蒋克荣机械制造装备设计教案.docx
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蒋克荣机械制造装备设计教案
2008至2009学年第一学期
机械制造装备设计课程
教
案
课程编码：
______________________________________
总学时／周学时：
40/4
开课时间：
2008年9月1日第1周
授课年级、专业、班级：
05机制3班、
使用教材：
__机械制造装备设计___________________
系别/教研室：
_机械系______/___机械制造教研室_____
授课教师：
____蒋克荣______________________
本课程教学目的和要求：
我国目前机械制造的装备水平还比较落后，国产产品的市场占有率低，严重影响了机械制造业、乃至整个制造业的振兴。
本课程为机械工程及自动化专业机械制造方向的主要设计类课程。
通过本课程教学，使学生比较系统地掌握机械制造装备设计的基础理论、基本知识和基本方法，掌握机械制造装备先进的设计理论和方法；具备一定的机械制造装备总体设计和结构设计能力，为学生能够设计出具有自主知识产权的机械产品打下坚实的基础。
本课程教学方法
教师讲授，当堂测验，提问式教学。
学生创新精神和实践能力培养方法
通过课程设计、创新性研究来培养学生创新精神和实践能力。
教材选用原则和特点：
根据本课程的性质、教学的基本任务和基本要求，来选择教材。
考核方式：
闭卷、笔记、测验、大作业。
教学参考资料
[1]戴曙主编.金属切削机床.北京:
机械工业出版社.1994
[2]戴曙主编.机床设计分析（第一、第二集）.北京:
北京机床研究所.1965－1987
[3]廖效果.数字控制机床.武汉：
华中理工大学出版社，1992
[4]毕承恩.现代数控机床.北京:
机械工业出版社,1991
[5]谭益智主编.柔性制造系统.北京:
兵器工业出版社,1995
[6]日本机器人学会编.机器人技术手册.宗光华等译.北京:
科学出版社,1996
对教案的分析总结
周次
第1周至第1周
授课时间
章节
名称
绪论
授课
方式
理论课（）、实验课（）
实践课（）、实习（）
教学
时数
2学时
教学目的
和要求
了解机械制造装备及其在国民经济中的重要作用,掌握机械制造装备应具备的主要功能,机械制造装备的定义,分类。
教学
方法
教师讲授，课堂讨论，提问式教学。
教学
重点
难点
表述以下方面：
1、重点；机械制造装备的定义，分类、机械制造装备应具备的主要功能。
2、难点；柔性化和精密化的概念。
讨论
练习
作业
1、选择练习题巩固学生学习的知识。
2、安排作业见P12第3题。
3、讨论思考题。
教研室
主任
审批意见
教学
后记
教学内容要点
（可附另页）
第一节机械制造装备及其在国民经济中的重要作用
1.1机械制造装备及其在国民经济中的重要作用
1、制造业是一个国家或地区经济发展的重
要支柱
2、机械制造业是制造业的核心
3、机械制造业的发展状况
第二节机械制造装备应具备的主要功能
1.2机械制造装备应具备的主要功能
1、一般的功能要求
2、柔性化
3、精密化
4、自动化
5、机电一体化
6、节材
7、符合工业工程要求
8、符合绿色工程要求
第三节机械制造装备的分类
1.3机械制造装备的分类
机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。
1、加工装备
2、工艺装备
3、仓储运输装备
周次
第1周至第2周
授课时间
章节
名称
第三章：
金属切削机床的设计
第一节概述
第二节金属切削机床设计的基本理论
第三节金属切削机床总体设计
授课
方式
理论课（）、实验课（）
实践课（）、实习（）
教学
时数
6学时
教学目的
和要求
要求学生了解机床设计的基本要求、机床系列型谱的制定、机床运动表面形成方法、运动功能设计、能够绘制机床传动原理图。
教学
方法
教师讲授，课堂讨论，提问式教学。
教学
重点
难点
表述以下方面：
1、重点；机床设计的基本要求；机床运动表面形成方法、运动功能设计。
2、难点；机床运动部件产生爬行现象的机理及度量方法，消除爬行现象的措施。
3、学生应注意的问题：
结合举例，搞清基本概念。
讨论
练习
作业
1、选择练习题巩固学生学习的知识。
2、安排作业见教材P191第5、6题。
3、讨论思考题。
教研室
主任
审批意见
教学
后记
教学内容要点
（可附另页）
第三章金属切削机床设计
第一节概述
3.1概述
一、机床设计应满足的基本要求
二、机床设计方法
三、机床设计步骤
3.1.1机床设计应满足的基本要求
（1）工艺范围
（2）柔性
（3）与物流系统的可亲性（4）刚度
（5）精度（6）噪声
（7）成产率和自动化（8）成本
（9）生产周期（10）可靠性
（11）造型与色彩
3.1.2机床设计方法
机床设计正在向着“以系统为主的机床设计”方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好地适应FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流的可亲性等等。
机床设计方法是根据其设计类型而定。
通用机床采用系列化设计方法。
系列中基型产品属创新设计类型，其他属变形设计类型。
有些类型，如组合机床属组合设计类型。
在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。
3.1.3机床设计步骤
1、确定结构原理方案
2、总体设计
3、结构设计
4、工艺设计
5、机床整机综合评价
6、定型设计
3.2金属切削机床设计的基本理论
1、机床的运动学原理
机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置
2、精度
3、刚度
4、抗振性
5、热变形
6、噪声
3.3金属切削机床总体设计
一、机床系列型谱的制定
中型卧式机床的简略系列型谱表
二、机床的运动功能设计
金属切削机床的基本功能是提供切削加工所必须的运动和动力。
其基本工作原理是：
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，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，并达到其精度要求。
三、机床总体结构方案设计
1、运动功能分配设计
2、结构布局设计：
立式、卧式、斜置式
3、机床总体结构的概略形状与尺寸设计
设计的主要依据是：
机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果，机床动力参数及加工空间尺寸参数，以及机床整机的刚度及精度分配。
四、机床主要参数的设计
机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。
周次
第2周至第3周
授课时间
章节
名称
第三章：
金属切削机床的设计
第四节主传动系统设计
授课
方式
理论课（）、实验课（）
实践课（）、实习（）
教学
时数
6学时
教学目的
和要求
要求学生了解机床主要参数（主参数、尺寸参数、运动参数及动力参数）设计的基本原则。
要重点掌握分级变速主传动系统设计的基本内容、步骤及一般原则，包括拟定结构式、转速图，合理分配各变速组中各传动副的传动比，确定齿轮齿数和带轮直径，绘制主变速传动系统图等。
教学
方法
教师讲授，课堂讨论，提问式教学。
教学
重点
难点
表述以下方面：
1、重点；拟定结构式、转速图，合理分配各变速组中各传动副的传动比，确定齿轮齿数和带轮直径，绘制主变速传动系统图
2、难点；具有并联、重复转速结构式的拟定。
3、学生应注意的问题：
结合举例，搞清基本概念。
讨论
练习
作业
1、选择练习题巩固学生学习的知识。
2、安排作业见习题集P192第24、25、26、28、29、32、33题。
3、讨论思考题。
教研室
主任
审批意见
教学
后记
教学内容要点
（可附另页）
3.4主传动系设计
一、主传动系设计应满足的基本要求
1、满足机床使用性能要求
2、满足机床传递动力要求
3、满足机床工作性能的要求
4、满足产品设计经济性的要求
5、维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配。
二、主传动系分类和传动方式
主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如
主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。
1、主传动系分类
按驱动主传动的电动机类型：
交流电动机驱动、直流电动机驱动。
按传动装置类型：
机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。
按变速的连续性：
分极变速传动、无极变速传动。
2、主传动系的传动方式
集中传动方式：
主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。
分离传动方式：
主传动系中的大部分传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中。
三、分极变速主传动系
1、拟定转速图和结构式
转速图：
在转速图中可以表示出传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。
结构式：
变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用表示。
级比中的指数值称为指数，相当于上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。
2、各变速组的变速范围及极限传动比
变速组中最大与最小传动比的比值，称为该变速组的变速范围。
即：
（i=0，1，2，…，j）
在设计机床主传动系时，一般限制降速最小传动比
直齿圆柱齿轮的最大升速比
斜齿圆柱齿轮可取
3、主变速传动系设计的一般原则
传动副前多后少的原则
传动顺序与扩大顺序相一致的原则
变速组的变速要前慢后快，中间轴的转速不宜超过电动机的转速
4、主变速传动系的几种特殊设计
具有多速电动机的主变速传动系设计采用多速异步电动机和其他方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便。
具有交换齿轮的变速传动系交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。
交换齿轮可用较少的齿轮，以得到多级转速，并使变速箱结构大大简化。
采用公用齿轮的变速传动系采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。
5、扩大传动系变速范围的方法
增加比变速组
采用背轮机构
采用双公比的传动系
采用分支传动
6、齿轮齿数的确定
对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可依据机械设计手册推荐的方法确定。
确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和是很关键的。
各对传动副的齿数和应该是相同的。
齿轮的中心距取决于传递的转矩。
扭矩越大，中心矩越大。
7、计算转速
机床的功率扭转特性：
驱动直线运动工作台的这类机床的主运动属恒转矩传动。
如刨床的工作台。
主运动是旋转运动的机床基本上是恒功率传动。
如车床、铣床的主轴。
主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为它们的计算转速。
变速传动系中传动件计算转速的确定：
变速传动系中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。
确定的顺序是先定出主轴的计算转速，再顺次由后往前，定出各传动主轴的计算转速，然后再确定齿轮的计算转速。
8、变速箱内传动件的空间布置与计算
变速箱内各传动轴的空间布置
各传动轴是空间布置
各传动轴在一个铅直平面内
变速箱内各传动轴的轴向固定
轴向固定的方法有：
一端固定、两端固定。
各传动轴的估算和验算
按扭转刚度估算轴的直径
按弯曲刚度验算轴的直径
四、无极变速主传动系
1、无级变速装置的分类
机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：
变速电动机、机械无级变速装置、液压无级变速装置
2、无级变速主传动系设计原则
尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置。
无极变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率
周次
第4周至第6周
授课时间
章节
名称
第三章：
金属切削机床的设计
第四节主传动系统设计
授课
方式
理论课（）、实验课（）
实践课（）、实习（）
教学
时数
6学时
教学目的
和要求
要求学生应正确理解机床的功率扭矩特性，变速传动系统中主轴及传动件计算转速的确定，变速箱内传动件的空间布置与计算，数控机床无级变速传动系统的设计。
教学
方法
教师讲授，课堂讨论，提问式教学。
教学
重点
难点
表述以下方面：
1、重点；变速传动系统中主轴及传动件计算转速的确定。
数控机床主传动系统的设计特点等
2、难点；变速传动系统中主轴及传动件计算转速的确定。
变速传动系统中主轴及传动件计算转速的确定，数控机床主传动系统的设计。
3、学生应注意的问题：
结合举例，搞清基本概念。
讨论
练习
作业
1、选择练习题巩固学生学习的知识。
2、安排作业见机械制造装备设计P192第32、33题。
3、讨论思考题。
教研室
主任
审批意见
教学
后记
教学内容要点
（可附另页）
五、数控机床主传动系设计特点
1、主传动采用直流或交流电动机无级调速
直流电动机无级调速，一般直流电动机恒转矩调速范围较大，达30，甚至更大；而恒功率调速范围较小，仅能达到2~3。
交流电动机无级调速，一般交流电动机体积小，转动惯性小，动态响应快；采用全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。
2、数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计
在设计数控机床主传动系时，必须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。
由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削对电动机输出功率的要求。
3、数控机床高速主传动设计
提高主传动系中主轴转速是提高切削速度最直接最有效的方法。
对于高速和超高速数控机床主传动，一般采用两种设计方式：
一种是采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接成一体；另一种是将电动机与主轴联合为一体，制成内装式电主轴。
4、数控机床采用部件标准化、模块化结构设计
中小型数控车床主传动系设计中，广泛采用模块化的变速箱和主轴单元形式。
5、数控机床的柔性化、复合化
数控机床对满足加工对象变换有很强的适应能力（即柔性），因此发展很快。
6、虚拟轴机床设计
虚拟机床采用平台闭环并联结构，具有刚度高，运动部件质量轻，机械结构简单，制造成本低等优点。
虚拟轴机床外形图
并联机床课外资料
并联运动机床
并联运动机床：
又称并联结构机床、虚拟轴机床。
并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。
并联机床的特点：
1.结构简单、价格低。
2.结构刚度高。
3.加工速度高，惯性低。
4.加工精度高。
5.多功能灵活性强。
6.使用寿命长。
7.变换座标系方便。
周次
第6周至第6周
授课时间
章节
名称
第三章：
金属切削机床设计
第五节进给传动系统设计
授课
方式
理论课（）、实验课（）
实践课（）、实习（）
教学
时数
2学时
教学目的
和要求
使学生了解进给传动系统设计应满足的基本要求及设计特点，电气伺服进给系统的分类、常用驱动部件的类型、特点及适用场合，理解和掌握电伺服进给系统中常用机械传动部件的设计特点及相关计算
教学
方法
教师讲授，课堂讨论，提问式教学。
教学
重点
难点
表述以下方面：
1、重点；电伺服进给系统中常用机械传动部件的设计特点及相关计算
2、难点；电气伺服进给系统中常用机械传动部件结构特点。
3、学生应注意的问题：
结合举例，搞清基本概念。
讨论
练习
作业
1、选择练习题巩固学生学习的知识。
2、安排作业见机械制造装备设计P193第37、38题。
3、讨论思考题。
教研室
主任
审批意见
教学
后记
教学内容要点
（可附另页）
3.5进给传动系设计
一、进给传动系设计应满足的基本要求
1、进给传动系的组成
动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构、运动转换机构和执行件等。
2、进给传动系设计应满足的基本要求
具有足够的静刚度和动刚度；具有良好的快速响应性，不爬性；抗振性好；具有足够宽的调速范围；进给系统的传动精度和定位精度高；结构简单，加工和装配工艺性好。
二、电气伺服进给系统
1、电气伺服系统的分类
电气伺服进给系统按有无监测和反馈装置分为：
开环、闭环和半闭环系统。
开环系统
典型的开环系统采用步进电动机，其精度取决于步进电动机的步距角精度，步进电动机只执行部件间传动系的传动精度。
这类系统的定位精度较低，但结构简单，调试方便，成本低。
适用于精度要求不高的数控机床中。
闭环系统
检测反馈装置有两类：
用旋转变压器作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈；用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。
后者用的多。
闭环控制的定位精度取决于检测装置的精度。
其控制精度、动态性能都较好，但是较复杂，安装调试较麻烦，成本高，用于精密型的机床上。
半闭环系统
半闭环的精度比闭环差，但系统稳定性好，且结构比较简单，调整容易，价格低。
综上所述，对伺服系统的基本要求是：
稳定性好，精度要高，快速响应性好，定位精度高。
2、电气伺服进给系统驱动部件
伺服驱动部件如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。
对进给驱动部件的基本要求
调速范围宽，低速运行平稳，无爬行；快速响应性好；抗负载振动能力强；可承受频繁启动、制动和反转；振动和噪声小，可靠性高，寿命长；调整维修方便。
进给驱动部件的类型
步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线伺服电动机
3、电气伺服进给传动系中的机械传动部件
机械传动部件应满足的基本要求：
采用低摩擦传动；伺服系统和机械传动系匹配要合适；选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式；采用预紧办法提高整个系统的刚度；采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差,提高运动平稳性和定位精度。
机械传动部件设计
机械传动部件主要是指齿轮（或同步齿轮带）和丝杠螺母传动副。
最低降速比的确定：
传动副的最佳降速比应按最大加速度能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件的惯量。
齿轮传动间隙的消除。
齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔性调整法两类。
刚性调整法是调整后尺侧间隙不能自动进行补偿；柔性调整法是指调整后的尺侧间隙可以自动进行补偿。
滚珠丝杠及其支承
滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，它由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。
滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。
滚珠丝杠常采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。
前者一般用在中、小型数控机床，后者则用在轴向刚度高的场合。
滚珠丝杠的三种支承方式：
一端固定，另一端自由；一端固定，另一端简支承；两端固定。
丝杠的拉压刚度计算：
丝杠的综合拉压刚度主要由丝杠的拉压刚度，支承刚度和螺母刚度三部分组成。
滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧：
同齿轮的传动副一样，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。
滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构，滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠常采用预拉伸的方式，以提高其拉压刚度和补偿丝杠的热变性。
周次
第7周至第7周
授课时间
章节
名称
第三章：
金属切削机床的设计
第六节主轴部件设计
授课
方式
理论课（）、实验课（）
实践课（）、实习（）
教学
时数
4学时
教学目的
和要求
理解主轴部件结构的设计要点，包括主轴部件支承数目的确定，推力轴承位置配置型式的确定，主轴传动件位置的合理布置，主轴的材料、热处理、主要技术要求及主要结构参数的确定等。
掌握主轴常用滚动轴承的主要类型、配置型式及精度等级选择的一般原则；了解滚动轴承的常用预紧方法，以及滚动轴承的润滑和密封。
了解主轴滑动轴承的主要类型、工作原理及应用场合
教学
方法
教师讲授，课堂讨论，提问式教学。
教学
重点
难点
表述以下方面：
1、重点；主轴常用滚动轴承的主要类型、配置型式及精度等级选择的一般原则、推力轴承位置配置型式的确定；了解滚动轴承的常用预紧方法。
2、难点；常用滚动轴承的主要类型、配置型式。
3、学生应注意的问题：
结合举例，搞清基本概念。
讨论
练习
作业
1、选择练习题巩固学生学习的知识。
2、安排作业见教材P19342、43、44题。
3、讨论思考题。
教研室
主任
审批意见
教学
后记
教学内容要点
（可附另页）
3.6主轴部件设计
一、主轴部件应满足的基本要求
主轴部件是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。
基本要求：
旋转精度指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。
旋转精度取决于主轴、轴
承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。
刚度指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。
主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。
抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。
温升和热变形指主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。
精度保持性指长期地保持其原始制造精度的能力。
二、主轴部件的传动方式
主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。
齿轮传动其特点是结构简单、紧凑，能够传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。
缺点是线速度不能过高，通常小于12~15m/s，不如带传动平稳。
带传动其特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。
皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动，带传动在过载时会打滑，能起到过载保护作用。
缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。
带传动：
同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。
同步齿形带的齿形有两种:
梯形齿和圆弧齿。
电动机直接驱动方式：
其特点是主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。
它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。
三、主轴部件结构设计
1、主轴部件的支承数目
多数机床的主轴采用前、后两个支承。
为提高刚度和抗振性，有的机床采
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