第2章导轨副

第2章平面机构运动简图及机构自由度的计算机构由构件组成，各构件之间具有确定的相对运动。

然而，把构件任意拼凑起来不一定能运动；即使能够运动，也不一定具有确定的相对运动。

那么构件应如何组合才能运动？在什么条件下才具有确定的相对运动？这对分析现有机构或创新机构很重要。

所有构件的运动平面都相互平行的机构称为平面机构，否则称为空间机构。

本章仅讨论平面机构的情况，因为在生活和生产中，平面机构应用最多。

2.1 运动副2.1.1运动副分类机构由若干个相互连接起来的构件组成。

机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动连接，称为运动副。

例如轴与轴承之间的连接，活塞与汽缸之间的连接，凸轮与推杆之间的连接，两齿轮的齿和齿之间的连接等。

2.1.2运动副的分类在平面运动副中，两构件之间的直接接触有三种情况：点接触、线接触和面接触。

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．．。

根据两构件间的相对运动形式，低副又分为．．．构成的运动副称为低副移动副和转动副。

当两构件间的相对运动为移动时，称为移动副，如图2.1所示；两构件间的相对运动为转动时，称为转动副或称为铰链副，如图2.2所示。

图2.1 移动副图2.2 转动副2．高副两构件通过点或线接触．．．．．构成的运动副称为高副．．。

如图2.3所示，凸轮1与尖顶推杆2之间为点接触，构成高副；图2.4所示的两齿轮的轮齿啮合处是线接触，也构成高副。

图2.3 凸轮高副图2.4 齿轮高副低副因通过面接触而构成运动副，故其接触处的压强小，承载能力大，耐磨损，寿命长，且因其形状简单，所以容易制造。

低副的两构件之间只能作相对滑动；而高副的两构件之间则可作相对滑动或滚动，或两者并存。

2.2 机构运动简图实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，为了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉，保留与运动有关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例表示各种运动副的相对位置。

第2章思考与练习题答案1. 数控机床与普通机床相比，在机械传动和结构上有哪些特点？答案：（1）高刚度数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。

（2）高灵敏度数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应有较高的灵敏度。

（3）高抗震性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量。

特别要注意的是应避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。

（4）热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量，而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。

（6）可靠性机床在自动条件下工作，这就要求机床具有高可靠性，像在工作中动作频繁的刀库、换刀机构、工件交换装置等部件都具有自锁和互锁装置保证在长期工作中十分可靠。

2. 数控机床的主传动系统有哪些要求？答案：与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：（1）转速高、功率大。

它能使数控机床进行高速、大功率切削，实现高效率加工。

随着涂层刀具、陶瓷刀具和超硬刀具的发展，数控机床切削速度也不断的提高。

（2）所选用的电机主要使用新型的交流伺服电动机，而不在采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机。

（3）变速范围大，可实现无级调速。

数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

（4）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。

主传动件的制造精度与刚度高，耐磨性好；主轴组件采用精度高的轴承及合理的支承跨距，具有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑。

（5）具有特有的刀具安装结构。

直线导轨副的结构形式
直线导轨副是一种常见的机械传动装置，它由导轨和滑块组成。

导轨是一条长条状的金属轨道，通常由铝合金或钢制成。

滑块则是与导轨相匹配的金属块，它可以在导轨上做直线运动。

导轨的结构形式多种多样，最常见的是T型导轨和V型导轨。

T型导轨的截面形状呈T字形，其上有一条凸起的槽，滑块的底部有一条凹槽与之相配。

这种结构可以使滑块在导轨上稳定地运动，并且具有较高的承载能力。

V型导轨的截面形状呈V字形，它可以使滑块在导轨上做滚动运动，减小摩擦力，提高运动的平稳性。

滑块通常采用滚动轴承或滑动轴承与导轨相配合。

滚动轴承由外圈、滚动体和内圈组成，它可以使滑块在导轨上做滚动运动，具有较高的精度和承载能力。

滑动轴承由滑动表面和滑动座组成，它可以使滑块在导轨上做滑动运动，具有较好的耐磨性和减震性。

直线导轨副具有结构简单、运动平稳、精度高等优点，广泛应用于数控机床、自动化设备、精密仪器等领域。

它可以实现工件的精确定位和运动控制，提高生产效率和产品质量。

总结起来，直线导轨副是一种由导轨和滑块组成的机械传动装置，它具有结构简单、运动平稳、精度高等特点。

它在工业生产和科学研究中具有重要的应用价值，为人们的生产和生活带来了便利。

第2章 机械传动与支承技术2.2 机械传动系统的特性一、机电一体化对机械传动的要求1、简述机电一体化对机械传动要求有哪些？机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性能好、间隙小；并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求；还要求机械部分的动态性能和电动机速度环的动态性能匹配。

2、机械传动的主要性能取决于 二、机械传动系统特性机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比ξ、固有频率ωn 有关，ωn 、ξ和机械系统的结构参数密切相关。

因此,机械系统的结构参数对伺服系统的性能有很大影响。

1、转动惯量（低好）2、摩擦。

摩擦力可分为粘性摩擦力Fv 、库仑摩擦力Fc 和静摩擦力Fs 三种，方向均与运动方向相反。

摩擦对伺服系统的影响主要有：(1)摩擦引起动态滞后和系统误差；(2)摩擦引起的低速爬行。

要求静摩擦尽可能小，精密低速伺服系统采用无刷电动机直接驱动消除传动间隙，采用静压气体支承轴系减小摩擦。

3、阻尼（合适）机械部件产生振动时的振幅取决于阻尼比ξ、固有频率ωn 有，阻尼越大则振幅就小。

适当的阻尼取值为0.4<ξ<0.8欠阻尼简述阻尼对弹性系统有哪些影响？P25 答：三方面影响。

4、刚度（高好）提高刚度增加闭环稳定性，但增加了转动惯量、摩擦和成本。

5、谐振频率（足够高）机械部件构成的弹性系统可简化为质量弹簧系统。

⑴直线运动弹性系统的固有频率ωn 为（扭转运行）（直线运行），Jkm k c n πωπω2121==⑵单自由度扭转弹性系统的固有频率ωn 为⑶机械部件的谐振频率满足经验公式c r ωω)126(-≥，其中ωr 为最低谐振频率，ωc 为闭环系统的剪切频率。

6、传动间隙（尽可能小）传动间隙造成运动反向时产生回程误差，且影响闭环系统的稳定性。

传动间隙主要形式有齿轮副间隙、丝杠螺母传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、轴联器扭转间隙等。

◆齿轮副间隙的消除方法有两种：⑴刚性消隙法。

第一章绪论简答题答案，没有工艺题的1 什么是数控机床答：简单地说，就是采用了数控技术（指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机床机械设备进行控制的一门技术）的机床；即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的道具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。

2 数控机床由哪几部分组成？各组成部分的主要作用是什么？答：（1）程序介质：用于记载机床加工零件的全部信息。

（2）数控装置：控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标的伺服系统。

（3）伺服系统：是数控系统的执行元件，它的基本功能是接受数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行元件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。

（4）机床主体（主机）：包括机床的主运动、进给运动部件。

执行部件和基础部件。

3 数控机床按运动轨迹的特点可分为几类？它们特点是什么？答：（1）点位控制数控机床：要求保证点与点之间的准确定位（它只能控制行程的终点坐标，对于两点之间的运动轨迹不作严格要求；对于此类控制的钻孔加工机床，在刀具运动过程中，不进行切削加工）。

（2）直线控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标，还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。

（3）轮廓控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行；即这种系统必须能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的连续控制。

4 什么是开环、闭环、半闭环伺服系统数控机床？它们之间有什么区别？答：(1)开环：这类机床没有来自位置传感器的反馈信号。

数控系统将零件程序处理后，输出数字指令后给伺服系统，驱动机床运动；其结构简单、较为经济、维护方便，但是速度及精度低，适于精度要求不高的中小型机床，多用于对旧机床的数控化改造。

机电一体化系统设计课程设计指导书邓春岩编著UESTC 机电工程学院第一章绪论1.1 机电一体化课程设计的目的机电一体和课程设计是一个重要的实践教学环节。

学生需综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计训练，主要目的是：1）学习机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较的方法。

2）对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计计算方法和选用方法。

3）掌握控制用电机的工作原理，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。

4）对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。

5）根据系统的要求，掌握常用传感器的工作原理和选用方法。

6）培养学生独立分析问题、解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。

7）训练学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。

1.2 课程设计的内容与要求课程设计的内容应是典型的机电一体化系统或产品，如数控机床、工业机器人、三坐标测量仪、自动检测仪、全自动洗衣机、电子秤、自动售货机、家用智能装置等。

设计的内容需包扩：机械系统的设计；执行元件的计算与选择；计算机控制系统的选择、电路的设计和软件的设计；传感检测的选择与电路的设计等，根据专业性质的差异，可以适当调整相应部分设计工作量。

本次设计任务是CNC二维工作台的设计，主要包括：机械系统的设计与计算、控制电机的计算与选择、驱动器的选择与接线图的设计。

1.3 课程设计的原始数据试设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。

切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。

其它参数见下表：表1.1 大题目及其参数项目名称大题编号一二三四五六备注行程 mm 500³500500³400500³300400³400400³300300³300X*Y方向的行程X丝杠转速n1200 150 120 80 50 50 单位： r/minY丝杠转速n2200 150 120 80 50 50 单位： r/min理论定位精度δ30 25 20 15 10 5 单位：μm表1.2 小题目（方案）及其参数方案项目名称方案编号ⅠⅡⅢⅣV VIX方向轴向载荷(N)F15000 4500 4000 3500 2000 1200Y方向轴向载荷(N)F24000 3500 3000 2500 1500 1000X方向工作台滑板及组件重量(N) 1000 900 800 700 600 400Y方向工作台滑板及组件重量(N) 600 500 400 400 300 200表1.3 控制实现的轨迹方案项目名称方案编号１２３４二维平台编程控制的轨迹ＮＳＣＬ注：CNC二维工作平台设计题目共五个大题目，每个大题目下面又有三个小题目（即方案）。

机电一体化（第二版）课后答案第一章1-1.试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。

答：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。

②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。

1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？答：1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。

2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。

3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。

1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。

答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD 的研究成果。

2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。

3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。

4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。

5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。

绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。