宁工院机械制造装备课件3.1机床总体设计

2026/8/191第三章机床总体设计和传动系统设计基本要求了解金属切削机床设计总体设计方法；掌握传动系统设计。重点和难点机床主传动设计方法和原理第一章机床总体设计

第一节机床总体设计内容一机床设计的基本要求二机床的设计方法和设计步骤三机床的总体布局和主要技术参数的确定一机床设计的基本要求机床的质量和技术水平直接影响机械产品的质量和可进行经济加工的适用范围。为了设计和制造质量好、效率高、重量轻、体积小、结构简单、使用方便的机床，设计机床时应考虑的基本要求：一、工艺范围二、生产率和自动化程度三、加工精度和表面粗糙度四、可靠性五、机床的效率和寿命六、系列化、通用化、标准化程度七、其他1.工艺范围定义：机床适应不同生产要求的能力。包括——机床可以完成的工序种类；

零件的类型、材料和尺寸范围；生产率和加工零件的单件成本；毛坯的种类；适用的生产规模；加工精度和表面粗糙度。工艺范围窄,机床结构简单，易实现自动化，生产率高。工艺范围过窄，使用范围受限制。工艺范围过宽，机床结构复杂，不能充分发挥机床各部件的性能。不同机床的工艺范围单件或小批生产的机床，工艺范围应宽专用机床和专门化机床，多应用于大批量生产2.生产率和自动化程度生产率——在单位时间内机床加工合格工件的数量。提高生产率，缩短工作时间，包括切削加工时间、辅助时间。缩短切削加工时间——采用先进刀具，提高切削速度、进给速度、加大切削深度等。提高生产率，缩短辅助时间自动化程度提高机床的自动化程度，减轻工人劳动强度，保证加工精度及精度的稳定性。根据实际情况确定自动化程度和所采用手段。通用机床用途较广，加工对象变化较大，但也应尽可能实现局部的自动循环。实现自动化所采用的手段与生产批量有关系。在小批、单件和形状复杂的工件的生产中，数控机床的使用日益增多，其主要特点是有很大的柔性，灵活性大，不需要设计专用的工装，适应能力强、生产率高，是实现机床自动化的一个重要发展方向。在大批大量生产中，则常采用自动化单机或自动线的方法来提高自动化程度。3.加工精度和表面粗糙度加工精度——被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达到的准确程度。机床的精度包括

几何精度传动精度运动精度定位精度几何精度决定于机床主要部件的几何形状和相互位置。传动精度指机床工作部件和零件运动的均匀性与协调性，对内联传动链具有重要的意义。运动精度指机床在以工作速度运转时主要零部件的几何位置精度。定位精度指机床主要部件在运动终点所达到实际位置的精度。刚度刚度指机床各零部件抵抗弹性变形的能力。机床的热变形也影响加工精度。表面粗糙度工件表面粗糙度与下列因素有关——

工件和刀具的材料进给量刀具的几何形状切削时的振动4.可靠性在额定寿命期内，在特定工作条件下和规定时间内出现故障的几率。由于故障会造成加工件中的部分废品，故可靠性常用废品率来表示，废品率低则可靠性好5.机床的效率和寿命效率：消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。两者的差值=损失主要是摩擦损失，而摩擦损失转化为热量，引起机床的热变形。寿命寿命：机床保持它应有加工精度的使用期限。寿命期内的正常条件下，机床不丧失设计时所规定的精度性能——精度保持性确保和提高机床寿命，主要是提高一些关键性零件的耐磨性，并使主要传动件的疲劳寿命和它相适应，中小型机床，寿命约八年。6.系列化、通用化、标准化程度三化产品系列化、零部件通用化和标准化目的：便于机床设计、使用与维修。系列化：同一类型的机床应有哪些尺寸规格和型式（基型和变型）。系列化（systematization）机床品种系列化工作包括——制定机床的参数标准编制机床的系列型谱进行机床系列设计机床的参数标准参数标准：主参数和第二主参数。主参数系列通常是等比数列，公比为1.26、1.41、1.58等例如摇臂钻床最大钻孔直径系列为25、40、63、80、100、125mm。其中63mm以下公比为1.58，大于63mm一段公比为1.26。系列型谱(typechart)加工零件的要求不同，生产批量不同，零件外形和机床的使用条件不同。主参数相同的机床需要具有不同型式以适应不同的情况——系列型谱系列型谱包括确定某类型机床的品种、基型和变型、布局以及应有的技术性能。部件通用化generalization部件通用化：把相类似的机床的若干部件或零件相互通用起来扩大生产批量，充分发挥工艺装备的能力，降低成本，缩短周期由于部件、零件都是经过生产考验的，因此，还可以提高机床的可靠性。零件标准化standardization机床零件一般分为专用件、通用件、标准件和外购件四类。标准件是由国家或行业标准化。零件标准化程度高，可使成本下降1/4～1/3。7.其他人机关系操纵方便、省力、容易掌握噪声、油雾、粉尘和腐蚀介质都是对人体有害的。外形：美观大方的造型，适宜的色彩，均能使操作者有舒适宜人的感觉。二、机床的设计方法和设计步骤传统方法——理论分析、计算、试验研究相结合CAD、CAE应用定量设计动态和非线性设计最佳设计1.机床的设计方法2026/8/19322.

机床设计步骤（1）调查研究调查使用部门对机床的具体要求，现在使用的加工方法；收集并分析国内外同类型机床的先进技术，发展趋势、以及有关的科技动向；调查制造厂的设备条件、技术能力和生产经验等。（2）拟定方案分析加工工艺，提出总体设计方案，包括——工艺方案、主要参数、机床总体布局、传动系统、电气系统、液压系统、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济综合效果分析等。拟定方案时要注意尽可能采用先进的工艺和创新的结构，尽量采用新的先进技术，提高生产率，并且要注意以生产实践和科学实验为依据。（3）技术设计根据总体设计方案，绘制机床总图、部件装配图、液压与电气装配图，并进行运动计算和动力计算。零件图设计和编写各种技术文件（4）整体综合评价评价整机性能综合评价2026/8/1938三、机床的总体布局和主要参数的确定总体布局设计

generaldesignlayout机床的总体布局设计是指按工艺要求：决定机床所需的运动；确定机床的组成部件；确定各个部件的相对运动和相对位置关系；确定操纵、控制机构在机床中的配置。布局要求机床总布局必须满足用户提出的各种要求1.加工范围、工作精度、生产率和经济性等要求。2.确保所采用的工艺方法能实现所要求的工件和刀具之间相对位置关系和相对运动关系。3.处理好人机关系。2026/8/19411.影响机床总体布局的

基本因素（1）表面成形方法不同形状的加工表面往往采用不同的刀具、不同表面成形方法和不同表面成形运动来形成，因而导致机床总体布局的差异。例如圆柱面常用车削和磨削方法形成，平面则用刨削或铣削、平面磨削的方法形成。相同形状的加工表面，可用不同的刀具、表面形成运动和方法来实现，生产率等不同，从而形成不同的机床布局。例如：圆柱齿轮加工方法可以是：齿轮铣刀铣削、插齿、滚齿等。由于生产批量、机床万能性要求不同，同一加工表面也可以采用不同的表面成形运动来形成。例如：磨削台阶轴的两种表面形成运动和机床布局（2）机床运动的分配工件表面形成方法和运动相同，而机床运动分配不同，机床布局就不同。在分配运动时必须注意使运动部件的重量尽量轻，有利于保证加工精度。机床运动的分配还要考虑到刚度的提高和能缩小占地面积。（3）工件的尺寸、重量和形状工件的表面形成运动及机床部件的运动分配基本相同，但是工件的尺寸、重量和形状不同，这会引起机床布局的变化。如立式钻床与摇臂钻床在机床布局上的差异；牛头刨床与龙门刨床在布局上的差异都是由于工件的尺寸、重量和形状所决定的。卧式车床端面车床端面车床无床身单柱立式车床双柱立式车床龙门移动立式车床（4）工件的技术要求工件的技术要求：尺寸精度、几何精度和表面粗糙度等；加工技术要求高的工件，在考虑机床布局时——尽量提高机床的传动精度和刚度、减少振动和热变形等；提高机床传动精度——缩短传动链。框架式结构——提高机床刚度，例如单臂龙门刨床是为加工大工件尺寸用的，但不采用框架式结构，所以刚度不如双柱龙门刨床。减少振动和考虑热变形对加工精度的影响——如高速车床采用分离传动。（5）生产规模和生产率以车床为例，车削盘类零件；单件小批生产，普通车床加工；中批生产，转塔车床加工，加工中不需换刀，对刀测量，缩短辅助时间、提高生产率。大批大量生产，考虑安放自动上下料装置；采用多主轴、多刀架同时加工；控制系统可实现半自动或自动循环等措施，以提高生产率；（6）其他因素充分考虑到人的因素，处理好人机关系。减轻劳动强度，提供舒适的工作条件，提高工作效率。考虑部件相对位置安排、操纵部位和安装工件部位便于观察、操作，并和人体基本尺寸和四肢活动范围相适应。外形美观、调整、维修、运输吊装等。2.模块化设计模块化设计是对具有同一功能的部件或单元（如刀架），根据用途或性能不同，设计出多种能够互相选用的模块（例如切断刀架、仿形刀架等），——根据生产需要选用模块，组成各种通用机床、变型机床和专用机床。如龙门刨床、龙门铣床和龙门导轨磨床的结构布局和基础件（如龙门架、床身等）极为相似，只要选择合理的基础件形状和尺寸参数，设计成可互换的模块，就可满足三类机床的刚度要求。模块化设计可以缩短设计和试制周期,容易采用新技术，得到高质量的新产品，模块定型后，可以成批生产，成本低，保证质量，提高竞争能力，满足生产需要。2026/8/19563.机床艺术造型与

宜人学机床的艺术造型艺术造型：在满足机床功能要求的条件下，按美学规律创造产品的形象、表达产品形状，在线型、色彩、质感等方面使之具有美感。内容：

各部件几何形体的比例尺度协调；线型流畅；色彩适应不同国家和地区用户的习俗；外形新颖别致、美观大方。

几何形体的确定现代机电产品造型特点:简洁、大方、雅致、精细。造型的第二特点:更多地运用直线和方角造型，以小圆角或直角代替大圆角，以直线和平面代替弧线和曲面。造型时的第三特点:向封闭式的造型方向发展，机身是全封闭或半封闭地被罩壳遮盖住，如加工中心机床。线型风格线型是使产品外形合理、美观的一种艺术表现方法，好的造型要求线型简洁、明快、生动和舒适流畅。线型分为直线和曲线两个体系直线几何形有静穆、浑厚、庄重的风格，令人感到工整、严肃、冷静曲线形体使人感到轻快、活泼自然，但显得笨重、加工复杂，所有的大件的主要轮廓均应以直线型。在线型风格上要注意协调统一的原则。比例与尺度比例：造型对象各部分之间、各部分与整体之间的大小关系，以及各部分与细部之间的比例关系。常用比例关系有：整数比例、均方根比例和黄金分割比例等最恰当的体积划分是用黄金分割比例组成的机床，即表面线性尺寸比例值为0.618：1尺度以人的身高尺寸作为量度标准，或是以某些固定装置（如控制柜、操纵手柄）的高度、尺寸为度量标准和人体功能相适应，与机器大小无关，产品再大，手柄尺寸和操纵台仍要适应人体功能需要，不能随产品尺寸增大而增大机床的色彩机床的色彩比形体对人更具有吸引力，在机床造型设计中占有特殊位置。看物体时，首先色彩感觉的份量占80％，形体占20％，而5min后则持续稳定为色彩、形体各占50％。色彩能有效地发挥产品的功能效用，如绿色能减轻日光漫反射的强度，对人的视觉最为适应，且具有舒适感。色彩同时能对工业环境起着重要的影响，宜人的色彩环境，可以陶冶人的情操，提高工作效率。色彩设计一般应注意：1．适应环境与功能2．发挥工艺的理化性能3．整体要协调、统一

色彩的功能主要有：1．色彩的冷暖感2．色彩的大小感（胀缩感）3．色彩的远近感4.色彩的轻重感人体功能要求——宜人学宜人学(Ergonomics)是研究机器和人的适应问题，即人——机系统的分工和配合问题。如何将人的生理、心理特点和机器的操纵系统相结合，并按照人的功能特点设计确定工作条件、信息传递方式和操纵机构，使“人一机”系统达到最佳状态。人类工程学HumanEngineering人的视野范围和视距范围人体站立时肢体的工作区操作者的视觉器官和听觉器官的紧张程度在人的正常能力范围内操纵机构应在便于操作的区域，有合理的形状应使操纵手柄与机床壁面、手柄与手柄之间留有一定距离机床的主要技术参数：机床的主参数基本参数基本参数：尺寸参数运动参数动力参数（二）机床主要技术参数的确定1.主参数和尺寸参数

主参数是最为重要，必须满足以下要求：（1）直接反映出机床的加工能力和特性。（2）能决定其他基本参数值的大小。（3）机床设计和用户选用机床的主要依据。通用机床主参数常以机床的最大加工尺寸来表示代表机床规格大小的一种参数对各种类型机床，GB/T15375-1994标准统一规定了主参数的内容。有的机床用其它物理量表示，如拉床。专用机床的主参数，一般以与通用机床相对应的主参数表示。

第二主参数为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，在主参数后面标出另一参数值、称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。尺寸参数尺寸参数是指机床主要结构的尺寸参数，包括与被加工工件有关的参数，如普通车床最大加工长度、刀架上最大加工直径等；与工、夹、量具有关的参数，如普通车床的主轴锥孔及其前端尺寸。与机床结构有关的参数，如床身宽度等这些参数与主参数有一定的关系主参数和第二主参数是尺寸参数的一种。2.运动参数运动参数是指机床执行件（如主轴、工作台、刀架）运动的速度。主轴的最高转速、最低转速、主轴转速数列、进给量最大值和最小值、进给量数列等。（1）主运动参数主运动为回转运动的机床主运动参数是主轴转速n（r/min）：

n=1000v/πd主运动为往复直线运动的机床，如刨床、插床等主运动参数是刀具或工件的每分钟往复次数（次／min）。专用机床，用来完成特定工序，可根据特定工序实际使用的切削速度和工件（或刀具）的直径确定主轴转速，大多数情况只需一种速度。通用机床，为适应各种不同加工情况，主轴需要进行变速，必须确定主轴的变速范围：最高与最低转速，无级或有级变速。1）主运动的速度范围变速范围Rn：Vmax和vmin切削速度与刀具材料、工件材料、进给量和切削深度有关。选择vmax和vmin——根据机床上几种典型加工情况来考虑的。车床最高切削速度是在用硬质合金刀具半精车钢件时，作为选择vmax典型加工情况。最低切削速度是在用高速钢刀具车螺纹时，作为选择vmin的典型加工情况。dmax和dmindmax和dmin不是指机床上可能加工的最小直径和最大直径dmin是指在典型加工实际使用vmax时经常加工工件直径d值的较小值。dmax是指在典型加工实际使用vmin时经常加工工件直径d值的较大值。例如，Φ400mm的中型普通车床用硬质合金车刀半精车钢料时合理的最高切削速度vmax取200m／min，加工轴类工件最小直径dmin取50mm（考虑工件变形）。精加工丝杆螺纹的合理切削速度，一般取vmin=1.5m／min，加工丝杆最大直径dmax取40mm。普通车床，用D表示最大回转直径

dmax=0.5～0.6D，dmin=0.2～0.25dmax摇臂钻床，用D表示最大钻孔直径

dmax=D，

dmin=0.2～0.25dmax。dmax和dmin推荐值2）主轴转速的合理安排

普通机床广泛采用有级变速，主传动的转速数列或进给量数列，多数采用等比数列。设某变速箱共有Z级转速，分别为：

n1,n2,n3,

,nj,nj+1,

,nz转速损失设加工某一工件所需的最有利切削速度为V，相应的转速为n，相对转速损失可表示为：

最大的相对转速损失是当所需的最有利的转速n趋近于nj+1时，即相对转速的损失反映生产率损失。对于通用机床，认为每个转速的使用机会均等，同时，应使任意相邻两转速间最大相对转速损失相等，即各级转速即机床的转速是按等比数列（几何级数）分级。其公比为

，各级转速：

n1=nmin

n2=n1

n3=n2

=n1

2┇nz=nz-1

=n1

z-1=nmax公比、变速范围Rn、转速级数Z之间的关系三个参数的任意两个为已知时，可算出另一个算出的，应圆整为标准值算出的Z，应圆整为整数按圆整后的或Z修改Rn，即nmin或mmax

车床：保证n1，车螺纹铣床：保证nz常用的Z：3，4，6，8，9，12，16，18，24采用等比数列的优点对于某一个公比

，任意两个相邻转速之间的最大相对速度损失Amax为一个常数，转速分布的疏密程度均匀合理。这种转速数列可由几个变速组的不同传动比搭配相乘得到，能用较少的齿轮实现较多级的转速，使传动系统得到简化。3）标准公比和标准数列规定标准公比

＞1，并且规定相对速度损失的最大值Amax不大于50％，则相应

不大于2，所以1＜

2。为了简化机床设计和使用，规定了几个标准值，这些数值是选取2或10的某次方根，1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2。标准公比特性1）公比是2的某次方根，其数列每隔若干项增加或缩小2倍，如

=，数列为10、12.5、16、20、25、32、40、…，每隔三项增大2倍。便于采用双速电动机，因为双速电动机的两个同步转速比值是2，例如3000／1500或1500／750等，同时也便于记忆和写出等比数列。2）公比是10的某次方根，其数列每隔若干项增大或缩小10倍。这特性符合常用十进制习惯，如

=，数列为10、16、25、40、63、100、160、250、400、630、…，每隔五项增大10倍，使数列整齐好记。转速数列当选定标准公比了之后，从表3-2可查出转速数列。举例七个公比值之间的关系

1.061.12=1.0621.26=1.122=1.0641.41=1.123=1.0661.58=1.262=1.124=1.0681.78=1.125=1.06102=1.412=1.263=1.126=1.0612公比的选取一般原则

从使用性能考虑，选取公比

最好小一些，但

小，级数增多，结构复杂。大批大量生产的自动化与半自动化机床，要求较高的生产率，相对转速损失要小，因此，

要小些，

选取1.12或1.25。大型机床加工大尺寸工件，机动时间长，选择合理的切削速度对提高生产率作用较大，

应小些，取1.12、1.25。中型通用机床，万能性较大，要求转速级数多，但结构又不能过于复杂，公比

常选取1.25或1.41。小型机床切削加工时间常比辅助时间少，结构要求简单，机动时间短，变速级数不多，公比

常取1.58或1.78。（2）进给运动参数机床的进给运动大多