第一章-機床總體設計

2023年2月4日機械制造裝備設計第1章專機總體設計第一章專機總體設計第一節(jié)專機的基本要求第二節(jié)專機的設計步驟第三節(jié)機床的總體布局第四節(jié)主要技術參數的確定第一節(jié)專機的基本要求

機床的基本要求

①具有良好的技術性能，滿足使用要求；②造型美觀，色彩協(xié)調，有良好的人機關系；③經濟適用，質量好，成本低。

一、機床的主要技術性能工藝范圍柔性加工精度可靠性生產率自動化

主要包括

多品種小批生產——要求機床運動和刀具數目多，加工精度高，加工效率高，工藝范圍廣。如：數控機床，加工中心，柔性制造系統(tǒng)。

第一節(jié)專機的基本要求

工藝范圍是指機床適應不同生產要求的能力（或功能）。包括可加工的零件類型、表面形狀和尺寸，加工方法等。

不同的生產模式對機床的工藝范圍要求不同。

大批量生產——要求加工效率高，工藝范圍窄，機床結構簡單。如：組合機床。

單件小批生產——要求擴大機床功能，工藝范圍廣，機床結構復雜。如：通用車床，通用鉆床等。1.工藝范圍

第一節(jié)專機的基本要求

大批量生產采用的機床是——組合機床立、臥三面組合鉆床

第一節(jié)專床的基本要求

單件小批生產采用：普通的車、銑、鉆、鏜、磨等機床車床銑床鉆床磨床鏜床

多品種小批生產采用：數控機床，加工中心，柔性制造系統(tǒng)。

第一節(jié)專機的基本要求數控機床加工中心柔性制造系統(tǒng)第一節(jié)專機的基本要求

結構柔性指對機床的某些部件只做少量修改或重組，就可迅速構成適應產品更新要求的新型加工機床。2.柔性

柔性是指機床適應加工對象變化的能力。機床的柔性包括功能柔性和結構柔性。

功能柔性指對機床的加工控制軟件進行調整或修改，就可方便的改變機床的加工功能，適應變型零件的加工要求。第一節(jié)專機的基本要求

零件的加工精度指被加工零件的形狀位置精度、尺寸準確度、表面粗糙度。3.加工精度1）幾何精度

指機床不運動或空載低速運動時的精度。

幾何精度反映機床主要零部件的幾何形狀精度、相對位置、相對運動軌跡精度，是評價機床質量的基本指標。幾何精度取決于零部件的結構設計和制造裝配精度。機床的精度包括：

2）傳動精度指內聯(lián)系傳動鏈兩末端執(zhí)行件相對運動的精度。傳動精度取決于傳動件的制造精度和傳動系統(tǒng)的設計合理性。第一節(jié)專機的基本要求

4）定位精度

指機床工作零部件運動終了時所達到的位置的準確性和機床的調整精度。

5）精度保持性

指機床加工精度應保持的時間，也稱使用壽命。不同類型、不同精度的機床，其精度保持性是不同的。

3）運動精度

指機床在額定負載下運動時主要零部件的幾何位置精度。運動精度是評價機床的重要指標，它取決于運動部件的制造精度、機床零部件的動態(tài)剛度和熱變形程度。第一節(jié)專機的基本要求

生產率

指機床在單位時間內能加工的工件數量。機床的切削效率越高，輔助時間越短，其生產率就越高。機床的生產率是衡量生產技術的先進性、生產組織的合理性和工人工作積極性的重要指標。

4.生產率和自動化

自動化指機床在無人工干預的情況下，按規(guī)定動作要求通過機械、電子或計算機的控制，自動完成加工的性能。機床自動化程度越高，加工精度的穩(wěn)定性就越好，還能有效減少工人的勞動強度。

自動化的大批生產

采用組合機床、數控機床組成自動生產線。自動化的單件小批生產采用由數控機床、加工中心構成的柔性制造系統(tǒng)，或由柔性制造系統(tǒng)構成自動化工廠。第一節(jié)專機的基本要求5.可靠性

可靠性的衡量指標：平均無故障工作時間及有效度。

可靠性是機床重要的技術經濟指標，它包括兩個方面：

◆機床在規(guī)定時間內發(fā)生失效的難易程度；◆可修復機床失效后在規(guī)定時間內修復的難易程度。

1）

固有可靠性——通過設計、制造賦予機床的可靠性能。

2）使用可靠性——受使用、維護方式和使用條件的影響。

可靠性

指機床在使用壽命期內完成規(guī)定加工功能的能力。

1.信號指示系統(tǒng)

顯示方式、顯示器的位置等應該易于操作者無誤的接受。

2.操縱件

符合人的動作習慣，操縱靈活方便、迅速、省力，不易產生誤操作或故障。

3.造型、色彩和噪聲

機型應美觀大方，色彩協(xié)調，噪聲低。第一節(jié)專機的基本要求

機床的整體及操縱應符合人的生理和心理特征，實現人機環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一，提供舒適、可靠、高效的工作條件。

二、人機關系第一節(jié)機床的基本要求

經濟實用是指機床在滿足應有的加工功能、可靠性和人機關系的前提下，還要求有良好的經濟性，即成本低。

三、經濟實用

機床的成本低貫穿在機床產品的整個生命周期內，包括設計、制造、包裝、運輸、實用、維護、再利用和報廢處理等費用，是衡量產品市場競爭力的重要指標。

設計機床時，應盡可能在保證機床性能要求的前提下，提高其性能價格比。

數控分度車床第二節(jié)專機的設計步驟

機床設計步驟包括：總體設計，技術設計，零件設計，樣機試制，試驗鑒定。第二節(jié)專機的設計步驟

1.調研、檢索和收集各種信息、掌握機床設計依據。

2.工藝分析——

對資料進行工藝分析，擬出幾個加工方案，進行經濟效果預測對比，找出性能優(yōu)良、經濟適用的工藝方案。

3.總體布局——

根據確定的工藝方案，分配機床運動，選擇傳動和支承形式，安排操作位置，擬訂提高動剛度的措施，造型與色彩設計。畫出各種傳動原理圖、部件結構草圖、操縱控制系統(tǒng)原理圖、機床聯(lián)系尺寸圖。

4.確定主要技術參數——尺寸參數、運動參數、動力參數。

一、總體設計（總體方案擬定）

◆

繪制機床零件圖，完善部件裝配圖和總圖。

◆

編寫機床零件名細表和機床設計說明書，制定機床的驗收方法和標準、使用說明書等。第二節(jié)專機的設計步驟

根據確定的技術參數設計機床的運動系統(tǒng)，采用優(yōu)化設計法，畫出主傳動系統(tǒng)圖、部件裝配圖、液壓傳動和電氣操作控制系統(tǒng)圖，完善機床聯(lián)系尺寸圖等。

二、技術設計

三、零件設計及資料編寫1.樣機試制設計人員跟蹤機床試制全過程，特別注重關鍵零件，及時指導修正其加工和裝配工藝。3.批量生產根據工業(yè)性試驗總結，鑒定意見改進完善設計，投入批量生產。2.試驗鑒定先進行空車試運轉，再在額定載荷下進行工作試驗。工作一段時間后，檢測其精度，寫出試驗總結。第二節(jié)機床的設計步驟

四、樣機試制和鑒定第三節(jié)專機的總體布局

①

如何實現所需運動；②

何種部件產生運動；

③

工件如何安裝加工；④各種運動如何控制；

⑤如何設置合理操作位置。

一、機床的總體布局

機床的總體布局是根據已確定的零件加工方法和應具有的運動來確定如下設計：第三節(jié)專機的總體布局3.運動分配應有利于提高運動部件的剛度

運動應分配給剛度高的部件。如：外圓磨床、平面磨床工作臺和砂輪架的運動。4.運動分配應考慮工件形狀

不同形狀的工件，所需的運動部件不一樣。如：圓柱件內孔在車床上加工，工件旋轉；箱體件內孔在鏜床或鉆床上加工，刀具旋轉，工件移動。2.運動分配應有利于提高工件的加工精度

運動部件不同，加工精度不同。如：深孔鉆床上鉆頭的運動。1.運動分配給質量小的零部件

運動件質量小，慣性力小，需要的驅動力小，傳動機構體積小，制造成本低。如：銑床上銑刀的運動。

一、分配機床的運動

③電氣傳動可簡化機械結構，便于實現自動變速、連續(xù)變速和負載下變速，廣泛用于數控機床的主運動。其進給運動采用伺服電動機→齒輪傳動→滾珠絲杠螺母。第三節(jié)機床的總體布局

①機械傳動

靠滑移齒輪變速，變速級數<30級。傳遞功率大，變速范圍較廣，傳動比準確。但存在相對轉速損失，工作中不能變速。廣泛用于通用和專用中小型機床的主運動和進給運動。

二、傳動形式和支承形式的選擇

②液壓傳動能實現無級變速傳動，傳動平穩(wěn)，運動換向沖擊小，易實現直線運動，適用于刨床、拉床、大型磨床的主運動；銑床、磨床和組合機床的進給運動。1.傳動形式第三節(jié)專機的總體布局

（2）支承形式指機床支承件的形狀，分為臥式支承：支承件高度方向尺寸<長度方向尺寸；立式支承：支承件高度方向尺寸>長度方向尺寸。臥式機床可用臥式支承，也可用立式支承。如圖示：

（1）機床形式指主運動執(zhí)行件的安置狀態(tài)。2.支承形式

臥式支承重心低，剛度大，執(zhí)行件在兩個方向運動，廣泛用于中小型機床。第三節(jié)專機的總體布局

立式機床的立式支承

立式支承

占地面積小，剛度較臥式差，執(zhí)行件可在縱、橫、垂直三個方向運動，多用于加工大尺寸工件和箱體工件的機床。

龍門支承（框架式）剛性好，能承受沖擊力。但支承件多，結構復雜。適用于大型工件的加工、多工件同時加工。第三節(jié)專機的總體布局

單臂支承、龍門支承

如：搖臂鉆床，龍門銑床。

單臂支承其立柱上增加了可上下移動的橫向懸梁，結構簡單，但剛性差。加工時動力頭離立柱越遠，橫臂根部的彎矩越大。第三節(jié)專機的總體布局

1.操作者和工件的相對位置適當

（1）為便于裝卸工件、觀察加工情況、檢測工件，應保證人在操作過程中的的正常視覺，一般為50~760mm。

（2）臥式機床主軸高度在900~1200mm

，立式大型機床的工作臺高度在700mm左右，立式中小型機床的工件安裝在950~1050mm

2.操作者與操縱手柄的位置適當保證操作準確、省力、方便

（1）單工位中小型機床，常用手柄應集中設置在操作者正?；顒臃秶?200mm）內，不常用手柄就近設置。

（2）多工位機床，可采用連動控制機構。

（3）大型和重型機床，應設置階梯式操作平臺和懸掛式按鈕。

三、合理安排操縱部件第三節(jié)專機的總體布局

3.操縱件的設置及操縱方向

1）操縱件之間有合理的距離。

2）手柄操作方向應與運動件產生的運動的方向一致。若運動件作直線運動，順時針轉動手輪，運動件應作離開、向右、向上運動；若運動件作旋轉運動，手輪的旋向應與運動件一致；若運動件作向心徑向運動，手輪應順時針轉動。第三節(jié)機床的總體布局4.信號源位置及顏色的設置

1）信號設置應符合人的視線習慣——從左到右，從上到下。

2）信號顏色應易于人眼識別。如：紅色按鈕代表危險、禁止；黃色按鈕代表提醒、警告；綠色按鈕代表安全、正常工作狀態(tài)。

（2）自激振動與機床阻尼比、刀具和切削用量相關。預防措施：增大機床主軸組件的阻尼比，調整切削寬度，及時修磨刀具。

隔離外振源

主電動機與主機分離，用橡膠帶輪驅動主運動。

減少傳動鏈內振源①采用變頻無級調速或雙速電動機，縮短傳動鏈。②提高傳動件、主軸組件的剛度。③設置大傳動件動平衡或阻尼機構。④提高各部件結合面精度，增強局部剛度。第三節(jié)專機的總體布局

抗振性指機床的工作部件在交變載荷下，抵抗受迫振動和自激振動變形的能力。

四、提高機床的動剛度1.提高抗振性能

（1）受迫振動

指機床部件受到來自機床外或傳動系內部振動影響而形成的共振。其預防措施有：第三節(jié)機床的總體布局2.減少熱變形

隔離熱源電動機、液壓泵和閥、油箱與主機隔離。

控制環(huán)境溫度精密、數控機床在恒溫下工作。

強制冷卻熱源采用切削液冷卻加工部位、壓力潤滑油循環(huán)冷卻主軸軸承。結構應利于排屑。

（2）措施

外熱源電動機、液壓泵、各種控制閥、環(huán)境溫度。

內熱源摩擦熱、切削熱等。

自身因素熱源分布不均，金屬材料不同的熱膨脹系數。

（1）熱源

如數控機床床身傾斜于主軸后上方，使切屑在自重作用下落入排屑帶上。第三節(jié)專機的總體布局3.降低噪聲

齒輪振動影響傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，是機床工作的主要噪聲源。其產生因素是齒輪的基節(jié)偏差和齒形誤差，它們均是由滾刀的制造誤差、安裝誤差以及齒輪的制造誤差造成。

（1）噪聲源

縮短傳動鏈，采用小模數、硬面齒輪，降低傳動件的線速度和提高阻尼比，增加齒輪嚙合的重合度和支承組件的剛度。

（2）措施

機床振動是噪聲源，包括：機械噪聲、液壓噪聲、空氣噪聲、電磁噪聲第四節(jié)主要技術參數的確定

機床的技術參數包括主參數、尺寸參數、運動參數和動力參數。

一、主參數和尺寸參數

機床的主參數

是代表機床規(guī)格大小并反映機床最大工作能力的一種參數。1.主參數

專用機床的主參數以加工零件或加工面的尺寸參數來表示。

工件回轉的機床主參數是表示工件的最大加工尺寸。工件移動的機床主參數是表示工作臺面的最大寬度(鏜床例外)。主運動為直線運動的機床的主參數是表示最大位移（插齒機、拉床例外）。如：CA6140，MG1432A，XK5040-1

尺寸參數

是指機床的主要結構尺寸參數，通常包括：

1）與被加工零件有關的尺寸。如：臥式車床最大加工工件長度。搖臂鉆床的立柱外徑與主軸之間的最大跨距。

2）標準化工具或夾具的安裝面尺寸。如：臥式車床主軸錐孔及主軸前端尺寸。

2.尺寸參數第四節(jié)主要技術參數的確定

通用機床

工藝范圍較廣，要求主軸具有不同的轉速和一定的變速范圍。若采用級變速，需確定主軸級數、最低轉速和最高轉速。第四節(jié)主要技術參數的確定

二、運動參數

運動參數

指機床執(zhí)行件（主軸或工作臺、刀架）的運動速度。

專用機床和組合機床用于對特定的工件進行特定工序的加工。主軸的轉速是固定的，大小可由下式計算：

主運動為直線運動的機床，其主運動參數是每分鐘往復次數。主運動為回轉運動的機床，其主運動參數為主軸轉速。第四節(jié)主要技術參數的確定式中vmax、vmin

根據刀具和工件材料查手冊、切削實驗確定；

dmax、dmin

指實際工況下，采用vmax（或vmin）時，常用的經濟加工直徑，且dmax=kD，dmin=（0.2~0.25）

dmax。

分析機床可能進行的工序，選擇要求最高、最低轉速的典型工序。按工序的切削速度v和刀具（或工件）直徑d，計算出nmin、nmax及變速范圍Rn

。1.最低轉速和最高轉速的確定第四節(jié)主要技術參數的確定

如果已知變速范圍，并采用有級變速，應進行主軸轉速分級。

分級

指在變速范圍內確定中間各級轉速。

主軸轉速按等比級數列排列的點：使主傳動系設計簡單，使用方便，最大相對轉速損失率相等。2.主軸轉速的合理排列變速范圍為

多數機床主軸轉速按等比級數排列，公比為φ

，轉速數列為

將四個等比數列變速組串聯(lián)，機床主軸可獲得24種等比數列轉速。設因子數列為a,b,

c,d數列，各數列的項數用Pa，Pb，Pc，Pd

表示；各數列的公比稱為級比，級比是公比的整數次冪；冪指數稱為級比指數，分別用xa，xb，xc，xd表示。第四節(jié)主要技術參數的確定

某機床的主軸轉速是公比為φ

的等比數列，轉速級數Z為非質數，且Z=24，則數列可分解為四個等比數列的乘積。

（1）特點之一——主傳動系設計簡單Pa=3Pb=2Pc=2Pd=2第四節(jié)主要技術參數的確定

由因子數列項數得：Z=Pa×Pb×Pc×Pd

；將各級比指數寫在各項數的右下角，構成機床主軸轉速的結構式：

Pa=3Pb=2Pc=2Pd=2第四節(jié)主要技術參數的確定

取對數得

結論

d的對數值是v對數值的一次函數，函數圖象是與切削速度對數坐標軸成450

的斜線。當j=1~Z，可得到Z

條平行間距相等的斜線。

已知等比數列的轉速通式為

切削速度與工件（或刀具）直徑關系為

（2）特點之二——使用方便第四節(jié)主要技術參數的確定

考慮刀具壽命，需選擇較低的轉速nj，則轉速的損失為n-nj，相對轉速損失率為

當n

趨近于nj+1時，最大相對轉速損失率Amax為：

最大相對轉速損失率Amax只與公比φ

有關，即Amax恒定。

加工某工件的最佳切削速度為v，相應的轉速為n時，則

（3）特點之三——最大相對轉速損失率相等

標準公比設有7（即1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2)個，用于旋轉主運動、直線主運動和等比進給運動。對于無級變速系統(tǒng)可參考標準公比。第四節(jié)主要技術參數的確定

（1）

φ

>1，因為機床要滿足不同工藝需求，需要一系列等比數列轉速，所以轉速從n1

到nmax依次遞增。

（2）

1

<φ

≤2，因為φ

大，則Amax

大，對機床生產率影響大，所以規(guī)定Amax≤50%，即3.標準公比

非自動化小型機床取φ=1.58、1.78、2，因切削時間小于輔助時間，轉速損失（Amax

）對工作效率影響小，為使機床結構簡單，φ取大值。

專用機床和自動機床取φ=1.12、1.26，要求高生產效率，受轉速損失影響大；不常變速，可用交換齒輪變速，使箱體結構簡化。4.公比選用原則第