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1、第五章 机床的总体设计,创造性的劳动 机床- 机械制造业的基础装备 传统设计要求之外，柔性，系统有机结合,类比-分析计算 ； 静力分析-静态、动态及热变性热应力 定性-定量 数控技术和CAD技术的发展，提供了新的条件和支撑。,机床设计基本要求 一、性能要求,工艺范围：（机床的加工功能）适应不同生产要求的能力 可完成的工序种类 加工零件的类型 材料和尺寸范围 毛坯的种类等 专用机床：工艺范围较窄，功能少 数控机床：工艺范围宽，功能强 通用机床：工艺范围较宽，功能较强 机床功能的增加-结构复杂程度增加、制造难度、周期及成本增加 机床功能选择的依据-批量,技术经济指标,柔性：适应加工对象变化的能力
2、空间上：功能柔性，多品种小批量的加工 时间上：结构柔性，重新组合，改变其功能 与物流系统的可亲性 物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度 普通机床：人，要求机床的使用、操作、清理、维护方便。 自动化柔性制造系统，自动，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便,精度: 被加工零件在尺寸、形状和相互位置等方面所能达到的准确程度。 三级： 普通精度级、精密级和高精度级 空载条件下的精度：几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等 运动精度 刚度 静态刚度 动态刚度 热态刚度,表面粗糙度 工件、刀具的材料、进给量、刀具的几何形状和切削时的振动有关 抗振性：受迫振动和自激振动 噪声 生产率和自动化 单位时间
3、内机床所能加工的工件数量 效率-成本 自动化程度-生产率-加工精度的稳定性 FMS FA 成本 成本概念贯穿在产品的整个生命周期,生产周期 可靠性 机床寿命 造型与色彩,二、经济效益 成本 加工效率和可靠性 三人机关系 操纵方便、省力、容易掌握、不易发生操纵错误和故障 防止污染,机床设计方法,计算机技术和分析技术 cad, CAE: 传统经验设计，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 数控技术：机床的传动与结构发生了重大变化 FMS的发展 机床的设计方法是根据其设计类型而定 通用机床采用系列化设计方法 组合机床：组合设计类型,创新设计类型： 分析式设计：
4、类比分析、推理方法产生方案 创成式设计：创成解析的方法,经验设计阶段 主要任务是解决加工与强度问题 经验（或类比）设计方法，经验数据为基础经验公式技术标准为手段 产品结构安全系数偏大 无法保证机床的良好性能,试验设计阶段 科技发展及工艺水平的提高 机床试验研究：实物测试或模型试验 试验设计方法：试验研究进行定性分析及定量比较，方案选择零部件的合理结构尺寸确定 明显提高机床性能，局部调整,计算机辅助设计 实际问题简化为模型，计算机进行分析、计算并选定最佳方案 结果的准确性,现代设计方法特点,设计对象系统化 设计内容完善化：使机床产品实用经济及美观舒适 设计目标最优化：多目标整体优化 设计问题模型
5、化 模型是对设计问题的高度概括和抽象 意义：工程问题与数学理论紧密结合,设计过程动态化 动态性能 动力学模型，动态分析，参数修改 设计手段计算机化 初步设计阶段：方案分析、选择、评价和决策 技术设计阶段：结构和参数确定，运动、动力或其他特性分析，材料选择、成本计算，参数优化 工程图设计阶段,机床设计步骤,总体设计 主要技术指标设计 后续设计的前提和依据 用途：机床的工艺范围 生产率：加工对象的种类、批量、及所要求的生产率 性能指标：精度、刚度、热变形、噪声等 主要参数：加工空间和主参数 驱动方式：直接影响传动方式的确定 成本及生产周期,总体方案设计 运动功能设计：绘制机床的运动功能图 基本参数
6、设计：尺寸参数、运动参数和动力学参数设计 传动系统设计：传动方式、传动原理图及传动系统图 总体结构布局设计：运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构方案图设计 控制系统设计：控制方式及控制原理、控制系统图 总体方案综合评价与选择 总体方案地设计修改或优化,详细设计 技术设计：确定结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化 施工设计：零件图设计、商品化设计、编制技术文档 机床整机综合评价 整机性能分析和综合评价,金属切削机床设计的基本理论,精度 普通精度级、精密级、高精度级 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 几何精度 空载条件下，在不运动或运动速度较低时各主要部件的
7、形状，相互位置和相对运动的精确程度 基本指标,允差： 1：0.4：0.25,导轨直线度、主轴径向跳动及轴向串动、主轴中心线对滑台移动方向的平行度或垂直度等,运动精度 机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度 高速高精度机床的一个重要指标 影响因素 传动精度 传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性 影响因素：传动系统设计、元件的制造和装配,回转精度,定位精度 定位部件运动到达规定位置的精度 工件的尺寸精度和形位精度 影响因素：构件、进给控制系统的精度、刚度及动态特性，测量系统的精度 工作精度 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度 综合影响 精度保持性 规定的工作期间
8、内，保持机床所要求的精度 影响因素：磨损,刚度,定义：K=F/y 载荷： 静载荷静刚度 动载荷动刚度：抗振性 整机刚度 多构件构成 构件及结合部变形直接或间接引起刀具和工件之间相对位移 刚度的合理分配或优化,抗振性,机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力 抵抗受迫振动 振源：内部动平衡 外部,共振,自激振动切削稳定性 刀具工件之间的一种相对振动 切削过程中,振动影响因素 振动不利影响 机床的刚度 阻尼特性：特别是结合部阻尼 固有频率：设计期间分析计算各阶阻尼,热变形,热源 影响：破坏机床的原始几何精度、加快磨损甚至影响正常运转 热平衡 温度场 措施：热源位置、散热、减小温差、热变形转向、预热、温
9、度控制、补偿、隔热等,噪声,源泉：振动 度量指标：声压和声压级、声功率和声功率级、声强和声强级；响度、声级 来源： 机械噪声 液压噪声 电磁噪声 空气动力,低速运动平稳性,爬行现象和机理 影响工件的加工精度和表面粗糙度 摩擦自激振动：摩擦面上摩擦系数变化和传动机构的刚度不足 力学模型 措施 减小静、动摩擦系数之差 提供传动机构的刚度 提高阻尼比 降低移动件的质量,第三节 系列化、通用化、标准化,机床系列化 将同一品种或同一型式机床产品的规格按最佳数列科学排列，以最少的品种满足最广泛的需要 内容： 制订机床参数标准-主参数系列 编制机床系列型谱-确定某类机床的系列品种、用途性能及其结构特征、基型
10、系列型谱参数等 系列设计,机床产品系列设计 编制整个系列的技术任务书，进行系列内阁产品的设计、样机试制及图纸定型等工作。 系列产品统筹考虑 有利于机床的生产、使用、维修、配套及管理等,零部件通用化 互换性基础上尽可能扩大同一零、部件的使用范围 缩短机床设计与制造周期； 扩大生产批量； 减少工艺装备； 降低成本； 保证质量及便于管理,通用化程度： 通用化系数= 产品零部件：专用件、通用件、标准件及外购件 一般不应低于70%,零部件标准化 一般不应低于45% 模块化设计 将机床同一功能的单元，设计成具有不同用途和性能互换选用的模块。 模块：一组具有同一功能和结合要素，而有不同用途（或性能）和不同结
11、构且能互换的各个单元,第四节 机床总体布局,主要内容 确定机床型式、机床的主要零部件及其相对位置关系，使机床具有一个协调完美的造型 注意问题： 工件特征：以车床为例 机床性能：传动精度；机床刚度；振动；热 生产批量：车削盘类：卧式车床、转塔、多刀半自动、立式多轴半自动,基本型式 传统布局：卧式、立式、单臂式和龙门式 卧式： 重心低，占地面积较大 立式：占地面积较小 单臂式：方便地更换点位进行加工，刚度差 龙门式：箱体平面加工。刚度、精度高 数控机床,机床的运动及其分配对布局的影响 坯料的形式 尺寸比例 占地面积的大小和工件的重量 机床性能对布局的影响 操作、观察与调整对布局的影响,第五节 机床
12、主要参数确定,尺寸参数 主参数：代表机床规格大小 卧车：工件的最大回转直径 齿轮：最大工件直径 外圆磨床：最大磨削直径 龙门刨：工作台工作面宽度 卧式铣镗床：主轴直径 立式钻床和搖臂钻床：最大钻孔直径 牛头刨床：最大刨削长度,第二主参数 车床：工件的最大长度 齿轮：最大工件直径 外圆磨床：最大磨削直径 龙门刨卧式铣镗床：主轴直径,运动参数,主运动参数 回转主运动的机床：主轴转速 n=1000v/d 直线运动的机床：每分钟的往复次数 变速范围 最低、最高转速：合理选择 变速范围： 对于卧式车床：,分级变速时的主轴转速数列 处于两级转速之间 相对转速损失： 最大相对损失率 使为一定值 ,进给运动参数 往复 数控、重型机床：无级调整 普通机床：分级，通常也取等比数列；往复主运动机床等差数列；自动半自动机床；卧式车床分段等差,标准公比和标准数列 机床转速递增，使最大相对转速损失率不超过 标准公比：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,2 公比的选用 使用性能公比小级数多结构复杂 普通机床：减少相对转速损失 小型机床：简化构造 自动机床,3.空行程功率的确定 参考同类型机床，辅以计算，试验验证 须考虑惯性力 克服惯性的转矩 克服惯性功率 升降运动： 水平运动：,
