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 металло-
режущих станков. 
Металлорежущие станки являются главными элементами машинострои-
тельных производств. Они работают в широком диапазоне скоростей, мощ-
ностей, силовых нагрузок, точности перемещений, а их производство отлича-
ется высокой культурой. Поэтому станкостроение в целом является базой со-
здания 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 систе-
ма. Электроника взяла на себя такие важные функции, как управление цик-
лом работы, регулирование скоростей, контроль точности, мощности, сил 
резания, колебаний и шума. В промышленно развитых странах выпуск 
станков с числовым программным управлением (ЧПУ) по стоимости зани-
мает ведущее место. Электронные преобразователи частоты обеспечили 
бесступенчатое регулирование скоростей, вытеснили механические переда-
чи в приводах подач и существенно сократили их в приводах главного дви-
жения. Линейные двигатели заменяют традиционные винтовые пары. При-
меняются встроенные диагностические системы. Металлообрабатывающая 
промышленность становится все более автоматизированной и компьютери-
зированной. Широкое распространение получают гибкие производственные 
системы, которые являются основой создания заводов-автоматов. Компью-
теризируют 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, жест-
кость 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. Предусматри-
вается обработка инструментами с независимым приводом вращения. Токар-
ные станки с противошпинделем производят полную обработку изделия. По-
явление 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 поступа-
тельного перемещения добавляется вращение и наклон обрабатываемого изде-
лия), что приводит к сокращению основного и вспомогательного времени тех-
нологического процесса. Для скоростной и высокоскоростной обработок при-
меняют 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, исполь-
зованию пакетов прикладных программ, повышению жесткости как фактору, 
определяющему выбор размеров несущей системы и качества станка. 
Приоритет точности получил новое подтверждение в создании наностан-
ков. На выставке в Токио уже в 2000 г. был продемонстрирован гибкий про-
изводственный наномодуль с субнанометровыми линейками в обратной связи 
и разрешением 0,07 нм. Для этого потребовалось более глубокое изучение 
процессов, сопровождающих работу станков, применение новых конструк-
ционных 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, предназначен-
ная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной 
формы и размеров (с требуемыми точностью и качеством обработанной по-
верхности). 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 об-
щими 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 моде-
ли обозначает номер группы, вторая — номер типа, третья и четвертая харак-
теризуют 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 об-
рабатываемой 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 повышен-
ного 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 циф-
рой от 1 до 4. Цифра 1 означает, что это станок с цифровой индикацией и 
предварительным набором координат, 2 — с позиционной системой управле-
ния, 3 — с контурной системой управления, 4 — с комбинированной систе-
мой управления для позиционной и контурной обработки. Например, обозна-
чение  модели  зубофрезерного  полуавтомата  с комбинированной  системой 

 

 
 
Т а б л и ц а  1.1 
Классификация металлообрабатывающих станков 

Группа станков 
Тип станков 

Но-
мер 
Наимено-
вание 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 

1 
Токарные 
Одно-
шпиндель-
ные авто-
маты и 
полуавто-
маты 

Много-
шпиндель-
ные автома-
ты и полу-
автоматы 

Токарно-
револь-
верные 

Сверлиль-
но-отрез-
ные 

Карусель-
ные 
Токарно-
винторез-
ные, то-
карные, 
лобо-
токарные 

Многорез-
цовые и 
копиро-
вальные 

Специали-
зированные 
Другие 
токарные 

2 
Сверлильные 
и расточные 
Настоль-
но- и вер-
тикально-
сверлиль-
ные 

Одношпин-
дельные 
полуавтома-
ты 

Много-
шпиндель-
ные полу-
автоматы 

Коорди-
натно-
расточные 

Радиально- 
и коорди-
натно-свер-
лильные 

Расточные
Отделочно-
расточные 
Горизонталь-
но-сверлиль-
ные 

Другие 
сверлиль-
ные 

3 
Шлифоваль-
ные, полиро-
вальные, до-
водочные, 
заточные 

Кругло-
шлифо-
вальные, 
бесцентро-
во-шлифо-
вальные 

Внутришли-
фовальные, 
координат-
но-шлифо-
вальные 

Обдироч-
но-шли-
фовальные

Специали-
зирован-
ные шли-
фовальные

Продольно-
шлифоваль-
ные 

Заточные 
Плоско-
шлифо-
вальные 

Притироч-
ные, поли-
ровальные, 
хонинговаль-
ные, дово-
дочные 

Другие 
станки, ра-
ботающие 
абразивом 

4 
Электрофизи-
ческие и элек-
трохимиче-
ские 

— 
Светолу-
чевые, в том 
числе лазер-
ные 

— 
Электро-
химиче-
ские 

Электро-
искровые 
— 
Электро-
эрозион-
ные,  
ультра-
звуковые 
проши-
вочные 

Анодно-
механиче-
ские отрез-
ные 

— 

Зубо- и резь-
бообрабаты-
вающие 

Зубодол-
бежные 
для обра-
ботки ци-
линдричес-
ких колес 

Зуборезные 
для обра-
ботки кони-
ческих ко-
лес 

Зубофре-
зерные для 
нарезания 
цилиндри-
ческих 
колес и 
шлицевых 
валов 

Зубофре-
зерные для 
нарезания 
червячных 
колес 

Для обра-
ботки тор-
цов зубьев 
колес 

Резьбо-
фрезерные
Зубоотде-
лочные, 
провероч-
ные и об-
катные 

Зубо- и резь-
бошлифо-
вальные 

Другие зу-
бо- и резь-
бообраба-
тывающие 

6 
Фрезерные 
Вертикаль-
но-фрезер-
ные кон-
сольные 

Фрезерные 
непрерыв-
ного дей-
ствия 

Продоль-
ные одно-
стоечные 

Копиро-
вальные и 
гравиро-
вальные 

Вертикаль-
но-фрезер-
ные бескон-
сольные 

Продоль-
ные двух-
стоечные 

Широко-
универ-
сальные 
фрезерные 
инструмен-
тальные 

Горизонталь-
но-фрезер-
ные консоль-
ные 

Другие 
фрезерные 

7 
Строгальные, 
долбежные, 
протяжные 

Продольные 
одно-
стоечные 

Продольные 
двухстоеч-
ные 

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´ль-
но-отрезные 


Ленточнопильные 

Отрезные 
с дисковой 
пилой 

Отрезные 
ножовочные 

— 
— 


9 
Другие 
Муфто- и 
трубообра-
батываю-
щие 

Пилонасе-
кательные 
Прави´ль-
но- и бесцентрово-

обдирочные  

— 

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 многорезцово-
копировальный полуавтомат с цикловым программным управлением — мо-
дель 1713Ц, токарный станок с оперативной системой управления — модель 
16К20Т1). Наличие в станке магазина инструментов отображается в обозначе-
нии 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 универ-
сальным относятся токарные, токарно-винторезные, токарно-револьверные, 
сверлильные, фрезерные, строгальные и другие станки как с ручным управ-
лением, 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 смен-
ных устройств и приспособлений; они применяются в средне- и крупносе-
рийном производстве. 
Специальные станки используют для обработки деталей одного наимено-
вания и размера; их применяют в крупносерийном и массовом производстве. 
По точности станки делят на пять классов: 
нормальной точности (Н) — к этому классу относится большинство уни-
версальных 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 регу-
лировки; 
высокой точности (В) — точность станков этого класса достигается благо-
даря специальной конструкции отдельных узлов, высоких требований к точно-
сти изготовления деталей, качеству сборки и регулировки станка в целом; 
особо высокой точности (А) — требования, предъявляемые при изготовле-
нии 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 эксплуати-
ровать в термоконстантных цехах, в которых температура и влажность регу-
лируются 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 круп-
ные (10…30 т), собственно тяжелые (30…100 т) и уникальные (> 100 т). 
По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, по-
луавтоматы 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 по-
вторения 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 восстановле-
ния достигнутых при первоначальной наладке точности взаимного располо-
жения инструмента и заготовки, а также качества получаемой детали. Под 
циклом понимают промежуток времени от начала до конца периодически по-
вторяющейся операции независимо от числа одновременно обрабатываемых 
заготовок. 
В зависимости от расположения шпинделя станки бывают горизонталь-
ные, вертикальные и наклонные. 
По степени концентрации операций станки подразделяют на одно- и мно-
гопозиционные. Концентрация операции — это возможность одновременной 
обработки на станке различных поверхностей заготовки многими инструмен-
тами. При этом развитие шло по двум направлениям: создание однопозицион-
ных многоинструментальных станков, когда одновременно несколькими ре-
жущими инструментами обрабатываются различные поверхности одной заго-
товки, 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 об-
рабатываемой заготовке различной конфигурации. Существует четыре мето-
да формообразования при резании.  
При методе касания (рис. 1.1, а) образующая линия инструмента 2 явля-
ется 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 приве-
денном примере имеют место два формообразующих движения: вращение 
фрезы 2 и прямолинейное перемещение заготовки 1. Кроме того, при фрезе-
ровании 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 ря-
да положений режущей кромки инструмента по мере его движений относи-
тельно заготовки. Например, если сообщить вращение заготовке и согласо-
ванное 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 формо-
образующих 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 формообра-
зующих движения: вращение сверла и перемещение его вдоль своей оси. 
Помимо обработки резанием на станке можно получать поверхности ме-
тодом 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 мо-
гут 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