機(jī)械加工設(shè)備的功能設(shè)計

1、機(jī)械加工設(shè)備的功能設(shè)計 1引言 加工設(shè)備的功能是指機(jī)械零件加工的效能，是設(shè)備加工所發(fā)揮的功效與性能。機(jī)械加工設(shè)備功能設(shè)計的任務(wù)是研究機(jī)械零件如何被加工出來，分析加工過程能量流、物料流和信息流輸入與輸出之間的因果關(guān)系，實現(xiàn)所需要的精度。滿足機(jī)械零件成形是設(shè)備功能設(shè)計的目標(biāo)，機(jī)械加工設(shè)備的功能方案設(shè)計是整個設(shè)計任務(wù)的核心。常規(guī)設(shè)計一般從結(jié)構(gòu)開始，而功能設(shè)計則是將對機(jī)械結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)化為對產(chǎn)品的功能研究，不受現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)約束，更有助于提出創(chuàng)造性構(gòu)思。由于機(jī)械加工設(shè)備總體設(shè)計方案在很大程度上決定著設(shè)備的工藝范圍、加工精度、自動化程度和生產(chǎn)率等，因此，要設(shè)計好一臺高性能的機(jī)械加工設(shè)備，第一步就要做好設(shè)備的功

2、能方案設(shè)計。設(shè)備設(shè)計的出發(fā)點是滿足機(jī)械零件加工的需求，切削加工是加工設(shè)備的總功能。首先通過分析機(jī)械零件表面成形方法確定機(jī)械零件切削所需的運動與傳動，繼而根據(jù)設(shè)備運動的復(fù)雜程度逐層分解為各個子功能，一直分解到有最終解的原理對應(yīng)為止，然后將各子功能重新組合成具有層次性的功能結(jié)構(gòu)，各個子功能映射到加工設(shè)備切削總功能的原理解。根據(jù)切削功能，映射設(shè)備布局方案，進(jìn)而將設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)劃分為各個部件模塊，如床身模塊、立柱模塊、工作臺模塊和主軸單元模塊等，從而形成機(jī)械加工設(shè)備整機(jī)的三維實體模型。 2設(shè)備功能的確定 機(jī)械加工設(shè)備的基本功能是提供切削加工所必須的各種運動。設(shè)備的功能設(shè)計首先要根據(jù)零件加工方法進(jìn)行設(shè)備

3、的運動功能設(shè)計，隨之明確設(shè)備的工作原理。加工設(shè)備的基本工作原理是：通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料，形成工件表面規(guī)則的幾何形狀和尺寸，并達(dá)到其所需的精度。若加工設(shè)備功能的實現(xiàn)，是由操作者控制的，則為普通加工設(shè)備；若是自動控制的，則為自動化加工設(shè)備。設(shè)計加工設(shè)備的第一步，是確定功能原理。功能原理是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，對整個設(shè)計的影響較大。因此，在擬定功能方案的過程中，必須全面地、周密地考慮，使所定方案技術(shù)上合理、先進(jìn)，且經(jīng)濟(jì)效益較高。加工設(shè)備功能原理設(shè)計的影響因素包括工件材料與結(jié)構(gòu)形狀、同類型加工設(shè)備、有關(guān)的科技成果、使用要求以及制造條件等。設(shè)計者應(yīng)作充分調(diào)查研

4、究，明確設(shè)計要求，掌握有關(guān)資料，在深入分析的基礎(chǔ)上，提出機(jī)械加工設(shè)備的功能方案。 2.1分析設(shè)備加工工藝范圍 工件的加工表面是通過加工設(shè)備上刀具與工件的相對運動而形成的，因此開展設(shè)備的運動設(shè)計，需要首先了解工件表面的形成方法。同一種表面有多種加工方法，對于不同類型的設(shè)備，功能方案設(shè)計的側(cè)重點不同。對于專用加工設(shè)備，應(yīng)側(cè)重于工件加工工藝分析。專用設(shè)備只能完成某一零件的特定工序，為特定表面的加工工藝服務(wù)，如加工曲軸、連桿的專用加工設(shè)備，根據(jù)曲軸、連桿結(jié)構(gòu)表面的特定工藝要求專門設(shè)計制造。對于通用加工設(shè)備，加工對象為工件群，加工方法較多。由于通用加工設(shè)備的工藝范圍較寬，可以加工多類零件的不同工序，功能

5、往往比較復(fù)雜，因此要求設(shè)備調(diào)整控制更加方便。為了擴(kuò)展通用加工設(shè)備的功能，側(cè)重于新技術(shù)的應(yīng)用和性能的創(chuàng)新。 2.2建立設(shè)備的工作坐標(biāo)系 設(shè)備的工作坐標(biāo)系是為了確定刀具或工件在設(shè)備中的特殊位置（如對刀點、換刀點等）以及相對運動軌跡而建立的幾何坐標(biāo)系。沿主軸的軸線取為Z軸。坐標(biāo)原點位于坐標(biāo)軸尺寸為零的點上，手指指向尺寸增加的方向為坐標(biāo)軸正方向。X、Y性線軸按右手定則確定，旋轉(zhuǎn)軸按右手螺旋法確定，繞X、Y、Z軸的回轉(zhuǎn)運動分別用A、B、C表示。 2.3描述設(shè)備的運動功能 加工設(shè)備通過一定形式的運動完成切削任務(wù)。描述設(shè)備運動功能是表達(dá)切削加工的運動原理的有效手段，對整個設(shè)備方案設(shè)計至關(guān)重要。為了擺脫傳統(tǒng)思

6、維的束縛，略去個性和偶然性，力求突出普遍適用和本質(zhì)的東西，對加工設(shè)備運動功能作抽象化描述，用運動功能式來表示工作機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的運動個數(shù)、運動形式及各個基本運動功能排列順序等。在設(shè)備上，運動由執(zhí)行件來實現(xiàn)，刀具和工件分別安裝在主軸、刀架或工作臺等執(zhí)行部件上。執(zhí)行件的運動形式，以旋轉(zhuǎn)運動和直線運動最易實現(xiàn)。無論工作機(jī)構(gòu)上的運動如何復(fù)雜，設(shè)備上執(zhí)行件的基本運動形式只有直線移動和旋轉(zhuǎn)兩種，而復(fù)雜運動由多個基本單元運動復(fù)合而成。執(zhí)行件所作運動是設(shè)備最基本的物理效能。執(zhí)行件的運動功能按照在切削加工中所起的作用不同，可分為表面成形運動、切入運動、主運動、進(jìn)給運動、輔助運動等。執(zhí)行件所作的表面成形運動按照不同

7、的作用可分為主運動、進(jìn)給運動等。切入運動為進(jìn)給運動，如果不伴隨切屑的形成，則為空行程調(diào)整尺寸的運動。運動坐標(biāo)軸用大寫字母表示，用下標(biāo)v表示主運動、用下標(biāo)f表示進(jìn)給運動、用下標(biāo)a表示輔助運動?；具\動功能的排列順序左邊寫主運動，中間寫進(jìn)給運動，右邊寫輔助運動，三部分的內(nèi)容用“”分開，多個同類運動之間用+相連。如搖臂鉆床共有五個坐標(biāo)軸作基本運動，其運動功能式寫成CvZfXa+Za+Ca，如圖1所示。 2.4繪制設(shè)備運動功能圖 加工設(shè)備的運動功能用簡單明了的圖形和符號繪制出其運動功能圖。加工設(shè)備運動功能圖表示所設(shè)計的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的各種主要運動功能方案，與運動功能式相對應(yīng)，是設(shè)備傳動系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)，其

8、符號沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般采用形象直觀的圖形和符號表示即可。圖1對搖臂鉆床運動功能進(jìn)行設(shè)計。在運動功能圖上，同時注明了與其相對應(yīng)的運動功能式。圖中Cv為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動，Zf為鉆頭的軸向進(jìn)給運動，Ca、Za、Xa為刀具調(diào)整運動，用來調(diào)整刀具與工件的相對鉆孔孔位。 3設(shè)備功能的求解 加工設(shè)備總功能可細(xì)分為基本功能，由執(zhí)行件實現(xiàn)的機(jī)械功能便是加工設(shè)備的基本運動功能。設(shè)備的總功能用基本運動功能的組合進(jìn)行描述。基本功能的不同組合便是設(shè)備切削功能的多解，完成同一結(jié)構(gòu)零件的加工，由于相對運動分配給的執(zhí)行件不同，可以形成多種功能方案。 3.1運動功能的分配組合 機(jī)械加工設(shè)備運動功能式（或功能圖）描述了刀具與工件之

9、間的相對運動，但沿各坐標(biāo)軸的運動，可由刀具完成，也可由工件完成，還須進(jìn)一步地分解。運動一方為執(zhí)行件，靜止一方為支承件。明確運動是由刀具一方完成，還是由工件一方完成，便是運動功能的不同分配組合方案。運動功能分配組合是確定運動功能式中執(zhí)行件的位置，在運動符號下標(biāo)里加w或t來區(qū)分。加w的運動由工件完成，加t由刀具完成。機(jī)械加工設(shè)備運動功能式明確了執(zhí)行件之后，便成為設(shè)備運動分配式。一個運動功能方案，經(jīng)過運動功能分配設(shè)計，可以得到一個或多個相對應(yīng)的運動分配式，如搖臂鉆床的運動功能式與相對應(yīng)運動分配式設(shè)計成下述四種方案：方案一為極坐標(biāo)調(diào)位法：CtvZtfXta+Zta+Cta，其中Xta調(diào)整刀具相對于立柱

10、中心的半徑，Cta調(diào)整刀具相對于立柱中心的回轉(zhuǎn)角度，Zta調(diào)整刀具相對于工件的高度。大型工件鉆孔不便移位，工件靜止不動，五個坐標(biāo)運動全部由刀具完成。方案二為極坐標(biāo)調(diào)位加主軸擺角法：CtvZtfXta+Zta+Cta+Bta，在方案一的基礎(chǔ)上增加主軸箱圍繞Y軸的回轉(zhuǎn)調(diào)整運動Bta，擴(kuò)大了鉆床鉆孔的工藝范圍。方案三為極坐標(biāo)調(diào)位加底座移動法，CtvZtfXta+Zta+Cta+Xta，在方案一的基礎(chǔ)上增加了底座沿X軸的調(diào)位運動。方案四為主軸擺動-懸臂橫移法：CtvZtfXta+Zta+Cta+Bta+Xta，Bta可使主軸箱圍繞Y軸回轉(zhuǎn)調(diào)整刀具傾斜一個角度，在方案一的基礎(chǔ)上增加了橫臂沿X軸的調(diào)位運動

11、。對上述滿足基本運動要求的方案，需要從工作性能、動力性能、經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)特性等方面進(jìn)行綜合評價，從中選出最優(yōu)方案。對比分析上述運動功能式，保留下的運動功能式都可進(jìn)行運動方案的詳細(xì)設(shè)計。對眾多的運動設(shè)計方案進(jìn)行評價，如方案二可作萬能搖臂鉆床方案；剔除一些明顯不合理方案，如方案三搖臂鉆床移位后對大型工件位置還需進(jìn)一步調(diào)整，調(diào)整運動太多太復(fù)雜，刀具工件之間相對調(diào)位運動數(shù)應(yīng)盡量少，故方案三應(yīng)剔除。篩選出性能優(yōu)良的第一方案進(jìn)入加工設(shè)備的正式設(shè)計階段。 3.2擬定設(shè)備傳動原理圖 設(shè)備的運動功能圖只表示運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示運動之間的傳動關(guān)系。若將動力裝置與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運動及傳

12、動關(guān)系同時表示出來，就是設(shè)備的傳動原理圖。圖2為搖臂鉆床鉆孔時的成形運動傳動原理圖。傳動原理圖表示每一條傳動鏈的傳動聯(lián)系以及傳動鏈之間的相互關(guān)系，并表達(dá)加工設(shè)備實現(xiàn)全部切削運動的原理。圖2中的Ctv表示刀具回轉(zhuǎn)運動，為鉆削主運動；Ztf表示刀具沿鉆孔中心線直線運動，為鉆削進(jìn)給運動。uv表示主運動變速變向調(diào)整機(jī)構(gòu)，uf表示進(jìn)給運動變速變向調(diào)整機(jī)構(gòu)。傳動原理圖對采用機(jī)械變速傳動或還是機(jī)械傳動加電氣控制的設(shè)備，能夠清楚地表達(dá)其設(shè)備的功能原理，對輔助運動的傳動關(guān)系可不予繪制。 4設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計是確定設(shè)備的組成部件，以及各個部件和操縱機(jī)構(gòu)在整臺設(shè)備中的配置。機(jī)械加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)形式

13、取決于主軸、工作臺、刀架和床身的布局。主軸的布置有立式、臥式或斜置式；工作臺和刀架有移動式或回轉(zhuǎn)式，而床身是基礎(chǔ)支承件，其結(jié)構(gòu)形式有底座式、立柱式、龍門式等；基礎(chǔ)支承件的結(jié)構(gòu)又有一體式和分離式等。因此同一種功能原理，由于運動分配形式和實現(xiàn)的功能方案不同，又可以有多種結(jié)構(gòu)配置形式，對運動分配設(shè)計作階段性評價后保留下來的功能結(jié)構(gòu)布局方案就有很多，搖臂鉆床的運動與結(jié)構(gòu)布局方案如圖3所示。對全部機(jī)械加工設(shè)備結(jié)構(gòu)布局方案需要再次進(jìn)行評價，去除不合理方案。如方案四，搖臂鉆床的懸臂可向兩側(cè)橫移，但底座不夠穩(wěn)定，需緊固在基座上，而且安裝工件需附加支承基座，故方案四應(yīng)去除。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段評價的依據(jù)主要是定性分析加工設(shè)備的整體剛度、安全操縱、占地面積、與物流系統(tǒng)的可親性等因素。在保證設(shè)備運動功能的前提下，對多種結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行比較分析，最終選擇方案一作為常用的搖臂鉆床整機(jī)結(jié)構(gòu)形式。 5結(jié)語 機(jī)械加工設(shè)備功能設(shè)計的落腳點