第2章数控机床总体设计课件.ppt
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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,212加工精度 机床精度分为机床本身的精度和工作精度(加工精度) 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)。 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,213 柔性 数控机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。 功能柔性是指在同一时期内,机床能够适应
2、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。 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。 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,214 开放性 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。,215 噪声 噪声产生的来源 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,216 生产率和自动化 提高切削效率,提高自动化程度、缩短辅助时间,有利于提高生产效率。 自动化程度高,还有利
3、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,217 成本 全周期概念: 成本贯穿于产品的整个制造和使用生命周期 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,218 生产周期 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。 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,219 可靠性 可靠性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。 所谓“规定条件”包括使用条件、维护条件、
4、环境条件和操作技术等。 “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。 “规定功能”指产品的技术指标。 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,2.1.10 机床宜人性 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。 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,2111 符合绿色工程的要求 所谓绿色工程是指在工程领域注重环境保护、节约资源、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。 按照绿色工程的要求设计机床 ,优化个有关设计要素,使
5、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,2.2.1 数控机床设计的基本理论及设计方法概述 2.2.1.1数控机床设计的基本理论 2.2.1.1.1 精度 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。 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,各类机床精度按精度等级可分为普通精度级、精密级和高精度级 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。 在设计阶段主要从机床的精度分配、元
6、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,(1)几何精度 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 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。 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,(2)运动精度 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 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。 运动精度包括高速回转主轴的回
7、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,(3)传动精度 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 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 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,(4)定位精度 定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。 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。 重复定位精度:机床的定位部件重复运动到
8、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,(5)精度保持性 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。 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,(6)工作精度 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。 工作精度是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。 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,2.2.1.1.2 刚度 (1)机床刚度 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; K=F/y 式中 K机床
9、刚度,N/um; F作用在机床上的载荷,N; y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,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。 载荷按性质分为静载荷和动载荷 相应地,机床刚度分为静刚度与动刚度,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,(2)整体刚度 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。 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
10、匹配问题。,2.2.1.1数控机床设计的基本理论,2.2.1.1.3 抗振性 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。 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合成运动 。 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,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。 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
11、的振幅并不稳定。 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,2.2.1.1.4 热变形 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,导致机床产生热变形。 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,2.2.1.1.5 噪声 机床噪声源来自四个方面。 机械噪声 如齿轮、滚动轴承及其他传动元件的振动、摩擦等 液压噪声 如泵、阀、管道等的液压冲击、气穴、紊流产生的噪声。 电磁噪声 如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声。 空气动力噪声 如电动机风扇、转子
12、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,减少噪声的主要途径是控制噪声的生成和隔声。 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。 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,2.2.1.1.6低速运动平稳性 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,爬行现象产生原因: 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
13、设计的基本理论,2.2.1.1.6低速运动平稳性 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,提高阻尼比和降低移动件的质量。 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,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 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,数
14、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,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,机械制造业中,多品种、小批
15、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。 数控机床是FMS的核心装备 以单机为主的机床设计 以系统为主的机床设计 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 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。 (2)总体方案设计 :运动功能设计。 基本参数设计。 传动系统设计。 总体结构布局设计。 控制系统设计。,2.2.3 机床系列化设计,系列化设计方法思想: 在机床设计过程中,选择功能、结构和尺寸等方面较典型的
16、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。 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,“基型”和“变型”合称为某类机床的系列型谱。 机床主参数系列是系列型谱的纵向(按尺寸大小)发展 同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向发展。 系列型谱能比较综合地表现了机床产品规格参数的系列性与结构的相似性。,2.2.3 机床系列化设计,系列化设计的特点 可以较少品种规格的机床产品满足
17、市场较大范围的需求。 系列中不同规格的机床产品是依据经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的,可以大大减少设计工作量,缩短研制周期,提高设计质量,减少机床开发的风险。 机床产品有较高的结构相似性和零部件的通用性,因而可以压缩工艺装备的数量和种类,有助于缩短研制周期,降低生产成本。,2.2.3 机床系列化设计,零部件的种类少,系列中的机床产品结构相似,便于进行机床的维修,改善售后服务质量。 为开展变型设计提供技术基础。 由于用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中进行选择,因此,其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求,有些功能可能还有冗余。,2.2.4 零部件的通用化和标准化
18、设计,通用化和标准化设计思想: 利用较少的几种结构,去适应较多产品的需要,以减少企业生产的零、部件种数。 优点: 减少设计工作量,扩大生产批量,减少工艺装备,便于管理生产和组织专业化生产,降低成本,保证质量。,2.2.4 零部件的通用化和标准化设计,部件通用化: 多数是指在系列型谱中,相同规格的基型与变型机床之间的通用。 举例: 同主参数的铣床(万能、卧铣、立铣)中,大多数的部件,如升降台、工作台、进给箱、主动机构等都是通用的。 系列中相邻规格的机床之间,也有可能实现部件通用化。例如最大孔直径63mm和80mm的主轴箱可以通用;100mm和125mm的主轴箱也可通用。,2.2.5 模块化设计,
19、机床产品的模块化设计思想; 确定一组具有同一功能和结合要素(指联接部位的形状、尺寸、公差等)、但性能和结构不同且能互换或组合的结构或功能单元,形成产品的模块系统,选用不同的模块进行组合,便可形成不同类型和规格的产品。,2.2.5 模块化设计,模块化设计具有下述特点 提高设计效率,满足用户要求。产品模块具有规范化、系列化、通用化和标准化特点,一次设计可满足市场上的多种需求,可显著提高设计效率,最大限度地缩短供货周期和满足用户需求。 提高产品质量、降低生产成本。对于系列化和通用化的结构模块,可以精心设计,批量加工,甚至可以组织专业化生产,因而可大幅度提高产品质量、降低生产成本。 促进产品更新换代。
20、对于已经模块化的产品,可快速响应市场需求,不断设计出新型的模块,发展变型产品。,2.2.5 模块化设计,方便维修。模块化产品的维修十分方便,一旦设备发生故障,可更换整个模块。 模块的结合部位结构较复杂,加工要求高;结构复杂的产品,有时难于保证外观的美观和匀称。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.2 模块化设计方式 模块化设计特别适用于有一定批量的变型产品的系列化设计,可根据系列型谱进行横系列模块化设计、纵系列模块化设计和跨系列模块化设计。 (1)横系列模块化设计 在基型产品模块化结构的基础上,通过更换或添加功能模块来扩大产品的功能和适应性。这种设计方法应用最广,图2-4所示即属于横系列模块设
21、计。,2.2.5 模块化设计,2.2.5 模块化设计,(2)纵系列模块化设计 纵系列模块设计一般在基型产品横系列模块系统基础上,保持产品功能与原理方案基本相同,采用相似设计方法,改变其尺寸或性能参数,形成主参数等比数列排列的一系列产品。 (3)跨系列模块化设计 对于具有相近动力部件的产品,可进行跨系列模块化设计,常见的有跨系列基础件模块、动力模块或其他功能模块。如坐标镗床、坐标磨床和自动测量机床等可采用相同基础件模块。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.3模块化设计功能模块 (1)功能模块划分 功能模块是产品中实现各种功能单元的具体方案或载体,是从满足技术功能的角度来划分和定义的,是方案设计
22、中应用的一种概念模块。 功能模块划分的出发点是产品的功能分析,功能模块的划分一般采用系统分析方法,将产品的总功能自上向下逐层分解为分功能、子功能、直至功能单元。 产品功能分解可用功能树表示,功能模块可用模块树或形态矩阵表示。,2.2.5 模块化设计,(2)功能模块类型 基础功能模块。是产品构成中基本的、反复出现的和不可缺少的功能模块类型,可以单独出现或与其他功能模块相结合形成一个具体的生产模块或结构模块。如卧式车床中主运动模块、进给运动模块、床身支撑模块等。 辅助功能模块。 完成产品的辅助功能,如卧式车床中的快速移动模块、加工冷却模块等,这些模块一般不能单独使用,其结构尺寸等由基础功能模块决定
23、。 特殊功能模块。满足用户的特殊要求,扩展或补充产品的某种功能,其生产批量比基础能模块少,如卧式车床中的工件自动夹紧模块。,2.2.5 模块化设计,适应功能模块。适应其他系统或边界条件等必须设置的模块,其结构尺寸只是部分地或在一定范围内确定的,根据用户的具体要求或使用环境等,其结构尺寸可作一定调整,它是一种变尺寸或变结构的模块。 非模块化功能块。是一种根据用户要求进行设计的功能模块,由于其生产批量少,其结构及结合要素可不必追求规范化与标准化,这样做有时会有利于降低设计与制造成本。,2.2.5 模块化设计,2.2.5.4模块化设计结构模块 从有利于生产和方便装配目的而确定的模块,它是构成产品的具
24、体模块,又称为生产模块.它们可能是一个或几个完整的功能模块及其组合,也可能仅包含某功能模块的一部分。 从产品结构和企业实际情况出发,在完成产品功能模块划分的基础上.合理确定结构设计的又一关键问题。结构模块可以是产品部件、组件、零件或大型零件的一部分,也可根据分级模块思想进行灵活组合,2.2.5 模块化设计,(1)部件模块 这种模块既是生产模块,也是单功能或多功能组合而成的功能模块。有一定独立性和完整性。方便设计与生产管理,是使用最为广泛的一种生产模块。如主轴系统、伺服系统等为部件 (2)组件模块 把构成部件的各个组件设计成不同的生产模块,可以使部件具有不同的结构或性能,与部件模块相比,系统的柔
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