1、第五章 機床的總體設計 n創造性的勞動n機床- 機械制造業的基礎裝備n傳統設計要求之外，柔性，系統有機結合類比-分析計算 ；靜力分析-靜態、動態及熱變性熱應力定性-定量數控技術和CAD技術的發展，提供了新的條件和支撐。機床設計基本要求一、性能要求n工藝范圍：（機床的加工功能適應不同生產要求的能力n可完成的工序種類n加工零件的類型n材料和尺寸范圍n毛坯的種類等n專用機床：工藝范圍較窄，功能少n數控機床：工藝范圍寬，功能強n通用機床：工藝范圍較寬，功能較強n機床功能的增加-結構復雜程度增加、制造難度、周期及成本增加n機床功能選擇的依據-批量技術經濟指標n柔性：適應加工對象變化的能力n空間上：功能柔

2、性，多品種小批量的加工n時間上：結構柔性，重新組合，改變其功能n與物流系統的可親性n物料工件、刀具、切屑交接的方便程度n普通機床：人，要求機床的使用、操作、清理、維護方便。n自動化柔性制造系統，自動，要求機床結構形式開放性好，物料交接方便n精度: 被加工零件在尺寸、形狀和相互位置等方面所能達到的準確程度。n三級： 普通精度級、精密級和高精度級n空載條件下的精度：幾何精度、運動精度、傳動精度、定位精度等n運動精度n剛度n靜態剛度n動態剛度n熱態剛度n表面粗糙度n工件、刀具的材料、進給量、刀具的幾何形狀和切削時的振動有關n抗振性：受迫振動和自激振動n噪聲n生產率和自動化n單位時間內機床所能加工的工

3、件數量n效率-本錢n自動化程度-生產率-加工精度的穩定性nFMS FAn本錢n成本概念貫穿在產品的整個生命周期n生產周期n可靠性n機床壽命n造型與色彩n二、經濟效益n本錢n加工效率和可靠性n三人機關系n操縱方便、省力、容易掌握、不易發生操縱錯誤和故障n防止污染機床設計方法n計算機技術和分析技術ncad, CAE: 傳統經驗設計，定性設計-定量設計；靜態和線性分析-動態和非線性分析； 可行性設計-最佳設計n數控技術：機床的傳動與結構發生了重大變化nFMS的發展n機床的設計方法是根據其設計類型而定n通用機床采用系列化設計方法n組合機床：組合設計類型u創新設計類型：u分析式設計：類比分析、推理方法產

4、生方案u創成式設計：創成解析的方法n經驗設計階段n主要任務是解決加工與強度問題n閱歷或類比設計方法，經驗數據為基礎經驗公式技術標準為手段n產品結構安全系數偏大n無法保證機床的良好性能n試驗設計階段n科技發展及工藝水平的提高n機床試驗研究：實物測試或模型試驗n試驗設計方法：試驗研究進行定性分析及定量比較，方案選擇零部件的合理結構尺寸確定n明顯提高機床性能，局部調整n計算機輔助設計n實際問題簡化為模型，計算機進行分析、計算并選定最佳方案n結果的準確性現代設計方法特點n設計對象系統化n設計內容完善化：使機床產品實用經濟及美觀舒適n設計目標最優化：多目標整體優化n設計問題模型化n模型是對設計問題的高度

5、概括和抽象n意義：工程問題與數學理論緊密結合n設計過程動態化n動態性能n動力學模型，動態分析，參數修改n設計手段計算機化n初步設計階段：方案分析、選擇、評價和決策n技術設計階段：結構和參數確定，運動、動力或其他特性分析，材料選擇、成本計算，參數優化n工程圖設計階段機床設計步驟n總體設計n主要技術指標設計n后續設計的前提和依據n用途：機床的工藝范圍n生產率：加工對象的種類、批量、及所要求的生產率n性能指標：精度、剛度、熱變形、噪聲等n主要參數：加工空間和主參數n驅動方式：直接影響傳動方式的確定n成本及生產周期n總體方案設計n運動功能設計：繪制機床的運動功能圖n基本參數設計：尺寸參數、運動參數和動

6、力學參數設計n傳動系統設計：傳動方式、傳動原理圖及傳動系統圖n總體結構布局設計：運動功能分配、總體布局結構形式及總體結構方案圖設計n控制系統設計：控制方式及控制原理、控制系統圖n總體方案綜合評價與選擇n總體方案地設計修改或優化n詳細設計n技術設計：確定結構原理方案、裝配圖設計、分析計算或優化n施工設計：零件圖設計、商品化設計、編制技術文檔n機床整機綜合評價n整機性能分析和綜合評價金屬切削機床設計的基本理論n精度n普通精度級、精密級、高精度級n設計階段主要從機床的精度分配、元件及材料選擇等方面來提高機床精度n幾何精度 n空載條件下，在不運動或運動速度較低時各主要部件的形狀，相互位置和相對運動的精

7、確程度n基本指標允差： 1：0.4：0.25導軌直線度、主軸徑向跳動及軸向串動、主軸中心線對滑臺移動方向的平行度或垂直度等n運動精度n機床空載并以工作速度運動時，主要零部件的幾何位置精度n高速高精度機床的一個重要指標n影響因素n傳動精度n傳動系各末端執行件之間運動的協調性和均勻性n影響因素：傳動系統設計、元件的制造和裝配回轉精度n定位精度n定位部件運動到達規定位置的精度n工件的尺寸精度和形位精度n影響因素：構件、進給控制系統的精度、剛度及動態特性，測量系統的精度n工作精度n加工規定的試件，用試件的加工精度表示機床的工作精度n綜合影響n精度保持性n規定的工作期間內，保持機床所要求的精度n影響因素

8、：磨損 剛度n定義：K=F/yn載荷：n靜載荷靜剛度n動載荷動剛度：抗振性n整機剛度n多構件構成n構件及結合部變形直接或間接引起刀具和工件之間相對位移n剛度的合理分配或優化抗振性n機床在交變載荷作用下，抵抗變形的能力n抵抗受迫振動n振源：內部動平衡n 外部共振n自激振動切削穩定性n刀具工件之間的一種相對振動n 切削過程中n振動影響因素n振動不利影響n機床的剛度n阻尼特性：特別是結合部阻尼n固有頻率：設計期間分析計算各階阻尼熱變形n熱源n影響：破壞機床的原始幾何精度、加快磨損甚至影響正常運轉n熱平衡n溫度場n措施：熱源位置、散熱、減小溫差、熱變形轉向、預熱、溫度控制、補償、隔熱等噪聲n源泉：振動

9、n度量指標：聲壓和聲壓級、聲功率和聲功率級、聲強和聲強級；響度、聲級n來源：n機械噪聲n液壓噪聲n電磁噪聲n空氣動力低速運動平穩性n爬行現象和機理n影響工件的加工精度和表面粗糙度n摩擦自激振動：摩擦面上摩擦系數變化和傳動機構的剛度不足n力學模型n措施n減小靜、動摩擦系數之差n提供傳動機構的剛度n提高阻尼比n降低移動件的質量第三節 系列化、通用化、標準化n機床系列化n將同一品種或同一型式機床產品的規格按最佳數列科學排列，以最少的品種滿足最廣泛的需要n內容：n制訂機床參數標準-主參數系列n編制機床系列型譜-確定某類機床的系列品種、用途性能及其結構特征、基型系列型譜參數等n系列設計n機床產品系列設計

10、n編制整個系列的技術任務書，進行系列內閣產品的設計、樣機試制及圖紙定型等工作。n系列產品統籌考慮n有利于機床的生產、運用、維修、配套及管理等n零部件通用化n互換性基礎上盡可能擴大同一零、部件的使用范圍n縮短機床設計與制造周期；n擴大生產批量；n減少工藝裝備；n降低成本；n保證質量及便于管理n通用化程度：n通用化系數=n產品零部件：專用件、通用件、標準件及外購件n一般不應低于70%通用件種數專用件種數通用件種數n零部件標準化 n一般不應低于45%n模塊化設計n將機床同一功能的單元，設計成具有不同用途和性能互換選用的模塊。n模塊：一組具有同一功能和結合要素，而有不同用途或性能和不同結構且能互換的各

11、個單元零件總種數外購件種數標準件種數標準化系數第四節 機床總體布局n主要內容n確定機床型式、機床的主要零部件及其相對位置關系，使機床具有一個協調完美的造型 n注意問題：n工件特征：以車床為例n機床性能：傳動精度；機床剛度；振動；熱n生產批量：車削盤類：臥式車床、轉塔、多刀半自動、立式多軸半自動n基本型式n傳統布局：臥式、立式、單臂式和龍門式n臥式： 重心低，占地面積較大n立式：占地面積較小n單臂式：方便地更換點位進行加工，剛度差n龍門式：箱體平面加工。剛度、精度高n數控機床n機床的運動及其分配對布局的影響n坯料的形式n尺寸比例n占地面積的大小和工件的重量n機床性能對布局的影響n操作、觀察與調整

12、對布局的影響第五節 機床主要參數確定n尺寸參數n主參數：代表機床規格大小n臥車：工件的最大回轉直徑n齒輪：最大工件直徑n外圓磨床：最大磨削直徑n龍門刨：工作臺工作面寬度n臥式銑鏜床：主軸直徑n立式鉆床和搖臂鉆床：最大鉆孔直徑n牛頭刨床：最大刨削長度n第二主參數n車床：工件的最大長度n齒輪：最大工件直徑n外圓磨床：最大磨削直徑n龍門刨臥式銑鏜床：主軸直徑運動參數n主運動參數n回轉主運動的機床：主軸轉速nn=1000v/dn直線運動的機床：每分鐘的往復次數n變速范圍n最低、最高轉速：合理選擇n變速范圍：n對于臥式車床：minmaxnnRnmaxminmaxmax)25. 02 . 0()6 . 0

13、5 . 0(ddDdn分級變速時的主軸轉速數列n處于兩級轉速之間n相對轉速損失：n最大相對損失率n使為一定值nnnnAj1max1lim1jjjnnnnnnnAj%1001%100)11 (maxA1111minmaxzznnnnnRn進給運動參數n往復n數控、重型機床：無級調整n普通機床：分級，通常也取等比數列；往復主運動機床等差數列；自動半自動機床；臥式車床分段等差n標準公比和標準數列n機床轉速遞增，使最大相對轉速損失率不超過n標準公比：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,2n公比的選用n使用性能公比小級數多結構復雜n普通機床：減少相對轉速損失n小型機床：簡化構造n自動機床2