三金属切削机床设计总体设计.ppt

第三章第三章金属切削机床设计金属切削机床设计n概述概述 n机床总体设计机床总体设计 n主传动系设计主传动系设计n进给传动系设计进给传动系设计n主轴部件设计主轴部件设计n进给传动部件设计进给传动部件设计n支承件设计支承件设计n导轨设计导轨设计第一节第一节概述概述金属切削机床，是机械制造的基础装备。金属切削机床，是机械制造的基础装备。现代金属切削机床，凝聚了当代科技的成果，集精现代金属切削机床，凝聚了当代科技的成果，集精密机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、光电子密机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、光电子技术和管理技术于一身。技术和管理技术于一身。机床也象一般机电装备一样，要完成一定的功能作机床也象一般机电装备一样，要完成一定的功能作业，如形成加工对象的一定表面形状。但与一般机电装业，如形成加工对象的一定表面形状。但与一般机电装备具有显著不同的方面，对作业有极高的质量要求，即备具有显著不同的方面，对作业有极高的质量要求，即必须保证加工对象的精度和表面质量。必须保证加工对象的精度和表面质量。机床设计，已逐步从传统的经验设计方法走向定量机床设计，已逐步从传统的经验设计方法走向定量设计与实验研究相结合，由静态设计向动态设计、由几设计与实验研究相结合，由静态设计向动态设计、由几何实体设计、静态分析向动态仿真、由可行性设计向最何实体设计、静态分析向动态仿真、由可行性设计向最佳化设计方向发展。机床设计大量的采用数字化设计方佳化设计方向发展。机床设计大量的采用数字化设计方法和手段。法和手段。第一节第一节概述概述一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求二、机床设计步骤二、机床设计步骤一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求1工艺范围工艺范围指机床上完成的加工方法，适应的工件类型、可加指机床上完成的加工方法，适应的工件类型、可加工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等，主要反映工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等，主要反映机床的加工功能。机床的加工功能。根据工艺范围分为：通用机床、专门化机床和专用根据工艺范围分为：通用机床、专门化机床和专用机床三大类。机床三大类。机床的功能越多，适应的范围就越广，但结构越复机床的功能越多，适应的范围就越广，但结构越复杂。结构设计中，要考虑的因素越多，其技术难度越大。杂。结构设计中，要考虑的因素越多，其技术难度越大。数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更广。广。满足不同批量生产要求的机床，其设计的思路有所满足不同批量生产要求的机床，其设计的思路有所不同。不同。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 保证被加工零件达到的精度和表面粗糙度要求，并保证被加工零件达到的精度和表面粗糙度要求，并能在机床长期使用中得以保持。能在机床长期使用中得以保持。加工精度和表面粗糙度取决于机床、刀具、夹具、加工精度和表面粗糙度取决于机床、刀具、夹具、切削条件和操作者等方面的因素。切削条件和操作者等方面的因素。机床本身必须具备的精度称为机床精度。机床本身必须具备的精度称为机床精度。机床按精度分为：普通精度级、精密级（机床按精度分为：普通精度级、精密级（M）、高）、高精度级（精度级（G）。）。国家对各种类型机床的三种等级精度，规定了相关国家对各种类型机床的三种等级精度，规定了相关精度标准。若以普通精度级允许误差单位为精度标准。若以普通精度级允许误差单位为1，三种等级，三种等级精度的比例大致为：精度的比例大致为：1：0.4：0.25。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 机床的精度指标包括：机床的精度指标包括：（1）几何精度）几何精度指最终影响机床工作精度的主要零部件及其相互间指最终影响机床工作精度的主要零部件及其相互间的尺寸精度、形状精度和位置精度。如主轴前端内孔的的尺寸精度、形状精度和位置精度。如主轴前端内孔的尺寸和形状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的尺寸和形状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的平行度和垂直度等。平行度和垂直度等。几何精度是机床在空载条件下，在静止或低速状态几何精度是机床在空载条件下，在静止或低速状态中测量。主要反映机床的制造装配质量是否达到设计时中测量。主要反映机床的制造装配质量是否达到设计时制定的标准。制定的标准。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 （2）运动精度）运动精度指机床主要零部件在工作速度下，无负载运行时的指机床主要零部件在工作速度下，无负载运行时的精度。如主轴的回转精度，直线运动的均匀性等。与零精度。如主轴的回转精度，直线运动的均匀性等。与零部件的设计、制造和装配质量有关。部件的设计、制造和装配质量有关。（3）传动精度）传动精度指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性。指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性。反映了传动链设计合理性，制造和装配质量。反映了传动链设计合理性，制造和装配质量。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 （4）定位精度）定位精度指机床执行件到达指定位置的准确程度。直接影响指机床执行件到达指定位置的准确程度。直接影响了加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动了加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动精度、刚度，控制系统的动态特性和测量系统的精度有精度、刚度，控制系统的动态特性和测量系统的精度有关。关。（5）重复定位精度）重复定位精度指机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复指机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复定位时，位置的一致程度。定位时，位置的一致程度。（6）工作精度）工作精度对规定的试件，用规定的条件加工所达到的精度。对规定的试件，用规定的条件加工所达到的精度。是机床精度的综合反映，包括机床的刚度、抗振性及热是机床精度的综合反映，包括机床的刚度、抗振性及热稳定性等。稳定性等。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 （7）精度保持性）精度保持性指机床在工作中长期保持其原始精度的能力。指机床在工作中长期保持其原始精度的能力。一般以机床关键零部件（如主轴、导轨等）的首次一般以机床关键零部件（如主轴、导轨等）的首次大修期所决定。大修期所决定。主要取决于机床关键零部件的耐磨性、内应力引起主要取决于机床关键零部件的耐磨性、内应力引起的永久变形程度和机床使用的保养。的永久变形程度和机床使用的保养。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求3机床的生产率机床的生产率 指机床在单位时间内所能加工的零件数量。即：指机床在单位时间内所能加工的零件数量。即：式中式中t单个零件的平均加工时间；单个零件的平均加工时间；t1单个工件的切削加工时间；单个工件的切削加工时间；t2单个工件加工过程的辅助时间；单个工件加工过程的辅助时间；t3加工一批零件的准备和终结时间；加工一批零件的准备和终结时间；n一批零件的数量。一批零件的数量。对于机床方面，影响生产率的有机床的布局、刚度、对于机床方面，影响生产率的有机床的布局、刚度、功率、运动参数和自动化程度等。功率、运动参数和自动化程度等。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 机床在加工过程的静态力、动态力、温度变化，将机床在加工过程的静态力、动态力、温度变化，将引起机床的变形、振动、噪声等，机床的性能就指抵抗引起机床的变形、振动、噪声等，机床的性能就指抵抗上述现象的能力。上述现象的能力。（1）传动效率）传动效率用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可用下式表示：用下式表示：=P/Pm（PmP0）/Pm=1P0/Pm式中式中 机床传动效率；机床传动效率；P P机床输出功率；机床输出功率；P Pm m电动机输出功率；电动机输出功率；P P0 0机床空载功率。机床空载功率。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 （1）传动效率）传动效率机床功率损失引起摩擦热，造成运动副的磨损和机机床功率损失引起摩擦热，造成运动副的磨损和机床的热变形。床的热变形。对于普通机床，主轴最高转速时的机床空载功率不对于普通机床，主轴最高转速时的机床空载功率不应超过主电动机功率的三分之一。应超过主电动机功率的三分之一。机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 （2）刚度）刚度指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能力。力。在载荷的作用下，刀具与工件的相对位置发生改变，在载荷的作用下，刀具与工件的相对位置发生改变，影响加工精度。机床的静刚度是动刚度的基础。影响加工精度。机床的静刚度是动刚度的基础。影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部的薄弱环部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部的薄弱环节对整机的刚度影响极大。节对整机的刚度影响极大。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 （3）抗振能力）抗振能力指抵抗受迫振动和自激振动的能力。指抵抗受迫振动和自激振动的能力。振动影响加工质量、降低刀具耐用度，生产率降低，振动影响加工质量、降低刀具耐用度，生产率降低，加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的措施如下：加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的措施如下：n提高机床的刚度；提高机床的刚度；n提高固有频率；提高固有频率；n改善阻尼性能；改善阻尼性能；n改善运动件的动平衡状况。改善运动件的动平衡状况。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 （4）噪声）噪声金属切削机床噪声测量标准规定：金属切削机床噪声测量标准规定：普通精度机床噪声不大于普通精度机床噪声不大于85dB（A）；）；精密机床噪声不大于精密机床噪声不大于75dB（A）。）。机床的噪声来源主要有：机械噪声、液压气动噪声、机床的噪声来源主要有：机械噪声、液压气动噪声、电磁噪声和空气动力噪声。电磁噪声和空气动力噪声。（5）热变形）热变形热变形不仅影响加工精度，也改变了相对运动副的热变形不仅影响加工精度，也改变了相对运动副的间隙、润滑状态。间隙、润滑状态。（6）可靠性）可靠性一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求5自动化程度自动化程度 6宜人性宜人性造型与色彩；造型与色彩；操作省力、方便；操作省力、方便；保养、维护容易。保养、维护容易。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求7成本成本 机床的成本由以下部分构成：机床的成本由以下部分构成：n设备的购买成本；设备的购买成本；n使用中的安装、动力消耗、操作、维修等成本；使用中的安装、动力消耗、操作、维修等成本；n报废成本。报废成本。在设计时，应使机床的金属消耗量小，结构工艺性在设计时，应使机床的金属消耗量小，结构工艺性好。机床的金属消耗量好。机床的金属消耗量M的指标为：的指标为：M=G/N式中式中G机床重量；机床重量；N机床主传动功率。机床主传动功率。机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。第一节第一节概述概述一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求二、机床设计步骤二、机床设计步骤二、机床设计步骤二、机床设计步骤1 1确定结构原理方案确定结构原理方案（1）用途）用途指机床的工艺范围、加工对象的类型、批量等。指机床的工艺范围、加工对象的类型、批量等。（2）生产率）生产率（3）性能指标）性能指标（5）驱动方式）驱动方式指选择电动机或液压驱动方式指选择电动机或液压驱动方式（6）结构原理）结构原理（7）成本及制造周期）成本及制造周期（4）主要参数）主要参数指机床的加工空间和主参数。指机床的加工空间和主参数。二、机床设计步骤二、机床设计步骤2 2总体设计总体设计 （1）运动功能设计）运动功能设计主要有机床所需运动的数量、形式、功能等。主要有机床所需运动的数量、形式、功能等。（2）基本参数设计）基本参数设计包括尺寸参数、运动参数和动力参数。包括尺寸参数、运动参数和动力参数。（4）传动系统方案设计）传动系统方案设计如传动方式、传动原理图、传动系统图等。如传动方式、传动原理图、传动系统图等。（5）控制系统方案设计）控制系统方案设计包括控制方式、控制原理和控制总体方案。包括控制方式、控制原理和控制总体方案。（3）总体结构布局设计）总体结构布局设计包括运动功能分配、总体布局和总体结构方案。包括运动功能分配、总体布局和总体结构方案。（6）总体方案论证、确定和修改）总体方案论证、确定和修改二、机床设计步骤二、机床设计步骤3 3详细技术设计详细技术设计 （1）技术设计）技术设计包括结构方案、设计计算、装配图设计。包括结构方案、设计计算、装配图设计。（2）施工设计）施工设计包括零件图设计和计算，编制技术文档等。包括零件图设计和计算，编制技术文档等。对机床的功能、性能、工艺性、经济性等进行评价。对机床的功能、性能、工艺性、经济性等进行评价。4 4机床整机综合评价机床整机综合评价第二节第二节机床总体设计机床总体设计 一、型谱制定一、型谱制定二、几何运动设计二、几何运动设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计一、型谱制定一、型谱制定不同类型的的机床，总体方案设计的侧重点有所不不同类型的的机床，总体方案设计的侧重点有所不同。同。对于专用机床，侧重于工件分析和工艺分析；对于专用机床，侧重于工件分析和工艺分析；对于通用机床，侧重于同类型机床的调查、分析、对于通用机床，侧重于同类型机床的调查、分析、改型和科技成果的应用，以及机床品种的系列化、零部改型和科技成果的应用，以及机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。件的通用化和标准化。一、型谱制定一、型谱制定我国对金属切削机床分为我国对金属切削机床分为1111大类，每类机床又分别大类，每类机床又分别分为分为1010组、组、每组分为每组分为1010系。系。首先对用途最广、需求量最大的某类组机床，将其首先对用途最广、需求量最大的某类组机床，将其主参数规格化，作为该类组机床的主参数规格化，作为该类组机床的“基形系列基形系列”。在此基础上，根据各类用户的需要，派生出若干变在此基础上，根据各类用户的需要，派生出若干变形系列，形成形系列，形成“变形系列变形系列”，并将各种机床精度等级化。，并将各种机床精度等级化。型谱制定即完成某类种机床的型谱制定即完成某类种机床的“基形系列基形系列”、“变变形系列形系列”及其精度等级化的工作。及其精度等级化的工作。中型卧式车床简略系列型谱如中型卧式车床简略系列型谱如P76表表2-1所示。在该所示。在该系列中，以普通卧式车床为基型，派生出马鞍式等车床，系列中，以普通卧式车床为基型，派生出马鞍式等车床，基型和变型都有主参数系列。基型和变型都有主参数系列。在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性。在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性。一、型谱制定一、型谱制定产品系列化的设计目的是：产品系列化的设计目的是：1科学地规划产品的种类与规格，最大范围经济地科学地规划产品的种类与规格，最大范围经济地满足社会需求；满足社会需求；2基型和变型的大部分零部件可通用化，不同规格基型和变型的大部分零部件可通用化，不同规格产品的同类零部件相似，便于组织设计和生产、缩短制产品的同类零部件相似，便于组织设计和生产、缩短制造周期；造周期；3易于提高可靠性，方便维修和配件供应，降低制易于提高可靠性，方便维修和配件供应，降低制造和使用成本。造和使用成本。主参数规格制定方法，已在第二章系列化设计中介主参数规格制定方法，已在第二章系列化设计中介绍。绍。国家对各类通用机床的主参数已有国家标准。国家对各类通用机床的主参数已有国家标准。第二节第二节机床总体设计机床总体设计 一、型谱制定一、型谱制定二、几何运动设计二、几何运动设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计二、几何运动设计二、几何运动设计1几何表面的形成几何表面的形成1）组成零件结构的基本形状表面组成零件结构的基本形状表面基本形状表面有：基本形状表面有：平面、圆柱面、平面、圆柱面、圆锥面、各种成形面圆锥面、各种成形面（螺旋面、渐开线表（螺旋面、渐开线表面、回转曲面等）。面、回转曲面等）。二、几何运动设计二、几何运动设计1几何表面的形成几何表面的形成2 2）成形表面的发生线）成形表面的发生线 任何一种线性表面，由一根母线沿着导线运动而形成。任何一种线性表面，由一根母线沿着导线运动而形成。平平面面：由由一一直直线线（母母线线）沿沿着着另另一一根根直直线（导线）运动形成。线（导线）运动形成。圆圆柱柱、圆圆锥锥面面：是是由由一一根根直直线线（母母线线）沿沿着着一一个个圆圆（导导线线）运运动动形成；形成；普普通通螺螺纹纹的的螺螺旋旋面面：由由“V“形形线线（母母线线）沿沿螺螺旋旋线线（导导线线）运运动动形成；形成；直齿圆柱齿轮的渐直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面：渐开线开线齿廓表面：渐开线（母线）沿直线（导线）（母线）沿直线（导线）运动形成。运动形成。二、几何运动设计二、几何运动设计1几何表面的形成几何表面的形成2 2）成形表面的发生线）成形表面的发生线 形成表面的母线和导线统称为发生线。形成表面的母线和导线统称为发生线。形形成成表表面面的的母母线线和和导导线线可可以以互互换换的的表表面面，称为可逆表面。称为可逆表面。母母线线和和导导线线不不可可互互换换表表面面称称为为不不可可逆逆表表面。面。一一般般说说来来，可可逆逆表表面面可可采采用用的的加加工工方方法法多于不可逆表面。多于不可逆表面。二、几何运动设计二、几何运动设计2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动1 1）轨迹法）轨迹法理理论论上上将将切切削削刃刃与与工工件件视视为为点点接接触触，切切削削刃刃沿沿着着发发生生线作轨迹运动。线作轨迹运动。采用轨迹法形成一条发生线，需要一个独立的运动。采用轨迹法形成一条发生线，需要一个独立的运动。二、几何运动设计二、几何运动设计2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动2 2）成形法）成形法 切削刃为与发生线完全吻合的切削线。切削刃为与发生线完全吻合的切削线。不需任何运动，可获得所需发生线。不需任何运动，可获得所需发生线。发生线的形状完全取决于切削刃的形状。发生线的形状完全取决于切削刃的形状。二、几何运动设计二、几何运动设计2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动3 3）相切法）相切法 刀具作旋转运动，刀具运动轨迹的包络线形成发生线。刀具作旋转运动，刀具运动轨迹的包络线形成发生线。形成一条发生线需要两个独立运动。形成一条发生线需要两个独立运动。两两个运动之间没有内在的运动联系。个运动之间没有内在的运动联系。注注意意：刀刀具具回回转转中中心心的的运运动动轨轨迹迹与与发发生生线线（A2A2）一一般不相同。般不相同。二、几何运动设计二、几何运动设计2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动4 4）范成法（又称展成法）范成法（又称展成法）切切削削刃刃是是发发生生线线共共轭轭的的切切削削线线，刀刀具具与与工工件件作作相相对对运运动时所形成的包络线，即所需的发生线。动时所形成的包络线，即所需的发生线。范范成成法法需需要要2 2个个运运动动，两两个个运运动动之之间间必必须须保保持持严严格格运运动动关关系系，不不能能独独立立，共共同同组组成成一一个个复复合合的运动。的运动。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类1 1）表面成形运动）表面成形运动 直直接接形形成成被被加加工工零零件件表表面面的的运运动动，称称之之为为表表面面成成形形运运动（简称成形运动）。动（简称成形运动）。（1 1）主运动）主运动 切除工件上的被切削层，使之转变为切屑的主要运动。切除工件上的被切削层，使之转变为切屑的主要运动。主运动的转速高，消耗的功率大。主运动的转速高，消耗的功率大。运动形式有：运动形式有：（1）旋旋转转运运动动。单单位位：r/min。如如车车床床主主轴轴、磨磨床床的的砂砂轮主轴、钻床和镗主轴；轮主轴、钻床和镗主轴；（2）往往复复直直线线运运动动。单单位位：往往复复行行程程次次数数/min。如如牛牛头刨床的滑枕、龙门刨床的工作台。头刨床的滑枕、龙门刨床的工作台。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类1 1）表面成形运动）表面成形运动 （2 2）进给运动）进给运动 不不断断把把被被切切削削层层投投入入切切削削，逐逐渐渐切切出出整整个个工工件件表表面面运运动。进给运动的速度较低，消耗的功率也较小。动。进给运动的速度较低，消耗的功率也较小。运动形式有：运动形式有：直线进给运动直线进给运动A连续进给运动。单位：连续进给运动。单位：mm/min(铣床、钻床铣床、钻床)；mm/r（车床）。车床）。B间歇进给运动。单位：间歇进给运动。单位：mm/往复一次往复一次(刨床、插床刨床、插床,纵磨削外圆时的砂轮架进给纵磨削外圆时的砂轮架进给)C往复进给运动。单位：往复进给运动。单位：mm/min(磨床工作台）。磨床工作台）。圆周进给运动圆周进给运动。单位：。单位：mm/min（外圆磨削工件外圆磨削工件旋转、插齿加工的圆周进给）。旋转、插齿加工的圆周进给）。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类1 1）表面成形运动）表面成形运动 如如车车外外圆圆，也也可可以以刀刀具具不不动动，工工件件作作旋旋转转、直直线线运运动动；或或刀刀具具作作旋旋转转运运动动，工工件件作作直直线线运运动动；或或工工件件不不动动，刀具作旋转和直线运动。刀具作旋转和直线运动。任任何何一一种种机机床床，必必定定有有主主运运动动，进进给给运运动动可可能能有有一一个个或或几个，也可能没有。如拉床只有主运动。几个，也可能没有。如拉床只有主运动。相相同同的的成成形形表表面面，表表面面成成形形运运动动在在刀刀具具和和工工件件之之间间的的分分配可不相同配可不相同。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类2 2）辅助运动）辅助运动 （1 1）切入运动切入运动刀刀具具切切入入工工件件一一定定深深度度，以以保保证证工工件件达达到到要要求求的的尺尺寸。寸。（2 2）分度运动）分度运动如如：铣铣齿齿轮轮的的分分度度；多多工工位位工工作作台台、刀刀架架转转位位或或移移位。位。（3 3）调位运动）调位运动加加工工开开始始前前调调整整机机床床有有关关部部件件位位置置，保保证证刀刀具具和和工工件件之之间间的的正正确确相相对对位位置置。加加工工开开始始前前调调整整机机床床有有关关部部件件的位置，保证刀具和工件之间的正确相对位置。的位置，保证刀具和工件之间的正确相对位置。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类2 2）辅助运动）辅助运动 （4 4）其它各种空行程运动其它各种空行程运动如切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动；如切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动；开车、开车、停车、变速、变向等控制运动；停车、变速、变向等控制运动；装卸、夹紧、松开工件的运动等。装卸、夹紧、松开工件的运动等。辅辅助助运运动动虽虽然然并并不不参参与与表表面面成成形形过过程程，但但对对机机床床整整个个加加工工过过程程却却是是不不可可缺缺少少的的，同同时时对对机机床床的的生生产产率率和和加加工精度往往也有重大影响。工精度往往也有重大影响。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类3 3）运动的性质）运动的性质 （1 1）简单成形运动（简称简单运动）简单成形运动（简称简单运动）指指一一个个独独立立的的成成形形运运动动，是是由由单单个个的的旋旋转转运运动动或或直直线运动构成。线运动构成。用用尖尖头头刀刀车车削削圆圆柱柱表表面面，需需要要B1、A2两两个个简单运动；简单运动；磨磨削削外外圆圆，砂砂轮轮和和工工件件的的旋旋转转运运动动B1、B2，工工件件的的直直线线运运动动A3为为3个简单运动。个简单运动。简简单单运运动动采采用用外外联联系传动链。系传动链。二、几何运动设计二、几何运动设计3 3机床运动的分类机床运动的分类3 3）运动的性质）运动的性质 （2 2）复合成形运动（简称复合运动）复合成形运动（简称复合运动）车车削削螺螺纹纹。需需要要工工件件的的等等速速旋旋转转B11和和刀刀具具的的等等速速直直线线运运动动A12按按一一定定的的速速比比关关系系形形成成。即即工工件件转转1转转，刀刀具具对对应应移移动动的的距距离离为为螺螺纹纹的的导导程程。B11和和A12运运动动单单元元组组成成复复合合运运动。动。指指一一个个独独立立的的成成形形运运动动，是是由由两两个个或或两两个个以以上上的的旋旋转转运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成。运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计1）工艺分析工艺分析工艺方案对机床的结构影响很大。工艺方案对机床的结构影响很大。不同的表面可采用不同的加工方法，相同的表面也不同的表面可采用不同的加工方法，相同的表面也可采用不同的加工方法。如平面加工可选择铣、刨、拉、可采用不同的加工方法。如平面加工可选择铣、刨、拉、车、磨等。在平面铣削中又可以用圆柱刀具或端铣刀加车、磨等。在平面铣削中又可以用圆柱刀具或端铣刀加工，前者为卧式主轴、后者为立式主轴。因此机床的布工，前者为卧式主轴、后者为立式主轴。因此机床的布局各不相同。局各不相同。根据是否同时加工可分为单刀或多刀加工、单件或根据是否同时加工可分为单刀或多刀加工、单件或多件加工；多件加工；按作业形式分为平行作业、顺序作业等。按作业形式分为平行作业、顺序作业等。根据加工要求、生产批量等，选择出最适应的工艺根据加工要求、生产批量等，选择出最适应的工艺方案。方案。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计2）选取坐标系选取坐标系 用数控机床的笛卡儿右手坐标系：用数控机床的笛卡儿右手坐标系：直线移动为直线移动为X、Y、Z；绕绕X、Y、Z轴转动的坐标用轴转动的坐标用A、B、C表示，其运动表示，其运动量用量用、表示。表示。局部坐标的表示：局部坐标的表示：（1）局部坐标固定在运动部件上；）局部坐标固定在运动部件上；（2）局部坐标与机床坐标系平行时，各局部坐标方）局部坐标与机床坐标系平行时，各局部坐标方向与机床坐标方向一致；向与机床坐标方向一致；（3）局部坐标与机床坐标系不平行时，可按机床坐）局部坐标与机床坐标系不平行时，可按机床坐标方向混合选取，也可另行选取。标方向混合选取，也可另行选取。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计3）运动分配运动分配 相同的运动方式，有不同的运动分配方案。如车外相同的运动方式，有不同的运动分配方案。如车外圆，通常为工件作旋转运动，刀具作直线运动。但还可圆，通常为工件作旋转运动，刀具作直线运动。但还可以有刀具作旋转运动，工件作直线运动的方案；或刀具以有刀具作旋转运动，工件作直线运动的方案；或刀具作旋转运动又作直线运动的方案。考虑的主要因素：作旋转运动又作直线运动的方案。考虑的主要因素：（1）简化机床的传动和结构）简化机床的传动和结构一般把运动分配给重量小的执行件。一般把运动分配给重量小的执行件。例例1：毛坯为棒料的自动车床，工件作旋转主运动；：毛坯为棒料的自动车床，工件作旋转主运动；毛坯为卷料的自动车床，车刀旋转为主运动。毛坯为卷料的自动车床，车刀旋转为主运动。大型管螺纹加车工，也采取套车的方法。大型管螺纹加车工，也采取套车的方法。例例2：对对于于加加工工特特大大型型工工件件的的龙龙门门式式机机床床，工工件件 固定，由龙门架完成进给运动。固定，由龙门架完成进给运动。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计3）运动分配运动分配 （2）有利于提高加工精度）有利于提高加工精度对于一般钻孔加工，主运动和进给运动均由刀具完对于一般钻孔加工，主运动和进给运动均由刀具完成。钻深孔时，为了提高加工孔的位置精度，由工件作成。钻深孔时，为了提高加工孔的位置精度，由工件作旋转主运动。旋转主运动。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计3）运动分配运动分配 （3）缩小占地面积）缩小占地面积中小型外圆磨床，因工件长度较小，为简化机床结中小型外圆磨床，因工件长度较小，为简化机床结构，多由工件作往复进给运动；而大型外圆磨床为了缩构，多由工件作往复进给运动；而大型外圆磨床为了缩小占地面积，多采用砂轮架作给向往复进给运动。小占地面积，多采用砂轮架作给向往复进给运动。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计3）运动分配运动分配 （4）保证机床刚度）保证机床刚度立式铣削加工，为了减小机床的重量和体积，一般立式铣削加工，为了减小机床的重量和体积，一般中小型立式铣床，为工作台升降进给运动，但刚度不好；中小型立式铣床，为工作台升降进给运动，但刚度不好；数控铣床、立式加工中心和大型立式铣床，采取床身固数控铣床、立式加工中心和大型立式铣床，采取床身固定，改由刀具作垂直进给运动。定，改由刀具作垂直进给运动。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计4）绘制机床传动原理图绘制机床传动原理图机床传动原理图确定了各传动链的基本传动方案。机床传动原理图确定了各传动链的基本传动方案。数控机床可以不设计传动原理图。数控机床可以不设计传动原理图。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计5）新型并联运动机床新型并联运动机床（1）并联原理）并联原理两个并行运动的直线移动副两个并行运动的直线移动副1、2，可替代图，可替代图b）的串）的串联运动副联运动副1、2。直线移动副直线移动副1、2只受拉或压力，而串联运动副只受拉或压力，而串联运动副1受受扭矩、扭矩、2受拉压和弯矩。受拉压和弯矩。用直线移动副用直线移动副1、2，模拟串联运动副，模拟串联运动副1、2的直线移的直线移动和转动，故称为并联运动，又称为虚拟轴运动。动和转动，故称为并联运动，又称为虚拟轴运动。二、几何运动设计二、几何运动设计4运动功能方案设计运动功能方案设计5）新型并联运动原理新型并联运动原理（2）并联运动机床的特点）并联运动机床的特点n构件只受拉或压力作用，其结构体积小，运动部件构件只受拉或压力作用，其结构体积小，运动部件质量小；质量小；n整机多为封闭结构，刚度高；整机多为封闭结构，刚度高；n运动速度快，精度高，机床结构简单；运动速度快，精度高，机床结构简单；n算法复杂，对控制系统要求高。算法复杂，对控制系统要求高。图图7-7c、d）分别为分别为3运动并联和运动并联和6运动并联原理的示运动并联原理的示意图。意图。第二节第二节机床总体设计机床总体设计 一、型谱制定一、型谱制定二、几何运动设计二、几何运动设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 1 1）典型的布局方式）典型的布局方式（1）一字形（）一字形（“”形）结构：基础支承件为床身、形）结构：基础支承件为床身、或床身底座的组合。即卧式机床；或床身底座的组合。即卧式机床；（2）柱形（）柱形（“|”形）结构：主要支承件件为床身形）结构：主要支承件件为床身与立柱、或底座与立柱组合。即立式机床；与立柱、或底座与立柱组合。即立式机床；三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 1 1）典型的布局方式）典型的布局方式（3）倒）倒T形（形（“”形形）结构：主要支承件为床身结构：主要支承件为床身与立柱的组合，为复合式机床；与立柱的组合，为复合式机床；（4）槽形（）槽形（“”形）结构：支承件为床身（或底形）结构：支承件为床身（或底座）、立柱、横臂组合，为单臂式机床；座）、立柱、横臂组合，为单臂式机床；三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 1 1）典型的布局方式）典型的布局方式（5）框形（）框形（“”形）结构：支承件由床身、横梁形）结构：支承件由床身、横梁和双立柱组合，形成封闭的框形结构，为龙门式机床。和双立柱组合，形成封闭的框形结构，为龙门式机床。三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 2 2）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （1）工件的特征要求）工件的特征要求工件的形状、尺寸和重量对机床的总体布局有重要工件的形状、尺寸和重量对机床的总体布局有重要影响。例如在车床中：影响。例如在车床中：n中小型车床采取卧式布局；中小型车床采取卧式布局；n直径较大但重量不大的盘形或环形工件，采用落地直径较大但重量不大的盘形或环形工件，采用落地式布局；式布局；n重量较重的盘类或短套类工件，采用立式车床布局。重量较重的盘类或短套类工件，采用立式车床布局。其中工件直径其中工件直径D1600mm的车床为单立柱布局；工件直的车床为单立柱布局；工件直径径D2000mm的车床为双立柱布局。的车床为双立柱布局。立式车床占地面积小，但不适用于轴向尺寸较大的立式车床占地面积小，但不适用于轴向尺寸较大的工件加工，否则重心较高，容易振动，不便操作。工件加工，否则重心较高，容易振动，不便操作。三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 2 2）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （2）机床性能要求）机床性能要求为了提高加工精度，在总体布局上采取缩短传动链、为了提高加工精度，在总体布局上采取缩短传动链、改善受力状况、提高刚度、减少振动和热变形的影响。改善受力状况、提高刚度、减少振动和热变形的影响。如丝杠车床，取消进给箱，用挂轮调整车螺纹进给如丝杠车床，取消进给箱，用挂轮调整车螺纹进给传动要求，丝杠处于两导轨之间，减少传动的扭矩；传动要求，丝杠处于两导轨之间，减少传动的扭矩；为了提高刚度，数控车床采取倾斜床身的布局；为了提高刚度，数控车床采取倾斜床身的布局；龙门刨床、龙门铣床和坐标镗床采取封闭的框架结龙门刨床、龙门铣床和坐标镗床采取封闭的框架结构；构；为了减少对主轴回转精度的影响，精密车床主运动为了减少对主轴回转精度的影响，精密车床主运动采取分离式传动结构。采取分离式传动结构。三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 2 2）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （3）生产批量的要求）生产批量的要求单件小批生产采用单刀加工；单件小批生产采用单刀加工；对于成批生产的车床，用转塔刀架或多刀半自动结对于成批生产的车床，用转塔刀架或多刀半自动结构；构；大批量生产的车床，采用多主轴自动机床的布局。大批量生产的车床，采用多主轴自动机床的布局。三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计1结构布局方案结构布局方案 2 2）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （4）宜人性要求）宜人性要求普通车床卧式布局，便于操作和观察；普通车床卧式布局，便于操作和观察；钻床为立式布局，也是为了便于操作和观察；钻床为立式布局，也是为了便于操作和观察；数控车床为倾斜床身布局，既方便操作，也便于排数控车床为倾斜床身布局，既方便操作，也便于排屑；屑；大型或重型机床采用落地式布局或将基础件落入到大型或重型机床采用落地式布局或将基础件落入到地坑中，便于装卸工件和操作。地坑中，便于装卸工件和操作。三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计2总体结构草图设计总体结构草图设计 总体结构草图又称机床的联系尺寸图。表示了机床总体结构草图又称机床的联系尺寸图。表示了机床的基本布局方案、主要部件的轮廓尺寸、部件间的相互的基本布局方案、主要部件的轮廓尺寸、部件间的相互位置和运动行程等。设计过程如下：位置和运动行程等。设计过程如下：（1）根据主参数确定各执行件的外轮廓尺寸及相对）根据主参数确定