智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì) 課件第3-5章 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)理論與方法、數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第三章數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)理論與方法《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》

主要內(nèi)容23智能檢測單元數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法TRIZ理論與創(chuàng)新方法數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法3

1.1數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)要求機(jī)床的設(shè)計(jì)首先要滿足所要求的加工功能，即機(jī)床的工藝范圍，包括機(jī)床能完成的加工方法、適應(yīng)的工件類型、可加工表面形狀、尺寸范圍、材料及毛坯種類等。其次要考慮機(jī)床的主要使用性能，高性能是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)中最重要的內(nèi)容，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）高效率。單位時(shí)間的產(chǎn)出能力，即加工效率。對金屬切削加工機(jī)床而言，就是材料切除率或加工特定零件的循環(huán)時(shí)間。它在很大程度上取決于機(jī)床的動(dòng)靜態(tài)性能，特別是其結(jié)構(gòu)件尺寸和形狀所決定的靜態(tài)剛度。（2）高精度。機(jī)床的精度可以定義為刀具在加工零件表面時(shí)所到達(dá)的位置與程序設(shè)定值的偏離度。精度最終表現(xiàn)為工件的尺寸精度、工件形狀要素間的相互位置精度和微觀的表面粗糙度。（3）智能化。數(shù)控機(jī)床不僅延伸了人的體力和腦力，還將能夠進(jìn)一步采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、處理信息，具有自行做出判斷和采取行動(dòng)的能力。除了上述使用性能外，還要求機(jī)床具有宜人性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維修性以及良好的技術(shù)服務(wù)。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法4

1.2數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)方法機(jī)床設(shè)計(jì)方法隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，主要經(jīng)歷了這樣幾個(gè)階段：(1)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段：上世紀(jì)40年代中期之前，機(jī)床設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是解決加工與強(qiáng)度問題，即刀具與工件之間需要某種相對運(yùn)動(dòng)，以加工出一定形狀的工件。同時(shí)機(jī)床零部件還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不受破壞。(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段：上世紀(jì)40年代中期到60代初期，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及工藝水平的提高，機(jī)床設(shè)計(jì)不僅要解決加工與強(qiáng)度的問題，還要解決機(jī)床的精度及性能問題。如運(yùn)動(dòng)精度、剛度、抗振性、低速平穩(wěn)性、熱變形、噪聲和磨損等(3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段：上世紀(jì)60年代中期以來，科學(xué)技術(shù)的新成就、理論研究的進(jìn)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使機(jī)床設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。把實(shí)際問題簡化為模型，用計(jì)算機(jī)分析、計(jì)算并選定最佳方案。目前，機(jī)床設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字化方法和手段，從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向定量設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合、從靜態(tài)設(shè)計(jì)向動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、從幾何實(shí)體設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析向動(dòng)態(tài)分析仿真、從可行性設(shè)計(jì)向最優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法5

1.3數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)思想現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了一個(gè)以試驗(yàn)研究及理論計(jì)算為基礎(chǔ)的較高級(jí)階段。不僅尋求產(chǎn)品本身的最佳化，還要實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)的全過程以至整個(gè)系統(tǒng)的最佳化?，F(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想是與現(xiàn)代科技發(fā)展相適應(yīng)的一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，其主要內(nèi)容包括：(1)設(shè)計(jì)對象系統(tǒng)化把設(shè)計(jì)對象視為一個(gè)系統(tǒng)，不僅關(guān)注其組成單元要素，還要考慮邊界、環(huán)境和輸人輸出等特征，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的那種局部、孤立地處理問題，而是整體、系統(tǒng)地對待設(shè)計(jì)對象。(2)設(shè)計(jì)內(nèi)容完善化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想已超出常規(guī)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，擴(kuò)展到概念設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和宜人性設(shè)計(jì)等更加完善的內(nèi)容。使機(jī)床產(chǎn)品實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀及舒適，具有更強(qiáng)的競爭力。(3)設(shè)計(jì)目標(biāo)最優(yōu)化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想追求的是目標(biāo)最優(yōu)化，不僅是對某項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的單一目標(biāo)優(yōu)化，而且要對系統(tǒng)的諸多參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)的整體優(yōu)化，利用計(jì)算機(jī)求得理論上的精確解即最佳方案。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法6

1.3數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)思想(4)設(shè)計(jì)問題模型化模型是對設(shè)計(jì)問題的高度概括和抽象，數(shù)學(xué)模型是最適于分析和研究的一種形式。通過數(shù)學(xué)模型把工程問題與數(shù)學(xué)理論緊密結(jié)合起來，借助計(jì)算機(jī)對設(shè)計(jì)問題進(jìn)行定量運(yùn)算和優(yōu)化處理，并可應(yīng)用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。(5)設(shè)計(jì)過程動(dòng)態(tài)化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想更加注重產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能，在設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)首先要建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過驗(yàn)算或?qū)嶋H測試加以驗(yàn)證。然后用計(jì)算機(jī)對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，獲得最優(yōu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方案。(6)設(shè)計(jì)手段計(jì)算機(jī)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中必不可少的設(shè)計(jì)手段和強(qiáng)大支柱。在初步設(shè)計(jì)階段，可進(jìn)行方案的分析、選擇、評價(jià)和決策。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定，運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力或其他特性分析，材料選擇，成本計(jì)算，參數(shù)優(yōu)化和繪圖等工作。在工作圖設(shè)計(jì)階段，可繪制零件圖、標(biāo)注尺寸及公差配合，編制、存貯和管理各種技術(shù)文件。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法7

1.4數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)新視角設(shè)計(jì)視角的“新”表現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，不僅聚焦于機(jī)床的技術(shù)性能、效率和可靠性，而且還關(guān)注人、生態(tài)環(huán)境、全生命周期效益、人機(jī)協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。（1）重視生態(tài)和環(huán)境機(jī)床是消耗能量的產(chǎn)品。機(jī)床不僅要具有高的加工效率，還應(yīng)該具有高的生態(tài)效益。生態(tài)效益也稱為資源效益，是指機(jī)床在加工過程中有效使用能源和物料的能力。它體現(xiàn)節(jié)能減排的水平和綠色化的程度，是新一代機(jī)床的重要標(biāo)志。機(jī)床存在于車間環(huán)境中，離不開周圍的機(jī)群和人群。機(jī)床既要保證操作者的安全又不造成車間環(huán)境的污染或影響其他設(shè)備的正常工作，還要構(gòu)建一個(gè)和諧、協(xié)調(diào)和愉快的工作環(huán)境。因此，基于宜人學(xué)和藝術(shù)造型的結(jié)合，賞心悅目的外觀和操作的方便性將構(gòu)成機(jī)床產(chǎn)品競爭力的新要素。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法8

1.4數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)新視角（2）關(guān)注全生命周期機(jī)床產(chǎn)品的生命周期長，機(jī)床的使用年限一般為10年，甚至更長一些。機(jī)床在整個(gè)生命周期內(nèi)應(yīng)該保證其可用性和創(chuàng)造價(jià)值的能力。在設(shè)計(jì)階段不僅應(yīng)該考慮機(jī)床的維修周期、便捷性和成本，還要關(guān)注能源和其他材料的消耗。典型案例分析表明，機(jī)床使用期間的碳排放量占整個(gè)生命周期排放總量的90%以上。如果采用輕量化設(shè)計(jì)方案，雖有可能會(huì)增加機(jī)床的制造成本或售價(jià)較高，但卻能明顯降低全生命周期的能耗和使用費(fèi)用，無論是對機(jī)床制造商還是最終用戶，如何取舍，大有講究。我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，發(fā)展節(jié)能產(chǎn)品的大趨勢不可阻擋。歐盟有關(guān)機(jī)床的能效標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)出臺(tái)，能耗必將成為進(jìn)入國際市場的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。為了制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該將生態(tài)效益和全生命周期評價(jià)作為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新目標(biāo)，以減少在其整個(gè)生命周期內(nèi)對環(huán)境的負(fù)面影響。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法9

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法（1）新流程傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)過程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是設(shè)計(jì)，第二個(gè)階段是試制。如圖3-1所示，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是借助CAD建立三維實(shí)體模型，經(jīng)過主觀評價(jià)后，加以分解，繪制零件圖。這種設(shè)計(jì)方法主要是基于以往的經(jīng)驗(yàn)，即使采用有限元分析，也大多局限于結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和變形分析，既沒有對機(jī)床整機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仔細(xì)深入的分析，更沒有考慮加工過程和控制回路對機(jī)床結(jié)構(gòu)的影響。樣機(jī)制造出來以后，經(jīng)過調(diào)試和試切，必然出現(xiàn)各種問題。于是再想辦法修改設(shè)計(jì)，消除缺陷，重新制造物理樣機(jī)。通過試運(yùn)行、調(diào)整和驗(yàn)收，才能投入批量生產(chǎn)。圖3-1傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)過程第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法10

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法（1）新流程新設(shè)計(jì)方法的目標(biāo)是物理樣機(jī)試制一次成功，縮短開發(fā)周期。這就要在CAD實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，建立機(jī)床和加工過程相互作用的模型，借助有關(guān)分析軟件求解機(jī)床整機(jī)在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和熱載荷下的響應(yīng)。設(shè)計(jì)階段的輸出不僅是圖樣，而且是對機(jī)床性能反復(fù)優(yōu)化的結(jié)果。新的機(jī)床設(shè)計(jì)流程與傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)流程的區(qū)別主要是，在設(shè)計(jì)階段引入建模、仿真和虛擬機(jī)床，在計(jì)算機(jī)上反復(fù)優(yōu)化，從而減少機(jī)床試制階段的人力物力的浪費(fèi)，縮短新機(jī)床的開發(fā)周期，加快推出新產(chǎn)品，如圖3-2所示。圖3-2機(jī)床設(shè)計(jì)的新流程第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法11

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法（2）集成化設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)床的性能和效率主要取決于其運(yùn)動(dòng)組合、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、控制系統(tǒng)和加工過程的相互作用，并非僅僅是機(jī)床結(jié)構(gòu)本身。此外，作用在機(jī)床上的載荷，無論是切削力、慣性力和熱量都是動(dòng)態(tài)的，僅僅考慮靜態(tài)的應(yīng)力和變形是不夠的。因此，新設(shè)計(jì)方法的另一特點(diǎn)是將機(jī)床動(dòng)力學(xué)、切削動(dòng)力學(xué)和控制回路響應(yīng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)來考量，將零件加工的要求作為系統(tǒng)的輸入，謀求在上述子系統(tǒng)的相互作用下獲得最佳綜合性能?？刂葡到y(tǒng)機(jī)床動(dòng)力學(xué)切削動(dòng)力學(xué)零件加工要求圖3-3數(shù)控機(jī)床的集成化設(shè)計(jì)第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法12

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法機(jī)床設(shè)計(jì)過程可以分為6個(gè)階段：實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)分析、部件設(shè)計(jì)與計(jì)算、有限元分析和優(yōu)化、機(jī)電耦合柔性多體系統(tǒng)、物理樣機(jī)試制、仿真結(jié)果驗(yàn)證。在不同的設(shè)計(jì)階段采用不同的方法、工具和軟件來優(yōu)化。整個(gè)設(shè)計(jì)過程是集成化的、反復(fù)擬合的、從簡單到復(fù)雜的仿真優(yōu)化過程。在概念設(shè)計(jì)階段，可以在三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上借助簡單的剛性多體仿真模型來確定機(jī)床的配置和運(yùn)動(dòng)特性。檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)拓?fù)涫欠窈侠?、幾何尺寸是否正確、部件運(yùn)動(dòng)時(shí)是否干涉。借助有限元分析軟件可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)床的主要部件和整機(jī)在各種載荷下表現(xiàn)的性能，此時(shí)機(jī)床及其部件是有柔度的，在載荷作用下會(huì)變形，與實(shí)際工作狀態(tài)接近?？梢灶A(yù)測機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，用于改進(jìn)機(jī)床的設(shè)計(jì)。例如，在保證機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度前提下的移動(dòng)部件質(zhì)量輕量化。高端數(shù)控機(jī)床的特征是高速、高精度和多軸控制，因此，在設(shè)計(jì)階段就必須借助機(jī)電耦合和柔性多體動(dòng)力學(xué)仿真來分析機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和控制回路的相互作用，以高剛度、輕量化的機(jī)床結(jié)構(gòu)配合高動(dòng)態(tài)性能的驅(qū)動(dòng)裝置來保證復(fù)雜零件的加工精度。新方法的難點(diǎn)在于輸入?yún)?shù)的正確性和邊界條件的合理性。第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法2.1TＲIZ理論的組成TＲIZ是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成一套成熟的理論體系，主要包括：TRIZ技術(shù)系統(tǒng)8大進(jìn)化法則、最終理想解IFR、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾和4大分離原理、物-場模型分析、發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識(shí)庫。TRIZ的內(nèi)容按照作用可以分成基本原理、問題分析體系、問題求解體系如圖3-4。圖3-4TRIZ主要內(nèi)容和理論框架第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法2.1TＲIZ理論的組成TＲIZ是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成一套成熟的理論體系，主要包括：TRIZ技術(shù)系統(tǒng)8大進(jìn)化法則、最終理想解IFR、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾和4大分離原理、物-場模型分析、發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識(shí)庫。TRIZ的內(nèi)容按照作用可以分成基本原理、問題分析體系、問題求解體系如圖3-4。圖3-4TRIZ主要內(nèi)容和理論框架第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法152.2TＲIZ解決問題的流程TRIZ將發(fā)明問題分為二大類：標(biāo)準(zhǔn)問題和非標(biāo)準(zhǔn)問題。TRIZ解決問題流程是首先將待解決的問題轉(zhuǎn)化為通用問題，提取實(shí)際問題中的技術(shù)矛盾或物理矛盾并轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題。TRIZ提出了39個(gè)通用化參數(shù)，在問題解決過程中，把實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的沖突或矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的通用化參數(shù)。同時(shí)利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣，得出對應(yīng)的發(fā)明解決原理，結(jié)合實(shí)際問題，選擇符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)明原理，得出最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。其解決問題的一般流程如圖3-5所示。圖3-5TRIZ解決問題的一般流程第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法163問題的提出沖突的確定問題重構(gòu)與分析沖突求解24512.2TＲIZ解決問題的流程方案生成(1)問題的提出。通過問卷調(diào)查、座談會(huì)、頭腦風(fēng)暴等手段，用自然語言的方式，提出當(dāng)前待解決的問題，形成問題列表，為后續(xù)問題分析做準(zhǔn)備。(2)問題重構(gòu)與分析。將問題描述為用各類技術(shù)參數(shù)表示的形式。(3)沖突的確定。在問題分析的基礎(chǔ)上，先確定待改善的參數(shù)，再確定惡化的參數(shù)。分析參數(shù)的相關(guān)性。(4)沖突求解。于技術(shù)沖突，利用技術(shù)沖突矩陣，將改善的參數(shù)對應(yīng)到行上，惡化的參數(shù)對應(yīng)到列上，在行列的交叉處查找發(fā)明原理，可以得到推薦的若干個(gè)發(fā)明原理。(5)方案生成。按照序號(hào)查找發(fā)明原理匯總表，得到發(fā)明原理的名稱。按照發(fā)明原理的名稱，對應(yīng)查找40個(gè)發(fā)明原理的詳解。第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法172.3TRIZ在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用TRIZ在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在利用TRIZ理論進(jìn)行產(chǎn)品和技術(shù)預(yù)測，通過TRIZ理論解決新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)中的問題，如TRIZ的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)以及TRIZ與其他方法集成的設(shè)計(jì)等，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）解決工程實(shí)際中的關(guān)鍵技術(shù)問題，特別是新產(chǎn)品開發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造等；（2）從一般性上探索TRIZ理論在產(chǎn)品創(chuàng)新中的作用。例如，將TRIZ技術(shù)系統(tǒng)演化規(guī)律與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序框架結(jié)合起來，并分析其在設(shè)計(jì)過程中的影響；（3）利用參數(shù)矩陣，對39個(gè)工程參數(shù)賦以一定權(quán)值構(gòu)建評價(jià)矩陣，解決協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)過程中矛盾的消除問題；（4）基于TRIZ理論設(shè)計(jì)以消費(fèi)者需求為中心的產(chǎn)品。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)183.1數(shù)字孿生與創(chuàng)新設(shè)計(jì)數(shù)字孿生技術(shù)以其在高保真建模與仿真、物理與虛擬數(shù)據(jù)融合、產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)集成、網(wǎng)絡(luò)物理交互、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)與分析等方面的獨(dú)特能力，成為智能設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)，并具有廣泛的適用性。數(shù)字孿生技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了以下好處：首先，數(shù)字孿生能以逼真的三維立體感實(shí)時(shí)呈現(xiàn)產(chǎn)品的狀態(tài)，通過虛擬產(chǎn)品的仿真，使物理產(chǎn)品更加智能化，能夠?qū)崟r(shí)主動(dòng)地調(diào)整其行為；其次，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理，可以使虛擬產(chǎn)品更真實(shí)地反映物理產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)再次，基于長期積累的大量數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可以從中提取出有用信息，方便地預(yù)測產(chǎn)品未來的趨勢，包括產(chǎn)品使用、故障、服務(wù)等。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)193.2數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程（1）數(shù)字孿生的五個(gè)維度產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理實(shí)體、虛擬體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)及相互之間的連接五個(gè)組成維度，各組成維度及相互關(guān)系如圖3-7所示。圖3-7數(shù)字孿生的5個(gè)組成維度第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)203.2數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程1）物理實(shí)體。物理實(shí)體是用戶可以使用的真實(shí)產(chǎn)品，通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)，收集產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、維護(hù)維修數(shù)據(jù)等，也可以通過產(chǎn)品網(wǎng)頁收集用戶的瀏覽、下載、評價(jià)信息，上傳到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。2）虛擬體。數(shù)字孿生系統(tǒng)中的虛擬體是物理實(shí)體的鏡像，也稱為數(shù)字孿生體、數(shù)字鏡像、數(shù)字映射、數(shù)字雙胞胎等。3）數(shù)字孿生數(shù)據(jù)。來自物理實(shí)體和虛擬體的數(shù)據(jù)，覆蓋產(chǎn)品全生命周期及多個(gè)領(lǐng)域，這些數(shù)據(jù)集成以后，基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析，可以得到從單一數(shù)據(jù)無法獲得的結(jié)果，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供建議。4）服務(wù)。服務(wù)包括產(chǎn)品的功能服務(wù)和商業(yè)服務(wù)。產(chǎn)品功能服務(wù)是指將各種數(shù)據(jù)、算法進(jìn)行封裝，服務(wù)于數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的分析、集成、挖掘。商業(yè)服務(wù)包括故障預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評估、能耗分析、員工培訓(xùn)、用戶體驗(yàn)等。5）相互之間的連接。通過網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)安全等實(shí)現(xiàn)以上四個(gè)部分之間的相互聯(lián)系。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)213.2數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程（2）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以劃分為明確設(shè)計(jì)任務(wù)、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、虛擬驗(yàn)證幾個(gè)階段。1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)首先要了解用戶的需求，并轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)條件約束下的具體設(shè)計(jì)任務(wù)，數(shù)字孿生因?yàn)榘水a(chǎn)品全生命周期內(nèi)豐富的數(shù)據(jù)，可以幫助設(shè)計(jì)人員明確設(shè)計(jì)任務(wù)。2）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要提出設(shè)計(jì)概念，并對設(shè)計(jì)概念進(jìn)行評估和改進(jìn)。數(shù)字孿生可以給設(shè)計(jì)人員提供豐富的信息和可視化的仿真環(huán)境，使設(shè)計(jì)人員可以通過虛擬體了解產(chǎn)品的行為和性能，基于更多的信息進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和評估。3）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的虛擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員可以基于數(shù)字孿生創(chuàng)建逼真的仿真場景，有效地對原型進(jìn)行仿真測試，并準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品的實(shí)際性能。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)223.3主要的相關(guān)技術(shù)（1）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的TRIZ如上一節(jié)所述，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則是TRIZ的理論基礎(chǔ)，任何一種產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)都受客觀規(guī)律的支配。TRIZ理論認(rèn)為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計(jì)中存在的沖突和矛盾，沖突和矛盾的不斷解決是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)化的動(dòng)力。TRIZ解決沖突和矛盾問題是以理想解為目標(biāo)，力求得到特定技術(shù)問題的最優(yōu)解決方案。借助數(shù)字孿生可以使設(shè)計(jì)人員更好地理解和貫徹TRIZ理論的上述思想。（2）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的虛擬樣機(jī)虛擬樣機(jī)可以代替真實(shí)樣機(jī)對產(chǎn)品的性能進(jìn)行仿真、測試和評價(jià)，可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。將數(shù)字孿生與虛擬樣機(jī)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性、交互性和智能性。數(shù)字孿生結(jié)合了傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，可獲得最佳模型，使虛擬樣機(jī)更加具體和準(zhǔn)確。可以在結(jié)構(gòu)、機(jī)械、熱力、電氣等方面，以及時(shí)間尺度、空間尺度上反映更多細(xì)節(jié)，同時(shí)考慮存在于產(chǎn)品生命周期中的更多不確定因素，如生產(chǎn)干擾、運(yùn)輸延遲以及不同的使用條件等。另一方面，來自物理世界的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以使虛擬樣機(jī)不斷得到更新，使其性能更接近真實(shí)產(chǎn)品。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)233.3主要的相關(guān)技術(shù)（3）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)評估對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估需要對產(chǎn)品的功能、外觀、精度以及成本等指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，從多個(gè)方案中選出最合適的設(shè)計(jì)方案。由于產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段，特別是在概念設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)尚未開始，仍有很多不確定性，很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。數(shù)字孿生可以從上一代產(chǎn)品收集數(shù)據(jù)，由于上一代產(chǎn)品往往與正在設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品具有相當(dāng)多的共同特性。這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在云端并提供給設(shè)計(jì)者，通過對前代產(chǎn)品相似功能模塊的數(shù)據(jù)分析，可以推斷出新產(chǎn)品的一些性能，如能耗、運(yùn)行速度、修復(fù)率、穩(wěn)定性等，使對新產(chǎn)品的評估更具針對性。此外，由于數(shù)字孿生可以從生產(chǎn)、交付、使用和維護(hù)等多個(gè)產(chǎn)品階段收集能耗和成本等指標(biāo)，因此可以實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品全生命周期的角度進(jìn)行評價(jià)。其次，數(shù)字孿生有助于通過仿真減少評估中的不確定性。例如，產(chǎn)品的實(shí)際性能會(huì)受到許多不確定因素的影響，數(shù)字孿生可以模擬這些不確定因素，例如數(shù)溫度、濕度、使用時(shí)間、負(fù)載等，從而可以全面分析不同條件組合下的產(chǎn)品性能。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)243.3主要的相關(guān)技術(shù)（4）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的虛擬調(diào)試虛擬調(diào)試可用于測試單臺(tái)設(shè)備、生產(chǎn)線甚至整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯。將一個(gè)真實(shí)的或仿真的控制器與虛擬模型連接，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試，可以縮短實(shí)際調(diào)試的時(shí)間。這就要求虛擬模型和真實(shí)產(chǎn)品之間有良好的一致性，以保證調(diào)試結(jié)果的可靠性。基于數(shù)字孿生技術(shù)建立的調(diào)試虛擬模型，可以包含更豐富真實(shí)的信息，如動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；可以在虛擬空間和物理空間之間建立雙向連接，從物理設(shè)備收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M模型，使之更新并達(dá)到最新狀態(tài)。如果物理設(shè)備和虛擬模型仿真的性能差異較大，說明虛擬模型和物理設(shè)備不一致，這時(shí)需要反復(fù)調(diào)整模型的參數(shù)，對虛擬模型進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，使其與真實(shí)對象保持一致。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)253.3主要的相關(guān)技術(shù)（5）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的綠色設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)著眼于人與自然的生態(tài)平衡關(guān)系，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮環(huán)境效益，盡量減少對環(huán)境的破壞和影響。綠色設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人們對現(xiàn)代技術(shù)引起的環(huán)境及生態(tài)破壞的反思，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的社會(huì)責(zé)任心的回歸。數(shù)字孿生基于豐富的數(shù)據(jù)支持和可靠的虛擬驗(yàn)證，幫助設(shè)計(jì)人員在材料選擇、零部件拆解、產(chǎn)品回收等方面實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)。產(chǎn)品零部件的拆解是在產(chǎn)品維修或產(chǎn)品報(bào)廢時(shí)移除特定零部件的過程，拆解后的部件可再利用、再循環(huán)或再制造。然而，由于許多產(chǎn)品很難拆解，盡管有些零部件仍然有用，卻不得不丟棄，造成浪費(fèi)。數(shù)字孿生可以提供一些有效的解決方案。在回收過程中，數(shù)字孿生可以通過計(jì)算氣體排放量、運(yùn)營成本、社會(huì)消耗等難以直接測量的指標(biāo)，并進(jìn)行模擬，綜合評估回收的可行性。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)263.3主要的相關(guān)技術(shù)（6）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的精益設(shè)計(jì)精益設(shè)計(jì)以精益理念為指導(dǎo)，旨在簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮減工藝流程，避免因設(shè)計(jì)缺陷引發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量問題，提高產(chǎn)品可靠度，降低產(chǎn)品總成本，同時(shí)，提升設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。數(shù)字孿生技術(shù)所包含的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等環(huán)節(jié)中存在的浪費(fèi)。例如，通過分析產(chǎn)品某個(gè)功能的使用頻率、每次使用的持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵信息，可以識(shí)別非必要的功能；通過檢查生產(chǎn)流程相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)因設(shè)計(jì)而帶來的制造工藝上的浪費(fèi)；根據(jù)產(chǎn)品的維護(hù)記錄，可以發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)或制造原因而造成的維護(hù)環(huán)節(jié)的浪費(fèi)。其次，基于產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足精益要求。由于數(shù)字孿生模型和物理實(shí)體之間有豐富的數(shù)據(jù)交換，例如工作負(fù)載、外部條件等，因此可以進(jìn)行可靠的驗(yàn)證。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)273.3主要的相關(guān)技術(shù)（7）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠設(shè)計(jì)在工廠的概念設(shè)計(jì)、實(shí)施方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段數(shù)字孿生都可以發(fā)揮重要的作用。在概念設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生可以與VR相結(jié)合，為設(shè)計(jì)人員營造一個(gè)身臨其境的協(xié)作平臺(tái)，直觀地展示設(shè)計(jì)。其次，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以通過共享平臺(tái)方便地交換想法并激發(fā)創(chuàng)造力。同時(shí)，便于收集和分析類似工廠的設(shè)計(jì)，從而減少重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率。在實(shí)施方案設(shè)計(jì)中，需要解決更具體的問題，如生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、工藝規(guī)劃、物料搬運(yùn)等。在這一階段，基于數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科和領(lǐng)域間協(xié)作的綜合模擬，例如動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體、結(jié)構(gòu)和機(jī)械等。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生可以與企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等相連接,可以與可編程邏輯控制器（PLC）連接對工廠的控制策略進(jìn)行模擬和調(diào)試。此階段的數(shù)字孿生工廠與實(shí)際工廠幾乎完全一致，它可以呈現(xiàn)給各層級(jí)的管理者和工人，便于根據(jù)用戶體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潛在的問題。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)283.3主要的相關(guān)技術(shù)（7）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)為了保證產(chǎn)品的成本、質(zhì)量、生產(chǎn)效率達(dá)到預(yù)期的要求，需要對產(chǎn)品進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)。然而，由于生產(chǎn)設(shè)備、材料、訂單等都可能發(fā)生非預(yù)期的變化，最初的工藝設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。數(shù)字孿生可以綜合分析來自生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如，設(shè)備運(yùn)行狀況、材料儲(chǔ)存情況、夾具狀態(tài)等，和來自計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的過程信息，例如，加工特征、精度要求、加工類型等，從而自動(dòng)生成可行的工藝方案，并進(jìn)行評估，從中選擇最優(yōu)工藝過程。數(shù)字孿生還能夠預(yù)測生產(chǎn)過程中的意外事件，如設(shè)備故障、刀具損壞等，以降低這些意外事件對加工過程的影響，使工藝設(shè)計(jì)對外界干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。此外，數(shù)字孿生還可以通過碰撞檢測、工藝參數(shù)驗(yàn)證、質(zhì)量評估等，在實(shí)際執(zhí)行加工制造前對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)293.4應(yīng)用案例數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)、機(jī)床聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的逐漸成熟，讓機(jī)床共享成為了現(xiàn)實(shí)。如圖3-8所示，機(jī)床數(shù)據(jù)上“云”，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的大數(shù)據(jù)管理模式，是實(shí)現(xiàn)機(jī)床共享及企業(yè)轉(zhuǎn)型的切實(shí)需要，也是社會(huì)趨勢推動(dòng)的結(jié)果?；跀?shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的機(jī)床設(shè)計(jì)關(guān)鍵步驟如圖3-9所示。圖3-8機(jī)床數(shù)據(jù)上“云”圖3-9基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)關(guān)鍵步驟武漢華工智云科技有限公司第四章數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》

主要內(nèi)容313智能檢測單元數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述12數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)345第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述321.1 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)概述（1）數(shù)控機(jī)床的組成原理●數(shù)控機(jī)床是數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床有機(jī)結(jié)合的精密機(jī)電一體化設(shè)備，由計(jì)算機(jī)控制裝置（CNC）、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置和機(jī)床本體等幾大部分組成。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述33●CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，它接收輸入的數(shù)控加工程序，進(jìn)行存儲(chǔ)、譯碼、計(jì)算（刀補(bǔ)及插補(bǔ)計(jì)算等）、執(zhí)行等處理，將程序段內(nèi)容分為位置數(shù)據(jù)和控制指令，進(jìn)行各種流程處理，完成數(shù)控加工的各項(xiàng)功能?！馛NC裝置的數(shù)據(jù)處理速度和精度決定了數(shù)控加工可以達(dá)到的速度和精度。（1）數(shù)控機(jī)床的組成原理第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述34●伺服驅(qū)動(dòng)裝置把來自CNC裝置的指令信號(hào)調(diào)解、轉(zhuǎn)換、放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)精確定位或使刀具與工件按編程的軌跡做相對運(yùn)動(dòng)?！駭?shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)主要包括主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它們是數(shù)控機(jī)床的核心組件之一，決定了機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)的加工效率和加工質(zhì)量?！駲z測裝置主要用于運(yùn)動(dòng)部件速度和位置實(shí)際值的檢測和反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。（1）數(shù)控機(jī)床的組成原理第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述35●數(shù)控機(jī)床本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在床身、立柱或框架等基礎(chǔ)部件上配置運(yùn)動(dòng)部件。由高剛性的床身和立柱、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（精密主軸及軸承等）、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如滾珠絲杠及軸承、工作臺(tái)等）及輔助機(jī)構(gòu)等組成?！駜?yōu)良的機(jī)械系統(tǒng)是高品質(zhì)的數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的數(shù)控系統(tǒng)可以將優(yōu)良的機(jī)械功能淋漓盡致地發(fā)揮出來。（1）數(shù)控機(jī)床的組成原理第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述361.1 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)概述●數(shù)控機(jī)床本體的基本結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床相似，都包括基礎(chǔ)支承件、導(dǎo)軌、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)、刀架或刀庫等組成?！裼捎跀?shù)控機(jī)床工作在更高的切削速度、更大的進(jìn)給量和切削深度下，因此，其結(jié)構(gòu)和配置與普通機(jī)床又有很大的不同。（2）對數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件的要求第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述37數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件必須具有高精度、高剛度、低慣量、低摩擦系數(shù)、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊忍匦?，具體如下：

●支承件高剛度化；

●傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡約化。

●傳動(dòng)元件精密化。

●輔助操作自動(dòng)化。（2）對數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件的要求

特別是近年來，隨著電主軸、直線電動(dòng)機(jī)等新技術(shù)、新功能產(chǎn)品在數(shù)控機(jī)床上的推廣應(yīng)用，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和配置不斷地發(fā)生著重大的發(fā)展和變化，并形成了自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述381.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（1）精度●包括幾何精度、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)精度，定位精度及精度保持性等；●按精度可分為普通精度級(jí)、精密級(jí)和高精度級(jí)；●在設(shè)計(jì)階段主要從機(jī)床的精度分配、元件及材料選擇等方面來提高機(jī)床精度。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述391.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（1）精度●幾何精度是指在空載條件下，機(jī)床不運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，各主要部件的形狀、相互位置和相對運(yùn)動(dòng)的精確程度。●如導(dǎo)軌的直線度、主軸徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)、主軸中心線對滑臺(tái)移動(dòng)方向的平行度或垂直度等?！駧缀尉戎苯佑绊懠庸すぜ木?，是評價(jià)機(jī)床質(zhì)量的基本指標(biāo)。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述401.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（1）精度●機(jī)床空載并以工作速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要零部件的幾何位置精度為運(yùn)動(dòng)精度，如高速回轉(zhuǎn)主軸的回轉(zhuǎn)精度?！駥τ诟咚倬軝C(jī)床，運(yùn)動(dòng)精度是評價(jià)機(jī)床質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)?！駛鲃?dòng)精度指機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)各末端執(zhí)行件之間運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和均勻性?！裆鲜鼍戎饕Q于相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述411.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（1）精度●定位精度則是指機(jī)床的定位部件運(yùn)動(dòng)到達(dá)規(guī)定位置的精度。定位精度直接影響被加工工件的尺寸精度和幾何精度?！駲C(jī)床構(gòu)件以及進(jìn)給控制系統(tǒng)的精度、剛度以及其動(dòng)態(tài)特性、機(jī)床測量系統(tǒng)的精度都將影響機(jī)床定位精度。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述421.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（1）精度●機(jī)床的工作精度是各種因素綜合影響的結(jié)果，包括機(jī)床自身的精度、剛度、熱變形和刀具、工件的剛度及熱變形等。●通過使用機(jī)床加工規(guī)定的試切件，用試切件的加工精度來表示機(jī)床的工作精度?！裨谝?guī)定的工作期間保持機(jī)床所要求的精度稱為精度保持性。影響精度保持性的主要因素是磨損。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述431.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（2）剛度●數(shù)控機(jī)床的剛度就是機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗這些變行的能力。 K=F/y（4-1）

式中：K--機(jī)床剛度（N/μm）；

F--作用在機(jī)床上的載荷（N）； y--在載荷作用下，機(jī)床或主要零部件的變形（μm）。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述441.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（2）剛度●機(jī)床的靜剛度是指機(jī)床在靜載荷（自重，工件重量等）作用下抵抗變形的能力，它與機(jī)床構(gòu)件的幾何參數(shù)及材料的彈性模量有關(guān)。●機(jī)床的動(dòng)剛度是指機(jī)床在交變載荷（如周期變化的切削力、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)不平衡力、齒輪嚙合傳動(dòng)的沖擊力等）作用下防止振動(dòng)的能力，它與機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)件的阻尼率有關(guān)?！裢ǔＫf的剛度一般指靜剛度，動(dòng)剛度是抗振性的一部分。傳統(tǒng)的提高機(jī)床剛度的方法有合理布局機(jī)床結(jié)構(gòu)、優(yōu)化構(gòu)件的截面形狀和尺寸、合理選擇和布置筋板、采用焊接結(jié)構(gòu)等。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述451.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（2）剛度●機(jī)床由眾多構(gòu)件結(jié)合而成，在載荷作用下各構(gòu)件及結(jié)合部都要產(chǎn)生變形，這些變形直接或間接地引起刀具和工件之間的相對位移，位移的大小代表了機(jī)床的整機(jī)剛度。整機(jī)剛度不能用某個(gè)零部件的剛度評價(jià)，而是指整臺(tái)機(jī)床在靜載荷作用下，各構(gòu)件及結(jié)合面抵抗變形的綜合能力。●在設(shè)計(jì)中既要考慮提高各部件剛度，同時(shí)也要考慮結(jié)合部剛度及各部件間的剛度匹配。各個(gè)部件和結(jié)合部對機(jī)床整機(jī)剛度的貢獻(xiàn)是不同的，設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行剛度的合理分配或優(yōu)化。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述461.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（3）抗振性●機(jī)床抗振性是指在交變載荷作用下抵抗變形的能力，包括抵抗受迫振動(dòng)的能力和抵抗自激振動(dòng)的能力，前者習(xí)慣上稱為抗振性，后者常稱為切削穩(wěn)定性?！駲C(jī)床振動(dòng)會(huì)降低加工精度、工件表面質(zhì)量、刀具耐用度和生產(chǎn)率，并會(huì)產(chǎn)生噪音，加速機(jī)床的損壞等。影響機(jī)床振動(dòng)的主要原因有機(jī)床的剛度、機(jī)床的阻尼特性和機(jī)床系統(tǒng)固有頻率。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述471.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（4）熱變形●機(jī)床在工作時(shí)受到內(nèi)部熱源（如電動(dòng)機(jī)、機(jī)械摩擦副，切削熱等）和外部熱源的影響，導(dǎo)致機(jī)床床身、主軸和刀架等構(gòu)件發(fā)生變形，稱之為機(jī)床熱變形。它不僅會(huì)破壞機(jī)床的原始幾何精度，加快運(yùn)動(dòng)件的磨損，甚至?xí)绊憴C(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。●據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于機(jī)床熱變形而產(chǎn)生的加工誤差最大可占全部誤差的70%左右。特別對精密機(jī)床、大型機(jī)床等，熱變形的影響尤其不能忽視。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述481.2機(jī)床設(shè)計(jì)的基本概念（5）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性●當(dāng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件需要低速運(yùn)行或微小移動(dòng)時(shí)，主動(dòng)件勻速運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)件往往出現(xiàn)明顯的速度不均勻的跳躍式運(yùn)動(dòng)，即時(shí)走時(shí)?；驎r(shí)快時(shí)慢的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為爬行?！衽佬兄饕且騽?dòng)、靜摩擦力變化產(chǎn)生的自激振動(dòng)現(xiàn)象。為防止爬行，在設(shè)計(jì)低速運(yùn)動(dòng)部件時(shí)，應(yīng)減少靜、動(dòng)摩擦因數(shù)之差，如用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦、采用靜壓導(dǎo)軌等；提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度；提高阻尼比和降低移動(dòng)部件的質(zhì)量等。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述491.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則（1）輕量化原則●機(jī)床移動(dòng)部件的輕量化是高端機(jī)床的重要發(fā)展方向。移動(dòng)部件質(zhì)量輕，不僅可以提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能；更重要的是減小驅(qū)動(dòng)功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能省材，達(dá)到環(huán)境友好的目的。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述501.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則（2）高剛度質(zhì)量比原則●機(jī)床結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于其形狀和筋板的合理布置，在輕量化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高剛度和高剛度質(zhì)量比?！裣渲邢浣Y(jié)構(gòu)是機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的重要發(fā)展，它的特點(diǎn)是采用框架式的箱形結(jié)構(gòu)，將一個(gè)移動(dòng)部件嵌入另一個(gè)部件的封閉框架箱中，從而達(dá)到提高剛度、減輕移動(dòng)部件質(zhì)量的目的。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述511.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則（3）重心驅(qū)動(dòng)原則（4）對稱原則（5）短懸伸原則（6）短路徑原則（7）封閉原則第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述521.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法●提高強(qiáng)度、剛度和抗振性不能一味加大零部件的尺寸和重量，應(yīng)利用新技術(shù)、新方法、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，對機(jī)床主要零件和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)?！瘳F(xiàn)代機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借助有限元、多體動(dòng)力學(xué)仿真等技術(shù)對機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行仿真優(yōu)化與驗(yàn)證，取得了良好的效果。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述531.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法（1）靜態(tài)幾何精度設(shè)計(jì)●機(jī)床靜態(tài)幾何精度是指在無外載荷條件下的幾何和位置精度，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的相互平行和垂直，移動(dòng)部件的直線度、定位精度和回轉(zhuǎn)部件的圓周跳動(dòng)等?！駲C(jī)床靜態(tài)幾何精度的設(shè)計(jì)過程應(yīng)先有最終目標(biāo)，然后分解到基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，直至零件的精度配合，即先反向推演，再正向設(shè)計(jì)擬合。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述54（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)●1）動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)與機(jī)床工況第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述55（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)●2）機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型是由實(shí)體模型，經(jīng)物理模型到動(dòng)力學(xué)模型逐步轉(zhuǎn)化而來。并且經(jīng)由動(dòng)態(tài)測試，將動(dòng)力學(xué)模型擬合得到較精密地描述實(shí)體模型的真實(shí)動(dòng)態(tài)性能。

在模型的轉(zhuǎn)化過程中，要略去非主要因素，將復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化為由質(zhì)量M、阻尼器C、彈簧K及力F組成的廣義坐標(biāo)系統(tǒng)，并由數(shù)學(xué)方法來描述。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述56（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)●2）機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型這樣一個(gè)方程的建立和求解的過程是非常復(fù)雜的，必須借助諸如ANSYS等有限元分析計(jì)算軟件。問題在于，要確定各種邊界條件和參數(shù)，如材料的性能參數(shù)，各種形狀截面的慣性矩，各種不同結(jié)合面的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)。通常這些參數(shù)要經(jīng)過精確的動(dòng)態(tài)測試，進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述57（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)●3）機(jī)床的動(dòng)態(tài)測試①動(dòng)態(tài)測試可以為優(yōu)化動(dòng)力學(xué)模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，讓動(dòng)力學(xué)模型更接近于實(shí)物模型。②通過實(shí)測模態(tài)，可發(fā)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)提出方向性措施。

③動(dòng)力學(xué)測試可對已有機(jī)床的正確使用提供方向性指示。④只要在動(dòng)態(tài)測試中取得足夠的原點(diǎn)響應(yīng)和跨點(diǎn)響應(yīng)，則可以通過動(dòng)力學(xué)模型逆向擬合得到各種環(huán)節(jié)的參數(shù)。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)582.1總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)（1）機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)●機(jī)床結(jié)構(gòu)和配置合理與否決定了機(jī)床的總體性能，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)采用在床身、立柱或框架等基礎(chǔ)部件上配置運(yùn)動(dòng)部件。要進(jìn)一步提高機(jī)床的性能，必須從機(jī)床的運(yùn)動(dòng)組合和結(jié)構(gòu)配置入手?！袷紫纫獙λO(shè)計(jì)的機(jī)床的工藝范圍進(jìn)行分析，確定加工方法。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)59（1）機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)●其次是畫出機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能圖。機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能圖是將機(jī)床運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式（直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、非成形運(yùn)動(dòng)）用簡潔的符號(hào)和圖形表達(dá)出來，第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)60（2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)●機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局形式有立式、臥式及斜置式等，其基礎(chǔ)支承件的形式有底座式、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。

因此同一種運(yùn)動(dòng)分配方式可以有多種結(jié)構(gòu)布局形式，需要對這多種布局形式進(jìn)行機(jī)床的剛度、占地面積、與物流系統(tǒng)的相容性等因素的定性分析，得到最優(yōu)的機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)61（2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)●機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局L表示直線運(yùn)動(dòng)R表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)五軸加工中心的運(yùn)動(dòng)組合和結(jié)構(gòu)配置第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)62（2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)●機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局L表示直線運(yùn)動(dòng)R表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)五軸加工中心的運(yùn)動(dòng)組合和結(jié)構(gòu)配置第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)63（2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)●機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局L表示直線運(yùn)動(dòng)R表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)五軸加工中心的運(yùn)動(dòng)組合和結(jié)構(gòu)配置第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)64（2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)●機(jī)床總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計(jì)①確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸。②設(shè)計(jì)末端執(zhí)行件與其相鄰的下一個(gè)功能部件的結(jié)合部的形式、概略尺寸。

③根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)合部的設(shè)計(jì)結(jié)果和該運(yùn)動(dòng)的行程尺寸，同時(shí)考慮部件的剛度要求，確定下一個(gè)功能部件（即滑臺(tái)側(cè)）的概略形狀與尺寸。重復(fù)上述過程，直到基礎(chǔ)支承件（底座、立柱、床身等）設(shè)計(jì)完畢。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)65（2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)●機(jī)床總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計(jì)④若要進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)，則可將功能部件細(xì)分成子部件，根據(jù)制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃，進(jìn)行模塊提取與設(shè)置。⑤初步進(jìn)行造型與色彩設(shè)計(jì)。⑥機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案的綜合評價(jià)。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)66（3）機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算首先，需要根據(jù)機(jī)床加工零件的材料、切削刀具、零件輪廓（尺寸、最小曲率等）、加工精度、加工效率等要求，計(jì)算并給出機(jī)床的加工工藝參數(shù)，包括切削速度、切削力、最大進(jìn)給速度、快速移動(dòng)速度、最大加速度、加工過程中的最大進(jìn)給力等。加工工藝參數(shù)是機(jī)床設(shè)計(jì)的最根本依據(jù)。根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)床的加工工藝參數(shù)，確定出機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)，包括機(jī)床的主參數(shù)、尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)等。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)67（3）機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算●主參數(shù)和尺寸參數(shù)機(jī)床主參數(shù)代表了機(jī)床的規(guī)格大小和最大工作能力。一般根據(jù)加工零件或被加工面的尺寸來確定機(jī)床的主參數(shù)，即規(guī)格。機(jī)床的尺寸參數(shù)是指機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，通常包括與被加工零件有關(guān)的尺寸，如臥式車床的最大回轉(zhuǎn)直徑；還包括標(biāo)準(zhǔn)化工具或夾具的安裝面尺寸，如臥式車床主軸錐孔即主軸前端尺寸等。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)68（3）機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)69（3）機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算●運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)②進(jìn)給運(yùn)動(dòng)參數(shù)--進(jìn)給量③主軸電動(dòng)機(jī)的功率按負(fù)載性質(zhì)，車、銑、鏜等機(jī)床的主軸負(fù)載為恒功率負(fù)載，主軸電動(dòng)機(jī)在選型時(shí)，首先需要考慮的是主軸電動(dòng)機(jī)的功率和恒功率調(diào)速范圍。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)70（3）機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算●運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)④進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要是工作臺(tái)克服摩擦等因素作直線運(yùn)動(dòng)，摩擦性負(fù)載與速度無關(guān)，基本上是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。所以進(jìn)給電動(dòng)機(jī)首要要求是在調(diào)速范圍內(nèi)能夠提供恒定的轉(zhuǎn)矩。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)71（3）機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算●運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)

機(jī)床各傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如軸或絲杠直徑，齒輪或蝸輪的模數(shù)，皮帶的類型及根數(shù)等，都是根據(jù)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算出來的。如果動(dòng)力參數(shù)取得過大，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于低負(fù)荷情況，功率因數(shù)小，造成電力浪費(fèi)；同時(shí)，傳動(dòng)件及相關(guān)零件尺寸設(shè)計(jì)得過大，不但浪費(fèi)材料，且使機(jī)床顯得笨重。如果動(dòng)力參數(shù)取得過小，則機(jī)床達(dá)不到設(shè)計(jì)提出的性能要求，或者電動(dòng)機(jī)長期處于過載運(yùn)行，影響使用壽命。

通常動(dòng)力參數(shù)可通過調(diào)查類比法或經(jīng)驗(yàn)公式、相似機(jī)床試驗(yàn)法和計(jì)算方法來確定。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)722.2結(jié)構(gòu)件的材料（1）材料的物理性能結(jié)構(gòu)件材料對機(jī)床的移動(dòng)質(zhì)量、慣性矩、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度、固有頻率和熱性能都有很大的影響。①楊氏模數(shù)E②泊松比ν和剪切模量G③密度ρ④熱膨脹系數(shù)α第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)73（1）材料的物理性能⑤熱容量C⑥熱導(dǎo)率κ⑦材料和結(jié)構(gòu)的阻尼第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)74（2）傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)件材料表4-3鋼與鑄鐵的主要物理性能第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)75（3）機(jī)床結(jié)構(gòu)件的新材料①樹脂混凝土樹脂混凝土是用樹脂將各種沙礫、碎花崗石等礦物材料凝結(jié)在一起，也稱之為礦物鑄件或人造大理石。其突出優(yōu)點(diǎn)是熱擴(kuò)散性低、阻尼系數(shù)大、穩(wěn)定性高、耐腐蝕，大多用于精密或高速機(jī)床的床身等結(jié)構(gòu)件。礦物鑄件的密度和彈性模量均大約是鑄鐵的1/3，具有與鑄鐵相同的比剛度（彈性模量和密度的比值）。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)76（3）機(jī)床結(jié)構(gòu)件的新材料②大理石大理石（花崗石）的性能與樹脂混凝土類似，但具有更好的阻尼性能和熱穩(wěn)定性，主要用于超精密機(jī)床和微機(jī)床的床身和底座。由于受到天然石材加工的限制，結(jié)構(gòu)和形狀都不能太復(fù)雜，尺寸也有限。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)77（3）機(jī)床結(jié)構(gòu)件的新材料③碳素纖維復(fù)合材料碳素纖維復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，阻尼性能和熱穩(wěn)定性也較好。此外，比剛度高，特別適合用于高速移動(dòng)的結(jié)構(gòu)件。其缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，需要經(jīng)過纏繞或鋪設(shè)，因而成本較高，目前還沒有批量使用。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)78（3）機(jī)床結(jié)構(gòu)件的新材料④混合材料由于鋼的彈性模量較高，因此焊接鋼結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度很好，但鋼的阻尼系數(shù)很低，容易引起振動(dòng)，因此在焊接鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)充填各種減震材料，以提高其阻尼性能。目前應(yīng)用的有在焊接鋼結(jié)構(gòu)中充填樹脂混凝土、充填泡沫鋁和充填加強(qiáng)纖維。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)79

2.3數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件2.3.1機(jī)床支承件（1）支承件的基本功能和要求支承件是機(jī)床的基礎(chǔ)和框架，由床身、立柱、橫梁、底座等相互固定連接而成。 ①應(yīng)具有足夠的剛度和較高的剛度質(zhì)量比。 ②應(yīng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，包括較大的位移阻抗(動(dòng)剛度)和阻尼；整機(jī)的低階頻率較高，各階頻率不致引起結(jié)構(gòu)共振；不會(huì)因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)802.3.1機(jī)床支承件（1）支承件的基本功能和要求

③熱穩(wěn)定性好,熱變形對機(jī)床加工精度的影響較小。④排屑暢通、吊運(yùn)安全,并具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。（2）支承件及床身的截面形狀靜剛度主要包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，均與截面慣性矩成正比。支承件截面形狀不同，即使同一材料、相等的截面積，其抗彎和抗扭慣性矩也不同。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)812.3.1機(jī)床支承件（2）支承件及床身的截面形狀

①空心截面結(jié)構(gòu)件的剛度比實(shí)心的大。

②圓(環(huán))形截面的抗扭剛度比矩形好，而抗彎剛度比矩形低。

③封閉截面的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開口截面的剛度，特別是抗扭剛度。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)82第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)83第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)842.3.1機(jī)床支承件（3）支承件及床身的肋板、肋條的布置

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)852.3.1機(jī)床支承件（3）支承件及床身的肋板、肋條的布置

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)862.3.2導(dǎo)軌●支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)的零件稱為導(dǎo)軌副●導(dǎo)軌副中設(shè)在支承構(gòu)件上的導(dǎo)軌面稱為靜導(dǎo)軌，比較長；設(shè)在運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上的導(dǎo)軌面稱為動(dòng)導(dǎo)軌，比較短?！駝?dòng)導(dǎo)軌相對于靜導(dǎo)軌可以做直線運(yùn)動(dòng)或者回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)872.3.2導(dǎo)軌（1）數(shù)控機(jī)床對導(dǎo)軌的要求

①摩擦系數(shù)低，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差值小。

②承載能力大，剛度好。

③較高的阻尼。

④耐磨性好，精度保持性好。

⑤結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，較低的成本。

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)882.3.2導(dǎo)軌（2）直線運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌

①直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀。

②承載能力大，剛度好。

③較高的阻尼。

④耐磨性好，精度保持性好。

⑤結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，較低的成本。

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)892.3.2導(dǎo)軌（2）直線運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌

①直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀。

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)90①直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀。

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)91②帶有塑料層的滑動(dòng)導(dǎo)軌

滑動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和抗振性良好，缺點(diǎn)是磨損快。為了提高耐磨性，國內(nèi)外廣泛采用塑料導(dǎo)軌和鑲鋼導(dǎo)軌。塑料層導(dǎo)軌常用作導(dǎo)軌副的活動(dòng)導(dǎo)軌，與之相配的金屬導(dǎo)軌則采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)92③靜壓導(dǎo)軌

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)932.3.2導(dǎo)軌（3）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌

第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)943.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概述簡稱主軸系統(tǒng)，一般由動(dòng)力源（主軸電動(dòng)機(jī)）、變速傳動(dòng)裝置、執(zhí)行件（主軸組件）、潤滑與密封裝置、箱體等組成，用于夾持工件或刀具，驅(qū)動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削。主軸不僅要在高速旋轉(zhuǎn)的情況下承載切削時(shí)傳遞的主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，而且還要保持非常高的精度，它的性能和指標(biāo)決定了機(jī)床的生產(chǎn)率和工件的表面質(zhì)量，也是衡量機(jī)床整機(jī)性能和機(jī)床技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)953.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概述決定主軸系統(tǒng)性能和技術(shù)水平的主要參數(shù)包括：轉(zhuǎn)速和調(diào)速范圍、功率和扭矩、驅(qū)動(dòng)方式、軸承、剛度、精度、動(dòng)平衡和振動(dòng)、發(fā)熱和冷卻等。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)963.2擬定驅(qū)動(dòng)方案主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需根據(jù)其用途進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，具有較大切削力和較低切削速度的低速重載切削主軸與高速加工主軸的設(shè)計(jì)是完全不同的。數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)（規(guī)格）應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)確定。切削速度是最重要的工藝參數(shù)之一，針對不同材料、不同加工方法，要求有不同的切削速度。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)973.2擬定驅(qū)動(dòng)方案第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)983.2擬定驅(qū)動(dòng)方案第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)993.2擬定驅(qū)動(dòng)方案第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1003.3主傳動(dòng)方式

主傳動(dòng)方式的選擇主要取決于主軸的轉(zhuǎn)速、所傳遞的扭矩、對運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的要求、結(jié)構(gòu)緊湊程度以及裝卸工件方便、維修方便等方面。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)方式在結(jié)構(gòu)上分為常規(guī)機(jī)械主軸和電主軸方式。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1013.4主軸部件主軸部件（組件）是主運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，包括主軸及其支承軸承、安裝在主軸上的傳動(dòng)零件、密封件等。機(jī)床主軸部件需要傳遞切削扭矩，承受切削抗力，并且需要保證必要的旋轉(zhuǎn)精度，因此主軸部件要具有良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、耐磨性和精度保持性。3.4.1主軸部件的基本要求（1）旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸、軸承﹑箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1023.4.1主軸部件的基本要求（2）剛度是指其在外加載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來定義。如果引起彈性變形的作用力是靜力，則由此力和變形所確定的剛度稱為靜剛度，如果引起彈性變形的作用力是交變力，則稱為動(dòng)剛度。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1033.4.1主軸部件的基本要求（2）剛度●主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映

●主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的類型和數(shù)量，預(yù)緊和配置形式，傳動(dòng)件的布置方式，主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。

●主軸靜剛度不足對加工精度和機(jī)床性能有直接影響，并會(huì)影響主軸部件中的齒輪、軸承的正常工作，降低工作性能和壽命，影響機(jī)床抗振性，容易引起切削顫振,降低加工質(zhì)量。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1043.4.1主軸部件的基本要求（3）抗振性是指抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時(shí)也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)。沖擊力和交變力是由材料硬度不均勻、加工余量的變化、主軸部件不平衡、軸承或齒輪存在缺陷以及切削過程中的顫振等因素引起的。主軸部件的振動(dòng)會(huì)直接影響工件的表面加工質(zhì)量和刀具的使用壽命，并產(chǎn)生噪聲。隨著機(jī)床向高速、高精度發(fā)展，其對對抗振性要求越來越高。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布以及阻尼主軸部件的低階固有頻率與振型。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1053.4.1主軸部件的基本要求（4）溫升和熱變形性主軸部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因各相對運(yùn)動(dòng)處的摩擦生熱，切削區(qū)的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。主軸熱變形可引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高后會(huì)使黏度降低，這些變化都會(huì)影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。因此，各種類型機(jī)床對溫升都有一定限制。如高精度機(jī)床，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下的允許溫升為8～10℃，精密機(jī)床允許溫升為15～20℃，普通機(jī)床允許溫升30～40℃。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1063.4.1主軸部件的基本要求（5）精度保持性主軸部件的精度保持性是指長期地保持其原始制造精度的能力。主軸部件喪失其原始精度的主要原因是磨損，如主軸軸承、主軸軸頸表面、裝夾工件或刀具的定位表面的磨損。主軸部件的磨損的速度與摩擦的種類有關(guān)，并與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表面粗糙度、材料的熱處理方式、潤滑、防護(hù)及使用條件等許多因素有關(guān)。要長期保持主軸部件的精度，必須提高其耐磨性。對耐磨性影響較大的因素有：主軸、軸承的材料，熱處理方式，軸承類型及潤滑防護(hù)方式等。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1073.4.2主軸部件的支承指用來支承主軸部件的不同種類的軸承組合及配置。機(jī)床主軸的端部一般用于安裝刀具或工件，其結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化，因此，主軸部件的構(gòu)造主要是支承部分的構(gòu)造。主軸軸承需要根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等性能要求進(jìn)行選擇和配置，同時(shí)要綜合考慮制造條件、經(jīng)濟(jì)效果等。（1）主軸軸承軸承是保障主軸部件效率和精度的關(guān)鍵，對主軸軸承的基本要求是旋轉(zhuǎn)精度高、剛度高、承載能力強(qiáng)、極限轉(zhuǎn)速高、適應(yīng)變速范圍大、摩擦小、噪聲低、抗振性好、使用壽命長、制造簡單、使用維護(hù)方便等。數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的主軸軸承有精密滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)壓軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承，此外，還有自調(diào)磁浮軸承等適應(yīng)高速加工的新型軸承。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1083.4.2主軸部件的支承（1）主軸軸承滾動(dòng)軸承包括滾珠軸承和滾柱軸承，綜合性能優(yōu)越，應(yīng)用最為廣泛。數(shù)控機(jī)床中最常用的是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承又稱向心推力球軸承，可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，接觸角有15°、25°、40°和60°等多種，接觸角越大，可承受的軸向力越大，主軸用角接觸球軸承的接觸角多為15°或25°。角接觸球軸承必須成組安裝，以便承受兩個(gè)方向的軸向力和調(diào)整軸承間隙或進(jìn)行預(yù)緊。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1093.4.2主軸部件的支承（1）主軸軸承圖(a)所示為一對軸承背靠背安裝，也稱O型配置。圖(b)所示為面對面安裝，也稱D型配置。背靠背安裝比面對面安裝具有較高的抗顛覆力矩的能力。圖(c)所示為三個(gè)成一組串聯(lián)配置，也稱T型配置，兩個(gè)同向的軸承承受主要方向的軸向力，與第三個(gè)軸承背靠背安裝。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1103.4.2主軸部件的支承（1）主軸軸承圓柱滾子軸承的滾子與滾道為線接觸，能承受較大的徑向負(fù)載和較高的轉(zhuǎn)速。錐孔雙列短圓柱滾子軸承廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床主軸部件中，這種軸承滾子較多，兩列滾子交錯(cuò)排列，提高了主軸的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，增強(qiáng)了強(qiáng)力切削的能力。錐孔雙列短圓柱滾子軸承內(nèi)外圈可分離，內(nèi)圈1∶12的錐孔與主軸的錐形軸徑相匹配，軸向移動(dòng)內(nèi)圈，可以把內(nèi)圈脹大，用來調(diào)整軸承的徑向間隙和預(yù)緊量。因此剛度很高，但不能承受軸向載荷。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1113.4.2主軸部件的支承（1）主軸軸承重型數(shù)控機(jī)床可采用液體靜壓軸承，借助軸承縫隙內(nèi)的高壓油保持主軸的平衡，承載能力大，摩擦小，在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)有明顯優(yōu)勢，其缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化程度不高。高精度數(shù)控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承，其工作原理與液體靜壓軸承相似，摩擦小、發(fā)熱小、結(jié)構(gòu)簡單及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但承載能力低。隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，滾動(dòng)體采用陶瓷球，軸承套圈為鋼圈的混合陶瓷球軸承具有無油自潤滑屬性，耐高溫、轉(zhuǎn)速高、壽命長，在高速和超高速（(2～10)×104r/min）主軸和電主軸中得到廣泛應(yīng)用。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1123.4.2主軸部件的支承（2）主軸滾動(dòng)軸承的配置目前，數(shù)控機(jī)床常規(guī)機(jī)械主軸的軸承多采用滾動(dòng)軸承，圖(a)中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸球軸承組合，分別承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對角接觸球軸承。這種配置可提高主軸的綜合剛度，滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1133.4.2主軸部件的支承（2）主軸滾動(dòng)軸承的配置圖(b)中，前支承采用角接觸球軸承，由兩三個(gè)軸承組成套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。這種配置適用于高速、重載的主軸部件。在圖(c)中，前后支承均采用成對（兩聯(lián)）角接觸球軸承，角接觸球軸承具有良好的高速性能，但它的承載能力較小，因此這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1143.4.2主軸部件的支承（2）主軸滾動(dòng)軸承的配置圖(d)中，前支承采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承。這種配置可承受重載荷和較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能好，但是，圓錐滾子軸承發(fā)熱大，溫升高，故允許的連續(xù)轉(zhuǎn)速要低些。適用于中等精度、低速與重載荷的數(shù)控機(jī)床主軸。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1153.4.2主軸部件的支承在電主軸中，由于其內(nèi)孔直徑必須足夠大，才能容納刀具夾緊等機(jī)構(gòu)，而外徑卻受空間和重量的限制，因此，可供安放軸承的空間非常有限。通常采取在主軸前后端分別配置一組輕型角接觸陶瓷滾珠軸承并施加一定預(yù)載荷，有3種不同方案。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1163.4.2主軸部件的支承TD配置的前后支撐各配置一組同向輕型角接觸滾珠軸承，是中小型高速電主軸的標(biāo)準(zhǔn)配置。О配置的前后支撐各配置一組異向輕型角接觸滾珠軸承，雙向等剛度，動(dòng)態(tài)位移小，但最高允許轉(zhuǎn)速明顯降低。O-TD配置的前支撐配置一組異向輕型角接觸滾珠軸承，承載能力大，主要用于重切削的大型電主軸。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1173.4.2主軸部件的支承

（3）主軸滾動(dòng)軸承的預(yù)緊預(yù)緊是提高主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性的重要手段。所謂預(yù)緊就是采用預(yù)加載荷的方法消除軸承間隙，而且有一定的過盈量，使?jié)L動(dòng)體和內(nèi)外圈接觸部分產(chǎn)生預(yù)變形，增加接觸面積，提高支承剛度和抗振性。

預(yù)緊有徑向和軸向兩種。預(yù)緊量要根據(jù)載荷和轉(zhuǎn)速來確定，不能過大，否則預(yù)緊后發(fā)熱較多、溫升高，會(huì)使軸承壽命降低。預(yù)緊力或預(yù)緊量用專門儀器測量。預(yù)緊力通常分為三級(jí)：輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊，代號(hào)為A、B、C。輕預(yù)緊適用于高速主軸；中預(yù)緊適用于中、低速主軸；重預(yù)緊用于分度主軸。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1183.4.2主軸部件的支承（4）滾動(dòng)軸承的潤滑潤滑的作用是利用潤滑劑在摩擦面間形成潤滑油膜，減小摩擦系數(shù)和發(fā)熱量。潤滑劑和潤滑方式的選擇主要取決于軸承的類型、轉(zhuǎn)速和工作負(fù)荷。滾動(dòng)軸承所用的潤滑劑主要有潤滑脂和潤滑油兩種。高速軸承發(fā)熱大，為控制其溫升，希望潤滑油同時(shí)兼起冷卻作用，故采用油霧或油氣潤滑。油霧潤滑因?yàn)槲廴经h(huán)境，目前已較少采用。油氣潤滑供給軸承的油未被霧化，而是成滴狀進(jìn)入軸承，因此，不污染環(huán)境，可回收,這種潤滑方式可以精確控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤滑油量，可靠性高，目前已成為國際上最流行的潤滑方式。

第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1193.4.2主軸部件的支承（4）滾動(dòng)軸承的潤滑油氣潤滑是間隔一定時(shí)間，由定量柱塞分配器定量輸出微量潤滑油與壓縮空氣混合后，經(jīng)細(xì)長管道，經(jīng)軸承外環(huán)油孔向滾珠連續(xù)、精確地噴射微量油氣混合物。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1203.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）主軸傳動(dòng)件軸向位置的合理布置合理布置傳動(dòng)件的軸向位置，可以改善主軸和軸承的受力情況及傳動(dòng)件、軸承的工作條件，提高主軸組件的剛度、抗振性和承載能力。

機(jī)床上切削力Fy的方向是一定的,傳動(dòng)力Qy方向取決于驅(qū)動(dòng)主軸的傳動(dòng)軸的位置?？筛鶕?jù)加工精度要求,以及傳動(dòng)方式、空間結(jié)構(gòu)等合理布置。

第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1213.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）主軸傳動(dòng)件軸向位置的合理布置

傳動(dòng)件位于兩支承之間是最常見的布置方式。為減小主軸的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，傳動(dòng)齒輪應(yīng)盡量靠近前支承處；當(dāng)主軸上有兩個(gè)齒輪時(shí)，由于大齒輪用于低速傳動(dòng)，作用力較大，應(yīng)將大齒輪布置在靠近前支承處。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1223.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）主軸傳動(dòng)件軸向位置的合理布置如圖4-31(b)所示，傳動(dòng)力Qy與切削力Fy方向相反，主軸軸端的位移量增大，但前支承反力減小，適用于普通精度級(jí)機(jī)床。圖4-31所示為傳動(dòng)件位于后懸伸端，多用于外圓磨床、內(nèi)圓磨床砂輪主軸。帶輪裝在主軸的外伸尾端上，便于防護(hù)和更換。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1233.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）主軸傳動(dòng)件軸向位置的合理布置圖4-32所示為傳動(dòng)件位于主軸前懸伸端，使傳動(dòng)力Qy與切削力Fy方向相反，可使主軸前端位移量相互抵消一部分，減小了主軸前端位移量，同時(shí)前支承受力也減小。主軸的受扭段變短，提高了主軸剛度，改善了軸承工作條件。但這種布置會(huì)引起主軸前端懸伸量增加，影響主軸組件的剛度及抗振性,因此只適用于大型、重型機(jī)床。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1243.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）主軸組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定主軸組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：主軸的前、后軸頸直徑D1、D2，主軸內(nèi)孔直徑d，主軸前端部懸伸量a，以及主軸支承跨距L等，如圖4-33所示。這些參數(shù)直接影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1253.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）主軸組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定1）主軸前后軸頸直徑的選擇為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)盡量大些，一般按機(jī)床類型、主軸傳遞的功率或最大加工直徑，參考表4-6選取D1，車床和銑床后軸頸的直徑D2=(0.70~0.85)D1第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)126（2）主軸組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定2)主軸內(nèi)孔直徑的確定 很多機(jī)床的主軸是空心的，為不過多地削弱主軸剛度，一般應(yīng)保證d/D<0.7。內(nèi)孔直徑與其用途有關(guān)，如車床主軸內(nèi)孔用來通過棒料或安裝送夾料機(jī)構(gòu)；銑床主軸內(nèi)孔可通過拉桿來拉緊刀桿等。臥式車床的主軸孔徑d通常應(yīng)不小于主軸平均直徑的55%～60%；銑床主軸孔徑可比刀具拉桿直徑大5～10mm。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)127（2）主軸組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定3)主軸前端懸伸量的確定 主軸前端懸伸量a是指主軸前端面到前軸承徑向反力作用點(diǎn)(或前徑向支承中點(diǎn))的距離。a值的大小主要取決于主軸前端部的結(jié)構(gòu)、前支承軸承配置和密封裝置的結(jié)構(gòu)形狀，一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取。減小主軸前端懸伸量對提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性有顯著效果。因此，在結(jié)構(gòu)許可的條件下，a值越小越好。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)128（2）主軸組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定4)主軸支承跨距的確定主軸支承跨距L是指主軸兩個(gè)支承的支承反力作用點(diǎn)之間的距離。合理選擇支承跨距，可使主軸組件獲得最大的綜合剛度。支承跨距過小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起的主軸前端位移量將增大。反之，支承跨距過大，支承變形引起的主軸前端位移量盡管減小了，但主軸的彎曲變形將增大，也會(huì)引起主軸前端較大的位移。因此存在一個(gè)最佳跨距L,使因主軸彎曲變形和支承變形引起的主軸前端的總位移量為最小，一般取L0=(2～3.5)a。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的原因，主軸的實(shí)際跨距往往大于最佳跨距L0。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1293.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）主軸零件設(shè)計(jì)1）主軸零件的構(gòu)造主軸的結(jié)構(gòu)主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位方法，以及主軸加工和裝配的工藝性。一般在機(jī)床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以便裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，其階梯形軸徑是從前軸頸起逐級(jí)向后遞減。主軸是空心還是實(shí)心，主要取決于機(jī)床的類型。主軸前端的形狀取決于機(jī)床的類型、安裝夾具或刀具的形式，由于夾具和刀具已標(biāo)準(zhǔn)化，通用機(jī)床主軸端部的形狀和尺寸也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)具體尺寸可參考機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)1303.4.3主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）主軸零件設(shè)計(jì)2）主軸的材料和熱處理主軸材料應(yīng)根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理后的變形來選擇。沒有特殊要求時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜的中碳鋼，常用的如45鋼，調(diào)質(zhì)處理后,應(yīng)在主軸端部錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位進(jìn)行局部高頻淬硬，以提高其耐磨性。機(jī)床主軸常用的材料及熱處理要求可參考表4-7。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)131（3）主軸零件設(shè)計(jì)3）主軸的技術(shù)要求首先，應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)制定出滿足主軸旋轉(zhuǎn)精度所必需的技術(shù)要求，如主軸前后軸