較窄，可使機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)率。p 通用機(jī)床都具有較寬的工藝范圍；數(shù)控機(jī)床的工藝范圍比傳統(tǒng)通用機(jī)床更寬，使其具有良好的柔性；專用機(jī)床和專門化機(jī)床則應(yīng)合理地縮小工藝范圍。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求2) 柔柔 性性p 機(jī)床的柔性，是指其適應(yīng)加工對象變化的能力，包括空間上的柔性和時間上的柔性。p 所謂空間柔性也就是功能柔性，指在同一時期內(nèi)，機(jī)床能夠適應(yīng)多品種小批量的加工，即機(jī)床的運動功能和刀具數(shù)目多，工藝范圍廣。p 所謂時間上的柔性也就是結(jié)構(gòu)柔性，指的是在不同時期

3、，機(jī)床各部件重新組合，即通過機(jī)床重構(gòu)，改變其功能，以適應(yīng)產(chǎn)品更新變化快的要求。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求柔性演示3) 與物流系統(tǒng)的可接近性與物流系統(tǒng)的可接近性p 可接近性是指機(jī)床與物流系統(tǒng)之間進(jìn)行物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度。p 對于單機(jī)工作形式的普通機(jī)床，是由人進(jìn)行物料交接的，要求機(jī)床的使用、操作、清理、維護(hù)方便。p 對于自動化柔性制造系統(tǒng)，機(jī)床與物流系統(tǒng)(如輸送線)是自動進(jìn)行物料交接的，要求機(jī)床結(jié)構(gòu)形式開放性好，物料交接方便。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求4) 精度和剛度精度和剛度p 機(jī)床的精度分為機(jī)床本身的幾何精度和生產(chǎn)中的加工精度。p

4、為了保證機(jī)床的加工精度，要求機(jī)床具有一定的空載條件下的靜態(tài)精度和動態(tài)精度。p 加工精度是指被加工零件在形狀、尺寸和相互位置方面所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度。p 機(jī)床的剛度是指機(jī)床系統(tǒng)抵 抗變形的能力。包括：靜態(tài) 剛度、動態(tài)剛度、熱態(tài)剛度。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求5) 可靠性可靠性q機(jī)床的可靠性是指其在額定壽命期內(nèi)，在正常工作條件下和規(guī)定時間內(nèi)出現(xiàn)故障的概率。q由于故障會造成加工中的部分廢品，故可靠性也常用廢品率來表示.q廢品率低則說明可靠性好。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求6) 成本和生產(chǎn)周期成本和生產(chǎn)周期p 成本概念貫穿在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，包括設(shè)計、制造、

5、包裝、運輸、使用維護(hù)和報廢處理等的費用，是衡量產(chǎn)品市場競爭力的重要指標(biāo)，應(yīng)在盡可能保證機(jī)床性能要求的前提下，提高其性能價格比。p 生產(chǎn)周期(包括設(shè)計和制造)是衡量產(chǎn)品市場競爭力的重要指標(biāo)，應(yīng)盡可能縮短機(jī)床的生產(chǎn)周期。這就要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)盡可能采用現(xiàn)代設(shè)計方法，如CAD、模塊化設(shè)計等。p 機(jī)床的壽命是指機(jī)床保持其應(yīng)有加工精度的使用期限，也稱精度保持性。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求7) 生產(chǎn)率和自動化程度生產(chǎn)率和自動化程度q 機(jī)床的生產(chǎn)率是指在單位時間內(nèi)機(jī)床加工合格產(chǎn)品的數(shù)量。q 使用高效率機(jī)床可以降低生產(chǎn)成本q 提高機(jī)床的自動化程度，可以減輕工人的勞動強(qiáng)度、穩(wěn)定加工精度。q 實

6、現(xiàn)機(jī)床自動化加工所采用的方法與生產(chǎn)批量有關(guān)。數(shù)控機(jī)床是實現(xiàn)機(jī)床自動化加工的一個重要發(fā)展方向。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求高效率演示8) 環(huán)境保護(hù)環(huán)境保護(hù)p 噪聲損壞人的聽覺器官和生理功能，是一種環(huán)境污染。p 機(jī)床噪聲源自：機(jī)械噪聲、液壓噪聲、電磁噪聲、空氣動力噪聲等四個方面。p 機(jī)床噪聲影響正常的工作環(huán)境，危害人的身心健康。所以，設(shè)計機(jī)床時應(yīng)盡量設(shè)法降低其噪聲。p 機(jī)床的油霧、粉塵和腐蝕介質(zhì)等都是對人體有害的，設(shè)計時應(yīng)考慮盡量避免這些有害物質(zhì)向四周擴(kuò)散而污染環(huán)境，避免操作者與這些有害物質(zhì)直接接觸而危害人體。機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求機(jī)床總體方案的創(chuàng)新設(shè)

7、計方法機(jī)床總體方案的創(chuàng)新設(shè)計方法 （一）機(jī)床設(shè)計正在向著（一）機(jī)床設(shè)計正在向著“以系統(tǒng)為主的機(jī)床設(shè)計以系統(tǒng)為主的機(jī)床設(shè)計”方方向發(fā)展，即在機(jī)床設(shè)計時要考慮它如何更好的適應(yīng)向發(fā)展，即在機(jī)床設(shè)計時要考慮它如何更好的適應(yīng)FMSFMS等等先進(jìn)制造系統(tǒng)的要求，例如要求具有時、空柔性，與物流先進(jìn)制造系統(tǒng)的要求，例如要求具有時、空柔性，與物流的可接近性等等。的可接近性等等。（二）機(jī)床設(shè)計方法是根據(jù)其設(shè)計類型而定。通用機(jī)床采（二）機(jī)床設(shè)計方法是根據(jù)其設(shè)計類型而定。通用機(jī)床采用系列化設(shè)計方法。系列中基型產(chǎn)品屬用系列化設(shè)計方法。系列中基型產(chǎn)品屬創(chuàng)新創(chuàng)新設(shè)計類型，其設(shè)計類型，其他屬他屬變型變型設(shè)計類型。有些類型，如

8、組合機(jī)床屬組合設(shè)計類設(shè)計類型。有些類型，如組合機(jī)床屬組合設(shè)計類型。型。（三）在創(chuàng)新設(shè)計類型中，機(jī)床總體方案的產(chǎn)生方法可采（三）在創(chuàng)新設(shè)計類型中，機(jī)床總體方案的產(chǎn)生方法可采用分析式設(shè)計或創(chuàng)成式設(shè)計。用分析式設(shè)計或創(chuàng)成式設(shè)計。機(jī)床產(chǎn)品的機(jī)床產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計：創(chuàng)新設(shè)計：尋求機(jī)床總體方案的原理解。尋求機(jī)床總體方案的原理解。根據(jù)原理解的尋求方法，可分為兩類：根據(jù)原理解的尋求方法，可分為兩類：u分析式設(shè)計（試錯法、經(jīng)驗設(shè)計法）分析式設(shè)計（試錯法、經(jīng)驗設(shè)計法）u創(chuàng)成式設(shè)計（數(shù)學(xué)方法結(jié)合法）創(chuàng)成式設(shè)計（數(shù)學(xué)方法結(jié)合法）機(jī)床產(chǎn)品的機(jī)床產(chǎn)品的變型設(shè)計、組合設(shè)計變型設(shè)計、組合設(shè)計：模塊化變型設(shè)計方法：模塊化變型設(shè)計方

9、法n關(guān)鍵一：合理劃分模塊n關(guān)鍵二：模塊的快速結(jié)合技術(shù)（快速接合的機(jī)構(gòu)與控制技術(shù)）是產(chǎn)品快速重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)金屬切削機(jī)床設(shè)計的典型步驟金屬切削機(jī)床設(shè)計的典型步驟 （二）詳細(xì)設(shè)計：（二）詳細(xì)設(shè)計：q 結(jié)構(gòu)設(shè)計：技術(shù)設(shè)計q 工藝設(shè)計：施工設(shè)計工藝設(shè)計：施工設(shè)計（一）總體設(shè)計：（一）總體設(shè)計： q 確定結(jié)構(gòu)原理方案：主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計q 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計（四）定型設(shè)計（四）定型設(shè)計（三）機(jī)床整機(jī)綜合評價（三）機(jī)床整機(jī)綜合評價2.1 機(jī)床設(shè)計步驟金屬切削機(jī)床設(shè)計典型步驟q確定結(jié)構(gòu)原理方案：主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計v 用途(工藝方案擬定) 即機(jī)床的工藝范圍，包括加工件的材料類型、形狀、質(zhì)量和尺寸范圍等；確定加

10、工方法、刀具類型、工件的工藝基準(zhǔn)及夾壓方式等。v 生產(chǎn)率 加工件的類型、批量及所要求的生產(chǎn)率；v性能指標(biāo) 加工件所要求的精度或機(jī)床精度、剛度、熱變形、噪聲等v主要參數(shù) 確定機(jī)床的加工空間和主要參數(shù)；v 驅(qū)動方式 電動機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動方式；電動機(jī)驅(qū)動又有普通電機(jī) 驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動方式等；v結(jié)構(gòu)原理 主要零部件應(yīng)滿足的要求和結(jié)構(gòu)原理，有時還需要草圖 設(shè)計，確定關(guān)鍵零部件自制還是外協(xié)；v 成本及周期 無論是訂貨還是工廠規(guī)劃產(chǎn)品，都應(yīng)確定成本及生產(chǎn) 周期方面的指標(biāo)。v 運行模式 單機(jī)運行或者用于生產(chǎn)系統(tǒng)；q總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計v總體方案設(shè)計的內(nèi)容p運動功能設(shè)計 確定機(jī)床所需運動的個數(shù)、

11、形式、運動功能圖；p基本參數(shù)設(shè)計 包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計；p傳動系統(tǒng)設(shè)計 傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計；p總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 運動功能分配、布局結(jié)構(gòu)及總體結(jié)構(gòu)方案圖；p成本及生產(chǎn)周期 訂貨應(yīng)確定成本及生產(chǎn)周期的指標(biāo)；v總體方案綜合評價與選擇 在總體方案設(shè)計階段，對各種方案做綜合評價，從中選擇較好方案；v總體方案的設(shè)計修改或優(yōu)化 對所選方案進(jìn)行修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設(shè)計內(nèi)容，在設(shè)計過程中要交叉進(jìn)行。金屬切削機(jī)床設(shè)計典型步驟q 結(jié)構(gòu)設(shè)計：技術(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計：技術(shù)設(shè)計 設(shè)計機(jī)床的傳動系統(tǒng)，確定各主要結(jié)構(gòu)的原理方案，對主要部件進(jìn)行分析計算或優(yōu)化，設(shè)計液壓原理圖和相應(yīng)的液壓部件

12、裝配圖，設(shè)計電氣控制系統(tǒng)原理圖，設(shè)計和完善機(jī)床總裝配圖和總聯(lián)系尺寸圖。q 工藝設(shè)計：施工設(shè)計工藝設(shè)計：施工設(shè)計 設(shè)計機(jī)床的自制零件圖，編制標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和自制件明細(xì)表，撰寫設(shè)計說明書、使用說明書，制定機(jī)床檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文檔。（五）機(jī)床整機(jī)綜合評價（五）機(jī)床整機(jī)綜合評價對所設(shè)計的機(jī)床進(jìn)行整機(jī)性能分析和綜合評價，盡量采用虛擬樣機(jī)技術(shù)（六）定型設(shè)計（六）定型設(shè)計進(jìn)行實物樣機(jī)的制造、實驗及評價。完成修改及最終產(chǎn)品的定型設(shè)計金屬切削機(jī)床設(shè)計典型步驟2.2 機(jī)床的運動學(xué)原理（一）機(jī)床的工作原理2.2.1 機(jī)床運動方案的擬定p 機(jī)床的運動分類u運動性質(zhì)分類n 直線運動與回轉(zhuǎn)運動u運動功能分類n成形運動

13、 完成工件待加工表面幾何形狀的生成和金屬切除任務(wù)的運動n非成形運動 切入運動（刀具切入工件） 分度運動（工件與加工工具按給定的角度或長度間隔的相對運動） 輔助運動（刀具的接近、退刀、返回等） 調(diào)整運動（調(diào)整刀具與工件相對位置或方向） 控制運動（一些操縱運動）u運動關(guān)系分類n 獨立運動n 復(fù)合運動（運動之間嚴(yán)格運動關(guān)系，如車螺紋時工件主軸的回轉(zhuǎn)運動與刀具的縱向直線運動，通過內(nèi)聯(lián)傳動系統(tǒng)或數(shù)控聯(lián)動實現(xiàn)）p 機(jī)床的成形運動u按照速度、動力消耗可分為：n 主運動（速度高、動力消耗大）n 進(jìn)給運動（速度低、消耗動力?。﹗按照其完成的功能分：n 主運動（完成金屬的切除，也叫切削運動） 車削時工件主軸回轉(zhuǎn)運

14、動；銑削時銑刀主軸回轉(zhuǎn)運動； 磨削時砂輪主軸回轉(zhuǎn)運動（工件回轉(zhuǎn)不是）；滾齒時滾刀主軸回轉(zhuǎn)運動n 形狀創(chuàng)成運動（實現(xiàn)表面幾何形狀的生成，即母線和導(dǎo)線的生成） 任何一個規(guī)則表面都可視為： 一條曲線/直線（母線）沿著另一條曲線/直線（導(dǎo)線）運動的軌跡； 母線和導(dǎo)線都叫發(fā)生線。2.2.1 機(jī)床運動方案的擬定12a) 平面平面12b) 圓錐面圓錐面1母線母線2導(dǎo)線導(dǎo)線2.2.1 機(jī)床運動方案的擬定q 工件表面的形成方法及機(jī)床運動 軌跡法（描述法）：母線由刀具和工件之間的相對的一個直線運動形成 成形法（仿形法）：母線的形成不需要刀具和工件之間產(chǎn)生相對運動 相切法（旋切法）：導(dǎo)線由刀具和工件之間兩個相對直線

15、運動復(fù)合形成 展成法（滾切法）：母線需要刀具和工件之間的兩個旋轉(zhuǎn)運動服和形成p 機(jī)床的運動原理圖u將運動功能式用符合和圖形表達(dá)出來。u比運動功能式更為直觀，全面。包含：n 機(jī)床的運動軸個數(shù)、形式及排列順序；n 兩個末端執(zhí)行器和各運動軸的空間相對方位。u典型運動原理圖n 車床：Cp主運動，ZfXf進(jìn)給運動；具有C軸功能的車床，C可與Z或X復(fù)合成形，如車螺紋或非圓回轉(zhuǎn)面；n 銑床： Cp主運動， XfYfZf進(jìn)給運動n 刨床：往復(fù)直線運動Xp為主運動，直線運動Yf為進(jìn)給；Za為切入運動。2.2.1 機(jī)床運動方案的擬定P-PrincipleF-feedA-auxiliaryp 典型運動原理圖（續(xù)）u

16、數(shù)控外圓磨床：Cp為主運動，Cf、Zf和Xf為進(jìn)給運動；Ba為調(diào)整運動n Xf和Zf復(fù)合，可用蝶形砂輪磨削長圓錐面或任意形狀回轉(zhuǎn)面；n Cf與Zf復(fù)合可磨削螺旋面；n 長軸縱向進(jìn)給磨削時，Xf為Xa，是切入運動；（用進(jìn)給運動符號表示)u搖臂鉆床：Cp是主運動，Zf進(jìn)給運動；XaZaCa都是調(diào)整運動u鏜床：Cp是主運動，Zf1和Zf2分別是鏜孔時工件與鏜桿的進(jìn)給運動； Yf是刀具徑向進(jìn)給，Ba是分度運動，Xa及Ya是調(diào)整運動（也可進(jìn)給以銑削平面）2.2.1 機(jī)床運動方案的擬定p 運動功能分配設(shè)計（進(jìn)一步明確運動功能）u基礎(chǔ)支承件尚不明確，即“接地”不明確n“/”左側(cè)寫工件W，中間寫運動（下標(biāo)p表

17、主運動，f表進(jìn)給運動，a表非成形運動），“/”右側(cè)寫刀具T。接地用符號“.”表示。n如W/Xf,Zf,Yf,Cp/T的運動分配有： W/Xf,Zf,Yf,Cp/T（龍門銑床、落地鏜銑床） W/Xf Zf,Yf,Cp/T臥式立柱移動式銑床 W/Xf,Zf Yf,Cp/T（立式炮塔銑床） W/Xf,Zf,Yf Cp/T（立式升降臺式銑床）n看刀具和工件的尺寸及質(zhì)量誰大，誰承擔(dān)的運動就相對少；n機(jī)床的傳動原理圖：只表示運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示傳動關(guān)系。2.2.1 機(jī)床運動方案的擬定2.2.2 精 度q 機(jī)床可分：普通精度級、精密級、超精密級q 精度分配：v 幾何精度：空載、不運動/低

18、速運動時精確度- 評價機(jī)床質(zhì)量的基本指標(biāo)。例子：直線運動有6項偏差；- 直接影響被加工工件的精度；- 取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和裝配質(zhì)量。v （幾何）運動精度：空載、工作速度運動時精確度- 評價高速精密機(jī)床的重要指標(biāo)。v 傳動精度：傳動系統(tǒng)各末端執(zhí)行件之間運動的協(xié)調(diào)性和均勻性- 取決于傳動系統(tǒng)的設(shè)計、傳動元件的制造和裝配精度；- 數(shù)控機(jī)/零傳動，主要是電動機(jī)、驅(qū)動器和控制。v 定位精度和重復(fù)定位精度：定位部件運動到達(dá)規(guī)定位置的精度- 直接影響被加工工件的尺寸精度和形位精度；- 取決于機(jī)床構(gòu)建和進(jìn)給控制系統(tǒng)的精度、剛度和動態(tài)特性等；- 重復(fù)定位精度還受傳動機(jī)構(gòu)的反向間隙的影響。v 工作精度：用規(guī)定的

19、試件的加工精度表示v 精度保持性：規(guī)定的工作期間內(nèi)保持機(jī)床所要求的精度- 主要影響因素是磨損2.1.3 剛 度q 剛度定義剛度定義：機(jī)床受載時抵抗變形的能力K = F/y F：N，作用在機(jī)床上的載荷； y：um，機(jī)床的變形量。q 剛度按性質(zhì)分剛度按性質(zhì)分：v 靜剛度（對應(yīng)靜載荷），即習(xí)慣上說的剛度；v 動剛度（對應(yīng)動載荷），抗振性的一部分。q 整機(jī)剛度的50%取決于結(jié)合部剛度，整機(jī)阻尼的50%80%來自結(jié)合部阻尼。設(shè)計需考慮剛度的合理分配或優(yōu)化。2.2.4 振 動q 抗振能力抗振能力：機(jī)床在交變載荷作用下抵抗振動的能力。q 抗振能力包括抗振能力包括：v 抗振性：抵抗受迫振動的能力；- 受迫振動

20、的頻率與振源相同共振現(xiàn)象；- 機(jī)床的振動是各階主振型的合成；- 一般只考慮對機(jī)床性能影響最大的幾個低階振型，如：整機(jī)搖擺、一階彎曲、扭轉(zhuǎn)等振型。v 切削穩(wěn)定性：抵抗自激振動的能力。- 發(fā)生在刀具和工件之間的相對振動；- 頻率與機(jī)床系統(tǒng)的固有頻率相接近；- 一旦出現(xiàn)，振幅由小到大增加很快；- 切削力增大、切削用量增大，自激振動就增加。q 振動后果振動后果：降低加工精度、工件表面質(zhì)量、刀具壽命、生產(chǎn)率，加速機(jī)床的破壞，產(chǎn)生噪音，使操作者疲勞。q 改善振動改善振動：提高剛度、提高阻尼、遠(yuǎn)離固有頻率。2.2.5 熱 變 形q 溫升溫升：機(jī)床的溫度高于環(huán)境溫度。q 機(jī)床熱變形機(jī)床熱變形：v 各部分不同的

21、溫升、熱膨脹系數(shù)致構(gòu)件變形v 破壞原始幾何精度、加快運動件的磨損、影響正常運轉(zhuǎn)；q 減少熱變形措施減少熱變形措施：v 減少熱源發(fā)熱量；v 將熱源放在易散熱的位置、增加散熱面積、強(qiáng)制冷卻；v 采用熱管將溫升高的部位熱量轉(zhuǎn)移至溫升低的部位；v 采用溫度自動控制、溫度自動補(bǔ)償、隔熱等。2.2.6 噪 音q 噪音來源噪音來源：物體振動。q 噪音度量指標(biāo)噪音度量指標(biāo)：v 客觀度量：聲壓（級）、聲功率（級）、聲強(qiáng)（級）等物理度量；v 主觀度量：響度（級）、聲級。q 噪音來源噪音來源：v 機(jī)械噪音：傳動元件的振動、摩擦等；v 液壓噪音：液壓沖擊、氣穴等；v 電磁噪音：電動機(jī)定子內(nèi)磁致伸縮等；v 空氣動力噪音

22、：風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)對空氣攪動產(chǎn)生。2.2.7 低速運動平穩(wěn)性q 爬行：爬行：低速運動時產(chǎn)生的運動不平穩(wěn)性。v 影響定位精度、工件加工精度、工件表面粗糙度；v 評價機(jī)床質(zhì)量的重要指標(biāo)之一；v 是因摩擦產(chǎn)生的自激振動現(xiàn)象：原因是摩擦面上摩擦系數(shù)隨速度增大而減小，和傳動系的剛度不足。q 防止措施防止措施：v 減少靜、動摩擦系數(shù)之差；v 提高傳動機(jī)構(gòu)的剛度；v 降低移動件的質(zhì)量。機(jī)床機(jī)床系列型譜系列型譜的制定的制定p 以最少的品種規(guī)格，盡可能多地滿足用戶需求- 先確定用途最廣、需求量最大的機(jī)床系列作為“基型系列”；- 在基型系列基礎(chǔ)上派生出若干種“變形系列”；- “基型”和“變形”構(gòu)成了“系列型譜”，

23、它綜合地表明機(jī)床產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)的系列性與結(jié)構(gòu)相似性的表。2.3.1 金屬切削機(jī)床總體設(shè)計機(jī)床機(jī)床運動功能運動功能的設(shè)定的設(shè)定p 工藝分析：工藝范圍的選擇- 大批量生產(chǎn)時，工序應(yīng)分散；小批量生產(chǎn)時，工序應(yīng)集中；- 功能增加，使得制造難度、成本、周期增加；- 對機(jī)床本身而言，可能會使生產(chǎn)率下降；對工件制造全過程，減少裝卸次數(shù)、時間，使得總生產(chǎn)率提高；- 根據(jù)生產(chǎn)率、加工精度、機(jī)床制造成本、操作維護(hù)綜合來進(jìn)行工藝范圍的選擇。p 設(shè)置運動功能：根據(jù)工藝范圍和加工方法- 分析式設(shè)計方法- 解析式設(shè)計方法（創(chuàng)成式原理）q 寫出運動功能式，畫出運動原理圖2.3.1 金屬切削機(jī)床總體設(shè)計機(jī)床機(jī)床總體方案總體方案

24、的設(shè)計的設(shè)計p 根據(jù)運動功能分配進(jìn)行機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，得到結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖。- 結(jié)構(gòu)布局形式：立式、臥式、斜置式等；- 基礎(chǔ)支承件形式：底座式、立柱式、龍門式等；- 基礎(chǔ)支承件結(jié)構(gòu)：一體式、分離式等；- 評價依據(jù)：機(jī)床剛度、占地面積、與物流系統(tǒng)的可接近性等。p 總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計，得到機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案圖- 進(jìn)行功能（運動或支承）部件的概略形狀和尺寸設(shè)計；- 兼顧成本，并盡可能選擇商品化的功能部件，以提高性能、縮短制造周期。- 具體設(shè)計過程與評價依據(jù)：見書P78-79。2.3.1 金屬切削機(jī)床總體設(shè)計2.3.2 機(jī)床技術(shù)參數(shù)的確定主參數(shù)和尺寸參數(shù)主參數(shù)和尺寸參數(shù)p 機(jī)床主參數(shù)是代表機(jī)床

25、規(guī)格大小及反映機(jī)床最大工作能力的一種參數(shù)。（ GB 金屬切削機(jī)床 型號編制方法）p 通用機(jī)床的主參數(shù)通常都以機(jī)床的最大加工尺寸來表示，專用機(jī)床的主參數(shù)一般以與通用機(jī)床相對應(yīng)的主參數(shù)表示。為了更完整地表示機(jī)床的工作能力和加工范圍，可在主參數(shù)后面標(biāo)出第二主參數(shù)，如最大工件長度、最大跨距等。p 機(jī)床尺寸參數(shù)是指機(jī)床主要結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。包括：與工件有關(guān)的尺寸參數(shù)；與工、夾、量具有關(guān)的尺寸參數(shù)。2.3.2 機(jī)床技術(shù)參數(shù)的確定標(biāo)準(zhǔn)公比和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列標(biāo)準(zhǔn)公比和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列F多數(shù)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速按等比級數(shù)排列，其公比用表示。- 地板原則：工序要求的轉(zhuǎn)速n應(yīng)選用小于或者等于n的轉(zhuǎn)速，目的是保護(hù)刀具 存在轉(zhuǎn)速損失率：

26、生產(chǎn)率損失。- 可借助于串聯(lián)若干個滑移齒輪來實現(xiàn)。- 公比的選擇應(yīng)以總生產(chǎn)率損失最小為原則。F轉(zhuǎn)速數(shù)列是遞增的，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)公比1，并規(guī)定Amax不大于50，故1nj.且電動機(jī)恒功率區(qū)小于主軸恒功率區(qū)。l存在機(jī)床主軸與電動機(jī)在功率特性方面的匹配問題。主傳動系統(tǒng)設(shè)計RnN=fZ-1RdN有級變速箱設(shè)計RDP時，主軸的功率特性曲線的右邊形成兩個缺口，稱為功率降低區(qū)。在每一檔內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，尤其是尖谷處的功率很小。不符合機(jī)床的要求。RDP時，主軸的功率特性曲線缺口完全消除了，如果按照機(jī)床要求來擴(kuò)大變速范圍時，則需增加有級變速箱的傳動副，從而增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。實際設(shè)計中經(jīng)常采用簡化機(jī)械結(jié)

27、構(gòu)，常在主軸恒功率區(qū)內(nèi)保留一定寬度的“缺口”，并將電動機(jī)的額定功率選得稍大于機(jī)床實際需要的最大功率。數(shù)控機(jī)床主傳動系設(shè)計特點主傳動系統(tǒng)設(shè)計RnN=fZ-1RdN數(shù)控機(jī)床主傳動系設(shè)計特點 例題： 某數(shù)控車床，主軸最高轉(zhuǎn)數(shù) 3000 r/min， 最低轉(zhuǎn)數(shù) =40 r/min，計算轉(zhuǎn)速 =160 r/min, 采用直流電動機(jī)，電動機(jī)功率P電15kw，電 動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 =1500 r/min，最高轉(zhuǎn)速為 3500 r/min，試設(shè)計分級變速箱的傳動系統(tǒng)， 畫出其轉(zhuǎn)速圖。maxnminndnjn主傳動系統(tǒng)設(shè)計RnN=fZ-1RdN數(shù)控機(jī)床主傳動系設(shè)計特點 解：方案一：取Z=6， =2，由于 小于

28、， 所以轉(zhuǎn)速圖上有重復(fù)。方案二：取Z=4， =2.88，由于 大于 ， 所以轉(zhuǎn)速圖上有缺口。 75.18160/3000RndZfnRR133. 21500/3500dRfdRfffdR主傳動系統(tǒng)設(shè)計Rn=3000/40 = 75 Rd=數(shù)控機(jī)床主傳動系設(shè)計特點 解：方案一：取Z=4， =2，由于 小于 ， 所以轉(zhuǎn)速圖上有重復(fù)。方案二：取Z=2， =2.84，由于 大于 ， 所以轉(zhuǎn)速圖上有缺口。 75.18160/3000RndZfnRR133. 21500/3500dRfdRfffdR主傳動系統(tǒng)設(shè)計2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計p 進(jìn)給傳動系實現(xiàn)機(jī)床的進(jìn)給運動和輔助運動p 組成u動力源、變速、換向、

29、運動分配、過載保險、運動轉(zhuǎn)換、執(zhí)行件n 動力源可單獨（便于自動化、縮短傳動鏈）、可共用（內(nèi)聯(lián)）n 變速（進(jìn)給量大?。ń粨Q齒輪、滑移齒輪、齒輪離合、無級、伺服）n 換向：電動機(jī)換向（方便但不能頻繁）、齒輪換向n 運動分配：切換傳動路線，主要是離合器n 過載保險：牙嵌離合器、片式安全離合器、脫落蝸桿等n 運動轉(zhuǎn)換：（回轉(zhuǎn)變直線），齒輪齒條、滾珠絲杠、螺母、蝸輪蝸桿p 進(jìn)給傳動系應(yīng)滿足的基本要求n 足夠的靜剛度和動剛度n 快速響應(yīng)特性，無低速爬行，平穩(wěn)靈敏n 抗振性好，無抖動和沖擊噪聲小n 足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍n 傳動精度和定位精度高n 結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好機(jī)械進(jìn)給傳動系設(shè)計的特點 進(jìn)給運動速度低、受力

30、小、消耗功率少進(jìn)給運動速度低、受力小、消耗功率少。 恒轉(zhuǎn)矩傳動。恒轉(zhuǎn)矩傳動。 當(dāng)進(jìn)給量較大時，一般采用較小的背吃刀量，當(dāng)背吃刀量較大時，常采用較小的進(jìn)給量，所以，進(jìn)給傳動系統(tǒng)最后輸出軸的最大轉(zhuǎn)矩可近似地認(rèn)為相等。 進(jìn)給運動數(shù)目多。進(jìn)給運動數(shù)目多。 不同的機(jī)床對進(jìn)給運動的種類和數(shù)量要求也不相同。進(jìn)給運動越多，機(jī)床結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計 如上所述，傳動件至末端輸出軸的傳動比越大，傳動件承受的扭矩越大，進(jìn)給傳動系轉(zhuǎn)速圖的設(shè)計剛巧與主傳動系相反，是前疏后密的. 即采用擴(kuò)大順序與傳動順序不一致的結(jié)構(gòu)式，如：Z=16=28X24X22X21 。這樣可以使進(jìn)給系內(nèi)更多的傳動末端輸出軸的傳動比較小

31、，承受的扭矩也較小，從而減小各中間軸和傳動件的尺寸。Ti T末n末/ni= T末ui。 進(jìn)給傳動系變速組的變速范圍可取比主變速組較大的值，即1/5u 進(jìn)2.8，變速范圍Rn14。進(jìn)給系的末端常采用降速很大的傳動機(jī)構(gòu)，如蝸桿蝸輪、絲杠螺母、行星機(jī)構(gòu)等。 對于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動系，為保證傳動精度和定位精度，尤其是換向精度，要有傳動間隙消除機(jī)構(gòu)。 快速與工進(jìn)需在帶負(fù)載運行中變換。采用超越離合器、差動機(jī)構(gòu)或電氣伺服進(jìn)給傳動等。微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)有自動和手動兩類。自動微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用各種驅(qū)動元件使進(jìn)給自動地進(jìn)行；手動微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要用于微量調(diào)整精密機(jī)床的一些部件.最小進(jìn)給量大于1um的機(jī)構(gòu)有蝸桿傳動

32、、絲杠螺母、齒輪齒條傳動等，適用于進(jìn)給行程大、進(jìn)給量、進(jìn)給速度變化范圍寬的機(jī)床；小于1um的進(jìn)給機(jī)構(gòu)有彈性力傳動、磁致伸縮傳動 電致伸縮傳動、熱應(yīng)力傳動等。對微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的基本要求是靈敏度要高，剛度好，平穩(wěn)性好，低速進(jìn)給時速度均勻，無爬行，精度高，重復(fù)定位精度好，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，操作方便靈活等。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng).作用是接受來自數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大后驅(qū)動工作臺按規(guī)定的速度和距離移動。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無監(jiān)測和反饋裝置分為： 開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計開

33、環(huán)系統(tǒng)對工作臺實際位移量沒有檢測和反饋裝置。采用步進(jìn)電動機(jī)。系統(tǒng)的精度取決于步進(jìn)電動機(jī)的步距角精度，定位精度較低，一般在(土0.01土0.02)mm.調(diào)試方便，成本低。適用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床中。QNS 電氣伺服系統(tǒng)的分類電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計在閉環(huán)系統(tǒng)中，使用位移測量元件測量機(jī)床執(zhí)行部件的移(轉(zhuǎn))動量，將執(zhí)行部件的實際移(轉(zhuǎn))動量和控制量進(jìn)行比較，比較后的差值用信號反饋給控制系統(tǒng)，對執(zhí)行部件的移(轉(zhuǎn))動進(jìn)行補(bǔ)償，直至差值為零?？上麄€系統(tǒng)的誤差、間隙和失動，系統(tǒng)比較復(fù)雜，安裝、調(diào)整和測試比較麻煩，成本高，用于精密型數(shù)控機(jī)床上。電氣伺服系統(tǒng)的分類電氣伺服進(jìn)

34、給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計檢測元件不是直接安裝在執(zhí)行部件上，而是安裝在進(jìn)給傳動系中間部位的旋轉(zhuǎn)部件,稱之為半閉環(huán)系統(tǒng).半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)差。由于慣性較大的工作臺在閉環(huán)之外，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。與閉環(huán)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整容易，價格低，所以應(yīng)用較多。電氣伺服系統(tǒng)的分類電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動部件和機(jī)械傳動部件組成;伺服驅(qū)動部件如步進(jìn)電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)等。機(jī)械傳動部件如齒輪、滾珠絲杠螺母等。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動部件 調(diào)速范圍寬，低速運行平穩(wěn)，無爬行；調(diào)速范圍寬，低速運行平穩(wěn)，無爬行； 快速響應(yīng)性好

35、；快速響應(yīng)性好； 抗負(fù)載振動能力強(qiáng)；抗負(fù)載振動能力強(qiáng)； 可承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)；可承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)； 振動和噪音小，可靠性高，壽命長；振動和噪音小，可靠性高，壽命長； 調(diào)整維修方便。調(diào)整維修方便。v 對進(jìn)給驅(qū)動部件的基本要求：對進(jìn)給驅(qū)動部件的基本要求：電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計 步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制電動機(jī)。 它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)量成正比，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖的頻率就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動，制動和反轉(zhuǎn)。 選用時，應(yīng)綜合考慮步進(jìn)電動機(jī)步矩角、

36、最大靜轉(zhuǎn)矩、起動頻率、運行頻率以及傳動比，最后選擇步進(jìn)電動機(jī)的規(guī)格和驅(qū)動電源。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動部件電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計 又稱寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)。根據(jù)定子產(chǎn)生磁場的方式不同，可分為永磁式和電勵磁式。 目前在小型數(shù)控機(jī)床上使用較多的是小慣量直流電動機(jī)（高速輕載，響應(yīng)速度快！）。 直流伺服電動機(jī)自身裝有位置檢測元件，用于伺服進(jìn)給系統(tǒng)時不再附加位移檢測裝置，就可以構(gòu)成精度較高的半閉環(huán)系統(tǒng)。 特點：機(jī)械特性硬、轉(zhuǎn)子慣量大、過載能力強(qiáng)、可直接驅(qū)動負(fù)載、功率較大、體積較小、重量較輕、效率高、調(diào)速范圍大，低速時仍能平滑轉(zhuǎn)動。 常采用可控硅調(diào)速電路和晶體管脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)

37、(簡稱PWM)驅(qū)動。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動部件電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計 交流伺服電動機(jī)按產(chǎn)生磁場的方式可分為：永磁式、電磁式等。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動中大多采用的是永磁同步交流伺服電動機(jī)。 交流伺服電動機(jī)特性：機(jī)械特性軟、轉(zhuǎn)速范圍較窄、體積小、質(zhì)量小動態(tài)響應(yīng)好,與同容量直流電機(jī)相比,價格是其一半左右.若參數(shù)選擇和制造工藝不良會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，運行可靠，摩擦力矩小,帶動負(fù)載能力弱。 電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線平緩有向水平趨勢的叫軟特性, 陡直的為硬 在選擇伺服電動機(jī)時，要根據(jù)直流和交流這兩種伺服電動機(jī)各自的特點、使用場合、控制方式、電源頻率和電壓波動等使用的具體情況，權(quán)衡利弊，合理

38、選用。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動部件電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計F直線步進(jìn)電動機(jī)是從旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)演變而來的。是按電磁鐵的作用原理進(jìn)行工作的。 不僅節(jié)省了絲杠螺母副、齒輪、軸承及潤滑裝置等，而且提高了伺服系統(tǒng)的傳動精度、傳動剛度及運動速度，并使進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便。 用于開環(huán)控制系統(tǒng)時，定位精度約0.03mm，最高速度可達(dá)0.4 0.5m/s。 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)時，定位精度可達(dá)微米級，最高速度達(dá)12m/s。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動部件電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計機(jī)械傳動部件 通過柔性聯(lián)軸器聯(lián)接，其特點為成本低，安裝、調(diào)整方便，無間隙傳動；通過齒

39、輪聯(lián)接，主要用于步進(jìn)電動機(jī)、小慣量直流伺服電動機(jī)與絲杠的聯(lián)接；通過同步齒形帶聯(lián)接，齒形帶應(yīng)用場合和齒輪一樣，它成本低、噪聲小，但運行精度低于齒輪傳動。電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計機(jī)械傳動部件要采用低摩擦傳動。如導(dǎo)軌可以采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌；可采用滾珠絲杠螺母傳動；齒輪傳動采用磨齒齒輪伺服系統(tǒng)和機(jī)械傳動系匹配要合適。輸出軸上帶有負(fù)載的伺服電動機(jī)的時間常數(shù)與伺服電動機(jī)本身所具有的時間常數(shù)不同，如果慣性矩和齒輪等匹配不當(dāng)，就達(dá)不到快速反應(yīng)的性能。選擇最佳降速比來降低慣量，最好采用直接傳動方式。采用預(yù)緊辦法來提高整個系統(tǒng)的剛度。采用消除傳動間隙的方法，減小反向死區(qū)誤差，提高

40、運動平穩(wěn)性和定位精度。機(jī)械傳動部件 電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計( (二二) )機(jī)械傳動部件設(shè)計機(jī)械傳動部件設(shè)計：傳動副的最佳降速比應(yīng)按最大加速能力和最小慣量的要求確定，以降低機(jī)械傳動部件的慣量。QLuo360機(jī)械傳動部件 電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)2.5 進(jìn)給傳動系設(shè)計剛性調(diào)整法是調(diào)整后的齒側(cè)間隙不能自動進(jìn)行補(bǔ)償，如偏心軸套調(diào)整法、變齒厚調(diào)整法、斜齒輪軸向墊片調(diào)整法等。特點是結(jié)構(gòu)簡單，傳動剛度較高。柔性調(diào)整法是指調(diào)整后的齒側(cè)間隙可以自動進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動剛度低些，會影響傳動的平穩(wěn)性。主要有雙片直齒輪錯齒調(diào)整法，薄片斜齒輪軸向壓簧調(diào)整法，雙齒輪彈簧調(diào)整法等。摩擦損失小，傳動效率可達(dá)0.900.96；絲杠螺母經(jīng)預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動剛度；靜、動摩擦因數(shù)差異很小，運動靈敏