機(jī)械加工設(shè)備的功能設(shè)計(jì)

1、機(jī)械加工設(shè)備的功能設(shè)計(jì) 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(jì)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(shí)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(jì)的目標(biāo)，機(jī)械加工設(shè)備的功能方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的核心。常規(guī)設(shè)計(jì)一般從結(jié)構(gòu)開始，而功能設(shè)計(jì)則是將對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)化為對(duì)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(jì)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(dòng)化程度和生產(chǎn)率等，因此，要設(shè)計(jì)好一臺(tái)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(jì)。設(shè)備設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)，繼而根據(jù)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度逐層分解為各個(gè)子功能，一直分解到有最終解的原理對(duì)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(gè)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(gè)部件模塊，如床身模塊、立柱模塊、工作臺(tái)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(shí)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(yùn)動(dòng)。設(shè)備的功能設(shè)計(jì)首先要根據(jù)零件加工方法進(jìn)行設(shè)備

3、的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)，是由操作者控制的，則為普通加工設(shè)備；若是自動(dòng)控制的，則為自動(dòng)化加工設(shè)備。設(shè)計(jì)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(jì)的依據(jù)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)者應(yīng)作充分調(diào)查研

4、究，明確設(shè)計(jì)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(duì)運(yùn)動(dòng)而形成的，因此開展設(shè)備的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，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(duì)于不同類型的設(shè)備，功能方案設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)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(jì)制造。對(duì)于通用加工設(shè)備，加工對(duì)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(duì)刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)等）以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)位于坐標(biāo)軸尺寸為零的點(diǎn)上，手指指向尺寸增加的方向?yàn)樽鴺?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(yùn)動(dòng)分別用a、b、c表示。 2.3描述設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能 加工設(shè)備通過一定形式的運(yùn)動(dòng)完成切削任務(wù)。描述設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能是表達(dá)切削加工的運(yùn)動(dòng)原理的有效手段，對(duì)整個(gè)設(shè)備方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了擺脫傳統(tǒng)思

6、維的束縛，略去個(gè)性和偶然性，力求突出普遍適用和本質(zhì)的東西，對(duì)加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能作抽象化描述，用運(yùn)動(dòng)功能式來表示工作機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式及各個(gè)基本運(yùn)動(dòng)功能排列順序等。在設(shè)備上，運(yùn)動(dòng)由執(zhí)行件來實(shí)現(xiàn)，刀具和工件分別安裝在主軸、刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行部件上。執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)形式，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)最易實(shí)現(xiàn)。無論工作機(jī)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)如何復(fù)雜，設(shè)備上執(zhí)行件的基本運(yùn)動(dòng)形式只有直線移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩種，而復(fù)雜運(yùn)動(dòng)由多個(gè)基本單元運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。執(zhí)行件所作運(yùn)動(dòng)是設(shè)備最基本的物理效能。執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)、切入運(yùn)動(dòng)、主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、輔助運(yùn)動(dòng)等。執(zhí)行件所作的表面成形運(yùn)動(dòng)按照不同

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

8、符號(hào)沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般采用形象直觀的圖形和符號(hào)表示即可。圖1對(duì)搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。在運(yùn)動(dòng)功能圖上，同時(shí)注明了與其相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)功能式。圖中cv為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，zf為鉆頭的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，ca、za、xa為刀具調(diào)整運(yùn)動(dòng)，用來調(diào)整刀具與工件的相對(duì)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(shí)現(xiàn)的機(jī)械功能便是加工設(shè)備的基本運(yùn)動(dòng)功能。設(shè)備的總功能用基本運(yùn)動(dòng)功能的組合進(jìn)行描述?；竟δ艿牟煌M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(duì)運(yùn)動(dòng)分配給的執(zhí)行件不同，可以形成多種功能方案。 3.1運(yùn)動(dòng)功能的分配組合 機(jī)械加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能式（或功能圖）描述了刀具與工件之

9、間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，可由刀具完成，也可由工件完成，還須進(jìn)一步地分解。運(yùn)動(dòng)一方為執(zhí)行件，靜止一方為支承件。明確運(yùn)動(dòng)是由刀具一方完成，還是由工件一方完成，便是運(yùn)動(dòng)功能的不同分配組合方案。運(yùn)動(dòng)功能分配組合是確定運(yùn)動(dòng)功能式中執(zhí)行件的位置，在運(yùn)動(dòng)符號(hào)下標(biāo)里加w或t來區(qū)分。加w的運(yùn)動(dòng)由工件完成，加t由刀具完成。機(jī)械加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能式明確了執(zhí)行件之后，便成為設(shè)備運(yùn)動(dòng)分配式。一個(gè)運(yùn)動(dòng)功能方案，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì)，可以得到一個(gè)或多個(gè)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分配式，如搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)功能式與相對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)分配式設(shè)計(jì)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(duì)于立柱

10、中心的半徑，cta調(diào)整刀具相對(duì)于立柱中心的回轉(zhuǎn)角度，zta調(diào)整刀具相對(duì)于工件的高度。大型工件鉆孔不便移位，工件靜止不動(dòng)，五個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)。方案四為主軸擺動(dòng)-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(gè)角度，在方案一的基礎(chǔ)上增加了橫臂沿x軸的調(diào)位運(yùn)動(dòng)

11、。對(duì)上述滿足基本運(yùn)動(dòng)要求的方案，需要從工作性能、動(dòng)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(píng)價(jià)，從中選出最優(yōu)方案。對(duì)比分析上述運(yùn)動(dòng)功能式，保留下的運(yùn)動(dòng)功能式都可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)眾多的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(duì)大型工件位置還需進(jìn)一步調(diào)整，調(diào)整運(yùn)動(dòng)太多太復(fù)雜，刀具工件之間相對(duì)調(diào)位運(yùn)動(dòng)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(jì)階段。 3.2擬定設(shè)備傳動(dòng)原理圖 設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能圖只表示運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示運(yùn)動(dòng)之間的傳動(dòng)關(guān)系。若將動(dòng)力裝置與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運(yùn)動(dòng)及傳

12、動(dòng)關(guān)系同時(shí)表示出來，就是設(shè)備的傳動(dòng)原理圖。圖2為搖臂鉆床鉆孔時(shí)的成形運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)原理圖。傳動(dòng)原理圖表示每一條傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)聯(lián)系以及傳動(dòng)鏈之間的相互關(guān)系，并表達(dá)加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)全部切削運(yùn)動(dòng)的原理。圖2中的ctv表示刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為鉆削主運(yùn)動(dòng)；ztf表示刀具沿鉆孔中心線直線運(yùn)動(dòng)，為鉆削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。uv表示主運(yùn)動(dòng)變速變向調(diào)整機(jī)構(gòu)，uf表示進(jìn)給運(yùn)動(dòng)變速變向調(diào)整機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)原理圖對(duì)采用機(jī)械變速傳動(dòng)或還是機(jī)械傳動(dòng)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(duì)輔助運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)關(guān)系可不予繪制。 4設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定設(shè)備的組成部件，以及各個(gè)部件和操縱機(jī)構(gòu)在整臺(tái)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(tái)、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(tái)和刀架有移動(dòng)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(yùn)動(dòng)分配形式和實(shí)現(xiàn)的功能方案不同，又可以有多種結(jié)構(gòu)配置形式，對(duì)運(yùn)動(dòng)分配設(shè)計(jì)作階段性評(píng)價(jià)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(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)布局方案如圖3所示。對(duì)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(píng)價(jià)，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(jì)階段評(píng)價(jià)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(yùn)動(dòng)功能的