机械制造装备设计

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,?机械制造装备设计?,二 零 零 九 年 二月,主页,第一章 绪论,第二章 机械制造装备设计方法,第三章 金属切削机床设计,退出,下一页,第四章 工业机器人设计,主页,第七章 机械加工生产线总体设计,第五章 机床夹具设计,第六章 物流系统设计,退出,下一页,第一章 绪论,第一章 绪论,第一节,机械制造装备及其在国民经济中的重要作用,第二节 机械制造装备应具备的主要功能,第三节,机械制造装备的分类,返回主页,退出,上一页,下一页,第一章 绪论,1.1,机械制造装备及其在国民经济中的重要作用,一制造业是一个国家或地区经济开展的重,要支柱。,二机械制造业是制造业的核心。,三机械制造业的开展状况。,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第一章 绪论,1.2 机械制造装备应具备的主要功能,一一般的功能要求,1加工精度方面的要求,2强度、刚度和抗震性方面的要求,3加工稳定性方面的要求,4耐用性方面的要求,5技术经济方面的要求,二柔性化,三精密化,四自动化,五机电一体化,六节材,七符合工业工程要求,八符合绿色工程要求,返回主页,退出,上一页,下一页,返回本章,机械制造装备设计,1。3 机械制造装的分类,第一章 绪论,1.3 机械制造装备的分类,一加工装备：,机械制造装备包括,加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。,二工艺装备：,三仓储运送装备：,主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机。,各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。,仓储运输装备包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等。,退出,上一页,进入下一章,返回主页,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,第二章 机械制造装备设计方法,第一节,机械制造装备设计的类型,第二节 机械制造装备设计的方法,第三节,机械制造装备设计的评价,返回主页,退出,上一页,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,2.1,机械制造装备设计的类型,一、创新设计,二、变形设计,三、组合设计,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,2.2,机械制造装备设计的方法,一、机械制造装备设计的典型步骤,二、系列化设计,三、模块化设计,上一页,下一页,退出,返回主页,四、合理化工程,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,产品规划阶段,需求分析,调查研究,预测,可行性分析,编制设计任务书,方案设计阶段,对设计任务的抽象,建立功能结构,图1,寻求原理解与解决方法,初步设计方案的形成,图3,初步设计方案的评价与筛选,退出,下一页,返回本节,2.2.1 机械制造装备设计的典型步骤,返回主页,1、,2、,3、,4、,5、,1、,2、,3、,4、,5、,一,二,第二章 机械制造装备设计方法,技术设计阶段,确定结构原理方案,总体设计,结构设计,施工设计阶段,零件图设计,完善装备图,商品化设计,编制技术文档,退出,返回本节,2.2.1 机械制造装备设计的典型步骤,返回主页,1、,2、,3、,1、,2、,3、,4、,三,四,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,系列化设计的根本概念,退出,返回本节,2.2.2 系列化设计,返回主页,一,二,系列化设计的优缺点,三,系列化设计的步骤,1、,2、,3、,主参数和主要性能指标确实定,参数分级,制定系列型谱,纵系列产品,横系列产品,跨系列产品,a,b,c,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,模块化设计的根本概念：,退出,返回本节,2.2.3 模块化设计,返回主页,一,二,模块化设计的优缺点,三,模块化设计的步骤,1、,2、,3、,明确任务,建立功能结构,图4,、,图6,合理确定产品的系列型谱和参数,下一页,模块是具有一定功能的零件、组件或部件，模块上具有特定的联接外表和联接方法，以保证相互组合的互换性和精确度。,模块化设计是提高产品质量、降低本钱、加快设计进度、进行组合设计的重要途径。,1、,2、,第二章 机械制造装备设计方法,退出,返回本节,2.2.4 合理化工程,返回主页,进入下一节,合理化工程是一种管理哲理。,合理化工程的主要目的是,采用先进的信息处理技术，进行产品结构的重组、产品设计开发过程的重组和设计/管理系统信息集成，尽可能减少产品零部件的类别数，从而缩短产品的开发周期，提高产品设计质量。,1、,2、,第二章 机械制造装备设计方法,2.3,机械制造装备设计的评价,一、技术经济评价,二、可靠性评价,三、人机工程学评价,上一页,下一页,退出,返回主页,四、结构工艺性评价,五、产品造型评价,六、标准化评价,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,建立目标系统和确定评价标准,退出,返回本节,2.3.1 技术经济评价,返回主页,一,二,确定重要性系数,图7,四,确定各设计方案的评价分数,总权重值ZQ,j,技术评价T,j,经济评价Ej:,经济评价是理想生产本钱CL与实际生产本钱Cs之比,即: Ej = CL/Cs,技术经济评价的步骤:,三,五,七,六,1、,2、,通常理想本钱CL应低于市场同类产品最低价的70%。经济评价Ej越大，代表经济效果越好，Ej=1的方案经济上最理想。如经济评价值小于，说明方案的实际生产本钱大于市场同类产品的最低价，一般不予考虑。,技术经济评价TEj:有两种计算方法,1、,当Tj和Ej的值相差,不太悬殊时,，可用均值法计算Ej值：,2、,TEj = Tj+Ej/2,当Tj和Ej的值相差,很悬殊时,，建议用双曲线法计算Ej值：,TEj = Tj+Ej,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,可靠性特征量,退出,返回本节,2.3.2 可靠性评价,返回主页,一,二,可靠性预测,下一页,产品可靠性指标,可靠性,维修性,有效性,耐久性,平安性,可靠度,可靠寿命,累积失效概率,失效率,平均寿命,平均修复时间,修复率,维修度,极限有效度,平均有效度,瞬时有效度,可靠性指标的分配,三,第二章 机械制造装备设计方法,一人因素方面,二机器因素方面,三环境因素方面,四人机系统方面,退出,返回本节,2.3.3 人机工程学评价,返回主页,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,加工工艺性,装配工艺性,退出,返回本节,2.3.4 结构工艺性评价,返回主页,一,二,下一页,三,维修工艺性,结构工艺性评价的目的是降低生产本钱,缩短生产时间,提高产品质量。结构工艺性应从加工、装配、维修和运输等方面来评价。,第二章 机械制造装备设计方法,产品造型设计,产品色彩,退出,返回本节,2.3.5 产品造型评价,返回主页,一,二,下一页,机械产品的造型的总原那么是经济实用、美观大方。“经济指的是造型本钱低，并有助于提高产品的可靠性、寿命和人机界面。“实用指的是实用操作方便、舒适、符合人体的生理和心理特征。,1、尺度与比例,2、对称与均衡,3、安定与轻巧,4、比照与调和,5、过度与照应,6、节奏与韵律,7、重点与一般,1、色调选择,2、配色方法,第二章 机械制造装备设计方法,标准化及其目的,标准分类,退出,返回本节,2.3.6 标准化评价,返回主页,一,二,进入下一章,三,企业标准体系结构,图22,产品设计的标准化,四,1、,技术标准,工作标准,图21,管理标准,2、,3、,1、,2、,3、,4、,企业标准的审查,设计文件的标准化审查,工艺文件的标准化审查,工装设计文件的标准化审查,第三章 金属切削机床设计,第三章 金属切削机床设计,第一节 概述,第二节 金属切削机床设计的根本理论,第三节 金属切削机床总体设计,返回主页,退出,上一页,下一页,第四节 主传动系设计,第三章 金属切削机床设计,第三章 金属切削机床设计,第五节,进给传动系设计,第六节 主轴部件设计,第七节 支承件设计,返回主页,退出,上一页,下一页,第八节 导轨设计,第三章 金属切削机床设计,第三章 金属切削机床设计,第九节 机床刀架和自动换刀装置设计,第十节 机床控制系统设计,返回主页,退出,上一页,下一页,第三章 金属切削机床设计,3.1 概 述,一、机床设计应满足的根本要求,二、机床设计方法,三、机床设计步骤,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第三章 金属切削机床设计,一工艺范围 ：指机床适应不同生产要求的能力，也称为机床的加工能力。,1.包括可加工的工件类型、加工方法、加工外表形状、材料、工件和加工尺寸范围、毛坯类型等。,2.机床的工艺范围主要取决于使用于什么样的生产模式。大批量采用专用机床；单件小批量采用普通机床或通用机床；多品种小批量专门化机床。,3.机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造本钱、加工效率和自动化程度。,二柔性：是指其适应加工对象变化的能力。包括空间的柔性和时间上的柔性。,退出,返回本节,3.1.1 机床设计应满足的根本要求,返回主页,下一页,三与物流系统的可亲接近性 ：,是指机床与物流系统之间进行物料流动的方便程度。,四刚度：,加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响,加工精度方向变形的能力。包括静态和动态刚度、热态刚度。,五精度：,保证能加工出一定精度的工件，作为母机的机床必须具有更,高的精度要求。分为机床本身的精度和工作精度。本身精度有分,为：几何精度、运动精度、传动精度和定位精度。,六噪声,七成产率和自动化,八本钱 九生产周期,十可靠性 十一造型与色彩,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,3.1.2 机床设计方法,返回主页,下一页,一机床设计正在向着“以系统为主的机床设计方向开展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流的可亲性等等。,二机床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。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变形设计类型。有些类型，如组合机床属组合设计类型。,三在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。前者是用类比分析、推理方法产生方案；后者用创成解析的方法生成方案，创新能力强，尚在研究开展之中。,第三章 金属切削机床设计,二总体设计：,内容运动功能、根本参数、传动系统、总体结构,布局、控制系统设计、设计方案综合评价与选择、设计修改或优化。,退出,返回本节,3.1.3 机床设计步骤,返回主页,进入下一节,三 结构设计：,设计传动系统，各主要结构的原理方案，设计部件装配图，对主要,零件进行分析计算或优化，设计液压原理图和相应的部件装配图，设计,电气控制系统原理图和相应的电气安装接线图，设计和完善机床总装配,图和总联系尺寸图。,一确定结构原理方案：,用途、生产率、性能指标、主要参数、 驱动方式、结构原理、本钱及,生产周期。,六 定型设计 进行实物样机的制造、实验及评价。根据结果进行修改，最终完成产,品的定型设计。,五机床整机综合评价：,整机性能评价和综合评价。对所设计的机床进行计算机建模，得到,数字化样机虚拟样机进行仿真后，给出评价。,可以减少新产品研制风险，缩短研制周期、提高研制质量。,四工艺设计：,全部自制零件图、编制标准件、通用件和自制件明细表，撰写设计,说明书、使用说明书，制定机床的检验方法和标准等技术文件。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的根本理论,一,上一页,下一页,退出,返回主页,机床的运动学原理,机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置。掌握了机床运动学知识就可对任何机床的工作原理进行学习和分析。,返回本章,机床是制造其它机械的工作母机，因此在刚度、精,度及运动原理方面有其特殊要求。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,一、机床的工作原理,金属切削机床的根本功能:是提供切削加工所必须的运动和动力。,其根本工作原理是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工外表多余的金属材料，形成工件加工外表的几何形状、尺寸，并到达其精度要求。,工件外表的形成方法,机床运动功能方案设计,3.2.1 机床的运动学原理,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,工件外表的形成方法,返回主页,下一页,几何外表的形成原理图示,发生线的形成图示,发生线的形成：1轨迹法描述法,2成型法仿形法,3相切法旋切法,4范成法滚切法,几何外表的形成原理图示,1,2,a) 平面,1,2,b) 圆柱面,1,2,c) 平面,1,2,d) 圆锥面,1,母线,2,导线,发生线的形成图示,1,f,n,n,1,.,.,f,n1,n2,1,a)轨迹法,c)创成法,b)成型法,f,n1,n2,f,d)相切法,e)展成法,a)点刃车刀车外圆柱面 b)宽刃车刀车外圆柱面 c)砂轮磨外圆柱面,d)盘铣刀铣外圆柱面 e)滚齿加工,机床运动功能方案设计,1.工艺分析,2.选取坐标系：机床坐标系一般采用直角坐标系。,各运动部件的局部坐标系以下3种方法：,1固定在运动部件上；2与机床坐标系方向一致；,3有斜置式运动时，按机床坐标系选取。,3.写出机床运动功能式：,表示机床的运动个数、形式、功能,主运动p、进给运动f，非成形运动a,及排列顺序。左边写工件W，右边写,刀具T，中间写运动按运动顺序排列，,并用“/分开，Cp主运动。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,Z,f,Ba,Ya,Cp,C,f,W/C,f，,YaZ,f,Ba，Cp/T,4.画出机床运动功能图(例：滚齿机,是将机床的运动功能式用简洁的,符号和图形表达出来，是识别、分,析和设计机床传动系统的依据。,5.绘制机床传动原理图,只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的运动关系。假设将动力源与执行件、各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。uv_-主运动传动比，uf-进给传动比，ui-内联系传动比。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的根本理论,上一页,下一页,退出,返回主页,1.几何精度:,机床在空载低速时各主要部件的形状、相互位置和相对运,动的精确程度。,2.运动精度：,机床空载以工作速度运动时，执行部件的几何位置位置,精度；,3.传动精度：,机床传动系统各末端执行件的运动协调性和均匀性。,4.定位精度：,机床的定位部件运动到规定位置的精度；,5.重复定位精度：,机床运动部件在相同条件下，用同样方法重复定位,时，位置的一致程度；,6.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；,7.精度保持性：,在规定的工作时间内，保持机床所要求的精度。,（二）,精度,（三）,刚度,返回本章,指机床受载时抵抗变形的能力，公式：,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的根本理论,上一页,下一页,退出,返回主页,（四）,抗振性,返回本章,指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力，包括抵抗受迫振,动的能力和抵抗自激振动的能力，也称为切削稳定性。,1.受迫振动：来自于机床内部，如高速回转零件的不平衡。防止,共振现象产生。,2.自激振动：是发生在刀具和工件之间的一种,相对振动。也称为切削稳定性。,影响机械振动的主要原因：,机床刚度、阻尼特性、系统的固有频率。,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的根本理论,上一页,下一页,退出,返回主页,（五）,热变形,返回本章,指机床在工作时受到内部热源和外部热源的影响，使机床的温度,高于环境温度，称为温升。由于各部位温升不同，不同材料的热膨胀,系数不同。所以各局部材料产生的热膨胀量不同，导致机床床身、主,轴和刀架等构件产生变形。,采取措施：,减少热源发热量；将热源置于宜散热位置，增加散热面积和强制冷,却；采用热管将温升较高的热量转移，减少温差；采用自动控制、温,差补偿及隔热措施等。,（六）,噪 声,主要噪声源：,机械噪声、液压噪声、电磁噪声、,空气动力噪声。,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的根本理论,上一页,下一页,退出,返回主页,（七）,低速运动平稳性,返回本章,机床上有些运动部件，需要做低速或微小移动。当低速运动时，,主动件匀速运动，从动件会出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，也,称为爬行。,危 害：影响机床的精度、工件的加工精度和外表粗糙度。,原 因：是因摩擦产生的自激振动现象。摩擦面上的摩擦系数随速度,的增加和传动系的刚度缺乏。,措 施：在设计低速运动部件时，应减少静、动摩擦系数之差；提高,传动机构的刚度和降低移动件的质量等。,第三章 金属切削机床设计,3.3 金属切削机床总体设计,一、机床系列型谱的制定,二、机床的运动功能设置,三、机床总体结构方案设计,上一页,下一页,退出,返回主页,四、机床主要参数的设计,返回本章,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,为满足国民经济不同部门对机床的要求，机床分成车、,铣、刨、磨等11大类通用机床。每一类机床又分为大小不,同的几种规格。国家根据机床生产和使用情况，规定了每,一种通用机床的主参数系列。,通常按照该类机床的主参数标准，先确定一种用途最广,、需求量较大的机床系列作为“基型系列，然后派生出假设,干变形机床。,系列型谱的制定对机床工业开展大有好处。由于基型和,变形机床之间大局部零件通用，可以大大较少设计工作量,，提高零部件的生产批量，缩短制造本钱，提高机床品质。,3.3.1 机床系列型谱的制定,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,3.3.1 机床系列型谱的制定,返回主页,下一页,中型卧式机床的简略系列型谱表,型式,最大,工件直径/mm,万,能,式,马,鞍,式,提,高,精,度,无,丝,杠,式,卡,盘,式,球,面,加,工,端,面,车,床,250,320,400,500,630,800,1000,注： 基型， 变型,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,设置的方法和步骤：,1.工艺分析：,对所设计的机床的工艺范围进行分析，对于通用机床确定加工工件,的类型，选择典型零件分析，然后选择恰当的加工方法。设计时考虑可,到达的生产率和加工精度、机床制造本钱和操作维护方便程度等因素。,2.机床运动功能设置：,a.分析式设计：参考现有同类机床设计，然后仿真分析；,b.解析式设计：采用创成原理，求出所有可能方案，然后通过仿真分,析评定方案的可行性和优劣。,3.写出机床的运动功能式，画出机床运动功能图,根据以上评定结果，选择机床的运动功能配置。在写出运动功能式、,画出运动功能图。,3.3.2 机床运动功能设置,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,一运动功能分配设计,机床运动功能式描述了刀具与工件间的相对运动，但根底支承件设在何处即接地尚未确定，这就设计到运动功能的分配问题。,运动功能分配设计就是确定运动功能式中“接地的位置，用符号“表示，符号左侧的运动由工件完成，右侧运动由刀具完成,如铣床的运动功能式：W/Xf, Zf, Yf, Cp/T，对应的运动分配式：,卧式升降台铣床： W/Xf, Zf, Yf Cp/T,卧式立柱移动式铣床： W/Xf Zf, Yf, Cp/T,3.3.3 机床总体结构方案设计,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,一运动功能分配设计,选用原那么四条原那么：,1.将运动分配给质量小的零部件“避重就轻,W/Xf, Zf, Yf Cp/T ； W/ Xf, Zf, Yf, Cp/T,2.运动分配应有利于提高工件的加工精度,3.运动分配应有利于提高运动部件的刚度,4.运动分配应视工件形状而定,3.3.3 机床总体结构方案设计,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,二结构布局设计：立式、卧式、斜置式,3.3.3 机床总体结构方案设计,三机床总体结构的概略形状与尺寸设计,设计的主要依据是：机床总体结构布局设计阶段评价后所保存的,机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果，机床动力参数及加,工空间尺寸参数，以及机床整机的刚度及精度分配。,设计过程：,1.首先确定末端执行间的概略形状与尺寸；,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和概略尺寸,3.根据导轨结合部的设计结果和该运动的形成尺寸同时考虑刚度要求，确,定下移功能件形状与尺寸；,4.重复上述过程，直至全部根底支承件底座、立柱、床身等设计完毕,5.假设要进行机床结构模块设计，那么可将功能部件细分为子部件；,卧式机床,立式机床,卧式支承 “,立式支承 “|,单臂支承 “,龙,门,式,支,承 “,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.3.3 机床总体结构方案设计,三机床总体结构的概略形状与尺寸设计,评价的主要因素有：1性能 2制造本钱,3制造周期 4生产率,5与物流的可亲性,6外观造型,7机床总体结构方案设计修改与确定,设计过程：,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。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,一主参数和尺寸参数,3.3.4 机床主要参数的设计,机床的主要技术参数包括机床的主参数和根本参数，根本参数可包,括尺寸参数、运动参数和动力参数。,机床主参数,:代表机床规格大小/反映机床最大工作能力,尺寸参数,:机床的主要结构尺寸参数，包括：,1.与被加工零件有关的尺寸，如卧车最大加工工件长度,2.标准化工具或夹具的安装面尺寸，如卧车主轴锥孔及主轴前端尺寸,例：CA6140型普通车,床的主要技术参数,1主参数：工件最大回转直径400mm；,2第二参数：最大工件长度1000mm；,3其它尺寸参数：刀架最大回转直径 210mm，,主轴内孔直径 48mm。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,二运动参数,3.3.4 机床主要参数的设计,运动参数是指机床执行件如主轴、工作安装部件工作台、刀架的,运动速度。,1.主运动参数：,a.主运动为回转运动的机床：主运动参数为主轴转速：n=1000v/d,b.主运动为直线运动的机床：主运动参数可以是刀具每分钟往复次数，,也可是装夹工件的工作台的移动速度。,最低nmin和最高nmax)转速确实定,对设计机床可能进行的工序进行分析，从中选择要求最高、最低转,速的典型工序，按照典型工序的切削速度和刀具或工件的直径，,计算最高、最低转速及变速范围R：,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,二运动参数：1.主运动参数,3.3.4 机床主要参数的设计,通用机床的,dmax,和,dmin,是指经济加工直径，对于通用机床，一般取：,确定机床主轴的最高转速主要考虑因素：,机床主传动类型。,普通机床，一般最高转速,2000r/min,数控机床采,用交流伺服电机或变频电机变速，主轴最高转速,5000-50000r/min.,b.,采用的刀具类型、材质和切削角度：,刀具的最大切削速度与其类型,、材质和切削角度有直接关系。,实例：400mm普通车床nmax和nmin确实定,那么 dmaxKD0.5400200(mm),dmin Rddmax50 (mm),nmax1273(r/min),n,max,的计算,据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材，半精车外圆时，主轴,n,最高，按经验并参考切削用量手册。,取,v,max,200m/min，,k,，,R,d,刀具,材料,工件,材料,零件,形状,工 序,d,max,(mm),v,min,(m/min),n,min,(r/min),高速钢,铸铁,盘类,粗车,端面,400,15,11.9,高速钢,合金,钢材,圆棒料,粗车梯形螺纹,50,1.5,9.55,根据上表的计算结果，应该选择：,nminr/min, nmin的计算,据分析，以下两道工序所要求的主轴转速中较低的一个为主轴最低转速。, nmax、 nmin确实定,CA6140主轴的最低转速为10 r/min，最高转速为1400 r/min。与计算结果相符。,考虑今后技术开展的储藏，新设计400mm车床主轴的转速为：,nmax1600r/min,nmin10r/min,Rn160,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,二运动参数：1.主运动参数,3.3.4 机床主要参数的设计,2主轴转速的合理排列,确定了最大、最小转速后，如采用有级变速，应进行转速分级。目,前多数机床主轴转速是按等比级数排列，其公比符号为 ，转速级数,Z，那么转速数列为：,有的机床中间转速选用时机多，可采用两端公比大、中间公比小的混,合公比转速系列。,3标准公比值 和标准转速数列：,标准公比确实定原那么：公比大于1小于2，转速数列中转速呈10倍比,关系。故 。,标准公比方表3-5所示，不仅可用于有级变速、双行程数和进给量数,列，也可用于机床尺寸和功率参数等数列。,3标准公比,表3-5 标准公比,从表中可以看到：,1标准公比都是在1 2之间；,2标准公比是2的E2次方根，其数列每隔N项增大或缩小2倍便于采用双速电动机 ；,3标准公比是10的E1次方根，便于设计和使用机床。,表1-2 标准公比之间的关系,1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2,1.06,2,1.06,4,1.06,6,1.06,8,1.06,10,1.06,12,1.12,2,1.12,3,1.12,4,1.12,5,1.12,6,1.26,2,1.26,3,1.41,2,n,1,30,n,10,236,n,2,37.5,n,11,300,n,3,47.5,n,12,375,n,4,60,n,13,475,n,5,75,n,14,600,n,6,95,n,15,750,n,7,118,n,16,950,n,8,150,n,17,1180,n,9,190,n,18,1500,n,11,n,10,n,14,4,n,10,n,18,17,n,1,n,max,17,n,min,如：X6132铣床主轴共有,Z,=18级转速,（1-4）,R,n,n,max,/,n,min,Z1,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,二运动参数：1.主运动参数,3.3.4 机床主要参数的设计,4公比 的选用：,公比值小那么相对转速损失小，但当变速范围一定时变速级数增多，,变速箱结构复杂。,对于通用机床，机床损失不会引起加工周期过多地延长，为了变速,箱结构不过于复杂，一般取或等较大公比；对于大批大量生产,用的专用机床，情况相反，通常取或等较小公比。,5变速范围Rn，公比和级数Z之间的关系：,上式给出了Rn、公比、级数Z三者之间关系，任意两个，可求出,第三个，公比和级数求出时应圆整为标准数和整数。,通用机床,专门化机床,和自动机床,大型,机床,非自动,小型机床,公比,1.26,1.41,1.12,1.26,1.06,1.12,1.26,1.58,1.78,2.0,原因,变速级数较多；,机床结构不能过于复杂；,转速损失不能太大。,切削时间较长，生产率较高 ；,机床不经常变速，变速机构可以采用交换齿轮。,切削时间较长，转速损失影响较大。,机床辅助时间较长，切削加工时间所占比例不大。,4公比的选用,依据：生产率和机床结构复杂性。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,二运动参数：,3.3.4 机床主要参数的设计,2.进给量确实定,数控机床中进给量广泛使用无级变速，普通机床既有无级也有有级,变速。采用有级变速时，进给量一般为等比级数，确定方法与主轴转速,相同。首先根据工艺要求，确定最大、最小进给量，然后选取标准公比,或进给量级数Zf，再又式3-2求出参数。,3.变速形式与驱动方式选择,机床的主运动和进给运动的变速方式有无级和有级两种形式，主要考,虑机床自动化程度和本钱两个因素，数控机床一般采用伺服电机无机变,速形式，其他机床多采用有级变速或组合变速形式。,机床的驱动方式常用的有电动机驱动和液压驱动，主要根据机床的变,速形式和运动特性要求来确定，驱动方式比较可参见第四章。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,3.3.4 机床主要参数的设计,三动力参数：机床驱动各种电机的功率或转矩,1主电动机功率确实定,2进给驱动电动机功率确实定,3快速运动电动机功率确实定,金属切削机床实例课外资料,车、镗、磨等工序,钻、扩等工序,1、主运动电动机功率,切削功率,P,切,主运动电动机功率,空载功率,P,空,附加机械摩擦损失功率,P,辅, 切削功率,可按下表计算,常用工序切削功率计算式, 附加机械摩擦损失功率,可按下式计算。, 空载功率 可按教材P.79式3-5计算,因此，主运动电动机功率为：,P,主,P,切,P,空,(,P,切,辅,P,切,),P,空,P,切,辅,当机床结构未确定时，上式计算困难，,粗略估算可用以下经验公式：,式中,床,为机床总机械效率，主运动为回转运动时，,床,，主运动为直线运动时， ,床,2、进给运动电动机功率, 进给运动与主运动共用电动机 ：,如普车、钻床等，进给消耗功率远小于主传动,功率。普车进给功率只有主功率。, 进给运动与快速进给共用电动机, 快速移动所消耗的功率进给运动功率, 电动机功率确定取决于快速移动功率。,确定方法：,采用参考同类型机床和计算相结合的方法。由于进给运动的速度较低，空载功率很小，所以在计算时可略去。,进给运动电机功率取决于进给的有功功率和传动件的机械效率。即：, 单独使用电动机,式中：Q进给牵引力，V进进给速度，进给传动系的机械效率,3、快速移动电动机功率,快速移动电机在启动时的消耗功率最大，此时须同时克服,惯性力,和,摩擦力,。,启动时的电动机功率为：,式中 P快 快速运动电动机功率KW；,P摩 克服摩擦力所需的功率KW；,P惯 克服惯性力所需的功率KW；,P,快,P,惯,P,摩,P,惯,的计算, P摩的计算,1水平运动,2升降运动,第三章 金属切削机床设计,3.4 主传动系设计,一、主传动系设计应满足的根本要求,二、主传动系分类和传动方式,三、分极变速主传动系,上一页,下一页,退出,返回主页,四、无极变速主传动系,返回本章,五、数控机床主传动系,设计特点,运动设计：运用转速图的根本原理，拟定满足给定的转速或速度要求的合理传动系统方案。,内容,拟定结构式或结构网；,拟定转速图；,合理分配各传动副的传动比；,确定齿轮齿数和皮带轮直径；,绘制机床的传动系统图。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.1 主传动系设计应满足的根本要求,一 满足机床使用性能要求:,满足机床的运动特性，如主轴有足够的转速范围和转速技术。设计合理，操作方便灵活。,二 满足机床传递动力要求：,主电机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的转动效率。,三 满足机床工作性能的要求：,所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形稳定,四 满足产品设计经济性的要求：,传动链尽可能短，零件数目要少，以便节约材料和本钱。,五 维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配，,防护性好，使用寿命长。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.2 主传动系分类和传动方式,主传动系一般由动力源如电动机、变速装置及执行件如 主轴、刀架、工作台，以及开停、换向和制动机构等局部组成。,一主传动系分类,1按驱动主传动的电机类型：,交流电动机驱动、直流电动机驱动,2按传动装置类型：,机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合,3按变速的连续性：,分极变速传动、无极变速传动,二主传动系的传动方式,集中传动方式：主传动系的全部传动和变速机构集中,装在同一个主轴箱内。 图11,别离传动方式 ：主传动系中的大局部传动和变速机构,装在远离主轴的单独变速箱中。 图12,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,一拟定转速图和结构式,1转速图 在转速图中可以表示出传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。,设一中型卧室车床，其变速传动系 图13,2结构式 变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用 表示。级比 中的指数值 称为指数，相当于上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。,a传动系统图 b转速图,图4-2 卧式车床主运动的传动系统图与转速图,一、,转速,图,1、转速图的概念, 定义：,把各轴(包括主轴)的转速画在,对数坐标,中，并把有关转速之间的传动比也画出来的一种线图。,组成,转速线,传动轴线,转速点,传动线, 根本概念,1变速组的级比和级比指数,级比 x变速组中两相邻传动比的比值；,级比指数 x转速图上两相邻传动线相距的格数。,2根本组和扩大组,根本组 x1的变速组。,扩大组 x1的变速组。,扩大顺序 变速组按 x 值由小到大依次排列的顺序。,3）变速组的变速范围,基本组：,第一扩大组：,第二扩大组：,第二扩大组,c,级比：,6,x,2,6,r,2,6,第一扩大组,b,级比：,3,x,1,3,r,1,3,基本组,a,级比：,x,0,1,r,0,2,a,b,c,1400,1000,710,500,355,250,180,125,90,63,45,电动机 ,功用,1主轴各级转速的传动路线；,2传动顺序；,3变速组数目；,4变速组传动副数、变速范围；,5根本组和扩大组；,6传动轴数目、转速级数、转速大小；,7各传动副级比关系、传动比的数值；,126256,2448,2262,1872, 结构网与转速图的区别,1结构网只表示各变速组内传动比的相对关系；,2结构网上代表传动比的射线常画成对称形式；,3结构网是转速图的通式；,4结构网也可用结构式来表示,即：,12312326,2、,结构网和结构式,1传动系统的组成情况 变速组数目、各变速组的传动副数和各变速组的级比指数；,2传动顺序和扩大顺序；,3各变速组的传动副数；,4各变速组的变速范围；,5各变速组中相邻传动比的关系级比。, 结构网(式)表达的内容,123,1,2,3,2,6,1、原始依据,机床类型；,主轴最高、最低转速,n,max,、,n,min,；,主轴转速级数,Z,；,公比,；,电动机转速,n,电,。,二、 主传动链转速图的拟定,2、具体步骤,变速组的数目,及其传动副数,结构网(式),变速组传动比,齿数或皮,带轮直径,绘制转速图,传动线,齿数或皮,带轮直径,转速图,传动轴线,转速线,x、r,m,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,二各变速组的变速范围及极限传动比,变速组中最大与最小传动比的比值，称为,该变速组的变速范围。即：,i=0，1，2，j),在设计机床主传动系时，,一般限制降速最小传动比,直齿圆柱齿轮的 最大升速比,斜齿圆柱齿轮可取,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,三主变速传动系设计的一般原那么,1传动副前多后少的原那么:,使主变速传动系中更多传动件在高速范围内工作，尺寸小一些，节省变速箱造价，减小变速箱外形尺寸。,2传动顺序与扩大顺序相一致的原那么：,3变速组的变速要前慢后快，中间轴的转,速不宜超过电动机的转速,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,四主变速传动系的几种特殊设计,1具有多速电动机的主变速传动系设计,采用多速异步电机和其它方式联合使用，可以,简化机床的机械结构，使用方便。,多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图/16,2具有交换齿轮的变速传动系,交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。交换,齿轮可用较少的齿轮，得到多级转速，变速箱,结构大大简化。,液压多刀半自动车床主变速传动系/17,3采用公用齿轮的变速传动系,采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。铣床主变速传动系图/11,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,五扩大传动系变速范围的方法,1增加变速组,2采用背轮机构,3采用双公比的传动系,4采用分支传动,一、增加变速组的传动系统,依据：,R,n,R,a,R,b,R,c, ,R,m,。,特点：,转速重叠，传动副不能得到充分利用。,原因,：,变速组的变速范围受到极限变速范围的限制。,例：,公比,的常规传动系统,最后扩大组的极限变速范围,r,2, ,z/2,6, 8,主轴转速的最大变速范围：,R,max, ,z-1,11,= 45,主轴转速的最大变速级数：,Z,max,12,相应的结构式：,123,1,2,3,2,6,现增加一个变速组，设其传动副数为2，那么按转速图的根本规律，该传动系统的结构式变为：,243,1,2,3,2,6,2,12,该传动系统最后扩大组的变速范围为：,措施：将新增加的变速组的变速范围缩小到极限值，即Rn68。这时，有6级转速出现重复，主轴转速只有18级即246。,R,n,12,64810,6级转速重复的结构网,6级转速重复,3,1,2,3,2,6,2,(12-6),二、采用背轮机构(单回曲机构),离合器M,轴 轴,整个背轮机构,一个变速组，则,该,变速组,的极限变速范围为:,注意点:,1如果采用别离式传动，主轴箱和变速箱之间用皮带传动，高速时可以直接传动主轴减少主轴振动，提高传动平稳性；并可缩短高速传动链，提高传动效率。同时应尽可能提高皮带传递的最低转速，以防止皮带轮尺寸太大。,2合上离合器后，应使背轮脱开，也就是Z3/Z4传动副脱开，否那么在主轴高速旋转时，通过Z3/Z4传动副将使轴以高于主轴的转速空转，增加机床空载功率损失，同时又增加齿轮噪声并加剧磨损。,三、采用对称混合公比传动系统,主轴转速数列采用几个公比的传动系统，称为,混合公比,或,多公比的传动系统,。,四、双速电机传动系统,变速方式,改变定子绕组的接线方式,改变绕组磁极数,同步转速,（r/min）,1500/3000,750/1500,同步转速,之比,电,2,机床上常用的双速电动机,特点及应用,场 合,与其它变速方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便，并能在运转中变速。适用于自动机床、半自动机床以及普通机床。,电变速组：,双速电动机本身具有两级转速，在传动系统中相当于具有两个传动副的变速组。,常用的公比 和，这时 232，故电变速组通常为第一扩大组，其级比指数即为根本组的传动副数。,双速电动机使用时的注意点：,传动系统的公比只能是,，,，,，,，,2,。因为这些公比的整数次方等于,2,，可以保证转速数列实现等比数列。,3,1,2,3,电 ,1.26,电 ,2,1,2,2,1.41,假设 ，根本组的传动副数必须为3；,假设 ，根本组的传动副数必须为2。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,六齿轮齿数确实定,对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可依据机械,设计手册推荐的方法确定。,确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和是很关键的。各对传动副的齿数和应该是相同的。,齿轮的中心距取决于传递的扭矩。扭矩越大，中心矩越大。,一般在主传动中，取最小齿轮齿数：,三联滑移齿轮的最大与次大齿数之间的齿 数差应大,于或等于4，保证滑移时不相碰。,齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：,式中： n-主轴实际转速 n-主轴的标准转速 -公比,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,七计算转速,1机床的功率扭转特性,驱动直线运开工作台的这类机床的主运动属恒扭矩,传动。如刨床的工作台。,主运动是旋转运动的机床根本上是恒功率传动。如,车床、铣床的主轴。,主轴或各传动件传递全部功率的最低 转速为它们的,计算转速,2变速传动系中传动件计算转速确实定,变速传动系中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算,转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。确定的顺序是,先定出主轴的计算转速，再顺次由后往前，定出各传动主,轴的计算转速，然后再确定齿轮的计算转速。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,八变速箱内传动件的空间布置与计算,1变速箱内各传动轴的空间布置,各传动轴是空间布置,卧式车床主轴箱横截面图/23，展开图/24,各传动轴在一个铅直平面内,卧式铣床变速箱/25,2变速箱内各传动轴的轴向固定,轴向固定的方法有：,一端固定/26、两端固定/27。,3各传动轴的估算和验算,按扭转刚度估算轴的直径,按弯曲刚度验算轴的直径,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.4 无级变速主传动系,一无级变速装置的分类,机床主传动中常采用的无级变速装置,有三大类：变速电动机、机械无级变速,装置、液压无级变速装置,二无级变速主传动系设计原那么,1尽量选择功率和扭矩特性符合传动,系要求的无级变速装置。,2无极变速系统装置单独使用时，其,调速范围较小，满足不了要求，尤,其是恒功率调速范围往往远小于机,床实际需要的恒功率变速范围。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,一主传动采用直流或交流电动机无级调速,1直流电动机无级调速,一般直流电动机恒扭矩调速范围较,大，达30，甚至更大；而恒功率调,速范围较小，仅能到达23。,2交流电动机无级调速,一般交流电动机体积小，转动惯性,小，动态响应快；采用全封闭结构，,具有空气强冷，保证高转速和较强,的超载能力，具有很宽的调速范围。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,二数控机床驱动电动机和主轴功率特性的,匹配设计,在设计数控机床主传动时，必须考虑,电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由,于主轴要求的恒功率变速范围 远大于,电动机恒功率变速范围 ，所以在电动,机于主轴之间要串联一个分级变速箱，以,扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率,切削对电动机的输出功率的要求。,设计分级变速箱时，考虑机床结构的,复杂程度，运转平稳性要求等因素，变速,箱公比的选取有以下三种情况：,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,二数控机床驱动电动机和主轴功率特性的,匹配设计,1取变速箱的公比 等于电动机的恒,功率调速范围 ，即 = ，功率特,性图是连续的，无缺口和无重合。,2假设要简化变速箱结构，变速级数应少,些，变速箱公比 可取达于电动机的恒,功率调速范围 ，即 。,图31、32,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,二数控机床驱动电动机和主轴功率特性的,匹配设计,3如果数控机床为了恒线速切削需在运,转中变速时，取变速公比 小于电动机的,恒功率变速范围，即 ，在主传动,系功率特性图上有小段重合，这时变速箱,的变速级数将增多。图33、34,第