机床总体设计(全)

– 一字形：支承件是床身，或者床身与底座的组合—卧式机床。
3.1.4 机床总体设计
三、机床的总体结构方案设计
4.机床总体结构的概略形状与尺寸设计
进行功能（运动或支承）部件的概略形状和尺寸设计，设计的主要 依据是：机床总体布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局 形态图，驱动与传动设计，机床动力参数及加工空间尺寸参数，以 及机床整机刚度及精度分配，结果是得到机床总体结构方案图。 总体结构方案综合评价因素：
机床的总布局
任务：解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系， 并使机床具有协调完美的造型。 定义：选择机床的形式分配各机床部件之间所需的相对 运动的及安排各部件和手柄在整合机床中的相互位置。 合理的总体布局应满足的基本要求： • 保证工艺方法所需要的工件和刀具的相对位置和相对运 动。 • 保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗震 性。 • 便于观察加工过程，便于操作，调整和修理机床，便于 输送装卸工件和排除抗屑，并保证工件安全。 • 经济性好。为节省材料，减少机床占地面积。
2）解析式设计方法
采用创成式原理，通过解析法求出满足加工工艺范围和加工方法所要求 的机床运功功能设置的所有可能方案，然后通过仿真分析评定其方案的 可行性和优劣。
3.写出机床的运动功能式，画出机床运动功能图。
3.1.4 机床总体设计
三、机床的总体结构方案设计
1.运动功能描述方法
坐标系
3.1.4 机床总体设计
二、机床运动功能设置
1.工艺分析
对所设计的机床的工艺范围进行分析。对于通用机床，加工对象有多 种类型的工件，可选择其中几种典型工件进行分析，然后选择适当的 加工方法。
2.机床运动功能设置
1）分析式设计方法
参考现有同类机床的运动功能，经过研究分析，提出所设计机床的运动 功能设置方案，然后通过仿真分析评定其方案的可行性和优劣。
3.结构布局设计
机床结构布局：立式、卧式、斜置式。 基础支承件的形式：底座式、立柱式、龙门式。
基础支承件的结构形式：一体式、分离式。
同一种运动分配式可以有多种结构布局形式，运动分配 设计阶段评价后，需对结构布局方案进行评价，去除不 合理方案。 评价的主要依据是定性分析机床的刚度、占地面积、与 物流系统的可亲和性等。
中型卧式车床的简略系列型谱
型式 最大工件直径(mm) 万能 式 马鞍 式 提高 精度 无丝 杠式 卡盘 式 球面 加工 端面 车床
250
320 400 500 630 800 1000
○
○
△
△ △ △ △ △
△
△ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △
○
○ ○ ○ ○
△ △
3.1.4 机床总体设计
一、机床系列型谱的确定
每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规 格又有基型和变型，合称为这类机床的系列型 谱。 机床的主参数系列是系列型谱的纵向（按尺寸 大小）的发展，而同规格的各种变型机床则是 系列型谱的横向发展。 “系列型谱”是综合地表明机床产品规格参数 的系列性与结构相似性的表。
机床的联系尺寸
机床的总布局是通过机床的联系尺寸图体现的。 在机床的联系尺寸中应包括： (1)机床的外形尺寸，长宽高；
各部件的轮廓尺寸。
(2) 各部件间的连接、配合和相关位置的尺寸。
(3) 移动部件的行程、调整位置的尺寸。
(4) 机床的装料高度、操纵台的高度尺寸。
(5) 机床主机与液压站、电气柜的间距。
设计结果是得到机床总体结构布局形态图。
机床支承形式的选择
• 机床的支承件：床身、底座、立柱、横梁、横臂等。
– 柱形：支承件是立柱，或立柱与底座的组合—立式机床。 – 倒T字形：支承件是床身和立柱的组合—复合式机床。 – 槽形：支承件是床身（底座）、立柱和横臂三者的组合—单 臂式机床。 – 框形：支承件由床身、横梁及双立柱组成，形成封闭的框形 结构—龙门式机床。
机床运动的分配
• 机床运动分配的决定因素：
– 简化机床的传动和结构： 运动部件（工件或刀具） 的重量越小，所需电动机 功率和传动件尺寸也越小。 从简化传动的角度看，应 把运动分配给重量小的执 行件。 – 保证、提高加工精度。
– 缩小机床占地面积。
3.1.4 机床总体设计
三、机床的总体结构方案设计
一、机床的基本型式
通用机床的总体布局：布局形式是比较成熟的传统形式， 变化不大，如卧式、立式、单臂式和龙门式等，随着科技 的不断发展，也在逐步改善。 专用机床的总体布局：布局形式灵活多样，变化较多。参 考通用机床的布局有时对专用机床的布局也是有益的。
影响机床总体布局的主要因素：
• • • • • 表面成型方法。 工件尺寸。 工件技术要求。 生产规模和生产率。 其它因素：结构、操作、外形、占地、运输和吊装等。
性能：刚度及精源自文库； 制造成本：根据结构复杂程度、制造装配难度、模块化及标准化成都、 制造厂的制造条件等进行预估； 制造周期； 与物流系统的可亲性； 外观造型。
改善机床的性能和技术经济指标的措施
• 机床性能和技术经济指标的改善，可借助于结构、布 局等多方面的措施来实现。
上述步骤反复进行，直到达到设计结果满意为止。 定型设计，结构设计完成之后，可进行实物样机的制造、实验及评价。根 据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。
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3.1.4 机床总体设计
一、机床系列型谱的确定
由于各种机床用户生产的产品和规模不同，对机床性 能和结构的要求也不同，因此，同一机床甚至同一规 格的机床，还需要有各种变形，以满足用户各种各样 的需求。为了以最少的品种规格，满足尽可能多用户 的不同需求，通常是按照该类机床的主参数标准，先 确定一种用途最广，需求量最大的机床作为“基型系 列”，在这系列的基础上，根据用户的需求派生出若 干变型机床，形成“变型系列”。“基型”和“变型” 构成了机床的“系列型谱”。
机床坐标系（即机床总体坐标系）一般采用直角坐标系，沿 X、Y、Z轴的直线运动，绕X、Y、Z轴的回转运动用A、B、C 表示。
机床运动功能式
运动功能式表示机床的运动个数、形式（直线/回转）、功 能（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标p、f、a 表示)及排列顺序。左边写工件，用W表示；右边写刀具，用 T表示，中间写运动，按运动顺序排列，用“/”分开。
创成式设计（解析式设计）：用创成分析的方法生成方案， 创新能力强，尚在研究之中。
3.1.3
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
技术设计任务书
机 床 技 术 设 计 步 骤
确定结构原理方案 机床总体设计 机床结构设计 机床工艺设计 机床整机综合评价 否
3、单臂式机床
适于方便地更换 点位进行加工。 但这类布局型式 与框架式相比刚 度较差，因此应 注意提高刚度。
4、龙门框架式机床
具有刚度和加工精度 高的特点。 适用于箱体件的平 面加工，如龙门刨 床、龙门铣床 ； 或是加工精度和表 面粗糙度要求较严 的平面与孔，如立 式双柱坐标镗床。
5、数控机床和加工中心的布局型式，是
满足设计要求？ 是 机床定型设计
3.1.3 机床的设计步骤
确定结构原理方案
用途：机床的工艺范围，加工材料的类型、形状、质量和尺寸范围 等； 生产率：加工件的类型、批量及所要求的生产率； 性能指标：加工件所要求的精度（用户订货）或机床的精度、刚度、 热变形、噪声等性能指标； 主要参数：确定机床的加工空间和主要参数； 驱动方式：电动机驱动/液压驱动。电动机又分：普通电动机驱动、 步进电机驱动与伺服电机驱动。驱动方式的确定不仅与机床的成本 有关，还将直接影响传动方式的确定。 结构原理：主要零部件应满足的要求和结构原理，进行草图设计， 确定关键零部件是自制还是外协。 成本及生产周期：订货产品或工厂规划产品都需确定。
在普通机床的基础上发展起来的。机 床布局发生了很大的变化。
二、机床的运动及其分配对布局的影响 三、机床性能对布局的影响 四、操作、观察与调整对布局的影响 五、机床的造型与色彩 六、机床的联系尺寸
3.1.2 机床的设计方法
传统方法：理论分析、计算和试验研究相结合的设计方法。 计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)等技术，已经应用 于机床设计的各个阶段。改变了传统的设计方法，由定性设计向 定量设计、可以提高机床的设计质量和设计效率。 机床的设计方法还应考虑机床的类型，如通用机床应采用系列化 设计方法等。
W/CpZfXf /T
W/XfYfZfCp /T
3.1.4 机床总体设计
三、机床的总体结构方案设计
2.运动功能分配设计
机床运动功能式（或功能图)描述了刀具与工件之间的相对运动，但基础支 承设在何处尚未确定，即相对于“大地”来说，哪些运动是由刀具一侧来 完成的，哪些运动是由工件一侧来完成还不清楚。 运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用符号“· ”来表示。 符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。形成的功能式即称 之为运动分配式。 W/ · fZfYfCp /T X W/Xf · fYfCp /T Z W/XfZf · fCp /T Y W/XfZfYf · p /T C 对运动功能式进行评价筛选后，保留可行方案进行运动分配设计，然后对 运动分配式进行评价，选择其中合理的方案。 “避重就轻”原则：若工件尺寸和质量较大时，工件侧的运动数应尽量少 （落地镗）；反之，工件尺寸和质量相对刀架部件小时，刀具侧运动尽量 小（升降台铣）。
3.1.2 机床设计方法
（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。 （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。 分析式设计（试行设计）：用类比分析、推理的方法产生方 案，是目前创新设计一般采用的方法。
1、卧式机床
这种型式的机床的重心低，但占地面积较大。 通常工人在机床的前面操作，适于加工细而 长的工件或需要加工行程较长的工件。 如卧式车床、外圆磨床、卧式镗床、卧式拉 床等 。
2、立式机床
具有占地面积小，工人所
处的操作位置比较灵活的 特点； 如立式钻床、立式单柱坐 标镗床、立式铣床 等。
工艺设计
设计机床的全部自制零件图，编制标准件、通用件和自制件明细表，撰写设计 说明书、使用说明书，制定机床的检验方法和标准等技术文档。
机床整机综合评价
对整机性能进行分析和综合评价。对所设计的机床进行计算机建模，得到数字 化样机（虚拟样机）。机床进行运动学仿真和各项功能仿真，在实际样机试制 出来之前对齐进行综合评价，减少新产品研制的风险，缩短研制周期，提高开 发质量。
总体方案综合评价与选择：对各种方案进行综合评价，从中选择较 好的方案。 总体方案的设计修改与优化
对所选择的方案进行进一步修改或优化，确定最终方案。
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3.1.3 机床的设计步骤
结构设计
设计机床的传动系统，确定各主要结构的原理方案，设计部件装配图，对主要 零部件进行分析计算和优化，设计液压原理图和相应液压部件装配图，设计电 气控制系统原理图和相应的电气安装接线图，设计和完善机床总装配图和总联 系尺寸图。
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3.1.3 机床的设计步骤
总体设计
总体设计的内容
运动功能设计：确定机床所需运动的个数、形式（直线或回转）、功 能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，画出机床的运动功 能图。 基本参数设计：尺寸参数、运动参数和动力参数。 传动系统设计：传动方式、传动原理图及传动系统设计。 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、控制系统图设计。