精密机械机架设计及典型结构
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精密机械微位移机构设计理论及典型
微位移机构
微量位移机构——精密机械与仪器的关键技术
现代高精度工业制造达到纳米（nm）级水 平，微位移技术已成为制约整个设备（整体） 最高性能的瓶颈。 理 论 基 础 微电子技术 微系统及超精密加工 激光通讯技术及装备 精密光学
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§8.1 低速微动的平稳性 1. 爬行现象及过程
（1）精密机械系统运行参数
●微小型化的尺寸效应 ●微结构设计数据库 ●有限元和边界分析 ●CAD/CAM仿真和模拟技术
●微系统建模
如：力的尺寸效应、微结构表面效应、
微观摩擦机理、热传导、误差效应、 微构件材料性能等
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4. 影响爬行的因素及消除措施
（1）影响爬行的因素
1）摩擦系数变化 ●静止状态下静摩擦系数变化； ●边界摩擦状态的静、动摩擦之差； ●运动状态动摩擦变化；
力作用产生应变而产生电极化的现象。
逆压电效应：
在外电场作用下，压电陶瓷发生应变。
●电极化的大小→应力成正比 ●电极化的方向→应力的方向
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电致伸缩效应：
外界电场作用下，由感应极化作用引起应 变的现象，应变与方向无关。
（1）微位移机构工作原理
利用外电场作用导致的压电陶瓷零件变形 量，驱动相应进给机构实现微量进给。
●毫米级小行程 ●微米和纳微米级灵敏度和精度。 常用微位移机构分机械式 和机电式 两大 类，由微位移器 和精密导轨 两部分组成。
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各类加工装备
精密多功 能车铣床
立式镗床 进刀机构 精度等级： 0.001mm
精密数控冲床工作台
精密机械制造领域：
工作台两轴 进刀单轴 重荷载精密 伺服电机驱动系统 电火花加工 进刀机构
固定端
精密机械基础第5章平面机构的结构分析
C
4
机构组成情况清楚后，选择适当的投影面和比例尺，定 出各转动副的位置即可绘出机构运动简图. 油泵机构示意图
精密机械基础第5章平面机构的结构 分析
5-4 平面机构自由度
若干构件以运动副联接而成的系统称为运动链。运动链分 为闭式链和开式链两种。
闭式链 每个构件至少两个运动副； 首末封闭的系统
开式链 有的构件只包含一个运动副； 未构成首末封闭的系统
平面机构的高副低代
为便于对含有高副的平面机构分析, 将机构中的高副根据 一定的条件用一种虚拟的低副和构件的适当组合来代替。
➢ 高副低代的替代条件
替代前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度保持不变.
高n 副 两 元 素 均 为 圆 弧
构件1和2为绕A和B回转的两圆盘, 其
圆心分别为K1, K2,半径为r1, r2, 在C点
滚子凸轮
尖底凸轮
图示滚子从动件凸轮机构。
除去局部自由度后 n=2,PL=2,PH=1,F=3×2-2×2-1=1
精密机械基础第5章平面机构的结构 分析
虚约束
机构中,有些运动副引入的约束可能与其它运动副的约束 重复，因而对机构的运动实际并无约束作用，这类约束为 虚约束。在计算机构自由度时，应将虚约束除去不计。
机器：由各种机构组合而成，除了具有机构的特征外， 机器还能进行能量的转换和完成有用的机械功。 图示内燃机, 化学能→机械能,其中包括四杆(连杆)机构, 凸轮机构和齿轮机构.
内燃机原理动画 内燃机模拟示意动画
精密机械基础第5章平面机构的结构 分析
研究机构的目的 ➢探讨机构运动的可能性及具有确定运动的
条件； ➢将机构进行分类，并建立相应的运动和动
力分析的一般方法； ➢正确绘制机构运动简图； ➢熟悉构件组成机构的规律，了解机构的组
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。
数控机床机械结构设计分析
导轨 、工作台 、刀架和主轴箱等） 的几何 精度与 变形产 生 的定位误差在加工过程 中不能人 为地调整 与补偿 ，因 此 ，必须把各处机械结构部件产生 的弹性 变形控 制在最
传动结构大为简化 ，传动链也大 大缩短 。② 为适 应连续 ・
的 自动化加工 和提高加工生产率 ，数控机 床机械结 构具 有较 高 的静 、动 态刚 度 和阻 尼精 度 ，以及较 高 的耐 磨 性 ，而且热变形小 。③为减小摩擦 、消除传动 间隙和获 得更 高的加工精度 ，更多地采用 了高效传动部 件 ，如滚
小 限度 内，以保证所要求的加工精度与表面质量 。 为了提高数控机床主轴的刚度 ，不但 经常采 用三支
珠丝杠副 、 滚动导轨和消隙齿轮传 动副等 。④为 了改善
７个 ，铣刀主偏 角为 ４ 。 ５ ，经过计算 （ 算过程略 ） 计 ，切 削时作用在工件表 面的总 压力约 １０ ０ ０ Ｎ，由 ｌ 支撑 ０个 点 （ 主支撑点 ３个和辅 助支撑点 ７个 ）承担 ，若按 每点 受到的力最大 ２０ ０ Ｎ计算 ，支撑组柱件受到 的力通过 ｌ 。 ０
４ ．应用情况
本夹具投入使用后 ，粗铣整体平面度 偏差 由此前 的
０５～ ． ｍｍ，减小到 ０ １ｒｍ以内。原来精铣 出现的 由 ． ０８ ．５ ａ
于粗铣变形问题造成余 量不均 ，出现 加工黑皮 ，以及精 加工后仍 然变形大等问题得 到解决 ，并保证 了在镗孔 加 工时 ，几乎不存在应 力变形 ，孑 的形状 精度 、孔对 面的 Ｌ
结构提 出以下要求 。
生产率 、加工精度和使用寿命提 出了更高的要 求。 数控机床 的主体机构有 以下特 点 ：① 由于采 用 了高 性能的无 级变速主轴及伺服传动 系统 ，数控机床 的机械
传动结构大为简化 ，传动链也大 大缩短 。② 为适 应连续 ・
的 自动化加工 和提高加工生产率 ，数控机 床机械结 构具 有较 高 的静 、动 态刚 度 和阻 尼精 度 ，以及较 高 的耐 磨 性 ，而且热变形小 。③为减小摩擦 、消除传动 间隙和获 得更 高的加工精度 ，更多地采用 了高效传动部 件 ，如滚
小 限度 内，以保证所要求的加工精度与表面质量 。 为了提高数控机床主轴的刚度 ，不但 经常采 用三支
珠丝杠副 、 滚动导轨和消隙齿轮传 动副等 。④为 了改善
７个 ，铣刀主偏 角为 ４ 。 ５ ，经过计算 （ 算过程略 ） 计 ，切 削时作用在工件表 面的总 压力约 １０ ０ ０ Ｎ，由 ｌ 支撑 ０个 点 （ 主支撑点 ３个和辅 助支撑点 ７个 ）承担 ，若按 每点 受到的力最大 ２０ ０ Ｎ计算 ，支撑组柱件受到 的力通过 ｌ 。 ０
４ ．应用情况
本夹具投入使用后 ，粗铣整体平面度 偏差 由此前 的
０５～ ． ｍｍ，减小到 ０ １ｒｍ以内。原来精铣 出现的 由 ． ０８ ．５ ａ
于粗铣变形问题造成余 量不均 ，出现 加工黑皮 ，以及精 加工后仍 然变形大等问题得 到解决 ，并保证 了在镗孔 加 工时 ，几乎不存在应 力变形 ，孑 的形状 精度 、孔对 面的 Ｌ
结构提 出以下要求 。
生产率 、加工精度和使用寿命提 出了更高的要 求。 数控机床 的主体机构有 以下特 点 ：① 由于采 用 了高 性能的无 级变速主轴及伺服传动 系统 ，数控机床 的机械
精密机械系统的设计
42 8
L2 L1 H Lt
H
Lt
H
t L2
8H
铸件长度L=2000mm．高H＝500mm， 温差为1°C时
产生温度变化的原因
为减小热变形可采用如下措施：
(1) 严格控制工作环境温度(恒温) (2) 控制仪器内的热源 (3) 采取温度补偿措施
㈣有良好的抗振性 提高抗振性的方法
（3）正确的结构布局，减小力变形 （4）良好的结构工艺性，减小应力变形 （5）合理选择材料
第二节 仪器的导轨及设计
一、导轨的功用与分类
功能：传递精密直线运动， 保证各运动部件的相对 位置和相对运动精度以 及承受载荷。
导轨部件有运动导轨（动） 和支承导轨（静）组成。
导轨种类： 1）滑动摩擦导轨 2）滚动导轨 3）静压导轨 4）弹性摩擦导轨
2.设计要求
㈠有足够的刚度，力变形要小 ㈡稳定性好，内应力变形小
a.自然时效处理 b.人工时效处理
㈢热变形要小
举例说明：对于一个长度为L、高度为H的矩形基座．当其上表面温 度高于下底而时会产生上凸下凹的形变．
热变形造成的误差
最大凹凸量可由下式求得：
tan
推出 L L
4
L 2
(2)合理地选择和布置加强肋增加刚度 肋：指连接两壁内壁，形状、位置应根据受力的大小方 向而定合理地布置加强肋可以有效地增大刚度，其效果比 增加壁厚更明显。
加强肋有肋板和肋条两种。精度要求较高的仪器其基座 都布置肋板以提局其刚度，减小变形量。肋条一般布置在 基座或支承件的局部，以便增加局部的刚度．
1)在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有频率，防止共振。 2)合理地进行结构设计 3)减小内部振源的振动影响 4)采用减振或隔振设计
精密机械凸轮机构结构设计
●通用性：
调整范围大，属于功能性调整。
34/25
3. 升程 实现机构功能的重要参数
凸轮升程h的确定取决于从
动件传动方式，以实现执行机构 行程为目标。
B'
A
O
h
D
推杆式：h=行程 摆杆式：h=i×行程
其中i----放大系数
B
34/26
δt
δs
w C
4. 机构设计考虑的其他因素 ●主动件的运动形式分析 ●主、从运动之间转换的可行性
低点
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进刀结构
凸轮轴 槽凸轮
凸轮相对轴沿圆周方向、轴向调节
34/18
1）调节结构设计的基本要求
●结构条件：类型、尺寸等参数 ●功能条件：微调准确、稳定；定位
合理、方便、可靠
2）常用调节机构
●螺钉紧定 ●定位销定位 ●摩擦抱紧装置
见教材P11图2-4
34/19
2.执行机构原始位置调整机构
从动件 运动轨迹
●尖顶从动件
尖顶始终能够与凸轮轮 廓保持接触，可实现复杂的 运动规律；但运动件易磨损，
只宜用于轻载、低速
34/08
●滚子从动件
耐磨、承载大，最为常用。
●平底从动件
接触面易形成油膜，利于润滑，常用
于高速运动；凸轮轮廓必须全部外凸。
平底从动件1 滚子从动件
平底从动件2
34/09
34/10
录音机卷带机构 —— 匀速送带
34/12
二. 凸轮调整机构设计
设计凸轮机构时，考虑其应用范围、使 用功能、加工误差等因素，凸轮结构中都配 备若干调节装置。
设计用途分类： ●专用结构——简洁、高效、专一 ●通用结构——多功能、调整
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。
机械制造装备设计-机床典型部件设计
21
3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α=15°和 α=25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
22
3.1 主轴部件设计
机械制造装备设计
第3章 机床典型部件设计
本章分三个小节： 3.1 主轴部件设计 3.2 支承件设计 3.3 导轨设计
2
3.1 主轴部件设计 主轴组件式机床的执行件，它由主轴、轴承、传
动件和密封件等组成。它的功用是支承并带动工件刀 具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和转矩， 承受切削力和驱动力的作用。
❖ 铝合金 铝合金的密度只有铁的1/3，有些铝合金还可以
通过热处理进行强化，提高铝合金的力学性能。
20
3.1 主轴部件设计
双向推力角接触球轴承： 图3.10所示为双向推力角接触球轴承。型号为
234400，接触角60°，它由外圈、左右内圈、左右两 列滚珠及保持架、隔套所组成。修磨隔套的厚度就能 消除间隙和预紧。
滚动体直径小，极限转速高； 外圆和箱体孔为间隙配合，安 装方便，且不承受径向载荷； 常与双列圆柱滚子轴承配套使 用，能承受双向轴向载荷，用 于主轴部件的前支承。
❖ 主轴部件结构参数的确定 主轴的结构参数主要包括主轴的平均直径D(或前
轴颈)、内孔直径d（对于空心主轴而言）、前端的悬 伸量a及主轴的支承跨距L等。
一般步骤： （1）首先确定前轴颈D （2）然后确定内径d和主轴前端的悬伸量a （3）最后再根据D、a和主轴前支承的刚度确定支 承跨距L
12
3.1 主轴部件设计 （1） 主轴直径的确定 主轴平均直径D的增大能大大提高主轴的刚度，而 且还能增大孔径，但也会使主轴上的传动件（特别是 起升速作用的小齿轮）和轴承的径向尺寸加大。主轴 直径D应在合理的范围内尽量选大些，达到既满足刚 度要求，又使结构紧凑。 主轴前轴颈直径D1可根据机床主电动机功率或机 床主参数来确定。
3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α=15°和 α=25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
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3.1 主轴部件设计
机械制造装备设计
第3章 机床典型部件设计
本章分三个小节： 3.1 主轴部件设计 3.2 支承件设计 3.3 导轨设计
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3.1 主轴部件设计 主轴组件式机床的执行件，它由主轴、轴承、传
动件和密封件等组成。它的功用是支承并带动工件刀 具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和转矩， 承受切削力和驱动力的作用。
❖ 铝合金 铝合金的密度只有铁的1/3，有些铝合金还可以
通过热处理进行强化，提高铝合金的力学性能。
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3.1 主轴部件设计
双向推力角接触球轴承： 图3.10所示为双向推力角接触球轴承。型号为
234400，接触角60°，它由外圈、左右内圈、左右两 列滚珠及保持架、隔套所组成。修磨隔套的厚度就能 消除间隙和预紧。
滚动体直径小，极限转速高； 外圆和箱体孔为间隙配合，安 装方便，且不承受径向载荷； 常与双列圆柱滚子轴承配套使 用，能承受双向轴向载荷，用 于主轴部件的前支承。
❖ 主轴部件结构参数的确定 主轴的结构参数主要包括主轴的平均直径D(或前
轴颈)、内孔直径d（对于空心主轴而言）、前端的悬 伸量a及主轴的支承跨距L等。
一般步骤： （1）首先确定前轴颈D （2）然后确定内径d和主轴前端的悬伸量a （3）最后再根据D、a和主轴前支承的刚度确定支 承跨距L
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3.1 主轴部件设计 （1） 主轴直径的确定 主轴平均直径D的增大能大大提高主轴的刚度，而 且还能增大孔径，但也会使主轴上的传动件（特别是 起升速作用的小齿轮）和轴承的径向尺寸加大。主轴 直径D应在合理的范围内尽量选大些，达到既满足刚 度要求，又使结构紧凑。 主轴前轴颈直径D1可根据机床主电动机功率或机 床主参数来确定。
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制药 机械
机座类
大型机床 基座
铸铝机座 型材 包装 机械
23/10
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 在允许范围内。(精密机械设计的首选依据)
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各种筋板的布置形式比较：
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。
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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；
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2.机座、机架典型结构 （1）箱梁板类机座
23/13
（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。
23/14
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。
花岗岩安装平台
23/22
组合机座
用于机座材料的突出优势： ●缓冲、消能性能良好
花岗岩 机座
●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； ●绿色制造，低碳环保。
花岗岩 机座
23/23
23/16
（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
23/17
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
23/18
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。
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、螺栓等连 接方式。
23/09
（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
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
23/01
5. 滚动导轨设计 滚珠直线导轨 圆柱滚子导轨 （1）滚动导轨的特点
23/07
§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
23/08
机座与机架结构、工艺差异：
腰鼓形有利于改善扭曲度。
23/06
（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 ●表面及安装面精磨 ●表面硬化处理
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。 坯料→粗磨→清理→精磨→抛光
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。
物场分析原理：增加或改变中介（场），因此获 滚 得设备新功能或性能提升。 珠 类 增加场：滚动体、高压液、高压气
滚 柱 类
23/02
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；
思考题：
P247：11
目前用于机座的常用材料有哪些？简
述花岗岩符合材料用于机座制造的优越性。
思考题
●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
●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
龙门刨 机座
立 车 机 座
23/15
机座构造相关结论：
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。
23/04
（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。
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 之间，行程较小，灵敏度要求较高的场合。
刚度重要评价指标：动刚度 K 2K 2K 0
23/11
K—静刚度；ζ —阻尼比；δ —阻尼系数；ω 0——固有频率
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
●(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。
23/21
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
23/05
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。
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
机座类
大型机床 基座
铸铝机座 型材 包装 机械
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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 在允许范围内。(精密机械设计的首选依据)
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各种筋板的布置形式比较：
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。
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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；
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2.机座、机架典型结构 （1）箱梁板类机座
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（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。
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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。
花岗岩安装平台
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组合机座
用于机座材料的突出优势： ●缓冲、消能性能良好
花岗岩 机座
●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； ●绿色制造，低碳环保。
花岗岩 机座
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（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 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。
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、螺栓等连 接方式。
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（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
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
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5. 滚动导轨设计 滚珠直线导轨 圆柱滚子导轨 （1）滚动导轨的特点
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§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
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机座与机架结构、工艺差异：
腰鼓形有利于改善扭曲度。
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（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 ●表面及安装面精磨 ●表面硬化处理
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。 坯料→粗磨→清理→精磨→抛光
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。
物场分析原理：增加或改变中介（场），因此获 滚 得设备新功能或性能提升。 珠 类 增加场：滚动体、高压液、高压气
滚 柱 类
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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；
思考题：
P247：11
目前用于机座的常用材料有哪些？简
述花岗岩符合材料用于机座制造的优越性。
思考题
●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
●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
龙门刨 机座
立 车 机 座
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机座构造相关结论：
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。
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（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。
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 之间，行程较小，灵敏度要求较高的场合。
刚度重要评价指标：动刚度 K 2K 2K 0
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K—静刚度；ζ —阻尼比；δ —阻尼系数；ω 0——固有频率
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
●(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 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
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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。
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