02209机械制造装备设计考试重点(自学考试必备)

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1、02209机械制造装备设计考试重点(自学考试必备) 江苏省高等教育自学考试大纲 02209机械制造装备设计 孙膑 - 1 - 第一章 机械制造及装备设计方法 第一节 概述一、全新生产制造模式的主要特征 以用户的需求为中心 ；制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量和品种；以柔性、精益和敏捷作为竞争的优势；技术进步、人因改善和组织创新是三项并重的基础工作； 实现资源快速有效的集成是其中心任务 ，集成对象涉及技术、人、组织和管理等，应在企业之间、制造过程和作业等不同层次上分别实施相应的资源集成；组织形式采用如“虚拟公司”在内的多种类型。 第二节 机械制造装备应具备的主要功能一、机械制造装备应满足的一

2、般功能包括：（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）耐用度方面的要求，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等5）技术经济方面的要求 - 2 - 二、柔性化含义：即产品结构柔性化和功能柔性化.产品结构柔性化 是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的，具有不同功能的新产品。功能柔性化 是指只需进行少量的调整或软件修改，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。 三、精密化采用传统的措施，一味提高机械制造装备自身的精度已无法奏效，

3、需采用误差补偿技术 。误差补偿技术可以是机械式的，如为提高丝杠或分度蜗轮的精度采用的校正尺或校正凸轮等。 四、自动化（详细见P7）自动化有全自动（能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程）和半自动（人工完成上下料）之分。实现自动化的方法从初级到高级依次为： 凸轮控制、程序控制、数字控制和适应控制等 。 五、机电一体化指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体化的方法，有机地组成最佳技术系统。 - 3 - 这个系统应该是功能强、质量好和故障率低、节能和节材、性价比高，具有足够的“结构柔性”“。 六、节材七、符合工业工程要求工业工程是对人、物料、设备、能

4、源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和实施的一门学科。其目标是设计一个生产系统及其控制方法，在保证工人和最终用户健康和安全的条件下，以最低的成本生产出符合质量要求的产品。产品设计符合要求是指：在产品开发阶段，充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳的工艺方案，选择合理的质量标准，减少操作过程中工人的体力消耗；对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准，减少因质量标准定得过高造成不必要的超额工作量。（强度、刚度、抗振性） 八、符合绿色工程要求企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源来增加产出的错误做法，使经济发展更少地依赖地球上的有限资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协调

5、。这就是所谓的绿色工程要求。 第三节 机械制造装备的分类- 4 - 机械制造大致可划分为 加工装备 、 工艺装备 、 仓储传送装备 和 辅助装备 四大类。一、加工装备是指采用机械制造方法制作机器零件的机床。（一） 金属切削机床（有屑加工）是采用切削工具或特种加工等方法，从工件上除去多余或预留的金属，以获得符合规定尺寸、几何形状、尺寸精度和表面质量要求的零件。按机床的加工原理进行分类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、特种加工机床、切断机床和其他机床等12类。(二)特种加工机床（刀具与工件不接触）1电加工机床。直接利用电能对工件进行加工的机床，统称电加工

6、机床。（一般仅指电火花加工机床、电火花切割机床和电解加工机床）2超声波加工机床。3激光加工机床。4电子束加工机床。5离子束加工机床。6水射流加工机床。(三）锻压机床（无屑加工）利用金属的塑性变形特点进行成形加工，属无屑加工设备，主要 - 5 - 包括锻造机、冲压机和轧制机四大类。 二、工艺装备产品制造时所用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具，总称工艺装备。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。刀具：切削加工时，从工件上切除多余材料所用的工具。模具：是用来将材料填充在其型腔中，以获得所需形状和尺寸制件的工具。其分类：1.粉末冶金模具2.塑料模具3.压铸模具4.冷冲模具5.锻

7、压模具等。夹具：安装在机床上用于定位和夹紧工件的工艺设备，以保证加工时的定位精度、被加工面之间的相对位置精度。利于工艺规程的贯彻和提高生产效率。量具：是以固定形式复现量值的计量器具的总称。如千分尺、百分表、量块。 三、仓储传送设备包括各级仓储、物料传送、机床上下料等设备。机器人可作为加工装备，如焊接机器人和涂装机器人等，也可属于仓储传送设备，用于物料传送和机床上下料。自动运载小车（AGV或RGV）主要用于工作中心间工件的传送。- 6 - 四、辅助装备辅助装备包括清洗机和排屑等设备。 第四节 机械制造装备设计的类型一、 机械制造装备设计可分为 创新设计、变型设计和模块化设计 等三大类型。适应型设

8、计和变参数型设计统称 变型设计 。 第五节 机械制造装备设计的方法一、系列化设计系列化设计应遵循“ 产品系列化 、 零部件通用化 、 标准化 ” 原则，简称“三化”原则。有时将“ 结构的典型化 ”作为第四条原则，即所谓的“四化”原则。（一）、系列化设计的优缺点优点：1）可以用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2）有助于降低生产成本，提高产品制造质量的稳定性。3）产品有较高的结构相似性和零部件的通用性，有助于缩短产品的研制周期，降低生产成本。4）零备件的种类少，系列中的产品结构类似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量。5）为开展变型设计提供技术基础。- 7 - 缺点是：为以减少品种规格

9、的产品满足市场较大范围的需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中选择所需的产品，选到的产品，一方面其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，另方面有些功能还可能冗余。（和机械图谱相联系）产品的主参数应尽可能采用 优先数系 。 二、模块化设计（一）模块化设计的基本概念为了开发多种不同功能的结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。（二）模块化设计的优缺点采用模块化设计方法开发产品的优缺点类似系列化设计方法，在缩短新产

10、品开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力方面综合经济效果十分明显优点：1）便于用新技术设计性能更好的模块，取代原有的模块，提高产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代。2）采用模块化设计，只需要更换部分模块，或设计制造个别模块和专用部件，便可快速满足用户提出的特殊订货要求，大大缩短设计和 - 8 - 供货周期。3）模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体制的改革。由于产品的大多数零部件由单件小批生产性质变为批量生产，有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业化生产，既提高质量又降低成本。4）模块系统中大部分部件由模块组成，设备如发生故障，

11、只需要更换有关模块，维护修理更为方便，对生产影响少。 第六节 机械制造装备设计的评价 对机械制造装备设计方案的评价金属切削机床设计 第一节 概述- 9 - 一、机床设计应满足的基本要求（详细见P57）1、工艺范围指机床适应不同生产要求的能力，也可称之为机床的加工功能。 机床的工艺范围主要取决于 其使用哪种生产模式。工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。（影响因素）生产模式：单件大批量、大量、批量。2、柔性机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。包括空间上的柔性和时间上的柔性。所谓空间柔性（即功能柔性）是指一台机床的工艺范围相当于多台机床的工艺范围,即机床的运

12、动功能和刀具的数目较多，工艺范围较广，机床能够在同一时期内完成多品种加工的能力。所谓时间上的柔性（即结构柔性）是指的是在不同时期，机床各个部件经过重新组合，即通过机床重构，改变其功能，形成新的加工功能，以适应产品更新变化快的要求。3、与物流系统的可接近性可接近性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）流动的方便程度。4、刚度机床的刚度是指加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。刚度包括： 静态刚度 、 动态刚度 、 热态刚度 。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产 - 10 - 率，因此机床应有足够的刚度。5、精度机床精度主要指机床的几何精度

13、和机床的工作精度。6、噪声7.生产率机床的生产率通常是指单位时间内机床所加工的合格工件数量。第二节 金属切削机床设计的基本理论一、工件表面的形成方法1、在机床上形成加工表面的发生线的方法有 轨迹法（描述法） 、成形法（仿形法） 、 相切法（旋切法） 、 展成法（范成法）。二、机床运动分类1、按运动的性质分类，可分为 直线 运动和 回转 运动。2、按运动的功能分类，可分为 成形 运动和 非成形 运动。3、按运动之间的关系分类，可分为：独立运动：与其他运动之间无严格的运动关系复合运动：与其他运动之间有严格的运动关系 二、精度（详细见P71）包括几何精度、运动精度、传动精度、定位和重复定位精度、工作

14、精度和精度保持性等。- 11 - 1、几何精度是指机床在空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不移动及转动等情况下）或运动速度较低时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。2、运动精度是指机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度（又可称为几何运动精度）。3、传动精度是指机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。4、定位精度和重复定位精度定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。5、工作精度加工（标准）规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。三、刚度机床刚度是指机床受载时抵抗变型的能力。公式：K=F/y 四、振动(详细见P73)机床的抗振能力是指机床

15、在交变载荷作用下抵抗振动的能力。包括：抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。习惯上称之为：抗振性，后者常称为：切削稳定性。(平稳)- 12 - 1.受迫振动2.自激振动3.影响机床振动的主要原因有：机床的刚度、机床的阻尼特性、机床系统固有频率。 五、热变形由于机床各部件的材料的热膨胀系数不同，因而其热膨胀量也就不同，导致机床床身、主轴和刀架等构件产生变形，称之为机床热变形。 六、噪声机床噪声源主要来自四个方面：1.机械噪声2.液压噪声3.电磁噪声4.空气动力噪声 七、低速运动平稳性爬行：是机械振动中自激振动的一种，表现形式为时快时慢的不稳定的运动形式。低速运动时产生的运动不平稳现象。 第三节

16、 金属切削机床总体设计- 13 - 一、机床主要参数设计（详细见P80）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 。 第四节 主传动系设计一、主传动系分类和传动方式（详细见P89）（一）主传动系分类按变速的连续性可分为 分级变速传动 和 无极变速传动 。（二）主传动系的传动方式 主传动系的传动方式主要有两种： 集中传动方式 和 分离传动方式。1、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，称为集中传动方式。（适用于普通精度的大中型机床。）其特点：结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。缺点是传动件在高速运转

17、中产生的振动将直接影响主轴的运转平稳性。传动件产生的热量会使主轴产生热变形而直接影响加工精度。2、分离传动方式主传动系中的大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，称为分离传动方 - 14 - 式。其特点：变速箱各传动件所产生的振动和热量不能直接传给或少传给主轴，从而减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度。主轴高速运转时比较平稳。 二、分级变速主传动系的设计（详细见P93） （一）传动轴格线间转速点的连接线称为 传动线 ， 表示两轴间一对传动副的传动比u，用主动齿轮与从动齿轮的齿数比或主动带轮与从动带轮的轮径比表示。（二）变速组的级比

18、 是指主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值。用xi表示，指数xi称为级比指数。（三）主变速传动系设计的一般原则传动副前多后少原则（即：在拟定主变速传动系时，应尽可能将传动副较多的变速组安排在前面，传动副数少的放在后面。）传动顺序与扩大顺序相一致的原则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。（即：从电动机到主轴之间的总趋势是降速传动，在分配各变速组传动比时，为了使中间传动轴具有较高的转速，以减少传动件的尺寸，前面的变速组降速要慢些，后面变速组降速要快些，但是中间轴的转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声。通常，中间轴的最高转速不超过电动机的转速。）（四）主变速传动系的几种

19、特殊设计- 15 - 1、具有多速电动机的主变速传动系设计2、具有交换齿轮的变速传动系3、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。）（五）扩大传动系变速范围的方法增加变速组采用背轮机构（背轮机构应放在主轴后面，速度不宜太快。）（六）齿轮齿数的确定1、齿轮可套装在轴上的条件为 齿轮的齿槽到孔壁或键槽底部的壁厚a应大于或等于2m ( m 为齿轮模数)，以保证齿轮具有足够强度。齿数过小的齿轮传递平稳性也差。一般在主传动中，取最小齿轮齿数Zmin 1820 。2、三联滑移齿轮顺利啮合的条件是 其最大和次大齿轮之间的齿数差应4 。（七）计算转速1、计算转速就是

20、计算主轴或各传动件传递全部功率的最低转速。2、机床的直线进给运动传动系统一般为 恒转矩 传动系统。3、机床的旋转运动传动系统一般为 恒功率 传动系统。（八）变速箱内各传动轴的轴向固定1、传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有 一端固定 和 两端固定 两类。2、采用深沟球轴承时，可以一端固定，也可以两端固定。- 16 - 3、采用圆锥滚子轴承时，必须两端固定。4、一端固定的优点：轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力，因此宜用于长轴。两端固定适用于短轴。 三、无极变速主传动系（详细见P109）（一）无级变速装置的分类无级变速是指在一定范围内转速（或速度）能连续地变换的特点，从而获取最有利的

21、切削速度。1、无级变速装置的分类： 变速电动机 、 机械无级变速装置 和 液压无级变速装置。2、特点：无极变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便达到最有利的切削速度。能在运转中变速，便于实现变速自动化。 第五节 进给传动系设计一、进给传动系设计应满足的基本要求进给传动系用来实现机床的进给运动和辅助运动。（一）进给传动系的组成进给传动系一般由动力源、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组成。（二）进给传动系设计应满足的基本要求- 17 - 具有足够的静刚度和动刚度。具有良好的快速响应性，作低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高。抗振性好，不

22、会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声。具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量，以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，能传动较大的转矩。进给系统的传动精度和定位精度要高。结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操作灵活。二、机械进给传动设计系的设计特点进给传动是恒转矩传动。进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速。进给传动的转速图为前疏后密结构。进给传动的变速范围Rn14进给传动系采用传动间隙消除机构（如：消除传动齿轮的传动间隙和滚珠丝杠螺母副的轴向间隙） 三、电气伺服进给系统（详细见P120）（一）齿轮传动间隙的消除齿轮传动间隙的消除有 刚性调整

23、法 和 柔性调整法 。- 18 - 刚性调整法是指调整后的齿侧间隙不能自动进行补偿。柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿。（二）滚珠丝杠及其支承1、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。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。2、滚珠丝杠的支承方式有三种：一端固定，另一端自由方式。（常用于短丝杠和竖直丝杠。）一端固定，另一端简支承方式。（常用于较长的卧式安装丝杠。） 两端固定方式。（用于长丝杠或高转速，要求高拉压刚度的场合。）3、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生接触变形。如果滚

24、珠丝杠螺母副存在间隙，当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此需要对滚珠丝杠螺母副进行消除间隙，并施加预紧力。 第三章 典型部件设计 第一节 主轴部件设计主轴部件，作为机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。 主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 - 19 - 一、主轴部件应满足的基本要求1、旋转精度（主轴的旋转精度是指装配后，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端面圆跳动。）2、刚度（主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力。）3、抗振性（

25、主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。）4、温升和热变形（主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热、切削区的切削热等是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。）5、精度保持性（主轴部件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力。） 二、主轴的传动方式 主轴的传动方式主要有 齿轮传动 、 带传动 和 电动机直接驱动 。 三、主轴部件结构设计（一）推力轴承位置配置形式 （详细见P145）（1）前端配置（两个方向的推力轴承都布置在前支承处。） - 20 - 特点：在前支承处轴承较多，结构较复杂，温升较高；主轴受热变形，向后伸长，不影响轴向精度，精度高。有利

26、于提高主轴部件的刚度。适用范围：对轴向精度和刚度要求较高的高速、精密机床主轴（如精密车床、镗床、坐标镗床等）及对抗振性要求较高的普通机床主轴（如卧式车床、多刀车床、铣床等）。（2）后端配置（两个方向的推力轴承都布置在后支承处。）特点：前支承的结构简单、温升较小；主轴受热向前伸长，影响主轴的轴向精度；刚度及抗振性较差。 - 21 - 适用范围：不宜用于精密、抗振性要求高的机床，可用于要求不高的中速、普通精度机床的主轴（卧式车床、多刀车床、立式铣床等）。（3）两端配置（两个方向的推力轴承分别布置在前后支承处。） 特点：支承结构简单，间隙调整方便；主轴受热伸长会改变轴承间隙，影响轴承的旋转精度及寿命

27、； 刚度和抗振性较差。适用范围：轴向间隙变化不影响正常工作的机床主轴，如钻床。支距短的机床主轴，如组合机床。有自动补偿轴向间隙装置的机床主轴。（4）中间配置（两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧。）特点：这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并是主轴受热后向后伸长。但前支承结构较复杂，温升也可能较高。（二）主轴传动件位置的合理布置 - 22 - 传动件在主轴轴向位置的合理布局 ：合理布置传动件在主轴上的位置，可以改善主轴的受力情况，减少主轴变形，提高主轴的抗振性。合理布局的原则是：传动力引起的主轴弯曲变形要小，引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。因此，主轴上传动件布置时，应尽量靠近前支

28、承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。（三）主轴主要结构参数的确定（1）主轴前端悬伸量a的确定 主要取决于主轴端部的结构、前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，应尽量缩短该悬伸量。（2）主轴主要支承间跨距L的确定当支承跨距L实际 L合理 时，应提高轴承的强度。当支承跨距L实际 L合理 时，应提高轴的刚度。 四、主轴滚动轴承（详细见P149）（一）主轴部件主支承常用滚动轴承（1）角接触球轴承（2）双列短圆柱滚子轴承（3）圆锥滚子轴承（4）推力轴承（二）滚动轴承精度等级的选择- 23 - 原则是

29、“前高后低”。前轴承的精度比后轴承对主轴部件的旋转精度影响较大。因此，选取轴承精度时，前轴承的精度要比后轴承精度高一级。（三）主轴滚动轴承的预紧预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段。预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。滚动轴承间隙的预紧方法：径向预紧轴承间隙（双列圆柱滚子轴承）一是用螺母轴向移动轴承的内圈，1：12的锥度预紧。二是用调整环的长度实现预紧，采用过盈套进行轴向固定。轴向预紧轴承的间隙（角接触轴承）是用螺母使内、外圈产生轴向错位来实现径向和轴向预紧。（四）滚动轴承的润滑和密

30、封（1）主要采用润滑脂或润滑油来润滑。1）、脂润滑 适用于轴承的速度、温度较低且不需要冷却的场合。如果密封效果好，能够避免润滑油、冷却液及其他杂质混入润滑脂中，则轴承中的润滑脂可长期使用，拆修前不需要补充或更换。润滑脂不要把轴承空间填满，以免发热过高，并引起润滑脂熔化外流，通常充填量约为轴承空间的1/3。2）、油润滑 适用于速度、温升较高的轴承，由于粘度低、摩擦系数 - 24 - 小，润滑及冷却效果都较好。润滑油的粘度通常根据轴承的速度参数选择。（2）主轴滚动轴承密封作用：防止切削液、切屑、杂质等进入轴承，并使润滑剂无泄漏地保持在轴承内，保证轴承的使用性能和寿命。类型：主要有接触式密封和非接触

31、式密封两大类。接触式密封的特点是：密封性好，散热性差，安装方便。 非接触式密封的特点是：散热性好，密封性不是很好。 五、主轴滑动轴承液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流阀和轴承三部分组成。优点：承载能力高，旋转精度高，油膜有均化误差的作用，可提高加工精度，抗振性好，运转平稳，既能在极低转速下工作也能在极高转速下工作，摩擦小，轴承寿命长。缺点：需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本较高。 第二节 支承件设计一、支承件的功能和应满足的基本要求（一）支承件的功能机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件，相互固定连接成机床的基础和框架。- 25 - 主要功能是保证机床各零部件之间的相互位

32、置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。（二）支承件应满足的基本要求应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗（动刚度）和阻尼。 热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小。排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。 二、支承件的结构设计（一）支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计是在最小质量条件下，具有最大静刚度。 无论圆形、正方形还是矩形，空心截面的刚度都比实心的大；而且同样的截面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以为提高支承件刚度，支承件的截面应是中控形状

33、，尽可能加大截面尺寸，在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。当然壁厚不能太薄，以免出现薄壁振动。圆（环）形截面的抗扭刚度比正方形好，而抗弯刚度比正方形差。因此，以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方向为受弯方向；以承受扭矩为主的支承件的截面形状应取圆（环）形。封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。 - 26 - 设计时应尽量把支承件的截面做成封闭形状。但是为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，有时不能做成全封闭形状。（二）支承件肋板和肋条的布置肋板的布置取决于支承件的受力变形方向。一般将肋条配置于支承件某一内壁上，主要为了减少局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部

34、刚度。 三、支承件的材料（详细见P166）（一）铸铁铸造支承件要进行时效处理，以消除内应力。铸铁铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减的性能好，成本低，适于成批生产。（二）钢板焊接结构用钢板和型钢等焊接支承件，其优点：制造周期短；支承件可制成封闭结构，刚性好；便于产品更新和结构改进。缺点：抗振性较铸铁差。（三）预应力钢筋混凝土抗振性好，成本低。（四）天然花岗岩优点：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。缺点：抗冲击性能差，脆性大，油和水等液体易渗入晶界中，使 - 27 - 表面局部变形胀大，难于制作复杂的零件。（五）树脂混凝土优点：刚度高；抗

35、振性好；热稳定性高；有良好的几何形状精度；耐水、耐化学腐蚀和耐热特性。缺点：某些力学性能差，但可以预埋金属或添加加强纤维。四、提高支承件结构性能的措施（一）提高支承件的静刚度和固有频率提高支承件的静刚度和固有频率的主要方法是：合理地选择支承件的材料、截面形状、尺寸和壁厚；合理地布置肋板和肋条，以提高结构整体和局部的抗弯刚度和抗扭刚度。（二）提高动态特性（1）改善阻尼特性（2）采用新材料制造支承件（如树脂混凝土材料） 第三节 导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求（一）导轨的功用和分类导轨的功用是 承受载荷 和 导向 。导轨按结构形式分为 开式导轨 和 闭式导轨 。导轨副按导轨面的摩擦性质可分

36、为滑动导轨副和滚动导轨副。滑动导轨副中又可分为普通滑动导轨、静压导轨和卸荷导轨等。 - 28 - （二）导轨应满足的要求导向精度高 承载能力大、刚度好 精度保持性好 低速运动平稳 结构简单、工艺性好、寿命长、便于加工、装配、调整和维修、成本低等。二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（详细见P173）（一）直线运动导轨的截面形状（1）矩形导轨特点：承载能力大，刚度高，加工、维修较方便。但磨损后不能自动补偿间隙。必须设置间隙调整装置。存在侧面间隙，需用镶条调整，导向性差。适用范围：适用于载荷较大而导向性要求略低的机床。（2）三角形导轨特点：导轨面磨损时，动导轨自动下沉，自动补偿磨损量，不会产生间

37、隙。其导向性随顶角的大小而改变。顶角越小导向性越好，但摩擦力也越大。顶角一般为90度，小于90度可提高导向精度，110120度时可提高承载能力。小顶角用于轻载精密机械；大顶角用- 29 - 于大型或重型机床。（3）燕尾形导轨特点：导轨的高度较小，结构紧凑，间歇调整方便，可以承受较大的颠覆力矩。刚度差，加工、检验和维修不方便。适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件中（如车床刀架）。（4）圆柱形导轨特点：制造方便，工艺性好。磨损后间隙很难调整和补偿。适用范围：主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。（如拉床、钻床的主轴和导向套组成的导轨副。）（二）导轨的组合形式机床直线运动导轨通常由两条导轨组合

38、而成，根据不同要求，机床导轨主要有如下形式的组合：（1）双三角形导轨优点：不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。 缺点：工艺性差，加工、检验和维修不方便。适用范围：多用在精度要求较高的机床中，如丝杠车床、导轨磨床、齿轮磨床等。（2）双矩形导轨 - 30 - 优点：承载力大，制造简单。缺点：侧导向面需要用镶条调整间隙。适用范围：多用在普通精度机床和重型机床中，如重型车床、组合机床、升降台铣床等。双矩形导轨的导向方式有两种：由两条导轨的外侧导向时，叫做宽式组合。分别由一条导轨的两侧导向时，叫做窄式组合。窄式双矩形导轨的导向性比宽式双矩形导轨好。（3）矩形和三角形导轨的组合特点:这类

39、组合的导向性好，刚度高，制造方便，应用最广。 如车床、磨床、龙门铣床的床身导轨。（4）矩形和燕尾形导轨的组合特点：能承载较大力矩，调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。（三）导轨间隙的调整间隙过大，将影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨磨损加快。因此必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整。导轨间隙常用 压板 和 镶条 来调整。（1）压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。（2）镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨侧向间隙。镶条应放在导轨受力较小一侧。常用的有平镶条和斜镶条两种。 第四章 工业机器人设计- 31 - 第一节 概述一、工业机器人的定义和工作原理（详细见P218

40、）（一）机器人的定义工业机器人是一种自动化生产设备。用于生产的机器人。可以广义的把机器人理解为模仿人的机器。我国国家标准将工业机器人定义为：是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或夹持工具，用以完成各种作业。（二）工业机器人的基本工作原理工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供作业所须得运动和动力，其基本原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。工业机器人与机床的异同：同：二者的末端执行器都有位姿变化要求。二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。 异：机床是按直角坐标形式运动为主；机器人是按关节形式运动为主；机床

41、对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低。 二、工业机器人的构成及分类- 32 - （一）工业机器人的构成1）操作机 是机器人的机械本体，也称为主机。通常由末端执行器（又称手部）、手腕、手臂（又可分为大臂和小臂）及机座（又称机身或立柱）组成。2）驱动单元 由驱动装置（工业机器人常用的驱动方式：电动机驱动、液压、气压三种）、减速器和 刚度和精度较低。2）球坐标型机器人（又称极坐标型）其特点：灵活性好，工作空间范围大。 刚度、精度较差。3）圆柱坐标型机器人其特点：灵活性较好，工作空间范围较大。 刚度、精度较好。4）直角坐标型机器人其特点：灵活性差，工作

42、空间范围小。 刚度和精度高。三、工业机器人的主要特性表示方法（一）机械结构类型- 33 - 机器人的机械结构类型特征，用它的结构坐标形式和自由度数表示。自由度 是表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示。（二）工作空间工作空间指工业机器人正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，用它来衡量机器人工作范围能力的大小。机床的工作空间一般为长方体或圆柱体空间；而机器人的工作空间形状复杂。四、工业机器人的设计方法（一）基本技术参数的选择1）用途，如搬运等。2）额定负载 （即指在机器人规定的性能范围一般指位姿准确度及位姿重复性、轨迹准确度及轨迹重复性、最小定位时间及分辨

43、率等。性能指标应按作业要求确定。第二节 工业机器人运动功能设计- 34 - 一、工业机器人的位姿描述工业机器人的位姿是指其末端执行器在制定坐标系中的位置和姿态。（一）作业功能姿态描述法所谓用作业动作功能要求来描述机器人位姿，就是直接用末端执行器和机座之间的齐次坐标变换来描述。（二）工业机器人的轨迹解析正运动解析：知道各关节运动量来求执行元件的轨迹。优点：结果直观，修改方便。 缺点：工作量大，操作难度大。逆运动解析：由机器人的末端执行器的位姿求关节运动量。 优点：结果不是唯一的，简单易行。 缺点：成本高，生命周期短。第三节 工业机器人传动系统设计一、工业机器人的传动系统设计（一）谐波齿轮减速装置

44、1、工作原理谐波齿轮传动装置是由三个基本构件组成的，即具有内齿的刚轮G ，具有外齿容易变形的薄壁圆筒状 柔轮R 和 谐波发生器H ，如右图。2、传动比计算1）波发生器主动、刚轮固定、i- 35 - GHRZR=-ZG-ZR 柔轮从动时，波发生器与柔轮的减速传动比：2）波发生器主动、柔轮固定、刚轮从动时，波发生器和刚轮的减速RiH传动比： G=ZGZG-ZR3、谐波减速器在机器人中的应用谐波减速器的特点：优点：传动比大、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高、体积小、质量轻。缺点：传动功率小、成本高、制作复杂。 第四节 工业机器人的机械结构系统设计 工业机器人机械结构系统由机座、手臂、手腕、末

45、端执行器和移动装置组成。一、工业机器人的手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是通过机械接口连接并支承末端执行器，在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。（一）设计要求对工业机器人手腕设计的要求有：应力求手腕部件的结构紧凑，减小其质量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安装在手臂的后端。 手腕的自由度愈多，其动作的灵活性愈高，会使手腕结构复杂，运 - 36 - 动控制加度加大。通用目的机器手手腕多配置三个自由度，因此，设计时根据作业实际需要，可减少其自由度数，

46、甚至可以不设置手腕，以简化结构。为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械档块，以防止关节超限造成事故。 第五章 机床夹具设计 第一节 机床夹具的功能和应满足的要求一、机床夹具的功能保证加工精度一是工件通过夹具上的定位元件获得正确的位置，称为定位。二是通过夹紧机构使工件的既定位置在加工过程中保证不变，称为夹紧。提高生产率使用夹具来安装工件，可减少划线、找正、对刀等辅助时间，采用多件、多工位夹具，以及气动、液压动力夹紧装置，可以进一步减少辅助时间，提高生产率。扩大机床的使用范围有些机床夹具实质上是对机床进行了

47、部分改造，扩大了原有机床的功 - 37 - 能和使用范围。减轻工人的劳动强度，保证生产安全。 二、机床夹具应满足的要求保证加工精度。（这是必须做到的基本要求。其关键是正确的定位、夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验证。） 夹具的总体方案应与年生产纲领相适应。安全、方便、减轻劳动强度。排泄顺畅。机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性。 第二节 机床夹具的类型和组成一、机床夹具的类型（详细见P272）（1）通用夹具（通用性强，一般不需调整就可适应多种工件的安装加工，在单件小批量生产中广泛应用。）（2）专用夹具（用于某一特定工序的夹具，称为专用夹具。广泛用于成批和大批量生产中。）

48、（3）可调整夹具和成组夹具（可调整夹具在结构上可分为基础部分和可调整部分两大部分。特点是具有一定的可调性，或称“柔性”。用于多品种、中小批量生产中。）（4）组合夹具（它是由一系列的标准化元件组装而成，标准元件有不同的形状，尺寸和功能，其配合部分有良好的互换性和耐磨性。它 - 38 - 特别适合单件小批生产中位置精度要求较高的工件的加工。）（5）随行夹具（这是一类在自动线和柔性制造系统中使用的夹具。）二、机床夹具的基本组成（1）定位元件及定位装置（用于确定工件正确位置的元件或装置。）（2）夹紧元件及夹紧装置（用于固定工件已获得的正确位置的元件或装置。）（3）导向及对刀元件（用于确定工件与刀具相互

49、位置的元件。）（4）动力装置（5）夹具体（6）其他元件及装置 第三节 机床夹具定位机构的设计一、工件定位（详细见P277）（一）六点定位原理采用六个一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，使工件实现完全定位。（二）完全定位和不完全定位根据工件加工表面的位置要求，需要将工件的六个自由度全部限制，称之为完全定位。有时需要限制的自由度少于六个，称之为不完全约束。（三）定位的正常情况与非正常情况- 39 - 根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度均已被限制，就称为定位的正常情况，它可以是完全定位，也可以是不完全定位。（1）根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度没有完全被限制，称之为欠定

50、位。（2）根据加工表面的位置尺寸要求，某自由度被两个或两个以上的约束重复限制，称之为过定位。（3）欠定位，不能保证位置精度，在加工中绝对不允许的。（4）过定位在以下两种特殊场合中是允许的。一是工件刚度很差，在夹紧力、切削力作用下会产生变形，此时过定位只是提高工件某部位的刚度，减小变形。二是工件的定位表面和定位元件在尺寸、形状、位置精度已很高时，过定位有利于提高刚度。 二、典型的定位方式、定位元件及装置（详细见P280）（一）平面定位对于箱体、床身、机座、支架类零件的加工，最常用的定位方式是以平面为基准。1、支承钉和支承板 也称为固定支撑。2、可调支承和自位支承3、辅助支承（主要作用是用于增加工

51、件的刚度，减小切削变形。）（二）孔定位常用定位元件是各种心轴和定位销。 - 40 - （三）外圆定位工件以外圆柱表面定位有两种形式，一种是定心定位，另一种是支承定位（V型块定位）。 三、定位误差的分析与计算（一）定位误差定位误差指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。（二）产生定位误差的原因（详细见P289）1、定位基准不重合误差（1） 平面定位情形（2） V型块定位（120V形块定位精度高，但稳定性差。60V形块定位精度低，但稳定性高。90V形块定位精度和稳定性居中，应用最多。）2、位移误差 第四节 机床夹具夹紧机构的设计 一、夹紧机构设计应满足的要求设计夹紧机构应遵循的主要

52、原则是：夹紧必须保证定位准确可靠，而不能破坏定位。工件和夹具的变形必须在允许的范围内。- 41 - 夹紧机构必须可靠。夹紧机构操作必须安全、省力、方便、迅速、符合工人操作习惯。 夹紧机构的复杂程度、自动化程度必须与生产纲领和工厂的条件相适应。 二、夹紧力的确定夹紧力包括方向、作用点和大小三个要素。三、常用夹紧机构斜楔夹紧机构 螺旋夹紧机构 偏心夹紧机构 第五节 机床夹具的其它装置 一、孔加工刀具的导向装置（一）钻孔的导向装置钻床夹具中钻头的导向采用钻套，钻套有固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套四种。（二）镗孔的导向 第七章 机械加工生产线总体设计 第一节 概述一、机械加工生产线定义及其基本

53、组成- 42 - 在机械产品生产过程中，为保证产品质量、提高生产率和降低成本，往往把加工装备按照加工工艺顺序依次排列，并用一些传送装备与辅助装备将它们连接成一个整体，使之能够完成工件的指定加工过程。这类生产作业线称之为机械加工生产线。 机械加工生产线由 加工装备 、 工艺装备 、 传送装备 、 辅助装备 和 控制系统 组成。 二、 机械加工生产线的类型（一）单一产品固定节拍生产线特点：生产线用于制造单一品种的产品，生产效率高、产品质量稳定。生产线所有设备的工作节拍等于或成倍于生产线的生产节拍。 生产线的制造装备按产品的工艺流程布局，工件沿固定路线，采用自动化的物流传送装备，严格按生产线的生产节

54、拍，强制地从一台装备传送到下一台装备接受加工、检验、转位或清洗等，以减短工件在工序间的搬运路线，节省辅助时间。如果生产线上的某台设备出现故障，将导致整条生产线的瘫痪。（二）单一产品非固定节拍生产线特点：生产线由生产率较高、具有不同自动化程度的专用制造装备组成，在一些次要的工序也可采用一般的通用装备。生产线的制造装备按产品工艺流程布局，工件沿固定的路线流动，以缩短工件在工序间的搬运路线，节省辅助时间。- 43 - 生产线上各设备的工作周期是其完成各自工序需要的实际时间，是不一样的。工作周期最长的设备将一刻不停地工作，而工作周期较短的准备会经常停工待料。在相邻设备之间，或相隔若干个设备之间需设置储

55、料装置，将生产线分成若干工段。储料装置前后的设备或工段可以彼此独立地工作。 生产线各设备间工件的传输没有固定的节拍，工件在工序间的不断传送通常不是直接从加工装备到加工装备，而是从加工装备到半成品暂存地，或从半成品暂存地到下一个加工装备。（二） 柔性制造生产线这里的“柔性”，是指适应各种生产条件变化的能力。特点：由高度自动化的多功能柔性加工装备、物料传送装备及计算机控制系统组成，主要用于中小批量生产各种结构形状复杂、精度要求高、加工工艺不同的同类工件。简化了生产线内工件的运送系统。没有统一的生产节拍。每种工件，甚至同一工件在生产线内流动的路线是不确定的。 方便，但成本高，物流成本大。 第二节 生

56、产线工艺方案的设计 一、生产节拍的平衡- 44 - 生产线的节拍是指连续完成相同的两个产品之间的间隔时间。 采取一下下列措施来实现生产节拍的平衡：综合应用程序分析、动作分析、规划分析、搬运分析、时间分析等方法和手段，对限制性工序进行评估优化，使作业改善。作业转移、分解与合并。采用新的工艺方法，提高工序节拍。增加顺序加工工位。实行多件并行加工，以提高单件的工序节拍。在同一工位上增加同时加工工件的数目。 第三节 生产线专用机床的总体设计 一、生产线所采用的工艺装备类型生产线所采用的工艺装备类型，可分为以下几大类：（1）通用的自动机床和半自动机床。（2）经自动化改造的通用机床。（3）专用机床。 二、

57、生产线总体设计的主要任务总体方案设计的具体工作是编制“三图一卡”，即：绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图，编制生产率计算卡。- 45 - （一）被加工零件工序图被加工零件工序图是根据选定的工方案，表示在一台专用机床或一条生产线上完成的工艺内容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求，加工用定位基准、夹紧部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前加工余量、毛坯或半成品情况的图样。被加工零件工序图是在原有零件图的基础上，为突出本机床或生产线的加工内容，并作必要的说明而绘制的。它是专用机床设计的主要依据，也是制造及使用时检验和调整机床的重要技术文件。（二）加工示意图加工示意图是

58、根据生产线要求和工序图要求而拟定的机床工艺方案，表达了被加工零件在机床上的加工过程和加工方法；是工件、刀具、夹具和机床各部件间的相对位置关系图；是刀具、辅具、夹具、电气、液压、主轴箱等部件设计的重要依据；是机床布局和机床性能是原始要求；是机床试车前对刀和调整的技术资料。（三）机床总联系尺寸图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，绘制出机床的配置形式，主要构成及各部件安装位置、相互联系、运动关系和操作方位的总体布局图。（四）机床生产率计算卡机床生产率计算卡是反映机床生产节拍或实际生产率和切削用量、动作时间、生产纲领及负荷率等关系的技术文件。它是用户验收机床生产效率的重要依据。- 46 - 第四节 机械加工生产线的总体布局设计一、生产线总体布局形式（详细见P423）（一）直接输送方式（二）带随行夹具方式（三）悬挂输送方式（四）生产线的连接方式 - 47 -