機(jī)電裝備設(shè)計第六章(12-14)

6.1總體設(shè)計6.1.1機(jī)床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求

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

1精度機(jī)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(jī)床的精度包括幾何精度、傳動精度、運(yùn)動精度和定位精度和工作精度等。第六章金屬切削機(jī)床與數(shù)控化11）幾何精度是機(jī)床在不運(yùn)動或運(yùn)動速度較低時的精度。由機(jī)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(yùn)動軌跡的精度所決定的。2）傳動精度是指機(jī)床傳動系統(tǒng)各末端執(zhí)行件之間相對運(yùn)動的協(xié)調(diào)性和準(zhǔn)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(shè)計的合理性。3）運(yùn)動精度是指機(jī)床的主要部(組)件以工作狀態(tài)的速度運(yùn)動時的精度。4）定位精度是指機(jī)床主要部件在運(yùn)動終點(diǎn)所達(dá)到的實(shí)際位置的精度。

5）工作精度機(jī)床加工規(guī)定的試件所能達(dá)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(jī)床所要求的精度。主要影響因素是磨損。2除對機(jī)床本身的精度要求外，還要求機(jī)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。●動載荷隨時間變化的力，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(jī)床剛度分為靜剛度及動剛度按照載荷的性質(zhì)不同，分為靜載荷和動載荷。33抗振性機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)床內(nèi)部，也可能來自于機(jī)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(yán)重影響加工表面的質(zhì)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(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性之間的相互作用而產(chǎn)生的。機(jī)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?！蛴捎诠ぜc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?qū)⒅饾u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?！蛟谲嚧采锨胁刍蚯袛鄷r特別明顯?！蜃约ふ駝拥哪芰縼碛谇邢鞅旧?。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(jī)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(jī)床的工藝范圍是指機(jī)床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求的能力。5加工精度和表面粗糙度

機(jī)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(dá)到的準(zhǔn)確程度。影響機(jī)床加工精度的主要因素有機(jī)床的精度和靜剛度等。

機(jī)床自動化程度，可以用機(jī)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(jī)床大致可分為自動、半自動和普通機(jī)床三類。6自動化程度67機(jī)床壽命

隨著技術(shù)設(shè)備更新的加速，對機(jī)床壽命所要求的時間也在減短?！裰小⑿⌒屯ㄓ脵C(jī)床，壽命約為八年左右；●專用機(jī)床則要求短些，因?yàn)樗鼘㈦S所加工的產(chǎn)品的更新而廢棄；●大型機(jī)床和精密級、高精度級機(jī)床，則要求壽命長些，因?yàn)檫@些機(jī)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(jì)效益。機(jī)床壽命就是機(jī)床保持它應(yīng)具有的加工精度的時間。78人機(jī)關(guān)系●

機(jī)床應(yīng)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(jī)床對周圍環(huán)境的污染，噪聲要低，不僅噪聲聲級要達(dá)到規(guī)定值以下，而且不能對入耳有強(qiáng)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(jī)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(jī)關(guān)系問題，—人機(jī)學(xué)或稱宜人學(xué)(Ergonomics)。86.1.2設(shè)計步驟機(jī)床設(shè)計系統(tǒng)框圖→總體方案設(shè)計包括：(1)運(yùn)動功能設(shè)計(2)基本參數(shù)設(shè)計(3)傳動系統(tǒng)設(shè)計(4)總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(5)控制系統(tǒng)設(shè)計96.1.3幾何運(yùn)動設(shè)計●機(jī)床是依靠刀具與工件之間的相對運(yùn)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(yùn)動，而成為不同類型的機(jī)床；●車床為獲得圓柱面，應(yīng)有主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(主運(yùn)動)和刀架溜板的縱向移動(進(jìn)給運(yùn)動)，車端面時則刀架作橫向進(jìn)給運(yùn)動。1工作原理

要進(jìn)行機(jī)床的幾何運(yùn)動設(shè)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(yùn)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(dǎo)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(yùn)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(yùn)動的關(guān)系相切法

范成法●

加工表面的形成是母線形成和導(dǎo)線形成的組合。●加工表面形成所需的刀具與工件之間的相對運(yùn)動也是形成母線和導(dǎo)線所需相對運(yùn)動的組合。

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

14（2）形狀創(chuàng)成運(yùn)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(yùn)動數(shù)目也不同。圖a）中，用點(diǎn)刃車刀車外圓柱面，形成直母線需要一個創(chuàng)成運(yùn)動v，形成圓導(dǎo)線需要一個形狀創(chuàng)成運(yùn)動n，共需兩個創(chuàng)成運(yùn)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(yùn)動，圓導(dǎo)線形成需要一個創(chuàng)成運(yùn)動n。

15●非成形運(yùn)動

除了上述成形運(yùn)動之外，機(jī)床還需設(shè)置一些其他運(yùn)動，稱為非成形運(yùn)動。如切入運(yùn)動(使刀具切入)；分度運(yùn)動(當(dāng)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(yùn)動)：輔助運(yùn)動(如刀具的接近、退刀、返回等)?！皙?dú)立運(yùn)動與其他運(yùn)動之間無嚴(yán)格的關(guān)系要求?！饛?fù)合運(yùn)動與其他運(yùn)動之間有嚴(yán)格的關(guān)系要求。如車螺紋的復(fù)合運(yùn)動。對機(jī)械傳動形式的機(jī)床來講，復(fù)合運(yùn)動是通過內(nèi)聯(lián)系傳動鏈來實(shí)現(xiàn)的；對數(shù)控機(jī)床而言，復(fù)合運(yùn)動是通過運(yùn)動軸的聯(lián)動來實(shí)現(xiàn)的。2）按運(yùn)動之間的關(guān)系分類164運(yùn)動功能方案設(shè)計1）工藝分析2）選取坐標(biāo)系參照數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系，沿X、Y、Z軸的直線運(yùn)動符號及運(yùn)動量仍用X、Y、Z表示，繞X、Y、Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動用A、B、C表示，其運(yùn)動量用α、β、γ表示。3）寫出機(jī)床幾何運(yùn)動功能關(guān)系式運(yùn)動功能關(guān)系式表示機(jī)床的運(yùn)動個數(shù)、形式(直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動)、功能(主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動、非成形運(yùn)動），分別用下標(biāo)（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(yùn)動，按運(yùn)動順序排列，并用“／”分開。

機(jī)床的幾何運(yùn)動功能方案的設(shè)計方法和步驟如下：174）畫出機(jī)床運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖機(jī)床幾何運(yùn)動功能關(guān)系式18機(jī)床運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖195）繪制機(jī)床傳動原理圖●機(jī)床的運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖只表示運(yùn)動的個數(shù)、形式、功能及運(yùn)動構(gòu)件聯(lián)接關(guān)系，不表示運(yùn)動之間的傳動關(guān)系?！駥恿υ磁c執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運(yùn)動及傳動關(guān)系同時表示出來，就是傳動原理圖。a)合成機(jī)構(gòu)b)傳動比可變的變速傳動c)傳動比不變的傳動20機(jī)床傳動原理圖21機(jī)床傳動原理圖2223246.1.4總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

機(jī)床幾何運(yùn)動機(jī)構(gòu)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(yùn)動。如刨削平面，可以由刀具作往復(fù)運(yùn)動如牛頭刨床，也可以由工件作往復(fù)運(yùn)動如龍門刨床實(shí)現(xiàn)，兩者效果是一樣的。至于哪些運(yùn)動由刀具一側(cè)完成，哪些運(yùn)動由工件一側(cè)完成還未確定，基礎(chǔ)支承件設(shè)在何處是未知數(shù)。所以，首先要進(jìn)行運(yùn)動功能的分配。251幾何運(yùn)動功能分配設(shè)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(zhuǎn)，主運(yùn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)主運(yùn)動和軸向進(jìn)給運(yùn)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(zhuǎn)主運(yùn)動，鉆頭只作軸向進(jìn)給運(yùn)動?！窆ぜ闹亓恳话銇碚f，都是使重量較輕的部件運(yùn)動。影響幾何運(yùn)動功能分配的因素為2627通過幾何運(yùn)動功能分配設(shè)計確定了基礎(chǔ)支承件，即運(yùn)動功能式中“接地”的位置，用“●”符號表示。“●”符號左側(cè)的運(yùn)動由工件完成，右側(cè)的運(yùn)動由刀具完成。機(jī)床的運(yùn)動功能式中添加上“●”接地符號后，可稱為運(yùn)動分配式。一個運(yùn)動功能方案，經(jīng)過運(yùn)動功能分配設(shè)計，可以得幾個運(yùn)動分配式?！壳安捎玫姆椒?82結(jié)構(gòu)布局設(shè)計●結(jié)構(gòu)布局形式：立式、臥式及斜置式等；●基礎(chǔ)支承件形式：底座式、柱式和龍門式等；●基礎(chǔ)支承件結(jié)構(gòu)：一體式和分離式等等；●結(jié)構(gòu)布局形式：運(yùn)動分配設(shè)計階段評價后保留下來的運(yùn)動分配式方案的全部結(jié)構(gòu)布局方案有很多種，因此需要再次進(jìn)行評價，去除不合理方案；●評價依據(jù)：主要定性分析機(jī)床的剛度、占地面積以及對物流系統(tǒng)開放性等因素；●設(shè)計結(jié)果：機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖。29五軸鏜銑機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖303總體結(jié)構(gòu)草繪設(shè)計設(shè)計主要依據(jù)：機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖，驅(qū)動與傳動設(shè)計結(jié)果、機(jī)床動力參數(shù)、加工空間尺寸參數(shù)以及機(jī)床整機(jī)的剛度及精度分配。進(jìn)行運(yùn)動或支承部件的概略形狀和尺寸設(shè)計。設(shè)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(shè)計末端執(zhí)行件與其相鄰的下一個功能部件的結(jié)合部的形式、概略尺寸；3）確定下一個功能部件(即滑臺側(cè))的概略形狀與尺寸；4)基礎(chǔ)支承件(底座、立柱、床身等)設(shè)計；5）進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計；6)初步進(jìn)行造型與色彩設(shè)計；7)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案的綜合評價。31326.2主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計●機(jī)床主參數(shù)代表機(jī)床規(guī)格大小，反映機(jī)床最大工作能力的一種參數(shù)。有些機(jī)床還規(guī)定有第二主參數(shù)，通用機(jī)床主參數(shù)已有標(biāo)準(zhǔn)。專用機(jī)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(jī)床型號編制方法

GB/T15375一1994Metal-cuttingmachinetoolsMethodoftypedesignation包括機(jī)床的尺寸參數(shù)、運(yùn)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(jī)床的類和分類代號34機(jī)床的通用特性代號356.2.2運(yùn)動參數(shù)運(yùn)動參數(shù)：指機(jī)床執(zhí)行件如主軸、工作臺和刀架等的運(yùn)動速度。1主運(yùn)動參數(shù)對于主運(yùn)動是回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床，其主運(yùn)動參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速，它與切削速度的關(guān)系是對于主運(yùn)動是直線運(yùn)動的機(jī)床，如插床或牛頭刨床，主運(yùn)動參數(shù)是插刀或刨刀的每分鐘往復(fù)次數(shù)(次/分)。36●主軸要進(jìn)行變速，確定變速范圍及最低和最高轉(zhuǎn)速，并確定采用無級變速，還是采用有級變速。●確定nmax和nmin的方法，主要是分析所設(shè)計的機(jī)床可能進(jìn)行的工序，從中選擇要求最高、最低轉(zhuǎn)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(jìn)給運(yùn)動參數(shù)●大部分機(jī)床的進(jìn)給量用工件或刀具每轉(zhuǎn)的位移量表示，即單位為mm/r，如車床、鉆床、鏜床、滾齒機(jī)等?！裰本€往復(fù)運(yùn)動的機(jī)床，如刨、插床，以每一往復(fù)的位移表示?！胥姶埠湍ゴ?，由于使用的是多刃刀具，進(jìn)給量常以每分鐘的位移量表示，即單位為mm／min。機(jī)床上廣泛采用有級或無級變速方式來實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量的變換。如T68型鏜床的進(jìn)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(jìn)給機(jī)構(gòu)簡單，采用間歇進(jìn)給棘輪機(jī)構(gòu)，進(jìn)給量由每次往復(fù)轉(zhuǎn)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(jī)的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達(dá)或步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩等。機(jī)床各傳動件的結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)動力參數(shù)設(shè)計計算的。如果動力參數(shù)定得過大，將使機(jī)床過于笨重，浪費(fèi)材料和電力：如果定得過小，又將影響機(jī)床的性能。計算方法在現(xiàn)階段只能做為參考，原因?yàn)椋和ㄓ脵C(jī)床使用情況復(fù)雜，切削用量的變化較大；對某些加工過程中切削力和進(jìn)給力的規(guī)律還沒有很好地掌握；機(jī)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(jī)功率的確定

空載功率：機(jī)床主運(yùn)動空轉(zhuǎn)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(jī)要消耗一部分功率，為空轉(zhuǎn)功率損失Pq，其值隨傳動件轉(zhuǎn)速的增大而增大，與傳動件預(yù)緊程度及裝配質(zhì)量有關(guān)。402）進(jìn)給傳動系統(tǒng)驅(qū)動功率的確定機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動驅(qū)動功率的確定有幾種情況：(1)進(jìn)給運(yùn)動與主運(yùn)動共用一個電動機(jī)，如臥式車床、鉆床等。統(tǒng)計結(jié)果：臥式車床進(jìn)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(jìn)給運(yùn)動中工作進(jìn)給與快速進(jìn)給共用一個電動機(jī)，由于快速進(jìn)給所需功率遠(yuǎn)大于工作進(jìn)給的功率，且兩者不同時工作，所以不必單獨(dú)考慮工作所需功率，如升降臺銑床。(3)進(jìn)給運(yùn)動采用單獨(dú)電動機(jī)驅(qū)動，則需要確定進(jìn)給運(yùn)動所需功率(或轉(zhuǎn)矩)。對普通交流電動機(jī)，進(jìn)給電動機(jī)功率由下式計算416.3刀架和自動換刀裝置設(shè)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(shù)的發(fā)展，采用自動更換刀具裝置，實(shí)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(diǎn)幾秒?！庸ぶ行模∕C)42(1)滿足工藝要求；為了實(shí)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(zhuǎn)位。(2)保證足夠的重復(fù)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(jié)構(gòu)形式①方刀架②轉(zhuǎn)塔刀架③回輪式刀架按驅(qū)動刀架轉(zhuǎn)位的動力分①手動轉(zhuǎn)位刀架②自動(電動和液動)轉(zhuǎn)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(yīng)用較廣，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動慣量大，選刀運(yùn)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?zhǔn)降稁烊萘枯^大，當(dāng)采用多環(huán)鏈?zhǔn)降?/p>