机械制造装备设计课后答案

第一章

1-1为什么说机械制造装备在国民经济发展中起着重要的作用？

制造业是国民经济发展的支柱产业，也是科技技术发展的载体及使其转化为规模生产力的工

具和桥梁。装备制造业是一个国家综合制造能力的集中表现，重大装备研制能力是衡量一个国家

工业化水平和综合国力的重要标准。_________________________

1-2机械制造装备与其他工业化装备相比，特别强调应满足哪些要求？为什么？（需要看教材

确认答案）

D柔性化精密化自动化机电一体化节材节能2）符合工业工程要求符合绿色工程要求

1-3柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的

柔性化程度。其柔性表现在哪里？

1）柔性化有俩重含义:产品机构柔性化和功能柔性化。

2）数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。在柔性制造系统中，不同工

件可以同时上线,实现混流加工。组合机床其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。

1-6机械制造装备的机电一体化体现在哪些方面？可获得什么好处？

1）机械制造装备的机电一体化体现在:其系统和产品的通常结构是机械的，用传感器检测来

自外界和机器内部运行状态的信息，由计算机进行处理，经控制系统，由机械、液压、气动、电

气、电子及他们的混合形式的执行系统进行操作，使系统能自动适应外界环境的变化，机器始终

处于正常的工作状态。

2）好处:1.对机器或机组系统的运行参数进行巡查和控制；2.对机器或机组系统工作程序的

控制；3.用微电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构。

1-7对机械制造装备如何进行分类？

1）加工装备：采用机械制造方法制造机器零件的机床。

2）工艺装备：产品制造是用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具。

3）仓储运输装备：各级仓库、物料传送、机床上下料等设备。

4）辅助装备：清洗机和排屑装置等设备。

1-8工业工程指的是什么？如何在设计机械制造装备时体现工业工程的需求？

1）工业工程:是对人、物料、设备、能源和信息能组成的集成系统进行设计，改善和实施的

一门科学。

2）产品设计符合工业工程的需求: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，选择最合理的制造设备，减少工时和材料的消耗；合理

地进行机械制造装备的总体布局，优化操作步骤和方法，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频工

作量。___________________________________________________

1-9机械制造装备设计有哪些类型？他们的本质区别是什么？

1）类型:机械制造装备设计包括初“设计、变形设计、模块化设计；

2）本质区别:创新设计：一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量；

变型设计：变型设计不是孤立无序的设计，而是在创新设计的基础上进行的；

模块化设计：对一定范围内不同性能，不同规格的产品进行功能分析，划分一

系列的功能模块，而后组合而成的二一一

1-12哪些产品宜采用系列化设计方法？为什么？有哪些优缺点？（再看教材确认）

1）系列化设计方法是在设计的某一类3品中,选择功能、结构和尺寸等方法较典型产品为基

型，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的产品，构成产

品的基型系列。

2T）优点1）用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。

2）可以减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险，缩短产品的研

制周期。

3）可以压缩工艺装备的数量和种类，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，系列中的产品结构相似，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

2-2）缺点：用户只能在系类型谱内有限的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需求。另一方面有些功能还可能冗

余。

1-13系列化设计时主参数系列公比的选取原则是什么？公比选得过大或过小会带来哪些问题？

1）选取原则:产品的主参数应尽可能采用优先数系。

2）主参数系列公比如选得较小,则分级较密，有利于用户选到满意的产品，但系列内产品的

规格品种较多，系列化设计的许多优点得不到充分利用；反之，则分级较粗，系列内产品的规格

品种较少，可带来系列化设计的许多优点，但为了以较少的品种满足较大使用范围内的需求，系

列内每个品种产品应具有较大的通用性，导致结构相对复杂，成本会有待提高，对用户来说较难

选到称心如意的产品。

1-15设计的评价方法很多，结合机械制造装备设计，指出哪些评价方法极为重要，为什么？

1）评价方法:技术经济评价、可靠性评价、人机工程学评价、结构工艺性评价、正品造型评

价、标准化评价

2）对于机械制造装备设计，这六种评价方法按重要程度由高向低排队一般是:可靠性评价、

人机工程学评价、结构工艺性评价、标准化评价、技术经济评价、产品造型评价。其原因是机械

制造装备投资较大，使用周期较长。为了保证产品质量、降低成本、提高可靠性和竞争能力，六

种评价都是不可缺少的。

可靠性评价对产品质量与可靠性进行评价；人机工程学评价产品设计在人机工程方面的合理

性；结构工艺性评价是对产品结构便于加工制造的性能进行评价，以降低生产成本，缩短生产时

间；技术经济评价综合评价产品技术的先进性和经济的合理性；标准化评价是在标准化方面对产

品进行评价；而产品造型评价图对产品的外观设计的合理性和新颖性进行评价。

1-16有些方案的技术评价较高，但经济评价一般或不好，有些方案可能是相反的情况，如何对

这些方案进行综合评价？

设计方案的技术评价Tj和经济评价Ej经常不会同时都是最优,进行技术和经济的综合评价

才能最终选出最理想的方案。技术经济评价TEj有两种计算方法：

1）当Tj和Ej的值相差不太悬殊时，可用均值法计算TEj值，即TEj=（Tj+Ej）/2。

2）当Tj和Ej的值相差很悬殊时，建议用双曲线法计算TEj值，即TEj=根号（Tj+Ej）。

技术经济评价值TEj越大，设计方案的技术经济综合性能越好，一般TEj值不应小于0.65。

1-17可靠性指的是什么？有哪些可靠性衡量指标？它们之间有哪些数值上的联系？

1）概念:可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定任务的能力。

2）可靠性的衡量指标有:可靠度R（t）、累计失效概率F（t）、失效率、平均寿命和平均无故

障工作时间、可靠寿命、维修度、修复率、平均修复时间等（P37-38）

3）这些可靠性衡量指标之间在数值上都与时间t相关联,F（t）=1-R（t）o

1-18从系统设计的角度，如何提高产品的可靠性？

1）从系统设计角度，提高产品可靠性要提高其组成各单元的可靠性水平，因此要进行系统和

单元可靠性的预测。（P39）2）此外要将系统可靠性指标合理分配到各组成单元中，明确各组成单

元的可靠性设计要求。（P42）

第二章金属切削机床设计

1.机床设计应满足哪些基本要求，其理由是什么？

答：机床设计应满足如下基本要求：

1）、工艺范围，机床工艺范围是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。

2）、柔性，机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，分为功能柔性和结构

柔性；

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率；

5）、精度，机床精度主要指机床的几何精度和机床的工作精度。机床的几何精

度指空载条件下机床本身的精度，机床的工作精度指精加工条件下机床的加工精度

（尺寸、形状及位置偏差）。

6）、噪声；7）、自动化；8）、生产周期；

9）、生产率，机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量来表

示。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。

10）、成本，成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、

运输、使用维护、再利用和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标;

11）、可靠性，应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定

的加工功能时，无故障运行的概率要高。

12）、造型与色彩，机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性

好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学要求进行设

计。

2.机床设计的主要内容及步骤是什么？

答：一般机床设计的内容及步骤大致如下：

（1）总体设计包括机床主要技术指标设计：工艺范围运行模式，生产率，性

能指标，主要参数，驱动方式，成本及生产周期；总体方案设计包括运动功能设计,

基本参数设计，传动系统设计，传动系统图设计，总体结构布局设计，控制系统设

计。总体方案综合评价与选择；总体方案的设计修改或优化

（2）详细设计包括技术设计；施工设计。设计机床的传动系统，部件装配图，对主

要零件进行分析计算或优化，设计液压部件装配图，电气控制系统等。

（3）机床整机综合评价

（4）定型设计，可进行实物样机的制造、实验及评价。根据实物样机的评价结果进

行修改设计，最终完成产品的定型设计。

3.机床系列型谱的含义是什么？

答：每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，合称为这类

机床的系列和型谱。机床的主参数系列是系列型谱的纵向（按尺寸大小）发展，而

同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向发展，因此，“系列型谱”也就是综合地

表明机床产品规格参数的系列性与结构相似性的表。

4.机床的基本工作原理是什么？

答：机床的基本工作原理是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件上

多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。

5.工件表面的形成原理是什么？

答：任何一个工件表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）

运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称

为导线。

6.工件表面发生线的形成方法有哪些？

答：工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。

有如下四种方法：

（1）轨迹法（2）成型法（3）相切法（4）范成法

7.工件表面的形成方法是什么？

答：工件表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，工件表面

形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。

8.机床的运动功能有哪些？

答：为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，各个运动的功能是不同

的。可以分为成形运动和非成形运动，或简单运动和复合运动。

9.机床的主运动与形状创成运动的关系如何？进给运动与形状创成运动的关系

如何？

答：主运动功能是切除加工表面上多余的金属材料，因此运动速度高，消耗机床的

大部分动力，故称为主运动，也可称为切削运动，它是形成加工表面必不可少的成

形运动。形状创成运动的功能是用来形成工件加工表面的发生线（包括母线和导线）。

有些加工中主运动除了承担切除金属材料的任务外，还参与形状创成，而有些加工

中，主运动只承担切削任务，不承担发生线的创成任务。

当形状创成运动中不包含主运动时，“形状创成运动”与“进给运动”两个词等

价，这时进给运动就是用来生成工件表面几何形状的，因此无论用主运动和进给运

动或主运动和形状创成运动来描述成形运动，两种描述都是一样的；当形状创成运

动中包含主运动时，“形状创成运动”与“成形运动”两个词等价，这时就不能仅

靠进给运动来生成工件表面几何形状（如滚齿加工）。

10.机床上的复合运动、内联系传动链、运动轴的联动的含义及关系如何？

答：复合运动即为运动之间有严格运动关系的运动。如果一个独立的成形运动，是

由两个或两个以上的旋转运动或（和）直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成,

则称此成形运动为复合成形运动。

传动链的两个末端件的转角或位移量之间如果有严格的比例关系要求，这样的

传动链称为内联系传动链。对机械传动的机床来说，复合运动是通过内联系传动系

来实现。

运动轴联动是指在一台机床上的多个坐标轴（包括直线坐标和旋转坐标）上同时

进行加工，而且可在计算机数控系统（CNC）的控制下同时协调运动进行。对数控机床，

复合运动是通过运动轴的联动来实现。

11.机床运动功能方案设计的方法及步骤如何？

答：机床运动功能方案设计的方法及步骤如下：

（1）工艺分析。首先对所设计的机床的工艺范围进行分析；然后选择适当的加

工方法。工件加工工序的集中与分散主要根据作业对象的批量来决定，应根据可达

到的生产率和加工精度、机床制造成本、操作维护方便程度等因素综合分析进行机

床的工艺范围选择。

（2）机床运动功能设置。运动功能设置的方法有两类：分析式设计方法和解析

式设计方法。

（3）写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。根据对所提出的运动功能

方案的评定结果，选择和确定机床的运动功能配置，写出机床的运动功能式，画出

机床运动原理图。

12.数控机床的坐标系如何选取？

答：为了进行机床运动功能式、机床运动原理图的描述，首先要建立机床基准坐标

系与机床运动轴坐标系，一般采用直角坐标系。

（1）机床基准坐标系：机床基准坐标系（即机床总体坐标系）XYZ

（2）机床运动轴坐标系：沿X,Y,Z坐标轴方向的直线运动仍用X,Y,Z表示，

绕X,Y,Z轴的回转运动分别用A,B,C表示。平行于X、Y、Z的辅助轴用U、V、W

及P、Q、R表示，绕X,Y的辅助回转轴用D、E等表示。与机床基准坐标系坐标方

向不平行的斜置运动轴坐标系用加表示，如沿斜置坐标系的Z轴运动用7表示。

13.机床的运动功能式和运动原理图表达的含义是什么？

答：运动功能式表示机床的运动个数、形式（直线或回转运动）、功能（主运动、进

给运动、非成形运动，）及排列顺序，是描述机床的运动功能的最简洁的表达形式。

运动原理图是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，除了描述机

床的运动轴个数、形式及排列顺序之外，还表示了机床的两个末端执行器和各个运

动轴的空间相对方位，是认识、分析和设计机床传动原理图的依据。

14.虚拟轴机床的原理是什么？有哪些特点？

答：虚拟轴机床（VirtualAixsMachine）是一种六个运动并联的设计。基于让轻

者运动，重者不动或少动的原则，虚拟轴机床取消了工作台、夹具、工件这类最重

部件的运动，而将运动置于最轻部件一一切削头上。

六轴完全并联机构的优点是：各个杆不承受弯曲载荷，受力情况好。运动件质

量小、速度高、比刚度高、各个分支运动误差不累加、精度高；缺点是作业空间小

（尤其是回转运动范围小），运动算法复杂。

15.分析图2-14所示各种机床的运动原理图，说明各个运动的所属类型、作用及

工件加工表面的形成方法。

图2-4a是车床的运动原理图，旋转运动。为主运动；直线运动Z,和X,为进给运

动。对于一般的车床，。仅为主运动；对于有螺纹加工功能或有加工非圆回转面（如

椭圆面）功能的数控车床，则加一方面为主运动，另一方面C”可与Z,组成复合运动

进行螺纹加工，或C“可与Xr组成复合运动进行非圆回转面加工，称这类数控车床

具有C轴功能。

图2-4b是铳床的运动原理图，旋转运动C“为主运动；直线运动Xr、Y「和Z「为

进给运动。

图2-4c是平面刨床的运动原理图，往复直线运动XP为主运动；直线运动匕为进

给运动；直线运动Z”为切入运动。

图2-4d是数控外圆磨床的运动原理图，旋转运动C。为主运动；回转运动C,、直

线运动Z「和X,为进给运动；回转运动孔为砂轮的调整运动。当X,和Z,组成复合运动

时，用碟形砂轮可磨削长圆锥面或任意形状的回转表面；G和Z,组成复合运动时，

可进行螺旋面磨削。在进行长轴纵向进给磨削时，X「应改为X,,为切入运动，但在进

行横向进给磨削端面时，Xr为横向进给运动，Z,应改为Z.，为切入运动。若一个运动

既可为进给运动又可为非成形运动，则用进给运动符号表示。

图2-4e是摇臂钻床的运动原理图，旋转运动却为主运动；直线运动Zf为进给运

动；回转运动C,、直线运动Z,及X”为调整运动，用来调整刀具与工件的相对位置。

图2-4f是像床的运动原理图，旋转运动CP为主运动；直线运动Z,为键孔加工时

工件作进给运动，W,为镇孔加工时馍杆作进给运动,在数控镇床或加工中心上，像孔

进给通常由工件完成，只有Zr一个镇孔进给运动；Yr为刀具的径向进给运动，用于

加工端面或孔槽；回转运动B.为分度运动、直线运动X,及Ya为调整运动，分别用来

调整工件与刀具的相对方向及位置，用来加工不同方向和位置的孔。在镇铳床上通

常X“和Y,可改为进给运动X,、Yr,用来铳削平面。

图2-4g是滚齿机床的运动原理图，旋转运动己“为主运动；回转运动Cr和直线

运动Z,为进给运动。乙。与a组成复合运动创成渐开线母线；直线运动Z,创成直导

线，用于加工直齿轮，若Zr与&组成复合运动，则创成螺旋导线，用于加工斜齿轮;

回转运动氏为调整运动，用来调整刀具的安装角，使刀具与工件的齿向一致；直线

运动匕为经向切入运动，当用径向进给法加工蜗论时匕为径向进给运动；7“为滚刀

的轴向窜刀运动，为调整运动，用来调整滚刀的轴向位置，当用切向进给法加工蜗

论时正为切向进给运动。

图2-4h是采用齿轮式插齿刀加工直齿圆柱齿轮的插齿机床的运动原理图，刀具

和工件相当一对相互啮合的直齿圆柱齿轮，往复直线运动Zp为主运动；回转运动Cn、

金为进给运动，并组成复合运动，创成渐开线母线；直线运动Ya为切入运动。

图2-4i是直齿锥齿轮刨齿机的运动原理图，刨刀的往复直线运动Zp为主运动；

回转运动心（假想齿轮摇架回转）和（工件回转）组成复合运动，产生范成运动；

回转运动已为分度运动，直线运动Zu为趋近与退离运动，回转运动&为调整运动，

根据刀倾角进行调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。

图2-6j是弧齿锥齿轮铳齿机的运动原理图。CP是铳刀盘的旋转运动，为主运动，

铳刀盘的刀刃为直线形，铳刀盘作旋转运动时刀刃轨迹形成假想齿轮（平面齿轮或

平顶齿轮）上的一个齿的齿廓面；C为假想齿轮的往复摆动运动（即摇架的摆动），C,

为工件的回转运动，Cr和乙复合组成范成运动；为工件的分度运动，Za为趋近与

退离运动，B“为调整运动，按工件的齿根角进行调整。铳刀盘一面进行作旋转运动

cP,一面随摇架作摆动运动Cf,摆动一次为一个行程，一个行程内完成一个齿的加工,

行程终了，工件退离、分度，进行下一个齿的加工。

16.机床的传动原理图如何表示？它与机床运动原理图的区别是什么？

将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，即是传

动原理图。机床的运动原理图只表示运动的个数，形式、功能及排列顺序，不表示

运动之间的传动关系。

17.机床运动分配式的含义是什么？

答：运动功能式的主要含义在于确定基础支承件设在何处（即“接地”的位置），用

“符号表示“接地”。“/符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。

机床的运动功能式中添加上“接地符号后，称之为运动分配式。一个运动功能方

案，经过运动功能分配设计，可以得到多个运动分配式。

18.机床总体结构概略设计过程大致如何？

（1）结构布局设计

同一种运动分配式又可以有多种结构布局型式，这样运动分配设计阶段评价后

保留下来的运动分配式方案的全部结构布局方案就有很多。因此需要再次进行评价,

去除不合理方案。该阶段评价的依据主要是定性分析机床的刚度、占地面积、与物

流系统的可接近性等因素。该阶段设计结果得到是的机床总体结构布局形态图。

（2）机床总体结构的概略形状与尺寸设计

该阶段主要是进行功能（运动或支承）部件的概略形状和尺寸设计，设计的主

要依据是：机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局形态图，

驱动与传动设计结果，机床动力参数及加工空间尺寸参数，以及机床整机的刚度及

精度分配。设计中在兼顾成本的同时应尽可能选择商品化的功能部件，以提高性能、

缩短制造周期。其设计过程大致如下：

①首先确定末端执行件的概略形状与尺寸。

②设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸。若

为运动导轨结合部，则执行件一侧相当滑台，相邻部件一侧相当滑座，考虑导轨结

合部的刚度及导向精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。

③根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程尺寸，同时考虑部件的刚度要

求，确定下一个功能部件（即滑台侧）的概略形状与尺寸。

④重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。

⑤若要进行机床结构模块设计，则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的

产品规划，进行模块提取与设置。

⑥初步进行造型与色彩设计。

⑦机床总体结构方案的综合评价。

19.机床的主参数及尺寸参数根据什么确定？

答：机床主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数，为了更

完整地表示出机床的工作能力和工作范围，有些机床还规定有第二主参数，通用机

床的主参数和主参数系列国家已制定标准，设计时可根据市场的需求在主参数系列

标准中选用相近的数值。专用机床的主参数是以加工零件或被加工面的尺寸参数来

表示，一般也参照类似的通用机床主参数系列选取。

机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数，通常包括：

（1）与被加工零件有关的尺寸，如卧式车床最大加工工件长度，摇臂钻床的立

柱外径与主轴之间的最大跨距等。

（2）标准化工具或夹具的安装面尺寸，如卧式车床主轴锥孔及主轴前端尺寸。

20.机床的运动参数如何确定？驱动方式如何选择？数控机床与普通机床确定方

法有什么不同？

运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台）的运动速度。主运

动为回转运功的机床，如车床、铳床等，其主运动参数为主轴转速。对于专用机床

和组合机床用于对特定的工件进行特定工序的加工，主轴的转速通常是固定的。对

于通用机床由于完成工序较广，又要适应一定范围的不同尺寸和不同材质零件的加

工需要。要求主轴具有不同的转速（即应实现变速），故需确定主轴的变速范围。首

先确定最低（nmin）和最高（nmax）转速，对主轴转速进行合理排列，然后确定标

准公比值9和标准转速数列，选用公比9,最后得出变速范围Rn,公比*和级数Z

之间的关系。数控机床中进给量广泛使用电机无级变速，普通机床则既有机械无级

变速方式，又机械有级变速方式。采用有级变速方式时，进给量一般为等比级数，

其确定方法与主轴转速的确定方法相同。首先根据工艺要求，确定最大、最小进给

量品一北”，然后选择标准公比6或进给量级数方，再求出其它参数。

机床运动的驱动方式常用的有电动机驱动和液压驱动，驱动方式的选择主要根

据机床的变速形式和运动特性要求来确定。数控机床一般采用伺服电机无级变速形

式，其他机床多采用机械有级变速形式或无级与有级变速的组合形式。

21.机床的动力参数如何确定？数控机床与普通机床的确定方法有什么不同？

动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或扭矩。通常动力参数可通过调查

类比法（或经验公式），试验法或计算方法来确定。数控机床主传动采用直流或交流

电动机无级变速，要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。

22.机床主传动系都有那些类型？由那些部分组成？

主传动系可按不同的特征来分类：

（1）按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。

交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机

驱动又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采

用变频调速的原理。

（2）按传动装置类型可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置

以及它们的组合。

（3）按变速的连续性可以分为分级变速传动和无级变速传动。

23.什么是传动组的级比和级比指数？常规变速传动系的各传动组的级比指数有

什么规律性？

传动组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用9X，表

示。级比夕”中的指数X,值称为级比指数，它相当于由上述相邻两传动线与被动轴交

点之间相距的格数。

设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1,此

变速组称为基本组。基本组的级比指数用X。表示，即X°=1,后面变速组因起变速

扩大作用，所以统称为扩大组。第一扩大组的级比指数Xi一般等于基本组的传动副

数P。，即％=P（）o第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，

其级比指数X2等于基本组的传动副数和第一扩大组传动副数的乘积，即X2=P0XP|o

如有更多的变速组，则依次类推。上述设计是传动顺序和扩大顺序相一致的情况，

若将基本组和各扩大组采取不同的传动顺序，还有许多方案。

24.什么是传动组的变速范围？各传动组的变速范围之间有什么关系？

变速组中最大与最小传动比的比值，称为该传动组的变速范围。

各变速组的变速范围相应受到限制：主传动各变速组的最大变速范围为=

U至喇/u至*nW（2-2.5）/0.25=8-10；对于进给传动链，由于转速通常较低，

传动功率较小，零件尺寸也较小，上述限制可放宽为u如侬W2.8,u选小21/5,故R

进max14o

主轴的变速范围应等于主变速传动系中各变速组变速范围的乘积，即

R.,=RoR।R2…R」

25.某车床的主轴转速为n=40〜1800r/min,公比0=1.41,电动机的转速n

电=1440r/min,试拟定结构式，转速图；确定齿轮齿数，带轮直径，验算转速误

差；画出主传动系图。

解：

该主轴的变速范围为：

4=以=吧=45

40

根据变速范围、公比可求变速的级数

Z=^^+l=-^-+l®12

lg。lgl.41

拟定结构式。根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的原则确定

12=3,x23x26

查表可获得12级转速为40、56、80、112、160、224、315、450、630、900、1250、

1800

作转速图如下：

22

M=^=1.41=2<2符合要求

4

w#min=^=1.41-=l/421/4符合要求

最后扩大组的变速范围：《=L4p2f=8符合要求

带轮的直径计算（因功率参数等不详仅举例说明）：查表取小带轮的基准直径为

125mm

则大带轮直径&=M（1-£）£取0.015

d2=M(1-e)=1.6x125x(1-0.015)=197mm

查表取小带轮的直径为100mm,传动比为1:1.6,大带轮的直径为160mm.

齿轮齿数的确定：III轴之间的传动副共有3对

传动比为1:1,1:1.41,1:2

如果采用模数相同的标准齿轮，则三对传动副的齿轮和相同

查表可得5二可以取得60,72,84,96等。

取S,=72可以确定三个传动副的齿数为

1：1传动副3636

1：1.41传动副3042

1：2传动副2448

同理可确定HIII轴的齿数和取84

1：1传动副齿数取4242

1：2.82传动副齿数取2262

IIIIV之间的传动副齿数和取90

2：1的传动副齿数取6030

1：4的传动副齿数取1872

转速误差的计算

主轴各级转速所获得的实际转速按下面的公式计算

〃实际=%X方(1_£)XUtU2U3

级传动比

实际转标准转转速

数

电机电TI-IIII-IIIIII-IV速G)速(n)误差

(Z)

11440100160363640406030180018000%

21440100160304240406030128612503%

314401001602448404060309009000%

414401001603636215960306416302%

514401001603042215960304584502%

614401001602448215960303203152%

714401001603636404018722252240%

814401001603042404018721611600%

914401001602448404018721131120%

10144010016036362159187280800%

11144010016030422159187257562%

12144010016024482159187240400%

允许误差：10x(^-1)%=10x(1.41-1)%=4.1%

根据上表可知转速误差率在允许的范围内

绘制传动系统图如下：

26.某机床主轴转速n=100〜1120r/min,转速级数z=8,电动机转速n电=1440

r/min,试设计该机床主传动系，包括拟定结构式和转速图，画出主传动系图。

解：

-J120;

&11.2

I。。

0=z圾=V1T2=1.41

查表可获得8级转速为100,140,200,280,400,560,800,1120

拟定8级转速的结构式：根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的

的原则确定8=Zx22x24

u^=(p'=1.41'=1.41<2符合要求

"主min=。"=1.4尸=1/2.8221/4符合要求

最后扩大组的变速范围：N=1.4产2-1)=4W8符合要求

绘制传动系统图如下：

27.试从夕=1.26,z=18级变速机构的各种传动方案中选出其最佳方案，并写出

结构式，画出转速图和传动系图。

解：根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的的原则确定

18=31x33x29

"主max="T-26=2<2符合要求

触min=0"=126^=1/421/4符合要求

最后扩大组的变速范围：用=浮…=1.26—=8W8符合要求

<□>

|Xl-HOrmin

28.用于成批生产的车床，主轴转速n电=45〜500r/min,为简化机构采用双

速电动机，n电=720/1440r/min,试画出该机床的转速图和传动系图。

解：采用双速电机时公比一般取1.41和1.26本例中取1.41

凡=Li1

45

Z=+1=111+1«8

lg。lgl.41

查表可获得8级转速为45,63,90,125,180,250,360,500

拟定8级转速的结构式：选用多速电机是将多速电机作为第一扩大组放在前面,

基本组放在第一扩大组的后面，即确定的结构式为：8=22X2,X24

u±inaK=（p'=1.41'=1.41<2符合要求

唯min=0-3=14「3=1/2.8221/4符合要求

最后扩大组的变速范围：用=/，«-）=1.4俨2-。=4W8符合要求

29.试将图2—19所示的背轮机构合理化，使轴in高速旋转时背轮轴脱开。

U

X—III

答：背轮机构设计应注意超速问题，当合上离合器时，齿轮副Z1/Z2应脱离啮合,

齿轮副Z4/Z3也应脱离啮合。当合上离合器传动轴I、in高速转动时，要防止轴

n因升速空转时，会加大噪声、振动、空载功率和发热。

30.求图2—61所示的车床各轴、各齿轮的计算转速。

传动轴计算转速为各传动轴能满足传递全部功率要求的最低转速。首先根据公式

Z.

nj=计算得到in轴计算转速为185r/min;II轴-315r/min>

I轴-710r/mino

各齿轮的计算转速依次为：II轴TII轴变速组中：

n88-185r/min,n26~640r/min,n54-345r/min,n59~315r/min,

I轴-H轴变速组中：n8i-315r/min,n36-710r/min,

n70-438r/min,H45-710r/min。

31.求图2—62中各齿轮、各轴的计算转速。

传动轴计算转速为各传动轴能满足传递功率要求的最低转速。首先根据公式

〃产丁〃.计算得到V轴计算转速为63r/min;依次可以得到其他各轴的计算转速IV

轴-63r/min>III轴一］80r/min>II轴-710r/min>I轴-1440r/min0

各齿轮的计算转速依次为：IV轴-V轴变速组中：

070-63r/min>n25180r/min、n67-63r/min>n67-63r/min、

H轴-V轴中：n67-500r/min>n47-710r/min,

IH轴TV轴中:n67-63r/min>H24-180r/min,

II轴Til轴中:n60-180r/min,ni5-710r/min>n44-500nr/min>n31-710r/min、

I轴-II轴中:n31T440r/min、n31-1440r/min、n37-1000r/min、

n26T440r/minn40-710r/min>n20T440r/min。

32.某数控车床，主轴最高转速llmax=4000r/min,最低转速rimin=40r/min，

计算转速nj=160r/min，采用直流电动机，电动机功率N电=15kw,电动机的

额定转速为nd=1500r/min,最高转速为4500r/min,试设计分级变速箱的传动

系，画出其转速图和功率特性图，以及主传动系图。

解：主轴要求的恒功率调速范围为：&\=4000/160=25,

电动机可达到的恒功率调速范围为：RdN=4500/1500=3,

取匕=2<RdN,根据Z=l+(lgNw-lg此N)/】g/

可算出变速箱的变速级数Z=4.06,取Z=4

机械分级结构式可写作Z=4=2,X22

转速图和功率特性图如下:

40r/min的主轴转速对应的电机消耗的功率为3.6HV,

因S’=2<Rdw功率特性图上有重叠。

主传动系图

33.数控机床主传动系设计有那些特点？

主传动系统采用直流或交流电动机无级调速，在设计数控机床主传动时，必须

要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题，在设计分级变速箱时，考虑机床结构

复杂程度，运转平稳性要求等因素。

34.进给传动系设计要能满足的基本要求是什么？

（1）具有足够的静刚度和动刚度；

（2）具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平

稳，灵敏度高；

（3）抗振性好，不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;

（4）具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量（进给范围、数列）,

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

扭矩；

（5）进给系统的传动精度和定位精度要高;

（6）结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。

35.试述进给传动与主传动相比较，有那些不同的特点？

（1）进给传动是恒转矩传动

（2）进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速

（3）进给传动的转速图为前疏后密结构

（4）进给传动的变速范围

（5）进给传动系采用传动间隙消除机构

（6）快速空程传动的采用

（7）微量进给机构的采用

36.进给伺服系的驱动部件有那几种类型？其特点和应用范围？

进给驱动部件种类很多，用于机床上的有步进电动机、小惯量直流电动机、大

惯量直流电动机、交流调速电动机和直线电动机等。

（1）步进电动机又称脉冲电动机，是将电脉冲信号变换成角位移（或线位移）

的一种机电式数模转换器。它每接受数控装置输出的一个电脉冲信号，电动机轴就

转过一定的角度，称为步距角。转速可以在很宽的范围内调节。改变绕组通电的顺

序，可以控制电动机的正转或反转。步进电动机的优点是没有累积误差，结构简单,

使用、维修方便，制造成本低，步进电动机带动负载惯量的能力大，适用于中、小

型机床和速度精度要求不高的地方；缺点是效率较低，发热大，有时会“失步”。

（2）直流伺服电动机机床上常用的直流伺服电动机主要有小惯量直流电动

机和大惯量直流电动机。

小惯量直流电动机优点是转子直径较小，轴向尺寸大，长径比约为5,故转动惯

量小，仅为普通直流电动机的1/10左右，因此响应时间快；缺点是额定扭矩较小，

一般必须与齿轮降速装置相匹配。常用于高速轻载的小型数控机床中。

大惯量直流电动机，又称宽调速直流电动机，有电激磁和永久磁铁激磁两种类

型。电激磁的特点是激磁量便于调整，成本低。永磁型直流电动机能在较大过载扭

矩下长期工作，并能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置，还可以在低速下平稳

地运转，输出扭矩大。宽调速电动机可以内装测速发电机，还可以根据用户需要，

在电动机内部加装旋转变压器和制动器，为速度环提供较高的增益，能获得优良低

速刚度和动态性能。电动机频率高、定位精度好、调整简单、工作平稳。缺点是转

子温度高、转动惯量大、时间响应较慢。

（3）交流伺服电动机自80年代中期开始，以异步电动机和永磁同步电动

机为基础的交流伺服进给驱动得到迅速发展。它采用新型的磁场矢量变换控制技术,

对交流电动机作磁场的矢量控制；将电动机定子的电压矢量或电流矢量作操作量，

控制其幅值和相位。它没有电刷和换向器，因此可靠性好、结构简单、体积小、重

量轻、动态响应好。在同样体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流电动机提

高(10〜70)%o交流伺服电动机与同容量的直流电动机相比，重量约轻一半，价格

仅为直流电动机的三分之一、效率高、调速范围广、响应频率高。缺点是本身虽有

较大的扭矩一惯量比，但它带动惯性负载能力差，一般需用齿轮减速装置，多用于

中小型数控机床。

(4)直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动

装置，是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。直线伺服电动

机驱动系统替换了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统，从电动

机到工作台之间的一切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使工

作台的加/减速提高到传统机床的(10〜20)倍，速度提高(3〜4)倍。采用直线伺服电

动机驱动方式，省去减速器，(齿轮、同步齿形带等)和滚动丝杠副等中间环节，不

仅简化机床结构，而且避免了因中间环节的弹性变形、磨损、间隙、发热等因素带

来的传动误差；无接触地直接驱动，使其结构简单，维护简便，可靠性高，体积小,

传动刚度高，响应快，可得到瞬时高的加/减速度。据文献介绍，它的最大进给速度

可达到100m/min甚至更高，最大加/减速度为(1〜8)g。现在直线伺服电动机已成功

地应用在超高速机床中。直线伺服电动机驱动存在的问题有：隔磁防磁问题，发热

问题，成本较高。

37.试述滚珠丝杠螺母机构的特点，其支承方式有那几种？

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

载荷特点：主要承受轴向载荷，对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，采用

角接触轴承或

双向推力园柱滚子与滚针轴承的组合。

滚珠丝杠的支承方式：1、一端固定，一端自由：用于短丝杠与竖直丝杠

2、一端固定，一端简支：用于较长的卧式安装丝杠

3、两端固定：用于长丝杠或高转速，要求高抗压刚度场合

38.机床控制系统有几种分类方法？是如何进行分类的？

(1)按自动化程度分类可分为手动、机动、半自动和自动控制系统

(2)按控制系统有否反馈进行分类可分为开环、半闭环和闭环控制系统。

(3)按控制方式和内容进行分类可分为时间控制、程序控制、数字控制、

误差补偿控制和自适应控制。

39.一般机床自动控制系统由哪几部分组成？

自动控制系统包括工件的装卸在内的全部操作都实现自动化。工人的任务是不

断地往料仓或料斗里装载毛坯，可以同时监视几台机床的工作。一般自动控制系统

由三部分组成：

(1)发令器官

(2)执行器官

(3)转换器官

40.简述数控机床开环和闭环伺服系统的工作原理。

开环伺服驱动系统发出指令后，不检查执行部件是否完成相应的操作，继续发

出下一个指令。

其工作原理如下图所示，

数控系统发出的一个步进信号，通过环形分配器和电机驱动电路控制步进电机

往设定方向转动一定的角度。通过减速器带动丝杠转动，从而使工作台移动一个步

距长度。

闭环控制系统中，位置检测传感器直接安装在机床的最终执行部件上，如下图

所示，

直接测量出执行部件的实际位移，与输入的指令位移进行比较，比较后的差值

反馈给控制系统，对执行部件的移(转)动进行补偿，使机床向减小差值的方向运

行，最终使差值等于零或接近于零。为提高系统的稳定性，闭环系统除了检测执行

部件的位移量外，还检测其速度。

第三章典型部件设计

1.主轴部件应满足那些基本要求？

答：主轴部件应满足的基本要求有旋转精度、刚度、抗振性、温升热变形和精度保

持性等。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轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、

装配和调整精度。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，通常

以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，主

轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。主轴部件的抗振性

是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工

质量，刀具的使用寿命，产生噪声。主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始

制造精度的能力，必须提高其耐磨性。

2.主轴轴向定位方式有那几种？各有什麽特点？适用场合

答：（1）前端配置两个方向的推力轴承都分布在前支撑处；特点：在前支撑处轴承

较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合：用

于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。

（2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支撑处；特点：发热小、温度低，

主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围：用于普通精度机床、立铳、多刀

车床。

（3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支撑处；特点：这类配置

方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和

补偿热膨胀；适用范围：用于短主轴，如组合机床。

（4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧；特点：此方案可减少主轴

的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。

3.试述主轴静压轴承的工作原理

答：主轴静压轴承一般都是使用液体静压轴承，液体静压轴承系统由一套专用供油

系统、节流器和轴承三部分组成。静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和

轴承间隙中，利用油的静压压力支撑载荷、轴颈始终浮在压力油中。所以，轴承油

膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。静压轴承与动压轴承相比有如

下优点：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。

定压式静压轴承的工作原理如下图所示，在轴承的内圆柱孔上，开有四个对称的

油腔1~4。油腔之间由轴向回油槽隔开，油腔四周有封油面，封油面的轴向宽度为a,

轴向宽度为bo液压泵输出的油压为定值P的油液，分别流经节流器Ti、T2、T3和

丁4进入各个油腔。节流器的作用是使各个油腔的压力随外载荷的变化自动调节，从

而平衡外载荷。当无外载荷作用（不考虑自重）时，各油腔的油压相等，即P1=P2=P3=P4,

保持平衡，轴在正中央，各油腔封面与轴颈的间隙相等，即h=h1=h2=h3=h4,间隙液

阻也相等。

当有外载荷F向下作用时，轴颈失去平衡，沿载荷方向偏移一个微小位移e,油

腔3间隙减小，即h3=h-e,间隙液阻增大，流量减小，分流器T3的压力降减小，因

供油压力P是定值，故油腔压力P3随之增大。同理，上油腔1间隙增大，即hi=h+e,

间隙液阻减小，流量增大。节流器Ti的压力降增大，油腔压力Pi随之减小。两者的

压力差Ap=P3-pi，压力差将主轴推回中心以平衡外载荷Fo

4.试分析图3—114中，所示三种主轴轴承的配置型式的特点和适用场合。

460003182100

[□□

-------------------------

□□

318210046000

II__________----------------

318210022680003182100

ID雯__________

------------------

口口02PD口

答：（1）46000为圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承承受轴向负荷的能力取决于接触角，

即外圈滚道角度，角度越大，轴向负荷能力也越大；3182100是双列向心圆柱滚子

轴承，这种轴承承载能力大，摩擦系数小，温升低，但不能承受轴向力。这种配置

方式主要在后面的轴承承受轴向力，因此相当于后端配置，这种配置的特点是发热

小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围是用于普通精度机床、

立铳、多刀车床。

(2)这种配置方式主要在前段的轴承承受轴向力，因此这种轴承配置相当于前端配

置；这种配置的特点是在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向

后伸，不影响轴向精度；适用场合是用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或

数控机床。

(3)226800。是双向推力向心球轴承，因此这种配置相当于中间配置，这种配置的

特点是两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧，此方案可减少主轴的悬伸量，使主

轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。

5.按图3—115中的主轴部件，分析轴向力如何传递？间隙如何调整?

答：轴向力传递如下图所示

调整主轴上的后螺母可消除后止推轴承的轴向间隙和角接触球轴承的径向和轴向间

隙；调整主轴上的前螺母可消除前部双列向心圆柱滚子轴承的径向间隙，继续调整

主轴上的后螺母，将主轴向后拉可消除前部止推轴承的轴向间隙。

6.试检查图3—116所示主轴部件中有否错误;如有，请指出错在那里？应怎样改正?

用另画的正确简图表示出来。

答：有多处错误，主轴前端的双列向心圆柱滚子轴承间隙不能调整；大齿轮应靠主

轴前支承，主轴上有轴向力不能用弹性档圈定位，应改为螺母定位锁紧；中间支承

应用向心球轴承或圆柱滚子轴承；主轴后支承两个圆锥滚子轴承应大口朝外；没有

考虑密封和润滑。

7.试设计一主轴部件，前支承用两个圆锥滚子轴承承受径向力和双向轴向力，后支

承用一个双列圆柱滚子轴承，画出前后支承部分的结构简图。

318210046000

o□

一—□>

O口

8.在支承件设计中，支承件应满足那哪些基本要求？

答：支撑件应满足的下列要求：

1）应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。

2）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；整机的低阶频

率较高，各阶频率不致引起结构共振；不会因薄壁振动而产生噪声。

3）热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小。

4）排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。

9.支承件常用的材料有哪些？有什麽特点？

答：支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、大然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树

脂混凝土等。

(1)铸铁铸铁铸造性能好、容易获得复杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力人,

阻尼系数大，使振动衰减的件能好，成本低。但铸件需要木模芯盒，制造周期长，

有时产生缩孔、气泡等缺陷，成本高，适于成批生产。铸造支承件要进行时效处理,

以消除内应力。

(2)钢板焊接结构

用钢板和型钢等焊接支承件，其特点是制造周期短，省去制作木模和铸造工艺：支

承件可制成封闭结构，刚性好；便于产品更新和结构改进；钢板焊接支承件固有频

率比铸铁高，在刚度要求相同情况下，采用钢焊接支承件可比铸铁支承件壁厚减少

一半，重量减轻20%〜30%。钢板焊喽结构的缺点是钢板材料内摩榛阻尼约为铸铁

的W，抗振性较铸铁差，为提高机床抗振性能，可采用提高阻尼的方法来改善动态

性能。

(3)预应力钢筋混凝土

预应力钢筋混凝土主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、立注等支承件,

预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低。用钢

筋混凝土制成支承件时，钢筋的配置对支承件影响较大。一般三个