機械加工設備的功能設計

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1引言

加工設備的功能是指機械零件加工的效能，是設備加工所發揮的功效與性能。機械加工設備功能設計的任務是研究機械零件如何被加工出來，分析加工過程能量流、物料流和信息流輸入與輸出之間的因果關系，實現所需要的精度。滿足機械零件成形是設備功能設計的目標，機械加工設備的功能方案設計是整個設計任務的核心。常規設計一般從結構開始，而功能設計則是將對機械結構的思考轉化為對產品的功能研究，不受現有的結構約束，更有助于提出創造性構思。由于機械加工設備總體設計方案在很大程度上決定著設備的工藝范圍、加工精度、自動化程度和生產率等，因此，要設計好一臺高性能的機械加工設備，第一步就要做好設備的功能方案設計。設備設計的出發點是滿足機械零件加工的需求，切削加工是加工設備的總功能。首先通過分析機械零件表面成形方法確定機械零件切削所需的運動與傳動，繼而根據設備運動的復雜程度逐層分解為各個子功能，一直分解到有最終解的原理對應為止，然后將各子功能重新組合成具有層次性的功能結構，各個子功能映射到加工設備切削總功能的原理解。根據切削功能，映射設備布局方案，進而將設備的總體結構劃分為各個部件模塊，如床身模塊、立柱模塊、工作臺模塊和主軸單元模塊等，從而形成機械加工設備整機的三維實體模型。

2設備功能的確定

機械加工設備的基本功能是提供切削加工所必須的各種運動。設備的功能設計首先要根據零件加工方法進行設備的運動功能設計，隨之明確設備的工作原理。加工設備的基本工作原理是：通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料，形成工件表面規則的幾何形狀和尺寸，并達到其所需的精度。若加工設備功能的實現，是由操作者控制的，則為普通加工設備；若是自動控制的，則為自動化加工設備。設計加工設備的第一步，是確定功能原理。功能原理是設備結構設計的依據，對整個設計的影響較大。因此，在擬定功能方案的過程中，必須全面地、周密地考慮，使所定方案技術上合理、先進，且經濟效益較高。加工設備功能原理設計的影響因素包括工件材料與結構形狀、同類型加工設備、有關的科技成果、使用要求以及制造條件等。設計者應作充分調查研究，明確設計要求，掌握有關資料，在深入分析的基礎上，提出機械加工設備的功能方案。

2.1分析設備加工工藝范圍

工件的加工表面是通過加工設備上刀具與工件的相對運動而形成的，因此開展設備的運動設計，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，對于不同類型的設備，功能方案設計的側重點不同。對于專用加工設備，應側重于工件加工工藝分析。專用設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，如加工曲軸、連桿的專用加工設備，根據曲軸、連桿結構表面的特定工藝要求專門設計制造。對于通用加工設備，加工對象為工件群，加工方法較多。由于通用加工設備的工藝范圍較寬，可以加工多類零件的不同工序，功能往往比較復雜，因此要求設備調整控制更加方便。為了擴展通用加工設備的功能，側重于新技術的應用和性能的創新。

2.2建立設備的工作坐標系

設備的工作坐標系是為了確定刀具或工件在設備中的特殊位置（如對刀點、換刀點等）以及相對運動軌跡而建立的幾何坐標系。沿主軸的軸線取為Z軸。坐標原點位于坐標軸尺寸為零的點上，手指指向尺寸增加的方向為坐標軸正方向。X、Y性線軸按右手定則確定，旋轉軸按右手螺旋法確定，繞X、Y、Z軸的回轉運動分別用A、B、C表示。

2.3描述設備的運動功能

加工設備通過一定形式的運動完成切削任務。描述設備運動功能是表達切削加工的運動原理的有效手段，對整個設備方案設計至關重要。為了擺脫傳統思維的束縛，略去個性和偶然性，力求突出普遍適用和本質的東西，對加工設備運動功能作抽象化描述，用運動功能式來表示工作機構能夠實現的運動個數、運動形式及各個基本運動功能排列順序等。在設備上，運動由執行件來實現，刀具和工件分別安裝在主軸、刀架或工作臺等執行部件上。執行件的運動形式，以旋轉運動和直線運動最易實現。無論工作機構上的運動如何復雜，設備上執行件的基本運動形式只有直線移動和旋轉兩種，而復雜運動由多個基本單元運動復合而成。執行件所作運動是設備最基本的物理效能。執行件的運動功能按照在切削加工中所起的作用不同，可分為表面成形運動、切入運動、主運動、進給運動、輔助運動等。執行件所作的表面成形運動按照不同的作用可分為主運動、進給運動等。切入運動為進給運動，如果不伴隨切屑的形成，則為空行程調整尺寸的運動。運動坐標軸用大寫字母表示，用下標v表示主運動、用下標f表示進給運動、用下標a表示輔助運動?；具\動功能的排列順序左邊寫主運動，中間寫進給運動，右邊寫輔助運動，三部分的內容用“•”分開，多個同類運動之間用+相連。如搖臂鉆床共有五個坐標軸作基本運動，其運動功能式寫成Cv•Zf•Xa+Za+Ca，如圖1所示。

2.4繪制設備運動功能圖

加工設備的運動功能用簡單明了的圖形和符號繪制出其運動功能圖。加工設備運動功能圖表示所設計的設備能夠實現的各種主要運動功能方案，與運動功能式相對應，是設備傳動系統設計的依據，其符號沒有統一規定，一般采用形象直觀的圖形和符號表示即可。圖1對搖臂鉆床運動功能進行設計。在運動功能圖上，同時注明了與其相對應的運動功能式。圖中Cv為鉆頭的旋轉運動，Zf為鉆頭的軸向進給運動，Ca、Za、Xa為刀具調整運動，用來調整刀具與工件的相對鉆孔孔位。

3設備功能的求解

加工設備總功能可細分為基本功能，由執行件實現的機械功能便是加工設備的基本運動功能。設備的總功能用基本運動功能的組合進行描述?；竟δ艿牟煌M合便是設備切削功能的多解，完成同一結構零件的加工，由于相對運動分配給的執行件不同，可以形成多種功能方案。

3.1運動功能的分配組合

機械加工設備運動功能式（或功能圖）描述了刀具與工件之間的相對運動，但沿各坐標軸的運動，可由刀具完成，也可由工件完成，還須進一步地分解。運動一方為執行件，靜止一方為支承件。明確運動是由刀具一方完成，還是由工件一方完成，便是運動功能的不同分配組合方案。運動功能分配組合是確定運動功能式中執行件的位置，在運動符號下標里加w或t來區分。加w的運動由工件完成，加t由刀具完成。機械加工設備運動功能式明確了執行件之后，便成為設備運動分配式。一個運動功能方案，經過運動功能分配設計，可以得到一個或多個相對應的運動分配式，如搖臂鉆床的運動功能式與相對應運動分配式設計成下述四種方案：方案一為極坐標調位法：Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta，其中Xta調整刀具相對于立柱中心的半徑，Cta調整刀具相對于立柱中心的回轉角度，Zta調整刀具相對于工件的高度。大型工件鉆孔不便移位，工件靜止不動，五個坐標運動全部由刀具完成。方案二為極坐標調位加主軸擺角法：Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta+Bta，在方案一的基礎上增加主軸箱圍繞Y軸的回轉調整運動Bta，擴大了鉆床鉆孔的工藝范圍。方案三為極坐標調位加底座移動法，Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta+Xta，在方案一的基礎上增加了底座沿X軸的調位運動。方案四為主軸擺動-懸臂橫移法：Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta+Bta+Xta，Bta可使主軸箱圍繞Y軸回轉調整刀具傾斜一個角度，在方案一的基礎上增加了橫臂沿X軸的調位運動。對上述滿足基本運動要求的方案，需要從工作性能、動力性能、經濟性以及結構特性等方面進行綜合評價，從中選出最優方案。對比分析上述運動功能式，保留下的運動功能式都可進行運動方案的詳細設計。對眾多的運動設計方案進行評價，如方案二可作萬能搖臂鉆床方案；剔除一些明顯不合理方案，如方案三搖臂鉆床移位后對大型工件位置還需進一步調整，調整運動太多太復雜，刀具工件之間相對調位運動數應盡量少，故方案三應剔除。篩選出性能優良的第一方案進入加工設備的正式設計階段。

3.2擬定設備傳動原理圖

設備的運動功能圖只表示運動的個數、形式、功能及排列順序，不表示運動之間的傳動關系。若將動力裝置與執行件、不同執行件之間的運動及傳動關系同時表示出來，就是設備的傳動原理圖。圖2為搖臂鉆床鉆孔時的成形運動傳動原理圖。傳動原理圖表示每一條傳動鏈的傳動聯系以及傳動鏈之間的相互關系，并表達加工設備實現全部切削運動的原理。圖2中的Ctv表示刀具回轉運動，為鉆削主運動；Ztf表示刀具沿鉆孔中心線直線運動，為鉆削進給運動。uv表示主運動變速變向調整機構，uf表示進給運動變速變向調整機構。傳動原理圖對采用機械變速傳動或還是機械傳動加電氣控制的設備，能夠清楚地表達其設備的功能原理，對輔助運動的傳動關系可不予繪制。

4設備總體結構設計

設備的總體結構設計是確定設備的組成部件，以及各個部件和操縱機構在整臺設備中的配置。機械加工設備總體結構形式取決于主軸、工作臺、刀架和床身的布局。主軸的布置有立式、臥式或斜置式；工作臺和刀架有移動式或回轉式，而床身是基礎支承件，其結構形式有底座式、立柱式、龍門式等；基礎支承件的結構又有一體式和分離式等。因此同一種功能原理，由于運動分配形式和實現的功能方案不同，又可以有多種結構配置形式，對運動分配設計作階段性評價后保留下來的功能結構布局方案就有很多，搖臂鉆床的運動與結構布局方案如圖3所示。對全部機械加工設備結構布局方案需要再次進行評價，去除不合理方案。如方案四，搖臂鉆床的懸臂可向兩側橫移，但底座不夠穩定，需緊固在基座上，而且安裝工件需附加支承基座，故方案四應去除。設備總體結構設計階段評價的依據主要是定性分析加工設備的整體剛度、安全操縱、占地面積、與物流系統的可親性等因素。在保證設備運動功能的前提下，對多種結構配置進行比較分析，最終選擇方案一作為常用的搖臂鉆床整機結構形式。

5結語

機械加工設備功能設計的落腳點是零件加工成形，通過分析零件加工成形方法和加工工藝產生設備的運動功能，繼而根據切削加工總功能的復雜程度逐層分解為各個子功能，一直分解到現有功能解為止，然后反過來將各子功能重新組合成具有層次性的功能結構，各個子功能映射到相應的物理原理解，進而開展機械加工設備的總體結構設計。