机电一体化第2章 机械系统设计(8机座和机架)

2 机械系统设计—机座和机架
2．焊接机架的设计
优点：在刚度相同的情况下可减轻重量30％左右；改 型快，废品极
少；生产周期短、成本低。
结构：常用普通碳素结构钢材(钢板、角钢、槽钢、钢管等)焊接制造。
2 机械系统设计—机座和机架
2 机械系统设计—机座和机架
本章小结
本章重点学习了机电一体化系统的机械系统机械传动部 件和导向支承部件的选用与设计。重点掌握丝杠传动和齿 轮传动的选用与设计的基本要求、原则和设计方法以及了 解相关结构的工作原理；重点掌握滑动导轨和滚动导轨的 选用与设计的基本要求、原则和设计方法，了解相关结构 的工作原理以及其他导向装置的特点。
机体的结构工艺性
1、减小加工面积； 2、加工表面与非加工表面要区分开； 3、被加工面在同一平面内。
机架零件的结构设计
一、机体的结构形式（以减速器为例）
剖分式：装拆方便，但结构复杂
整体式：刚度高，结构简单，装拆不方便
机体的几何造型
1、从工业美学角度考虑； 2、方型箱体，内六角螺钉、内凸缘、内筋板。
2 机械系统设计—机座和机架
当机架零件的外廓尺寸一定时，因而在满足强度、刚度、 振动稳定性等条件下，应尽量选用最小的壁厚。但面大而 壁薄的箱体，容易因齿轮、滚动轴承的噪声引起共鸣，故 壁厚宜适当取厚一些。
铸造零件的最小壁厚主要受铸造工艺的限制。同一铸件 的壁厚应力求趋于相近。
2 机械系统设计—机座和机架
2 机械系统设计—机座和机架
机架零件的一般设计要求
1、保证其上的零件、部件，准确定位、可靠固定； 考虑某些关键表面及其相对位置精度； 2、应有足够的强度、刚度及振动稳定性；减少热变 形； 3、应满足工业美学要求，形状简单，颜色适应环境； 4、应具有良好的加工与安装工艺性、经济性及人机 工程等方面的要求。
规格型号 FFZD3210-3
公称直径 d0（mm）
32
FFZD4008-5
40
FFZD5506-5
55
公称导程 p（mm）
10
8
6
丝杠外径 d1（mm）
32.5
钢球直径 dW（mm）
7.1
丝杠底径 d2（mm）
27.3
动负荷 FQ(KN)
25.7
45.9
4
42.9 26.0
50.9
4
46.8 27.4
2 机械系统设计—机座和机架
机座的典型结构
(1)方形截面机座 结构简单，制造方便，箱体内有较 大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷
较小的场合。所以机座应选择合适的壁厚、筋板和形 状，以保证在重力、惯性力和外力的作用下，有足够 的刚度。见图。
(2)圆形截面机座
结构简单、紧凑，易于制造和造
型设计，有较好的承载能力。
(2)提高机座连接处的接触刚度 (3)机座的模型刚度试验 (4)机座的结构工艺性 (5)机座的材料选择
2 机械系统设计—机座和机架
连接刚度
为提高结合表面的连接刚度，可采取如下措施： 1）根据受力大小和方向，合理选择紧固螺钉的直径、 数量及其位置。必要时，可使螺钉产生预紧力，来提 高连接刚度。 2）提高结合表面的光洁度和形状精度，使结合表面上 的接触点增多，从而提高结合面的接触刚度。 3）增加局部刚度来提高连接刚度，如图。在安装螺钉 处加厚凸缘；或用壁龛式螺钉孔；或用加强筋等办法 增加局部刚度，从而提高连接刚度。
2 机械系统设计－—机座或和机架
内容
机座或机架的作用及基本要求 机座或机架的结构设计要点
2 机械系统设计—机座和机架
一、机座或机架的作用及基本要求
作用：它既承受其它零部件的重量和工作载荷．又 起保证各零部件相对位置的基准。
分类 机座类——各种机床的床身 底座类——电动绞车的底座 箱体类——减速器的箱体、车床床头箱的箱体
2 机械系统设计—机座和机架
试设计一数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。已知丝杠副 支撑方式为双推-简支，受轻度冲击，最大工作载荷Fmax＝ 3800N，丝杠工作长度ls＝1.4m，平均转速n＝120r/min，使 用寿命T＝12000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度 为50HRC，丝杠的弹性模量，传动精度要求 σ =±0.04mm。
(3)铸铁板装配式机座
铸铁板装配结构，适用于局
部形状复杂的场合。它具有生产周期短、成本低以及
简化木模形状和铸造工艺等优点。但刚度较整体箱体 机座的差，且加工和装配工作量较大。
2 机械系统设计—机座和机架
二、机座或机架的结构设计要点
保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同 时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及 节省材料、降低成本和缩短生产周期等问题。
2 机械系统设计—机座和机架
1 铸造机座的设计 (1)保证自身刚度的措施 ①合理选择截面形状和尺寸。 ②合理布置筋板和加强筋。 ③合理的开孔和加盖。
对于铸件， 由于不需增 加壁厚，就 可减少铸造 的缺陷；对 于焊件，则 壁薄时更易 保证焊接的 品质。
2 机械系统设计—机座和机架
截面形状的合理选择是机架设计的一个重要问题。如果截面面 积不变，通过合理改变截面形状、增大它的惯性矩和截面系数 的方法，可以提高零件的强度和刚度。合理选择截面形状可以 充分发挥材料的作用。 主要受弯曲的零件以选用工字形截面为最好，主要受扭转的零 件，以圆管形截面为最好，空心矩的次之，从刚度方面考虑， 则以选用空心矩形截面的为合理。 受动载荷的机架零件，为了提高它的吸振能力，需要合理设计 截面形状，即使截面面积并不增加，也可提高机架承受动载的 能力。
2 机械系统设计—机座和机架
圆柱支承分别承受径向载荷P =120N 和轴向载 荷Q =480N，如下图中所示。其中，轴肩直径 d1 =42mm, 轴颈（已研配）直径d2 = 20mm, 滑 动摩擦系数 f =0.56，试计算其摩擦阻力矩。
圆柱支撑受力图
2 机械系统设计—机座和机架
结构形状
2 机械系统设计—机座和机架
2 机械系统设计—机座和机架
材料：多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。
铸造机架：
吸振能力强，刚度高，价格低。
焊接机架： 单件小批，生产周 期短。 使用钢板、槽钢、工字钢。
2 机械系统设计—机座和机架
机架零件特点
•1、是机器中的最大零件，占总质量的70~90%； •2、减轻机架零件的质量可节约材料减轻重量； •3、各种机架零件的结构形状与机器的功能密切相关。 结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求 较高。
零部件的装配和调整，必须在机座壁上开“窗口”，其结 果使机座整体刚度大大降低。若单靠增加壁厚提高刚度， 势必使机座笨重、浪费材料，故常用增加隔板和加பைடு நூலகம்筋来 提高刚度。
加强筋常见的有直形筋、斜向筋、十字筋和米字筋四种 （如图）。直形筋的铸造工艺简单，但刚度最小；米字筋 的刚度最大，但铸造工艺最复杂。 加强筋和隔板的厚度，一般取壁厚的0.8倍。
2 机械系统设计—机座和机架
截面形状的选择 当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关，而与截
面形状无关，设计时主要是选择合理的尺寸。 如果受弯、扭作用时，变形与截面形状有关。在其它条
件相同情况下，抗扭惯性矩Ic越大，扭转变形越小， 抗扭刚度越大。
2 机械系统设计—机座和机架
隔板与加强筋 封闭空心截面的刚度较好，但为了铸造清砂及其内部