第3章 数控机床的总体设计-v2-黑白

现代制造装备及控制

3数控机床的总体设计

张松

山东大学机械工程学院

2016年3月第章

第3章数控机床的总体设计

3.1 数控机床设计的基本要求

3.1.1 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，包括：工件类型、工件材料及特性、工件尺寸、毛坯形式和工序等。工艺范围窄(如专用数控机床)，则机床的结构较为简单，容易实现自动化，生产效率也较高；但机床工艺范围过窄，会限制加工工艺和产品的更新；而盲目扩大机床工艺范围，将使机床的结构趋于复杂，不能充分发挥机床各部件的性能，甚至影响机床主要性能的提高，增加机床的制造成本。

第3章数控机床的总体设计

专用机床的功能设置较少，只要满足特定的工艺范围要求，以达到提高生产率、缩短机床制造周期及降低机床成本等效果。

通用机床则要求在同一机床上能完成多种工作，还要适应不同部门和行业的需要，通用机床的工艺范围较宽。

在大型数控机床上增设一些附件，或把不同的工艺综合在一台机床上，如车削中心、数控镗铣床等，可以扩大数控机床的工艺范围。数控技术使数控机床工艺范围比普通机床更宽，更适用于多品种小批量的要求。加工中心(自动换刀数控机床)由于具有刀库和自动换刀装置等，一次装夹能进行多面多工序加工，不仅工艺范围宽，而且有利于提高加工效率和加工精度。

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3.1.2 加工精度

要加工具有一定精度的零件，数控机床必须满足更高的精度要求。机床精度分为：

机床本身的精度：即空载条件下的精度(几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等)。

工作精度(加工精度)。

措施：尽量提高机床的传动精度和刚度，减少振动和热变形，例如使液压系统的油箱与床身分开，以减少热影响。此外，应减小机床在加工中的振动，常采用分离传动，将电动机和变速箱等振动较大的部件与工作部件(如主轴)分装在两个地方。为了保证传动精度，除适当提高传动件的制造精度外，应尽量缩短传动链，实现主运动链和进给运动链的零传动。

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3.1.3 柔性

数控机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性和时间上的柔性。

空间上的柔性也就是功能柔性，在同一时期内，机床能够适应多品种、小批量的加工要求，即机床的运动功能和刀具数量多，工艺范围广，空间上的一台高柔性数控机床相当于几台机床。

时间上的柔性也就是结构柔性，在不同时期，机床各部件经过重新组合，实现新的机床功能，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。单件或小批量FMS 作业线经过识别装置对下一个待加工的工件进行识别，根据其加工要求，在作业线上就可自动进行机床功能重构，有些功能重构几秒钟内即可完成，这就要求数控机床的功能部件具有快速分离与组合的功能。

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3.1.4 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。对于单机工作形式的普通数控机床，是由人进行物料交接的，要求方便地使用、操作、清理和维护机床。对于自动化柔性制造系统，数控机床与物流系统（如输送线）是自动进行物料交接的，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便。

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3.1.5 噪声

数控机床在工作中的振动会产生噪声，这不仅是一种环境污染，损害人的听觉器官和生理功能，而且还能反映机床设计与制造的质量水平。随着现代数控机床切削速度的提高、功率的增大、自动化功能的增多，噪声污染问题也越来越严重，降低噪声是机床设计者的重要任务之一。

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3.1.6 生产率和自动化

机床的生产率用单位时间内机床所能加工的工件数量来表示。数控机床的切削效率越高，辅助时间越短，其生产效率就越高。对用户而言，使用高效率的数控机床，可以降低工件的加工成本。数控机床的自动化程度越高，其生产率就越高，加工精度的稳定性越好，越容易适应自动化制造系统的要求。

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3.1.7 成本

成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标，应在尽可能保证数控机床性能要求的前提下提高其性能价格比。

3.1.8 生产周期

生产周期（包括设计和制造）是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求数控机床设计应尽可能采用现代设计方法，如使用CAD、模块化设计等。

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3.1.9 可靠性

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。 “规定的条件”包括使用条件、维护条件、环境条件和操作技术等。如规定时间可以是某个预定的时间，也可以是与时间有关的其他指标，如作用或重复次数、距离等。

“规定功能”是指产品应具有的技术指标，通常用概率表示能力，对可靠性指标进行量化评价。

产品的可靠性主要取决于产品在设计和制造阶段形成的产品固有可靠性。设计时尽可能保证数控机床在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概率最高。

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3.1.10 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。机床设计要布局合理、操作方便、造型美观、色彩悦目，符合人机工程学原理和工程美学原理，使操作者有舒适感、轻松感，减少疲劳，避免事故，提高劳动生产率。

3.1.11 符合绿色工程的要求

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及其承受能力达到有机协调。按绿色工程要求设计机床，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计要求，使得产品从设计、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，资源利用率最高。

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3.2 数控机床设计方法和理论

3.2.1 机床设计方法

计算机辅助设计( CAD) 和计算机辅助工程(CAE) 的应用：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 最佳设计过渡。

数控技术的发展与应用：伺服驱动系统方便地实现机床的单轴运动及多轴联动，省去复杂的机械传动系统设计，结构及布局也有很大变化。

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3.2.1 机床设计方法

多品种、小批量生产的要求：“以机床为主的系统设计” “以系统为主的机床设计”方向发展，适应FMS 等先进制造系统的要求(时间上、空间上的柔性，物流的开放性)。

创新设计：机床总体方案的产生方法可采用分析式设计(又称试行设计)或创成式设计(又称解析式设计)。前者是用类比分析、推理方法产生方案，常采用；后者则用创成解析的方法生成方案，创新能力强，尚在研究发展之中。

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3.2.2 机床设计步骤

(1)主要技术指标设计：是后续设计的

前提和依据。

①用途

②生产率

③性能指标

④主要参数

⑤驱动方式

⑥成本及生产周期

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(2) 总体设计方案：①运动功能设计，②机床参数设计，③传动系统设计，④总体结构布局设计，⑤控制系统设计。

(3) 总体方案综合评价与选择

(4) 总体方案的设计修改或优化

(5) 详细设计

①技术设计：结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。②施工设计：零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。

(6) 机床整机综合评价

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3.2.3 机床设计的基本理论

一、精度：机床精度是指机床主要部件的形状、位置及相对运动的精确程度，包括几何精度、传动精度、定位精度及精度保持性等几个方面。

(1) 几何精度：机床空载时，不运动(机床主轴不转或工作台不移动等情况下)或运动速度较低时条件下，各主要部件的形状、位置和相对运动的精确程度。如导轨的直线度，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。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。

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(2) 运动精度：机床的主要零部件以工作状态的速度运动时的精度。如高速主轴的回转精度。对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。运动精度和几何精度是不同的。它受到运动速度、运动件的质量、传动力和摩擦力的影响，它与结构设计及制造等因素有关。

(3) 传动精度：机床内联系传动链各末端执行件之间相对运动的协调性和准确度。传动精度由传动系统的设计、传动件的制造和装配精度等决定。

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(4) 定位精度：机床的各个坐标轴在数控系统控制下所能到达规定位置的精度。影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。机床构件和进给控制系统的精度、刚度以及动态特性，测量系统的精度都将影响机床定位精度。

(5) 工作精度：机床加工规定的试件所能达到的加工精度，称为机床的工作精度，用试件的加工精度表示。工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、工件的刚度及热变形等。

(6) 精度保持性：在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度的能力，称之为精度保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损。磨损的影响因素十分复杂，包括结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等。

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二、刚度：机床系统抵抗变形的能力。

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，可分为静载荷和动载荷。机床刚度相应地分为静刚度及动刚度，后者是抗振性的一部分。通常所说的刚度，一般指静刚度。

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整机刚度：机床是由许多构件结合而成的，在载荷作用之下各构件及结合部都要产生变形，这些变形直接或间接地引起刀具和工件之间相对位移，这个位移的大小代表了机床的整机刚度。在设计中既要考虑提高各部件刚度，同时又要考虑结合部刚度及各部件间刚度的匹配问题。各部件和结合部对机床整机刚度的贡献大小是不同的，设计时应进行刚度的合理分配或优化。

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三、机床抗振性：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两个方面。前者有时习惯上称之为抗振性，后者常称为切削稳定性。

振动降低加工精度、工件表面质量和刀具耐用度，影响生产率并加速机床的损坏，产生噪声。措施：

①机床的刚度。

②机床的阻尼特性。

③机床系统固有频率。

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