機(jī)械加工設(shè)備的功能設(shè)計(jì)_優(yōu)秀論文

1、 機(jī)械加工設(shè)備的功能設(shè)計(jì)1引言加工設(shè)備的功能是指機(jī)械零件加工的效能, 是設(shè)備加工所發(fā)揮的功效與性能。機(jī)械加工設(shè)備功能設(shè)計(jì)的任務(wù)是研究機(jī)械零件如何被加工出來(lái), 分析加工過(guò)程能量流、物料流和信息流輸入與輸出之間的因果關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)所需要的精度。滿足機(jī)械零件成形是設(shè)備功能設(shè)計(jì)的目標(biāo), 機(jī)械加工設(shè)備的功能方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的核心。常規(guī)設(shè)計(jì)一般從結(jié)構(gòu)開(kāi)始, 而功能設(shè)計(jì)則是將對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)化為對(duì)產(chǎn)品的功能研究, 不受現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)約束, 更有助于提出創(chuàng)造性構(gòu)思。由于機(jī)械加工設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案在很大程度上決定著設(shè)備的工藝范圍、加工精度、自動(dòng)化程度和生產(chǎn)率等, 因此, 要設(shè)計(jì)好一臺(tái)高性能的機(jī)械加工設(shè)備, 第一

2、步就要做好設(shè)備的功能方案設(shè)計(jì)。設(shè)備設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是滿足機(jī)械零件加工的需求, 切削加工是加工設(shè)備的總功能。首先通過(guò)分析機(jī)械零件表面成形方法確定機(jī)械零件切削所需的運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng), 繼而根據(jù)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度逐層分解為各個(gè)子功能, 一直分解到有最終解的原理對(duì)應(yīng)為止, 然后將各子功能重新組合成具有層次性的功能結(jié)構(gòu), 各個(gè)子功能映射到加工設(shè)備切削總功能的原理解。根據(jù)切削功能, 映射設(shè)備布局方案, 進(jìn)而將設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)劃分為各個(gè)部件模塊, 如床身模塊、立柱模塊、工作臺(tái)模塊和主軸單元模塊等, 從而形成機(jī)械加工設(shè)備整機(jī)的三維實(shí)體模型。2設(shè)備功能的確定機(jī)械加工設(shè)備的基本功能是提供切削加工所必須的各種運(yùn)動(dòng)。設(shè)備的功能設(shè)

3、計(jì)首先要根據(jù)零件加工方法進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì), 隨之明確設(shè)備的工作原理。加工設(shè)備的基本工作原理是：通過(guò)刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng), 由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料, 形成工件表面規(guī)則的幾何形狀和尺寸, 并達(dá)到其所需的精度。若加工設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn), 是由操作者控制的, 則為普通加工設(shè)備；若是自動(dòng)控制的, 則為自動(dòng)化加工設(shè)備。設(shè)計(jì)加工設(shè)備的第一步, 是確定功能原理。功能原理是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù), 對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的影響較大。因此, 在擬定功能方案的過(guò)程中, 必須全面地、周密地考慮, 使所定方案技術(shù)上合理、先進(jìn), 且經(jīng)濟(jì)效益較高。加工設(shè)備功能原理設(shè)計(jì)的影響因素包括工件材料與結(jié)構(gòu)形狀、同類型加工設(shè)備、有

4、關(guān)的科技成果、使用要求以及制造條件等。設(shè)計(jì)者應(yīng)作充分調(diào)查研究, 明確設(shè)計(jì)要求, 掌握有關(guān)資料, 在深入分析的基礎(chǔ)上, 提出機(jī)械加工設(shè)備的功能方案。2.1分析設(shè)備加工工藝范圍工件的加工表面是通過(guò)加工設(shè)備上刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而形成的, 因此開(kāi)展設(shè)備的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì), 需要首先了解工件表面的形成方法。同一種表面有多種加工方法, 對(duì)于不同類型的設(shè)備, 功能方案設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)于專用加工設(shè)備, 應(yīng)側(cè)重于工件加工工藝分析。專用設(shè)備只能完成某一零件的特定工序, 為特定表面的加工工藝服務(wù), 如加工曲軸、連桿的專用加工設(shè)備, 根據(jù)曲軸、連桿結(jié)構(gòu)表面的特定工藝要求專門設(shè)計(jì)制造。對(duì)于通用加工設(shè)備, 加工對(duì)象為工件群

5、, 加工方法較多。由于通用加工設(shè)備的工藝范圍較寬, 可以加工多類零件的不同工序, 功能往往比較復(fù)雜, 因此要求設(shè)備調(diào)整控制更加方便。為了擴(kuò)展通用加工設(shè)備的功能, 側(cè)重于新技術(shù)的應(yīng)用和性能的創(chuàng)新。2.2建立設(shè)備的工作坐標(biāo)系設(shè)備的工作坐標(biāo)系是為了確定刀具或工件在設(shè)備中的特殊位置（如對(duì)刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)等）以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡而建立的幾何坐標(biāo)系。沿主軸的軸線取為Z軸。坐標(biāo)原點(diǎn)位于坐標(biāo)軸尺寸為零的點(diǎn)上, 手指指向尺寸增加的方向?yàn)樽鴺?biāo)軸正方向。X、Y性線軸按右手定則確定, 旋轉(zhuǎn)軸按右手螺旋法確定, 繞X、Y、Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別用A、B、C表示。2.3描述設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能加工設(shè)備通過(guò)一定形式的運(yùn)動(dòng)完成切削任務(wù)。描述設(shè)

6、備運(yùn)動(dòng)功能是表達(dá)切削加工的運(yùn)動(dòng)原理的有效手段, 對(duì)整個(gè)設(shè)備方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了擺脫傳統(tǒng)思維的束縛, 略去個(gè)性和偶然性, 力求突出普遍適用和本質(zhì)的東西, 對(duì)加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能作抽象化描述, 用運(yùn)動(dòng)功能式來(lái)表示工作機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式及各個(gè)基本運(yùn)動(dòng)功能排列順序等。在設(shè)備上, 運(yùn)動(dòng)由執(zhí)行件來(lái)實(shí)現(xiàn), 刀具和工件分別安裝在主軸、刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行部件上。執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)形式, 以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)最易實(shí)現(xiàn)。無(wú)論工作機(jī)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)如何復(fù)雜, 設(shè)備上執(zhí)行件的基本運(yùn)動(dòng)形式只有直線移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩種, 而復(fù)雜運(yùn)動(dòng)由多個(gè)基本單元運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。執(zhí)行件所作運(yùn)動(dòng)是設(shè)備最基本的物理效能。執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)功能按照在切削加工中

7、所起的作用不同, 可分為表面成形運(yùn)動(dòng)、切入運(yùn)動(dòng)、主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、輔助運(yùn)動(dòng)等。執(zhí)行件所作的表面成形運(yùn)動(dòng)按照不同的作用可分為主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等。切入運(yùn)動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng), 如果不伴隨切屑的形成, 則為空行程調(diào)整尺寸的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸用大寫字母表示, 用下標(biāo)v表示主運(yùn)動(dòng)、用下標(biāo)f表示進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、用下標(biāo)a表示輔助運(yùn)動(dòng)?；具\(yùn)動(dòng)功能的排列順序左邊寫主運(yùn)動(dòng), 中間寫進(jìn)給運(yùn)動(dòng), 右邊寫輔助運(yùn)動(dòng), 三部分的內(nèi)容用“”分開(kāi), 多個(gè)同類運(yùn)動(dòng)之間用+相連。如搖臂鉆床共有五個(gè)坐標(biāo)軸作基本運(yùn)動(dòng), 其運(yùn)動(dòng)功能式寫成CvZfXa+Za+Ca, 如圖1所示。2.4繪制設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能圖加工設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能用簡(jiǎn)單明了的圖形和符號(hào)繪制出其運(yùn)

8、動(dòng)功能圖。加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能圖表示所設(shè)計(jì)的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的各種主要運(yùn)動(dòng)功能方案, 與運(yùn)動(dòng)功能式相對(duì)應(yīng), 是設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù), 其符號(hào)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定, 一般采用形象直觀的圖形和符號(hào)表示即可。圖1對(duì)搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。在運(yùn)動(dòng)功能圖上, 同時(shí)注明了與其相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)功能式。圖中Cv為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), Zf為鉆頭的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng), Ca、Za、Xa為刀具調(diào)整運(yùn)動(dòng), 用來(lái)調(diào)整刀具與工件的相對(duì)鉆孔孔位。3設(shè)備功能的求解加工設(shè)備總功能可細(xì)分為基本功能, 由執(zhí)行件實(shí)現(xiàn)的機(jī)械功能便是加工設(shè)備的基本運(yùn)動(dòng)功能。設(shè)備的總功能用基本運(yùn)動(dòng)功能的組合進(jìn)行描述?；竟δ艿牟煌M合便是設(shè)備切削功能的多解, 完成同一結(jié)構(gòu)零件的

9、加工, 由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)分配給的執(zhí)行件不同, 可以形成多種功能方案。3.1運(yùn)動(dòng)功能的分配組合機(jī)械加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能式（或功能圖）描述了刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng), 但沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng), 可由刀具完成, 也可由工件完成, 還須進(jìn)一步地分解。運(yùn)動(dòng)一方為執(zhí)行件, 靜止一方為支承件。明確運(yùn)動(dòng)是由刀具一方完成, 還是由工件一方完成, 便是運(yùn)動(dòng)功能的不同分配組合方案。運(yùn)動(dòng)功能分配組合是確定運(yùn)動(dòng)功能式中執(zhí)行件的位置, 在運(yùn)動(dòng)符號(hào)下標(biāo)里加w或t來(lái)區(qū)分。加w的運(yùn)動(dòng)由工件完成, 加t由刀具完成。機(jī)械加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能式明確了執(zhí)行件之后, 便成為設(shè)備運(yùn)動(dòng)分配式。一個(gè)運(yùn)動(dòng)功能方案, 經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì), 可以得到一個(gè)或多個(gè)相

10、對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分配式, 如搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)功能式與相對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)分配式設(shè)計(jì)成下述四種方案：方案一為極坐標(biāo)調(diào)位法：CtvZtfXta+Zta+Cta, 其中Xta調(diào)整刀具相對(duì)于立柱中心的半徑, Cta調(diào)整刀具相對(duì)于立柱中心的回轉(zhuǎn)角度, Zta調(diào)整刀具相對(duì)于工件的高度。大型工件鉆孔不便移位, 工件靜止不動(dòng), 五個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)全部由刀具完成。方案二為極坐標(biāo)調(diào)位加主軸擺角法：CtvZtfXta+Zta+Cta+Bta, 在方案一的基礎(chǔ)上增加主軸箱圍繞Y軸的回轉(zhuǎn)調(diào)整運(yùn)動(dòng)Bta, 擴(kuò)大了鉆床鉆孔的工藝范圍。方案三為極坐標(biāo)調(diào)位加底座移動(dòng)法, CtvZtfXta+Zta+Cta+Xta, 在方案一的基礎(chǔ)上增加了底座沿X軸的

11、調(diào)位運(yùn)動(dòng)。方案四為主軸擺動(dòng)-懸臂橫移法：CtvZtfXta+Zta+Cta+Bta+Xta, Bta可使主軸箱圍繞Y軸回轉(zhuǎn)調(diào)整刀具傾斜一個(gè)角度, 在方案一的基礎(chǔ)上增加了橫臂沿X軸的調(diào)位運(yùn)動(dòng)。對(duì)上述滿足基本運(yùn)動(dòng)要求的方案, 需要從工作性能、動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)特性等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 從中選出最優(yōu)方案。對(duì)比分析上述運(yùn)動(dòng)功能式, 保留下的運(yùn)動(dòng)功能式都可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)眾多的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià), 如方案二可作萬(wàn)能搖臂鉆床方案；剔除一些明顯不合理方案, 如方案三搖臂鉆床移位后對(duì)大型工件位置還需進(jìn)一步調(diào)整, 調(diào)整運(yùn)動(dòng)太多太復(fù)雜, 刀具工件之間相對(duì)調(diào)位運(yùn)動(dòng)數(shù)應(yīng)盡量少, 故方案三應(yīng)剔除。篩選

12、出性能優(yōu)良的第一方案進(jìn)入加工設(shè)備的正式設(shè)計(jì)階段。3.2擬定設(shè)備傳動(dòng)原理圖設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能圖只表示運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序, 不表示運(yùn)動(dòng)之間的傳動(dòng)關(guān)系。若將動(dòng)力裝置與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運(yùn)動(dòng)及傳動(dòng)關(guān)系同時(shí)表示出來(lái), 就是設(shè)備的傳動(dòng)原理圖。圖2為搖臂鉆床鉆孔時(shí)的成形運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)原理圖。傳動(dòng)原理圖表示每一條傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)聯(lián)系以及傳動(dòng)鏈之間的相互關(guān)系, 并表達(dá)加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)全部切削運(yùn)動(dòng)的原理。圖2中的Ctv表示刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 為鉆削主運(yùn)動(dòng)；Ztf表示刀具沿鉆孔中心線直線運(yùn)動(dòng), 為鉆削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。uv表示主運(yùn)動(dòng)變速變向調(diào)整機(jī)構(gòu), uf表示進(jìn)給運(yùn)動(dòng)變速變向調(diào)整機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)原理圖對(duì)采用機(jī)械變速傳動(dòng)或還是機(jī)械傳

13、動(dòng)加電氣控制的設(shè)備, 能夠清楚地表達(dá)其設(shè)備的功能原理, 對(duì)輔助運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)關(guān)系可不予繪制。4設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定設(shè)備的組成部件, 以及各個(gè)部件和操縱機(jī)構(gòu)在整臺(tái)設(shè)備中的配置。機(jī)械加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)形式取決于主軸、工作臺(tái)、刀架和床身的布局。主軸的布置有立式、臥式或斜置式；工作臺(tái)和刀架有移動(dòng)式或回轉(zhuǎn)式, 而床身是基礎(chǔ)支承件, 其結(jié)構(gòu)形式有底座式、立柱式、龍門式等；基礎(chǔ)支承件的結(jié)構(gòu)又有一體式和分離式等。因此同一種功能原理, 由于運(yùn)動(dòng)分配形式和實(shí)現(xiàn)的功能方案不同, 又可以有多種結(jié)構(gòu)配置形式, 對(duì)運(yùn)動(dòng)分配設(shè)計(jì)作階段性評(píng)價(jià)后保留下來(lái)的功能結(jié)構(gòu)布局方案就有很多, 搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)布局方案如圖3所示。對(duì)全部機(jī)械加工設(shè)備結(jié)構(gòu)布局方案需要再次進(jìn)行評(píng)價(jià), 去除不合理方案。如方案四, 搖臂鉆床的懸臂可向兩側(cè)橫移, 但底座不夠穩(wěn)定, 需緊固在基座上, 而且安裝工件需附加支承基座, 故方案四應(yīng)去除。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)的依據(jù)主要是定性分析加工設(shè)備的整體剛度、安全操縱、占地面積、與物流系統(tǒng)的可親性等因素