机械制造装备设计原理

一二章CNC等基本概念：CNC：计算机数字控制机床 NC：数字控制 PLC：可编程逻辑控制器 FMC：柔性制造单元 FMS：柔性制造系统 CAD：计算机辅助设计 CAPP：计算机辅助工艺规划 MRP物料需求计划 LAF:精益-敏捷-柔性生产系统 TQC：全面质量管理 JIT：准时生产机械制造装备应具备的主要功能 1、一般的功能要求（1）加工精度方面的要求2）强度、刚度和抗振性方面的要求3）加工稳定性方面的要求4）耐用性方面的要求5）技术经济方面的要求机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。1、加工装备主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机包括:金属切削机床、特种加工机床、锻压机床、木工机床金属切削加工：钳工、机工金属切削机床分12大类 2、工艺装备各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。3、仓储运输装备包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等4、辅助装备包括 清洗、排屑等。机械制造装备设计的类型 创新设计：新的理念新的技术原理，全新的产品。特点:设计周期长工作量大投入高 变形设计：适应型设计变参数型设计。特点: 工作原理总体结构保持不变遵循系列化设计的原理组合设计：模块化设计。对各种功能模块的组合，构成不同类型不同功能的产品机械制造装备设计：绝大多数属于：变形设计组合设计。很少部分属于：创新设计，但创新设计是基础机械装备设计的典型步骤：一产品规划阶段(明确设计任务)1.需求分析2.调查研究包括市场、技术、社会调研3.预测4.可行性分析 二、方案设计阶段(功能原理的设计)1.对设计任务的抽象2.建立功能结构3.寻求原理解与求解方法4.初步设计方案的形成5.对初步设计方案的评价与删选 三、技术设计阶段(设计方案具体化)1.确定结构原理方案2.总体设计3.结构设计 四、工艺设计阶段：1.零件图设计2.完善装备图3.商品化设计4.编制技术文档三章机床设计步骤：主要参数-总体方案-（运动设计-动力设计-结构设计）-综合评价机床的运动学原理：机床运动学是研究、分析、实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置几何表面的形成原理:任何一个表面都可以看成是母线沿着导线运动的轨迹发生线的形成方法：1）轨迹法（描述法）：刀具与工件相对运动;2）成型法（仿形法）：刀具和工件不需要相对运动;3）相切法（旋切法）切线组成的包络面;4）展成法（滚切法）刀具与工件需要一个复合的相对运动机床的表面成形运动（成形运动）各种类型的机床，进行切削加工必须使刀具和工件完成一系列的运动机床在加工过程中，完成的各种运动，按其功能可分为两类：1、（表面）成形运动-用来形成被加工表面的运动2、非成形运动（辅助运动）-机床上除表面成形运动以外的所有运动根据切削过程中，所起的作用不同，（表面）成形运动又可分为：1主运动 是切下切屑最基本的运动；2进给运动是使金属层不断投入切削，以加工出整个工件表面所需要的运动（任何一种机床，有且通常只有一个主运动但进给运动，可能有一个或几个，也可以没有）非成形运动的种类很多，如1.分度运动2.切入运动3.快进、快退、回程、转位等空行程运动4.起动、停止、变速、变向、夹紧、松开等操纵运动机床的表面成形运动，按其“运动形式”，又可分为：1简单的成形运动：仅做旋转运动或直线运动的成形运动（机床上最易实现）2复合的成形运动：由两个（或两个以上）的简单的成形运动按某种严格的运动关系合成的成形运动 例：车削外圆，两个简单的成形运动 例：车削螺纹，一个复合的成形运动 （例：用齿轮滚刀滚切直齿圆柱齿轮齿面 两个成形运动1形成渐开线-滚刀旋转和工件旋转，有严格的运动关系要求（啮合运动），滚刀旋转和工件旋转合成的复合的成形运动（范成运动）2形成齿轮的齿宽-滚刀沿工件齿宽方向的移动 简单的成形运动复合的成形运动是一个独立的运动，而不是两个（或多个）独立的运动机床运动功能方案设计两种表达形式：机床运动功能图机床运动功能式精度：几何精度 （机床不运动或低速运动）、运动精度（机床空载运动时，执行部件的几何精度）、传动精度（运动的协调性和均匀性）、定位精度（定位部件运动到规定位置的精度）、重复定位精度（重复定位时,位置的一致程度）、工作精度（用试件的加工精度表示）、精度保持性（在规定的工作时间,保持所要求的精度）。机床主要参数的设计 机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。等比数列的原因：对于各级转速选用机会基本相等的普通机床，为使生产率损失最小，应使选择各级转速产生的相同，即，标准公比和标准数列:准公比：七个 1.06(1) 1.12(2) 1.26(4) 1.41(6) 1.58(8) 1.78(10) 2(12)的原因：转速递增所以1，为限制转速损失的最大值不大于50%，则公比2。公比的选用 小 使用性能 生产率损失 转速级数z 机床结构复杂 大 使用性能 生产率损失 转速级数z 机床结构复杂普通机床，辅助时间和准备结束时间较长，机动时间在加工周期中占的比重不是很大，转速损失不会引起加工周期过多延长，为了机床变速箱结构不过于复杂，一般 1.26或1.41。大批量用的专用机床，情况同上相反，一般 1.12 或1.26。非自动化小型机床，加工周期内切削时间远小于辅助时间，为简化结构，一般1.58或1.78 甚至2。主传动系设计应满足的基本要求：1、 满足机床使用性能要求2、 满足机床传递动力要求3、 满足机床工作性能的要求4、 满足产品设计经济性的要求5、 维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配。主变速传动系设计计算转速图 电机轴主轴 传动副齿数比写一次即可级比 主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，级比指数表示格子数要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，称为基本组，X0为使主轴获得：“连续”而“不重复”的等比转速数列，变速传动系统的 “各变速组的传动比”应该满足：1.每一变速组中各“传动副的传动比”应是一“等比数列”（分叉均匀）2.基本组、扩大组满足关系： 主变速传动系设计的一般原则：（）传动副“前多后少”的原则（）传动顺序与扩大顺序相一致的原则（ “前密后疏”传动件的尺寸小 ）（）变速组的降速要“前慢后快”，中间轴的转速不宜超过电动机的转速，以减小传动件的尺寸齿轮齿数的确定 确定变速组齿轮齿数时，关键是选取合理的齿数和。中心距取决于传递的转矩。同变速组的各齿轮的模数一般相同（方便设计与制造），所以同变速组的各对传动副的齿数和相等。为简化工艺，各变速组的齿数模数最好一样，最多23种。为顺利安装，最小齿数选1820.变速组齿轮齿数的确定原则：1可能的条件下、齿轮的齿数应该尽量小些，尺寸小，可减少材料和线速度，从而减少震动、噪声、发热、齿轮的最小齿数应保证，不根切Zmin=17少根切或变位Zmin=14、保证三联滑移齿轮能顺利滑移，最大和次大齿轮之间的齿数差应大于或等于齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：计算转速：主轴或各传动件传递全部功率的最低转速例：IV轴最低转速为300，传递到主轴转速为100和150,100比主轴计算转速高，需传递全部功率，故300为计算转速。主轴计算转速：Nj为主轴第一个（低的）三分之一转速内最高那个变速箱内传动件的空间布置： 变速箱内各传动轴的空间布置：各传动轴是空间布置（卧式车床主轴箱横截面图22，展开图23推力轴承位置配置形式）；各传动轴在一个铅直平面内（卧式铣床变速箱图24）；布置步骤：（卧室）确定主轴位置，主轴位置根据车床中心高确定；确定传动主轴的轴和主轴有啮合关系的轴的位置；确定电动机轴位置或运动输入轴（轴I）位置；最后确定其他传动轴的位置。用三角形布置，轴线重合布置，以减小径向尺寸。轴向固定的方法 一端固定：轴受热后可以向另一端自有伸长，不会产生热应力，适于长轴；两端固定：调节间隙有调整螺钉和垫圈。深沟球轴承：一、二。圆锥滚子轴承：二。进给传动系的组成：动力源，变速机构，换向机构，运动分配机构，过载保险机构，运动转换机构和执行件组成。电气伺服进给系统开环系统典型的开环系统采用步进电动机，其精度取决于步进电动机的步距角精度，这类系统的定位精度较低，但结构简单，调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中。闭环系统检测反馈装置有两类：1用旋转变压器作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈；2用脉冲编码器兼作位置和速度反馈- 后者用的多。 闭环控制的定位精度取决于检测装置的精度。其控制精度、动态性能都较好，但是较复杂，安装 调试较麻烦，成本高，用于精密型的机床上。半闭环系统半闭环的精度比闭环差，但系统稳定性好，且结构比较简单，调整容易，价格低。综上所述，对伺服系统的基本要求是：稳定性好精度要高快速 响应性好定位精度高。机械传动部件应满足的基本要求：采用低摩擦传动；伺服系统和机械传动系匹配要合适；选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式；采用预紧办法提高整个系统的刚度；采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差, 提高运动平稳性和定位精度。齿轮传动间隙的消除 刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动进行补偿(偏心轴套调整法)；柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿（双片直齿轮错齿调整法）。滚珠丝杠及其支承：滚珠丝杠常采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴方式。前者一般用在中、小型数控机床，后者则用在轴向刚度高的场合。 滚珠丝杠的三种支承方式：1一端固定,另一端自由；(双推-自由)短丝杠，竖直安装丝杠2一端固定,另一端简支承；(双推-支承) 卧式安装丝杠3两端固定 (双推-双推)高拉压刚度,预拉伸量P126滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧：滚珠丝杠螺母副必须：消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构（图）垫片式和 齿差式滚珠丝杠的预拉伸 (1) 提高丝杠拉压刚度(2) 补偿丝杠的热变性。一般预拉伸力为“最大工作载荷”的0.35倍推力轴承位置配置形式P1451) 前端配置：两个方向的推力轴承都布置在前支承处。在前支承处，轴承较多，发热大，温升高；主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。2) 后端配置：两个方向的推力轴承都布置在后支承处。前支承处 轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。3)两端配置：两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。:当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。4)中间配置：两个方向的推力轴承在前支承的后侧。减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。图P106 2-23作为考题主轴的材料 普通机床主轴-中碳钢（如45钢）， 调质处理后，端部、锥孔、定心轴颈或锥面）局部高频淬硬，以提高其耐磨性；特殊要求（热处理变形小、淬透性高） 用合金钢。几种典型的主轴轴承配置型式：主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的几种典型配置型式：速度型：主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。具有良好的高速性能，承载能力小。刚度型： 前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承。速度刚度型：前轴承采用双列短圆柱滚子轴承。后支承采用两联角接触球轴承。 主轴部件主支承常用的滚动轴承 特点分析角接触球轴承（向心推力球轴承） 角接触球轴承特点：极限转速高，可同时承受径向力和轴向力，可成组安装。双列短圆柱滚子轴特点：1）内圈有1:12的锥孔，轴向移动可调整轴承的径向间隙和预紧；2）极限转速较高；3）能承受较大的径 向载荷；4）刚度高；5）不能承受轴向力。圆锥滚子轴承单列：径向载荷和一个方向轴向载荷 双列：径向载荷和两个方向轴向载荷 空心：冷却、减震 实心 特点：承载能力大，刚度高，但转速低成套使用推力轴承特点：只能承受轴向力，允许的极限转速很低。双向推力角接触球轴承特点：只能承受轴向力（双向），常与双列短圆柱滚子轴承配套使用；极限转速较推力球轴承高。通过修磨隔套，可以调整间隙和预紧主轴滚动轴承的预紧：采用预加载荷：消除轴承间隙，且有一定的过盈量。目的：提高主轴的回转精度，提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为三级：轻预紧、 A ；中预紧，代号为B；重预紧C 方法：双列短圆柱滚子轴承：1用螺母轴向移动轴承内圈2用调整环的长度实现预警，采用过盈套进行轴向固定。 角接触球轴承：用螺母产生内外圈轴向错位，同时实现径向和轴向预紧。支承件筋板和筋条的布置筋板：连接支承件四周外壁的内板，能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平：有助于提高支承件水平面内抗弯强度、垂直;有助于提高支承件垂直面内抗弯强度、斜向：同时提高支承件抗弯和抗扭强度。筋条：一般配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向 横向 斜向 常常布置成交叉排列。支承件材料：铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形、圆柱形，它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。燕尾形导轨1承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。2但刚度较差，加工检验维修都不太方便。3适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。圆柱形导轨制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于承受轴向载荷的导轨，应用较少。回转运动导轨的截面形状有三种：平面环形、 锥面环形、双锥面导轨。P173导轨间隙的调整。导轨常用：压板、鑲条、导向调整板压板(八星）调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩：压板用螺钉固定在运动部件上a）磨刮压板 b）改变垫片厚度 c）用螺钉调整滚动导轨：优点（）是摩擦因数小（）动、静摩擦因数很接近。缺点：是抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高滚动导轨的类型 按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针 按循环方式分类：循环式 （见上图）、非循环式（见下图中c）。导轨预紧：直线滚动导轨一般由制造厂选配不同直径钢球的办法进行调隙和预紧。滚动导轨块可以用调整螺钉、垫块或斜块移动导轨来实现预紧。加工中心无机械手换刀简图（两星）a） 原始位置b）主轴上移将刀具送至换刀位置C)刀库右移将刀具取出d）刀库将待换刀具转至主轴位置e）刀库左移将刀具送进主轴f）主轴回原位机械手手臂和手爪（五星）工作原理：两端各有一个手爪。刀具被弹簧的活动销4顶靠在手爪5中。紧缩销2被弹簧3弹起，使活动销4被锁住，不能后退，这就保证了在机械手的运动过程中，手爪的刀具不被甩出。当机械手手臂处于上换刀位置的75时，紧缩销2被挡在压块下，活动销4可以活动，使得机械手可以抓住或放开主轴或刀具刀座中的刀具1） 锥销7的作用？2）活动销5的作用？ 3）锁紧销4的作用？支承件的截面形状和选择（五星级） 空心截面:刚度比实心大圆（环）形截面:抗扭刚度比方形好，抗弯刚度比方形低封闭截面:刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度机械手手腕结构3（五星）直线导轨的截面形状 转矩特性图最低降速比的确定: 步距角与脉冲当量和丝杠螺距（导程）低速运动平稳性（要求知道概念、原因、表现形式、解决方案）概念及表现形式：机床上有些运动部件，需要低速或微小位移。当运动部件低