機電裝備設計第六章(12-14)

6.1總體設計6.1.1機床設計應滿足的基本要求

機床非一般機電裝備，是用來生產(chǎn)其他機械的工作母機。機床在精度、剛度、動態(tài)特性方面有特殊要求。

1精度機床精度分三級：普通精度級、精密級和高精度級。三種精度等級允差，如以普通精度級為1，則它們之間的比例大致為：1：0.4：0.25。機床的精度包括幾何精度、傳動精度、運動精度和定位精度和工作精度等。第六章金屬切削機床與數(shù)控化11）幾何精度是機床在不運動或運動速度較低時的精度。由機床各主要部件的幾何形狀和它們之間的相對位置與相對運動軌跡的精度所決定的。2）傳動精度是指機床傳動系統(tǒng)各末端執(zhí)行件之間相對運動的協(xié)調(diào)性和準確度。決定于傳動系統(tǒng)中各件的制造精度和裝配精度以及傳動系統(tǒng)設計的合理性。3）運動精度是指機床的主要部(組)件以工作狀態(tài)的速度運動時的精度。4）定位精度是指機床主要部件在運動終點所達到的實際位置的精度。

5）工作精度機床加工規(guī)定的試件所能達到的加工精度。6)精度保持性在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持機床所要求的精度。主要影響因素是磨損。2除對機床本身的精度要求外，還要求機床及主要零、部件在載荷作用下，具有一定抵抗變形的能力，保證各主要零、部件相對位置的正確性?！鷦偠?剛度●靜載荷不隨時間變化或變化極為緩慢的力稱靜載荷，如重力、切削力的靜力部分等?！駝虞d荷隨時間變化的力，如沖擊振動力及切削力的交變部分等稱動載荷。

一般所說剛度一般指靜剛度。動剛度是抗振性的一部分。機床剛度分為靜剛度及動剛度按照載荷的性質不同，分為靜載荷和動載荷。33抗振性機床的抗振性包括兩個方面，抵抗受迫振動的能力（抗振性）和抵抗自激振動（切削穩(wěn)定性）的能力。如果振源的頻率與機床某主要部件(例如主軸組件、床身)的某一振型(如彎曲振動、扭轉振動)的固有頻率重合時，就將發(fā)生共振。振幅大增。加工表面的粗糙度將會大大增加。受迫振動的振源可能來自機床內(nèi)部，也可能來自于機床之外。

切削自激振動，產(chǎn)生于切削過程之中。如果切削不穩(wěn)定，則切過的表面，其波紋度將越來越大，振動越來越劇烈，將嚴重影響加工表面的質量。

自激振動的發(fā)生在刀具和工件之間的一種相對振動，它在切削過程中出現(xiàn)，是由切削過程和機床結構動態(tài)特性之間的相互作用而產(chǎn)生的。機床在交變載荷作用下抵抗變形的能力。4◎切削自激振動(self—excitedvibration)也稱為顫振(chatter)，是在切削過程中產(chǎn)生的。◎由于工件與刀具之間是一個彈性系統(tǒng)，切削力的振動就會引起工件與刀刃的相對位移，使得切削后的表而也產(chǎn)生高低起伏?！蛉绻邢骱蟮谋砻娌y度不超過切削前的表面波紋度，則振動不會加劇或將逐漸減小，切削就是穩(wěn)定的；若超過，振動將越來越激烈，切削就是不穩(wěn)定的。◎在車床上切槽或切斷時特別明顯。◎自激振動的能量來于切削本身。不論振動多么劇烈，只要切削停止，振動立即消失。54工藝范圍

包括內(nèi)容為：在機床上能完成的工序種類；加工零件的類型、材料和尺寸范圍；毛坯的種類等。機床的工藝范圍是指機床適應不同生產(chǎn)要求的能力。5加工精度和表面粗糙度

機床的加工精度是被加工零件在尺寸形狀和相互位置等方面所能達到的準確程度。影響機床加工精度的主要因素有機床的精度和靜剛度等。

機床自動化程度，可以用機床自動工作的時間與全部工作時間的比值來表示。根據(jù)自動化程度機床大致可分為自動、半自動和普通機床三類。6自動化程度67機床壽命

隨著技術設備更新的加速，對機床壽命所要求的時間也在減短?！裰?、小型通用機床，壽命約為八年左右；●專用機床則要求短些，因為它將隨所加工的產(chǎn)品的更新而廢棄；●大型機床和精密級、高精度級機床，則要求壽命長些，因為這些機床的價格高，希望能在較長的時間里保持精度，以提高經(jīng)濟效益。機床壽命就是機床保持它應具有的加工精度的時間。78人機關系●

機床應操縱方便、省力、容易掌握、不易發(fā)生操作錯誤和故障；●

防止機床對周圍環(huán)境的污染，噪聲要低，不僅噪聲聲級要達到規(guī)定值以下，而且不能對入耳有強烈的不適感；●

滲、漏油必須避免；●

采用油霧潤滑時，必須保證油霧不得逸散到周圍的環(huán)境中去，以防止對人體的危害；●

機床造形要美觀大方，色調(diào)和諧，使操作者感到在一個舒適的環(huán)境中工作。人機關系問題，—人機學或稱宜人學(Ergonomics)。86.1.2設計步驟機床設計系統(tǒng)框圖→總體方案設計包括：(1)運動功能設計(2)基本參數(shù)設計(3)傳動系統(tǒng)設計(4)總體結構布局設計(5)控制系統(tǒng)設計96.1.3幾何運動設計●機床是依靠刀具與工件之間的相對運動，加工出一定幾何形狀和尺寸精度的工件表面；●不同的工件幾何表面，采用不同類型的刀具，作不同的表面形成運動，而成為不同類型的機床；●車床為獲得圓柱面，應有主軸的回轉運動(主運動)和刀架溜板的縱向移動(進給運動)，車端面時則刀架作橫向進給運動。1工作原理

要進行機床的幾何運動設計要了解工件表面形成的幾何方法。102工作表面的形成○任何一個表面都可看作一條曲線(或直線)沿著另一條曲線(或直線)運動的軌跡?！疬@兩條曲線(或直線)稱為該表面的發(fā)生線，前者稱為母線，后者稱為導線。1）幾何表面的形成112）發(fā)生線的形成

工件加工表面的發(fā)生線是通過刀具切削刃與工件接觸并產(chǎn)生相對運動而形成的。發(fā)生線的形成有如下四種方法。軌跡法成形法

相切法

12加工方法與形狀創(chuàng)成運動的關系相切法

范成法●

加工表面的形成是母線形成和導線形成的組合?！窦庸け砻嫘纬伤璧牡毒吲c工件之間的相對運動也是形成母線和導線所需相對運動的組合。

3）加工表面的形成133運動分類●成形運動完成表面加工所必需的最基本的運動成為表面成形運動，簡稱成形運動?！窀鶕?jù)運動在表面形成中所完成的功能，成形運動又分為主運動和形狀創(chuàng)成運動。根據(jù)運動的功能不同，可以分為成形運動和非成形運動。1）按運動的功能分類（1）主運動（cuttingmotion)消耗動力主要用于切除加工表面上多余的材料，是運動速度最高的運動，稱為主運動（切削運動）。如：車床上主軸的回轉運動、磨床砂輪的回轉運動、銑床銑刀的回轉運動

14（2）形狀創(chuàng)成運動功能：是用來形成工件加工表面的發(fā)生線。同樣的加工表面，采用的刀具不同，所需的形狀創(chuàng)成運動數(shù)目也不同。圖a）中，用點刃車刀車外圓柱面，形成直母線需要一個創(chuàng)成運動v，形成圓導線需要一個形狀創(chuàng)成運動n，共需兩個創(chuàng)成運動。圖b）中，用寬刃刀車外圓柱面，直母線由刀刃形成，不需創(chuàng)成運動，圓導線形成需要一個創(chuàng)成運動n。

15●非成形運動

除了上述成形運動之外，機床還需設置一些其他運動，稱為非成形運動。如切入運動(使刀具切入)；分度運動(當工件加工表面由多個表面組成時，由一個表面過渡到另一個表面所需的運動)：輔助運動(如刀具的接近、退刀、返回等)?！皙毩⑦\動與其他運動之間無嚴格的關系要求。○復合運動與其他運動之間有嚴格的關系要求。如車螺紋的復合運動。對機械傳動形式的機床來講，復合運動是通過內(nèi)聯(lián)系傳動鏈來實現(xiàn)的；對數(shù)控機床而言，復合運動是通過運動軸的聯(lián)動來實現(xiàn)的。2）按運動之間的關系分類164運動功能方案設計1）工藝分析2）選取坐標系參照數(shù)控機床坐標系，沿X、Y、Z軸的直線運動符號及運動量仍用X、Y、Z表示，繞X、Y、Z軸的回轉運動用A、B、C表示，其運動量用α、β、γ表示。3）寫出機床幾何運動功能關系式運動功能關系式表示機床的運動個數(shù)、形式(直線或回轉運動)、功能(主運動、進給運動、非成形運動），分別用下標（p、f、a表示)及排列順序。左邊寫工件，用W表示；右邊寫刀具，用T表示，中間寫運動，按運動順序排列，并用“／”分開。

機床的幾何運動功能方案的設計方法和步驟如下：174）畫出機床運動機構原理圖機床幾何運動功能關系式18機床運動機構原理圖195）繪制機床傳動原理圖●機床的運動機構原理圖只表示運動的個數(shù)、形式、功能及運動構件聯(lián)接關系，不表示運動之間的傳動關系。●將動力源與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運動及傳動關系同時表示出來，就是傳動原理圖。a)合成機構b)傳動比可變的變速傳動c)傳動比不變的傳動20機床傳動原理圖21機床傳動原理圖2223246.1.4總體結構方案設計

機床幾何運動機構原理圖是根據(jù)工藝要求確定的，所確定的僅僅是刀具與工件之間的相對運動。如刨削平面，可以由刀具作往復運動如牛頭刨床，也可以由工件作往復運動如龍門刨床實現(xiàn)，兩者效果是一樣的。至于哪些運動由刀具一側完成，哪些運動由工件一側完成還未確定，基礎支承件設在何處是未知數(shù)。所以，首先要進行運動功能的分配。251幾何運動功能分配設計●坯料的形式如，加工卷料的小型自動車床，由于工件不能旋轉，主運動必須由刀具來完成。刀具裝在刀具盤上，刀具盤繞工件高速旋轉，常稱為“套車”。●加工的尺寸比例如，立式鉆床和搖臂鉆床，由鉆頭同時作回轉主運動和軸向進給運動。但在深孔鉆床上鉆深孔時，為了減少孔的歪斜和便于排屑，常由工件作回轉主運動，鉆頭只作軸向進給運動?！窆ぜ闹亓恳话銇碚f，都是使重量較輕的部件運動。影響幾何運動功能分配的因素為2627通過幾何運動功能分配設計確定了基礎支承件，即運動功能式中“接地”的位置，用“●”符號表示?！啊瘛狈栕髠鹊倪\動由工件完成，右側的運動由刀具完成。機床的運動功能式中添加上“●”接地符號后，可稱為運動分配式。一個運動功能方案，經(jīng)過運動功能分配設計，可以得幾個運動分配式?！壳安捎玫姆椒?82結構布局設計●結構布局形式：立式、臥式及斜置式等；●基礎支承件形式：底座式、柱式和龍門式等；●基礎支承件結構：一體式和分離式等等；●結構布局形式：運動分配設計階段評價后保留下來的運動分配式方案的全部結構布局方案有很多種，因此需要再次進行評價，去除不合理方案；●評價依據(jù)：主要定性分析機床的剛度、占地面積以及對物流系統(tǒng)開放性等因素；●設計結果：機床總體結構布局形態(tài)圖。29五軸鏜銑機床的結構布局形態(tài)圖303總體結構草繪設計設計主要依據(jù)：機床總體結構布局形態(tài)圖，驅動與傳動設計結果、機床動力參數(shù)、加工空間尺寸參數(shù)以及機床整機的剛度及精度分配。進行運動或支承部件的概略形狀和尺寸設計。設計過程如下：1)首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸；2)設計末端執(zhí)行件與其相鄰的下一個功能部件的結合部的形式、概略尺寸；3）確定下一個功能部件(即滑臺側)的概略形狀與尺寸；4)基礎支承件(底座、立柱、床身等)設計；5）進行機床結構模塊設計；6)初步進行造型與色彩設計；7)機床總體結構方案的綜合評價。31326.2主要技術參數(shù)設計●機床主參數(shù)代表機床規(guī)格大小，反映機床最大工作能力的一種參數(shù)。有些機床還規(guī)定有第二主參數(shù)，通用機床主參數(shù)已有標準。專用機床的主參數(shù)，一般以加工零件或被加工面的尺寸參數(shù)來表示。

金屬切削機床型號編制方法

GB/T15375一1994Metal-cuttingmachinetoolsMethodoftypedesignation包括機床的尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)。6.2.1主參數(shù)和尺寸參數(shù)33機床的類和分類代號34機床的通用特性代號356.2.2運動參數(shù)運動參數(shù)：指機床執(zhí)行件如主軸、工作臺和刀架等的運動速度。1主運動參數(shù)對于主運動是回轉運動的機床，其主運動參數(shù)是主軸轉速，它與切削速度的關系是對于主運動是直線運動的機床，如插床或牛頭刨床，主運動參數(shù)是插刀或刨刀的每分鐘往復次數(shù)(次/分)。36●主軸要進行變速，確定變速范圍及最低和最高轉速，并確定采用無級變速，還是采用有級變速?！翊_定nmax和nmin的方法，主要是分析所設計的機床可能進行的工序，從中選擇要求最高、最低轉速的典型工序，按照典型工序刀具、工件材料、切削速度和刀具(或工件)的直徑，計算出nmax、nmin及變速范圍Rn372進給運動參數(shù)●大部分機床的進給量用工件或刀具每轉的位移量表示，即單位為mm/r，如車床、鉆床、鏜床、滾齒機等?！裰本€往復運動的機床，如刨、插床，以每一往復的位移表示?！胥姶埠湍ゴ玻捎谑褂玫氖嵌嗳械毒?，進給量常以每分鐘的位移量表示，即單位為mm／min。機床上廣泛采用有級或無級變速方式來實現(xiàn)進給量的變換。如T68型鏜床的進給數(shù)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級，公比為1.41。如刨床和插床等，為使進給機構簡單，采用間歇進給棘輪機構，進給量由每次往復轉過的齒數(shù)(1、2、3…)而定，是等差數(shù)列。383動力參數(shù)動力參數(shù)包括電動機的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達或步進電機的額定轉矩等。機床各傳動件的結構參數(shù)是根據(jù)動力參數(shù)設計計算的。如果動力參數(shù)定得過大，將使機床過于笨重，浪費材料和電力：如果定得過小，又將影響機床的性能。計算方法在現(xiàn)階段只能做為參考，原因為：通用機床使用情況復雜，切削用量的變化較大；對某些加工過程中切削力和進給力的規(guī)律還沒有很好地掌握；機床傳動系統(tǒng)中的摩擦損失，尤其是高速下的損失研究得也不夠。391)主傳動電動機功率的確定

空載功率：機床主運動空轉時，由于傳動件摩擦、攪油、空氣阻力和其他動載荷等原因，電動機要消耗一部分功率，為空轉功率損失Pq，其值隨傳動件轉速的增大而增大，與傳動件預緊程度及裝配質量有關。402）進給傳動系統(tǒng)驅動功率的確定機床進給運動驅動功率的確定有幾種情況：(1)進給運動與主運動共用一個電動機，如臥式車床、鉆床等。統(tǒng)計結果：臥式車床進給功率Pf=(0.03～0.04)PL，鉆床Pf=(0.03～0.04)PL，銑床Pf＝(0.03～0.04)PL。(2)進給運動中工作進給與快速進給共用一個電動機，由于快速進給所需功率遠大于工作進給的功率，且兩者不同時工作，所以不必單獨考慮工作所需功率，如升降臺銑床。(3)進給運動采用單獨電動機驅動，則需要確定進給運動所需功率(或轉矩)。對普通交流電動機，進給電動機功率由下式計算416.3刀架和自動換刀裝置設計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，直接承受極大的切削力，是工藝系統(tǒng)中的較薄弱的環(huán)節(jié)。

隨著自動化技術的發(fā)展，采用自動更換刀具裝置，實現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，存放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換刀具的時間從幾十秒減少到幾秒甚至零點幾秒?！庸ぶ行模∕C)42(1)滿足工藝要求；為了實現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，要求刀架、刀庫可以方便轉位。(2)保證足夠的重復定位精度；(3)具有足夠的剛度；(4)提高可靠性；(5)縮短換刀時間；(6)操作方便和安全。2基本要求43按照安裝刀具的數(shù)目6.3.2類型①單刀架②多刀架按結構形式①方刀架②轉塔刀架③回輪式刀架按驅動刀架轉位的動力分①手動轉位刀架②自動(電動和液動)轉位刀架44數(shù)控車床常用的自動換刀裝置方式45加工中心的刀庫和換刀裝置方式46（1）盤形刀庫應用較廣，結構簡單緊湊，因刀具單環(huán)排列、定向利用率低，大容量刀庫的外徑將較大，轉動慣量大，選刀運動時間長。這種形式的刀庫容量較小，一般不超過32把刀具。

（2）鏈式刀庫容量較大，當采用多環(huán)鏈式刀