机械制造装备设计原理.docx

编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共10页第 1 页 共 10 页一二章一二章CNC 等基本概念：等基本概念：CNC：计算机数字控制机床 NC：数字控制 PLC：可编程逻辑控制器 FMC：柔性制造单元FMS：柔性制造系统 CAD：计算机辅助设计 CAPP：计算机辅助工艺规划 MRP 物料需求计划 LAF:精益-敏捷-柔性生产系统 TQC：全面质量管理 JIT：准时生产机械制造装备应具备的主要功能机械制造装备应具备的主要功能1、一般的功能要求（1）加工精度方面的要求 2）强度、刚度和抗振性方面的要求 3）加工稳定性方面的要求4）耐用性方面的要求 5）技术经济方面的要求机械制造装备包括机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。1、加工装备、加工装备主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机包括:金属切削机床、特种加工机床、锻压机床、木工机床金属切削加工：钳工、机工金属切削机床分 12 大类2、工艺装备、工艺装备各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。3、仓储运输装备、仓储运输装备包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等4、辅助装备、辅助装备包括清洗、排屑等。机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型创新设计：新的理念新的技术原理，全新的产品。特点:设计周期长工作量大投入高变形设计：适应型设计变参数型设计。特点:工作原理总体结构保持不变遵循系列化设计的原理编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页 共10页第 2 页 共 10 页组合设计：模块化设计。对各种功能模块的组合，构成不同类型不同功能的产品机械制造装备设计机械制造装备设计：绝大多数属于：变形设计组合设计。很少部分属于：创新设计，但创新设计是基础机械装备设计的典型步骤：机械装备设计的典型步骤：一产品规划阶段(明确设计任务)1.需求分析 2.调查研究包括市场、技术、社会调研 3.预测4.可行性分析 二、方案设计阶段(功能原理的设计)1.对设计任务的抽象 2.建立功能结构 3.寻求原理解与求解方法 4.初步设计方案的形成 5.对初步设计方案的评价与删选 三、技术设计阶段(设计方案具体化)1.确定结构原理方案 2.总体设计 3.结构设计 四、工艺设计阶段：1.零件图设计 2.完善装备图 3.商品化设计 4.编制技术文档三章三章机床设计步骤机床设计步骤：主要参数-总体方案-（运动设计-动力设计-结构设计）-综合评价机床的运动学原理机床的运动学原理：机床运动学是研究、分析、实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置几何表面的形成原理几何表面的形成原理:任何一个表面都可以看成是母线沿着导线运动的轨迹发生线的形成发生线的形成方法方法：1）轨迹法（描述法）：刀具与工件相对运动;2）成型法（仿形法）：刀具和工件不需要相对运动;3）相切法（旋切法）切线组成的包络面;4）展成法（滚切法）刀具与工件需要一个复合的相对运动机床的表面成形运动（成形运动）机床的表面成形运动（成形运动）各种类型的机床，进行切削加工必须使刀具和工件完成一系列的运动机床在加工过程中，完成的各种运动，按其功能可分为两类按其功能可分为两类：1、（表面）成形运动-用来形成被加工表面的运动 2、非成形运动（辅助运动）-机床上除表面成形运动以外的所有运动根据切削过程中，所起的作用不同根据切削过程中，所起的作用不同，（表面）成形运动成形运动又可分为：1 主运动主运动 是切下切屑最基本的运动；2 进给运动进给运动是使金属层不断投入切削，以加工出整个工件表面所需要的运动（任何一种机床，有且通常只有一个主运动但进给运动，可能有一个或几个，也可以没（任何一种机床，有且通常只有一个主运动但进给运动，可能有一个或几个，也可以没有有）非成形运动非成形运动的种类很多，如 1.分度运动 2.切入运动 3.快进、快退、回程、转位等空行程运动 4.起动、停止、变速、变向、夹紧、松开等操纵运动机床的表面成形运动，按其按其“运动形式运动形式”，又可分为：1简单的成形运动简单的成形运动：仅做旋转运动或直线运动的成形运动（机床上最易实现）2复合的成形运动复合的成形运动：由两个（或两个以上）的简单的成形运动按某种严格的运动关系合成的成形运动 例：车削外圆车削外圆，两个简单的成形运动例：例：车削螺纹车削螺纹，一个复合的成形运动一个复合的成形运动（例：用齿轮滚刀滚切直齿圆柱齿轮齿面用齿轮滚刀滚切直齿圆柱齿轮齿面 两个成形运动 1形成渐开线形成渐开线-滚刀旋转和工件旋转，有严格的运动关系要求（啮合运动），滚刀旋转和工件旋转合成的复合的成形运动（范成运动）2形成齿轮的齿宽形成齿轮的齿宽-滚刀沿工件齿宽方向的移动简单的成形运动复合的成形运动是一个独立的运动，而不是两个（或多个）独立的运动机床运动功能方案设计机床运动功能方案设计两种表达形式：机床运动功能图机床运动功能式精度精度：几何精度（机床不运动或低速运动）、运动精度（机床空载运动时，执行部件的几何精度）、传动精度（运动的协调性和均匀性）、定位精度（定位部件运动到规定位置的精度）、重复定位精度（重复定位时,位置的一致程度）、工作精度（用试件的加工精度表示）、精度保持性（在规定的工作时间,保持所要求的精度）。机床主要参数的设计机床主要参数的设计编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页 共10页第 3 页 共 10 页机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。等比数列的原因等比数列的原因：对于各级转速选用机会基本相等的普通机床，为使生产率损失最小，应使选择各级转速产生的maxA相同，即CjnA)1(/)n(j1max，）（）jn1(jn标准公比和标准数列标准公比和标准数列:准公比：七个准公比：七个 1.06(1)1.12(2)1.26(4)1.41(6)1.58(8)1.78(10)2(12)21的原因的原因：转速递增所以1，为限制转速损失的最大值maxA不大于 50%，则公比2。公比的选用公比的选用小使用性能 生产率损失 转速级数 z 机床结构复杂 大使用性能 生产率损失 转速级数 z 机床结构复杂普通机床普通机床，辅助时间和准备结束时间较长，机动时间在加工周期中占的比重不是很大，转速损失不会引起加工周期过多延长，为了机床变速箱结构不过于复杂，一般1.26 或 1.41。大批量用的专用机床大批量用的专用机床，情况同上相反，一般1.12或 1.26。非自动化小型机床非自动化小型机床，加工周期内切削时间远小于辅助时间，为简化结构，一般 1.58 或1.78 甚至 2。主传动系设计应满足的基本要求主传动系设计应满足的基本要求：1、满足机床使用性能要求 2、满足机床传递动力要求3、满足机床工作性能的要求 4、满足产品设计经济性的要求 5、维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配。主变速传动系设计计算主变速传动系设计计算转速图转速图 电机轴主轴 传动副齿数比写一次即可级比级比 主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，级比指数表示格子数要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为 1，称为基本组基本组，X0为使主轴获得使主轴获得：“连续”而“不重复”的等比转速数列等比转速数列，变速传动系统的“各变速组的传动比”应该满足：1.每一变速组中各“传动副的传动比”应是一“等比数列”（分叉均匀）2.基本组、扩大组满足关系：001pxx 112pxx 223pxx 主变速传动系设计的一般原则主变速传动系设计的一般原则：（）传动副“前多后少”的原则（）传动顺序与扩大顺序相一致的原则（“前密后疏”传动件的尺寸小）（）变速组的降速要“前慢后快”，中间轴的转速不宜超过电动机的转速，以减小传动件的尺寸齿轮齿数的确定齿轮齿数的确定 确定变速组齿轮齿数时，关键是选取合理的齿数和。中心距取决于传递的转矩。同变速组的各齿轮的模数一般相同（方便设计与制造），所以同变速组的各对传动副的齿数和相等。为简化工艺，各变速组的齿数模数最好一样，最多 23 种。为顺利安装，最小齿数选 1820.变速组齿轮齿数的确定原则：变速组齿轮齿数的确定原则：1 可能的条件下、齿轮的齿数应该尽量小些，尺寸小，可减少材料和线速度，从而减少震动、噪声、发热、齿轮的最小齿数应保证，不根切 Zmin=17 少根切或变位 Zmin=14、保证三联滑移齿轮能顺利滑移，最大和次大齿轮之间的齿数差应大于或等于齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：计算转速计算转速：主轴或各传动件传递全部功率的最低转速例：IV 轴最低转速为 300，传递到主轴转速为 100 和 150,100 比主轴计算转速高，需传递全)%1(10/)(nnn编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页 共10页第 4 页 共 10 页部功率，故 300 为计算转速。主轴计算转速主轴计算转速：Nj 为主轴第一个（低的）三分之一转速内最高那个变速箱内传动件的空间布置变速箱内传动件的空间布置：变速箱内各传动轴的空间布置：各传动轴是空间布置（卧式车床主轴箱横截面图 22，展开图 23 推力轴承位置配置形式推力轴承位置配置形式）；各传动轴在一个铅直平面内（卧式铣床变速箱图 24）；布置步骤布置步骤：（卧室）确定主轴位置，主轴位置根据车床中心高确定；确定传动主轴的轴和主轴有啮合关系的轴的位置；确定电动机轴位置或运动输入轴（轴 I）位置；最后确定其他传动轴的位置。用三角形布置，轴线重合布置，以减小径向尺寸。轴向固定的方法轴向固定的方法 一端固定：轴受热后可以向另一端自有伸长，不会产生热应力，适于长轴；两端固定：调节间隙有调整螺钉和垫圈。深沟球轴承：一、二。圆锥滚子轴承：二。进给传动系的组成进给传动系的组成：动力源，变速机构，换向机构，运动分配机构，过载保险机构，运动转换机构和执行件组成。电气伺服进给系统电气伺服进给系统开环系统开环系统典型的开环系统采用步进电动机，其精度取决于步进电动机的步距角精度，这类系统的定位精度较低，但结构简单，调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中。闭环系统闭环系统检测反馈装置有两类：1 用旋转变压器作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈；2 用脉冲编码器兼作位置和速度反馈-后者用的多。闭环控制的定位精度取决于检测装置的精度。其控制精度、动态性能都较好，但是较复杂，安装 调试较麻烦，成本高，用于精密型的机床上。半闭环系统半闭环系统半闭环的精度比闭环差，但系统稳定性好，且结构比较简单，调整容易，价格低。综上所述，对伺服系统的基本要求是：稳定性好精度要高快速 响应性好定位精度高。机械传动部件应满足的机械传动部件应满足的基本要求基本要求：采用低摩擦传动；伺服系统和机械传动系匹配要合适；选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式；采用预紧办法提高整个系统的刚度；采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差,提高运动平稳性和定位精度。齿轮传动间隙的消除齿轮传动间隙的消除 刚性调整法刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动进行补偿(偏心轴套调整法)；柔性调整法柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿（双片直齿轮错齿调整法）。滚珠丝杠及其支承滚珠丝杠及其支承：滚珠丝杠常采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴方式。前者一般用在中、小型数控机床，后者则用在轴向刚度高的场合。滚珠丝杠的三种支承方式滚珠丝杠的三种支承方式：1 一端固定,另一端自由；(双推-自由)短丝杠，竖直安装丝杠 2一端固定,另一端简支承；(双推-支承)卧式安装丝杠 3 两端固定(双推-双推)高拉压刚度,预拉伸量 P126滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧：滚珠丝杠螺母副必须：消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构（图）垫片式和 齿差式滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠的预拉伸(1)提高丝杠拉压刚度(2)补偿丝杠的热变性。一般预拉伸力为“最大工作载荷”的 0.35 倍推力轴承位置配置形式推力轴承位置配置形式 P1451)前端配置前端配置：两个方向的推力轴承都布置在前支承处。在前支承处，轴承较多，发热大，温升高；主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。2)后端配置后端配置：两个方向的推力轴承都布置在后支承处。前支承处轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。3)两端配置两端配置：两个方向的推力轴承分别编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第5页 共10页第 5 页 共 10 页布置在前后两个支承处。:当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。4)中间配置中间配置：两个方向的推力轴承在前支承的后侧。减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。图 P1062-23 作为考题主轴的材料主轴的材料普通机床主轴-中碳钢（如 45 钢），调质处理后，端部、锥孔、定心轴颈或锥面）局部高频淬硬，以提高其耐磨性；特殊要求（热处理变形小、淬透性高）用合金钢。几种典型的主轴轴承配置型式几种典型的主轴轴承配置型式：主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的几种典型配置型式常见的几种典型配置型式：速度型速度型：主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。具有良好的高速性能，承载能力小。刚度型刚度型：前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和 60 度角接触双列向心推力轴承承受轴向载荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承。速度刚度型速度刚度型：前轴承采用双列短圆柱滚子轴承。后支承采用两联角接触球轴承。主轴部件主支承常用的滚动轴承主轴部件主支承常用的滚动轴承 特点分析特点分析角接触球轴承（向心推力球轴承）角接触球轴承（向心推力球轴承）角接触球轴承角接触球轴承特点：极限转速高，可同时承受径向力和轴向力，可成组安装。双列短圆柱滚子轴双列短圆柱滚子轴特点：1）内圈有 1:12 的锥孔，轴向移动可调整轴承的径向间隙和预紧；2）极限转速较高；3）能承受较大的径 向载荷；4）刚度高；5）不能承受轴向力。圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承单列：径向载荷和一个方向轴向载荷双列：径向载荷和两个方向轴向载荷空心：冷却、减震 实心特点：承载能力大，刚度高，但转速低成套使用特点：承载能力大，刚度高，但转速低成套使用推力轴承推力轴承特点：只能承受轴向力，允许的极限转速很低。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第6页 共10页第 6 页 共 10 页双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承特点：只能承受轴向力（双向），常与双列短圆柱滚子轴承配套使用；极限转速较推力球轴承高。通过修磨隔套，可以调整间隙和预紧主轴滚动轴承的预紧主轴滚动轴承的预紧：采用预加载荷：消除轴承间隙，且有一定的过盈量。目的：提高主轴的回转精度，提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为三级：轻预紧、A；中预紧，代号为 B；重预紧 C方法：双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承：1 用螺母轴向移动轴承内圈 2 用调整环的长度实现预警，采用过盈套进行轴向固定。角接触球轴承角接触球轴承：用螺母产生内外圈轴向错位，同时实现径向和轴向预紧。支承件筋板和筋条的布置支承件筋板和筋条的布置筋板筋板：连接支承件四周外壁的内板，能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平：有助于提高支承件水平面内抗弯强度、垂直;有助于提高支承件垂直面内抗弯强度、斜向：同时提高支承件抗弯和抗扭强度。筋条筋条：一般配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向 横向 斜向 常常布置成交叉排列。支承件材料：支承件材料：铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等直线导轨的截面形状直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形、圆柱形，它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。燕尾形导轨燕尾形导轨 1 承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。2 但刚度较差，加工检验维修都不太方便。3 适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。圆柱形导轨圆柱形导轨制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于承受轴向载荷的导轨，应用较少。回转运动导轨的截面形状有三种：回转运动导轨的截面形状有三种：平面环形、锥面环形、双锥面导轨。P173导轨间隙的调整。导轨常用：压板、鑲条、导向调整板导轨间隙的调整。导轨常用：压板、鑲条、导向调整板压板压板(八星）调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩：八星）调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩：压板用螺钉固定在运动部件上a）磨刮压板）磨刮压板b）改变垫片厚度）改变垫片厚度c）用螺钉调整）用螺钉调整滚动导轨滚动导轨：优点优点（）是摩擦因数小（）动、静摩擦因数很接近。缺点缺点：是抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高滚动导轨的类型编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第7页 共10页第 7 页 共 10 页按滚动体分类按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针按循环方式分类按循环方式分类：循环式（见上图）、非循环式（见下图中 c）。导轨预紧：导轨预紧：直线滚动导轨一般由制造厂选配不同直径钢球的办法进行调隙和预紧。滚动导轨块可以用调整螺钉、垫块或斜块移动导轨来实现预紧。加工中心无机械手换刀简图（两星）加工中心无机械手换刀简图（两星）a）原始位置 b）主轴上移将刀具送至换刀位置 C)刀库右移将刀具取出 d）刀库将待换刀具转至主轴位置 e）刀库左移将刀具送进主轴 f）主轴回原位机械手手臂和手爪（五星）机械手手臂和手爪（五星）工作原理工作原理：两端各有一个手爪。刀具被弹簧的活动销 4 顶靠在手爪 5 中。紧缩销 2 被弹簧 3弹起，使活动销 4 被锁住，不能后退，这就保证了在机械手的运动过程中，手爪的刀具不被甩出。当机械手手臂处于上换刀位置的 75时，紧缩销 2 被挡在压块下，活动销 4 可以活动，使得机械手可以抓住或放开主轴或刀具刀座中的刀具1）锥销锥销 7 的作用？的作用？2）活动销）活动销 5 的作用？的作用？3）锁紧销）锁紧销 4 的作用？的作用？支承件的截面形状和选择（五星级）支承件的截面形状和选择（五星级）编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第8页 共10页第 8 页 共 10 页空心截面空心截面:刚度比实心大圆（环）形截面圆（环）形截面:抗扭刚度比方形好，抗弯刚度比方形低封闭截面封闭截面:刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度机械手手腕结构机械手手腕结构 3（五星）（五星）编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第9页 共10页第 9 页 共 10 页直线导轨的截面形状直线导轨的截面形状转矩特性图转矩特性图最低降速比的确定最低降速比的确定:步距角与脉冲当量和丝杠螺距（导程）LuQ360/低速运动平稳性低速运动平稳性（要求知道概念、原因、表现形式、解决方案）概念及表现形式概念及表现形式：机床上有些运动部件，需要低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，从动件往往出现明显的速度不均的跳跃式运动，即时走时停或者时快时慢的现象，这种在低速运动时产生的运动不平稳性称为爬行。产生原因产生原因：爬行是个很复杂的现象，它是因摩擦产生的自激振动现象，产生这一现象主要原因是摩擦面上的摩擦系数随速度的增大而减小和传动系的刚度不足。解决方案解决方案：在设计低速运动部件时，应减少静、动摩擦系数之差，提高传动机构的刚度和降低移动件的质量等。无级变速装置无级变速装置常采用三大类：1、变速电动机 2、机械无级变速装置 3、液压无级变速装置无级变速主传动系设计原则无级变速主传动系设计原则 1、尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置。2、无极变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调 速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。电气伺服进给系统电气伺服进给系统机械传动部件应满足的基本要求：采用低摩擦传动；伺服系统和机械传动系匹配要合适；选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式；采用预紧办法提高整个系统的刚度；采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差,提高运动平稳性和定位精度。导轨的功用和分类导轨的功用和分类 导轨的功用是承受载荷和导向。导轨按结构形式可分为开式导轨和闭式导轨。导轨应满足的要求导轨应满足的要求 1、导向精度高 2、承载能力大，刚度好 3、精度保持性好 4、低速运动平稳 5、结构简单、工艺性好 6、导轨要求结构简单，易于加工机床刀架和自动换刀装置机床刀架和自动换刀装置的类型:按安装刀具的数目分为单刀架和多刀架。按结构形式分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等;按驱动刀架转位的动力分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架;刀库的类型刀库的类型：盘式刀库、链式刀库、斗笠式刀库编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第10页 共10页第 10 页 共 10 页