普通机床总体设计和传动系统设计
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400 280 200 140 100 71 50 35.5 25 18 12.5
n1
n2
n3
n4
n5
n6
n7
n8
n9 n10 n11 n12 n13 n14 n15 n16 n17 n18
v(m/min)
11.2 16 22.4 31.5 45 63 90 125 180
图1-1 转速选择图
如果加工某一工件需要的最佳切削速度为 v ，相应
7.环境保护
机床噪声影响正常的工作环境，危害人的身心健康。机床传动机 构中各传动副的振动，某些结构的不合理及切削过程中的颤振等 都将产生噪声。特别是现代机床切削速度的提高、功率的增大、 自动化功能的增多，其噪声污染的问题也越来越严重。所以，设 计机床时应尽量设法降低其噪声。此外，机床的油雾、粉尘和腐 蚀介质等都是对人体有害的，设计时应考虑尽量避免这些有害物 质向四周扩散而污染环境，避免操作者与这些有害物质直接接触 而危害人体。
（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法 可采用分析式设计或创成式设计。
2. 机床设计步骤
（一）确定结构原理方案 （二）总体设计
（三） 结构设计
（四）工艺设计
（五）机床整机综合评价 （六） 定型设计
2.机床的设计步骤
(1)调查研究 掌握第一手资料是搞好机床设计工作的关键。 (2)拟定方案 在调查研究、分析工件和加工工艺的基础上，提 出多种总体设计方案，它包括：运动功能、基本参数、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分析等。 (3)技术设计 根据最终确定的总体设计方案，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， 然后进行零件图设计和编写各种技术文件。 (4)整机综合评定 在所有设计完成之后，还须对所设计的机床 进行整机性能分析和综合评价。
（主参数），k是系数 。
nmax
1000v max d min
nmin
1000v min d max
ห้องสมุดไป่ตู้
nmax Rn nmin
d max kD
2．主轴转速的合理排列
机床的主轴转速绝大多数是按照等比数列排列
的。原因是：设计简单；使用方便，最大相对转速
损失率相等。
(1) 设计方便 如果机床的主轴转速数列是等比的，
(1)表面成形方法
图3-1 数控镗铣床布局
(2)机床运动的分配 工件表面成形方法和运动相同，而机床运动分 配不同，机床布局也不相同。
图3-2 工件尺寸对车床总体布局的影响
2.模块化设计
图3-3 卧式车床模块化设计实例 1、2、3、4—主轴箱 5、6、7、19、20—进给机构 8、9、10—夹紧装置 11、12、13、14—刀架 15、16、17、18—尾座 21—床身 22—双轴主轴箱模块
机床的总体布局
机床的造型必须与功能相适应，功能决定造 型，造型表现功能。机床的造型设计是在保证人机 关系的基础上，应用艺术规律和造型美学法则加以 精炼和塑造，得到恰到好处的造型。机床造型总的 原则是经济实用，美观大方。尽管人的审美观不尽 相同，但还是有规律可循，良好的外观造型应从机 床造型设计和色彩两方面去评价。
8.其他
•机床的操纵必须方便、省力、易于掌握，这样既可提高机床的 可靠性，又可减少事故，保证操作者的安全。此外，机床的外形 必须合乎时代要求，美观大方的造型和适宜的色彩，均能使操作 者有舒适宜人的感觉，从而提高工作效率。 •总之，设计机床时必须从实际出发综合考虑，既要有重点又要 照顾其他，一般应充分考虑加工精度、表面质量、生产率和可靠 性。
4.可靠性
机床的可靠性是指其在额定寿命期内，在正常工作条件下和规定 时间内出现故障的概率。由于故障会造成加工中的部分废品，故 可靠性也常用废品率来表示，废品率低则说明可靠性好。
5.机床的效率和寿命
•机床的效率是指消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。 两者的差值即为损失，该损失转化为热量，若损失过大(效率低)， 将使机床产生较大的热变形，影响加工精度。 •机床的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限，也称精 度保持性。寿命期限内，在正常工作条件下，机床不应丧失设计 时所规定的精度指标。为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与之相适应。
1.影响机床总体布局的基本因素
(4)工件的技术要求 工件的技术要求包括加工表面的尺寸精度、 几何精度和表面粗糙度等。 (5)生产规模和生产率 生产规模和生产率的要求不同，也必定 会对机床布局提出不同的要求，如考虑主轴数目、刀架型式、自 动化程度、排屑和装卸等问题，从而导致机床布局的变化。 (6)其他 机床总体布局还必须充分考虑人的因素，机床部件的 相对位置安排、操纵部位和安装工件部位应便于观察和操作，并 和人体基本尺寸及四肢活动范围相适应，以减轻操作者的劳动强 度，保障操作者的身心健康。
二、运动参数
主运动为旋转运动的机床，主运动的运动参
数为主轴转速
n
。转速与切削速度 v 的关系为：
1000v n d
d ——工件或刀具直径（mm）。
1．最低转速和最高转速的确定
按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直
径，由主轴转速公式计算出最低转速 nmin 、最高转
速
Rn 、变速范围 ， 其中D是机床加工的最大直径 nmax
Z ( Pa ) xa ( Pb ) xb ( Pc ) xc 24 31 23 26 212
(2) 使用方便 最大相对转速损失率相等 等比数列 转速的转速通式为
n j n1 j 1
则机床的切削速度与工件（或刀具）直径的关系为
1000 v 1000 v d n j n1 j 1
(2)拟定方案
在调查研究、分析工件和加工工艺的基础上，提出多种总体设计方 案，它包括：运动功能、基本参数、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 合分析等。
(3)技术设计
根据最终确定的总体设计方案，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，然后进行零件图设计 和编写各种技术文件。
外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比
例协调。部件的形体目前多流行小圆角过渡的棱
柱体造型,长、宽（或高）的比率要适当，常用的比
值为：黄金分割比率、均方根比率、整数比率等；
各部件的形体比率相互协调,做到衔接紧密、转换
自然，组合而成的外形轮廓的几何线型要大体一致，
达到线型风格的协调统一；整体造型应使人感到稳 定而不笨重，轻巧且安定。
第四章
机床总体设计和传动系统设计
第一节 机床总体设计 第二节 传动系统设计
第一节 机床总体设计
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
1.工艺范围 2.生产率和自动化程度 3.加工精度和表面粗糙度 4.可靠性 5.机床的效率和寿命 6.系列化、通用化、标准化程度 7.环境保护 8.其他
2.生产率和自动化程度
机床的生产率是指在单位时间内机床加工合格产品的数量。使用 高效率机床可以降低生产成本、提高机床的自动化程度、减轻工 人的劳动强度、稳定加工精度。实现机床自动化加工所采用的方 法与生产批量有关。数控机床因其具有很大的柔性，且不需专用 的工装，适应能力强，生产率高，故是实现机床自动化加工的一 个重要发展方向。
1.工艺范围
机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，它包括：机 床可以完成的工序种类，所加工零件的类型、材料和尺寸范围、 毛坯种类、加工精度和表面粗糙度。如果机床的工艺范围过宽， 将使机床的结构复杂，不能充分发挥机床各部件的性能；如果机 床的工艺范围较窄，可使机床结构简单，易于实现自动化，提高 生产率。但工艺范围过窄，会使机床的使用范围受到一定的限制。 所以，机床的工艺范围必须根据使用要求和制造条件合理确定。
3.加工精度和表面粗糙度
•加工精度是指被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达 到的准确程度，主要的影响因素是机床的精度和刚度。 •机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度， 是在空载条件下检测的精度，称为静态精度；机床在重力、夹紧 力、切削力、各种激振力和温升作用下主要零部件的形位精度称 为动态精度。为了保证机床的加工精度，要求机床具有一定的静 态精度和动态精度。工件加工表面的表面粗糙度与工件和刀具材 料、进给量、刀具的几何角度及切削时的振动有关，机床的振动 与机床的结构刚度、阻尼特性、主要零部件的固有频率等有关。
(1)调查研究 掌握第一手资料是搞好机床设计工作的关键。
掌握第一手资料是搞好机床设计工作的关键。调查市场对机床的 需求情况，调查用户对机床的新要求及现行加工方法的优缺点， 收集并分析国内外同类型机床的先进技术、发展趋势和有关的科 技动向，调查制造厂家的设备条件、技术能力和生产经验等均属 于调查研究的范围
6.系列化、通用化、标准化程度
产品系列化、零部件通用化和标准化的目的是便于机床的设计、 使用与维修。机床产品系列化是指对每一类型不同组、系的通用 机床合理确定其应有哪几种尺寸规格，以便以较少品种的机床来 满足各类用户的需要。提高机床零部件通用化和零件标准化程度， 可以缩短设计、制造周期，降低生产成本。
公比为 ，且转速级数Z为非质数。则这个数列可
分解成几个等比数列的乘积，使传动设计简化。
n1 1 1 1 3 1 n2 1 1 1 n1 n1 n1 3 6 12 2 2 23 21 n24
lg d lg v (3 0.497 lg n1 ) ( j 1) lg
lg v ( j 1) lg k
d 的对数值是 v 对数值的一次函数，斜率为
1，函数图像是与切削速度对数坐标轴成45 的斜线 。
o
的斜线，取j=1~Z，可得到Z条平行间距相等
d(mm)
（二） 机床主要技术参数的确定
一、尺寸参数
机床的尺寸参数是指影响机床加工性能的一些
尺寸。 主参数代表机床的规格的大小，是最重要的
尺寸参数。另外，机床尺寸参数还包括第二主参数
和一些重要的尺寸。
机床的主参数已规定在“GB/T15375—1994金
属切削机床型号编制方法”中，每种机床的主参数 按等比数列排列。
的转速为
n
。一般情况下，不可能正好在某一转
速线上，而是在两转速线
n j 与 n j 1 之间
n j n n j 1
为保证刀具的使用寿命，应选择较低的转速 时转速的损失为
n n j ，相对转速损失率为
二、 机床的设计方法和设计步骤
1.机床的设计方法 （一）机床设计正在向着“以系统为主的机床设计” 方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应 FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔 性，与物流的可亲性等等。
（二）机床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。系列中基型产品属创新设计 类型，其他属变形设计类型。有些类型，如组合机床 属组合设计类型。
(4)整机综合评定
在所有设计完成之后，还须对所设计的机床进行整机性能分析和综 合评价。
三、机床的总体布局和主要技术参数的确定
(一)机床的总体布局 (二)机床主要技术参数的确定
(一)机床的总体布局
1.影响机床总体布局的基本因素 2.模块化设计
1.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、 不同的表面成形方法和不同的表面成形运动来完成，因而导致机 床总体布局上的差异。 (2)机床运动的分配 工件表面成形方法和运动相同，而机床运 动分配不同，机床布局也不相同。 (3)工件的尺寸、质量和形状 工件的表面成形运动与机床部件 的运动分配基本相同，但是工件的尺寸、质量和形状不同，也会 使机床布局不尽相同。
n1
n2
n3
n4
n5
n6
n7
n8
n9 n10 n11 n12 n13 n14 n15 n16 n17 n18
v(m/min)
11.2 16 22.4 31.5 45 63 90 125 180
图1-1 转速选择图
如果加工某一工件需要的最佳切削速度为 v ，相应
7.环境保护
机床噪声影响正常的工作环境，危害人的身心健康。机床传动机 构中各传动副的振动，某些结构的不合理及切削过程中的颤振等 都将产生噪声。特别是现代机床切削速度的提高、功率的增大、 自动化功能的增多，其噪声污染的问题也越来越严重。所以，设 计机床时应尽量设法降低其噪声。此外，机床的油雾、粉尘和腐 蚀介质等都是对人体有害的，设计时应考虑尽量避免这些有害物 质向四周扩散而污染环境，避免操作者与这些有害物质直接接触 而危害人体。
（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法 可采用分析式设计或创成式设计。
2. 机床设计步骤
（一）确定结构原理方案 （二）总体设计
（三） 结构设计
（四）工艺设计
（五）机床整机综合评价 （六） 定型设计
2.机床的设计步骤
(1)调查研究 掌握第一手资料是搞好机床设计工作的关键。 (2)拟定方案 在调查研究、分析工件和加工工艺的基础上，提 出多种总体设计方案，它包括：运动功能、基本参数、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分析等。 (3)技术设计 根据最终确定的总体设计方案，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， 然后进行零件图设计和编写各种技术文件。 (4)整机综合评定 在所有设计完成之后，还须对所设计的机床 进行整机性能分析和综合评价。
（主参数），k是系数 。
nmax
1000v max d min
nmin
1000v min d max
ห้องสมุดไป่ตู้
nmax Rn nmin
d max kD
2．主轴转速的合理排列
机床的主轴转速绝大多数是按照等比数列排列
的。原因是：设计简单；使用方便，最大相对转速
损失率相等。
(1) 设计方便 如果机床的主轴转速数列是等比的，
(1)表面成形方法
图3-1 数控镗铣床布局
(2)机床运动的分配 工件表面成形方法和运动相同，而机床运动分 配不同，机床布局也不相同。
图3-2 工件尺寸对车床总体布局的影响
2.模块化设计
图3-3 卧式车床模块化设计实例 1、2、3、4—主轴箱 5、6、7、19、20—进给机构 8、9、10—夹紧装置 11、12、13、14—刀架 15、16、17、18—尾座 21—床身 22—双轴主轴箱模块
机床的总体布局
机床的造型必须与功能相适应，功能决定造 型，造型表现功能。机床的造型设计是在保证人机 关系的基础上，应用艺术规律和造型美学法则加以 精炼和塑造，得到恰到好处的造型。机床造型总的 原则是经济实用，美观大方。尽管人的审美观不尽 相同，但还是有规律可循，良好的外观造型应从机 床造型设计和色彩两方面去评价。
8.其他
•机床的操纵必须方便、省力、易于掌握，这样既可提高机床的 可靠性，又可减少事故，保证操作者的安全。此外，机床的外形 必须合乎时代要求，美观大方的造型和适宜的色彩，均能使操作 者有舒适宜人的感觉，从而提高工作效率。 •总之，设计机床时必须从实际出发综合考虑，既要有重点又要 照顾其他，一般应充分考虑加工精度、表面质量、生产率和可靠 性。
4.可靠性
机床的可靠性是指其在额定寿命期内，在正常工作条件下和规定 时间内出现故障的概率。由于故障会造成加工中的部分废品，故 可靠性也常用废品率来表示，废品率低则说明可靠性好。
5.机床的效率和寿命
•机床的效率是指消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。 两者的差值即为损失，该损失转化为热量，若损失过大(效率低)， 将使机床产生较大的热变形，影响加工精度。 •机床的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限，也称精 度保持性。寿命期限内，在正常工作条件下，机床不应丧失设计 时所规定的精度指标。为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与之相适应。
1.影响机床总体布局的基本因素
(4)工件的技术要求 工件的技术要求包括加工表面的尺寸精度、 几何精度和表面粗糙度等。 (5)生产规模和生产率 生产规模和生产率的要求不同，也必定 会对机床布局提出不同的要求，如考虑主轴数目、刀架型式、自 动化程度、排屑和装卸等问题，从而导致机床布局的变化。 (6)其他 机床总体布局还必须充分考虑人的因素，机床部件的 相对位置安排、操纵部位和安装工件部位应便于观察和操作，并 和人体基本尺寸及四肢活动范围相适应，以减轻操作者的劳动强 度，保障操作者的身心健康。
二、运动参数
主运动为旋转运动的机床，主运动的运动参
数为主轴转速
n
。转速与切削速度 v 的关系为：
1000v n d
d ——工件或刀具直径（mm）。
1．最低转速和最高转速的确定
按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直
径，由主轴转速公式计算出最低转速 nmin 、最高转
速
Rn 、变速范围 ， 其中D是机床加工的最大直径 nmax
Z ( Pa ) xa ( Pb ) xb ( Pc ) xc 24 31 23 26 212
(2) 使用方便 最大相对转速损失率相等 等比数列 转速的转速通式为
n j n1 j 1
则机床的切削速度与工件（或刀具）直径的关系为
1000 v 1000 v d n j n1 j 1
(2)拟定方案
在调查研究、分析工件和加工工艺的基础上，提出多种总体设计方 案，它包括：运动功能、基本参数、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 合分析等。
(3)技术设计
根据最终确定的总体设计方案，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，然后进行零件图设计 和编写各种技术文件。
外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比
例协调。部件的形体目前多流行小圆角过渡的棱
柱体造型,长、宽（或高）的比率要适当，常用的比
值为：黄金分割比率、均方根比率、整数比率等；
各部件的形体比率相互协调,做到衔接紧密、转换
自然，组合而成的外形轮廓的几何线型要大体一致，
达到线型风格的协调统一；整体造型应使人感到稳 定而不笨重，轻巧且安定。
第四章
机床总体设计和传动系统设计
第一节 机床总体设计 第二节 传动系统设计
第一节 机床总体设计
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
1.工艺范围 2.生产率和自动化程度 3.加工精度和表面粗糙度 4.可靠性 5.机床的效率和寿命 6.系列化、通用化、标准化程度 7.环境保护 8.其他
2.生产率和自动化程度
机床的生产率是指在单位时间内机床加工合格产品的数量。使用 高效率机床可以降低生产成本、提高机床的自动化程度、减轻工 人的劳动强度、稳定加工精度。实现机床自动化加工所采用的方 法与生产批量有关。数控机床因其具有很大的柔性，且不需专用 的工装，适应能力强，生产率高，故是实现机床自动化加工的一 个重要发展方向。
1.工艺范围
机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，它包括：机 床可以完成的工序种类，所加工零件的类型、材料和尺寸范围、 毛坯种类、加工精度和表面粗糙度。如果机床的工艺范围过宽， 将使机床的结构复杂，不能充分发挥机床各部件的性能；如果机 床的工艺范围较窄，可使机床结构简单，易于实现自动化，提高 生产率。但工艺范围过窄，会使机床的使用范围受到一定的限制。 所以，机床的工艺范围必须根据使用要求和制造条件合理确定。
3.加工精度和表面粗糙度
•加工精度是指被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达 到的准确程度，主要的影响因素是机床的精度和刚度。 •机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度， 是在空载条件下检测的精度，称为静态精度；机床在重力、夹紧 力、切削力、各种激振力和温升作用下主要零部件的形位精度称 为动态精度。为了保证机床的加工精度，要求机床具有一定的静 态精度和动态精度。工件加工表面的表面粗糙度与工件和刀具材 料、进给量、刀具的几何角度及切削时的振动有关，机床的振动 与机床的结构刚度、阻尼特性、主要零部件的固有频率等有关。
(1)调查研究 掌握第一手资料是搞好机床设计工作的关键。
掌握第一手资料是搞好机床设计工作的关键。调查市场对机床的 需求情况，调查用户对机床的新要求及现行加工方法的优缺点， 收集并分析国内外同类型机床的先进技术、发展趋势和有关的科 技动向，调查制造厂家的设备条件、技术能力和生产经验等均属 于调查研究的范围
6.系列化、通用化、标准化程度
产品系列化、零部件通用化和标准化的目的是便于机床的设计、 使用与维修。机床产品系列化是指对每一类型不同组、系的通用 机床合理确定其应有哪几种尺寸规格，以便以较少品种的机床来 满足各类用户的需要。提高机床零部件通用化和零件标准化程度， 可以缩短设计、制造周期，降低生产成本。
公比为 ，且转速级数Z为非质数。则这个数列可
分解成几个等比数列的乘积，使传动设计简化。
n1 1 1 1 3 1 n2 1 1 1 n1 n1 n1 3 6 12 2 2 23 21 n24
lg d lg v (3 0.497 lg n1 ) ( j 1) lg
lg v ( j 1) lg k
d 的对数值是 v 对数值的一次函数，斜率为
1，函数图像是与切削速度对数坐标轴成45 的斜线 。
o
的斜线，取j=1~Z，可得到Z条平行间距相等
d(mm)
（二） 机床主要技术参数的确定
一、尺寸参数
机床的尺寸参数是指影响机床加工性能的一些
尺寸。 主参数代表机床的规格的大小，是最重要的
尺寸参数。另外，机床尺寸参数还包括第二主参数
和一些重要的尺寸。
机床的主参数已规定在“GB/T15375—1994金
属切削机床型号编制方法”中，每种机床的主参数 按等比数列排列。
的转速为
n
。一般情况下，不可能正好在某一转
速线上，而是在两转速线
n j 与 n j 1 之间
n j n n j 1
为保证刀具的使用寿命，应选择较低的转速 时转速的损失为
n n j ，相对转速损失率为
二、 机床的设计方法和设计步骤
1.机床的设计方法 （一）机床设计正在向着“以系统为主的机床设计” 方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应 FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔 性，与物流的可亲性等等。
（二）机床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。系列中基型产品属创新设计 类型，其他属变形设计类型。有些类型，如组合机床 属组合设计类型。
(4)整机综合评定
在所有设计完成之后，还须对所设计的机床进行整机性能分析和综 合评价。
三、机床的总体布局和主要技术参数的确定
(一)机床的总体布局 (二)机床主要技术参数的确定
(一)机床的总体布局
1.影响机床总体布局的基本因素 2.模块化设计
1.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、 不同的表面成形方法和不同的表面成形运动来完成，因而导致机 床总体布局上的差异。 (2)机床运动的分配 工件表面成形方法和运动相同，而机床运 动分配不同，机床布局也不相同。 (3)工件的尺寸、质量和形状 工件的表面成形运动与机床部件 的运动分配基本相同，但是工件的尺寸、质量和形状不同，也会 使机床布局不尽相同。