数控机床总体设计.ppt

第2章 数控机床总体设计,2.1数控机床设计的基本要求 2.1.1 工艺范围 数控机床的工艺范围是指该机床适应不同生产要求的能力。 机床的功能设置可根据被加工对象的批量来选择。 通用数控机床通过增设一些附件扩大数控机床的工艺范围,2.1数控机床设计的基本要求,212加工精度 机床精度分为机床本身的精度和工作精度（加工精度） 机床本身的精度即空载条件下的机床制造精度（包括几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等）。 工作精度（加工精度）要求机床设计时考虑到机床动态特性,2.1数控机床设计的基本要求,213 柔性 数控机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。 功能柔性是指在同一时期内，机床能够适应多品种小批量的加工，即机床的工艺范围广，运动功能和刀具数多。 结构柔性是指在不同时期，机床个部件通过重新组合，实现机床重构，构成新的机床功能，适应产品变化快的要求。 结构柔性要求数控机床的功能部件具有快速分离与组合的功能。,2.1数控机床设计的基本要求,214 开放性 开放性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）交接的方便程度。,215 噪声 噪声产生的来源 噪声，不仅是一种环境污染，而且反映机床设计与制造水平,2.1数控机床设计的基本要求,2.1数控机床设计的基本要求,216 生产率和自动化 提高切削效率，提高自动化程度、缩短辅助时间，有利于提高生产效率。 自动化程度高，还有利于保持加工精度的稳定性，和适应组建自动化生产系统的要求。,2.1数控机床设计的基本要求,217 成本 全周期概念: 成本贯穿于产品的整个制造和使用生命周期 包括设计、制造、包装、运输、使用维护、消耗及报废处理的费用。是衡量产品市场竞争力的重要指标。,2.1数控机床设计的基本要求,218 生产周期 生产周期（包括设计及制造）是衡量产品市场竞争力的重要指标。 这要求数控机床设计应尽可能采用现代设计方法，如采用CAD、模块化设计、系列化、型谱化设计等,2.1数控机床设计的基本要求,219 可靠性 可靠性系指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 所谓“规定条件”包括使用条件、维护条件、环境条件和操作技术等。 “规定时间”可以是某个预定时间或与时间相关的其他指标，如动作重复次数、距离等。 “规定功能”指产品的技术指标。 产品的可靠性主要取决于产品在研制和设计阶段形成的产品固有可靠性。,2.1数控机床设计的基本要求,2.1.10 机床宜人性 机床宜人性是指为操作者提供舒适、安全、方便、省力等劳动条件的程度。 符合人机工程学原理和工程美学原理。,2.1数控机床设计的基本要求,2111 符合绿色工程的要求 所谓绿色工程是指在工程领域注重环境保护、节约资源、保证可持续发展，使经济发展更多地与地球资源、人类环境及其承受能力达到和谐。 按照绿色工程的要求设计机床 ，优化个有关设计要素，使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境的影响最小，资源效率最高。,2.2 数控机床设计理论及设计方法,2.2.1 数控机床设计的基本理论及设计方法概述 2.2.1.1数控机床设计的基本理论 2.2.1.1.1 精度 机床精度是制机床主要部件的形状、相互位置及其相对运动的精确程度。 包括几何精度、运动精度、定位精度及精度保持性等几个方面,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,各类机床精度按精度等级可分为普通精度级、精密级和高精度级 以上三种精度等级的机床均有相应的精度标准，其允差若以普通级为1，则大致比例为1：0.4:0.25。 在设计阶段主要从机床的精度分配、元件及材料选择等方面来提高机床精度。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（1）几何精度 几何精度是指机床空载条件下，机床各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度 几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。它主要决定于结构设计、制造和装配质量。 几何精度包括导轨的直线度、主轴径向跳动及轴向窜动、主轴中心线对滑台移动方向的平行度或垂直度等,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（2）运动精度 运动精度是指机床的主要零部件以工作状态的速度运动时表现出来的精度 运动精度除几何精度影响外，还主要受到运动速度、运动件的质量、传动力和摩擦力等因素的影响。 运动精度包括高速回转主轴的回转精度 、工作台直线运动速度精度等；,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（3）传动精度 传动精度是指机床传动系统各末端执行件之间相对运动的协调性与准确性 传动精度由传动系统的设计、传动件的制造和装配精度等因素决定 内联传动链的传动精度-传动误差：如车床车削螺纹传动链的传动误差 ，齿轮成型运动的传动误差等,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（4）定位精度 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。 机床构件和进给伺服系统的的精度、刚度以及动态性能、机床测量控制系统的精度等都会影响机床定位精度。 重复定位精度：机床的定位部件重复运动到达同一规定位置的精度情况,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（5）精度保持性 在规定的工作其间内，保持机床所要求的精度，称之为精度保持性。 影响精度保持性的主要因素包括磨损、使用环境等。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（6）工作精度 有时，我们用机床加工规定的试件所能达到的加工精度来衡量机床的工作精度。 工作精度是由包括上面各种因素在内的机床切削系统综合因素所决定的。 机床切削系统包括机床、刀具、加工材料、加工工艺参数等,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.2 刚度 （1）机床刚度 机床刚度是指机床系统抵抗变形的能力。通常可用下式来表示； K=F/y 式中 K机床刚度，N/um； F作用在机床上的载荷，N； y在载荷作用下，机床或主要零部件的变形，um。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击力、和振动干扰力等。 载荷按性质分为静载荷和动载荷 相应地，机床刚度分为静刚度与动刚度,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,（2）整体刚度 机床是典型的多刚体结构体。在载荷的作用下各部件及其结合部都要产生变形，整体刚度可理解为整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。 设计时应考虑刚度的合理分配及优化：在设计中既要考虑提高各部件的结构刚度、同时又要考虑结合部的接触刚度以及各部件间刚度的匹配问题。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.3 抗振性 机床抗振性是指机床在交变载荷作用下抵抗变形的能力。它包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。 机床是具有多个固有频率的复杂多自由度振动系统，机床的振动实际是各阶主振型的合成运动 。 机床的振动幅度主要由低阶振型决定，所以一般只考虑对机床性能影响最大的几个低阶振型，如整机摇摆、一阶弯曲和扭转等振型，即可较准确的表示机床大实际振动状态。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,机床的自激振动是发生在机床的刀具与工件之间的一种相对震动。 它在切削过程中出现，由切削运动与机床结构动态特性相互作用而产生。自激振动一旦出现，它的振幅并不稳定。 自激振动也称为切削稳定性。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.4 热变形 机床在受到内部热源和外部热源的影响，各部分温度发生变化。因不同材料的线胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。 热变形不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.5 噪声 机床噪声源来自四个方面。 机械噪声 如齿轮、滚动轴承及其他传动元件的振动、摩擦等 液压噪声 如泵、阀、管道等的液压冲击、气穴、紊流产生的噪声。 电磁噪声 如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声。 空气动力噪声 如电动机风扇、转子高速旋转对空气的搅动等产生噪声。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,减少噪声的主要途径是控制噪声的生成和隔声。 控制噪声的生成应找出主要的噪声源，并采取降低噪声的措施。 在隔声方面降低噪声主要是根据噪声的吸收和隔离原理，采取隔声措施。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.6低速运动平稳性 爬行现象：机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即时走时停或时快时慢的现象。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,爬行现象产生原因: 摩擦面上摩擦因数的变化和传动机构的刚度不足,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.6低速运动平稳性 防止爬行现象的措施： 在设计低速运动部件时，应减少静、动摩擦因数之差，提高传动机构的刚度，提高阻尼比和降低移动件的质量。 减少静、动摩擦因数之差的方法有: 用滚动摩擦代替滑动摩擦;采用卸荷导轨或静压导轨，采用减摩材料，如导轨上镶装铝青铜、锌青铜或聚四氟乙烯塑料与铸铁或钢支承导轨相配。采用特殊的导轨油等,2.2.1.2数控机床设计的基本方法概述,机床设计基本方法: 通用机床系列化 零部件标准化、通用化、模快化设计 机床系列设计中： 其基型产品属创新设计类型，其他属变型设计类型。组合机床属组合设计类型。,2.2.1.2数控机床设计的基本方法概述,数控技术的发展与应用对机床设计的影响： 数控机床的传动与结构发生了重大变化。 （1）主轴加工类型及范围的变化： 主轴系统及刀库结构及布局 （2）伺服驱动系统的变化； 可以直接驱动单轴运动及多轴联动，从而可以省去复杂的机械传动系统设计，使其结构及布局也发生很大变化。,2.2.1.2数控机床设计的基本方法概述,计算技术的进步，为机床设计方法的发展提供了技术支撑。 （1）计算机辅助设计（CAD） （2）计算机辅助工程(CAE) 机床的设计演变： 人工绘图计算机绘图 定性设计定量设计 静态和线性分析动态和非线性分析 可行性设计最佳设计,2.2.1.2数控机床设计的基本方法概述,机械制造业中，多品种、小批量生产的需求日益增长，出现了与之相适应的FMS等先进制造系统。 数控机床是FMS的核心装备 以单机为主的机床设计 以系统为主的机床设计 单机为主的机床设计：仅考虑完成自身主要加工能力的技术指标设计 以系统为主的机床设计：在完成上述功能外，还考虑与制造系统其他环节的交互。,2.2.2 数控机床主要设计步骤,（1）主要技术指标包括：用途 生产率 性能指标 主要参数 驱动方式 成本及生产周期。 （2）总体方案设计 ：运动功能设计。 基本参数设计。 传动系统设计。 总体结构布局设计。 控制系统设计。,2.2.3 机床系列化设计,系列化设计方法思想： 在机床设计过程中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型的机床为基型。以它为基础，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的机床产品，构成机床产品的基型系列。 在基型系列的基础上，同样根据结构典型化、零部件通用化、标准化的原则以及用户的需要，增加、减去、更换或修改少数零部件，派生出不同用途的变型机床，构成派生系列。,2.2.3 机床系列化设计,“基型”和“变型”合称为某类机床的系列型谱。 机床主参数系列是系列型谱的纵向(按尺寸大小)发展 同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向发展。 系列型谱能比较综合地表现了机床产品规格参数的系列性与结构的相似性。,2.2.3 机床系列化设计,系列化设计的特点 可以较少品种规格的机床产品满足市场较大范围的需求。 系列中不同规格的机床产品是依据经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的，可以大大减少设计工作量，缩短研制周期，提高设计质量，减少机床开发的风险。 机床产品有较高的结构相似性和零部件的通用性，因而可以压缩工艺装备的数量和种类，有助于缩短研制周期，降低生产成本。,2.2.3 机床系列化设计,零部件的种类少，系列中的机床产品结构相似，便于进行机床的维修，改善售后服务质量。 为开展变型设计提供技术基础。 由于用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中进行选择，因此，其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，有些功能可能还有冗余。,2.2.4 零部件的通用化和标准化设计,通用化和标准化设计思想： 利用较少的几种结构，去适应较多产品的需要，以减少企业生产的零、部件种数。 优点： 减少设计工作量，扩大生产批量，减少工艺装备，便于管理生产和组织专业化生产，降低成本，保证质量。,2.2.4 零部件的通用化和标准化设计,部件通用化： 多数是指在系列型谱中，相同规格的基型与变型机床之间的通用。 举例： 同主参数的铣床(万能、卧铣、立铣)中，大多数的部件，如升降台、工作台、进给箱、主动机构等都是通用的。 系列中相邻规格的机床之间，也有可能实现部件通用化。例如最大孔直径63mm和80mm的主轴箱可以通用;100mm和125mm的主轴箱也可通用。,2.2.5 模块化设计,机床产品的模块化设计思想； 确定一组具有同一功能和结合要素(指联接部位的形状、尺寸、公差等)、但性能和结构不同且能互换或组合的结构或功能单元，形成产品的模块系统，选用不同的模块进行组合，便可形成不同类型和规格的产品。,2.2.5 模块化设计,模块化设计具有下述特点 提高设计效率，满足用户要求。产品模块具有规范化、系列化、通用化和标准化特点，一次设计可满足市场上的多种需求，可显著提高设计效率，最大限度地缩短供货周期和满足用户需求。 提高产品质量、降低生产成本。对于系列化和通用化的结构模块，可以精心设计，批量加工，甚至可以组织专业化生产，因而可大幅度提高产品质量、降低生产成本。 促进产品更新换代。对于已经模块化的产品，可快速响应市场需求，不断设计出新型的模块，发展变型产品。,2.2.5 模块化设计,方便维修。模块化产品的维修十分方便，一旦设备发生故障，可更换整个模块。 模块的结合部位结构较复杂，加工要求高;结构复杂的产品，有时难于保证外观的美观和匀称。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.2 模块化设计方式 模块化设计特别适用于有一定批量的变型产品的系列化设计，可根据系列型谱进行横系列模块化设计、纵系列模块化设计和跨系列模块化设计。 （1）横系列模块化设计 在基型产品模块化结构的基础上，通过更换或添加功能模块来扩大产品的功能和适应性。这种设计方法应用最广，图2-4所示即属于横系列模块设计。,2.2.5 模块化设计,2.2.5 模块化设计,（2）纵系列模块化设计 纵系列模块设计一般在基型产品横系列模块系统基础上，保持产品功能与原理方案基本相同，采用相似设计方法，改变其尺寸或性能参数，形成主参数等比数列排列的一系列产品。 （3）跨系列模块化设计 对于具有相近动力部件的产品，可进行跨系列模块化设计，常见的有跨系列基础件模块、动力模块或其他功能模块。如坐标镗床、坐标磨床和自动测量机床等可采用相同基础件模块。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.3模块化设计功能模块 (1)功能模块划分 功能模块是产品中实现各种功能单元的具体方案或载体，是从满足技术功能的角度来划分和定义的，是方案设计中应用的一种概念模块。 功能模块划分的出发点是产品的功能分析，功能模块的划分一般采用系统分析方法，将产品的总功能自上向下逐层分解为分功能、子功能、直至功能单元。 产品功能分解可用功能树表示，功能模块可用模块树或形态矩阵表示。,2.2.5 模块化设计,(2)功能模块类型 基础功能模块。是产品构成中基本的、反复出现的和不可缺少的功能模块类型，可以单独出现或与其他功能模块相结合形成一个具体的生产模块或结构模块。如卧式车床中主运动模块、进给运动模块、床身支撑模块等。 辅助功能模块。 完成产品的辅助功能，如卧式车床中的快速移动模块、加工冷却模块等，这些模块一般不能单独使用，其结构尺寸等由基础功能模块决定。 特殊功能模块。满足用户的特殊要求，扩展或补充产品的某种功能，其生产批量比基础能模块少，如卧式车床中的工件自动夹紧模块。,2.2.5 模块化设计,适应功能模块。适应其他系统或边界条件等必须设置的模块，其结构尺寸只是部分地或在一定范围内确定的，根据用户的具体要求或使用环境等，其结构尺寸可作一定调整，它是一种变尺寸或变结构的模块。 非模块化功能块。是一种根据用户要求进行设计的功能模块，由于其生产批量少，其结构及结合要素可不必追求规范化与标准化，这样做有时会有利于降低设计与制造成本。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.4模块化设计结构模块 从有利于生产和方便装配目的而确定的模块，它是构成产品的具体模块，又称为生产模块.它们可能是一个或几个完整的功能模块及其组合，也可能仅包含某功能模块的一部分。 从产品结构和企业实际情况出发，在完成产品功能模块划分的基础上.合理确定结构设计的又一关键问题。结构模块可以是产品部件、组件、零件或大型零件的一部分，也可根据分级模块思想进行灵活组合,2.2.5 模块化设计,（1）部件模块 这种模块既是生产模块，也是单功能或多功能组合而成的功能模块。有一定独立性和完整性。方便设计与生产管理，是使用最为广泛的一种生产模块。如主轴系统、伺服系统等为部件 （2）组件模块 把构成部件的各个组件设计成不同的生产模块，可以使部件具有不同的结构或性能，与部件模块相比，系统的柔性会有很大提高,2.2.5 模块化设计,（3）零件模块 将产品中的某些零件作为结构模块，可以获得最大的系统柔性，最大限度增加生产批量。例如：组合夹具就是一种以零件模块构成的组合产品。 （4）大型零件的分段模块 对于大型铸件和焊接件，还可以进一步划分为分段模块，通过组合可以满足不同规格的产品需求，可以方便加工制造，减少对大型机床的需求，同时还可以减少木模、砂芯等的数量，有利于降低生产成本。,2.2.5 模块化设计,（5）分级模块思想 为了更好地发展模块化设计，还可采用分级模块思想，把产品的结构划分成不同的级别，低一级模块可组合成高一级的模块。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.5 模块化产品的设计要点 (1)统一规划，分步实施 模块化产品设计，要在产品规划和方案设计阶段制定产品的系列型谱，以此为依据完成结构模块系统的设计工作,2.2.5 模块化设计,（2）搞好技术文件编制工作 由于模块的设计不直接与产品相联系，因此必须注意编制好文件，指导产品的构成、制造与检测，具体包括以下内容: 模块目录表，包括模块编码、有关性能、功能的说明。 模块化产品目录，包括使用的模块类型、组合关系及产品的检测、使用说明等。,2.2.5 模块化设计,（3）模块化产品的计算机管理 完成结构模块目录和模块化产品目录及有关性能、功能的计算机管理，便于进行有关信息的检索、修改与完善，还可具有以下两点功能: 对组合成的产品进行全面评价，可根据用户要求进行组合方案的优化。 在对组合产品全面评价的基础上，提出新模块开发及其组合建议，扩大模块化产品的功能，最大限度地满足市场需求。,2.3数控机床总体方案设计,总体设计一般思路： 在机床设计各项基本要求中，工艺要求最为重要和基本。由工艺要求决定机床所需要的运动设计，完成每个运动又有相应的功能部件，这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系，机床的总体布局也就大体能确定下。,2.3数控机床总体方案设计,进行机床总体设计时可从两方面进行考虑。一方面从机床内部(本身)考虑，要处理好工件与刀具间的相对关系，如位置与运动、工件重量和形状特点等。 另一方面还要兼顾考虑到机床外部的因素，也就是人机之间的关系，外形、操作和维护等。,2.3.1 几何运动功能设计,2.3.1.1工作原理 机床是依靠刀具与工件之间的相对运动，加工出一定几何形状和尺寸精度的工件表面。不同的工件几何表面，往往需要采用不同类型的刀具，作不同的表面形成运动，而成为不同类型的机床。,2.3.1 几何运动功能设计,2.3.1.2 工件表面的形成方法 (1) 几何表面的形成 任何一个表面都可以看作是一条曲线(或直线)沿着另一条曲线 (或直线)运动的轨迹。这两条曲线(或直线)称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。,2.3.1 几何运动功能设计,2.3.1 几何运动功能设计,(2)发生线的形成 工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。有如下四种方法。 轨迹法(描述法)。 成型法(仿形法)。 相切法(旋切法)。 范成法（滚切法),2.3.1 几何运动功能设计,轨迹法(描述法)。 发生线1(直导线)是由点切削刃作直线运动动轨迹形成的。因此为了形成发生线1, 刀具和工件之间需要一个相对运动。,2.3.1 几何运动功能设计,成型法(仿形法)。刀具是线切削刃.与工件发生线1（曲线)吻合，因此发生线1由刀刃实现，发生线1的形成不需要刀具与工件的柜对运动。,2.3.1 几何运动功能设计,相切法(旋切法)。圆柱铣刀旋转时，刀具上的任一点与工件接触均可发生切削，故称之为面切削刃。发生线1的轨迹是面发生线2运动轨迹的包络线。因此为了形成发生线1，刀具和工件之间需要两个运动，一个是刀具的旋转，形成面切削刃2;另一个是刀具回转中心与工件之间按圆轨迹相对运动。,2.3.1 几何运动功能设计,范成法（滚切法): 发生线1(渐开线母线)是由切削刃2(线2）在刀具与工件作范成运动时所形成的一系列轨迹线的包络线。这时刀具与工件之间是一个相对运动（简称范成运动)。,2.3.1 几何运动功能设计,2.3.1.3 运动分类 (1)按运动的功能分类 为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，各个运动的功能是不同的。可以分为成形运动和非成形运动。 成形运动。完成一个表面的加工所必须的最基本的运动，称为表面成形运动，简称成形运动。,2.3.1 几何运动功能设计,根据运动在表面形成中所完成的功能，成形运动又分为主运动和形状创成运动。 A、主运动。它的功能是切除加工表面上多余的金属材料，因此运动速度高，消耗机床绝大部分动力，故称为主运动，也可称为切削运动。它是形成加工表面必不可少的成形运动。例如车床上主轴的回转运动，磨床上砂轮的回转运动，铣床上的铣刀回转运动等为主。 B、形状创成运动。它的功能是用来形成工件加工表面的发生线。同样的加工表面.,2.3.1 几何运动功能设计,辅助运动。除了上述成形运动之外，机床上还需设置一些其他运动，可称非成形运动，如切入运动(使刀具切入用);分度运动(当工件加工表面由多个表面组成时，由一个表面过渡到另一个表面所需的运动);辅助运动(如刀具的接近、退刀、返回等);控制运动(如一些操纵运动)。,2.3.1 几何运动功能设计,（2)按运动之间的关系分类 独立运动（简单成形运动）： 与其他运动之间无严格关系要求。 复合运动： 与其他运动之间有严格关系要求。如车螺纹的复合运动。对机械传动形式的机床来讲，复合运动是通过内联系传动链来实现; 对数控机床而言，复合运动是通过运动轴的联动来实现。,2.3.1 几何运动功能设计,2.3.1.4运动功能方案设计 (1)工艺分析 对所设计的机床的工艺范围进行分析(对于通用机床，加工对象为工件群，选择其中几种典型工件进行分析)，选择确定加工方法(对同一种表面有多种加工方法)。,2.3.1 几何运动功能设计,(2)选取坐标系 依据数控机床坐标系，采用直角坐标系，沿X, Y, Z轴的直线运动符号及运动量仍用X , Y, Z表示，绕X, Y, Z轴的回转运动用A, B, C表示，其运动量用 表示。,2.3.1 几何运动功能设计,对于各运动部件的局部坐标系可按如下方法选取: 局部坐标系固定在运动部件上; 当各个运动部件的运动方向与机床坐标系轴线平行时，可取各局部坐标系与机床坐标系方向一致，这种取法简单、直观，也可取局部坐标系与机床坐标系方向不一致，取运动部件的运动方向为Zi轴; 当有斜置式运动时，可混合选取，即与机床坐标系轴线平行的运动，其坐标按机床坐标系选取，斜置的运动取运动方向为Zi轴，为了与总体坐标区分可用Zy表示。,2.3.1 几何运动功能设计,(3)写出机床几何运动功能关系式 确定机床的运动功能，写出机床运动功能关系式。 运动功能关系式表示机床的运动个数、形式(直线或回转运动)、功能(主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标p, f, a表示)及排列顺序。左边写工件，用W表示;右边写刀具，用T表示，中间写运动，按运动顺序排列，并用“/”分开。 如车床的运动功能关系式为W/Cp , Zf , X f/T，三轴升降台式铣床的运动功能关系式为W/ X f, Yf , Zp, Cp /T,2.3.1 几何运动功能设计,(4)绘制机床运动机构原理图 机床运动机构原理图是将机床的几何运动功能式用简洁符号和图形表达出来，是机床传动系统设计的依据。 机构运动功能图形符号可用图2-7所示的符号表。图2-7 ( a)表示回转运动，图2-7 ( b)表示直线运动。,2.3.1 几何运动功能设计,运动功能图识图举例： 图2-8给出了一些机床运动功能图的例子。 下标p表示主运动，f表示进给运动，a表示非成形运动。 图中的 表示沿局部坐标系的运动。,2.3.1 几何运动功能设计,图2-8( a)中，Cp为主运动，Zf和Xf为进给运动，完成车削功能。,2.3.1 几何运动功能设计,图2-8 ( b )中，Cp为主运动，Xf, Yf和Zf为进给运动，完成铣削功能。,2.3.1 几何运动功能设计,图2-8( d)中， Cp为主运动, Cf, Xf, , Zf为进给运动，Ba为砂轮的调整运动，用于磨圆锥面。,2.3.1 几何运动功能设计,图2-8(g)所示为完成滚齿功能，为主运动， 与Cf组成范成运动，创成渐开线母线，Zf为创成直导线，Ba为调整运动，用来调整刀具的安装角，使刀具与工件的齿向一致，Ya为切人运动。,2.3.1 几何运动功能设计,(5)绘制机床传动原理图 机床的运动功能图只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。若将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原理图。,2.3.1 几何运动功能设计,2.3.1 几何运动功能设计,并联轴机床的几何运动原理 图2-10 (a)所示的1, 2是两个移动副(又称为直线关节)，3, 4, 5为铰链(又称为球关节)。当构件1, 2作直线运动时，将杆35和杆45伸长或缩短。从运动学原理看，1, 2是并联，它的运动效果与图2-10(b)中两个串联运动1, 2的运动效果相当。1和2称为等效运动，或称虚拟轴运动。因为1和2 运动轴实际并不存在。具有虚拟轴运动的机床也可称为虚拟轴机床。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,机床几何运动功能关系式(或运动构原理图)是根据工艺要求确定的。它只描述了刀具与工件之间的相对运动。但哪些运动是由刀具一侧成，哪些运动由工件一侧完成也还不清楚。所以还要决定运动功能的分配问题。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,2.3.2.1 几何运动功能分配设计 通过几何运动功能分配设计可确定基础支承件，即运动功能关系式中“接地”的位置，用符号“”表示。符号“”左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。 机床的运动功能关系式中添加上接地符号“”后，可称为运动分配式。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,运动功能分配设计：一个运动功能方案，可以得到几个运动分配式，如前例铣床的运动功能关系式为W/Xf、Zf、Yf、Cp/T，其运动分配式有以下几种: W/ Xf、Zf、Yf、Cp/T。 W/ Xf Zf、Yf、Cp/T。 W/ Xf、Zf Yf、Cp/T。 W/ Xf、Zf、Yf Cp/T。 W/ Xf、Yf Zf、Cp/T。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,运动分配式进行评价： 由众多的运动功能关系式经过评价筛选后，保留下的方案都可进行运动分配设计，再对众多的运动分配式进行评价，剔除一些明显不合理方案,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,2.3.2.2 结构布局设计 机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等;其中基础支承件的形式又有底座式、立式、龙门式等;基础支承件的结构又有一体式和分离式等。因此同一种运动分配式又可以多种结构布局形式，这样运动分配设计阶段评价后保留下来的运动分配式方案的全部结构布局方案就有多种，因此需要再次进行评价，去除不合理方案。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,结构布局方案评价： 该阶段评价的依据主要是定性分析机床的刚度、工艺特点、占地面积以及对物流系统的开放性等因素。该阶段设计结果得到的是机床总体结构布局形态图，,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,图2-11所示为五轴镗铣机床的一种结构布局形态图,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(1）满足多刀加工的布局图 图2-12是具有可编程尾架座双刀架数控车床，床身为倾斜形状，位于后侧，有两个数控回转刀架，可实现多刀加工，尾座可实现编程运动，也可安装刀具加工。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(2)满足换刀要求的布局 加工中心都带有刀库，刀库的形式和布局影响机床布局。所要考虑的问题有:选择合适的刀库、换刀机械手与识刀装置的类型，力求这些结构简单，动作少而可靠，机床的总体结构尺寸紧凑，刀具存储交换时保证刀具与工件和机床部件之间不发生干涉等。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(3)满足多坐标联动要求的布局 五坐标的加工中心，有立、卧两个主轴，卧式加工时立式主轴退回， 立式加工时卧式主轴退回，立式主轴前移，工作台可以上下、左右移动和在两个坐标方向转动。刀库为多盘式结构，位于立柱的侧面。该机床在一次装夹时可加工五个面，适用于模具、壳体、叶轮、叶片等复杂零件的加工。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(4)适应快速换刀要求的布局 图2-16所示的加工中心无机械手，换刀时刀库移向主轴直接换刀，刀具轴线与主轴轴线平行。不用机械手可减少换刀时间，提高生产率。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,图2-17是转塔主轴箱的布局形式，转塔头上装有两把刀，与主轴轴线成45，当水平方向的主轴加工时，待换刀具的主轴换刀，换刀时间和加工时间重合，转塔回转180，换上的刀具就可工作，提高了生产率。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(5)适应多工位加工要求的布局 图2-18所示的机床有四个工位，三个工位为加工工位，一个工位为装卸工件工位，该机床可实现多面加工，因而生产率较高。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(6)适应可换工作台要求的布局 图2-19为可换工作台的加工中心，一个工作台上的零件加工时，另一个工作台可装卸工件，使装卸工件时间和加工时间重合，减少了辅助时间，提高了生产率。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(7)工件不移动的机床布局 当工件较大，移动不方便时，可使机床立柱移动，如 2-20所示，对于一些大型镗铣床，床身比工件重轻，大多采用这种布局方式。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,(8)为提高刚度减少热变形要求的布局卧式 加工中心多采用框架式立柱，这种结构刚度好，受热变形小，抗振性高，如图2-21所示。主轴位于两立柱之间，当主轴发热时，由于两立柱温升相同. 因而变形相同，对称的热变形，可使主轴的位置保 持不变，因而提高了精度。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,2. . 2. 3 机床总体结构的概略形状与尺寸设计 该阶段主要是进行功能(运动或支承)部件概略形状和尺寸设计，设计的主要依据是机床总结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构局形态图、驱动与传动设计结果、机床动力参数、加工空间尺寸参数以及机床整机的刚度及精度分配。其设计过程大致如下。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,首先确定末端执行件的概略形状与尺寸。 与设计末端执行件相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸。若为运动导轨结合部，则执行件一侧相当于滑台，相邻部件一侧相当于滑座，考虑导轨结合部的刚度及导向精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。 根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程尺寸，同时考虑部件的刚度要求，确定下一个功能部件(即滑台侧)的概略形状与尺寸。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,重复上述过程，直到基础支承件(底座、立柱、床身等)设计完毕。 若要进行机床结构模块设计，则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。 初步进行造型与色彩设计。 机床总体结构方案的综合评价。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,上述设计完成后，得到的设计结果是机床总体结构方案图，如图2-22所示。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,对所得到的各个总体结构方案进行综合评价比较，评价的主要因素如下。 性能。预测设计刚度及精度。 制造成本。根据设计方案的结构复杂程度、制造装配难度、模块化及标准化程度、制造厂的制造条件等预估制造成本。 制造周期。考虑因素大体与相同，预估制造周期。,2.3.2 机床总体布局结构方案设计,生产率。 物流系统的开放性。 外观造型。 机床总体结构方案设计修改与确定。根据综合评价，选择一二种较好的方案，进行方案的设计修改、完善或优化，确定方案。,2.4 机床主参数的设计,2.4.1主参数和尺寸参数 机床主参数是反映机床规格大小及机床最大工作能力的一种参数。 通用机床主参数已有标准，见GB/T 15375-94金属切削机床型号编制方法。根据用户需要选用相应数值即可，而专用机床的主参数，一般以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示。,2.4 机床主参数的设计,机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸。 与被加工零件有关的尺寸。如卧式车床刀架上最大加工直径，摇臂钻床的立柱外径与主轴之间的最大跨距等。 标准化工具或夹具的安装面尺寸。如卧式车床主轴锥孔及主轴前端尺寸。,2.4 机床主参数的设计,2.4.2 运动参数 运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度。 2.4.2.1 主运动参数 对于主运动是回转运动的机床，其主运动参数为主轴转速。,式中n主轴转速，r/min; v切削速度，m/min; d工件或刀具直径，mm 。,2.4 机床主参数的设计,对于通用机床，由于完成的工序范围较广，又要适应一定范围的不同尺寸和不同材质零件的加工需要，要求主轴具有不同的转速(即应实现变速)，故需确定主轴的变速范围。 主运动可采用无级变速，也可采用有级变速。若用有级变速，还应确定级数。,2.4 机床主参数的设计,(1)最高转速和最低转速的确定 确定最低转速( nmin)和最高转速(nmax)的方法主要是调查、分析在所设计的机床上可能进行的工序，从中选择要求最高、最低最低转速的典型工序。按照典型工序的刀具切削速度和刀具(或工件)直径，由式(2-2 )、式(2-3 )、(2-4)式可计算出nmin和最高转速nmax及变速范围Rn:,2.4 机床主参数的设计,参数的选择参考依据： 式中的vmin和vmax可根据切削用量手册、现有机床使用情况调查或者切削试验确定，通用机床的dmax和dmin并不是指机床上可能加工的最大和最小直径，而是指实际使用情况下，采用vmin和vmax时常用的经济加工直径，对于通用机床，一般取 dmax = KD; dmin = Rd dmax D机床能加工的最大直径，mm ; K系数，根据对现有同类机床使用情况的调查确定，如卧式车床K=0.5，摇臂钻床K=1.0； Rd计算直径范围，通常Rd =0. 20. 25。,2.4 机床主参数的设计,例 : 某400mm卧式车床，确定主轴的最高、最低转速。根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最高，参考切削用量资料，可取vmax = 200m/min，对于通用车床K=0. 5，Rd=0. 25，则 dmax = KD =0.5 X 400=200mm dmin = Rd dmax =0. 25 X 200=50mm,2.4 机床主参数的设计,根据分析，主轴最低转速由下面两道工序确定。 工序1: 用高速钢车刀，对铸铁材料的盘形零件粗车端面。参考切削用量资料取vmin=15m/min，则 :,2.4 机床主参数的设计,工序2 : 用高速钢刀具，精车合金钢材料的梯形螺纹(丝杠) 时，主轴转速较低，取V=1.5m/min。据调查，400mm卧式车床上加工丝杠最大直径为4050mm左右，则:,综合实际情况，同时考虑今后的发展储备，最后确定nmax = 1600r/min, nmin =10r/min。,2.4 机床主参数的设计,(2)主轴转速的合理排列 确定了nmax和nmin之后，在已知变速范围内若采用有级变速，则应进行转速分级；如果采用无级变速，有时也需用分级变速机构来扩大其无级变速范围。所谓分级即在变速范围内确定中间各级转速。目前，多数机床主轴转速是按等比级数排列，其公比用符号 表示。则转速数列为:,2.4 机床主参数的设计,主轴转速数列呈等比数列规律分布，主要原因是在转速范围内的转速相对损失均匀。 如在加工中某一工序要求的合理转速为n，而在Z级转速中没有这个最佳转速，nj n nj+1。 将造成的转速损失为(n-nj )，相对转速损失率为:,当n趋近于nj+1时，仍选用nj为使用转速，产生的最大相对转速损失率为:,如果认为每级转速的使用机会都相等,那么应使Amax为一定值即