机械系统设计 (6)

1、1、对于有级变速传动，相邻各级转速按_级 数排列。 2、机构总体设计步骤，一般分为哪三个阶段 3、总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。 主要有：_参数、_参数、_参数、 _参数等。 第三章 执行系统设计 3.1 执行系统的组成、功能及分类 3.2 执行轴机构设计 3.3 导轨结构设计 3.1 执行系统的组成、功能及分类 一、执行系统的组成 直接完成预期工作任务的那部分子系统是执行系统执行系统。 执行末端件 直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、移动、转动等）或在工作对直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、移动、转动等）或在工作对 象上完成一定动作（切削、锻压、清洗等）的零部件。象上完

2、成一定动作（切削、锻压、清洗等）的零部件。 执行机构 给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和 动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。 3.1 执行系统的组成、功能及分类 如图卧式车床的主轴通过顶尖或夹盘（图中未画出）带动被加工的 工件旋转时，顶尖或夹盘就是末端执行件，而主轴组件则为执行机构。 图 3.1 卧式车床主轴组件 有时，一个机构可以既是传动系统又是执行系统，如连 杆机构的应用。 1.实现运动形式或运动规 律变换的功能 （1）实现预期固定轨迹或简 单

3、可调的轨迹功能； （联动 凸轮） （2）匀速运动（平动、转动) 与非匀速运动的变换；（牛头 刨床） （3）连续运动与间歇式的转 动或摆动的变换。 二、执行系统的功能 3.1 执行系统的组成、功能及分类 牛头刨床有两个执行末端件刨刀和工作台。带动刨刀走直线往复运动的执行 机构是曲柄导杆机构ABCD。工作台的进给运动则由执行机构中的齿轮Z1、Z2，曲柄摇杆 机构FGHI，棘轮机构J和螺杆K带动。 3.实现程序控制的功能 例3.4 4.实现施力功能 3.1 执行系统的组成、功能及分类 2.实现开关、联锁和检测等的功能 （垫圈检测） （1）用来实现运动的离合或开停； （2）用来换向、超载或反向止动；

4、（3）用来实现联锁、过载保护、安全制动； （4）实现锁止、定位、夹压等； （5）实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。 三、执行系统的分类 按执行系统对运动和动力的不同要求可分为：按执行系统对运动和动力的不同要求可分为： P66表表3.1 动作型 动力型 动作动力型 按执行系统所完成的任务可分为：按执行系统所完成的任务可分为： 单一型 相互独立型 相互联系型 按执行末端件的运动形式可分为：按执行末端件的运动形式可分为： 回转运动 直线运动 3.1 执行系统的组成、功能及分类 执行系统的主要运动参数：执行系统的主要运动参数： P66表表3.2 执行系统的常用机构性能执行系统的常用机构性能 特

5、点：特点： P66表表3.3 上节回顾 执行系统通常都是由执行末端件和执行机构组成。 执行系统的功能主要是进行运动转换和力的传递， 此外还可实现控制、开关、联锁和检测等的功能。 执行系统的主要运动参数： (表3.2) 常用机构的性能特点及它们可实现的运动变换 （表3.3） 。 执行末端件运动无外乎是回转运动、直线运动或 两种运动的组合。其中，回转运动-执行轴机构实 现；直线运动-导轨来完成。 3.2 执行轴机构设计 一、执行轴机构的组成及基本要求 二、执行轴（主轴）设计 三、执行轴组件（主轴组件） 3.2 执行轴机构设计 一、执行轴机构的组成及基本要求 1.执行轴机构的组成 执行轴机构一般主要

6、由执行轴、安装在其上的传动件（齿轮、皮带 轮等）、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件（螺母）等组成， 设计执行轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本 身。 下面以机床执行轴机构主轴组件为例进行介绍。 3.2 执行轴机构设计 图 3.1 如图是CA6140型普通车床的执行轴机构主轴组件。 该主轴是一个空心的阶梯轴，内孔可用来通过棒料、拆卸顶尖，也 可用以通过气动或液压夹紧装置等辅具。主轴前端的锥孔为莫氏6号锥 度，用来安装前顶尖或心轴，后端的锥孔为工艺孔。主轴前端采用短圆 锥式法兰结构，用来安装卡盘或拨盘。 主轴采用两支承结构，使结构简化，成本较低。主轴的前支承是P5 级精度的双列短圆柱滚子

7、轴承，用于承受径向力。内孔以1:12的锥度与 主轴配合，可以自动调整径向间隙而达到其预紧的目的。 主轴的后支承是由一个P5级精度的向心推力球轴承和一个P5级精度的推 力球轴承组成，分别承受径向力和轴向力。两个轴承的调整均由后部的 螺母来完成。 主轴上的传动齿轮共三个，其中右端的斜齿轮空套在主轴上。采用 斜齿轮传动可以使主轴的运动比较平稳，而且可以使斜齿轮作用在主轴 上的轴向力与切削力的轴向分力方向相反，从而减小后支承推力轴承所 承受的轴向载荷。主轴中间的齿轮可以在主轴的花键上滑移，共有三个 位置，中间位置为主轴空挡，右边位置时，可以和斜齿轮相连，使主轴 得到18种转速，左边位置时，运动直接传给

8、主轴，使主轴得到6种转速。 主轴左端的齿轮固定在主轴上，将运动和动力传给进给传动链。 2.执行轴机构设计的基本要求（5项） （1 1）旋转精度）旋转精度 （2 2）静刚度）静刚度 （3 3）抗振性）抗振性 （4 4）温升和热变形）温升和热变形 （5 5）耐磨性）耐磨性 3.2 执行轴机构设计 主轴的旋转精度是指装配后，在无 载荷、低速转动的条件下，主轴安装工 件或刀具部位相对于理想旋转中心线的 空间瞬时旋转误差： 径向跳动、轴向径向跳动、轴向 串动和角度摆动。串动和角度摆动。 旋转精度取决于各主要件如主轴、 轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精 度。其中，20的精度由轴承的精度来 保证，80则取

9、决于有关的其它零件的 精度。 简称刚度，是指机械系统或零、 部件抵抗静态外载荷引起变形的能力。 主要包括主轴组件的弯曲刚度K和扭转 刚度KT， 弯曲刚度弯曲刚度 K = F/K = F/； -为位移 通常，弯曲变形占（50%-70%） 扭转刚度扭转刚度 K KT T = T = T* *L/Q L/Q ； Q-为扭转角 是指主轴受到交变载荷时，能平 稳地运转而不发生振动的能力。 影响振动的主要因素是主轴部件 的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的 固有频率应远大于激振力的频率，使 它不易发生共振。 主轴部件和传动系统在运转中由 于摩擦和搅油等损耗产生热量，出现 温升。温升使主轴部件的形状和位置 发生

10、畸变，称为热变形。 不同精度的机床对主轴轴承所允 许的温升不同。表3.4 主轴组件的耐磨性是指其长 期保持原始精度的能力，即精度 的保持性。 部位：轴承轴承、锥孔、定心轴颈等。 二、执行轴（主轴） 1.执行轴（主轴）的尺寸及结构设计 a 主轴的尺寸确定应按材料力学的理论进行设计计算。 b 主轴的结构设计则需要考虑受力、调整以及装配等工艺要求。 c 通常设计成阶梯形状，一种是中间粗两边细中间粗两边细，另一种是由主轴前 端向后端逐步递减的阶梯状； d 主轴前支承支反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离 悬伸量悬伸量应尽可能地小些； 对于通用机床，主轴端部尺寸已经标准化，见表3.5 e 有些机床

11、的主轴是空心的，设计成空心轴的目的是为了通过棒料、 拉杆或通过气动、电气、液压等辅具。一般内孔直径不宜超过主轴直径 的70。 3.2 执行轴机构设计 2.材料和热处理 几何形状和尺寸一定时，主轴的刚度取决于材料的弹性模量E，各种钢 材的弹性模量E的差别甚微小，故刚度不是选材的依据。 （1）无特殊要求：优质中碳钢： 45#或60# 调质HB220250 有耐磨要求处，高频淬硬：HRC5060 （2）精密机械：希望淬火处的应力小，变形小 40Cr、45MnB等中碳合金钢 20Cr、16MnCr5、12CrNi2A等低碳合金钢 渗碳淬硬：（HRC6972） （3）高耐磨要求：渗氮钢（38CrMoAl

12、A）氮化处理：HV11001200 P75表3.6 3.2 执行轴机构设计 补充知识 布氏硬度（布氏硬度（HBW） 用一定大小的试验力F(N)（通常是以3000kgf的压力F）,把直径为D的淬 火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面。测量范围为8650HBW 适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、 太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。 洛氏硬度（洛氏硬度（HRC） 用用120o金刚石圆锥，施加150Kg载荷，测量范围为2070HRC。 适应于碳钢、工具钢及合金钢等经过淬火及回火处理的试样的硬度试验。 应用最广。 维氏硬度（维氏硬度（HV） 将相对面夹角为136的方锥

13、形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后， 用测量压痕对角线长度。试验负荷1.96130m/s时，需用平皮带时，需用平皮带 v35m/s 橡胶带橡胶带 v40m/s 皮革带皮革带 v40m/s 丝织带丝织带 c、内联原动机传动 无传动弯矩，主轴弯曲变形小，不受速度限制，可以变速。 变速方法：多速电机、变化电源频率 2）主轴传动件的布置： P79图3.15 当主轴上的传动件是齿轮时，可将其安装在前、后轴承之间或后 轴承之后的主轴后悬伸处，当在前、后轴承之间时，应将几个齿轮 中较大的一个靠近前支承。 传动件是皮带时，一般情况下都装在后支承后部主轴的悬伸处。 3.2 执行轴机构设计 三、执行轴组件（

14、主轴组件） 1.主轴组件的布局主轴组件的布局 3.2 执行轴机构设计 2.主轴轴承的选择（P79表3.10） （1 1）类型选择：）类型选择：有滚动轴承和滑动轴承两大类，用滚动轴承更多一些。 （2 2）滚动轴承选型）滚动轴承选型：根据精度、刚度和转速来选择。 为提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该可调，这是主轴轴承的主要特点。 机床主轴滚动轴承的受力情况有径向和推力（轴向）两类。常用的有双列 圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、和角接触球轴承等。 主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系列，以特轻系列为主。 三、执行轴组件（主轴组件） （3 3）轴承刚度：）轴承刚度：轴承的滚动体与滚道之间是接触变形

15、，这种变形应满足使 用要求，即轴承应具有足够的刚度。 （4 4）轴承的精度）轴承的精度：轴承的精度分为P2、P4、P5、P6和P0五级，精度依次由 高级到低级，此外，又规定了SP级和UP级作为补充。 主轴轴承常用P4级，高精度主轴采用P2级，要求较低的主轴或三支承中的 辅助轴承可用P5级轴承。 3.2 执行轴机构设计 （5 5）轴承的预紧和调整方法）轴承的预紧和调整方法：预紧的目的是使滚动体与滚道之间有一定 的预变形。 预紧量 （6 6）轴承的转速）轴承的转速：由速度因子dm n决定。其中，dm是轴承的中径，等于 内、外径的平均值，n是转速。 （7 7）轴承的寿命）轴承的寿命: : 由疲劳点蚀

16、和磨损降低精度决定。 2.主轴轴承的选择 思考题：什么是选配法？思考题：什么是选配法？ 3.2 执行轴机构设计 3.超高速轴承 （1）陶瓷球轴承 （2）主轴滑动轴承：包括动压轴承和静压轴承两类。 动压轴承是靠轴的转动形成油膜而具有承载能力的， 静压轴承的油膜压强是靠液压泵建立的，与主轴转速关系不大， 故常用于低速或转速变化较大的地方。还用于精度要求较高的主轴。 三、执行轴组件（主轴组件） （3）磁力悬浮轴承：磁力悬浮轴承是用电磁力使轴悬浮起来，且 轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承，是集机械学、电磁 学、力学、控制工程、电子学及计算机科学于一体的机电一体化产 品，是可以实现主动控制的支承

17、装置。 四、执行轴（主轴）组件的计算 1.主轴直径的初选 一般是按照传递功率来确定。表3.20 2.主轴悬伸量的确定 尽量减小主轴的悬伸量。表3.21 3.主轴最佳跨距的选择 一是经验数据；二是用计算方法， 即令挠度最小时，求得最佳跨距。 4.主轴组件的验算：主要是刚度，其次是强度或临界转速。 3.2 执行轴机构设计 例3.12、例3.13、例3.14 3.3 导轨结构设计 一、导轨的功用、分类和要求 1.导轨的功用 导轨的功用是导向和承载，即保证运动部件按给定的 运动要求和规定的运动方向运动。如作直线运动的执行件 通常由直线导轨来承载和导向。 在导轨副中，运动的一方称为动导轨动导轨，不动的一

18、方称 为支承导轨。支承导轨。 3.3 导轨结构设计 一、导轨的功用、分类和要求 2.导轨的分类 按运动形式可分为直线运动导轨和回转运动导轨。 按摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨(如滚珠式、 滚柱式和滚针式等)、流体介质摩擦导轨(如动压式、静压 式等)和弹性摩擦导轨(如片簧式、膜片式、柔性铰链式)。 按受力结构可分为开式导轨和闭式导轨。前者借助 重力或弹力来保持两导轨面的接触，后者只靠导轨本身的 结构来保证两导轨面的接触。 3.导轨应满足的基本要求 导向精度： 导轨刚度： 精度保特性： 灵敏性及低速运动平稳性： 热敏感性和结构工艺性： 3.3 导轨结构设计 一、导轨的功用、分类和要求 主轴的基本

19、要求 （1）旋转精度）旋转精度 （2）静刚度）静刚度 （3）抗振性）抗振性 （4）温升和热变形）温升和热变形 （5）耐磨性）耐磨性 导轨运动的平稳性是指动导轨运动的平稳性是指动 导轨在作低速运动或微量导轨在作低速运动或微量 位移时不出现速度不均匀、位移时不出现速度不均匀、 时走时停、或快或慢的时走时停、或快或慢的 “爬行现象爬行现象”。 4.4.导轨的设计内容导轨的设计内容 主要有： 选择导轨类型； 选择合适的导轨截面形状； 导轨材料及热处理； 导轨的结构尺寸； 导轨磨损后的补偿及调整装置； 防护装置及润滑系统。 3.3 导轨结构设计 3.3 导轨结构设计 二、滑动导轨的结构及材料 1.1.导

20、轨的截面形状与组合导轨的截面形状与组合 滑动导轨的截面形状截面形状有矩形、三角形（分为对称与不对 称两种）、燕尾形和圆柱形四种。 每一种又可分为凸形和凹形两类。 凸形导轨不易积存切屑，但也不易存油，只适合于低速 运动； 凹形导轨润滑条件好适合于高速运动，但为防止落入切 屑，必须配备良好的防护装置。直线运动导轨一般由两条导 轨组合而成。对于重型机床，运动部件宽、载荷大，常采用 三条或多条导轨的组合结构。 常见的导轨组合形式如图3-3所示。 双三角形导轨（图a） 这种导轨导向精度高，磨损后能自动补偿， 具有较好的精度保持性，但很难达到四个导轨面同时接触的要求，制造 困难。适用于精度要求较高的机床，

21、如SG8630型高精度丝杠车床刀架导 轨和Y3150E型滚齿机立柱导轨等。 双矩形导轨（图b） 具有较大的承载能力、制造调整比较简单， 但导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大的影响。多用 于普通精度机床和重型机床，如X6132型万能升降台铣床工作台导轨等。 3.3 导轨结构设计 燕尾形组合(图d) 这种导轨是闭式导轨中接触而最少的一 种结构、用一根镶条就可以调节垂直和水平方向的间隙。用于牛头 刨床和插床的滑枕导轨、升降台铣床的床身和工作台导轨等。 3.3 导轨结构设计 三角形矩形组合（图c） 这种组合形式兼有导向性好、制造 方便和刚度高的优点，应用最广泛，如GA6140型卧式车床溜板

22、、B2020 型龙门刨床工作台导轨、M1432型万能外圆磨床砂轮架导轨等。 燕尾形矩形组合(图e) 能承受较大力矩，间隙调整也比较方 便，多用于横梁、立柱、摇臂等导轨，如B2020型龙门刨床横梁导轨等。 3.3 导轨结构设计 双圆柱组合(图f) 制造容易、耐磨性好，但磨损后不易补偿。 常用于仅受轴向力的场合，如压力机、机械手的导轨等。 2.2.导轨间隙的调整导轨间隙的调整 导轨接合面间都存在间隙，若间隙过小，不但增加运动阻力，而且 会加速导轨的磨损，若间隙过大，又会使导向精度降低。还容易产生振 动。因此，除在装配过程中应仔细调整导轨的间隙外，在使用一段时间 后，因磨损还需重调。导轨间隙调整的方

23、法通常是采用镶条和压板。 3.3 导轨结构设计 （1）镶条镶条 用来调整矩形和燕尾形导轨的侧向间隙，以保证导轨面 的正常接触。常用的镶条有平镶条和楔形镶条两种。所谓平镶条是指镶 条的截面形状及各处尺寸在全长上处处相等。调整是靠平镶条全长上均 匀布置的螺钉来进行。楔形镶条是在全长上截面形状不变、但厚度有所 变化的一种镶条。楔形镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀地接 触，因此，相应地动导轨面也要做成斜面。当楔镶条沿导轨纵向移动时， 即可调整导轨副之间地间隙。 （2）压板压板 压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力。多用于 矩形导轨，通过刮磨不同的调整面或改变垫片的数目，来进行调整。 3.3.

24、导轨材料导轨材料 铸铁。铸铁的铸造性能和加工性能好，并具有良好的减振性和耐 磨性。常用的铸铁种类有灰铸铁(常用HT200)、孕育铸铁(常用HT300)和 耐磨铸铁。铸铁导轨常采用高频淬火、中频淬火和电接触自冷淬火等方 法来提高导轨表面的硬度，以增强导轨的耐磨性和防止撕裂。 钢。淬硬钢制造的导轨，其耐磨性比灰铸铁提高510倍。通常 采用15、20Cr、20CrMnTi、45、40Cr、T8、T10、GCr15等材料。钢料多 用于镶装导轨，由于工艺复杂，加工困难，成本高，目前国内多用于数 控机床的滚动导轨上。 有色金属。常用材料有锡青铜ZQSn6-6-3、铝青铜ZQAl9-2和锌合 金ZZnAl1

25、0-5等。有色金属多用于镶装导轨，与铸铁的支承导轨搭配， 可防止咬合磨损，保证运动平稳性和提高运动精度。常用于重型机床运 动部件的动导轨上。 3.3 导轨结构设计 塑料。常用材料有锦纶、酚醛夹布塑料、环氧树脂耐磨涂料 （HNT）和聚四氟乙烯滑动导轨软带等。塑料用于镶装导轨，与铸铁支 承导轨搭配，具有摩擦系数低、良好的耐磨性能和防爬性能、工艺简单、 成本低廉等优点。缺点是刚度低。多用于精密机床和数控机床，用于竖 直导轨则更可显示其优点。 材料搭配 实验证明，不同材料组成的导轨副，其磨损情况各不 相同。为了提高耐磨性和防止咬焊，应合理地搭配导轨副的材料。一般 原则是动导轨和支承导轨应采用不同的材料

26、，若选材相同，也一定要采 取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。其差值可取204OHBS。 3.3 导轨结构设计 3.3 导轨结构设计 三、滑动导轨的验算三、滑动导轨的验算 主要内容有： 1.1.导轨结构尺寸的初步选择，导轨结构尺寸的初步选择，包括导轨跨距的选择，导轨面尺寸的 选择和导轨长度的选择； 2.2.导轨的受力分析，导轨的受力分析，一般情况下是用静力平衡方程式来求解； 3.3.导轨的压强，导轨的压强，求得的导轨平均压强应小于一定的许用压强。 四.其它各种导轨简介 1.动压导轨 动压导轨的工作原理与多油楔动压滑动轴承相同，导轨之间相对运 动的速度越高，所形成的纯液体润滑情况越好，油楔的承载能力越大， 因此，此类导轨适合于高速运动状态。 (b) 滚动导轨 滚动 体 防撬 板 (a) 滑动导轨 图 3-8 滑动导轨与滚动导轨 2.静压导轨 静压导轨的工作原理与静压轴 承相同，也是先将具有一定压力的 润滑油经节流器送到导轨面上的油 腔中，以形成纯液体摩擦，一般摩 擦系数为0.0050.001。图3-8是 流体静压润滑典型实例。 3.3 导轨结构设计 3.卸荷导轨 为了减小普通滑动导轨 面上的压强，提高导轨的耐 磨性、低速运动平稳性和防 止爬行，常对滑动导轨上的 压力进行卸荷。卸荷方式主 要有机械式、