一二章
CNC 等基本概念：
CNC：计算机数字控制机床 NC：数字控制 PLC：可编程逻辑控制器 FMC：柔性制造单元
FMS：柔性制造系统 CAD：计算机辅助设计 CAPP：计算机辅助工艺规划 MRP 物料需求
计划 LAF:精益-敏捷-柔性生产系统 TQC：全面质量管理 JIT：准时生产
机械制造装备应具备的主要功能
1、一般的功能要求
（1）加工精度方面的要求 2）强度、刚度和抗振性方面的要求 3）加工稳定性方面的要求
4）耐用性方面的要求 5）技术经济方面的要求
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
主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机
包括:金属切削机床、特种加工机床、锻压机床、木工机床
金属切削加工：钳工、机工
金属切削机床分 12 大类
2、工艺装备
各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。
它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。
3、仓储运输装备
包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等
4、辅助装备
包括 清洗、排屑等。
机械制造装备设计的类型
创新设计：新的理念＼新的技术原理，全新的产品。特点:设计周期长＼工作量大＼投入高
变形设计：适应型设计＼变参数型设计。特点: 工作原理＼总体结构 保持不变遵循系列化
设计的原理
组合设计：模块化设计。对各种功能模块的组合，构成不同类型＼不同功能的产品
机械制造装备设计：绝大多数属于：变形设计＼组合设计。很少部分属于：创新设计，但创
新设计是基础
机械装备设计的典型步骤：
一．产品规划阶段(明确设计任务)1.需求分析 2.调查研究包括市场、技术、社会调研 3.预测
4.可行性分析 二、方案设计阶段(功能原理的设计)1.对设计任务的抽象 2.建立功能结构 3.寻
求原理解与求解方法 4.初步设计方案的形成 5.对初步设计方案的评价与删选 三、技术设计
阶段(设计方案具体化)1.确定结构原理方案 2.总体设计 3.结构设计 四、工艺设计阶段：1.零
件图设计 2.完善装备图 3.商品化设计 4.编制技术文档
三章
机床设计步骤：主要参数-总体方案-（运动设计-动力设计-结构设计）-综合评价
机床的运动学原理：机床运动学是研究、分析、实现机床期望的加工功能所需要的运动功能
配置
几何表面的形成原理:任何一个表面都可以看成是母线沿着导线运动的轨迹
发生线的形成方法：1）轨迹法（描述法）：刀具与工件相对运动;2）成型法（仿形法）：
刀具和工件不需要相对运动;3）相切法（旋切法）切线组成的包络面;4）展成法（滚切法）
刀具与工件需要一个复合的相对运动
机床的表面成形运动（成形运动）
各种类型的机床，进行切削加工必须使刀具和工件完成一系列的运动
机床在加工过程中，完成的各种运动，按其功能可分为两类：1、（表面）成形运动-用来形
成被加工表面的运动 2、非成形运动（辅助运动）-机床上除表面成形运动以外的所有运动
根据切削过程中，所起的作用不同，（表面）成形运动又可分为：1 主运动 － 是切下切屑
最基本的运动；2 进给运动－是使金属层不断投入切削，以加工出整个工件表面所需要的运
动（任何一种机床，有且通常只有一个主运动但进给运动，可能有一个或几个，也可以没有）
非成形运动的种类很多，如 1.分度运动 2.切入运动 3.快进、快退、回程、转位 等空行程运
动 4.起动、停止、变速、变向、夹紧、松开等操纵运动
机床的表面成形运动，按其“运动形式”，又可分为：1 简单的成形运动：仅做旋转运动或直
线运动的成形运动（机床上最易实现）2 复合的成形运动：由两个（或两个以上）的简单的
成形运动按某种严格的运动关系合成的成形运动 例：车削外圆，两个简单的成形运动 例：
车削螺纹，一个复合的成形运动 （例：用齿轮滚刀滚切直齿圆柱齿轮齿面 两个成形运动 1
形成渐开线-滚刀旋转 和 工件旋转，有严格的运动关系要求（啮合运动），滚刀旋转和工
件旋转合成的 复合的成形运动（范成运动）2 形成齿轮的齿宽-滚刀沿工件齿宽方向的移
动 简单的成形运动复合的成形运动是一个独立的运动，而不是两个（或多个）独立的运
动
机床运动功能方案设计
两种表达形式： 机床运动功能图 机床运动功能式
精度：几何精度 （机床不运动或低速运动）、运动精度（机床空载运动时，执行部件的几何
精度）、传动精度（运动的协调性和均匀性）、定位精度（定位部件运动到规定位置的精度）、
重复定位精度（重复定位时,位置的一致程度）、工作精度（用试件的加工精度表示）、精度
保持性（在规定的工作时间,保持所要求的精度）。
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。
等比数列的原因：对于各级转速选用机会基本相等的普通机床，为使生产率损失最小，应使
选择各级转速产生的 相同，即 ，
标准公比和标准数列:准公比：七个 (1) (2) (4) (6) (8) (10) 2(12)
的原因：转速递增所以>1，为限制转速损失的最大值 不大于 50%，则公比
<2。
公比的选用
小 使用性能 ↑生产率损失 ↓转速级数 z ↑机床结构复杂 ↑
大 使用性能 ↓生产率损失 ↑转速级数 z ↓机床结构复杂↓
①普通机床，辅助时间和准备结束时间较长，机动时间在加工周期中占的比重不是很大，转
速损失不会引起加工周期过多延长，为了机床变速箱结构不过于复杂，一般 或 。
①大批量用的专用机床，情况同上相反，φ一般 或 。
①非自动化小型机床，加工周期内切削时间远小于辅助时间，为简化结构，φ一般 或
甚至 2。
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。
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21 maxA
主变速传动系设计计算
转速图 电机轴~主轴 传动副齿数比写一次即可
级比 主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，级比指数表示格子数
要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为 1，称为基本组，X0
为使主轴获得：“连续”而“不重复”的等比转速数列，变速传动系统的 “各变速组的传动比”
应该满足：
1.每一变速组中各“传动副的传动比”应是一“等比数列”（分叉均匀）
2.基本组、扩大组满足关系：
主变速传动系设计的一般原则：（１）传动副“前多后少”的原则（２）传动顺序与扩大顺序
相一致的原则（ “前密后疏”传动件的尺寸小 ）（３）变速组的降速要“前慢后快”，中间轴
的转速不宜超过电动机的转速，以减小传动件的尺寸
齿轮齿数的确定 确定变速组齿轮齿数时，关键是选取合理的齿数和。中心距取决于传递的
转矩。同变速组的各齿轮的模数一般相同（方便设计与制造），所以同变速组的各对传动副
的齿数和相等。为简化工艺，各变速组的齿数模数最好一样，最多 2~3 种。为顺利安装，最
小齿数选 18~20.
变速组齿轮齿数的确定原则：
1 可能的条件下、齿轮的齿数应该尽量小些，尺寸小，可减少材料和线速度，从而减少震动、
噪声、发热２、齿轮的最小齿数应保证，不根切 Zmin=17 少根切或变位 Zmin=14３、保证
三联滑移齿轮能顺利滑移，最大和次大齿轮之间的齿数差应 大于或等于４
齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：
计算转速：主轴或各传动件传递全部功率的最低转速
例：IV 轴最低转速为 300，传递到主轴转速为 100 和 150,100 比主轴计算转速高，需传递全
部功率，故 300 为计算转速。
主轴计算转速：Nj 为主轴第一个（低的）三分之一转速内最高那个
变速箱内传动件的空间布置： 变速箱内各传动轴的空间布置：各传动轴是空间布置（卧式
车床主轴箱横截面图 22，展开图 23 推力轴承位置配置形式）；各传动轴在一个铅直平面内
（卧式铣床变速箱图 24）；
布置步骤：（卧室）确定主轴位置，主轴位置根据车床中心高确定；确定传动主轴的轴和主
轴有啮合关系的轴的位置；确定电动机轴位置或运动输入轴（轴 I）位置；最后确定其他传
动轴的位置。用三角形布置，轴线重合布置，以减小径向尺寸。
轴向固定的方法 一端固定：轴受热后可以向另一端自有伸长，不会产生热应力，适于长轴；
两端固定：调节间隙有调整螺钉和垫圈。深沟球轴承：一、二。圆锥滚子轴承：二。
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
换机构和执行件组成。
电气伺服进给系统
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，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：1 用旋转变压器作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈；
2 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。
001 pxx 112 pxx 223 pxx
)%1(10/)'( nnn
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。
齿轮传动间隙的消除 刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动进行补偿(偏心轴套调整法)；
柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿（双片直齿轮错齿调整法）。
滚珠丝杠及其支承：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：1 一端固定,另一端自由；(双推-自由)短丝杠，竖直安装丝杠 2 一
端固定,另一端简支承；(双推-支承) 卧式安装丝杠 3 两端固定 (双推-双推)高拉压刚度,预拉
伸量 P126
滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧：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（图）垫片式和 齿差式
滚珠丝杠的预拉伸 (1) 提高丝杠拉压刚度(2) 补偿丝杠的热变性。一般预拉伸力为“最大
工作载荷”的 倍
推力轴承位置配置形式 P145
1)前端配置：两个方向的推力轴承都布置在前支承处。在前支承处，轴承较多，发热大，温
升高；主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高
精度机床或数控机床。2) 后端配置：两个方向的推力轴承都布置在后支承处。前支承处
轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。这种配置用于轴向精
度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。3)两端配置：两个方向的推力轴承分别
布置在前后两个支承处。:当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。可用弹簧消除间
隙和补偿热膨胀。这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。4)中间配置：两个方向的推力
轴承在前支承的后侧。减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，
温升也可能较高。图 P106 2-23 作为考题
主轴的材料
普通机床主轴-中碳钢（如 45 钢）， 调质处理后，端部、锥孔、定心轴颈或锥面）局部高
频淬硬，以提高其耐磨性；特殊要求（热处理变形小、淬透性高） 用合金钢。
几种典型的主轴轴承配置型式：主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性
和噪声等要求来选择。
常见的几种典型配置型式：速度型：主轴前＼后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。
轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。具有良好的高速性能，承载能力小。
刚度型： 前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和 60 度角接触双列向心推力轴承承
受轴向载荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承。速度刚度型：前轴承采用双列短圆柱滚子轴
承。后支承采用两联角接触球轴承。
主轴部件主支承常用的滚动轴承 特点分析
角接触球轴承（向心推力球轴承） 角接触球轴承
特点：极限转速高，可同时承受径向力和轴向力，可成组安装。
双列短圆柱滚子轴
特点：1）内圈有 1:12 的锥孔，轴向移动可调整轴承的径向间隙和预紧；2）极限转速较高；
3）能承受较大的径 向载荷；4）刚度高；5）不能承受轴向力。
圆锥滚子轴承
单列：径向载荷和一个方向轴向载荷 双列：径向载荷和两个方向轴向载荷 空心：冷却、
减震 实心 特点：承载能力大，刚度高，但转速低成套使用
推力轴承
特点：只能承受轴向力，允许的极限转速很低。
双向推力角接触球轴承
特点：只能承受轴向力（双向），
常与双列短圆柱滚子轴承配套使用；极限转速较推力球轴承高。
通过修磨隔套３，可以调整间隙和预紧
主轴滚动轴承的预紧：采用预加载荷：消除轴承间隙，且有一定的过盈量。目的： 提高主
轴的回转精度，提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为三级：轻预紧、 A ；中预紧，代
号为 B；重预紧 C
方法：双列短圆柱滚子轴承：1 用螺母轴向移动轴承内圈 2 用调整环的长度实现预警，采用
过盈套进行轴向固定。 角接触球轴承：用螺母产生内外圈轴向错位，同时实现径向和轴向
预紧。
支承件筋板和筋条的布置
筋板：连接支承件四周外壁的内板，能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整
个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平：有助于提高支承件水
平面内抗弯强度、垂直;有助于提高支承件垂直面内抗弯强度、斜向：同时提高支承件抗弯
和抗扭强度。
筋条：一般配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承
件的局部刚度。筋条的布置：纵向 \ 横向 \ 斜向 常常布置成交叉排列。
支承件材料：铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等
直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形、圆柱形，它们可互相组合，每种
导轨副中还有凹、凸之分。
燕尾形导轨 1 承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。2 但刚度
较差，加工检验维修都不太方便。3 适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。
圆柱形导轨制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于承受轴向载荷的
导轨，应用较少。
回转运动导轨的截面形状有三种：平面环形、 锥面环形、双锥面导轨。P173
导轨间隙的调整。导轨常用：压板、鑲条、导向调整板
压板(八星）调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩：压板用螺钉固定在运动部件上
a）磨刮压板 b）改变垫片厚度 c）用螺钉调整
滚动导轨：优点（１）是摩擦因数小（２）动、静摩擦因数很接近。缺点：是抗振性差，但
可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高滚动导轨的类型
按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针
按循环方式分类：循环式 （见上图）、非循环式（见下图中 c）。
导轨预紧：
直线滚动导轨一般由制造厂选配不同直径钢球的办法进行调隙和预紧。
滚动导轨块可以用调整螺钉、垫块或斜块移动导轨来实现预紧。
加工中心无机械手换刀简图（两星）
a）原始位置 b）主轴上移将刀具送至换刀位置 C)刀库右移将刀具取出 d）刀库将待换刀具
转至主轴位置 e）刀库左移将刀具送进主轴 f）主轴回原位
机械手手臂和手爪（五星）
工作原理：两端各有一个手爪。刀具被弹簧的活动销 4 顶靠在手爪 5 中。紧缩销 2 被弹簧 3
弹起，使活动销 4 被锁住，不能后退，这就保证了在机械手的运动过程中，手爪的刀具不被
甩出。当机械手手臂处于上换刀位置的 75°时，紧缩销 2 被挡在压块下，活动销 4 可以活动，
使得机械手可以抓住或放开主轴或刀具刀座中的刀具
1）锥销 7 的作用？ 2）活动销 5 的作用？ 3）锁紧销 4 的作用？
支承件的截面形状和选择（五星级）
空心截面:刚度比实心大
圆（环）形截面:抗扭刚度比方形好，抗弯刚度比方形低
封闭截面:刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度
机械手手腕结构 3（五星）
直线导轨的截面形状 转矩特性图
最低降速比的确定: 步距角α与脉冲当量Ｑ和丝杠螺距（导程Ｌ）
低速运动平稳性（要求知道概念、原因、表现形式、解决方案）概念及表现形式：机床上有
些运动部件，需要低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，从动件往往
出现明显的速度不均的跳跃式运动，即时走时停或者时快时慢的现象，这种在低速运动时产
生的运动不平稳性称为爬行。产生原因：爬行是个很复杂的现象，它是因摩擦产生的自激振
动现象，产生这一现象主要原因是摩擦面上的摩擦系数随速度的增大而减小和传动系的刚度
不足。
解决方案：在设计低速运动部件时，应减少静、动摩擦系数之差，提高传动机构的刚度和降
低移动件的质量等。
无级变速装置常采用三大类：1、变速电动机 2、机械无级变速装置 3、液压无级变速装置
无级变速主传动系设计原则 1、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。
2、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变速范围。
电气伺服进给系统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。
导轨的功用和分类 导轨的功用是承受载荷和导向。导轨按结构形式可分为开式导轨和闭式
导轨。导轨应满足的要求 1、导向精度高 2、承载能力大，刚度好 3、精度保持性好 4、低速
运动平稳 5、结构简单、工艺性好 6、导轨要求结构简单，易于加工
机床刀架和自动换刀装置的类型:按安装刀具的数目分为单刀架和多刀架。按结构形式分为
方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等;按驱动刀架转位的动力分为手动转位刀架和自动（电动
和液动）转位刀架;
刀库的类型：盘式刀库、链式刀库、斗笠式刀库
LuQ 360/
