Проектирование автоматизированных станков и комплексов. Том 1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Проектирование 
автоматизированных 
станков и комплексов 

 
В двух томах 

Том 1 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению «Технологические машины  
и оборудование» и специальности «Проектирование  
технических и технологических комплексов» 
 
2-е издание, исправленное 
 

 

 
Москва 2014 

УДК 621.9.06.001.63(075.8) 
ББК  34.63-5-02.я2 
   П79 
 
А в т о р ы:  
В.М. Утенков, П.М. Чернянский, С.Н. Борисов, Г.Н. Васильев, Л.И. Вереина,  
В.С. Иванов,  Д.В. Иванов, В.К. Москвин, Н.С. Николаева, Ю.В. Никулин,  
В.М. Скиба, А.Г. Ягопольский 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
кафедра «Автоматизированные станочные системы и инструменты»  
МГТУ «МАМИ» (д-р техн. наук, проф. Ю.В. Максимов,  
канд. техн. наук, проф. В.А. Михайлов); 
д-р техн. наук, проф. П.М. Кузнецов 
 
 
 
Проектирование автоматизированных станков и комплексов : 
учебник : в 2 т. / под ред. П. М. Чернянского. – 2-е изд., испр.—  
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 

ISBN 978-5-7038-3809-9 

Т. 1. — 331, [5] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3810-5 (Т. 1) 

В первом томе учебника изложены основы проектирования кинематической схемы, несущей системы, привода, надежности и устойчивости динамической системы, а также художественного проектирования станков. Рассмотрены принципы работы и устройства электрофизических и электрохимических 
станков, специальных станков с циклоидальной схемой обработки. Особое 
внимание уделено физически обоснованным методам расчета точности и 
устойчивости динамической системы станков, оптимальных размеров и жесткости шпиндельных узлов и др. Приведена теория и расчет точности станков с 
использованием упругофрикционной модели точности. 
Содержание учебника соответствует курсам лекций, читаемых авторами в 
МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Технологические 
машины и оборудование» и специальности «Проектирование технологических 
комплексов». Может быть полезен преподавателям и инженерам, работающим 
в области станкостроения. 
 
УДК 621.9.06.001.63(075.8) 
ББК  34.63-5-02.я2 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3810-5 (Т. 1) 
 
 
      © Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3809-9  
         им. Н.Э. Баумана, 2014 

П79 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Уровень развития станкостроения определяет промышленный потенциал 
страны, экономическую неуязвимость, обороноспособность и независимость 
государства. Ключевая роль станкостроения в машиностроении определяется 
тем, что все машины и разнообразные изделия создают с помощью металлорежущих станков. 
Металлорежущие станки являются главными элементами машиностроительных производств. Они работают в широком диапазоне скоростей, мощностей, силовых нагрузок, точности перемещений, а их производство отличается высокой культурой. Поэтому станкостроение в целом является базой создания самых разнообразных новых машин. В частности, в нашей стране 
электронное машиностроение возникло на базе станкостроительных кафедр. 
Точность и производительность — главные функциональные качества 
станков. Современный станок — сложная электронно-механическая система. Электроника взяла на себя такие важные функции, как управление циклом работы, регулирование скоростей, контроль точности, мощности, сил 
резания, колебаний и шума. В промышленно развитых странах выпуск 
станков с числовым программным управлением (ЧПУ) по стоимости занимает ведущее место. Электронные преобразователи частоты обеспечили 
бесступенчатое регулирование скоростей, вытеснили механические передачи в приводах подач и существенно сократили их в приводах главного движения. Линейные двигатели заменяют традиционные винтовые пары. Применяются встроенные диагностические системы. Металлообрабатывающая 
промышленность становится все более автоматизированной и компьютеризированной. Широкое распространение получают гибкие производственные 
системы, которые являются основой создания заводов-автоматов. Компьютеризируют весь путь создания изделий — от проектирования до обработки. 
Однако при всех возможностях современной электроники преобладающее 
влияние на точность и производительность оказывает механическая система 
станка и сопровождающие его работу процессы резания, трения, силовых и 
тепловых деформаций, динамические и др. 
Станкостроение интенсивно развивается. Лидерами производства станков 
выступают Германия, Япония, Китай. Общая тенденция — создание более 
сложных станков, на которых можно выполнить большое число операций и 
обрабатывать детали более сложных форм. Растут скорости резания, жесткость и точность станков, сокращаются потери. Преобладает выпуск токар

Предисловие 
 

ных и многоцелевых станков с ЧПУ; существенно меньше — шлифовальных, 
фрезерных, электроэрозионных. 
Токарные станки с ЧПУ с четырьмя линейными координатами позволяют 
производить обработку одновременно двумя инструментами. Предусматривается обработка инструментами с независимым приводом вращения. Токарные станки с противошпинделем производят полную обработку изделия. Появление станков с линейной наладкой и подвижной шпиндельной бабкой 
придает им новое качество. 
С увеличением числа координат на многоцелевых станках стала возможной 
обработка пяти поверхностей одним шпинделем (к трем координатам поступательного перемещения добавляется вращение и наклон обрабатываемого изделия), что приводит к сокращению основного и вспомогательного времени технологического процесса. Для скоростной и высокоскоростной обработок применяют шпиндельные узлы с частотой вращения до 15 000…60 000 мин–1, в 
том числе сменные электрошпиндели. Повышается жесткость конструкций для 
крепления инструмента. 
Все большее внимание уделяется автоматизации проектирования, использованию пакетов прикладных программ, повышению жесткости как фактору, 
определяющему выбор размеров несущей системы и качества станка. 
Приоритет точности получил новое подтверждение в создании наностанков. На выставке в Токио уже в 2000 г. был продемонстрирован гибкий производственный наномодуль с субнанометровыми линейками в обратной связи 
и разрешением 0,07 нм. Для этого потребовалось более глубокое изучение 
процессов, сопровождающих работу станков, применение новых конструкционных материалов, систем управления и приводов. 
Учебник состоит из двух томов. Материал между авторами первого тома 
распределен следующим образом: глава 1 — Л.И. Вереина; § 2.1, 2.6, 3.1 — 
Г.Н. Васильев; § 2.2, 2.3, 2.8 — А.Г. Ягопольский; § 2.4, 2.5, главы 4 и 8 — 
П.М. Чернянский; § 2.7 — Н.С. Николаева; § 3.2, 3.3 — Ю.В. Никулин; § 3.4, 
3.5 — В.К. Москвин; глава 5 — В.М. Утенков; глава 6 — С.Н. Борисов; 
§7.1, 7.3 — 7,5 — В.С. Иванов, §7.2, 7.6 — Д.В. Иванов, §7.7 — В.М Скиба, 
П.М. Чернянский, В.С. Иванов. Во втором томе материал распределен так: 
§ 9.1–9.4 — В.М. Утенков; § 9.5 — П.А. Быков; глава 10 — В.С. Стародубов; 
главы 11, 12 — В.Б. Мещерякова; глава 13 — В.Т. Рябов; глава 14 —  
В.В. Додонов; глава 15 — Г.Н. Васильев, П.Г. Тимофеев; глава 16 —  
Б.М. Дмитриев. 
 
 

 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КИНЕМАТИКА СТАНКОВ 

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ 

1.1.1. Обозначения станков 

Металлорежущий станок — это технологическая машина, предназначенная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной 
формы и размеров (с требуемыми точностью и качеством обработанной поверхности). На станках обрабатывают заготовки не только из металла, но и из 
других материалов, поэтому термин «металлорежущий станок» является 
условным. 
В зависимости от характера выполняемых работ различают девять групп 
станков. Каждая группа содержит девять типов станков, объединенных общими технологическими признаками и конструктивными особенностями 
(табл. 1.1). 
Модели станков, выпускаемых серийно, имеют обозначение, состоящее 
из трех или четырех цифр иногда с добавлением букв. Первая цифра в модели обозначает номер группы, вторая — номер типа, третья и четвертая характеризуют какой-либо важный параметр станка или обрабатываемой детали 
(например, высоту центров, диаметр прутка, размеры стола и т. п.). Так, в 
обозначении 7А36 цифра 7 означает, что это станок строгально-протяжной 
группы, 3 — поперечно-строгального типа, 6 — с максимальной длиной обрабатываемой детали 600 мм; буква А указывает на модернизацию станка 
базовой модели 736. Если буква стоит в конце обозначения модели станка, то 
она указывает на класс точности. Например, 16К20П — это станок повышенного класса точности (нормальный класс точности в наименовании модели не 
указывается). 
В моделях специализированных или специальных станков перед цифрами 
вводят буквенное обозначение завода-изготовителя. Например, МК 65-11 — 
специализированный токарный станок для обработки дисков памяти ЭВМ 
московского станкостроительного ОАО «Красный пролетарий». 
Для станков с ЧПУ в конце обозначения модели приводят букву Ф с цифрой от 1 до 4. Цифра 1 означает, что это станок с цифровой индикацией и 
предварительным набором координат, 2 — с позиционной системой управления, 3 — с контурной системой управления, 4 — с комбинированной системой управления для позиционной и контурной обработки. Например, обозначение  модели  зубофрезерного  полуавтомата  с комбинированной  системой 

 

 
 
Т а б л и ц а  1.1 
Классификация металлообрабатывающих станков 

Группа станков 
Тип станков 

Номер 
Наименование 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 

1 
Токарные 
Одношпиндельные автоматы и 
полуавтоматы 

Многошпиндельные автоматы и полуавтоматы 

Токарноревольверные 

Сверлильно-отрезные 

Карусельные 
Токарновинторезные, токарные, 
лоботокарные 

Многорезцовые и 
копировальные 

Специализированные 
Другие 
токарные 

2 
Сверлильные 
и расточные 
Настольно- и вертикальносверлильные 

Одношпиндельные 
полуавтоматы 

Многошпиндельные полуавтоматы 

Координатнорасточные 

Радиально- 
и координатно-сверлильные 

Расточные
Отделочнорасточные 
Горизонтально-сверлильные 

Другие 
сверлильные 

3 
Шлифовальные, полировальные, доводочные, 
заточные 

Круглошлифовальные, 
бесцентрово-шлифовальные 

Внутришлифовальные, 
координатно-шлифовальные 

Обдирочно-шлифовальные

Специализированные шлифовальные

Продольношлифовальные 

Заточные 
Плоскошлифовальные 

Притирочные, полировальные, 
хонинговальные, доводочные 

Другие 
станки, работающие 
абразивом 

4 
Электрофизические и электрохимические 

— 
Светолучевые, в том 
числе лазерные 

— 
Электрохимические 

Электроискровые 
— 
Электроэрозионные,  
ультразвуковые 
прошивочные 

Анодномеханические отрезные 

— 

Зубо- и резьбообрабатывающие 

Зубодолбежные 
для обработки цилиндрических колес 

Зуборезные 
для обработки конических колес 

Зубофрезерные для 
нарезания 
цилиндрических 
колес и 
шлицевых 
валов 

Зубофрезерные для 
нарезания 
червячных 
колес 

Для обработки торцов зубьев 
колес 

Резьбофрезерные
Зубоотделочные, 
проверочные и обкатные 

Зубо- и резьбошлифовальные 

Другие зубо- и резьбообрабатывающие 

6 
Фрезерные 
Вертикально-фрезерные консольные 

Фрезерные 
непрерывного действия 

Продольные одностоечные 

Копировальные и 
гравировальные 

Вертикально-фрезерные бесконсольные 

Продольные двухстоечные 

Широкоуниверсальные 
фрезерные 
инструментальные 

Горизонтально-фрезерные консольные 

Другие 
фрезерные 

7 
Строгальные, 
долбежные, 
протяжные 

Продольные одностоечные 

Продольные 
двухстоечные 

Поперечно-строгальные 

Долбежные 
Протяжные 
горизонтальные 

Протяжные вертикальные 
для внутреннего 
протягивания  

Протяжные 
вертикальные для 
наружного 
протягивания  

— 
Другие 
строгальные 

8 
Разрезные 
Отрезные, 
оснащенные токарным резцом 

Отрезные, 
оснащенные 
шлифовальным кругом 

Отрезные, 
оснащенные гладким или 
насеченным диском 

Прави´льно-отрезные 

Ленточнопильные 
Отрезные 
с дисковой 
пилой 

Отрезные 
ножовочные 

— 
— 

9 
Другие 
Муфто- и 
трубообрабатывающие 

Пилонасекательные 
Прави´льно- и бесцентровообдирочные  

— 
Для испытания инструментов 

Делительные машины 

Балансировочные 
— 
— 

 

1. Общие сведения и кинематика станков 
 

ЧПУ будет 53А20Ф4, а вертикально-фрезерного станка с крестовым столом и 
устройством цифровой индикации — 6560Ф1. В конце обозначений моделей 
станков с цикловой системой управления ставят букву Ц, а с оперативной системой управления — букву Т (соответственно токарный многорезцовокопировальный полуавтомат с цикловым программным управлением — модель 1713Ц, токарный станок с оперативной системой управления — модель 
16К20Т1). Наличие в станке магазина инструментов отображается в обозначении его модели буквой М, например 2350ПМФ2. 

1.1.2. Классификация станков 

По степени универсальности станки подразделяют на универсальные, 
специализированные и специальные. 
Универсальные станки предназначены для обработки деталей широкой 
номенклатуры в единичном и мелкосерийном производстве. Для этих станков 
характерен широкий диапазон регулирования скоростей и подач. К универсальным относятся токарные, токарно-винторезные, токарно-револьверные, 
сверлильные, фрезерные, строгальные и другие станки как с ручным управлением, так и с ЧПУ. 
Специализированные станки используют для обработки деталей одного 
наименования, но разных размеров. Это станки для обработки труб, муфт, 
коленчатых валов; зубо- и резьбообрабатывающие, токарно-затыловочные и 
др. Для специализированных станков характерна быстрая переналадка сменных устройств и приспособлений; они применяются в средне- и крупносерийном производстве. 
Специальные станки используют для обработки деталей одного наименования и размера; их применяют в крупносерийном и массовом производстве. 
По точности станки делят на пять классов: 
нормальной точности (Н) — к этому классу относится большинство универсальных станков; 
повышенной точности (П) — станки этого класса изготовляют на базе 
станков нормальной точности, но предъявляют повышенные требования к 
точности обработки ответственных деталей станка, качеству сборки и регулировки; 
высокой точности (В) — точность станков этого класса достигается благодаря специальной конструкции отдельных узлов, высоких требований к точности изготовления деталей, качеству сборки и регулировки станка в целом; 
особо высокой точности (А) — требования, предъявляемые при изготовлении таких станков, еще более жесткие, чем при изготовлении станков класса В; 
особо точные (С), или мастер-станки, — на них изготавливают детали 
для станков классов точности В и А. 
Прецизионные станки (классов точности В, А и С) желательно эксплуатировать в термоконстантных цехах, в которых температура и влажность регулируются автоматически. 

1.2. Образование поверхностей при обработке на металлообрабатывающих станках 9 

В зависимости от массы станки подразделяют на легкие ( < 1 т), средние 
(1…10 т) и тяжелые (> 10 т). В свою очередь тяжелые станки бывают крупные (10…30 т), собственно тяжелые (30…100 т) и уникальные (> 100 т). 
По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы.  
В станках с ручным управлением пуск и останов станка, переключение 
скоростей и подач, подвод и отвод инструмента, загрузку станка заготовками 
и разгрузку готовых деталей и другие вспомогательные операции выполняет 
рабочий. 
Полуавтомат — станок, работающий с автоматическим циклом, для повторения которого требуется вмешательство рабочего. Например, загрузку на 
станок заготовки и разгрузку обработанной детали рабочий осуществляет 
вручную, после чего он включает станок для повторения следующего цикла. 
Автомат производит все рабочие и вспомогательные движения цикла 
технологической операции и повторяет их без участия рабочего, который 
лишь наблюдает за работой станка, контролирует качество обработки и при 
необходимости подналаживает станок, т. е. регулирует его для восстановления достигнутых при первоначальной наладке точности взаимного расположения инструмента и заготовки, а также качества получаемой детали. Под 
циклом понимают промежуток времени от начала до конца периодически повторяющейся операции независимо от числа одновременно обрабатываемых 
заготовок. 
В зависимости от расположения шпинделя станки бывают горизонтальные, вертикальные и наклонные. 
По степени концентрации операций станки подразделяют на одно- и многопозиционные. Концентрация операции — это возможность одновременной 
обработки на станке различных поверхностей заготовки многими инструментами. При этом развитие шло по двум направлениям: создание однопозиционных многоинструментальных станков, когда одновременно несколькими режущими инструментами обрабатываются различные поверхности одной заготовки, и разработка многопозиционных многоинструментальных станков, 
одновременно обрабатывающих две заготовки и более. 

1.2. ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ 
НА МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКАХ 

1.2.1. Методы формообразования поверхностей  
при различных видах обработки 

На металлорежущих станках можно воспроизводить поверхности на обрабатываемой заготовке различной конфигурации. Существует четыре метода формообразования при резании.  
При методе касания (рис. 1.1, а) образующая линия инструмента 2 является касательной к поверхности заготовки 1. Касание происходит в точке, в 

1. Общие сведения и кинематика станков 
 

данном случае выполняются два формообразующих движения: вращение 
фрезы и поступательное перемещение заготовки.  
Метод копирования (рис. 1.1, б) основан на том, что режущие кромки 
инструмента выполняют по форме обрабатываемой поверхности. В приведенном примере имеют место два формообразующих движения: вращение 
фрезы 2 и прямолинейное перемещение заготовки 1. Кроме того, при фрезеровании всех зубьев необходимо повернуть заготовку зубчатого колеса на 
угол, соответствующий шагу зацепления, т. е. осуществить делительное 
движение. 
При методе обката образующая линия возникает в форме огибающей ряда положений режущей кромки инструмента по мере его движений относительно заготовки. Например, если сообщить вращение заготовке и согласованное с ним прямолинейное перемещение инструмента с профилем рейки, 
то в своем движении относительно заготовки режущий контур инструмента 
займет множество положений относительно заготовки. Их огибающей будет 
образующая линия в виде эвольвенты. В этом случае требуются три формообразующих движения: вращение заготовки, поступательное перемещение ее 
оси и перемещение инструмента вдоль оси зубчатого колеса. 
Метод следа состоит в том, что образующая линия получается как след 
движения точки режущего инструмента, например точки А при сверлении 
отверстия (рис. 1.1, в). В данном случае требуется выполнить два формообразующих движения: вращение сверла и перемещение его вдоль своей оси. 
Помимо обработки резанием на станке можно получать поверхности методом пластического деформирования, например изготовление резьбы на 
наружной цилиндрической поверхности накатыванием.  

1.2.2. Виды движений в станках 

При изготовлении деталей на станках инструментом или заготовкой могут выполняться следующие движения: главное, подачи, деления, обката, 
дифференциальное и вспомогательное.  
В процессе резания главное движение Dг обеспечивает снятие стружки с 
заготовки с наибольшей скоростью. Оно может быть вращательным и прямо
 

Рис. 1.1. Методы формообразования поверхностей заготовки: 
а — касания; б — копирования; в — следа; 1 — заготовка; 2 — режущий 
инструмент