机械系统设计4章

1、执行系统的组成执行系统的组成执行系统的功能执行系统的功能执行系统的分类执行系统的分类执行轴设计执行轴设计执行系统的设计执行系统的设计导轨设计导轨设计前期内容回顾前期内容回顾机械系统组成及功能机械系统组成及功能 机械系统机械系统主要由主要由动力系统动力系统、执行系统执行系统、传动系统传动系统、操纵和控操纵和控制系统制系统、支承系统支承系统及及润滑润滑- -冷却及密封系统冷却及密封系统等子系统组成。等子系统组成。 执行系统的功用执行系统的功用是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状、位置或进行检测等。由于每个系统要完成的功能各不相同，形状、位置或进行检测

2、等。由于每个系统要完成的功能各不相同，所以，对其执行系统的运动、工作载荷等技术要求也各不相同，所以，对其执行系统的运动、工作载荷等技术要求也各不相同，进而执行系统也是多种多样的。但它的组成不外乎由进而执行系统也是多种多样的。但它的组成不外乎由执行末端件执行末端件和和执行机构组件执行机构组件这两大类零、部件来构成。这两大类零、部件来构成。 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 执行系统执行系统是机械系统中的一个重要组成部分，是是机械系统中的一个重要组成部分，是直接完成机械直接完成机械系统预期工作任务的部分系统预期工作任务的部分。（定义）（定义）一、执行系统的组成一、执行系统的组成4.1 4.

3、1 执行系统的组成、功能及分类执行系统的组成、功能及分类喷涂机器人喷涂机器人工作录像工作录像第第4章章 执行系统设计执行系统设计 执行系统由执行系统由执行末端件（执行构件）执行末端件（执行构件）和与之相连的和与之相连的执行机构执行机构组组成。成。（组成）（组成） 执行末端件执行末端件是执行系统中是执行系统中直接完成工作任务的零部件。直接完成工作任务的零部件。 执行机构执行机构的主要作用是的主要作用是给执行末端件提供力给执行末端件提供力和和带动它实现运动带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执即把传动系统传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。

4、行末端件的要求。 4.1 4.1 执行系统的组成、功能及分类执行系统的组成、功能及分类手爪平行开闭式手爪平行开闭式机械手结构示意图机械手结构示意图工作任务：工作任务：夹持工件夹持工件一、一、 执行系统的组成执行系统的组成手爪平行开闭式机械手结构示意图手爪平行开闭式机械手结构示意图第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计执行机构：执行机构： 1 1、88滑动齿条滑动齿条 99滑动齿条导轨滑动齿条导轨 1010压缩弹簧压缩弹簧 传动机构：传动机构： 4 4双面齿条双面齿条 2 2、33齿轮齿轮动力装置：动力装置： 5 5气缸气缸 6 6活塞活塞组成及运动关系组成及运动关系执行末端件：执行末端件：

5、11 11可换夹爪可换夹爪 一、一、 执行系统的组成执行系统的组成第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计卧式车床主轴组件卧式车床主轴组件 卧式车床的主轴通过顶尖或夹盘卧式车床的主轴通过顶尖或夹盘( (图中未画出图中未画出) )带动被加工的工件旋带动被加工的工件旋转时，转时，顶尖或夹盘顶尖或夹盘就是就是执行末端件执行末端件，而，而主轴组件主轴组件则为则为执行机构执行机构。 顶尖顶尖执行末端件执行末端件执行机构执行机构执行末端件的作用是：夹持、转动执行末端件的作用是：夹持、转动夹持夹持如何夹持？如何夹持？工件夹持位置？工件夹持位置？回转轴回转轴手爪手爪打开打开夹持力夹持力执行末端件执行末端件的两

6、种的两种形式形式：第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计1 1）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作；）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作； ( (如如夹持夹持、搬运、输送、转动（分度与转位）等、搬运、输送、转动（分度与转位）等) ) 2 2）在工作对象上完成一定的动作。）在工作对象上完成一定的动作。( (如喷徐、洗刷、锻压等如喷徐、洗刷、锻压等) ) 工件夹持位置工件夹持位置夹持器夹持器向下运动向下运动夹持力夹持力第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计执行末端件执行末端件的两种的两种形式形式：1 1）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作；）与工作对象直接接触并携带它完成一定

7、的动作； ( (如如夹持夹持、搬运、输送、转动（分度与转位）等、搬运、输送、转动（分度与转位）等) ) 夹持夹持手爪手爪闭合闭合手爪手爪打开打开第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计搬运搬运执行末端件执行末端件的两种的两种形式形式：1 1）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作；）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作； ( (如如夹持夹持、搬运、输送、转动（分度与转位）等、搬运、输送、转动（分度与转位）等) ) 回转轴回转轴齿条齿条移动移动第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 输送输送是指将工件按给定的路线，是指将工件按给定的路线， 从一个位置运送到下个位置。从一个位置运送到下个位

8、置。按输送路线按输送路线直线输送直线输送环形输送环形输送空间输送空间输送按输送方式按输送方式连续输送连续输送间歇输送间歇输送输送输送间歇输送间歇输送第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 输送输送是指将工件按给定的路线，是指将工件按给定的路线， 从一个位置运送到下个位置。从一个位置运送到下个位置。按输送路线按输送路线直线输送直线输送环形输送环形输送空间输送空间输送按输送方式按输送方式连续输送连续输送间歇输送间歇输送输送输送间歇输送间歇输送执行末端件执行末端件的两种的两种形式形式：第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2）在工作对象上完成一定的动作。）在工作对象上完成一定的动作。( (如

9、喷徐、洗刷、锻压等如喷徐、洗刷、锻压等) ) 汽车保险杠喷涂汽车保险杠喷涂汽车车桥喷涂汽车车桥喷涂第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 以上例中的以上例中的执行系统执行系统有的是由有的是由纯机械结构纯机械结构组成的。组成的。 随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断发生变化：随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断发生变化： 一方面由于一方面由于机械的含义在不断地扩展机械的含义在不断地扩展，如电子、电器、光学、，如电子、电器、光学、液体、气体等也可以直接与纯机械结构结合，组成较先进的液体、气体等也可以直接与纯机械结构结合，组成较先进的机电、机电、机光、机液等执行机构机光、机液等执行机构

10、； 另一方面又另一方面又由于传动系统变得越来越简单由于传动系统变得越来越简单，有时，有时一个机构可一个机构可以既是传动系统又是执行系统以既是传动系统又是执行系统，如连杆机构的应用，所以，执行，如连杆机构的应用，所以，执行系统可以由一个简单的结构来组成，也可以由一些基本结构组合系统可以由一个简单的结构来组成，也可以由一些基本结构组合成的复杂机构来组成。这主要视系统的功能来决定。成的复杂机构来组成。这主要视系统的功能来决定。 一般说来，能完成同一功能的执行系统可以有不同的方案，一般说来，能完成同一功能的执行系统可以有不同的方案，但应选出但应选出既能满足功能要求既能满足功能要求，又简单又简单、可靠可

11、靠的一个方案。的一个方案。 执行系统实例执行系统实例第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计真空吸盘，将钢板吸取真空吸盘，将钢板吸取 真空吸盘，吸瓷砖、码垛真空吸盘，吸瓷砖、码垛 执行系统实例执行系统实例第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计提升、翻转、码垛提升、翻转、码垛冲压冲压KUKAKUKA码垛机器人码垛机器人执行系统实例执行系统实例第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计码垛机器人码垛机器人第第4章章 执行系统设计执行系统设计机器人灵巧手机器人灵巧手 灵巧手有灵巧手有4个相同结构的手指，共个相同结构的手指，共13个自由度，个自由度，机械零件机械零件600多个，电子元器件多个，电子元器

12、件1600多个，重量多个，重量只有只有16千克。每个手指有千克。每个手指有4个关节，由个关节，由3个电机个电机驱动，每个手指能提起驱动，每个手指能提起l千克的重物。共有千克的重物。共有94个传个传感器，能够感觉各个手指的位置、姿态。感器，能够感觉各个手指的位置、姿态。 二、二、 执行系统的功能执行系统的功能 执行系统一般可实现下列各种功能执行系统一般可实现下列各种功能: :1 1 实现运动形式或运动规律变换的功能实现运动形式或运动规律变换的功能 2 2 实现开关、联锁和检测等的功能实现开关、联锁和检测等的功能3 3 实现程序控制的功能实现程序控制的功能 4 4 实现施力功能实现施力功能第第4

13、4章章 执行系统设计执行系统设计1 1实现运动形式或运动规律变换的功能实现运动形式或运动规律变换的功能 二、二、 执行系统的功能执行系统的功能 (1)(1)实现实现预期固定轨迹预期固定轨迹或或简单可调的轨迹简单可调的轨迹功能；功能； 问题：如何实现末点任意轨迹的运动问题：如何实现末点任意轨迹的运动实现末点任意轨迹的运动实现末点任意轨迹的运动第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计实现预定的运动轨迹实现预定的运动轨迹凸轮凸轮凸轮凸轮1实现运动形式或运动规律变换的功能实现运动形式或运动规律变换的功能 二、二、 执行系统的功能执行系统的功能第第4章章 执行系统设计执行系统设计 (1)实现实现预期固定

14、轨迹预期固定轨迹或或简单可调的轨迹简单可调的轨迹功能；功能； (2)匀速匀速运动运动(平动、转动平动、转动)与与非匀速运动非匀速运动(平动、转动或摆动平动、转动或摆动)的的变换变换； (3)连续运动连续运动与与间歇式间歇式的转动或摆动的的转动或摆动的变换变换 下面以牛头刨床加工零件的运动过程为例介绍：下面以牛头刨床加工零件的运动过程为例介绍：1)匀速匀速非匀速运动变换、非匀速运动变换、2)连续连续间歇运动的变换间歇运动的变换执行系统典型实例执行系统典型实例牛头刨床加工零件牛头刨床加工零件第第4章章 执行系统设计执行系统设计牛头刨加工零件有两个执行末端件：刀具和工作台牛头刨加工零件有两个执行末端

15、件：刀具和工作台1 刀具的运动刀具的运动1）刀具慢进）刀具慢进(切削工件切削工件)2）刀具快退（不切削工件）刀具快退（不切削工件）3）刀具上下运动刀具与工件上下相）刀具上下运动刀具与工件上下相对位置调整运动）对位置调整运动）4）刀具与工件的相对位置调整运动）刀具与工件的相对位置调整运动2 工作台（工件）的运动工作台（工件）的运动1）工件进给运动）工件进给运动(横向横向)2）工件进给运动）工件进给运动(高度方向高度方向)牛头刨床牛头刨床 刨刀的运动刨刀的运动实现匀速运动与非匀速运动的变换实现匀速运动与非匀速运动的变换执行系统典型实例执行系统典型实例第第4章章 执行系统设计执行系统设计 工作台进给

16、工作台进给实现连续与间歇式运动的变换实现连续与间歇式运动的变换l 曲柄摇杆曲柄摇杆ABCD机构实现刀具的慢机构实现刀具的慢进和快退进和快退l AB的长度调节行程的长度调节行程l M1,M3调节刀具与工件的相对位置调节刀具与工件的相对位置（XY向）向）l M2调节工作台的高度调节工作台的高度l 曲柄摇杆曲柄摇杆FGHI驱动棘轮驱动棘轮J带动螺杆带动螺杆K实现每循环进给量实现每循环进给量第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计牛头刨床演示动画牛头刨床演示动画切削运动切削运动慢进慢进不切削不切削快退快退2 2 实现开关、联锁和检测等的功能实现开关、联锁和检测等的功能 二、二、 执行系统的功能执行系统

17、的功能第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计(1)(1)用来实现运动的离合或开停；用来实现运动的离合或开停；(2)(2)用来换向、超越或反向止动；用来换向、超越或反向止动；(3)(3)用来实现联锁、过载保护、安全制动；用来实现联锁、过载保护、安全制动；(4)(4)实现锁止、定位、夹压等；实现锁止、定位、夹压等；(5)(5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。3 3实现程序控制的功能实现程序控制的功能 1-1-凸轮轴凸轮轴 2-2-支架支架3-3-微动开关微动开关 4-4-压杆压杆 5-5-进给滑道进给滑道6- 6- 检测探头检测探头 7-7-工

18、件工件( (垫圈垫圈) 8-) 8-止动臂止动臂 自动检测垫圈内径装置自动检测垫圈内径装置第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计包含的运动包含的运动1)1)上料运动上料运动 ( (垫圈进入进给滑道、向垫圈进入进给滑道、向前运动前运动( (间歇运动间歇运动) )2) 2) 到达检测工位后到达检测工位后停止停止3) 3) 凸轮轴的转动凸轮轴的转动4) 4) 止动臂的摆动止动臂的摆动( (间歇运动间歇运动) )5) 5) 压杆的上下运动压杆的上下运动( (间歇运动间歇运动) ) a)a)内径尺寸合格内径尺寸合格 b)b)内径尺寸太小内径尺寸太小 c)c)内径尺寸太大内径尺寸太大问题：问题：如何确定

19、不合格品是大是小？如何确定不合格品是大是小？自动检测垫圈内径装置自动检测垫圈内径装置检测原理检测原理77工件；工件；44带探头的压杆；带探头的压杆；11微动开关微动开关 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计自动检测螺钉长度装置自动检测螺钉长度装置第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计如何区分螺钉长度？如何区分螺钉长度？ 1 1）长于标准值）长于标准值 2 2）等于标准值）等于标准值 3 3）小于标准值）小于标准值第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计4 4实现施力功能实现施力功能- -对工作对象施加力或力矩达到完成生产任务的目的对工作对象施加力或力矩达到完成生产任务的目的二、二、 执行

20、系统的功能执行系统的功能液压机液压机11下砧；下砧；22上砧；上砧；33活动横梁活动横梁三、三、 执行系统的分类及特点执行系统的分类及特点 执行系统分类：执行系统分类： 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计按执行系统按执行系统对运动和动力的不同要求对运动和动力的不同要求可分为：可分为：动作型、动力型、动作动力型动作型、动力型、动作动力型。 按执行系统中按执行系统中执行机构的相互联系情况执行机构的相互联系情况分：分：单一型、相互独立型单一型、相互独立型、相互联系型相互联系型 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计类别类别特点特点应用举例应用举例按执行按执行系统对系统对运动和运动和动力的动力

21、的要求要求动作型动作型要求执行系统要求执行系统实现预期精度的动作实现预期精度的动作( (位移、速度、位移、速度、加速度等加速度等) )，而对执行系统中各构件的强度、刚，而对执行系统中各构件的强度、刚度无特殊要求度无特殊要求缝纫机、包糖机、印刷缝纫机、包糖机、印刷机等机等动力型动力型要求执行系统要求执行系统能克服较大的生产阻力，做一定的能克服较大的生产阻力，做一定的功功，因此对执行系统中各构件的强度、刚度有严，因此对执行系统中各构件的强度、刚度有严格要求，但对运动精度无特殊要求格要求，但对运动精度无特殊要求曲柄压力机、推土机、曲柄压力机、推土机、挖掘机、碎石机等挖掘机、碎石机等动作动力型动作动力

22、型要求执行系统要求执行系统既能实现预期精度的动作，又要克既能实现预期精度的动作，又要克服较大的生产阻力，做一定的功服较大的生产阻力，做一定的功滚齿机、插齿机等滚齿机、插齿机等按执行按执行系统中系统中执行机执行机构的相构的相互联系互联系情况情况单一型单一型在执行系统中，只有一个执行机构工作在执行系统中，只有一个执行机构工作搅拌机、碎石机、皮带搅拌机、碎石机、皮带输输 送机等送机等独立型独立型在执行系统中有多个执行机构进行工作，但它们在执行系统中有多个执行机构进行工作，但它们之间相互独立、没有运动及生产阻力等方面的联之间相互独立、没有运动及生产阻力等方面的联系和制约系和制约外圆磨床的磨削进给与外圆

23、磨床的磨削进给与砂轮转动，起重机的起砂轮转动，起重机的起吊与行走动作等吊与行走动作等相互联系型相互联系型在执行系统中，有多个执行机构，且它们之间有在执行系统中，有多个执行机构，且它们之间有运动及生产阻力等方面上的联系和制约运动及生产阻力等方面上的联系和制约印刷机、包装机、缝纫印刷机、包装机、缝纫机、纺织机机、纺织机三、三、 执行系统的分类及特点执行系统的分类及特点4.2 4.2 执行系统设计执行系统设计执行系统设计特点：执行系统设计特点： 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2）执行系统的一端与被执行）执行系统的一端与被执行( (加工加工) )对象接触，另一对象接触，另一端与传动系统连

24、接。端与传动系统连接。 在设计执行系统时，不但要明确本系统中各零、部件在设计执行系统时，不但要明确本系统中各零、部件的相互作用及设计要求，同时，还要了解与其他系统的联的相互作用及设计要求，同时，还要了解与其他系统的联系、协调和分工，进而使总系统处在最佳状态下工作。系、协调和分工，进而使总系统处在最佳状态下工作。1 1）执行系统是总系统中的一个子系统）执行系统是总系统中的一个子系统执行系统设计特点：执行系统设计特点： 执行系统特点（两个特点）：执行系统特点（两个特点）：执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：2 2）足够的）足够的使用寿命使用寿命和和强度强

25、度、刚度刚度要求要求 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 1 1）保证设计时提出的）保证设计时提出的功能目标功能目标执行系统设计保证设计时提出的执行系统设计保证设计时提出的功能目标的含义功能目标的含义 1 1）执行系统是直接完成产品功能要求的子系统执行系统是直接完成产品功能要求的子系统，执行系统，执行系统不能满足功能目标，则整个系统就无法完成功能目标；不能满足功能目标，则整个系统就无法完成功能目标； 2 2）在保证设计时提出的功能目标的基础上）在保证设计时提出的功能目标的基础上要保证一定的精要保证一定的精度度，如运动精度、动作准确性及施力大小等，如运动精度、动作准确性及施力大小等3 3）

26、各执行机构应）各执行机构应结构合理、配合协调结构合理、配合协调 使用寿命使用寿命与组成此系统的零、部件的寿命有关；与组成此系统的零、部件的寿命有关； 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计对于对于动力型执行系统动力型执行系统中的每一个零、部件如果中的每一个零、部件如果强度不够强度不够会会导致零、部件损坏，造成工作中断，甚至人身事故；导致零、部件损坏，造成工作中断，甚至人身事故； 刚度不足刚度不足所产生的过大弹性变形会影响系统精度或使总系所产生的过大弹性变形会影响系统精度或使总系统不能正常工作。统不能正常工作。足够的足够的使用寿命使用寿命和和强度强度、刚度刚度要求的含义：要求的含义：2 2）足

27、够的）足够的使用寿命使用寿命和和强度强度、刚度刚度要求要求 1 1）保证设计时提出的）保证设计时提出的功能目标功能目标执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：3 3）各执行机构应）各执行机构应结构合理、配合协调结构合理、配合协调 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2）足够的）足够的使用寿命使用寿命和和强度强度、刚度刚度要求要求 1 1）保证设计时提出的）保证设计时提出的功能目标功能目标 不但各执行机构自身的结构设计要合理，而且还要确保不但各执行机构自身的结构设计要合理，而且还要确保各执行机构间的运动协调，以防止由于运动不协调而造成的各执行机构间

28、的运动协调，以防止由于运动不协调而造成的机构间相互碰撞、干涉或工序倒置等事故。机构间相互碰撞、干涉或工序倒置等事故。 各执行机构应各执行机构应结构合理、配合协调结构合理、配合协调 的含义：的含义：执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：执行系统设计的基本要求（三项基本要求）： 通过分析，执行末端件的运动无外乎是通过分析，执行末端件的运动无外乎是回转运动回转运动、直线运动直线运动或者或者两种运动的合成两种运动的合成。第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计执行系统运动特点执行系统运动特点 回转运动：回转运动：圆导轨、轴承、齿轮等；圆导轨、轴承、齿轮等； 电动机、液压马达等电动机、液压马达等直线运

29、动：直线运动：直线导轨、液压缸、电动推杆、电液推杆直线导轨、液压缸、电动推杆、电液推杆 直线电机直线电机/ /旋转电机经转换机构变直线运动旋转电机经转换机构变直线运动电动推杆电动推杆电液推杆电液推杆一、执行轴机构的设计一、执行轴机构的设计第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计执行轴执行轴一般用于产生回转运动来完成执行任务。一般用于产生回转运动来完成执行任务。 如机床中执行轴带动工件或刀具，可完成工件表面的成形加工运动如机床中执行轴带动工件或刀具，可完成工件表面的成形加工运动（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求一、执行轴机构的设计一、执行轴机构的设计第第4 4章

30、章 执行系统设计执行系统设计 执行轴机构一般主要由执行轴机构一般主要由执行轴执行轴、安装在其上的、安装在其上的传动件传动件( (齿轮、皮带齿轮、皮带轮等轮等) )、密封件密封件、轴承轴承、轴承间隙调整轴承间隙调整及及固定元件固定元件( (螺母螺母) )等组成。等组成。1 1 执行轴的组成执行轴的组成（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求CA6140车床主轴车床主轴第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计执行轴的组成举例执行轴的组成举例卧式车床卧式车床CA6140CA6140主轴组件主轴组件主轴结构形式（有利于工件装夹的设计）：主轴结构形式（有利于工件装夹的设计）：

31、 1 1）中空阶梯轴（可通过棒料、拆卸顶尖）中空阶梯轴（可通过棒料、拆卸顶尖） 2 2）前端锥孔为莫氏）前端锥孔为莫氏6 6号锥度，可安装顶尖号锥度，可安装顶尖 3 3）前端外圆为短圆锥法兰式结构，可安装卡盘）前端外圆为短圆锥法兰式结构，可安装卡盘（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计1-1-螺钉；螺钉；2-2-环形锁紧盘；环形锁紧盘；3-3-主轴的前端；主轴的前端；4-4-拨盘或卡盘；拨盘或卡盘；5-5-螺母；螺母；6-6-双头螺栓双头螺栓CA6140CA6140车床主轴前端结构车床主轴前端结构（一）、执行轴机构的组成及基

32、本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求执行轴的组成举例执行轴的组成举例卧式车床卧式车床CA6140CA6140主轴组件主轴组件保证轴系精度和刚度的措施保证轴系精度和刚度的措施第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 主轴采用主轴采用两支承结构两支承结构 前支承前支承是是P5P5级精度的级精度的NN3021KNN3021K型型双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承，用，用于承受径向力。于承受径向力。 后支承后支承采用一个采用一个P5P5级精度的级精度的向心球轴承向心球轴承和一个和一个P5P5级精度的级精度的推力球轴承推力球轴承组成，分别承受径向力和轴向力。组成，分别承受径向力和轴向力。（一）、执

33、行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计选用轴承的特点：选用轴承的特点： NN3021KNN3021K型型双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承，具有刚性好、精度高、，具有刚性好、精度高、承载能力大等优点承载能力大等优点 ； 轴承的内环很薄，而且与主轴的配合面有轴承的内环很薄，而且与主轴的配合面有112112的锥度，因的锥度，因此当内环与主轴有相对位移时，内环产生径向弹性膨胀，此当内环与主轴有相对位移时，内环产生径向弹性膨胀，从而调整了轴承径向间隙达到了预紧的目的从而调整了轴承径向间隙达到了预紧的目的 。（一）、执行轴机构的组成及基本要求

34、（一）、执行轴机构的组成及基本要求1:12锥度锥度第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计轴承的预紧轴承的预紧轴承的润滑和密封轴承的润滑和密封1 1）主轴前后支承的润滑都是由）主轴前后支承的润滑都是由油泵供油油泵供油，润滑油通过进油孔对，润滑油通过进油孔对轴承进行充分的润滑，并带走主轴旋转所产生的热量。轴承进行充分的润滑，并带走主轴旋转所产生的热量。2 2）主轴前后两端采用了油沟式密封，油沟为轴套）主轴前后两端采用了油沟式密封，油沟为轴套( (螺母螺母) )外表面外表面上锯齿形截面的环形槽。主轴旋转时，由于离心力使油液沿着斜上锯齿形截面的环形槽。主轴旋转时，由于离心力使油液沿着斜面被甩回，经回

35、油孔流回箱底，最后流回到床腿内的油池中。面被甩回，经回油孔流回箱底，最后流回到床腿内的油池中。（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计执行轴的组成举例执行轴的组成举例M1432AM1432A型型万能外圆磨床砂轮架主轴组件万能外圆磨床砂轮架主轴组件特点特点: :1 1 高回转精度高回转精度; 2 ; 2 高刚度高刚度;3 ;3 抗振性抗振性;4 ;4 耐磨性耐磨性（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计高回转精度和刚度保证措施高回转精度和刚度保证措施短三瓦式滑动

36、轴承短三瓦式滑动轴承 砂轮架主轴的径向支承是砂轮架主轴的径向支承是“短三瓦短三瓦”式滑动轴承。每一滑动轴承由三块扇式滑动轴承。每一滑动轴承由三块扇形轴瓦组成。每块轴瓦形轴瓦组成。每块轴瓦1 1都支承在球面支承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉都支承在球面支承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉1010即可调整轴承的间隙。螺钉即可调整轴承的间隙。螺钉1111是锁紧螺钉。短三瓦轴承是液体动压滑动轴承。是锁紧螺钉。短三瓦轴承是液体动压滑动轴承。 执行轴的组成举例执行轴的组成举例M1432AM1432A型型万能外圆磨床砂轮架主轴组件万能外圆磨床砂轮架主轴组件（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的

37、组成及基本要求 1 1）旋转精度）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）（径向跳动、轴向串动、角度摆动） 2 2）执行轴的静）执行轴的静刚度刚度（静态刚度和动态刚度）（静态刚度和动态刚度） 3 3）执行轴的）执行轴的抗振性抗振性（承受交变载荷时能平稳工作而不发生振动）（承受交变载荷时能平稳工作而不发生振动） 4 4）温升和热变形）温升和热变形 5 5）执行轴的）执行轴的耐磨性耐磨性( (精度保持性，轴承磨损后的自补偿精度保持性，轴承磨损后的自补偿) )第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计要求执行轴机构的设计要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的

38、组成及基本要求 1 1）旋转精度）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）（径向跳动、轴向串动、角度摆动） 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计要求执行轴机构的设计要求 执行轴的旋转精度指装配后，在执行轴的旋转精度指装配后，在无载荷无载荷、低转速低转速条件下，执行轴安装条件下，执行轴安装工件或刀具部位相对于理想旋转中心工件或刀具部位相对于理想旋转中心线的旋转误差线的旋转误差: : 径向跳动、轴向串动、角度摆动径向跳动、轴向串动、角度摆动（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求执行轴的旋转误差执行轴的旋转误差径向跳动径向跳动轴向串动轴向串动

39、角度摆动角度摆动理论轴线理论轴线 1 1）旋转精度）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）（径向跳动、轴向串动、角度摆动） 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计要求执行轴机构的设计要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求径向跳动径向跳动轴向串动轴向串动径向跳动、轴向串动径向跳动、轴向串动如何测量？如何测量？测量方法：打表检测测量方法：打表检测百分表、千分表、扭簧比较仪百分表、千分表、扭簧比较仪轴类零件可以用轴类零件可以用V形块、千分表测跳动形块、千分表测跳动GJB1801-93平行光管平行光管 1 1）旋转精度）旋转精度（径向跳动、

40、轴向串动、（径向跳动、轴向串动、角度摆动角度摆动） 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计要求执行轴机构的设计要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求角度摆动角度摆动角度摆动测量方法角度摆动测量方法角度摆动又称倾角回转误差、回转精度角度摆动又称倾角回转误差、回转精度电子水平仪测平面度电子水平仪测平面度大理石平台大理石平台 平面度检查仪是根据光学自准直原理设计的，它可以精确地测量平面度检查仪是根据光学自准直原理设计的，它可以精确地测量机床或仪器导轨的直线度误差，也可以测量平板等的平面度误差，利机床或仪器导轨的直线度误差，也可以测量平板等的

41、平面度误差，利用光学直角器和带磁性座的反射镜等附件，还可以测量垂直导轨的直用光学直角器和带磁性座的反射镜等附件，还可以测量垂直导轨的直线度误差，以及垂直导轨和水平导轨之间的垂直度误差，与多面体联线度误差，以及垂直导轨和水平导轨之间的垂直度误差，与多面体联用可以测量圆分度误差。用可以测量圆分度误差。平面度测量平面度测量铸铁平台铸铁平台 铸铁平台按用途可以分为以下几类：检验铸铁平台、焊接铸铁平铸铁平台按用途可以分为以下几类：检验铸铁平台、焊接铸铁平台台,划线铸铁平台划线铸铁平台,装配铸铁平台装配铸铁平台,测量铸铁平台测量铸铁平台,装配铸铁平台、实验铸装配铸铁平台、实验铸铁平台、研磨铸铁平台等。其中

42、检验铸铁平台对精度要求较高，铆焊铁平台、研磨铸铁平台等。其中检验铸铁平台对精度要求较高，铆焊铸铁平台对精度要求最低，试验铸铁平台一般是拼接使用，如果震动铸铁平台对精度要求最低，试验铸铁平台一般是拼接使用，如果震动大的情况下还要和地面浇注在一起；研磨铸铁平台选用球铁材质，其大的情况下还要和地面浇注在一起；研磨铸铁平台选用球铁材质，其精度和光洁度是铸铁平台中要求最高的。精度和光洁度是铸铁平台中要求最高的。 铸铁平台铸铁平台铆焊平台铆焊平台检验平台检验平台划线平台划线平台装配平台装配平台研磨平台研磨平台 大理石平台又称为：花岗石平板、花岗岩平板、岩石平板、大理大理石平台又称为：花岗石平板、花岗岩平板

43、、岩石平板、大理石平台、花岗石平台、花岗岩平台、岩石平台、花岗岩石平板、花岗石平台、花岗石平台、花岗岩平台、岩石平台、花岗岩石平板、花岗岩石平台。岩石平台。 花岗石主要矿物成分为辉石，斜长石，少量橄榄石，黑云母以及花岗石主要矿物成分为辉石，斜长石，少量橄榄石，黑云母以及微量磁铁矿，黑色光泽，结构精密，经过亿万年的老化，质地均匀，微量磁铁矿，黑色光泽，结构精密，经过亿万年的老化，质地均匀，稳定性好、强度大、硬度高，能在重负荷下保持高精度。适用于精度稳定性好、强度大、硬度高，能在重负荷下保持高精度。适用于精度要求高的生产项目要求高的生产项目. . 比重：比重：2970-3070kg/m2970-3

44、070kg/m3 3，抗压强度：，抗压强度：245-254N/mm245-254N/mm2 2大理石平台大理石平台大理石平台大理石平台 1 1）旋转精度）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）（径向跳动、轴向串动、角度摆动） 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计要求执行轴机构的设计要求 与旋转精度有关的因素：与旋转精度有关的因素：主要取主要取决于主要件如决于主要件如轴承轴承、轴、壳体孔等的、轴、壳体孔等的制造、装配和调整精度。制造、装配和调整精度。执行轴的旋转误差执行轴的旋转误差（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求径向跳动径向跳动轴

45、向串动轴向串动角度摆动角度摆动高精度轴承是如何加工出来的？高精度轴承是如何加工出来的？如何提高轴、壳体孔的加工精度？如何提高轴、壳体孔的加工精度？ 2 2）静刚度）静刚度 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计的基本要求执行轴机构的设计的基本要求 静刚度简称刚度，指机械系统或零、部件抵抗静态外载荷引起变形的能力静刚度简称刚度，指机械系统或零、部件抵抗静态外载荷引起变形的能力 弯曲刚度：弯曲刚度：为使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的为使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力力)/(/mNFK 扭转刚度：扭转刚度：发生单位扭转角所需要的扭矩

46、发生单位扭转角所需要的扭矩（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求弯曲刚度弯曲刚度 2 2）静刚度）静刚度 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计的基本要求执行轴机构的设计的基本要求影响执行轴弯曲刚度的因素影响执行轴弯曲刚度的因素 轴轴的尺寸、形状、材料的尺寸、形状、材料(轴本身刚度轴本身刚度) 轴承轴承型号、数量、预紧、配置形式、型号、数量、预紧、配置形式、前后支承的距离（支承刚度）前后支承的距离（支承刚度） 执行轴前端执行轴前端悬伸量悬伸量 传动件的布置方式（外力）传动件的布置方式（外力） 执行轴组件的制造和装配质量执行轴组件的制造和装

47、配质量通常主轴本身的弯曲变形约占通常主轴本身的弯曲变形约占50%70%50%70%，轴承及其他变形约占，轴承及其他变形约占30%50%30%50%（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求轴本身轴本身轴承支承刚度轴承支承刚度悬伸量悬伸量外载荷外载荷 2 2）静刚度）静刚度 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计的基本要求执行轴机构的设计的基本要求 执行轴静刚度不足的危害：执行轴静刚度不足的危害： 对于机床等加工设备而言，对于机床等加工设备而言，主轴静刚度的不足对加工精度和主轴静刚度的不足对加工精度和机床性能有直接的影响，并会影机床性能有直接的

48、影响，并会影响主轴部件中的齿轮、轴承的正响主轴部件中的齿轮、轴承的正常工作，降低工作性能和寿命，常工作，降低工作性能和寿命，影响机床抗振性，容易引起切削影响机床抗振性，容易引起切削颤振，降低加工质量颤振，降低加工质量（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求静刚度常用计算方法：静刚度常用计算方法：有限元法有限元法 3 3）执行轴的抗振性）执行轴的抗振性 主轴组件的抗振性是指机床抵抗振动主轴组件的抗振性是指机床抵抗振动(包括受迫振动和自激振动包括受迫振动和自激振动)的的能力。振动会造成工件表面质量和刀具耐用度降低，机床的生产率下降，能力。振动会造成工件表面质量和刀具耐用

49、度降低，机床的生产率下降，加剧机床零件的损坏，恶化工作环境等不良后果。加剧机床零件的损坏，恶化工作环境等不良后果。 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计的基本要求执行轴机构的设计的基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求抗振性主要取决于抗振性主要取决于主轴组件的刚度、阻尼和固有频率主轴组件的刚度、阻尼和固有频率轴承类型及配置轴承类型及配置主轴传动方式主轴传动方式主轴组件质量分布状况主轴组件质量分布状况齿轮和轴承等主要零件的制造精度和装配质量齿轮和轴承等主要零件的制造精度和装配质量动平衡动平衡夹具夹具轴承预紧轴承预紧 4 4）温升和

50、热变形）温升和热变形 主轴组件的热稳定性是指运转中抵抗热位移而保持准确、稳定运转主轴组件的热稳定性是指运转中抵抗热位移而保持准确、稳定运转的能力。的能力。第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计的基本要求执行轴机构的设计的基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求主轴组件在运转中由于摩主轴组件在运转中由于摩擦和搅油产生热量擦和搅油产生热量产生温升产生温升温升过高温升过高主轴组件和箱体等主轴组件和箱体等会产生热变形会产生热变形主轴产生较大且变化主轴产生较大且变化的径向和轴向热位移的径向和轴向热位移影响加工精度影响加工精度使轴承间隙变化，恶

51、化工作条件等使轴承间隙变化，恶化工作条件等 4 4）温升和热变形）温升和热变形 第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计的基本要求执行轴机构的设计的基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求其中轴承温升的影响最大，需加以控制。通常在室湿其中轴承温升的影响最大，需加以控制。通常在室湿20条件下条件下: 普通精度小型机床主轴轴承外圈或轴瓦允许温度为普通精度小型机床主轴轴承外圈或轴瓦允许温度为4550 普通精度大型机床为普通精度大型机床为5055 精密机床为精密机床为3540 高精度机床为高精度机床为2830 。主轴组件的热稳定性主要取决于主

52、轴组件的热稳定性主要取决于轴承类型及配置轴承类型及配置轴承间隙量轴承间隙量润滑和密封方式润滑和密封方式散热条件散热条件高速回转轴高速回转轴不能采用大不能采用大预紧力轴承预紧力轴承 5 5）耐磨性（精度保持性）耐磨性（精度保持性） 主轴组件的耐磨性主轴组件的耐磨性是指抵抗磨损能长期保持其原始制造精度的能力是指抵抗磨损能长期保持其原始制造精度的能力第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴机构的设计要求执行轴机构的设计要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求（一）、执行轴机构的组成及基本要求 耐磨性不高会引起主轴组件的精度保持性不好。为此，要求主轴轴耐磨性不高会引起主轴组件的精度保持性不

53、好。为此，要求主轴轴承、安装刀具或工件的定位面、主轴轴颈及各滑动表面均应有较高的耐承、安装刀具或工件的定位面、主轴轴颈及各滑动表面均应有较高的耐磨性。磨性。主轴组件的耐磨性主要取决于主轴组件的耐磨性主要取决于主轴的材料及热处理主轴的材料及热处理轴承的材料及热处理轴承的材料及热处理轴承类型轴承类型润滑及密封条件润滑及密封条件 主主轴的结构形状比较复杂，应满足轴的结构形状比较复杂，应满足使用要求使用要求，结构要求结构要求及及加工加工、装装配工艺性要求配工艺性要求等。等。第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计1 1 执行轴（主轴）的尺寸及结构设计执行轴（主轴）的尺寸及结构设计（二）、执行轴（主轴）

54、（二）、执行轴（主轴）安装方式应保证：安装方式应保证： 刀具或夹具的定心准确、连接可靠、装卸方便、悬伸量短以及能刀具或夹具的定心准确、连接可靠、装卸方便、悬伸量短以及能够传递足够的转矩等。够传递足够的转矩等。 轴承端部形式轴承端部形式主轴端部是安装刀具、夹具的部位，主轴端部是安装刀具、夹具的部位，其结构形状取决于机床类型。其结构形状取决于机床类型。 通用机床的主轴端部结构已标准化，设计时可查相应的机床标准。通用机床的主轴端部结构已标准化，设计时可查相应的机床标准。有些机床如卧式车床、转塔车床、自动车床、铣床等主轴必须是空心有些机床如卧式车床、转塔车床、自动车床、铣床等主轴必须是空心的，用来通过

55、棒料、拉杆以及取出顶尖等。的，用来通过棒料、拉杆以及取出顶尖等。 主主轴的结构形状比较复杂，应满足轴的结构形状比较复杂，应满足使用要求使用要求，结构要求结构要求及及加工加工、装装配工艺性要求配工艺性要求等。等。第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计1 1 执行轴（主轴）的尺寸及结构设计执行轴（主轴）的尺寸及结构设计（二）、执行轴（主轴）（二）、执行轴（主轴） 对于主轴上得要安装气动、电动或液压式工件自动夹紧装置的机对于主轴上得要安装气动、电动或液压式工件自动夹紧装置的机床，如卧式车床，主轴尾部应有安装基面及相应连接部位。床，如卧式车床，主轴尾部应有安装基面及相应连接部位。 主轴上要安装各种传

56、动件、轴承、紧固件及密封件等，其结构形主轴上要安装各种传动件、轴承、紧固件及密封件等，其结构形状应考虑这些零件的类型、数量、安装定位及紧固方式的要求。状应考虑这些零件的类型、数量、安装定位及紧固方式的要求。 为了便于装配，主轴一般为阶梯形，从前轴颈向后端或从中间向为了便于装配，主轴一般为阶梯形，从前轴颈向后端或从中间向两端轴径逐渐减小。还应注意加工方便性，尽量减少复杂加工。两端轴径逐渐减小。还应注意加工方便性，尽量减少复杂加工。 材料和热处理工艺的选择依据：材料和热处理工艺的选择依据： 载荷特点、刚度要求载荷特点、刚度要求 耐磨性要求耐磨性要求 材料的热处理方法和热处理后的变形情况材料的热处理

57、方法和热处理后的变形情况第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计2 2 执行轴（主轴）的材料和热处理执行轴（主轴）的材料和热处理（二）、执行轴（主轴）（二）、执行轴（主轴） 一般主轴多采用一般主轴多采用45号或号或60号优质中碳钢，号优质中碳钢，调质调质到到HRC2832左右。在安左右。在安装工件或刀具的定心表面以及滑动轴承轴颈处装工件或刀具的定心表面以及滑动轴承轴颈处局部高频淬硬局部高频淬硬至至HRC5055。 对于高精度机床主轴，可选用对于高精度机床主轴，可选用40Cr或低碳合金钢或低碳合金钢20Cr，16MnCr5、12CrNi2A等等渗碳渗碳淬硬至淬硬至HRC60. 对于以滑动轴承为支

58、承的高精度机床主轴，可采用对于以滑动轴承为支承的高精度机床主轴，可采用38CrMoAl渗氮处理渗氮处理，表面硬度可达表面硬度可达11001200HV（6972HRC） 主轴的技术要求主要应满足主轴精度及其他性能的设计要求，同时应考虑制造的可主轴的技术要求主要应满足主轴精度及其他性能的设计要求，同时应考虑制造的可能性和经济性，便于检测等。为此应尽量做到检验、设计、工艺基准的一致性。能性和经济性，便于检测等。为此应尽量做到检验、设计、工艺基准的一致性。第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计3 3 执行轴（主轴）的技术要求执行轴（主轴）的技术要求（二）、执行轴（主轴）（二）、执行轴（主轴） 图示为

59、一主轴的形位公差标注示意图，图中轴颈图示为一主轴的形位公差标注示意图，图中轴颈A和和B是主支承轴颈，其是主支承轴颈，其公共轴心线公共轴心线AB即为设计基准。轴颈即为设计基准。轴颈A和和B的公共轴心线又是前锥孔的工艺基的公共轴心线又是前锥孔的工艺基准及各重要表面的检验基准。准及各重要表面的检验基准。如何进一步提高主轴端部内锥孔、外锥面、法兰面的与如何进一步提高主轴端部内锥孔、外锥面、法兰面的与轴承基准面的形位公差？轴承基准面的形位公差？ 主轴组件的布局主要包括两方面：主轴组件的布局主要包括两方面：（1）主轴支承的配置形式）主轴支承的配置形式（2）主轴传动件的布置）主轴传动件的布置第第4 4章章

60、执行系统设计执行系统设计1 1 主轴组件的布局主轴组件的布局（三）、执行轴组件（主轴组件）（三）、执行轴组件（主轴组件）钻床和铣床主轴钻床和铣床主轴主轴支承的布置形式：主轴支承的布置形式：主轴轴承的类型、组合、布置主轴轴承的类型、组合、布置双列圆柱磙子轴承双列圆柱磙子轴承双向推力角接触轴承双向推力角接触轴承（1）主轴支承的配置形式）主轴支承的配置形式第第4 4章章 执行系统设计执行系统设计 主轴的支承形式主要主轴的支承形式主要有两支承（前后两个轴承有两支承（前后两个轴承支承）主轴组件和三支承支承）主轴组件和三支承（前中后三个轴承支承）（前中后三个轴承支承）主轴组件。主轴组件。（1）主轴支承的配