机床的总体设计

第 五 章 机 床 的 总 体 设 计 机 床 设 计 基 本 要 求一 、 性 能 要 求n 工 艺 范 围 ： （ 机 床 的 加 工 功 能 ） 适 应 不 同 生 产 要 求 的 能 力n 可 完 成 的 工 序 种 类n 加 工 零 件 的 类 型n 材 料 和 尺 寸 范 围 n 毛 坯 的 种 类 等n 专 用 机 床 ： 工 艺 范 围 较 窄 ， 功 能 少n 数 控 机 床 ： 工 艺 范 围 宽 ， 功 能 强n 通 用 机 床 ： 工 艺 范 围 较 宽 ， 功 能 较 强n 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n 机 床 功 能 选 择 的 依 据 -批 量 技 术 经 济 指 标 n 柔 性 ： 适 应 加 工 对 象 变 化 的 能 力n 空 间 上 ： 功 能 柔 性 ， 多 品 种 小 批 量 的 加 工n 时 间 上 ： 结 构 柔 性 ， 重 新 组 合 ， 改 变 其 功 能n 与 物 流 系 统 的 可 亲 性n 物 料 （ 工 件 、 刀 具 、 切 屑 ） 交 接 的 方 便 程 度n 普 通 机 床 ： 人 ， 要 求 机 床 的 使 用 、 操 作 、 清 理 、 维护 方 便 。 n 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 n 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 。n 三 级 ： 普 通 精 度 级 、 精 密 级 和 高 精 度 级n 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n 运 动 精 度n 刚 度n 静 态 刚 度n 动 态 刚 度 n 热 态 刚 度 n 表 面 粗 糙 度n 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n 抗 振 性 ： 受 迫 振 动 和 自 激 振 动n 噪 声n 生 产 率 和 自 动 化n 单 位 时 间 内 机 床 所 能 加 工 的 工 件 数 量n 效 率 -成 本n 自 动 化 程 度 -生 产 率 -加 工 精 度 的 稳 定 性 n FMS FAn 成 本n 成 本 概 念 贯 穿 在 产 品 的 整 个 生 命 周 期 n 生 产 周 期n 可 靠 性n 机 床 寿 命n 造 型 与 色 彩 n 二 、 经 济 效 益n 成 本n 加 工 效 率 和 可 靠 性n 三 人 机 关 系n 操 纵 方 便 、 省 力 、 容 易 掌 握 、 不 易 发 生 操 纵错 误 和 故 障n 防 止 污 染 机 床 设 计 方 法n 计 算 机 技 术 和 分 析 技 术n 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n 数 控 技 术 ： 机 床 的 传 动 与 结 构 发 生 了 重 大 变 化n FMS的 发 展n 机 床 的 设 计 方 法 是 根 据 其 设 计 类 型 而 定 n 通 用 机 床 采 用 系 列 化 设 计 方 法n 组 合 机 床 ： 组 合 设 计 类 型u创新设计类型：u分析式设计：类比分析、推理方法产生方案u创成式设计：创成解析的方法 n 经 验 设 计 阶 段n 主 要 任 务 是 解 决 加 工 与 强 度 问 题n 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n 产 品 结 构 安 全 系 数 偏 大n 无 法 保 证 机 床 的 良 好 性 能 n 试 验 设 计 阶 段n 科 技 发 展 及 工 艺 水 平 的 提 高n 机 床 试 验 研 究 ： 实 物 测 试 或 模 型 试 验n 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n 明 显 提 高 机 床 性 能 ， 局 部 调 整 n 计 算 机 辅 助 设 计n 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n 结 果 的 准 确 性 现 代 设 计 方 法 特 点n 设 计 对 象 系 统 化n 设 计 内 容 完 善 化 ： 使 机 床 产 品 实 用 经 济及 美 观 舒 适n 设 计 目 标 最 优 化 ： 多 目 标 整 体 优 化n 设 计 问 题 模 型 化 n 模 型 是 对 设 计 问 题 的 高 度 概 括 和 抽 象n 意 义 ： 工 程 问 题 与 数 学 理 论 紧 密 结 合 n 设 计 过 程 动 态 化n 动 态 性 能n 动 力 学 模 型 ， 动 态 分 析 ， 参 数 修 改n 设 计 手 段 计 算 机 化n 初 步 设 计 阶 段 ： 方 案 分 析 、 选 择 、 评 价 和 决策n 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 n 工 程 图 设 计 阶 段 机 床 设 计 步 骤n 总 体 设 计n 主 要 技 术 指 标 设 计n 后 续 设 计 的 前 提 和 依 据n 用 途 ： 机 床 的 工 艺 范 围n 生 产 率 ： 加 工 对 象 的 种 类 、 批 量 、 及 所 要 求 的 生产 率 n 性 能 指 标 ： 精 度 、 刚 度 、 热 变 形 、 噪 声 等n 主 要 参 数 ： 加 工 空 间 和 主 参 数n 驱 动 方 式 ： 直 接 影 响 传 动 方 式 的 确 定n 成 本 及 生 产 周 期 n 总 体 方 案 设 计n 运 动 功 能 设 计 ： 绘 制 机 床 的 运 动 功 能 图n 基 本 参 数 设 计 ： 尺 寸 参 数 、 运 动 参 数 和 动 力 学 参数 设 计n 传 动 系 统 设 计 ： 传 动 方 式 、 传 动 原 理 图 及 传 动 系统 图n 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 n 控 制 系 统 设 计 ： 控 制 方 式 及 控 制 原 理 、 控 制 系 统图n 总 体 方 案 综 合 评 价 与 选 择n 总 体 方 案 地 设 计 修 改 或 优 化 n 详 细 设 计n 技 术 设 计 ： 确 定 结 构 原 理 方 案 、 装 配 图 设 计 、分 析 计 算 或 优 化n 施 工 设 计 ： 零 件 图 设 计 、 商 品 化 设 计 、 编 制技 术 文 档n 机 床 整 机 综 合 评 价n 整 机 性 能 分 析 和 综 合 评 价 金 属 切 削 机 床 设 计 的 基 本 理 论n 精 度n 普 通 精 度 级 、 精 密 级 、 高 精 度 级n 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n 几 何 精 度 n 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n 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 n 运 动 精 度n 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n 高 速 高 精 度 机 床 的 一 个 重 要 指 标n 影 响 因 素n 传 动 精 度n 传 动 系 各 末 端 执 行 件 之 间 运 动 的 协 调 性 和 均 匀 性 n 影 响 因 素 ： 传 动 系 统 设 计 、 元 件 的 制 造 和 装 配回转精度 n 定 位 精 度n 定 位 部 件 运 动 到 达 规 定 位 置 的 精 度n 工 件 的 尺 寸 精 度 和 形 位 精 度n 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n 工 作 精 度n 加 工 规 定 的 试 件 ， 用 试 件 的 加 工 精 度 表 示 机 床 的 工 作 精 度n 综 合 影 响n 精 度 保 持 性 n 规 定 的 工 作 期 间 内 ， 保 持 机 床 所 要 求 的 精 度n 影 响 因 素 ： 磨 损 刚 度n 定 义 ： K=F/yn 载 荷 ：n 静 载 荷 静 刚 度n 动 载 荷 动 刚 度 ： 抗 振 性n 整 机 刚 度 n 多 构 件 构 成n 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n 刚 度 的 合 理 分 配 或 优 化 抗 振 性n 机 床 在 交 变 载 荷 作 用 下 ， 抵 抗 变 形 的 能力n 抵 抗 受 迫 振 动n 振 源 ： 内 部 动 平 衡n 外 部共振n 自 激 振 动 切 削 稳 定 性 n 刀 具 工 件 之 间 的 一 种 相 对 振 动n 切 削 过 程 中 n 振 动 影 响 因 素振 动 不 利 影 响n 机 床 的 刚 度n 阻 尼 特 性 ： 特 别 是 结 合 部 阻 尼n 固 有 频 率 ： 设 计 期 间 分 析 计 算 各 阶 阻 尼 热 变 形n 热 源n 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n 热 平 衡n 温 度 场n 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 噪 声n 源 泉 ： 振 动n 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n 来 源 ：n 机 械 噪 声n 液 压 噪 声 n 电 磁 噪 声n 空 气 动 力 低 速 运 动 平 稳 性n 爬 行 现 象 和 机 理n 影 响 工 件 的 加 工 精 度 和 表 面 粗 糙 度n 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n 力 学 模 型n 措 施 n 减 小 静 、 动 摩 擦 系 数 之 差n 提 供 传 动 机 构 的 刚 度n 提 高 阻 尼 比n 降 低 移 动 件 的 质 量 第 三 节 系 列 化 、 通 用 化 、 标 准 化n 机 床 系 列 化n 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n 内 容 ： n 制 订 机 床 参 数 标 准 -主 参 数 系 列n 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n 系 列 设 计 n 机 床 产 品 系 列 设 计n 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 。n 系 列 产 品 统 筹 考 虑n 有 利 于 机 床 的 生 产 、 使 用 、 维 修 、 配 套 及 管理 等 n 零 部 件 通 用 化n 互 换 性 基 础 上 尽 可 能 扩 大 同 一 零 、 部 件 的 使用 范 围n 缩 短 机 床 设 计 与 制 造 周 期 ；n 扩 大 生 产 批 量 ；n 减 少 工 艺 装 备 ；n 降 低 成 本 ； n 保 证 质 量 及 便 于 管 理 n 通 用 化 程 度 ：n 通 用 化 系 数 =n 产 品 零 部 件 ： 专 用 件 、 通 用 件 、 标 准 件 及 外 购件n 一 般 不 应 低 于 70% 通 用 件 种 数专 用 件 种 数通 用 件 种 数 n 零 部 件 标 准 化 n 一 般 不 应 低 于 45%n 模 块 化 设 计 n 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 。n 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 元零 件 总 种 数外 购 件 种 数标 准 件 种 数标 准 化 系 数 第 四 节 机 床 总 体 布 局n 主 要 内 容n 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 n 注 意 问 题 ：n 工 件 特 征 ： 以 车 床 为 例n 机 床 性 能 ： 传 动 精 度 ； 机 床 刚 度 ； 振 动 ； 热 n 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 n 基 本 型 式n 传 统 布 局 ： 卧 式 、 立 式 、 单 臂 式 和 龙 门 式n 卧 式 ： 重 心 低 ， 占 地 面 积 较 大n 立 式 ： 占 地 面 积 较 小n 单 臂 式 ： 方 便 地 更 换 点 位 进 行 加 工 ， 刚 度 差n 龙 门 式 ： 箱 体 平 面 加 工 。 刚 度 、 精 度 高n 数 控 机 床 n 机 床 的 运 动 及 其 分 配 对 布 局 的 影 响n 坯 料 的 形 式n 尺 寸 比 例n 占 地 面 积 的 大 小 和 工 件 的 重 量n 机 床 性 能 对 布 局 的 影 响n 操 作 、 观 察 与 调 整 对 布 局 的 影 响 第 五 节 机 床 主 要 参 数 确 定n 尺 寸 参 数n 主 参 数 ： 代 表 机 床 规 格 大 小n 卧 车 ： 工 件 的 最 大 回 转 直 径n 齿 轮 ： 最 大 工 件 直 径n 外 圆 磨 床 ： 最 大 磨 削 直 径 n 龙 门 刨 ： 工 作 台 工 作 面 宽 度n 卧 式 铣 镗 床 ： 主 轴 直 径n 立 式 钻 床 和 搖 臂 钻 床 ： 最 大 钻 孔 直 径n 牛 头 刨 床 ： 最 大 刨 削 长 度 n 第 二 主 参 数n 车 床 ： 工 件 的 最 大 长 度n 齿 轮 ： 最 大 工 件 直 径n 外 圆 磨 床 ： 最 大 磨 削 直 径n 龙 门 刨 卧 式 铣 镗 床 ： 主 轴 直 径 运 动 参 数n 主 运 动 参 数n 回 转 主 运 动 的 机 床 ： 主 轴 转 速n n=1000v/dn 直 线 运 动 的 机 床 ： 每 分 钟 的 往 复 次 数n 变 速 范 围 n 最 低 、 最 高 转 速 ： 合 理 选 择n 变 速 范 围 ：n 对 于 卧 式 车 床 ： minmaxnnRn maxmin maxmax )25.02.0( )6.05.0( dd Dd n 分 级 变 速 时 的 主 轴 转 速 数 列n 处 于 两 级 转 速 之 间n 相 对 转 速 损 失 ：n 最 大 相 对 损 失 率n 使为一定值nnnnA j 1max 1lim 1 j jjnn nnnnnA j %1001%100)11(max A 11 11minmax zzn nnnnR n 进 给 运 动 参 数n 往 复 n 数 控 、 重 型 机 床 ： 无 级 调 整n 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 n 标 准 公 比 和 标 准 数 列n 机 床 转 速 递 增 ， 使 最 大 相 对 转 速 损 失 率 不 超 过 n 标 准 公 比 ： 1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,2n 公 比 的 选 用n 使 用 性 能 公 比 小 级 数 多 结 构 复 杂n 普 通 机 床 ： 减 少 相 对 转 速 损 失 n 小 型 机 床 ： 简 化 构 造n 自 动 机 床 21 )5.3(10 261 主主空 ndkndkP ia n 3.空 行 程 功 率 的 确 定n 参 考 同 类 型 机 床 ， 辅 以 计 算 ， 试 验 验 证n 须 考 虑 惯 性 力n 克 服 惯 性 的 转 矩n 克 服 惯 性 功 率 n 升 降 运 动 ： 水 平 运 动 ： 22 )()( iiikkk vmJJ 95501 nTP a60000 )( 2 vFfmgP 600002 mgvfP aaa tntJT 602