【文章內(nèi)容簡介】 工精度的主要因素是機床的精度和靜剛度。機床的精度包括幾何精度、傳動精度、運動精度和定位精度。為了保證機床的加工精度，要求機床要具有相當?shù)膭偠龋送?，機床的熱變形也會影響加工精度。機床加工工件表面粗糙度與工件和刀具的材料、進給量、刀具幾何開關(guān)和切削時的振動有關(guān)。機床的動態(tài)精度是指機床在重力、夾緊力、切削力、各種激振力和溫升的作用下主要零部件的形位精度。4．可靠性 機床的可靠性是指其在額定壽命內(nèi)，在特定工作條件下，在規(guī)定時間內(nèi)出現(xiàn)故障的幾率。這是一項重要的技術(shù)經(jīng)濟指標。隨著自動化水平的不斷提高，需要許多機床、儀表、控制系統(tǒng)和輔助裝置協(xié)同工作。因此，納入自動線和局部自動化生產(chǎn)中的機床，對可靠性有更高的要求。5．機床的效率和壽命 機床的效率是指切削消耗的有效功率與電動機輸出功率之比，兩者的差值就是損失，主要是摩擦損失。而且，摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量，將引起機床的熱變形，又對機床的運行帶來不良后果。機床的壽命是指機床保持其應(yīng)具有的加工精度的時間。在壽命期內(nèi)，正常工作條件下，機床不應(yīng)喪失設(shè)計時所規(guī)定的精度性能。對于中、小型通用機床，其壽命為8 a左右；對于專用機床要求短些，它將隨著所加工產(chǎn)品的更新而廢棄；對于大型精密級、高精度級機床則要求更長的壽命。6．“四化”程度 “四化”是指機床品種系列化、零部件通用化、零件標準化以及機床模塊化。系列化包括機床參數(shù)標準的判定、型譜的編制和產(chǎn)品的系列設(shè)計。零部件通用化是指不同型號的機床采用相同的零部件。標準件是由國家或行業(yè)標準化的零件，零件標準化程度高，可以獲得明顯的經(jīng)濟效益，使成本下降1/4～1/3?，F(xiàn)代機床模塊化設(shè)計是根據(jù)廣大用戶提出的功能要求，設(shè)計出一系列具有不同結(jié)構(gòu)和用途，而功能相同并可互換的功能模塊和一些專用部件的設(shè)計法。通過模塊的不同組合即可組裝成滿足客戶要求的機床、專用機床、柔性加工單元等，這種設(shè)計方法可提高機床設(shè)計工作效率和適應(yīng)性。7．造型與色彩 機床造型是根據(jù)機床功能和特點，要簡潔明快，美觀大方，使用舒適方便。主要有曲線型、方型和梯型三種，目前趨向以方型和梯型相結(jié)合。機床色彩的設(shè)計應(yīng)有利于產(chǎn)品功能的發(fā)揮，符合時代特點，滿足使用對象、環(huán)境的審美要求，色彩設(shè)計應(yīng)充分表達產(chǎn)品功能特征并與使用環(huán)境相協(xié)調(diào)。 總體結(jié)構(gòu)布局 總體結(jié)構(gòu)布局原則 機床的總體布局設(shè)計是指按工藝要求決定機床所需的運動，確定機床的組成部件，以及各個部件的相對運動和位置關(guān)系。同時也要確定操縱、控制機構(gòu)在機床中的位置。通用機床的布局已形成傳統(tǒng)的型式，但是，隨著數(shù)控等新技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的布局也在發(fā)生變化。專用機床的布局沒有固定的布局形式，靈活性大，必須根據(jù)被加工工件要求，進行工藝分析，在擬定總體方案中進行總體布局設(shè)計。合理的總體布局的基本要求是：（1）保證工藝方法所要求的節(jié)筒和割具的相對位置和相對運動。（2）保證機床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度和抗振性。（3）使用方便，便于操作、調(diào)整、維修，便于輸送、裝卸工件。（4）經(jīng)濟效果好，節(jié)省材料，減少機床占地面積等。 1．臥式配置　大型節(jié)筒臥式配置方案常采用轉(zhuǎn)輪支承，壓輪壓緊的夾緊方式。該支承方式割具不動，由滾輪帶動節(jié)筒旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)筒件的坡口加工。該方案結(jié)構(gòu)相對簡單，便于理解機構(gòu)各部件的運行情況。但在實際應(yīng)用中，機構(gòu)整體運動時，需要有其他的附屬裝置，占地面積大，不便于配合其他機構(gòu)的安裝和運行，導(dǎo)致加工效率低下，且不利于工件的吊裝和加工。由于被加工筒件尺寸龐大，采用該配置方式，節(jié)筒易發(fā)生變形，不利于保證多次抓取工件的定位誤差和加工精度。臥式配置方案如圖2–1所示。圖2–1　臥式加工方案2．立式配置　立式配置時采用節(jié)筒內(nèi)表面定位和夾緊，兩個旋轉(zhuǎn)的加工頭分別由節(jié)筒內(nèi)、外表面定位，割具的進給和升降裝置隨回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周完成一端平端面坡口的加工。立式加工方案如圖2–2所示。圖2–2　立式加工機床結(jié)構(gòu)該方案由于其定位與夾緊裝置連為一體，一次裝夾即可完成一端內(nèi)、外坡口的加工，避免了多次抓取造成的定位誤差。因此，圓筒多豎直放在機床上，重力方向豎直向下，工件受到的磨削扭力將會極大減小，有利于減小扭曲變形和外形誤差，因而加工精度容易保證?！》桨高x擇臥式和立式配置方案的特點如表2–2所示。表2–2　臥式與立式配置的比較項目臥式配置立式配置評價機床尺寸 m m m m m m臥式占用空間較小吊裝方式壓輪升起，圓筒避過壓輪裝置，徑向吊裝，安放在滾回轉(zhuǎn)輪上拉桿降下，圓筒自上而下吊裝，安放在預(yù)先放置好的平臺上立式對機床損害小，但所需徑向空間較大裝夾方式兩對滾輪轉(zhuǎn)輪支承，一對壓輪壓緊，須承受一定的翻倒力矩中心支承固定，靠摩擦力和平臺的支承使圓筒夾緊立式比較安全可靠加工方式割具不動，圓筒靠滾輪的轉(zhuǎn)動帶動，兩組滾輪保持較高的平行度圓筒不動，割具固定在回轉(zhuǎn)臺上立式比較容易實現(xiàn)加工所須運動空間 m m m m m m臥式較小，但占用大量空間專機裝卸難度為保證滾輪的平行度，滑動輪平行移動需用導(dǎo)軌限制專機直接安放在工作場地，不需固定立式比較容易拆裝從表2–2可以看出，臥式配置雖然尺寸和加工所需運動空間較小，但其對機床損害較大，所需裝夾空間也較大，同時，臥式加工布置還需要有其他的附屬裝置，占地面積大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并不利于工件的吊裝和加工。從裝夾方式、加工方式和專機裝卸難度各方面來看，立式方案要優(yōu)于臥式方案。因此，根據(jù)節(jié)筒加工特點和技術(shù)要求，該設(shè)計采用立式內(nèi)表面定心方式，將圓筒定位和夾緊裝置合為一體。工件不動，割具放置在回轉(zhuǎn)臺上，回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)進行工件加工，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于圓筒吊裝和加工。按照實現(xiàn)功能的不同，大型節(jié)筒坡口數(shù)控等離子束加工機床可由工件定位夾緊裝置、回轉(zhuǎn)工作臺、底座、中央立柱、外割具角度調(diào)整裝置、內(nèi)、外割具徑向進給裝置、內(nèi)、外割具升降裝置、靠背輪機構(gòu)、液壓動力系統(tǒng)、控制驅(qū)動裝置以及空氣等離子切割裝置等結(jié)構(gòu)組成。各組成結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。（1）工件定位夾緊裝置由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂組成8個平面連桿機構(gòu)，機構(gòu)上擺桿和下擺桿的一端與中央立柱鉸接，另一端和擺動臂鉸接；下支臂一端和擺動臂鉸接，另一端和液壓動力系統(tǒng)的拉桿鉸接；液壓動力系統(tǒng)通過下拉桿帶動下支臂來驅(qū)動擺動臂工作，擺動臂中放置臂墊板，根據(jù)節(jié)筒的不同直徑，可以調(diào)整接觸狀態(tài)。這種夾緊裝置既便于節(jié)筒的夾緊定位，又能夠保證已成型的節(jié)筒在加工過程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。（2）回轉(zhuǎn)工作臺由回轉(zhuǎn)架和回轉(zhuǎn)支承構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)支承采用步進電機和行星擺線針輪減速器及二級減速的驅(qū)動方式。行星擺線針輪減速器置于回轉(zhuǎn)工作臺預(yù)留空間內(nèi)，空間整體結(jié)構(gòu)設(shè)計比較緊湊。（3）底座由上下板和加強筋板焊接而成，既可減輕加工設(shè)備的質(zhì)量，又能增加底座的剛度。底座下方底板設(shè)計有4個水平調(diào)節(jié)支座，端面加工時便于加工設(shè)備整機水平位置調(diào)平，保證端面加工水平度。（4）中央立柱采用圓柱形、中空的結(jié)構(gòu)方式，既能減輕加工設(shè)備的質(zhì)量，又便于液壓動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的實現(xiàn)；中央立柱上端采用懸臂結(jié)構(gòu)，便于工件夾緊裝置上下擺桿桿長的設(shè)計。（5）外割具角度調(diào)整裝置由靠背輪機構(gòu)和脈沖驅(qū)動角度調(diào)整機構(gòu)組成。加工已成形節(jié)筒時，引入靠背輪是為了保證加工后的端面坡口和已成形節(jié)筒原內(nèi)外表面形狀一致，保證切割的節(jié)筒坡口等寬。脈沖驅(qū)動角度調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)加工角度的精確調(diào)整。（6）內(nèi)、外割具采用徑向進給和縱向升降相結(jié)合的運動方式。內(nèi)、外割具徑向進給裝置采用步進電機和絲杠徑向?qū)蝌?qū)動結(jié)合方式。絲杠驅(qū)動部分均設(shè)計有水箱和防護罩，以防止等離子切割所產(chǎn)生的大量灰塵外濺和散發(fā)以及灰塵、金屬切削碎片和其他雜質(zhì)落入回轉(zhuǎn)工作臺。徑向進給平臺上放置內(nèi)、外割具升降裝置，升降裝置采用步進電機和蝸輪蝸桿減速器及單級蝸桿減速的驅(qū)動方式；蝸輪蝸桿減速器采用蝸桿側(cè)置式，便于水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的傳動。（7）液壓動力系統(tǒng)的進出油管、驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)步進電機以及加工機床裝置所需的電源插板、導(dǎo)線均布置在回轉(zhuǎn)工作臺和底座預(yù)留的空間內(nèi)，使加工機床整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于操作。（8）電機驅(qū)動裝置均采用轉(zhuǎn)角定位精度無累積誤差、分辨率小、精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大的混合式BYG系列步進電機；控制徑向進給的步進電機置于相應(yīng)的徑向溜板上，控制縱向升降的步進電機置于相應(yīng)的升降臺上，便于實際操作控制。綜合上述設(shè)計思想，大型節(jié)筒坡口數(shù)控等離子束加工專機總體結(jié)構(gòu)如圖2–3所示。1．節(jié)筒；2．下拉桿機構(gòu)；3．外割具角度調(diào)整裝置；4．外割具靠背輪裝置；5．外割具等離子切割裝置；6．外割具升降裝置；7．外割具防護罩；8．外割具徑向進給裝置；9．外割具步進電機；10．回轉(zhuǎn)工作臺；11．底座支承調(diào)節(jié)座；12．工件定位夾緊裝置；13．內(nèi)割具靠背輪裝置；14．內(nèi)割具角度調(diào)整裝置；15．內(nèi)割具等離子切割裝置；16．內(nèi)割具升降裝置；17．內(nèi)割具徑向進給裝置；18．內(nèi)割具防護罩；19．內(nèi)割具步進電機；20．液壓動力系統(tǒng)；21．中央立柱；22．回轉(zhuǎn)支承；23．底座圖2–3　機床總體結(jié)構(gòu)大型坡口等離子數(shù)控加工機床加工坡口時的工作過程可描述如下：（1） 預(yù)先根據(jù)節(jié)筒的直徑和坡口尺寸，調(diào)整機床內(nèi)、外割具升降裝置的升降量、割具角度，使其滿足加工要求，并分別調(diào)整內(nèi)、外割具的靠背輪與節(jié)筒內(nèi)、外表面的距離，保證等離子切割頭與被加工坡口間的距離。（2） 吊裝所要加工的節(jié)筒，通過底座調(diào)整機構(gòu)，即底座下方的4個水平調(diào)節(jié)支座，調(diào)整機床底座支承件的水平度，使其達到加工的技術(shù)要求，保證端面加工水平度。機床工件定位夾緊裝置通過液壓動力系統(tǒng)，驅(qū)動由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂組成的8個平面連桿機構(gòu)，對工件定位和夾緊。（3） 內(nèi)、外割具徑向進給，使靠背輪裝置靠緊節(jié)筒。然后，進給驅(qū)動裝置（步進電機）驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺（內(nèi)、外割具）進行回轉(zhuǎn)的同時，固定于回轉(zhuǎn)工作臺上的內(nèi)、外割具同時進行坡口的等離子切割工作，工作臺回轉(zhuǎn)一周完成被加工節(jié)筒一端內(nèi)、外坡口的切割加工。（4） 完成節(jié)筒一端坡口的加工后，內(nèi)、外割具徑向進給裝置和升降裝置離開節(jié)筒，退回到初始位置，液壓動力裝置卸荷，松開工件。（5） 將節(jié)筒翻轉(zhuǎn)，重復(fù)步驟（1）～（4），完成節(jié)筒另一端的坡口加工。第3章 機床各個裝置和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 工件定位夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計工件定位夾緊裝置是由包括上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂等組成的8個異形平面連桿機構(gòu)構(gòu)成，其功能是通過液壓動力裝置驅(qū)動8個異形平面連桿機構(gòu)對被加工節(jié)筒進行定位夾緊，機構(gòu)上下擺桿的一端和中央立柱鉸接，另一端和擺動臂鉸接，下支臂一端和擺動臂鉸接，另一端與下拉桿鉸接，液壓動力系統(tǒng)通過下拉桿帶動下支臂來驅(qū)動擺動臂工作，擺動臂中放置臂墊板，根據(jù)加工節(jié)筒的直徑的不同，可以調(diào)整接觸狀態(tài)。這種夾緊裝置既便于節(jié)筒的夾緊定位，又能夠保證已成型的節(jié)筒在加工過程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。工件定位夾緊裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖31所示。 圖31 工件定位夾緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 割炬橫向進給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計割炬橫向進給裝置固定在回轉(zhuǎn)支架上，包括外割炬橫向進給裝置結(jié)構(gòu)和內(nèi)割炬橫向進給結(jié)構(gòu)兩個部分，兩部分裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理是一致的，只是具體的設(shè)計參數(shù)不一樣，這里給出外割炬橫向進給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。外割炬橫向進給裝置包括滑動臺、防護罩、導(dǎo)向機構(gòu)、支撐座、傳動機構(gòu)、聯(lián)軸器、軸承端蓋、軸套、絲杠與絲母、專用彈簧和步進電機等組成部分。外割炬橫向進給裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖32所示。 圖32外割炬橫向進給裝置結(jié)構(gòu)示意圖工作特性::采用雙桿（光桿）導(dǎo)向方式，光桿材料采用45Cr，且對稱分布于絲杠兩面。：采用絲杠傳遞力和位移的方式；橫向受力小，傳遞性能好。：用于放置外割炬縱向升降裝置，材料采用16Mn；絲母在絲杠的驅(qū)動下，通過專用彈簧與焊接在滑動臺上支板作用，實現(xiàn)滑動臺的橫向移動；支板有加強筋，不易變形。：絲杠一端固定采用成對雙聯(lián)角接觸球軸承（面對面方式）。：材料采用16Mn，放置步進電機和橫向移動裝置。:步進電機通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動絲杠，可以實現(xiàn)無級調(diào)速。對于加工筒徑范圍為2400mm~2800mm的筒體來說，割炬的橫向位移量較大，易產(chǎn)生橫向跨度變形，影響加工質(zhì)量問題。基于此，在外割炬橫向進給裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入雙桿導(dǎo)向機構(gòu)和直線軸承（見圖23），導(dǎo)向桿對稱分布于絲杠的兩側(cè)，每個導(dǎo)向桿中間由兩個直線軸承支撐，且兩端還有支撐點，這樣就確保在絲杠驅(qū)動和傳動的過程中，導(dǎo)向桿和絲杠均不會產(chǎn)生跨度變形，保證了加工質(zhì)量。專用彈簧的設(shè)計是為了保證絲杠和絲母接觸的緊密性，有利于絲杠傳遞的穩(wěn)定性和減少徑向加工誤差。1. 絲杠 2. 直線軸承 3. 滑動臺支板 4. 加強筋 5. 光杠 6. 滑動臺 7. 絲母 8. 專用彈簧圖33雙桿導(dǎo)向機構(gòu)和直線軸承示意圖 割炬縱向升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計割炬縱向升降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括外割炬縱向升降