数控机床总体设计讲义

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1、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 n212加工精度 n机床精度分为机床本身的精度和工作精度（加 工精度） n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）。 n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 n213 柔性 n数控机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。 n功能柔性是

2、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。 n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。 n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 n214 开放性 n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。 n215 噪声 n噪声产生的来源 n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 n216 生产率和自动化 n提高切削效率，提高自动化

3、程度、缩短辅助时 间，有利于提高生产效率。 n n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 n217 成本 n全周期概念: 成本贯穿于产品的整个制造和使用生命周期 n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 n218 生产周期 n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。 n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 n219 可靠性 n可靠性

4、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。 n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。 n“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。 n“规定功能”指产品的技术指标。 n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 n2.1.10 机床宜人性 n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。 n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 n2111 符合绿色工程的要求 n所谓绿色工程是指在工程领域注重环境保护、 节约资源、

5、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。 n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 n2.2.1 数控机床设计的基本理论及设计方 法概述 n2.2.1.1数控机床设计的基本理论 n2.2.1.1.1 精度 n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。 n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 n各类机床精度按精度等级可分为普通

6、精 度级、精密级和高精度级 n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。 n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 n（1）几何精度 n 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 n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。 n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 n（2

7、）运动精度 n 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 n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。 n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 n（3）传动精度 n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 n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 n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 n（4）定位精度 n定

8、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。 n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。 n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 n（5）精度保持性 n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。 n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 n（6）工作精度 n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 。 n工作精度是

9、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。 n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 n2.2.1.1.2 刚度 n（1）机床刚度 n 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； nK=F/y n式中 K机床刚度，N/um； nF作用在机床上的载荷，N； ny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 n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。 n载荷按性质分为静载荷和动载荷 n相应地，机床刚度分为静刚度与动刚度 2.2

10、.1.1数控机床设计的基本理 论 n（2）整体刚度 n 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。 n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 n2.2.1.1.3 抗振性 n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。 n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

11、合成运动 。 n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 n 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。 n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。 n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 n2.2.1.1.4 热变形 n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

12、，导致机床产生热变形。 n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 n2.2.1.1.5 噪声 n机床噪声源来自四个方面。 n机械噪声 如齿轮、滚动轴承及其他传动元 件的振动、摩擦等 n液压噪声 如泵、阀、管道等的液压冲击、 气穴、紊流产生的噪声。 n电磁噪声 如电动机定子内磁滞伸缩等产生 噪声。 n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 n减少噪声的主要途径是控制噪声的生成 和隔声。 n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。 n

13、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 n2.2.1.1.6低速运动平稳性 n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 n爬行现象产生原因: n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 n2.2.1.1.6低速运动平稳性 n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

14、阻 尼比和降低移动件的质量。 n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 n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 n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 n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

15、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 n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 n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。 n数控机床是FMS的核心装备 n以单

16、机为主的机床设计 以系统为主的机床设 计 n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 n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。 n（2）总体方案设计 ： 运动功能设计。 n 基本参数设计。 n传动系统设计。 n 总体结构布局设计。 n 控制系统设计。 2.2.3 机床系列化设计 n系列化设计方法思想： n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。 n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 n“基型