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）

1)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创新设计、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；

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产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型产品为基型，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。

2-1)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、产品造型评价、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；而产品造型评价是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)。 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） 2-1 机床设计应满足哪些基本要求？其理由是什么?

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。

2-2机床设计的主要内容及步骤是什么？

一般机床设计的内容及步骤大致如下:

1)总体设计:机床主要技术指标设计：包括工艺范围 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。

2-3机床设计的基本理论有哪些？其定义、原理、要求如何？

1)机床的运动学原理:研究、分析和实现机床期望的加工功能所需的运动配置

原理：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，使工件具有要求的尺寸和精度的几何形状

2)精度：机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度、定位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等 3)刚度：机床刚度指机床系统抵抗变形的能力。

4)抗振性：机床抗振性指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力。

5)热变形

产生原因：机床工作时受到内部热源（如电动机)液压系统，机械磨擦副，切削热）和外部热源（如环境温度，周围热源辐射等）的影响，使机床各部分温度发生变化，因不同的材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。

6)噪声：机床工作时产生各种不同的振动，这些不同频率，不同振幅的振动将产生不同频率)不同强度的声音，这些声音无规律地组合在一起即成为噪声。

7)低速运动平稳性爬行：机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即：时走时停，时快时慢的现象——爬行。 2-4机床系列型谱的含义是什么？ （P76）。

为了以最少的品种规格，满足尽可能多用户的不同需求，通常是按照该类机床的主参数标准，先确定一种用途最广)需要量较少的机床系列作为“基型系列”，在这系列的基础上，根据用户的需求派生出若干种变型机床，形成“变型系列”。“基型”和“变型”构成了机床的“系类型谱”。（参考：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。）

2-5机床的基本工作原理是什么？

通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。

2-6工件表面的形成原理是什么？

任何一个表面都可以看成是一条曲线（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。而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。

2-7 工件表面发生线的形成方法有哪些？

1)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

2)方法有四种：轨迹法)成形法)相切法)展成法 2-8工件表面的形成方法是什么？

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。 2-9机床的运动功能有哪些？

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。(参考：1)操作面板 它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。2)控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3) CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统)位置控制板)PLC接口板，通讯接口板)特殊功能模块以及相应的控制软件。 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理)机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元)驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心4) 伺服单元)驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机 测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用 保证灵敏)准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）5) PLC)机床I/O电路和装置PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器)电磁阀)行程开关)接触器等组成的逻辑电路；功能：接受CNC的M)S)T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。）

2-10机床的主运动与形状创成运动关系如何？进给运动与形状创成运动的关系如何？需要再确认教材

1)成形运动：完成一个表面的加工所必需的最基本的运动

成形运动分为：1)主要运动：它是切除加工表面上多余的金属材料的主要运动，运动速度高

2)形状创形运动：它的功能是用来形成工件加工表面的发生线。

2)当形状创形运动中不包含主运动“形状创形运动”与“进给运动”两词等价； 当形状创形运动中包含主运动“形状创形运动”与“成形运动”两词等价。

（参考：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）。）

2-11 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？（P69-71）

含义及关系：

1)复合运动:是运动之间有严格的运动关系的运动。（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。）

2)内联系传动链:两个末端件的转角或位移量之间有严格的比例关系要求。

对机械传动的机床来说，复合运动是通过内联系来实现的。

3)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。 对数控机床来说，复合运动是通过运动轴来实现的。

2-12 机床运动功能法案设计的方法及步骤如何？需要再确认教材 机床运动功能方案设计的方法及步骤如下：

1)工艺分析:对所设计的机床的工艺范围进行分析;然后选择确定加工方法。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)选取坐标系：坐标系的规定：用直角坐标系，沿X)Y)Z轴的直线运动符号及运动量仍用X)Y)Z表示，绕X)Y)Z轴的迴转运动用A)B)C表示，其运动量用 α)β)γ 表示。

3)写出机床运动功能式：左边写工件W)右边写刀具T)中间写运动，按运动顺序排列，用“/”分开

4)画出机床运动功能图：运动功能图：是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，是机床传动系统设计的依据。

5)绘制机床传动原理图： 机床的运动功能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。传动原理图：表示动力源与执行件，不同执行件之间的运动及传动的关系图。

(参考：（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。） 2-13 数控机床的坐标系如何选取？

数控机床的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，规定直角坐标X)Y)Z三者的关系及其正方向用右手定则制定。

标准规定：平行于主轴的坐标轴为Z轴，取刀具远离工件的方向为正向（+Z），X轴为水平方向，且垂直于Z轴。

（参考：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Z表示。） 2-14机床的运动功能式和运动功能图表达的含义是什么？

1)机床运动功能式: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，是描述机床运动功能最简洁的表达形式。

2)运动功能图：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系统的依据。

2-15虚拟轴机床的原理是什么？有哪些特点？

1)虚拟轴机床:又称并联机床。虚拟轴机床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——切削头上实质上是机器人技术和机床技术相结合的产物。

2)特点 1)优点：a.比刚度高；b.响应速度快及运动精度高。（各个杆不承受弯曲载荷，受力情况好。运动件

质量小、速度高）

2)缺点：a.运动空间小；b.空间可转角度（灵活性）；小 c.开放性差

2-16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Cp为主运动；直线运动Zf和Xf为进给运动。对于一般的车床，Cp

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Cp一方面为主运动，另一方面Cp可与Zf 组成复合运动进行螺纹加工，或Cp可与X f 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是铣床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Xf 、Yf和 Zf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Yf为进给运动；直线运动Za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Cp为主运动；回转运动Cf 、直线运动Zf和Xf为进给运动；回转运动Ba为砂轮的调整运动。当Xf和Zf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；Cf和Zf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，Xf应改为Xa，为切入运动，但在进行横向进给磨削端面时，Xf为横向进给运动，Zf应改为Za，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Cp为主运动；直线运动Zf为进给运动；回转运动Ca、直线运动Za及Xa为调整运动，用来调整刀具与工件的相对位置。

图2-4f是镗床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为镗孔加工时工件作进给运动，Wf为镗孔加工时镗杆作进给运动,在数控镗床或加工中心上，镗孔进给通常由工件完成，只有Zf一个镗孔进给运动；Yf为刀具的径向进给运动，用于加工端面或孔槽；回转运动Ba为分度运动、直线运动Xa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。在镗铣床上通常Xa和Ya可改为进给运动Xf、Yf，用来铣削平面。

图2-4g是滚齿机床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf和直线运动Zf为进给运动。Cp与 Cf组成复合运动创成渐开线母线；直线运动Zf创成直导线，用于加工直齿轮，若Zf与Cf组成复合运动，则创成螺旋导线，用于加工斜齿轮；回转运动Ba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Ya为经向切入运动，当用径向进给法加工蜗论时Ya为径向进给运动；Za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Za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Cf1、Cf2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Cf（假想齿轮摇架回转）和Cf（工件回转）组成复合运动，产生范成运动；回转运动Ca为分度运动，直线运动Za为趋近与退离运动，回转运动Ba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是弧齿锥齿轮铣齿机的运动原理图。Cp是铣刀盘的旋转运动，为主运动，铣刀盘的刀刃为直线形，铣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；Cf为假想齿轮的往复摆动运动（即摇架的摆动），Cf为工件的回转运动，Cf和Cf复合组成范成运动；Ca为工件的分度运动，Za为趋近与退离运动，Ba为调整运动，按工件的齿根角进行调整。铣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。

2-17机床的传动原理如何表现？它与机床运动功能图的区别是什么？

1)传动原理图：表示动力源与执行件，不同执行件之间的运动及传动的关系图。

2)机床的运动功能图: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。 2-18.机床运动分配式的含义是什么？（P70）

运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用符号“.”表示。符号“.”左侧的运动由工件完成，右侧的运动的刀具完成。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。 2-19机床总体结构概略设计过程大致如何？

①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，概略尺寸选择并确定导轨的类型及尺寸。 ③根据导轨接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，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。 2-20 机床的主参数及尺寸参数根据什么确定？ （P80-81）

1)通用机床的主参数和主参数系列国家已制订标准，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。

2)尺寸参数:指机床的主要结构尺寸参数,包括: ①与被加工件有关的尺寸： ②标准化工具或夹具的安装面尺寸

2-21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？

1)机床的运功参数的确定：

(1)主运动参数：回转式主运动的机床其主运动参数为主轴转速① 最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定②主轴转速的合理排列③标准公比φ值和标准转速数列④公比的选用⑤变速范围Rn，公比φ和级数Z的关系

(2)进给量的确定

(3)变速形式与驱动方式选择

2)驱动方式选择：驱动方式有电动机驱动、液压驱动。 驱动方式的选择主要是根据机床的变速形式和运动特性要求来确定的。

3)不同：数控机床一般采用伺服电动机无机变速形式，其他机床多采用有级变速形式或无极与有级变速的组合形式。

2-22 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？

1)动力参数确定方法：动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或扭矩。通常通过类比法、相似机床试验法和计算方法确定

2)不同：对于数控机床的进给运动，伺服电动机按扭矩选择。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

2-23 机床主传动系都有哪些类型？由哪些部分组成？

1)类型 - 按驱动主传动的电动机类型：交流电动机驱动、直流电动机驱动

- 按传动装置类型：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 - 按变速的连续性：分极变速传动、无极变速传动

2)主传动系一般由动力源（如电动机）)变速装置及执行件（如主轴)刀架)工作台），以及开停)换向和制动机构等部分组成。

2-24 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？

1)传动组的级比是指主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，用ψXi表示。级比ψXi中的Xi值称为级比指数。它相当于由上述相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。

2)规律性：设计时要使主轴转速为连续等比数列，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X0表示，即X0=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X1一般等于基本组的传动副数P0，即X1=P0。第二扩大姐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=P0P1。如有更多的变速组，则依此类推。

2-25 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？

1)变速范围：传动组中最大与最小传动比的比值，称为该变速组的变速范围。 2)关系：Ri=(umax)i/(umin)i (i=0、、2、……j)

变速范围一般可写为 Ri=ψXi（pi-1）

2-34 数控机床主传动设计有哪些特点？（P111-116）

主传动采用直流或交流电动机无极调速；驱动电动机和主轴功率的匹配性设计；数控机床的高速主传动设计；采用部件标准、模块化结构设计；柔性化、复合化设计；并联机床设计。（本题需要适当展开、解释！） （参考：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。） 2-35 进给传动系设计要求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，作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，不会因摩擦有自振面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；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。 2-36 试述进给传动与主传动相比较，有哪些不同点？

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

（参考：机床主传动设计特点：主传动采用恒功率传动；除主轴之外，各轴计算转速为最低转速；转速图为

前密后疏结构；采用背轮机构)双公比传动)双速电机等方式。

机床进给传动设计特点：进给传动是恒转矩传动；各传动件的计算转速是其最高转速；转速图为前疏后密结构；变速范围可比主传动大；采用传动间隙消除机构；采用快速空程传动和微量进给机构。） 2-37进给伺服系的驱动部件有哪几种类型？其特点和应用范围怎样？

1)类型：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线伺服电动机

2)应用范围:1）步进电机：将电脉冲信号变换成角位移（或线位移）的一种机电式数模，转换器适用于中)小型机床和速度季度要求不高的地方2）直流伺服电机：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，常用于高速轻载的小型数控机床中。3）交流伺服电机：将电动机的电压矢量或电流矢量作操作量，控制其幅值和相位，常用于中小型数控机床

（参考：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)% 。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－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。）

2-38试述滚珠丝杠螺母结构的特点，其支撑方式有哪几种？

特点：摩擦系数小，传动效率高。(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 2-39 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：手动)机动)半自动)自动控制系统。 2）按控制系统是否有反馈：开环)半闭环)闭环控制系统。

3）按控制方式和内容分类：时间控制)程序控制)数字控制)误差补偿控制和自适应控制 2-40一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

2-41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。

3-1 主轴部件应满足哪些基本要求？

旋转精度)刚度)抗振性)温升和热变形)精度保持性

（参考：主轴部件应满足的基本要求：1)旋转精度：概念：主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷)低速转动的条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。影响因素：旋转精度取决于主轴)轴承)箱体孔等的制造)装配和调整精度径向跳动影响因素：主轴轴颈的园度)轴承滚道及滚子园度)主轴及回转件的动平衡。轴向跳动影响因素：轴承支承端面，轴肩的垂直度，止推轴承的滚道及滚子误差。轴)径向跳动影响因素：主轴主要定心面的轴)径向跳动（锥孔误差，mol精度。）2)刚度：概念：主轴部件的刚度指其在外载荷作用下抵抗变形的能力。静刚度：作用力是静力引起的弹性变形。动刚度：作用力是交变力引起的弹性变形。影响因素：主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型和数量)预紧和配置形式)传动件的布置方式)主轴部件的制造和装配质量

3)抗振性：概念：抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。影响因素：主轴部件的静刚度，质量分布及阻尼。4)升温和热变形。5)精度保持性：概念 精度保持性指长期地保持其原始制造精度的能力。影响因素 磨损，主轴轴承)轴颈表面)装夹工件刀具的定位表面的磨损） 3-2

1

和刚度要求较高的高精度机床或数控机床

2

)多刀车床等

34

3-4试分析图所示三种主轴轴承配置形式的特点和适用场合？

答案：图Ⅰ 刚度速度型，后端角接触球轴承，背靠背安装，承受径向力和轴向力，前端是双列短圆柱滚子轴

承，承受较大的径向力。适用场合较大的传动力 图Ⅱ 刚度速度型 后端双列短圆柱滚子轴承，承受较大的

P145，如图3-4）

径向力，前段是角接触球轴承，也是背靠背安装，承受较大的径向力和轴向力，适用场合 图Ⅲ 刚度型 后端双列短圆柱滚子轴承承受较大的径向力，前段是双列短圆柱滚子轴承，承受较大的径向力，靠近前段有中间辅助支撑，双列角接触球轴承，承受径向力和轴向力。适用场合切削负载较大，中等转速，要求刚度高的机床

3-5 轴向力传递：轴→锁紧螺母→轴套→内圈→外圈→滚动体→左圈→箱体 轴→轴肩→轴套→右圈→滚动体→左圈→ 箱体

间隙调整：右端拧母调整间隙，左端研磨密封环右边，然后通过拧锁紧螺母调整间隙 3-6.

1)双列圆柱滚子轴承未预紧，改为螺母预紧 ;2)双联滑移齿轮安装错了，改为大齿轮在左，即大小齿轮对调；3）中间轴承不用圆锥滚子轴承，改为圆柱滚子轴承或是向心球轴承来承担径向力；4）应为两个圆锥滚子轴承或是向心球轴承；5)圆锥滚子轴承应该背对背安装，提高跨距载荷；6)中间辅助支撑改为圆柱滚子轴 3-9在支撑件设计中，支撑件应满足哪些基本要求？（P162）

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；整机的低价频率较高，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。 3-10支承件常用的材料有哪些承？各有何特性？ （P166-167）

常用的材料有：（1）铸铁，铸造性能好，容易获得复杂形状；内摩擦大，阻尼系数大，振动衰减性好；成本低，制造周期长；（2）钢材，生产周期短，省去制作木模和铸造工艺；无截面形状限制，可焊成封闭件，刚性好；可根据受力情况布置或增加隔板)加强筋，提高刚度；固有频率高；在刚度相同时，壁厚可为铸铁一半，重量轻；阻尼约为铸铁的l/3，抗振性较差；（3）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。脆性大，耐腐蚀性差，油渗入导致材质疏松； 表面需进行喷漆或喷塑处理；（4）天然花岗岩，热稳定

性好，导热系数和线胀系数小，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘合。精度保持性好，耐磨性比铸铁高5～6倍，抗振性好，阻尼系数比钢大15倍，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。抗冲击性能差，脆性大，油和水等液体易渗入晶界中，使表面局部变形胀大，难于制作复杂的零件。（5）树脂混凝土，刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比为灰铸铁的8～10倍，抗振性好；热容量大，热传导率低，导热系数只为铸铁的1/25～1/40，热稳定性高，其构件热变形小；比重为铸铁的l／3，质量轻； 3-11 根据什么原则选择支承件的截面形状，如何布置支承件上的助板和助条？

1）无论是方形)圆形或矩形，空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的断面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以为提高支承件的刚度，支承件的截面应是中空形状，尽可能加大截面尺寸，在工艺可能的条件下壁厚尽量薄一些。

2）圆（环）形截面抗扭刚度好于方形，抗弯刚度比方形低；以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方向为受弯方向；以承受转矩为主的支承件的截面形状取圆（环）形。

3）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。截面应尽可能设计成封闭形状。 助板的布置取决去支承件的受力方向。水平肋板：提高支承件水平面内弯曲刚度。垂直肋板：提高支承件垂直面内的弯曲刚度。斜向肋板：同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度。

肋条置于支承件某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。助条可以纵向)横向)斜向，常常布置成交叉排列，如井子形)米字形。且必须使助条位于壁板的弯曲平面内才能有效减少壁板的弯曲变形。

3-12 提高支承件结构刚度和动态性能有哪些措施？（P168-170）

提高机床支承件结构刚度和固有频率的方法是：合理选择支承件材料)截面形状和尺寸)壁厚，合理布置肋板和肋条，减少质量提高固有频率，改善支承件之间的接触刚度和与地基的联结强度。

提高动态性能的措施是：1.改善阻尼特性（铸件砂芯不清除)充填型砂或混凝土；焊接结构采用断续焊缝)支承件表面采用阻尼涂层等）；2.采用新材料制造支承件，如采用树脂混凝土材料制造支承件可使动刚度提高几倍。

3-13导轨设计中应满足哪些要求？

应满足以下要求：精度高，承载能力大，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。（1)导向精度 指动导轨运动轨迹的准确度 。2)承载能力大，刚度好，根据承受载荷的性质，方向和大小，合理选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨有足够的刚度，保证机床的加工精度。3)精度保持性好，导轨原始精度丧失的主要原因是磨损。4)低速运动平稳 动导轨作低速运动或微量进给时，运动始终平稳，不出现爬行现象。5)结构简单)工艺性好，易于加工） 3-14 镶条和压板有什么作用？ （P174）

镶条：镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙，镶条应放在导轨受力较小的一侧 压板：压板用来调整辅助导轨面的间隙，承受颠覆力矩，用配刮垫片来调整间隙 3-15 导轨的卸荷方式有哪几种？各有什么特点？（P178-179） 导轨的卸荷方式有机械卸荷)液压卸荷和气压卸荷。 1.2.3.

3-16提高导轨精度)刚度和耐磨性的措施（P183-184）

1）合理选择导轨的材料和热处理 2）导轨的预紧

3）导轨的良好润滑和可靠防护

4）保证完全的液体润滑，用油膜隔开相接触的导轨面，加大导轨的接触面和减轻负载，争取磨损要使摩擦面上的压力分布均匀。导轨的形状尺寸要尽可能对集中负载对称。 3-18)机床刀架自动换刀装置应满足什么要求 A)满足工艺过程提出的要求

B)在刀架、刀库上要能够牢固地安装刀具 C)刀架、刀库、换刀机械手都应具有足够的刚度 D)可靠性高

E)

3-19 何谓端面齿盘定位？有何特点？（P193）

F)操作方便安

齿盘定位是两个齿形相同的端面齿盘啮合而成的定位机构，由于啮合时各个齿的误差抵消，起到误差均化作用，定位精度高。

其特点是定位精度高)重复定位精度好)定位刚性好)承载能力大。

该机构在数控机床回转刀架)加工中心鼓轮式刀具库以及机床回转工作台分度)定位机构中得到应用。 3-20 加工中心自动换刀装置包括些什么？（P195）

答：加工中心自动换刀装置包括：刀具库（伺服驱动电机)传动机构)鼓轮式或链式结构等）)自动换刀机械手（驱动装置)传动机构)手臂和手爪等）等。

3-21 加工中心上刀库的类型有哪些？ 各有何特点？（P195-196） 有四种：鼓轮式刀库)链式刀库)格子箱式刀库和直线式刀库

1）鼓轮式刀库：结构简单)紧凑，但刀具容量较小，鼓轮回转惯性较大。 2）链式刀库：外形紧凑)占用空间较小)刀具容量大。

3）格子箱式刀库：结构紧凑)空间利用率高)刀库容量较大，但布局不灵活。 4）直线式刀库：结构简单)刀库容量较小。

3-23 典型换刀机械手有哪几种？各有何特点？适用范围如何？

1）单臂双手爪型机械手：这种机械手的拔刀)插刀动作都由液压动作来完成，根据结构要求，可以采取液压缸动)活塞固定；或活塞动)液压缸固定的结构形式。这种液压缸活塞的密封松紧要适当，太紧了往往影响机械手的正常动作，要保证既不漏油又使机械手能灵活动作。

2）双臂单手爪交叉型机械手：应用有JCS—013型卧式加工中心

3）单臂双手爪且手臂回转轴与主轴成45°的机械手：这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短，但对刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求较高，机械手离加工区较近。

4)手抓。

5）钳形杠杆机械手。

4-1工业机器人的定义是什么？操作机的定义是什么？P218

工业机器人：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。 操作机：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。 4-2工业机器人由哪几部分组成？比较与数控机床的组成的区别。（P219-220）

工业机器人由操作机)驱动单元和数控装置三部分组成。操作机有机座)手臂)手腕和末端执行器组成。数控机床由机床)驱动单元和数控装置等组成。其中机床部分由立柱)支座)工作台)主轴箱刀具等部分组成。工业机器人和数控机床的区别在操作机和机床部分，机器人的作用是搬运和操作工具，机床主要是加工工件，数控机床可以说是一种特殊的机器人。

4-3 工业机器人的基本功能和基本工作原理是什么？

它与机床有何主要的相同不同之处？P218 基本功能：提供作业所需的运动和动力。 基本工作原理：通过操作机上各运动构件的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。 相同之处：二者的末端执行器都有位姿变化要求，都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。 不同之处：机床：是按直角坐标形式运动为主，对刚度)精度要求很高，其灵活性相对较低。 机器人：按关节形式运动为主，对灵活性要求很高，其刚度)精度相对较低。

4-4工业机器人的结构类型有哪几类？各种类型的特点如何？P220

⑴按机械结构类型分类 ①关节型机器人：灵活性好，工作空间范围大，但刚度和精度较低。 ②球坐标型机器人：灵活性好，工作空间范围大，但刚度和精度较差。③圆柱坐标型机器人：灵活性好，工作空间范围大，但刚度和精度较好。 ④直角坐标型机器人：刚度和精度高，但灵活性差，工作空间范围小。 4-9工业机器人的位姿的含义是什么

是指其末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态

4-19谐波减速器的工作原理是什么特点是什么？了解在机器人设计中的一些典型用法。（P235）

工作原理：谐波齿轮减速器由刚轮（内齿）)柔轮（外齿）和谐波发生器组成，柔轮在刚轮之内，谐波发生器在柔轮内部。柔轮在波发生器作用下变成椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮完全啮合，短轴完全脱开，其余的齿视回转方向的不同分别处于“啮入”)“啮处”状态，由于柔轮比刚轮少两个齿，当波发生器连续回转时，啮入啮出区将

随着椭圆长短轴的相位的变化而依次变化，于是柔轮就相对于不动的刚轮沿波发生器转向相反的方向作低速回转。其速比关系可以写成：

nG?nHz?R

nR?nHzG当波发生器主动，刚轮固定)柔轮从动时，波发生器与柔轮的减速比为

GnG?0, 则传动比为： iHR?nHzR ??nRzG?zR当波发生器主动，柔轮固定)刚轮从动时，波发生器与刚轮的减速比为

RiHR?zGnH ?nGzG?zR式中：zG, zR分别为刚轮和柔轮的齿数；nH, nR, nG分别为波发生器)柔轮和刚轮的转速。

谐波齿轮减速器体积小)结构紧凑，输入和输出同轴；在工业机械人底座)手臂和手腕的传动中使用很普遍，典型使用见图4-29（P245）。

4-20 机器人的驱动方式有哪些？如何选用？（P238-240）

机器人的驱动方式主要是电机驱动方式，有直流伺服电机)步进电机和交流伺服电机三种。其特点是无需能量转换)控制灵活)使用方便，噪声较低)起动转矩大等，用于额定负载1kN以下的工业机器人。

液压和气压驱动方式，液压驱动主要在经济型机器人)重型工业机器人和喷漆机器人中使用；气压驱动主要在轻负荷搬运)上下料点位操作工业机器人中使用。

4-21 机器人手臂设计要求是什么？了解一些典型机器人手臂工作原理结构及特点。（P241-245）

(1)应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求；(2)合理选择手臂截面形状，使用高强度的轻型材料；(3)尽量减小手臂质量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏心力矩；(4)设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动精确性和运动刚度。

典型机器人手臂结构如图4-22，图4-24，图4-27，图4-28和4-29.

4-23机器人手腕的功能及设计要求是什么？了解一些典型的机器人手腕工作原理)结构和特点。 手腕的功能:1.连接并支持末端执行器.2

设计要求：1）手腕力求接构紧凑，减轻其质量和体积。2）在满足工作要求的条件下，尽量减少自由度，力

求简化。3）提高手腕的精度与刚度，减小间隙反转回差。4）手腕各关节轴应有限位开关与机械挡块，防止动作超限而造成事故。

典型结构见图4-31，图4-32，图4-33等。 4-31 什么是智能机器人？（P264）

答：智能机器人是按照人工智能决定行动的机器人。智能机器人分为适应控制机器人和学习控制机器人。 4-33 在机械制造系统中工业机器人的选择与布局设计原则是什么？（P267）

答：(1)满足作业技术参数要求；(2) 性能价格比好；(3) 满足系统生产节拍的要求；(4) 在不发生干涉的条件下，优化与前后连接装备之间的布置，减小占地面积，缩短运动路径。 4-3

答：工业机器人与机床在基本功能和工作原理上相同之处：1）两者都有位姿变化要求。2）都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化.

不同之处：1）机床以直角坐标五为主，机器人以关节形式运动为主。2）机床刚度)精度高，机器人刚度精度比较低。

2-26某车床的主轴转速n=40~1800r/min ，公比??1.41电动机的转速n电?1440/min，试拟定结构式，转速图；确定齿轮的齿数)带轮的直径；演算转速误差；画出主传动系统图。 解：该主轴的变速范围为: Rn?nmax1800??45 nmin40根据变速范围)公比可求变速的级数

Z?lgRnlg45?1??1?12 lg?lg1.41拟定结构式。

级数为12的传动副数为2或3的传动方案有以下几种：

12?21?22?34 12?31?23?26 12?21?32?26 12?21?34?22 12?31?26?23 12?21?26?32 12?22?21?34 12?23?31?26 12?32?21?26 12?22?34?21 12?23?26?31 12?32?26?21 12?34?21?22 12?26?23?31 12?26?21?32

12?34?22?21 12?26?31?23 12?26?32?21

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

12?31?23?26

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：

u主max??2?1.412?2u主min???4?1.41?4?1/4?2 符合要求

?1/4符合要求

xi(Pi?1)最后扩大组的变速范围：Ri???1.416(2?1)?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d2?id1(1??)

?取0.015

d2?id1(1??)?1.6?125?(1?0.015)?197mm

查表取大带轮的基准直径为200mm

齿轮齿数的确定：I II 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 查表可得可以取得60,72，84,96等。 取Sz?72 可以确定 三个传动副的齿数为 1：1传动副 36 36 1：1.41传动副 30 42 1：2传动副 24 48

同理可确定II III 轴的齿数和取 84 1：1传动副齿数取 42 42 1：2.82传动副齿数取22 62 III IV之间的传动副齿数和取 90 2：1的传动副齿数取 60 30 1：4的传动副齿数取 18 72 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

n实际?n电? 理论转速 实际转速 1 40 d1(1??)?U1U2U3 d22 56 3 80 4 112 5 160 158.30 1.06 6 224 221.63 1.06 7 315 314.56 0.14 8 450 449.38 0.14 9 630 629.13 0.14 10 900 886.5 1.5 11 1250 1266.43 1.31 12 1800 1773 39.32 56.17 78.64 110.81 转速误差率（%）

1.70 0.31 1.70 1.06 1.5 允许误差：10?(??1)%?10?(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：

2-27某机床主轴转速n=100~1120r/min ，转速级数Z?8，电动机的转速n电?1440/min，试设计该机床的主传动系，包括拟定结构式和转速图，画出主传动系统图。

Rn?nmax1120??11.2 nmin100??Z?1Rn?711.2?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：

8?21?22?24 8?21?24?22 8?22?21?24 8?22?24?21 8?24?21?22 8?24?22?21

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?21?22?24

1u主max??1?1.41?1.41?2 符合要求

?1/4符合要求

xi(Pi?1)u主min???3?1.41?3?1/2.82最后扩大组的变速范围：Ri???1.414(2?1)?4?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d2?id1(1??)

?取0.015 d2?id1(1??)?1440?125?(1?0.015)?221.625mm 800查表取大带轮的基准直径为224mm

齿轮齿数的确定：I II 轴之间的传动副共有2对 传动比为 1:1 1:1.41 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Sz?....，48，60，72，84，....

取Sz?48 可以确定 两个传动副的齿数为 1：1传动副 24 24 1：1.41传动副 20 28

同理可确定II III 轴的齿数和取 60 1：1传动副齿数取 30 30 1：2传动副齿数取20 40 III IV之间的传动副齿数和取 72 1.41：1的传动副齿数取 42 30 1：2.82的传动副齿数取 19 53 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

n实际?n电? 理论转速 实际转速 d1(1??)?U1U2U3 d21 100 2 140 3 200 4 280 5 400 6 560 551.6 1.5 7 800 788 1.5 8 1120 1103.2 1.5 100.98 141.25 201.78 282.49 394 0.89 0.89 0.89 0.89 1.5 转速误差率（%） 允许误差：10?(??1)%?10?(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：

2232413?224

22435

?125

2-28试从??1.26，Z?18级变速机构的各种传动方案中选出最佳方案，并写出结构式，画出转速图和传动系统图。

转速不重复的方案：

18?31?33?29 18?31?29?33 18?33?31?29 18?33?29?31 18?29?31?33 18?29?33?31 18?21?32?36 18?21?36?32 18?32?21?3618?32?36?21 18?36?32?21 18?36?21?32 18?31?23?36 18?31?36?23 18?23?31?36 18?23?36?31 18?36?31?23 18?36?23?31

转速重复的方案18?31?23??26?26?1? 18?23?31??26?26?1?18?21?32??26?26?1?等 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?31?33?29 也可选择转速重复的方案。 假定最小转速为31.5r/min 查表可得各级转速为31.5， 40，50，63，80，100，125，160，200，250，315，400，500，630，800，1000，1250，1600。

1440r/min

电 I II III IV

1600r/min 1250 1000 800 630 500 400 315 250 200 160

u主max??3?1.263?2u主min???6?1.26?6?1/4?2 符合要求

?1/4符合要求

xi(Pi?1)最后扩大组的变速范围：Ri???1.269(2?1)?8?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d2?id1(1??)

?取0.015 d2?id1(1??)?1440?125?(1?0.015)?221.625mm 800查表取大带轮的基准直径为224mm

齿轮齿数的确定：I II 轴之间的传动副共有2对 传动比为 1:1 1:1.25 1:1.6 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Sz?....，52

，54，72，，....

取Sz?72 可以确定 三个传动副的齿数为 1：1传动副36 36 1：1.25传动副 32 40 1：1.6传动副 28 44

同理可确定II III 轴的齿数和取 84 1：1传动副齿数取 42 42 1：2传动副齿数取28 56 1：4传动副齿数取17 67 III IV之间的传动副齿数和取90 2：1的传动副齿数取 60 30 1：4的传动副齿数取 18 72

30 56 67

36 40 44 60 18 56 42 17 28 ?224

36 28 32 42

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

72

1440r/min ?125

n实际?n电? 理论转速 实际转速 d1(1??)?U1U2U3 d21 31.5 31.81 2 40 39.98 0.03 3 50 49.99 0.03 0.51 1.5 1.5 4 63 5 80 6 100 98.5 7 125 125.36 0.29 1.5 1.5 8 160 9 200 62.68 78.8 157.6 197 转速误差率（%） 理论转速 实际转速 0.98 10 250 254.47 11 315 319.90 12 400 399.88 13 500 14 630 15 800 16 1000 1002.9 17 1250 1260.8 18 1600 1576 492.5 630.4 788 转速误差率（%） 1.79 1.51 1.5 0.03 0.635 1.5 0.29 0.864 1.5 允许误差：10?(??1)%?10?(1.26?1)%?2.6% 根据上表可知转速误差率在允许的范围内

2-29用于成批生产的车床，主轴转速45~500r/min，为简化机构选用双速电机，n电=720r/min 和1440r/min，试画出该机床的转速度和传动系统图。 采用双速电机时公比一般取1.41和1.26 本例中取1.41

Rn?nmax500??11.11 nmin45Z?lgRnlg11.11?1??1?8 lg?lg1.41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：

8?21?22?24 8?21?24?22 8?22?21?24 8?22?24?21 8?24?21?22 8?24?22?21

选用多速电机是将多速电机作为第一扩大组放在传动式前面基本组放在第一扩大组的后面 因此确定最后的结构式为8?22?21?24

I轴的带轮转速为720r/min 查表取小带轮的基准直径为125mm 则大带轮直径d2?id1(1??)

?取0.015 d2?id1(1??)?1440?125?(1?0.015)?246.25mm 720查表取大带轮的基准直径为250mm

电

1440r/min 720r/min

I II III 1440 1000 720

500 360 250 180

1u主max??1?1.41?1.41?2 符合要求

?1/4符合要求

xi(Pi?1)u主min???3?1.41?3?1/2.82最后扩大组的变速范围：Ri??

?1.414(2?1)?4?8符合要求

齿轮齿数的确定：I II 轴之间的传动副共有2对 传动比为 1:2 1:2.82 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Sz?....，69，72，75，，....

取Sz?69 可以确定 三个传动副的齿数为 1：2传动副23 46 1： 2.82传动副 18 51 同理可确定II III 轴的齿数和取 72 1.41：1传动副齿数取 42 30 1：2.82传动副齿数取19 53

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

46 51 ?250 23 18 42 19 30 53 1440r/min ?125 720r/min n实际?n电? 理论转速 d1(1??)?U1U2 d21 45 2 63 3 90 4 125 5 180 6 250 7 360 8 500 实际转速 44.87 63.56 0.89 89.73 0.297 127.12 1.7 175.21 2.66 248.22 0.71 350.43 2.66 496.44 0.71 转速误差率（%） 0.297

允许误差：10?(??1)%?10?(1.41?1)%?4.1% 根据上表可知转速误差率在允许的范围内

2-33某数控机床，主轴最高转速nmax?4000r/min，最低转速nmin?40r/min，计算转速为nj?160r/min，采用直流电动机，电动机功率=15kw，电动机的额定转速nd?1500r/min，最高转速为ndmax?4500r/min，试设计分级变速箱的传动系，画出转速图和功率特性图，以及主传动系统图。

主轴要求的很功率范围为RnN?nmax4000??25 nj160ndmax4500??3 nd1500电机所能达到的恒功率范围RdN?取?f?2 Z?1??lgRnN?lgRdN?/lg?fZ?1??lg25?lg3?/lg2=4.06 取Z=4 机械分级结构式可写作Z?4?21?22

4500 4000 4000 2000

电机的恒功率范围为1500~4500r/min

经过1:1.125 1:1 1:1 三对传动副在主轴可获得的功率范围为1333~4000r/min(红色) 经过1:1.125 1:2 1:1 三对传动副在主轴可获得的功率范围为667~2000r/min(黑色)

40

40r/min

3.6KW

80 167 160 167

667 500

667 500

1500 2000

Rf

Rf

1333 1000

1333 1000 RnN

Rf

360

333

Rd

15KW

经过1:1.125 1:1 1:4 三对传动副在主轴可获得的功率范围为333~1000r/min(绿色) 经过1:1.125 1:2 1:4 三对传动副在主轴可获得的功率范围为167~500r/min(蓝色) 四段之间互有搭接

40~167r/min用的是电机的恒转矩段

40r/min的主轴转速对应的电机的转速为40?4?2?1.125?360r/min 40r/min的主轴转速对应的电机消耗的功率为15?360/1500?3.6KW

?200

直流电机 15KW

试将图2－19所示的背轮机构合理化，使轴Ⅲ高速旋转时背轮轴脱开。

72 45 20 30 制动与测速 机构

?225 40 30 18 45 45 72 45 脉冲发生器

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、Ⅲ高速转动时，要防止轴Ⅱ因升速空转时，会加大噪声、振动、空载功率和发热。

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nj?nmin?计算转速为185r/min; II轴-315 r/min、

I轴-710 r/min。

各齿轮的计算转速依次为： II轴-III轴变速组中:

n88-185r/min, n26-640 r/min,n54-345 r/min, n59-315 r/min , I轴-II轴变速组中：n81-315 r/min ,n36-710 r/min ，

n70-438 r/min ，n45-710 r/min。

求图2－62中各齿轮、各轴的计算转速。

Z?13计算得到III轴

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nj?nmin?Z?13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-63 r/min、 III轴-180 r/min、 II轴-710 r/min、I轴-1440 r/min。

各齿轮的计算转速依次为：IV轴-V轴变速组中：

n70-63 r/min、n25180 r/min 、n67-63 r/min、n67-63 r/min、 II轴-Ⅴ轴中： n67-500 r/min、n47-710 r/min ， III轴-IV轴中： n67-63 r/min、n24-180 r/min ，

II轴-III轴中：n60-180 r/min ，n15-710 r/min、 n44-500n r/min、n 31-710 r/min、 I轴-II轴中：n31-1440 r/min 、n31-1440 r/min 、n37-1000 r/min 、

n26-1440 r/min n40-710 r/min、n20-1440 r/min。

2-26某车床的主轴转速为n=40～1800 r/min，公比φ=1.41，电动机的转速n电=1440 r/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：(1)确定转速级数：

根据教材式（3-2），Z=lgRn?1

lg?其中Rn?nmax/nmin?1800/40?45，所以转速级数 Z?(2) 确定传动结构式

选择传动方案：12?3?2?2，考虑到主传动设计前密后疏的原则， 传动结构式应为12?31?23?26， (3)绘制转速图

根据表3-6标准数列，经圆整可以得到12级转速为： 40, 56, 80, 112, 160, 224, 315, 450, 630, 900, 1250, 1800

确定定比传动比：取轴Ⅰ的转速值为900r/min，则电机轴与轴Ⅰ的传动比为：

lg45?1?12.097?12 lg1.41i0?确定各变速组最小传动比

9001 ?14401.6从转速点900 r/min到40r/min共有10格，按照前缓后急的原则，第二变速组最小传动线下降2格；第一变速组最小传动线下降1格；第二变速组下降3格，第三变速组最小传动线下降4格，最大上升2格。

则，转速图如下：

(a) 初步设计的转速图 (b) 最后确定的转速图

(4)传动系图设计（包括计算齿轮齿数)带轮直径） 参考教材p85，图3-13，可以得到本设计传动系图为

(5)验算实际转速误差

125364260????1800，与标注转速相比，没有误差； 20036423012524221840?39.919nmin?1440?????39.919，实际误差?0.2025%；

20048627240125242260319.35?315n315?1440?????319.35，实际误差?1.38%。

200486230315nmax?1440?… …

转速误差小于5%，符合设计要求。

2-27某机床主轴转速n=100～1120 r/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：(1)计算公比

根据教材式（3-2），可以得到lg??lgRnn1120，由于Rn?max??11.2 Z?1nmin100lg??lg11.2?0.1498883， 所以 ??100.149888?1.41 8?1(2)确定传动结构式

根据传动组和传动副拟定原则，可选方案有：① Z=4×2； ② Z=2×4；③ Z=2×2×2

在方案①，②中，可减少一根轴，但有一个传动组内有四个传动副，增加传动轴轴向长度，所以选择方案③：Z=2×2×2

根据前疏后密原则，选择结构式为： 8=21×22×24 (3) 转速图的设计

根据表3-6标准数列，经圆整可以得到8级转速为：100, 140, 200, 280, 400, 560, 800, 1120 r/min

确定定比传动比：取轴Ⅰ的转速值为800r/min，则电机轴与轴Ⅰ的传动比为：

i0?确定各变速组最小传动比

8001 ?14401.8从转速点800 r/min到100r/min共有6格，三个变速组的最小传动线平均下降两格，按照前缓后急的原则，第二变速组最小传动线下降2格；第一变速组最小传动线下降2-1=1格；第三变速组最小传动线下降2+1=3格。

(4)绘制转速图

(5)传动系简图设计

2-28 试从??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：主传动最佳传动方案的传动结构式为 18?31?33?29，基本组传动副为3，第一扩大组传动副为3，级比指数为3；第二扩大组传动副为2，级比指数为9。

根据标准数列表，取转速为：31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600。 设电机转速为1440r/min。

确定定比传动比：取轴Ⅰ的转速值为800r/min，则电机轴与轴Ⅰ的传动比为：

i0?8001130 ?=14401.8234定比传动皮带轮的直径分别为130和234mm。

确定各变速组最小传动比：从转速点800 r/min到31.5r/min共有14格，按照前缓后急的原则，基本组最小传动线下降2格，基本组相邻两变速组下降1格；第一变速组下降6格，其中相邻两变速组下降3格；第二变速组最小传动线下降6格，最大上升3格。初步确定的转速图如图1所示。

图(a) 初步设计确定的转速图 图(b) 确定齿轮齿数后的转速图

假定同一变速组内每对齿轮的齿数和相等，根据教材表2-8(p100- -101)，可以确定齿轮的齿数，齿轮齿数确定结果如图2所示。 (4) 确定主轴的计算转速

根据教材表2-9(p103)，中型通用机床主轴计算转速为：

nj=nmin?Z-13=31.5?1.2618-13=31.5?1.265=100r/min

图(c)设计的主传动系统图

2-29 用于成批生产的车床，主轴转速n=45～500 r/min，为简化机构采用双速电动机，n电=720/1440 r/min，试画出该机床的转速图和传动系图。

解：(1)计算公比确定转速级数 根据教材式（3-2），Z?lgRnn500?1，由于Rn?max??11.11，设转速级数Z=8， lg?nmin45则 lg??lg11.11?0.149388， 所以 ??100.149388?1.41

8?1(2)确定传动结构式

选择方案：Z=2×2×2，根据前疏后密原则，考虑到电动机的情况，选择结构式为： 8=22×21×24

其中第一级是由双速电机确定的，实际变速箱的结构式为：4=21×24 。 (3) 转速图的设计

根据表3-6标准数列，经圆整可以得到8级转速为：45, 63, 90, 125, 180, 250, 355, 500 r/min 确定定比传动比：取轴Ⅰ的转速值为710, 355r/min，则电机轴与轴Ⅰ的传动比为：

i0?确定各变速组最小传动比

7101 ?14402.03从转速点355 r/min到45r/min共有6格，按照前缓后急的原则，第一变速组最小传动线下降2格；第二变速组最小传动线下降4格。

(4)绘制转速图

(a) 初步设计的转速图 b) 最后确定的转速图

(5)传动系简图设计

2-31 求图2-61所示的车床各轴)各齿轮的计算转速。

解：如下图所示，根据教材p103表2-9所示，各轴的计算转速用红色的圈标注在图中，各对齿轮中小齿轮的计算转速用红色箭头标注在图中。

2-32求图2-62中各齿轮)各轴的计算转速。

解：如下图所示，根据教材p103表2-9所示，各轴的计算转速用红色的圈标注在图中，各对齿轮中小齿轮的计算转速用红色箭头标注在图中。