机械加工设备的功能设计

导语：机械加工设备的功能设计一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

1引言

加工设备的功能是指机械零件加工的效能，是设备加工所发挥的功效与性能。机械加工设备功能设计的任务是研究机械零件如何被加工出来，分析加工过程能量流、物料流和信息流输入与输出之间的因果关系，实现所需要的精度。满足机械零件成形是设备功能设计的目标，机械加工设备的功能方案设计是整个设计任务的核心。常规设计一般从结构开始，而功能设计则是将对机械结构的思考转化为对产品的功能研究，不受现有的结构约束，更有助于提出创造性构思。由于机械加工设备总体设计方案在很大程度上决定着设备的工艺范围、加工精度、自动化程度和生产率等，因此，要设计好一台高性能的机械加工设备，第一步就要做好设备的功能方案设计。设备设计的出发点是满足机械零件加工的需求，切削加工是加工设备的总功能。首先通过分析机械零件表面成形方法确定机械零件切削所需的运动与传动，继而根据设备运动的复杂程度逐层分解为各个子功能，一直分解到有最终解的原理对应为止，然后将各子功能重新组合成具有层次性的功能结构，各个子功能映射到加工设备切削总功能的原理解。根据切削功能，映射设备布局方案，进而将设备的总体结构划分为各个部件模块，如床身模块、立柱模块、工作台模块和主轴单元模块等，从而形成机械加工设备整机的三维实体模型。

2设备功能的确定

机械加工设备的基本功能是提供切削加工所必须的各种运动。设备的功能设计首先要根据零件加工方法进行设备的运动功能设计，随之明确设备的工作原理。加工设备的基本工作原理是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件表面规则的几何形状和尺寸，并达到其所需的精度。若加工设备功能的实现，是由操作者控制的，则为普通加工设备；若是自动控制的，则为自动化加工设备。设计加工设备的第一步，是确定功能原理。功能原理是设备结构设计的依据，对整个设计的影响较大。因此，在拟定功能方案的过程中，必须全面地、周密地考虑，使所定方案技术上合理、先进，且经济效益较高。加工设备功能原理设计的影响因素包括工件材料与结构形状、同类型加工设备、有关的科技成果、使用要求以及制造条件等。设计者应作充分调查研究，明确设计要求，掌握有关资料，在深入分析的基础上，提出机械加工设备的功能方案。

2.1分析设备加工工艺范围

工件的加工表面是通过加工设备上刀具与工件的相对运动而形成的，因此开展设备的运动设计，需要首先了解工件表面的形成方法。同一种表面有多种加工方法，对于不同类型的设备，功能方案设计的侧重点不同。对于专用加工设备，应侧重于工件加工工艺分析。专用设备只能完成某一零件的特定工序，为特定表面的加工工艺服务，如加工曲轴、连杆的专用加工设备，根据曲轴、连杆结构表面的特定工艺要求专门设计制造。对于通用加工设备，加工对象为工件群，加工方法较多。由于通用加工设备的工艺范围较宽，可以加工多类零件的不同工序，功能往往比较复杂，因此要求设备调整控制更加方便。为了扩展通用加工设备的功能，侧重于新技术的应用和性能的创新。

2.2建立设备的工作坐标系

设备的工作坐标系是为了确定刀具或工件在设备中的特殊位置（如对刀点、换刀点等）以及相对运动轨迹而建立的几何坐标系。沿主轴的轴线取为Z轴。坐标原点位于坐标轴尺寸为零的点上，手指指向尺寸增加的方向为坐标轴正方向。X、Y性线轴按右手定则确定，旋转轴按右手螺旋法确定，绕X、Y、Z轴的回转运动分别用A、B、C表示。

2.3描述设备的运动功能

加工设备通过一定形式的运动完成切削任务。描述设备运动功能是表达切削加工的运动原理的有效手段，对整个设备方案设计至关重要。为了摆脱传统思维的束缚，略去个性和偶然性，力求突出普遍适用和本质的东西，对加工设备运动功能作抽象化描述，用运动功能式来表示工作机构能够实现的运动个数、运动形式及各个基本运动功能排列顺序等。在设备上，运动由执行件来实现，刀具和工件分别安装在主轴、刀架或工作台等执行部件上。执行件的运动形式，以旋转运动和直线运动最易实现。无论工作机构上的运动如何复杂，设备上执行件的基本运动形式只有直线移动和旋转两种，而复杂运动由多个基本单元运动复合而成。执行件所作运动是设备最基本的物理效能。执行件的运动功能按照在切削加工中所起的作用不同，可分为表面成形运动、切入运动、主运动、进给运动、辅助运动等。执行件所作的表面成形运动按照不同的作用可分为主运动、进给运动等。切入运动为进给运动，如果不伴随切屑的形成，则为空行程调整尺寸的运动。运动坐标轴用大写字母表示，用下标v表示主运动、用下标f表示进给运动、用下标a表示辅助运动。基本运动功能的排列顺序左边写主运动，中间写进给运动，右边写辅助运动，三部分的内容用“•”分开，多个同类运动之间用+相连。如摇臂钻床共有五个坐标轴作基本运动，其运动功能式写成Cv•Zf•Xa+Za+Ca，如图1所示。

2.4绘制设备运动功能图

加工设备的运动功能用简单明了的图形和符号绘制出其运动功能图。加工设备运动功能图表示所设计的设备能够实现的各种主要运动功能方案，与运动功能式相对应，是设备传动系统设计的依据，其符号没有统一规定，一般采用形象直观的图形和符号表示即可。图1对摇臂钻床运动功能进行设计。在运动功能图上，同时注明了与其相对应的运动功能式。图中Cv为钻头的旋转运动，Zf为钻头的轴向进给运动，Ca、Za、Xa为刀具调整运动，用来调整刀具与工件的相对钻孔孔位。

3设备功能的求解

加工设备总功能可细分为基本功能，由执行件实现的机械功能便是加工设备的基本运动功能。设备的总功能用基本运动功能的组合进行描述。基本功能的不同组合便是设备切削功能的多解，完成同一结构零件的加工，由于相对运动分配给的执行件不同，可以形成多种功能方案。

3.1运动功能的分配组合

机械加工设备运动功能式（或功能图）描述了刀具与工件之间的相对运动，但沿各坐标轴的运动，可由刀具完成，也可由工件完成，还须进一步地分解。运动一方为执行件，静止一方为支承件。明确运动是由刀具一方完成，还是由工件一方完成，便是运动功能的不同分配组合方案。运动功能分配组合是确定运动功能式中执行件的位置，在运动符号下标里加w或t来区分。加w的运动由工件完成，加t由刀具完成。机械加工设备运动功能式明确了执行件之后，便成为设备运动分配式。一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得到一个或多个相对应的运动分配式，如摇臂钻床的运动功能式与相对应运动分配式设计成下述四种方案：方案一为极坐标调位法：Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta，其中Xta调整刀具相对于立柱中心的半径，Cta调整刀具相对于立柱中心的回转角度，Zta调整刀具相对于工件的高度。大型工件钻孔不便移位，工件静止不动，五个坐标运动全部由刀具完成。方案二为极坐标调位加主轴摆角法：Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta+Bta，在方案一的基础上增加主轴箱围绕Y轴的回转调整运动Bta，扩大了钻床钻孔的工艺范围。方案三为极坐标调位加底座移动法，Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta+Xta，在方案一的基础上增加了底座沿X轴的调位运动。方案四为主轴摆动-悬臂横移法：Ctv•Ztf•Xta+Zta+Cta+Bta+Xta，Bta可使主轴箱围绕Y轴回转调整刀具倾斜一个角度，在方案一的基础上增加了横臂沿X轴的调位运动。对上述满足基本运动要求的方案，需要从工作性能、动力性能、经济性以及结构特性等方面进行综合评价，从中选出最优方案。对比分析上述运动功能式，保留下的运动功能式都可进行运动方案的详细设计。对众多的运动设计方案进行评价，如方案二可作万能摇臂钻床方案；剔除一些明显不合理方案，如方案三摇臂钻床移位后对大型工件位置还需进一步调整，调整运动太多太复杂，刀具工件之间相对调位运动数应尽量少，故方案三应剔除。筛选出性能优良的第一方案进入加工设备的正式设计阶段。

3.2拟定设备传动原理图

设备的运动功能图只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。若将动力装置与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是设备的传动原理图。图2为摇臂钻床钻孔时的成形运动传动原理图。传动原理图表示每一条传动链的传动联系以及传动链之间的相互关系，并表达加工设备实现全部切削运动的原理。图2中的Ctv表示刀具回转运动，为钻削主运动；Ztf表示刀具沿钻孔中心线直线运动，为钻削进给运动。uv表示主运动变速变向调整机构，uf表示进给运动变速变向调整机构。传动原理图对采用机械变速传动或还是机械传动加电气控制的设备，能够清楚地表达其设备的功能原理，对辅助运动的传动关系可不予绘制。

4设备总体结构设计

设备的总体结构设计是确定设备的组成部件，以及各个部件和操纵机构在整台设备中的配置。机械加工设备总体结构形式取决于主轴、工作台、刀架和床身的布局。主轴的布置有立式、卧式或斜置式；工作台和刀架有移动式或回转式，而床身是基础支承件，其结构形式有底座式、立柱式、龙门式等；基础支承件的结构又有一体式和分离式等。因此同一种功能原理，由于运动分配形式和实现的功能方案不同，又可以有多种结构配置形式，对运动分配设计作阶段性评价后保留下来的功能结构布局方案就有很多，摇臂钻床的运动与结构布局方案如图3所示。对全部机械加工设备结构布局方案需要再次进行评价，去除不合理方案。如方案四，摇臂钻床的悬臂可向两侧横移，但底座不够稳定，需紧固在基座上，而且安装工件需附加支承基座，故方案四应去除。设备总体结构设计阶段评价的依据主要是定性分析加工设备的整体刚度、安全操纵、占地面积、与物流系统的可亲性等因素。在保证设备运动功能的前提下，对多种结构配置进行比较分析，最终选择方案一作为常用的摇臂钻床整机结构形式。

5结语

机械加工设备功能设计的落脚点是零件加工成形，通过分析零件加工成形方法和加工工艺产生设备的运动功能，继而根据切削加工总功能的复杂程度逐层分解为各个子功能，一直分解到现有功能解为止，然后反过来将各子功能重新组合成具有层次性的功能结构，各个子功能映射到相应的物理原理解，进而开展机械加工设备的总体结构设计。