第三章典型部件设计

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1、第三章第三章 典型部件设计典型部件设计第一节第一节 主轴部件设计主轴部件设计第三章 金属切削机床设计 第三章第三章 典型部件设计典型部件设计 3.1 3.1 主轴部件设计主轴部件设计 一、主轴部件应满足的基本要求一、主轴部件应满足的基本要求二、主轴部件的传动方式二、主轴部件的传动方式三、主轴部件结构设计三、主轴部件结构设计上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、主轴滚动轴承四、主轴滚动轴承返回本章返回本章五、主轴滑动轴承五、主轴滑动轴承第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页 3.1.1 主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足的基本要求 主轴部件：主轴部件：

2、是机床的执行件，支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力及驱动力。由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 1、旋转精度：、旋转精度：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。 2、刚度：、刚度：指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力（图3-1）。分静刚度和动刚度。 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。取决于主轴的尺寸、形状，轴承的类型、数量、预紧和配置形式，主轴部件的制造、装配质量。静刚度不足对机床的加工精度有直接影响。目前，对主轴部件尚无统一的刚度标准

3、。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.1 主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足的基本要求 3、抗振性：、抗振性： 指抵抗受迫振动和自激振动的能力。目前，抗振性的指标尚无统一标准，只能参考一些实验数据。 4、 温升和热变形：温升和热变形： 指主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，切削区的切削热等使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。从而影响加工精度。 5、精度保持性：、精度保持性： 指长期地保持其原始制造精度的能力。主轴丧失原始精度的主要原因是磨损。要提高耐磨性应合理选择主轴材料，轴承材料、类型，热处理方式

4、，润滑防护方式等。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.1.2 主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式 主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。 1、 齿轮传动：齿轮传动： 特点：特点：优点是结构简单、紧凑，能够传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作。缺点是线速度不能过高，通常小于1215m/s，不如带传动平稳。 应用应用应用应用：应用最广泛。：应用最广泛。 2、带传动：、带传动： 特点：特点：优点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动；皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速 传动；

5、带传动在过载时会打滑，能起到过载 保护作用。缺点是有滑动，不能用在转速比要求准确的场合。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.2 主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式 2、带传动、带传动： 同步齿形带：同步齿形带：是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。分梯形齿（图3-2）和圆弧形齿。 优点是无相对滑动，传动比准确、精度高；强度高，可传递100KW以上的动力 ；厚度小、质量小、传动平稳、噪声小，速度可达50m/s；无需特殊涨紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需要润滑，耐水、耐腐蚀，可在高温下工作，维护保养方便；传动比大，达1/10

6、以上。 缺点是制造工艺复杂，安装条件要求高。 3、电动机直接驱动方式：、电动机直接驱动方式：即电机转子直接设计成主轴。 特点：特点：主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。 应用：应用：它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。图3-3为高速内圆磨床电主轴。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件结构设计 （一）主轴部件的支承数目（一）主轴部件的支承数目 机床主轴一般采用前、后两个支承或三支承结构。 两支承方式（图2-24卧

7、式铣床主轴107页）结构简单、制造装配方便、容易保证精度。 为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承，（图2-23卧式车床主轴106页） ；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，（图2-29卧式加工中心主轴112页）。 两支承方式主要用于通用机床，三支承结构用于数控机床。三支承结构中，采用前、中支承为主要支承的较多。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件结构设计 （二）推力轴承的位置配置型式（二）推力轴承的位置配置型式 1、前端配置：前端配置：图3-4

8、a 方式方式：指两个方向的推力轴承都布 置在前支承外。 特点：特点：这类配置方案在前支承处轴承较多，发热量大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。 应用：应用：这种配置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 2、后端配置：、后端配置：图b 方式方式：指两个方向的推力轴承都布置在后支承处。 特点：特点： 这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。 应用：应用：这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页

9、3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式（二）推力轴承的位置配置型式 3、两端配置两端配置;图c,d 方式方式：指两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。 特点：特点：这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。 应用：应用：这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。 4、中间配置：中间配置：图e 方式方式：指两个方向的推力轴承在前支承的后侧。 特点：特点：这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也较高。 应用：应用：很少应用。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本

10、节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件结构设计（三）主轴传动件位置的合理布置（三）主轴传动件位置的合理布置 1、传动件在主轴上轴向位置的合理布置、传动件在主轴上轴向位置的合理布置 原则原则：合理布置传动件在主轴上的轴向位置，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。主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。 方式：方式：图3-5 a图方式受力情况较好，用得最为普遍； b图方式主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床等； c图方式较多地用于带传动，更换传动带方便，如磨床等。 2、驱动主轴的传动轴位置的合理布

11、置、驱动主轴的传动轴位置的合理布置 主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。应使驱动力引起的主轴变形与切削力引起的主轴变形能够相互抵消。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件结构设计 （四）主轴主要结构参数的确定（四）主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有主轴前、后轴径直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L，见图3-6。它们直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。 1、主轴前轴径直径、主轴前轴径直径D1的选取的选取 按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径参考表3-

12、1选取。车床和铣床的后轴颈的D2（0.70.85）D1。 2、主轴内孔直径、主轴内孔直径d的确定的确定 卧式车床d（0.550.6）D平均 铣床的孔径d可比刀具拉杆直径大510mm。 3、主轴前端悬伸量、主轴前端悬伸量a的确定的确定 在满足结构要求的前提下，取最小值。 4、主轴主要支承间跨距、主轴主要支承间跨距L的确定的确定 最佳跨距L0=（23）a，实际受结构限制要大于L0。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件结构设计 （五）主轴体（五）主轴体 1、主轴的构造和形状：、主轴的构造和形状： 主体：主体： 主要取决于

13、主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。还要考虑加工、装配的工艺性。一般为空心阶梯轴，前大后小结构。 前端前端：取决于机床类型和安装夹具刀具的形式。 2、主轴的材料和热处理：、主轴的材料和热处理： 普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。见表3-2。 3、主轴的技术要求：、主轴的技术要求： 要满足设计要求、工艺要求、检测方法的要求，做到设计、工艺、检测的基准统一。如图3-7车床主轴简图。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.

14、1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承 主轴部件中最重要的组件是轴承轴承。 机床上常用的主轴轴承有：机床上常用的主轴轴承有：滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。此外还有自调磁浮轴承等适应高速加工的新型轴承。 对主轴轴承的要求：对主轴轴承的要求：旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。 典型的主轴轴承如图3-8第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承 1、角接触

15、球轴承：、角接触球轴承： 接触角接触角：是滚动体与滚道接触点处的公法线与主轴轴线垂直平面间的夹角。是球轴承的主要参数。 分类分类：图3-9 图a：=0，称为深沟球轴承，主要承受径向力； 图b：0 45，称为角接触球轴承，主要承受径向力，也可承受轴向力； 图c： 45 90，称为推力角接触球轴承，主要承受轴向力，也可承受径向力； 图d：=90，称为推力球轴承，只能承受轴向力。 应用：应用： 主轴一般用等于25或15的角接触轴承，并成组安装（图3-10），以便承受双向的轴向力。背靠背安装比面对面安装抗颠覆力矩能力好；三个一组，二个同向的承受主要方向的轴向力，与另一个背靠背安装。第三章 金属切削机床

16、设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承 2 2、双列短圆柱滚子轴承：、双列短圆柱滚子轴承：图3-8的a、b 3 3、圆锥滚子轴承：、圆锥滚子轴承：图3-8的c、d、e、f 4 4、推力轴承：、推力轴承： 5 5、双向推力角接触轴承、双向推力角接触轴承：图3-8的g 6 6、陶瓷滚动轴承：、陶瓷滚动轴承：有三种类型 滚动体用陶瓷制造，内、外圈用轴承钢； 滚动体和内圈用陶瓷制造，外圈用轴承钢； 滚动体内、外圈全用陶瓷制造，为全陶瓷轴承。 7 7、磁浮轴承、磁浮轴承（也称磁力轴

17、承，有转子和定子组成）： 是一种高性能机电一体化轴承，利用磁力来支承运动部件使其与固定部件脱离接触来实现轴承功能。 图3-11为磁浮轴承工作原理 图3-12、13为磁浮轴承的控制框图和主轴的结构图第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承 （二）几种典型的主轴轴承配置型式（二）几种典型的主轴轴承配置型式 主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载 能力、抗振性和噪声等要求来选择。 常见的几种典型配置型式常见的几种典型配置型式： 速度型、刚度型、速度刚度型（图速度型、刚度型、速度刚度型（图3-14）。 1、速度型（图速度型

18、（图a）：主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。轴向切削力大，选25的轴承，轴向切削力小，选15的轴承，角度大，刚度也大。角接触球轴承具有良好的高速性能，但承载能力较小，适用于高转速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床主轴等（图3-15）。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承 （二）几种典型的主轴轴承配置型式（二）几种典型的主轴轴承配置型式 2、刚度型（图刚度型（图b）：前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载 荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承。适用于中等转

19、速、切削负载较大，要求刚度高的机床。如图3-16的 数控车床主轴、镗削主轴单元等。 3 3、刚度速度型（图刚度速度型（图c）：）： 前轴承采用三联角接触球轴承，两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力，第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。后支承采用双列短圆柱滚子轴承，能够承受从主轴后端传入的较大的传动力。适用于要求径向刚度好、具有较高转速的机床主轴。 如图3-17卧式铣床主轴。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承 （二

20、）几种典型的主轴轴承配置型式（二）几种典型的主轴轴承配置型式 4、其它主轴配置形式：其它主轴配置形式： 采用圆锥滚子轴承的配置：采用圆锥滚子轴承的配置：其结构比采用双列圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但因为圆锥滚子轴承发热大，温升高，允许的极限转速要低些。适用于载荷较大，转速不太高的普通精度机床。 如图3-18配置圆锥滚子轴承的机床主轴结构和图3-19的卧式镗铣床主轴。 采用双列圆锥滚子轴承的配置：采用双列圆锥滚子轴承的配置：可以承受两个方向的轴向力，其轴向刚度高，适用于承受轴向载荷较大的机床主轴，如钻床等。图3-20为摇臂钻床主轴部件。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回

21、本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.4 主轴滚动轴承主轴滚动轴承（三）滚动轴承精度的选择（三）滚动轴承精度的选择 主轴轴承中，前、中、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。如图3-21所示。前轴承轴心偏移量所引起的主轴轴心偏移量要大于后轴承轴心偏移量所引起的主轴轴心偏移量 所以，前支承的轴承精度比后支承的轴承精度对主轴部件的旋转精度影响较大，因此前支承轴承的精度要比后支承轴承的精度选得高一级。 一般按表3-3选取。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.5 主轴滑动轴承主轴滑动轴承 滑动轴承滑动轴承应有良好的抗振性，旋转精度高，运

22、动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。主轴滑动轴承按产生油膜的方式，按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。按照流体介质按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。 1、动压轴承、动压轴承 动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。多油楔轴承的轴心位置稳定性好，抗振动和冲击性能好。故多采用多油楔轴承。 多油楔轴承有固定多油楔图3-24和活动多油楔图3-25。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.1.5 主轴滑动轴承主轴滑动轴承2、液体静压轴承、液体静压轴承液体静压轴承系统：液体静压轴承系统：一套专用供油系统、节流器和

23、轴承。静压轴承与动压轴承相比具有的优点：静压轴承与动压轴承相比具有的优点：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；既能在低速下工作，也能在高速下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。 定压式静压轴承图3-26节流器有两类节流器有两类：固定节流器和可变节流器。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 3.1.5 主轴滑动轴承主轴滑动轴承3、气体静压轴承、气体静压轴承用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。具

24、有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种：具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种：具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件 采用双半球形气体静压轴承 前端为球形，后端为圆柱形或半球形 第三章 金属切削机床设计 3.2 3.2 支承件设计支承件设计 一、支承件的功能和应满足的基本要求一、支承件的功能和应满足的基本要求二、支承件的结构设计二、支承件的结构设计三、支承件的材料三、支承件的材料上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、提高支承件结构性能的措施四、提高支承件结构性能的措施返回本章返回本章第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.1 支承

25、件的功能和应满足的基本要求支承件的功能和应满足的基本要求机床的支承件机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件。支承件的主要功能支承件的主要功能是保证机床各零部件之间的相互位置 和运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、 热稳定性和耐用度。支承件应满足的基本要求支承件应满足的基本要求：（1）应具有足够的刚度和较高的刚度质量比；（2）应具有良好的动态特性，各阶频率不致引起结构 共振和薄壁振动；（3）热稳定性好；（4）排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.2 支承件的结构设计支承件的结构设计（一）机床

26、的类型、布局和支承件的形状（一）机床的类型、布局和支承件的形状 1、机床的类型可分为三类、机床的类型可分为三类：中小型机床、精密和高精密机床、大型和重型机床 2、机床的布局形式：、机床的布局形式：直接影响支承件的结构设计。 图3-31是卧式数控车床的布局形式。 床身导轨的倾斜角度各有不同，中型卧式车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，优点优点是排屑方便，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。 3、支承件的基本形状、支承件的基本形状： 箱形类：三个方向的尺寸差不多； 板块类：两个方向的尺寸比第三方向大得多； 梁

27、类：一个方向的尺寸比另两个方向大得多。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.2 支承件的结构设计支承件的结构设计（二）支承件的截面形状和选择（二）支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：比较后可知：空心截面的刚度都比实心的大。圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。 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。 表3-4不同截

28、面的抗弯、抗扭惯性矩 图3-32 机床床身截面图第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.2 支承件的结构设计支承件的结构设计 （三）支承件筋板和（三）支承件筋板和肋肋条的布置条的布置 1、筋、筋板：板：是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。 水平布置：可提高支承件水平面内的抗弯刚度； 垂直布置：可提高支承件垂直面内的抗弯刚度； 斜向布置：可同时提高支承件的抗弯、抗扭刚度。 2 2、肋条：、肋条：一般将肋肋条条配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振

29、动，用来提高支承件的局部刚度。肋肋条的布置条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列，如井字、米字形。肋条厚度一般是床身壁厚的0.70.8倍。 图图3-3336 是各种筋板、肋条布置图 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.2 支承件的结构设计支承件的结构设计（四）合理选择支承件的壁厚（四）合理选择支承件的壁厚 为减轻机床重量，壁厚应尽可能选得薄些。 1 1、铸铁支承件：、铸铁支承件：根据当量C按表3-5确定最小壁厚t，再根据结构、工艺、受力等条件确定壁厚，壁厚应尽量均匀。当量 C=（2L+B+H）/3 2、焊接支承件：、焊接支承件：一般采用

30、钢板与型钢焊接而成。 钢的弹性模量比铸铁大一倍，所以钢板焊接床身的抗弯刚度是铸铁的1.45倍，壁厚可以比铸铁薄2/34/5,可以减少质量。但是，钢的阻尼是铸铁的1/3，抗振性差。 钢板焊接床壁厚可参考表3-6选取。 焊接支承件要采用封闭截面形状、正确布置筋板和肋板以提高刚度。壁厚太薄会产生薄壁振动。 大型机床及载荷大的导轨的壁板，采用双层壁结构，以提高刚度。一般壁厚t36mm。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.3 支承件的材料支承件的材料支承件常用的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。 1、铸铁

31、、铸铁铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减 性能好，成本低，适于成批生产。要进行时 效处理，以消除内应力。 2、钢板焊接结构、钢板焊接结构制造周期短，刚性好，便于 产品更新和结构改进，重量轻。 3、预应力钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土抗振性好，成本低。 图3-37 数控车床底座及床身 4、天然花岗岩、天然花岗岩性能稳定，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。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.3 支承件的材料支承件的材料 5、树脂混凝土、树脂混凝土 刚度高，具有良好的阻尼性能 ，抗 振性好，热稳定

32、性高，质量轻，可有良好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能。 表3-7是树脂混凝土与铸铁的性能比较 整体结构形式：图3-38b 将金属件预埋或粘接在树脂混凝土床身上。图3-89 分块结构形式：图c 复杂结构床身要分块浇注，然后粘接在一起。 框架结构形式：图a 在金属框架内浇注床身，刚性好，适于结构简单的大、中型机床。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.4 提高支承件结构性能的措施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（一）提高支承件的静刚度

33、和固有频率 提高支承件的静刚度和固有频率的主要方法：提高支承件的静刚度和固有频率的主要方法： 根据支承件受力情况合理地选择支承件的 材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理的布置 肋板和肋条，以提高结构整体和局部的弯曲 刚度和扭转刚度。 图3-40 数控车床的床身断面 图3-41 加工中心床身断面 图3-42 滚齿机大立柱和床身截面示意图 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.2.4 提高支承件结构性能的措施提高支承件结构性能的措施（二）提高动态特性（二）提高动态特性 1、改善阻尼特性、改善阻尼特性： 对于铸件铸件支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型

34、砂 或混凝土等阻尼材料，可以起到减振作用。如图3-43、44所示。 对焊接焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用结合面间的摩擦阻尼来减小振动（即分段焊缝可增大阻尼）。或者采用阻尼涂层。封砂结构床身（图3-43）、悬梁的阻尼。 表3-8 不同焊缝尺寸对构件动刚度的影响。 图3-45 焊接件减振板、图3-46 悬梁的阻尼。 2、采用新材料制造支承件：、采用新材料制造支承件： 如树脂混凝土，其刚性高、抗振性好，热变形小、耐化学腐蚀。正被广泛应用。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 3.2.4 提高支承件结构性能的措施提高支承件

35、结构性能的措施（三）提高热稳定性（三）提高热稳定性 主要方法有：主要方法有： 1、控制温升、控制温升 采用分离或隔绝热源方法。 2、采用热对称结构采用热对称结构 所谓热对称结构是指在 发生 热变形时，其工件或刀具回转中心线的位置基本保 持不变，因而减小了对加工精度的影响。 图3-47 立柱的热对称结构 3、采用热补偿装置采用热补偿装置 采用热补偿装置的基本方法 是在热变形的相反方向上采取措施，产生相应的反 方向热变形，使两者之间影响互相抵消，减少综合 热变形。 第三章 金属切削机床设计 3.3 3.3 导轨设计导轨设计 一、导轨的功用和应满足的基本要求一、导轨的功用和应满足的基本要求二、导轨的

36、截面形状选择和导轨间隙的调整二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整三、导轨的结构类型及特点三、导轨的结构类型及特点上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、提高道轨精度、刚度和耐磨性的措施四、提高道轨精度、刚度和耐磨性的措施返回本章返回本章第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.1 导轨的功用和应满足的基本要求导轨的功用和应满足的基本要求 1、导轨的功用和分类、导轨的功用和分类 导轨的功用是承受载荷和导向。 导轨按结构形式可分为开式导轨和闭式导轨开式导轨和闭式导轨。图3-48 2、导轨应满足的要求、导轨应满足的要求 导轨应满足精度高、承载

37、能力大、刚度好、摩擦 阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结 构简单、工艺性好，便于加工、装配、调整和维 修、成本低等要求。 下面的五个要求尤为突出：下面的五个要求尤为突出： 导向精度；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；导轨要求 结构简单，易于加工。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.3.2 导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 1、直线导轨的截面形状、直线导轨的截面形状 直线导轨的截面形状主要有四种：图直线导轨的截面形状主要有四种：图2-49矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，

38、它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。 矩形导轨：图矩形导轨：图a) 具有承载能力大、刚度高、制造简单、检验和维修方便等优点；但有侧向间隙，需用镶条调整，导向性差。适用于载荷较大而导向要求略低的机床。 三角形导轨：图三角形导轨：图b) 磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.2 导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 1、直线导轨的截面形状、直线导轨

39、的截面形状 燕尾形导轨：图燕尾形导轨：图c) 承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚度较差，加工检验维修都不太方便。适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。 圆柱形导轨：图圆柱形导轨：图d) 制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于承受轴载荷的导轨，应用较少。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.2 导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 2、回转运动导轨的截面形状有三种：图、回转运动导轨的截面形状有三种：图3-50 平面形、锥面环形和双锥面导轨。 平面环形导轨：图平面

40、环形导轨：图a) 结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力，但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受径向载荷。 锥面环形导轨锥面环形导轨:图图b） 除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比平面环形好，但制造较困难。 双锥面导轨：图双锥面导轨：图c) 能承受较大的径向力，轴向力 和一定的颠覆力矩，制造研磨均较困难。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.2 导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 3、导轨的组合形式、导轨的组合形式 机床导轨主要有如下的组合机床导轨主要有如

41、下的组合,图图3-51 双三角形导轨双三角形导轨:图图a) 不需要鑲条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验和维修都不方便。 双矩形导轨：双矩形导轨： 承载能力大、制造简单。多由于普通机床和重型机床。导向方式有两种宽式组合（图b）和窄式组合（图c）。 矩形和三角形导轨的组合：图矩形和三角形导轨的组合：图3-48 导向性好，刚性高，制造方便，应用最广。 矩形和燕尾形导轨的组合：矩形和燕尾形导轨的组合： 能承受较大力矩,调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.2 导轨的截面形状选择和

42、导轨间隙的调整导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 4、导轨间隙的调整、导轨间隙的调整 导轨面间的间隙：导轨面间的间隙：对机床工作性能有直接影响，如果间隙过大，会影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快。因此必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整， 导轨常用压板、鑲条来调整导轨常用压板、鑲条来调整。 压板：压板：用来调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩。结构如图3-52，a）图用磨、刮压板调整；b）图用改变垫片厚度调整；c）图用平镶条调整，但刚性差。 镶条：镶条：调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。 平鑲条（图平鑲条（图3-53） 用几个调整螺钉进行间隙调整，几个点受力，易变

43、性、刚度低，应用较少。 斜鑲条（图斜鑲条（图3-54、55） 导向调整板（图导向调整板（图3-56、57） 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.3 导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 1、滑动导轨、滑动导轨 滑动导轨：滑动导轨：具有一定动压效应的混合摩擦状态。导 轨的动压效应主要与导轨的摩擦速度、润滑油粘 度、导轨面的油沟尺寸和形式等有关。速度较高 的主运动导轨，应合理设计油沟型式和尺寸，选 择合适粘度的润滑油，以产生较好的动压效果。 优点优点是结构简单、制造方便和抗振性好。 缺点缺点是磨损快。 为提高耐磨性，广泛采用塑料导轨和鑲钢导轨。

44、塑 料导轨使用粘结法或涂层法覆盖在导轨面上。通常 对长导轨用喷涂法、对短导轨用粘结法。 四种导轨四种导轨：粘结塑料软带导轨、塑料涂层、 金属塑料复合导轨、鑲钢导轨第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.3 导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 2、静压导轨、静压导轨 工作原理：工作原理： 特点：特点： 应用：应用： 静压导轨按结构形静压导轨按结构形 式分为开式（图式分为开式（图3-60）和闭式）和闭式（图（图3-61）两大类。）两大类。 3、卸荷导轨、卸荷导轨 作用：作用：卸荷导轨用来降低导轨面的压力，减少摩擦阻力，从而提高导轨的耐磨性和低速运

45、动的平稳性，尤其是对大、重型机床来说，工作台和工件的质量很大,导轨面上的摩擦阻力很大，常用卸荷导轨。 导轨的卸荷方式：导轨的卸荷方式：有机械卸荷（图3-62）、液压卸荷、气压卸荷（图3-63、64）三种 。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.3 导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 4、滚动导轨、滚动导轨 与滑动导轨相比，滚动导轨其特点如下： 优点：优点：是摩擦因数小，动、静摩擦因数很接近。 缺点：缺点：是抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高。 滚动导轨的类型滚动导轨的类型 按滚动体分类按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针（图3-6

46、5）三类。 按循环方式分类按循环方式分类：循环式（图a）、 非循环式（图b） 直线滚动导轨副直线滚动导轨副:图图3-66 滚动导轨块：图滚动导轨块：图3-67 预紧：预紧：方法是靠螺钉、垫块或斜块移动导轨实现靠尺寸差达到预紧。如图3-68 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.3.3 导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 5、导轨的设计、导轨的设计 滑动导轨的设计主要有如下内容滑动导轨的设计主要有如下内容 选择滑动导轨的类型和截面形状； 根据机床的工作条件、使用性能，选择合适的 导轨类型； 选择合适的导轨材料、热处理方法，保证导轨耐磨性和使用

47、寿命； 进行滑动导轨的结构设计和计算； 设计导轨调整间隙装置和补偿方法； 设计润滑、防护系统装置； 制定出导轨制造加工、装配的技术要求。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.3.3 导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 5、导轨的设计、导轨的设计 目前，直线滚动导轨副和滚动导轨块基本上已经系列化、规格化和模块化。用户可根据需要进行外购。 滚动导轨的设计，主要是根据导轨的工作条件、受力情况、使用寿命等要求，选择直线滚动导轨副或滚动导轨块的类型、数量，并进行合理的配置。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.

48、3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施 1、合理选择导轨的材料和热处理、合理选择导轨的材料和热处理 导轨材料和热处理方法对导轨性能、精度有直接影响,要合理的选择，以便降低摩擦因数，提高导轨的耐磨性，降低成本。 导轨的材料有铸铁、钢、有色金属、塑料等。导轨的材料有铸铁、钢、有色金属、塑料等。 铸铁导轨：铸铁导轨：良好的抗振性，工艺性和耐磨性。 鑲钢导轨：鑲钢导轨：抗磨损能力强。 有色金属：有色金属：可以防止撕伤，保证运动的平稳性和提高运动精度。 塑料：塑料：具有摩擦因数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速不易爬行、运动平稳、工艺简单、化学性能好、成本低等特点。 第三

49、章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 3.3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施 2、导轨的预紧、导轨的预紧 合理地将滚动导轨预紧可以提高其承载能力、运 动精度和刚度。 3、导轨的良好润滑和可靠防护、导轨的良好润滑和可靠防护 导轨的良好润滑和可靠防护，可以降低摩擦力， 减少磨损，降低温度和防止生锈，延长寿命。 4、争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补、争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补 偿磨损量偿磨损量 磨损的原因：磨损的原因：导轨结合面在一定压强作用下直 接接触并相对运动而造成。 争取不磨损的条件：争

50、取不磨损的条件：让结合面在运动时不接触。 方法：方法：保证完全的液体润滑。 第三章 金属切削机床设计 3.4 3.4 机床刀架和自动换刀装置设计机床刀架和自动换刀装置设计 一、机床刀架和自动换刀装置、类型和应满一、机床刀架和自动换刀装置、类型和应满 足的基本要求足的基本要求 二、机床刀架及其转位、定位机构设计二、机床刀架及其转位、定位机构设计三、自动换刀装置的工作原理和构成三、自动换刀装置的工作原理和构成上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、识刀装置四、识刀装置返回本章返回本章第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.4.1 机床刀架的

51、功能、类型机床刀架的功能、类型 和应满足的要求和应满足的要求 1、机床刀架的功能和类型、机床刀架的功能和类型 机床刀架的功能：机床刀架的功能：机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，承受极大的切削力，是工艺系统中较薄弱的环节。 机床刀架的类型：机床刀架的类型： 按安装刀具的数目安装刀具的数目分为单刀架和多刀架。 按结构形式结构形式分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等。 按驱动刀架转位的动力驱动刀架转位的动力分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.4.2 机床刀架的几种典型刀架机床刀架的

52、几种典型刀架 2、机床刀架和自动换刀装置的类型、机床刀架和自动换刀装置的类型 加工中心加工中心有立式、卧式、龙门式等几种。 加工中心上刀库类型加工中心上刀库类型有鼓轮式刀库、链式刀库、格子 箱式刀库和直线刀库等。图图120 换刀机械手换刀机械手分为单臂单手式、单臂双手式和双手式机 械手。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.9.1 机床刀架和自动换刀装置的功能、类型机床刀架和自动换刀装置的功能、类型 和应满足的要求和应满足的要求 3、机床刀架自动换刀装置应满足的要求、机床刀架自动换刀装置应满足的要求 满足工艺过程所提出的要求； 在刀架、刀库上牢固地

53、安装刀具，精确调整刀具位置； 刀架、刀库、换刀机械手都应有足够的刚度； 可靠性高； 刀架和自动换刀装置的换刀时间尽量短，提高生产率； 操作方便和安全。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.9.2 机床刀架及其转位、定位机构设计机床刀架及其转位、定位机构设计 1、机床上的刀架、机床上的刀架 刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的 刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切 削效率。 数控机床的刀架一般采用自动（电气或液压）转 位方式。 刀架结构形式大体分为排刀式刀架和转塔式刀架。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一

54、页下一页 3.9.2 机床刀架及其转位、定位机构设计机床刀架及其转位、定位机构设计 2、机床刀架的转位结构设计、机床刀架的转位结构设计 液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 圆柱凸轮步进式转位机构 伺服电动驱动的刀架转位 3、定位机构设计、定位机构设计 刀架的定位机构多采用锥销定位和端面齿盘定位 定位的特点是定位的特点是定位精度高、重复定位精度好，定位 刚性好，承载能力大。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 1、自动换刀装置、自动换刀装置 数控镗铣床的转塔刀架（初期） 小型加工

55、中心无机械手换刀（XH754系列卧式） JCS013加工中心自动换刀装置第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 2、链式刀库的构成、链式刀库的构成 链式刀库的类型链式刀库的类型 链式刀库有链式刀库有一个主动链轮，带动装有刀套的 链条。 方形链式刀库 推荐的链条：推荐的链条：带导向轮的SK04型链条 HP型链条 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 2 2、链式刀库的构成、

56、链式刀库的构成 刀库的准停和回零刀库的准停和回零 准停准停需要采取的措施： 定位盘准停由液压缸推动的定位销，插 入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停。 这种准停方式的优点：这种准停方式的优点： a.能有效地消除传动链反向间隙的影响； b.保护传动链，使其免受换刀的撞击力； c.驱动电动机可不用制动自锁装置。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 2 2、链式刀库的构成、链式刀库的构成 准停准停需要采取的措施： 链式刀库要选用节距精度较高的套筒滚子 链和链轮，而且在把刀套装在链条上时

57、，要用 专用夹具来定位，以保证刀套间距一致。 圆盘式刀库宜采用单头双导程蜗杆传动。 尽量减小刀套孔径和轴向尺寸的分散度， 以保证刀柄槽在换刀位置上的轴向位置精度。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 2 2、链式刀库的构成、链式刀库的构成 准停准停需要采取的措施： 要消除反向间隙的影响。有以下几种： a.电气系统自动补偿方式。 b.在链轮轴上装编码器，对链轮传动进行 补偿的方法实现准停。 c.单头双导程蜗杆传动方式 d.使刀套单方向运行 单方向定位方式。 e.使刀套双向运行，单向

58、定位方式。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 2 2、链式刀库的构成、链式刀库的构成 刀库回零需使用回零块，刀库回零时，只能 从一个方向回零。 链轮的计算及链轮间中心距的确定： SK型 HP-T型 链轮中心距宜取链条节距整数倍为宜。 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 3 3、刀库驱动电动机的选择、刀库驱动电动机的选择 刀库负载转矩的计算刀库负载转矩的计算 圆盘式刀具负载

59、转矩 链式刀库负载转矩 刀库加速转矩计算刀库加速转矩计算 驱动电动机输出转矩的计算驱动电动机输出转矩的计算 第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.9.3 自动换刀装置的工作原理和构成自动换刀装置的工作原理和构成 4 4、机械手、机械手 单臂双爪型机械手 双臂单爪交叉型机械手 单臂双爪且手臂回转轴与主轴成45度的机械手 手爪第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 3.9.4 识刀装置识刀装置 1 1、编码方式、编码方式 刀具编码方式、刀座编码方式、编码附件方式 2 2、刀具（刀套）识别装置、刀具（刀套）识别

60、装置 接触式刀具识别装置 非接触式刀具识别装置 非接触式磁性识别法 光学纤维刀具识别装置 利用PC（可编程控制器）实现随机换刀 ATC（自动换刀）控制和刀号数据表 刀具的识别 刀具的交换及刀号数据表的修改 第四章第四章 工业机器人设计工业机器人设计第一节第一节 概述概述退出退出第四章第四章 工业机器人设计工业机器人设计第四章 工业机器人设计返返回回主主页页第一节第一节 概述概述第二节第二节 工业机器人运动功能设计工业机器人运动功能设计第三节第三节 工业机器人传动系统设计工业机器人传动系统设计 第四节第四节 工业机器人的机械机构系统设计工业机器人的机械机构系统设计第五节第五节 工业机器人的控制工

61、业机器人的控制第六节第六节 工业机器人在机械制造系统中的应用工业机器人在机械制造系统中的应用上一页上一页下一页下一页第四章 工业机器人设计 4.1 4.1 概述概述 一、工业机器人的定义及工作原理一、工业机器人的定义及工作原理二、工业机器人的构成及分类二、工业机器人的构成及分类三、工业机器人的主要特性表示方法三、工业机器人的主要特性表示方法上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、工业机器人的基本设计方法四、工业机器人的基本设计方法返回本章返回本章第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.1.1 工业机器人的定义及工作原理工业机器人的定义及工作原

62、理 1 1、机器人的定义、机器人的定义 我国国家标准GB/T126431990将工业机器工业机器 人定义为人定义为“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、 工件或操持工具，用以完成各种作业”。 2 2、工业机器人的基本工作原理工业机器人的基本工作原理 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。 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.1.2 工业机器人的构成及分类工业机器人的构成及分类 1 1、工业机器人的构成、工业机器人的构成 操作机、驱动单元、控制装置 图图1 1、图图2 2 2 2、工

63、业机器人的分类工业机器人的分类 按机械结构类型分类：按机械结构类型分类：关节型机器人、球坐 标型机器人、圆柱坐标型机器人、直角坐标 型机器人。 图图3 3 按用途分类：按用途分类：焊接机器人、冲压机器人、浇 注机器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆 机器人、切削加工机器人、 检测机器人等。 还有按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.1.3 工业机器人的主要特性表示方法工业机器人的主要特性表示方法 1 1、坐标系、坐标系 坐标系按右手确定 关节坐标系的确定：关节坐标系的确定： 确定基准状态； 关节坐标轴轴线位置的选

64、取； 关节坐标方向的选取。 2 2、机械结构类型、机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 3 3、作业空间、作业空间 机器人的工作空间机器人的工作空间 4 4、其他特性、其他特性 用途、负载、速度、控制、分辨率等。 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 4.1.4 工业机器人的基本设计方法工业机器人的基本设计方法 1 1、工业机器人的设计方法工业机器人的设计方法 与机床设计方法基本相同，但具体的设计内容、 设计要求和设计技术有很大差别。 工业机器人总体方案的设计可分为分析式设计和 创成式设计。 2 2、设计内容与步骤设计内容与步骤 总体设计：总

65、体设计：基本技术参数设计、总体方案设计 详细设计：详细设计：装配图设计、零件图设计、控制系统 设计 总体评价：总体评价：检测其是否能满足所需设计指标的要 求第四章 工业机器人设计 4.2 4.2 工业机器人运动功能设计工业机器人运动功能设计 一、工业机器人的位姿描述一、工业机器人的位姿描述二、工业机器人运动方程二、工业机器人运动方程三、工业机器人的运动功能设计三、工业机器人的运动功能设计上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、工业机器人的工作空间解释四、工业机器人的工作空间解释返回本章返回本章五、工业机器人的轨迹五、工业机器人的轨迹 解析解析第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返

66、回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.2.1 工业机器人的位姿描述工业机器人的位姿描述 工业机器人的位姿是工业机器人的位姿是指其末端执行器在指定坐标系中 的位置和姿态。 1 1、作业功能姿态描述法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。 2 2、运动功能姿态描述法运动功能姿态描述法 坐标变换：坐标变换：坐标系采用右手系坐标。 运动矩阵：运动矩阵：机器人各个关节的运动都是坐标运动 ，坐标运动可以用齐次坐标变换矩阵 表示。机器人末端执行器与机座之间 的相对运动可以用运动矩阵来表示。 三自由度机器人三自由度机器人第四章 工

67、业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.2.2 工业机器人的运动方程工业机器人的运动方程机器人的位姿可以用运动功能矩阵To,m来描述，它可以展开为：To,m= To,1T1,2 To,m= To,1T1,2 Ti-1,iTi-1,iTn-1,n Tn Tn-1,n Tn ,Tm ,Tm 此式是一个矩阵表达的方程式，也称机器人的位姿运动方程。若机器人各个关节运动量为已知，则可以根据上式求出末端执行器在基座坐标系中的位置和姿态。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.2.3 工业机器人的运动功能设计工业机器人的运动功能设计机器人

68、运动功能设计可采用机器人运动功能设计可采用分析式设计方法和创成式设计方法。1 1、分析式设计方法步骤、分析式设计方法步骤 根据作业运动功能的要求，确定机器人末端执行器 应达到的位置和姿态，即建立作业功能位姿矩阵； 对作业动作功能进行分析，写出运动功能矩阵； 给出各关节运动量，求出机器人的实际工作空间及 姿态，也可用作图法求解； 校核所求出的实际工作空间及姿态是否满足步骤的 设计要求。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.2.3 工业机器人的运动功能设计工业机器人的运动功能设计 2 2、创成式设计方法步骤、创成式设计方法步骤 根据作业动作功能要求，建立作

69、业功能位姿 矩阵； 分析作业功能位姿矩阵的特征，设定相应的 运动功能矩阵； 解方程式，即可得到运动功能方案。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.2.4 工业机器人的工作空间解析工业机器人的工作空间解析机器人的运动功能及相关尺寸参数确定后，给出各关节的运动范围可以通过解位姿运动方程式，求出机器人的实际工作空间，同时检验其姿态是否满足设计要求。由各关节的运动量求机器人的位置和姿态，称为机器人的正运动学解析机器人的正运动学解析。机器人的工作空间，还可以用作图法图作图法图进行解析。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下

70、一节 4.2.5 工业机器人的轨迹解析工业机器人的轨迹解析当作业动作功能所要求机器人末端执行器的运动轨迹已知，即作业功能位置矩阵已知，则运动矩阵就确定了。各关节运动量的计算是机器人控制程序设计所必需的。第四章 工业机器人设计4.3 4.3 工业机器人传动系统设计工业机器人传动系统设计 一、工业机器人的速度和加速度分析一、工业机器人的速度和加速度分析二、工业机器人的静力分析二、工业机器人的静力分析三、工业机器人的动力分析三、工业机器人的动力分析上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、工业机器人的传动系统设计四、工业机器人的传动系统设计返回本章返回本章五、驱动方式选择五、驱动方式选择第

71、四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.3.1 工业机器人的速度和加速度分析工业机器人的速度和加速度分析 1 1、构件的速度和加速度分析、构件的速度和加速度分析 机器人操作机是由若干构件通过其间的关 节联接而成的。末端执行器上的参考点P 相对于机座坐标系的的速度，可通过相应 位置变量对时间的微分而得到。 2 2、较速度和角加速度分析、较速度和角加速度分析 在末端执行器上所夹持的工件角速度是所 有回转关节的角速度的矢量和。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.3.2 工业机器人的静力分析工业机器人的静力分析机器人进行

72、作业时，其末端执行器上将作用有工作阻力（力矩），而机器人中的各驱动器则对各运动关节施加驱动力矩，驱使操作机运动。进行机器人操作机设计时，往往首先进行初步的静力分析，为操作机的方案和结构设计提供依据。作用在操作机上的静力，是由末端执行器开始自上编号杆件向下编号杆件递推的。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.3.3 工业机器人的动力分析工业机器人的动力分析与运动学位姿问题类似，动力学分析也可分正问正问题和逆问题。题和逆问题。正问题正问题用于机器人的运动分析和仿真研究。逆问题逆问题是控制其设计的基本依据。到目前为止，还没有一种算法在计算速度上能达到实时控制

73、的要求，因而这个领域的研究工作十分活跃。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.3.4 工业机器人的传动系统设计工业机器人的传动系统设计机器人操作机机器人操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，其运动都是由驱动器经各种机械传动装置减速后驱动负载。机器人中常用的机械传动机构机器人中常用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动和行星齿轮传动等。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.3.4 工业机器人的传动系统设计工业机器人的传动系统设计1 1、谐波齿轮减速装置、谐波齿轮减速装

74、置 工作原理 齿发生器图齿发生器图 传动比计算 谐波减速器在机器人中的应用 带杯形柔轮的谐波传动图带杯形柔轮的谐波传动图 带环形柔轮的谐波减速传动2 2、钢带传动装置、钢带传动装置 结构简单、传动效率高，是无间隙传动， 传动精度高。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 4.3.5 驱动方式选择驱动方式选择工业机器人的驱动系统工业机器人的驱动系统是带动操作机各运动副的动力源。常用的驱动方式常用的驱动方式包括电动机驱动、液压、气动三种。 1 1、电动机驱动方式、电动机驱动方式 应用类型大致分为应用类型大致分为普通交、直流电动机驱动、 直流伺服电动机驱动

75、、交流伺服电动机驱动、 步进电动机驱动等。 优点优点：不需能量转换、控制灵活、使用方便、 噪声较低、起动力矩大等。 2 2、液压和气压驱动方式、液压和气压驱动方式 目前，简易经济型、重型机器人和喷漆机器人 考虑液压驱动方式；轻负荷的搬运，上、下料 点操作的工业机器人考虑气压驱动方式。第四章 工业机器人设计4.4 4.4 工业机器人的机械结构系统设计工业机器人的机械结构系统设计 一、工业机器人的手臂和机座一、工业机器人的手臂和机座二、工业机器人的手腕二、工业机器人的手腕三、工业机器人的末端执行器三、工业机器人的末端执行器上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页返回本章返回本章第四章 工业

76、机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 4.4.1 工业机器人的手臂和机座工业机器人的手臂和机座工业机器人机械结构系统工业机器人机械结构系统由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。工业机器人的手臂工业机器人的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。 1 1、设计要求、设计要求 手臂结构设计要求手臂结构设计要求 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任 务提出的工作空间要求； 合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料， 减轻自重； 减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应 速度； 提高运动的精确性和运动刚度。第四章 工业机器人设计退出退出返回

77、本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.4.1 工业机器人的手臂和机座工业机器人的手臂和机座 1 1、设计要求、设计要求 机座结构设计要求机座结构设计要求 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作 时的稳定性； 机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保 证足够的强度、刚度和承载能力； 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行 器的运动精度影响最大。 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.4.2 工业机器人的手腕工业机器人的手腕手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能功能是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的基础上，再由手腕来实现末

78、端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度三个旋转自由度。 1 1、设计要求、设计要求 力求手腕部件的结构紧凑，以减轻其质量和 体积； 自由度愈多，运动范围愈大，动作灵活性愈 高，机器人对作业的适应能力愈强； 提高传动刚度，尽量减少反转误差； 对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机 械挡块，以防止关节超限造成事故。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.4.2 工业机器人的手腕工业机器人的手腕 2 2、手腕的结构、手腕的结构 用摆动液压缸驱动实现 回转运动的手腕结构 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页

79、4.4.3 工业机器人的末端执行器工业机器人的末端执行器 1 1、分类和设计要求、分类和设计要求 根据用途和结构的不同可以分为根据用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸 附式末端执行器和专用工具三类。 设计末端执行器时，要求：设计末端执行器时，要求： 满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持位置精 度； 尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，质量轻，以 减轻手臂的负荷。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.4.3 工业机器人的末端执行器工业机器人的末端执行器 2 2、机械式夹持器的结构与设计、机械式夹持器的结构与设计 工业机器人中应用的机械夹持器多为双指手

80、爪式双指手爪式。 按其手爪的运动方式按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。 回转型手爪回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型。 按夹持方式按夹持方式可分为外夹式和内撑式。 按驱动方式按驱动方式可以有电动、液压和气动。 滑槽杠杆式回转型夹持器滑槽杠杆式回转型夹持器 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 4.4.3 工业机器人的末端执行器工业机器人的末端执行器 3 3、吸附式末端执行器的结构与设计、吸附式末端执行器的结构与设计 吸附式末端执行器（又称吸盘），吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和 磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生 的吸力

81、或磁力来吸住并移动工作的。 （1 1）气吸式吸盘气吸式吸盘 挤压排气式吸盘 电流负压式吸盘 真空泵排气式吸盘 （2 2）磁吸式吸盘）磁吸式吸盘 电磁吸盘 永磁吸盘第四章 工业机器人设计 4.5 4.5 工业机器人的控制工业机器人的控制 一、工业机器人控制系统的构成一、工业机器人控制系统的构成二、工业机器人的位置伺服控制二、工业机器人的位置伺服控制三、工业机器人其它控制方式三、工业机器人其它控制方式上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、机器人智能技术四、机器人智能技术返回本章返回本章第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.5.1 工业机器人控

82、制系统的构成工业机器人控制系统的构成位置控制位置控制是机器人最基本的控制任务。工业机器人控制系统的构成形式取决于机器人所要执行的任务及描述任务的层次。第一控制层次第一控制层次为人工智能级第二控制层为第二控制层为控制模式级。动力学方面的困难在于：动力学方面的困难在于：因为模型参数的误差，建立精确的动力学模型实际上是不可能的；即使能够考虑这些误差，模型将包含数以千计的参数，实时计算不可能；控制对模型变换的响应。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.5.2 工业机器人的位置伺服控制工业机器人的位置伺服控制伺服系统的构成方法伺服系统的构成方法大体分为关节伺服和

83、坐标伺服。 1 1、关节伺服控制、关节伺服控制 关节伺服系统把每一个关节作为单纯的单输入 单输出系统来处理，所以结构简单，现在工业 机器人大部分由这种关节伺服系统来控制。 2 2、作业坐标伺服控制、作业坐标伺服控制 模型参考自适应控制系统模型参考自适应控制系统 对软件伺服来说，取样时间较短，所以是工业 机器人经常采用的方法。对系统增益进行调节 比较简单。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.5.3 工业机器人其它控制方式工业机器人其它控制方式 1 1、工业机器人的自适应控制、工业机器人的自适应控制 模型参考自适应控制 自校正适应控制 自校正适应控制系统

84、自校正适应控制系统第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.5.3 工业机器人其它控制方式工业机器人其它控制方式 2 2、工业机器人的力控制、工业机器人的力控制 刚性臂刚性臂是由n个刚性杆件组成的机构，这里是 杆件从基座开始串联接的开式链类型。 位置/力混合控制系统示意图。 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节 4.5.4 机器人智能技术机器人智能技术从功能上来讲，机器人的发展已经经历了三代。第一第一代机器人代机器人（包括顺序控制机器人、示教再现机器人和数控机器人）、第二代机器人）、第二代机器人（也称感觉控制机

85、器人）以及第三代机器人第三代机器人（即智能机器人）。智能机器人是指能按照人工智能决定行动的机器人。图示系统分为五个子系统：图示系统分为五个子系统：照明和光学系统、图像输入、图像处理、图像输出以及图像存储系统。第四章 工业机器人设计4.6 4.6 工业机器人在机械制造系统中的应用工业机器人在机械制造系统中的应用 一、单机形式应用一、单机形式应用二、机械制造系统中的应用二、机械制造系统中的应用三、工业机器人在极限作业中的应用三、工业机器人在极限作业中的应用上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页返回本章返回本章第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.

86、6.1 单机形式应用单机形式应用工业机器人工业机器人是一种生产设备，作业时一般需要有外围设备完成一些辅助工作。单机形式工作的工业机器人，如去铸件飞边、刮研、切削加工、焊接等机器人。主要考虑的原则：主要考虑的原则：首先应能满足作业内容、工作空间、工作质量及定位精度等技术参数要求；同时考虑功能价格比。第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.6.2 机械制造系统中的应用机械制造系统中的应用 1 1、选择与布局设计原则、选择与布局设计原则 满足作业技术参数要求； 性价比好； 满足系统的生产节拍要求； 在系统中，作业不发生干涉的约束条件下，优 化工业机器人与前后相联接设备之间的布置， 从而减小机器人规格要求，减少制造系统的占 地面积，缩短运动路径； 机器人与系统中相联接的装备控制应协调。 第四章 工业机器人设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 4.6.2 机械制造系统中的应用机械制造系统中的应用 2 2、工业机器人应用实例、工业机器人应用实例 柔性加工系统中的应用实例 装配系统中的应用 焊接作业系统中的应用 喷漆作业系统中的应用