精密机械机架设计及典型结构
机械式精密锁紧机构设计与分析
紧机构
1.齿条
2.主轴
3.调整垫圈
4.盖板
5.轴承端盖
凸轮座环7.凸轮块8、16.销柱9.滚轮10、
11.调整螺钉13.弹簧压板14.顶杆15.勾形压块
锁紧支架18.锁紧支座19.滑柱20．刹车盘
平键23.螺母24.齿轮轴25.手柄26.齿轮支座
轮轴轴肩上，用平键和螺母径向和轴向限位，使之与齿轮轴联成一体。
齿轮支座固定在基座上，齿轮轴可以在齿轮支座中旋转。
（2）凸轮组件，包括凸轮块、凸轮座环和齿条，三件凸轮块均布固定在凸轮座环圆周上。
齿条固定在其中两件凸轮块中间的位置，与凸轮座环同圆，并联成一体，凸轮座环安装在基座联接成一体的轴承端盖的台阶肩颈上，使齿条与齿轮啮合并设有盖板轴向限位。
冷加工。
精密机械结构设计
1.1机构的结构分析任何机器和仪器一般均由许多部分组成，如机械结构部分、电路及控制部分、光学部分等。
简单的机器和仪器不一定包含上述所有部分，但机械结构部分是必不可少的。
在机械结构中，有一部分在工作中要实现某种确定的运动（如移动、转动或者更为复杂的运动），从而实现某些功能。
例如，车床的主轴带动被加工零件转动，刀尖沿主轴轴线方向移动，从而完成车削加工。
具有运动部分的机械结构一般都是由机构组成。
机构性能的好坏决定了机器或仪器的性能。
因此，对机构进行分析是进行机械结构设计的基础。
1.1.1机构的组成1. 零件零件是单独加工制造的实体，是构成机械结构的最小单元。
螺钉、螺母、单个齿轮等都是零件。
2. 构件把若干个零件刚性地连接在一起，彼此不做任何相对运动，作为一个刚性整体进行工作，这种刚性组合体称为构件。
3. 运动副两个构件直接接触组成的可动连接称为运动副。
例如，轴与轴承的连接，活塞与汽缸的连接等都构成运动副。
两构件组成的运动副不外乎通过点、线、面的接触来实现。
按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。
1）低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副。
平面机构中的低副有回转副和移动副两种。
若组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动，这种运动副称为回转副，或称铰链，如图11所示。
若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动，这种运动副称为移动副，如图12所示。
图11回转副1、2—构件图12移动副1、2—构件2）高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。
图13(a)中的车轮1与钢轨2，图13(b)中的凸轮1与从动件2，图13(c)中的轮齿1与轮齿2分别在接触处A组成高副。
平面高副二构件间的相对运动是由沿接触处切线tt方面的相对移动和在平面内的相对转动组成。
图13平面高副举例4. 机构由若干构件和运动副组成，各构件之间具有确定的相对运动关系的组合体称为机构。
机构是机械结构中需要实现某种确定运动的部分。
图14所示的活塞泵就是由连杆机构和齿轮齿条机构组成的。
精密机械设计基础习题
1、在计算移动副中的摩擦力时，不管运动副两元素的几何形状如何，只要其计算 公式中引入（ 当量摩擦系数fv ）即可。
2、移动副中法向反力与摩擦力的合力称为运动副中的（总反力 ）。总反力与法向 反力成（摩擦角），其与法向反力的偏斜方向与 v12 的方向相反。
3、只要轴颈相对于轴承滑动，计及摩擦时轴承对轴颈的总反力与（ 摩擦圆 ）相 切。
5、设计滚子从动件盘形凸轮机构时，滚子中心的轨迹称为凸轮的（理论）廓线； 以理论廓线上一系列点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列圆，再作此圆 族的包络线，即为凸轮的（工作或实际）廓线。
6、为了减小推程压力角，应将从动件导路向推程相对瞬心的（ 同侧 ）偏置。
7、（接触点处推杆所受正压力方向与速度方向之间的所夹锐角）称凸轮机构 的压力角。 8、凸轮机构中，在偏距一定、推杆的运动规律已知的条件下，（ 增大 ）基 圆半径，可减小压力角，从而改善机构的传力特性，但此时机构的尺寸会 （ 增大）。 9、在滚子推杆凸轮机构中，若理论廓线的曲率半径等于滚子半径，工作廓线 将出现（尖点）；而当理论廓线的曲率半径小于滚子半径，则工作廓线的曲 率半径为负值，工作廓线出现交叉，会产生运动的（失真 ）。
12、 对含有N个构件的平面机构，其瞬心总数K=（N（N-1）/2）。则含有7个活动 构件的平面机构，其瞬心总数为（ 28 ）。
自由度计算实例：
习题1：如图，已知DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行； DH=EI，且相互平行。计算机构自由度（若有复合铰链、局部自由度和虚约 束，请指出）。
习题2：图示铰链四杆机构各构件的长度为a=240mm，b=600mm，c=400mm，
d=500mm。试问：（1）当取杆4为机架时，是否有曲柄存在？为什么？（2）若各杆 长度不变，能否以选不同杆为机架的办法获得双曲柄机构，如何获得？（3）若a、b、
精密机械机架设计及典型结构解析
（4）机架构造及工艺 设备重量轻、整体尺寸小、工作荷载轻时，
机座可制成机架形式。由各类型材、薄钢板焊 接、铆等工艺连接而成。
重载焊接机架
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铝合金机架： 工作荷载较小的室内办公设备、小型工作
机等，常采用美观轻便的铝合金机架。 连接工艺：铆接、焊接、螺栓连接
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3.机座筋板的合理布置 为加强机架空心截面构件刚度，应根据需
支承设备整体的基础部件，也是设备中各个 部件、总成的安装基础。
●承受设备自重和各类工作荷载 ●为运动部件提供导向、基准 ●保证各部件之间的相对位置 ●吸收或减轻设备运行中的振动、冲击
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机座与机架结构、工艺差异：
基座：用于重型、高精密、承受大荷载或 冲击荷载等设备，具有承载、运动导向等综合 功能。采取整体成形工艺或部分成形组装固化 工艺，常用铸铁、铸钢制作。
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常用六种斜筋板的布置分析： ●(d)、(e)是三角形和菱形筋，刚度较好，
铸造工艺相对简单； ●(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚
度较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂， 但铸造泥芯多，工艺复杂。
●(g)、(h)形筋铸造工艺也较 复杂，但构件整体刚度很好。
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4.人造花岗岩机座 加工机床、重型冲击荷载设备需要稳定的基
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③抗振性要求 承受受迫振动的能力。 设备内部和外界都存在不同强度的振源，将
引发整体或局部摆动、弯曲、扭转等形式的振动。
措施：高静刚度、高阻尼、减重量、隔振措施
④其他要求
●抵抗热变形：热变形、相对热变形 ●结构稳定性：构件内应力 ●工艺性：便于制造、维护、储运等 ●经济性：性能价格比
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机械设计 第十九章 机架
机架的类型、 第一节 机架的类型、材料及制造方法 第二节 机架设计的要求 第三节 机架的机构设计
第十九章
机 架
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机架的类型、 第一节 机架的类型、材料及制造方法
一、机架的类型 1、按外形结构分类 、
箱壳式(减速器箱体 箱壳式 减速器箱体) 减速器箱体 梁柱式(车床 梁柱式 车床) 车床 平板式 (摇臂钻床 摇臂钻床) 摇臂钻床 框架式 (锻压机机身 锻压机机身) 锻压机机身
空心矩形截面的抗弯强度低于工字形截面， 空心矩形截面的抗弯强度低于工字形截面，抗扭强度低于 圆形截面，但其综合刚性最好， 圆形截面，但其综合刚性最好，并且由于空心矩形内腔较易安 装其他零部件，故多数机架的截面形状常采用空心矩形截面。 装其他零部件，故多数机架的截面形状常采用空心矩形截面。
面积相等而弯曲刚度不同的矩形截面
2、按制造方法分类 、 分铸造机架和焊接机架 。 3、按机架材料分类 、 分金属机架和非金属机架机架 。 而非金属机架又可分为混凝土机架、花岗岩 而非金属机架又可分为混凝土机架、 机架和塑料机架等。 机架和塑料机架等。
二、机架的材料及制造方法
形状复杂的机架——铸铁 铸铁 形状复杂的机架 具有流动性好、阻尼作用强、切削性能好、 具有流动性好、阻尼作用强、切削性能好、价格 低廉、易于成批生产等特点。减速器箱体、 低廉、易于成批生产等特点。减速器箱体、鼓风机底 座等 。 要求强度高、 要求强度高、刚度大的机架 ——铸钢 铸钢 如轧钢机机架、锻锤气缸体和箱体等。 如轧钢机机架、锻锤气缸体和箱体等。 要求重量轻的机架 ——铸铝合金 铸铝合金 如船用柴油机机体、 如船用柴油机机体、汽车传动箱体等 。 精密机械或仪器的机架 ——花岗岩和塑料 花岗岩和塑料 一般有导热系数和膨胀系数小、抗腐蚀、 一般有导热系数和膨胀系数小、抗腐蚀、不导电 和不生锈等要求。 和不生锈等要求。
机械原理与机械设计基本第二十七章 机架、箱体和导轨的结构设计
设计的过程中主要应考虑以下问题： 1.满足强度和刚度要求。
2. 散热性能和热变形问题。 3. 结构设计合理。 4. 工艺性问题。 5. 减振、隔振问题。 6. 造型好、质量轻。
值得注意的是在设计不同的箱体时，考虑问题时应该有所侧重。
三 、箱体毛坯的选择
铸造容易制造出结构复杂的箱体毛坯，铸造箱体的热影响变形小，吸 振能力较强，也容易获得较好的结构刚度，但其质量大。
焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较难实现薄壁和大平面，此 外焊接箱体一般比铸造箱体轻，
大型的机座或箱体的制造，则常采用分体铸造，整体焊接的办法。 在选择箱体毛坯的时候，还要与生产能力和生产规模相符合。
四、 箱体结构主要参数设计
1． 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表16-1和表16-2中选取，表中
• 机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方 面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指 标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件 的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面 着手。
• ３．稳定性
• 机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问 题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失 稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条 件。必须加以校核。
• ４．对于机床、仪器等精密机械还应考虑 热变形。
• 热变形将直接影响机架原有精度，从而使 产品精度下降。
• 二 .机架设计的一般要求 • 1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量
应要求轻、成本低。
• 2.抗振性好。 • 3 .噪声小。 • 4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。 • 5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、
• 三.焊接机架的退火
箱体的结构设计
一 、 箱体的主要功能
精密卧式加工中心典型结构的分析
精密卧式加工中心典型结构的分析摘要：随着工业技术的不断发展，以及各行各业对精密卧式加工中心的不断需求，对精密卧式加工中心的结构也提出了更高的要求。
文中总结分析了精密卧式加工中心的结典型构。
关键词：卧式加工中心；典型结构卧式加工中心通常具有X、Y、Z、B四个坐标轴，配有可进行回转运动的方形或圆形工作台，工作台通常设计为双交换形式，在对加工区零件进行加工的同时，还可以对位于前工位的零件进行装卸，具有辅助时间短、加工效率高等特点，适合加工各类箱体类零件。
卧式加工中心的分类方法多种多样，按主轴箱分：主轴箱侧挂，主轴箱正挂；按立柱分：动立柱，固定立柱；按机床床身形状分：正T，倒T；按进给轴分：Z轴工作台进给，Z轴立柱进给，Z轴滑枕进给。
多种卧加结构形式，哪种结构最先进，哪种最有优势，往往众说纷纭。
本文仅从进给轴分类来论述几种典型卧加结构的优缺点。
1.精密卧式加工中心组成部分精密卧式加工中心的组成类似于普通卧式加工中心，其主轴是水平设置的。
一般有3～5个坐标轴，常配有一个回转轴（如回转工作台，即B轴）和一个摆动轴（如摆头，即A轴），广泛应用于汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等箱体类零件的加工。
五轴精密卧式加工中心，在回转工作台上装夹一次工件，即可对箱体顶面和四个侧面进行铣、镗、钻等加工，能够保证较高的尺寸和位置精度，也可作联动加工复杂的空间曲面，如机翼副翼等。
精密卧式加工中心的结构主要由以下几个部分组成。
（1）支撑件卧式加工中心的支撑件主要是床身、底座、立柱、横梁、工作台、箱体等尺寸和重量较大的零件，通常也称为机床关键件，是机床的基础件。
其主要功用是支撑和联接其他零部件，承受部件及工件的重量、切削力、摩擦力、夹紧力等静、动载荷，并保持各部件之间具有正确的相互位置和相对运动关系，因此须有足够的刚度，从而保证机床的加工精度和表面质量。
（2）主轴组件主轴组件主要由主轴、主轴支撑及安装在主轴上的传动件组成。
主轴组件应能长期稳定地保持所需要的工作精度，要有足够的刚度、较高的抗震能力、良好的热稳定性，同时主轴组件还要有较强的耐磨性。
精密机械设计基础
• 精密机械概述 • 精密机械设计基础理论 • 精密机械设计技术 • 精密机械设计实例 • 精密机械设计挑战与解决方案 • 未来精密机械设计展望
01
精密机械概述
定义与特点
定义
精密机械是指通过高精度制造和装配 技术，实现高精度运动、定位和测量 功能的机械系统。
特点
高精度、高稳定性、高可靠性、高效 率、长寿命等。
04
精密机械设计实例
微小型机械设计实例
微小型齿轮设计
微小型齿轮具有极小的模数和齿数，通常用于微型机器人、航空航天和医疗器械等领域。 设计时需考虑齿轮的几何尺寸、材料、热处理和加工工艺等方面，以确保其具有高精度、 高强度和耐磨性。
微型轴承设计
微型轴承是微小型机械中的关键元件，用于支撑旋转轴。设计时需考虑轴承的材料、尺寸 、润滑和热处理等方面，以确保其具有高精度、高稳定性和长寿命。
通过高精度模具和加工设 备，实现复杂形状和结构 的精密制造。
增材制造
利用3D打印技术，实现个 性化定制和小批量生产的 快速制造。
表面处理技术
如离子注入、化学镀等， 提高材料表面的耐磨、耐 腐蚀和抗疲劳性能。
智能化与自动化设计
01
数字化建模与仿真
利用CAD、CAE等技术进行数字 化建模和仿真分析，提高设计效 率和准确性。
动态性能优化问题
总结词
动态性能是衡量精密机械系统性能的重要指标，直接 关系到系统的稳定性和响应速度。
详细描述
动态性能优化是精密机械设计的另一个重要问题。设计 师需要关注系统的振动、稳定性和响应速度等方面，通 过优化结构设计、调整动态参数和使用阻尼材料等方法 ，提高系统的动态性能。
材料选择与处理问题
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铝合金机架： 工作荷载较小的室内办公设备、小型工作 机等，常采用美观轻便的铝合金机架。
连接工艺：铆接、焊接、螺栓连接
3.机座筋板的合理布置 为加强机架空心截面构件刚度，应根据需 要设置一定厚度的加强筋，矩形截面典型布筋 形式如下图。
由构件主要荷载承载方向确定类型及尺寸。
各种筋板的布置形式比较：
（2）基座与支承件的特点
①尺寸较大 ②结构相对复杂 ③整体或分离制造
机架类
制药 机械
机座类
大型机床
基座
型材
包装 机械
铸铝机座 卧式车床
（3）机座（机架）设计基本要求 ①精度要求
保证关键表面的尺寸、形状、位置精度；以 及对有相对运动的表面有较高的表面质量要求。
例如：机座上的导轨、重要部件安装面等
②刚度要求 设备在额定荷载内运行时，保证系统变形量
由于导轨面和滚珠接触面积小，故运动轻 便灵活，但刚度低，承载能力差；经常工作部 分容易压出沟槽。
滚珠导轨用于载荷不大，重心在两条导轨
2）滚柱导轨 滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，因此 它的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，耐磨性较 好，但灵活性相对稍差。
关键问题：滚柱对导轨平行度(扭曲)要求高
当滚柱轴线与导轨面存在微量不平行，即能 引起滚柱偏移和侧滑。
在允许范围内。(精密机械设计K的 首2K选 依 2据K)0 刚度重要评价指标：动刚度
③抗振性要求 承受受迫振动的能力。 设备内部和外界都存在不同强度的振源，将 引发整体或局部摆动、弯曲、扭转等形式的振动。
措施：高静刚度、高阻尼、减重量、隔振措施
④其他要求
●抵抗热变形：热变形、相对热变形 ●结构稳定性：构件内应力 ●工艺性：便于制造、维护、储运等
●(g)、(h)形筋铸造工艺也较 复杂，但构件整体刚度很好。
4.人造花岗岩机座 加工机床、重型冲击荷载设备需要稳定的基 础，传统机座材料主要有铸铁、铸钢、钢板。
现代机床向超高精、高速方向发展，对基础 件性能提出了更高的要求。
新型材料：花岗岩复合材料
花岗岩安装平台
组合机座
花岗岩
用于机座材料的突出优势：机座
2.机座、机架典型结构 （1）箱梁板类机座
（2）立柱类支承构件
为保证立柱刚性和稳定性，多用 整体铸造(铸铁或铸钢)。
钢板分体焊接存在 较大的内应力，通常不 用于机床机座。
落地数控车床机座
（3）组装机座
由于设备承载的复
杂性，机座构造一般由
若干承载构件组成，组
装后固化成一体。
立 车
龙门刨
机
机座
座
机座构造相关结论：
机座与机架结构、工艺差异：
基座：用于重型、高精密、承受大荷载或 冲击荷载等设备，具有承载、运动导向等综合 功能。采取整体成形工艺或部分成形组装固化 工艺，常用铸铁、铸钢制作。
机架：用于轻型、小荷载设备，主要用作 部件定位、支承；多用各类型材制作，如槽钢、 角铁、铝合金型材等；采用焊、铆ห้องสมุดไป่ตู้螺栓等连 接方式。
如图(a)，(b)和(c)都是方格式纵横筋，其中 (c)比(b)的铸造性能好。
截面(c)用于中小型、筋板厚度较小的场合， 各筋条受力状况好，交叉处金属聚集较少，材料分 布均匀，内应力小。
常用六种斜筋板的布置分析：
●(d)、(e)是三角形和菱形筋，刚度较好， 铸造工艺相对简单；
●(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚 度较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂， 但铸造泥芯多，工艺复杂。
上次课程主要内容
1. 直线导轨的分类及应用 ●滑动 ●滚动 ●静压（气、液） ●力封式（开式）●自封式（闭式）
2. 滑动直线导轨设计的主要内容 ●六项基本要求及评价参数 ●结构设计：导轨截面、导轨组合 ●承导件、运动件材料及工艺
滚珠直线导轨 5. 滚动导轨设计 （1）滚动导轨的圆特柱点滚子导轨
在导轨之间放置滚珠、滚柱等滚动体，
使导轨运动转变为滚动摩擦。
物 得场设分备析 新原 功理 能： 或性增加能或提改升变。中介（场），因此获类
滚 珠
增加场：滚动体、高压液、高压气
类滚 柱
滚动导轨优点：
●摩擦系数小，动与静摩擦系数接近； ●运动灵敏轻便，移动、定位精度高； ●低速、重载时不易出现“爬行”现象； ●钢制淬硬导轨耐磨性好，精度保持性好； ●对温度变化的敏感性较低； ●高速运动时无动压效应; ●润滑简单，维修方便。
●缓冲、消能性能良好 ●无内应力，温度敏感度低，稳定性好； ●具有绝缘特性，抗电磁干扰能力强； ●工艺成熟，具有良好加工工艺性； ●耐酸、碱、盐、氧化等腐蚀，易保养； ●价格便宜，性价比高；
滚动导轨缺点：
●点接触或线接触，抗振差，接触应力大； ●导轨表面硬度、精度、滚动体精度要求高 ●结构复杂，制造困难，成本较高 ●对脏物敏感，必须有良好的防护装置
钢导轨表面点蚀与条状磨损
（2）滚动导轨的结构形式 1）滚珠导轨
滚动体为球状，导向面常设计为夹角90度 的V形槽，力封式结构。
结构相对紧凑，制造容易，成本较低。
后果：导轨阻力增加、磨损加快、精度降低
措施：滚柱中段直径比两端大0.02mm左右，形成
（3）滚动体直线导轨材料及工艺 1）导轨材料及工艺 工具钢：淬硬钢、GCr15等
主要工艺措施：●消除内应力 ●表面硬化处理 ●表面及安装面精磨
2）滚动体材料及工艺 过共析珠光体类钢，如GCr6、GCr9、GCrl5、
GCrl5SiMn等 主要工艺措施：较长时间髙温扩散退 火，消除 或降低碳化物液析级别。
§6.3 机座与机架设计及典型结构
1.机座与机架的作用及特点 （1）机座与机架的作用
支承设备整体的基础部件，也是设备中各个 部件、总成的安装基础。
●承受设备自重和各类工作荷载 ●为运动部件提供导向、基准 ●保证各部件之间的相对位置 ●吸收或减轻设备运行中的振动、冲击
①相同横截面积，采用空心截面的构件惯性矩 大。可适当加大横截面轮廓尺寸，减小构件壁 厚，获得大刚度、小质量构件。
②圆形空心截面能提高抗弯和抗扭刚度；
③横截面为不封闭形式时，构件抗扭刚度极差。
在机座设计，不论梁或柱、整体或组装， 构件皆应采用空心截面；横截面以圆形、矩形 等封闭对称形式最佳。
（4）机架构造及工艺 设备重量轻、整体尺寸小、工作荷载轻时， 机座可制成机架形式。由各类型材、薄钢板焊 接、铆等工艺连接而成。