2023年机械制造装备设计复习题

《机械制造装备设计》复习题（2023年8月）

考试题型：

一、单项选择题15分

二、填空题15分

三、简答题30分

四、计算题40分

第一章机械制造及装备设计方法

一.选择题（每题1分）

1.现代化机械制造装备向高效、高速、高

[]方向发展。

[C]

A.刚度B.强度C.精度D.能耗

2.现代化机械制造装备多功能复合化、[]

自动化的产品称为发展的主流。[D]

A.刚性B.多品种C.性能D.柔

性

3.系列型谱内一组功能、工作原理和结构相

同，而尺寸和性能参数不同的产品称为[A

产品。

A.纵系列B.横系列C.跨系列D.基

型

4.下面哪一项不属于数字化制造支撑技术。

[D]

A.虚拟现实

B.计算机网络

C.快速原型

D.LAF生产系统

5.下面哪一项不属于现代生产和管理技术。

[A]

A.“刚性生产

B,准时生产

C.快速可重组制造

D.并行工程

6.20世纪50年代末出现的人工智能技术，它不

涉及下列哪一项。[D]

A.专家系统

B.人工神经网络

C.遗传算法

D.绿色制造

7.下列哪一项不属于机械制造装备应满足的一般

功能规定。[D]

A.技术经济方面的规定

B.加工稳定性方面的规定

C.耐用度方面的规定

D.自动化方面的规定

8.下列哪一项不属于机械制造装备应满足的一般

功能规定。[D]

A.强度、刚度和抗振性方面的规定

B.加工稳定性方面的规定

C.耐用度方面的规定

D.精密化方面的规定

二、填空（每空1分）

1.数字化制造支撑技术涉及虚拟现实、计算机网

络、快速原型等。

2.用于对形状相似尺寸不同的工件的特定表面，

按特定的工序进行加工的机床，称为专门化机

氏

3.现代生产和管理技术重要内容有准时生产、怏

速可重组制造、并行工程。

4.在系列型谱中，结构最典型、应用最广泛的是

所谓的基型产品。

5.可加工多种尺寸和形状的工件的多种加工面的

机床，称为通用机床。

6.20世纪50年代末出现的人工智能技术，它

涉及专家系统、人工神经网络、遗传算法。

7.用于特定工件的特定表面、特定尺寸和特定工

序加工的机床称为专用机床。

8.机械制造装备应满足的一般功能涉及加工精度

方面、强度、刚度和抗振性方面、加工稳定性

和耐用度方面的规定。

9.运用工具电极与工件之间的放电现象从工件上

去除

微粒

材料

达成

加工

规定

的机

床，

称为

电火花加工机床。

10.系列型谱内一组功能、工作原理和结构相

同，

而尺

寸和

性能

参数

不同

的产

品称

为纵

系列

产品。

11.可行性分析通常涉及技术分析、经济分析、

社会分析等。

12.运用一根移动的金属丝作电极，在金属丝和

工件间通过脉冲放电，并浇上液体介质，使之

产生放电腐蚀而进行的切割加工的机床，称为

电火花线切割机床。

13.机床柔性表现在机床可进行调整以满足不同

工件的加工，采用的调整方法涉及备用主轴和

位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软

件化。

第二章金属切削机床设计

一.选择题（每题1分）

1.机床的总体结构方案设计中，刀具只有旋转

运动的运动分派式为[D]o

A.W/•Xf,Zf,Yf,Cp/TB.

W/Xf»Zf,Yf,Cp/T

C.W/Xf,Zf»Yf,Cp/TD.

W/Xf,Zf,Yf»Cp/T

2.机床的总体结构方案设计中，工件具有X和

Z方向运动的运动分派式为

[C]o

A.W/•Xf,Zf,Yf,Cp/TB.

W/Xf»Zf,Yf,Cp/T

C.WIXf,Zf»Yf,CpITD.

WIXf,Zf,Yf»CpIT

3.机床的总体结构方案设计中，刀具具有丫方

向平动和绕z轴转动的运动分派式为

[C]o

A.W/»Xf,Zf,Yf,Cp/TB.

WIXf»Zf,Yf,CpIT

C.W/Xf,Zf»Yf,Cp/TD.

WIXf,Zf,Yf^CpIT

4.下列为双公比变速传动系的结构式为

[B]o

A.16=29x2,x24x28B.

16=22X25X24X28

C.16=2jX22X24X28D.

16=22x24x26x28

5.机床的总体结构方案设计中，车床的运动功能

式为[A]。

A.W/Cp,Zf,Xf/TB.

W/Xf,Yf,Zf,Cp/T

C.W/Xp,Za,Yf/TD.

WICf,Zf,Xf,Ba,CpIT

6,下列为双公比变速传动系的结构式为

[B]o

A.16=2,x21x24x28B.

16=22x23x24x28

C.16=2,X22X24X28D.

16=22x24x26x28

7.机床的总体结构方案设计中，刨床的运动功能

式为[C]。

A.w/cp,zf,xf/TB.

W/Xf,Yf,Zf,Cp/T

C.W/Xp,Za,Yf/TD.

W/Cf,Zf,Xf,Ba,Cp/T

8.系列型谱内一组功能、工作原理和结构相同,

而尺寸和性能参数不同的产品称为［B］

产品。

A.横系列B.纵系列

C.跨系列D.基型

9.主轴传动采用齿轮传动时最高线速度通常小

于［C］。

A.18m/sB.

20m/s

C.12m/sD.

5m/s

10.主传动系按变速的连续性分类可分为：分级

变速传动和［A］o

A.无级变速传动B.机械传动C.液压

传动D.电气传动

11.主传动系一般由［A］、变速装置及执行

件等部分组成。

A.动力源B.启动、停止C.换向和

制动机构D.压力控制系统

12.机床爬行现象一般发生于［C］的运动情

况下。

A.高速重载B.高速轻载C.低

速重载D.低速轻载

13.拟将一台普通车床数控化，希望改造费用较

低，宜采用的进给电动机是［C］0

A.交流伺服电机B.直流伺服电机

C.步进电机D.同步电机

14.刨床的主运动是直线运动，它的主运动参数

是［B］o

A.每小时的往复次数B.每分钟的往

复次数

C.每秒钟的往复次数D.每毫秒的往

复次数

15.数控机床电气伺服系统按有无检测和反馈装

置分为开环、［B］和半闭环系统。

A.电气系统B.闭环C.液压系

统D.机械系统

16.运动功能设计涉及拟定机床所需运动的个

数、形式、功能及排列顺序，最后画出机床的

运动［A］图。

A.功能B.传递C.原理

D.简化

17.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，有

［A卜成形法、相切法和展成法。

A.轨迹法B.跟踪法C.扫描法

D.阵列法

18.公比。值小则相对转速损失［B]°

A.大B.小C.不变D.与。值无关

19.进给运动消耗的功率远[B]于主传动功

率。

A.大于B.小于C.等于

D.无法比较

20.在变速传动系中，既是前一变速组的从动齿

轮，又

是后一

变速组

的积极

齿轮，

称为

[A]

A.公用齿轮B.变位齿轮C.斜齿轮

D.渐开线齿轮

21.基本参数设计涉及尺寸参数、运动参数和

［C］参数设计。

A.结构B.形状C.动力D.具体

22.如要演变成双公比变速传动系，基本且的传

动副数痣常选为［B］o

A.1B.2C.3D.4

23.无级变速装置作为传动系中的基本组，而分

级变速作为扩大组，其公比力理论上应

［C］无级变速装置的变速范围感。

A.大于B.小于C.等于D.无关系

24.车床和铳床后轴颈的直径2等于

［A］倍的前轴颈的直径入

A.0.7〜0.85B.0.9~1.05C.

1.T1.25D,0.4~0.55

25.系列型谱内采用相同的重要基础件和通用部

件的不同类型产品称为［C］产品。

A.横系列B.纵系列C.跨系列D.基型

26.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，有

［A卜成形法、相切法和展成法。

A.轨迹法B.跟踪法C.扫描法

D.阵列法

27.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，有轨迹

法、［B］、相切法和展成法。

A.跟踪法B.成形法C.扫描法

D.阵列法

28.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，有轨迹

法、成形法、［B］和展成法。

A.跟踪法B.相切法C.扫描法

D.阵列法

29.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，有轨迹

法、成形法、相切法和［A］。

A.展成法B.跟踪法C.扫描法

D.阵列法

30.卧式车床的主轴孔径d通常不小于主轴平均

直径的［C］

A.45%~50%B.40%~42%C.55%~56%

D.62%〜63%

31.在主传动系设计中，通常，中间轴的最高转

速不超过［C］的转速。

A.I轴B.II轴C,电机

D.主轴

32.采用公用齿轮时，两个变速组的［B］必须相

同。

A.齿数B.模数C.分度圆直径D.轴距

33.数控机床的发展已经模糊了粗、精加工的工

序概念，车削中心又把车、铳、锤、钻等工序

集中到［B］上来完毕，完全打破了传统的机

床分类。

A.同一模块B.同一机床C.同

一工作台D.同一生产线

34.当激振频率［D］机床的固有频率时，机床将呈

现“共振”现象，使振幅激增，加工表面的粗

糙度也将大大增长。

A.远大于B.远小于C.严格相

等D.相接近

35.机床运动部件产生爬行，会影响机床的

［A］、工件的加工精度和表面粗糙度。

A.定位精度B.刚度C.强度

D.固有频率

36.采用齿轮时，两个变速组的模数必须

相同。［A］

A.公用B.滑移C.直

D.斜

37.机床主轴或各传动件的计算转速定义为：

[C]o

A.传递所有功率的最高转速

B.传递所有扭矩的最低转速

C.传递所有扭矩的最高转速

D.传递所有功率的转速

二.填空（每空1分）

1.与机床振动直接关联的因素有机床刚度、机床

阻尼、机床系统固有频率等。

2.为防止爬行，在设计低速运动部件时，重要应

采用减少静、动摩擦系数之差的措施。

3.机械进给传动系的设计特点有恒转矩传动、ffl

疏后密、采用传动间隙消除机构。

4.主变速传动系设计中扩大变速范围的方法涉及

增长变速组、采用分支传动、采用双公比传动

系、采用公用齿轮。

5.主变速传动系设计的一般原则涉及前密后疏、

前多后少、前慢后快。

6.三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间的齿数差

应大于或等于4。

7.机床的热变形使产生的加工误差最大,可占所

有误差的70%左右。

8.机床的重要技术参数涉及尺寸参数、运动参

数、动力参数。

9.提高支承件结构热稳定性的重要方法涉及控制

温升、采用热对称结构、采用热补偿装置。

10.机床上用来完毕工件一个待加工表面几何形

状的生成和金属的切除任务的运动，称为表面

成形运动。

n.沿斜置坐标系的z轴运动可表达为：zo

12.最大相对转速损失率为29%的标准公比『是

1.41o

13.设计机床主变速传动系时，为避免从动直齿

圆柱齿轮尺寸过大而增长箱体的径向尺寸，一

般限制降速最小传动比为V4o

14.机床主轴或各传动件的计算转速定义为传递

所有功率的最低转速。

15.机床上刀具和工件运动之间有严格运动关

系，称为复合运动。

16.坐标系的Z轴为主运动可表达为：勺

17.最大相对转速损失率为11%的标准公比。是

1.12。

18.设计机床主变速传动系时，为避免扩大传动

误差，减少振动噪声，一般限制直齿圆柱齿轮

的最大升速比不大于2。

19.机床上各运动之间无严格运动关系，称为独

乂―汪、~~\~动*•[。

20.坐标系的Z轴为进给运动可表达为：勺

21.最大相对转速损失率为21%的标准公比。是

1.26。

22.设计机床主变速传动系时，为避免扩大传动

误差，减少振动噪声，一般限制斜齿圆柱齿轮

的最大升速比不大于”。

23.由刀具的点切削刃作直线运动形成轨迹的方

法称为轨迹法。

24.运动功能设计涉及拟定机床所需运动的个

数、形式、功能及排列顺序，最后画出机床的

运动原理图。

25.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，有轨迹

法、成形法、相切法和展成法。

26.机床精度涉及几何精度、传动精度、—运

动精度_、定位和反复定位精度、工作精度和

精度保持性等。

27.齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔性调

整法两类方法。

28.系列化设计原则，简称“三化”，涉及产品

系列化、零部件通用化、零部件标准化。

三、问答题（每题5分）

1.简述机床噪声来源。

答：机床噪声源重要来自四个方面：（1分）

1）机械噪声。如齿轮、滚动轴承及其它传动元

件的振动、摩擦等。一般速度增长一倍，噪声

增长6dBo载荷增长一倍，噪声增长3dBo故

机床速度提高、功率加大都也许增长噪声污

染。（1分）

2）液压噪声。如泵、阀、管道等的液压冲击、

气穴、紊流产生的噪声。（1分）

3）电磁噪声。如电动机定子内的磁致伸缩等产

生的噪声。（1分）

4）空气动力噪声。如电动机风扇、转子高速旋

转对空气的搅动等产生的噪声。（1分）

2•如何选择通用机床、大批量生产的专用机

床、专门化机床、自动机以及非自动化小型机

床主轴变速箱的公比。？

答：1）对于通用机床，辅助时间和准备结束时

间长，机动时间在加工周期中占的比重不是很

大，转速损失不会引起加工周期过多的延长，

为了机床变速箱结构但是于复杂，一般取方1.26

或1.41等较大的公比；（2分）

2）对于大批量生产的专用机床、专门化机床及

自动机，情况却相反，通常取展1.12或1.26等较

小的公比；（2分）

3）对于非自动化小型机床，加工周期内切削时

间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，

常采用9=1.58、1.78甚至2等更大的公比，以简

化机床结构。（1分）

3.举例说明在机床主传动系统设计中，通过增

长变速组来实现扩大变速范围的方法。（5

分）

答：在原有的变速传动系内再增长一个变速

组，是扩大变速范围最简便的方法。但由于受

变速组极限传动比的限制，增长的变速组的级

比指数往往不得不小于理论值，并导致部分转

速的反复。例如，公比为『=1.41,结构式为

12=31义23、26的常规变速传动系，其最后扩大组的

级比指数为6,变速范围已达成极限值8。如再

增长一个变速组作为最后扩大组，理论上其结

构式应为：24=3L23X26X20，最后扩大组的变速范

围将等于L4U64,大大超过极限值，是无法实现

的。需将新增长的最后扩大组的变速范围限制

在极限值内，其级比指数仍取6,使其变速范围

&“4广=8。这样做的结果是在最后两个变速组

为之中反复了一个转速，只能得到3级变速，

传动系的变速级数只有3X2X（2X2-1）=18

级，反复了6级转速，变速范围可达

凡=1.4产=刈,结构式可写成18=3]X23X（26x26-1）。

4.在设计分级变速箱时，变速箱公比的选取有

哪几种情况？（5分）

答：1）变速箱的公比％等于电动机的恒功率调

速范围以，即夕「即，功率特性图是连续的，无

缺口和无重合。（2分）

2）若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变

速箱公比％可取大于电动机的恒功率调速范围

M即沪叼这时，变速箱每档内有部分低

转速只能恒转矩变速，主传动系功率特性图中

出现“缺口”，称之功率减少区。使用“缺

口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不

到电动机输出的所有功率。为保证缺口处的输

出功率，电动机的功率应相应增大。（2分）

3）假如数控机床为了恒线速切削需在运转中变

速时，取变速箱公比甲；小于电动机的恒功率

变速范围，即知〈町，在主传动系功率特性图上

有小段重合，（1分）

5.什么是爬行？对机床和工件加工有何影响？

如何避免爬行现象？

答：1）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，积极件匀速

运自，从动件往往出现明显的速度不均匀的跳

跃式运动，即时走时停或者时快时慢的现象。

这中在低速运动时产生的运动不平稳性称为爬

行。（1分）

2）机床运动部件产生爬行，会影响机床的定位

精度、工件的加工精度和表面粗糙度。在精

密、自动化及大型机床上，爬行的危害更大。

（2分）

3）防止爬行，在设计低速运动部件时，应减少

静、动摩擦系数之差；提高传动机构的刚度和

减少移动件的质量等。（2分）

6.什么是机床的抗振能力？机床振动有何危

害？哪些因素会影响机床振动？

答：（1）机床抗振能力是指机床在交变载荷作

用下，抵抗变形的能力。它涉及两个方面：抵

抗受迫动的能力和抵抗自激振动的能力。（1

分）

（2）机床振动会减少加工精度、工件表面质量

和刀具寿命，影响生产率并加速机床的损坏，

并且会产生噪声，使操作者疲劳等。（2分）

（3）影响机床振动的重要因素有：

1）机床的刚度。如构件的材料选择、截面形

状、尺寸、肋板分布，接触表面的预紧力、表

面粗糙度、加工方法、几何尺寸等。

2）机床的阻尼特性。提高阻尼是减少振动的有

效方法。机床结构的阻尼涉及构件材料的内阻

尼和部件结合部的阻尼。结合部阻尼往往占总

阻尼的70%—90%左右，应从设计和工艺上提

高结合部的刚度和阻尼。

3）机床系统固有频率。若激振频率远离固有频

率，将不出现共振。（2分）

7.机床主传动系统设计的一般原则？（5分）

答：（1）传动副前多后少的原则

1）主变速传动系统从电动机到主轴，通常为降

速传动。接近电动机传动件转速较高，根据公

式"=9550Wn可知，传动的转矩M较小，尺寸小

些，因此，在拟定主变速系统时，尽也许将传

动副较多的变速组安排在前面。（2分）

（2）传动顺序与扩大顺序相一致的原则

当各传动轴最高转速相同时，前密可使最低转

速提高，从而减少传动件尺寸。（2分）

（3）变数组的降速要前慢后快，中间轴的转速

不宜超过电动机的转速。

从电机轴到主轴之间总的趋势是降速传动，在

分派各变速组传动比时，应前面变速组降速慢

些，后面快些，以使中间传动轴具有较高的转

速，以减少扭矩，从而减少传动件尺寸。（1

分）

8.试说明在机床主传动系统设计中，如何采用

双公比的传动系来扩大变速范围。（5分）

答：在通用机床的使用中，每级转速使用的机

会不太相同。经常使用的转速一般是在转速范

围的中段，转速范围的高、低段使用较少。双

公比传动系就是针对这一情况而设计的。主轴

的转速数列有两个公比，转速范围中经常使用

的中段采用小公比，不经常使用的高、低段用

大公比。（2分）

双公比变速传动系是在常规变速传动系基础

上，通过改变基本组的级比指数演变来的。设

常规变速传动系16=22*2产24*28,0=1.26,变速范围

&=*:32,基本组是第二个变速组，其级比指

数X。=1；如要演变成双公比变速传动系，基本

且的传动副数P。常选为2。将基本组的级比指

数X。=1增大到l+2n,n是大于1的正整

数。（2分）

本例中，n=2,基本组的级比指数成为5,结构

式变成16=22X25X24X28，主轴转速范围的高、低段

各出现n=2个转速空挡，各有2级转速的公比

等于““58,比本来常见变速传动系增长了4级

转速的变速范围，即从本来的变速范围32增长

到R“=/M=8（）。（1分）

9.模块化设计除类似系列化设的优点外尚有哪

些优点？

答：1）根据科学技术的发展，便于用新技术设

计性能更好的模块，取代原有旧的模块，书高

产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进

的组合产品，加快产品的更新换代。

2）采用模块化设计，只需更换部分模块，或设

计制造个别模块和专用部件，便可快翅满足用

户提出的特殊订货规定，大大缩短设计和供货

周期。

3）模块化设计方法推动了整个公司技术、生

产、管理和组织体制的改革。由于产品创大多

数零部件由单件小批生产性质变为批量生产，

有助于采用成组加工等先进工艺，有助于组织

专业化生产，既提高质量，又减少成本。

4）模块系统中大部分部件由模块组成，设备如

发生故障，只需更换有关模块，维护催理更为

方便，对生产影响少。

10.机械进给传动系设计有哪些特点？

答：（1）进给传动是恒转矩传动（1分）

⑵进给传动系中各传动件的计算转速是其最高

转速（1分）

⑶进给传动的转速图为前疏后密结构（1分）

（4）进给传动系变速组的变速范围可取比主变速

组较大的值，即l/5<«a<2.8，变速范围24。（1

分）

（5）进给传动系采用传动间隙消除机构（1分）

（6）快速空程传动的采用

（7）微量进给机构的采用

1L某传动系结构式Z=23X32X26,请根据此讨

论下列问题：

（1）该传动系统在传动上有何特点？（1分）

（2）可以采用的最大公比—是多少？（2分）

（3）如采用双速电机时，公比。应为多少？（2

分）

答：1）无基本组，双公比，上下各空一级转

速。（1分）

2)="(2fW8,.-.^=1.41(2分)

3）,「%=0"（PT）=^3（2-1）_2,二0=1.26（2分^）

12.主轴变速箱设计中，“前多后少”原则的

含义？（5分）

答：1）主变速传动系统从电动机到主轴，通常

为降速传动。接近电动机传动件转速较高，根

据公式"=9550l可知，传动的转矩M较小，尺寸

n

小些；（2分）

2）反之，靠近主轴的传动件转速较低，传递的

转矩较大，尺寸较大。（1分）

3）因此，在拟定主变速系统时，尽也许将传动

副较多的变速组安排在前面，将传动副较少的

变速组安排在后面，使主变速传动系统中更多

的传动件在高速范围内工作，尺寸小些，以便

节省变速箱的造价，减少变速箱的外形尺寸。

（2分）

13.试述进给传动系设计要能满足基本规定。

答：

1）具有足够的静刚度和动刚度；

2）具有良好的快速响应性；做低速进给运动或

微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高。

3）抗震性好，不会因摩擦自振而引起传动件的

抖动或齿轮传动的冲击噪声；（3分）

4）具有足够宽的调速范围，保证实现所规定的

进给量，以适应不同的加工材料；

5）进给系统的传动精度和定位精度要高；

6）结构简朴，加工和装配工艺性好。调整维修

方便，操纵轻便灵活。（2分）

四、计算题

1.设计一台8级转速的车床主传动系统，主轴

最高转速为"max=1400r/mino规定米用转速为

1440/710r/min的双速电机。

(1).写出结构式

(2).求出公比0

(3).验算最后变速组的变速范围

(4).分派降速比

(5).画出转速图

答：(1)结构式：8=22X2|X24

(2)公比0：=；

(p—V2=1.41

(3)最后变速组的变速范围

4(2-1)

r==1.41=4<8,合格。

(4)分派降速比

nmax

R“==*

〃min

“maxMOO10,

〃min=-TT=——7T=126.35r/min,

产1.418-1

取.•.—=125r/min

iiiiiii

-----=-H-----XX----

九电710---1.415055----0---------(p~(p~

125

(5)绘制转速图

采用双速电机的车床主传动系统

2.已知某中型车床，主轴最高转速〃叱=2000

r/min,主轴最低转速〃mm=45r/min,公比0=i.4i。

采用异步电动机，电动机额定转速〃,,=1440r/min。

试设计主轴变速箱传动系统。

(1)拟定主轴转速级数。

(2)写出结构式。

(3)验算最后变速组变速范围。

(4)分派降速比。

(5)画出转速图。

2000

答：(1)z=~^^+l=845+1=12

IgQlgl.41

(2)12=31X23x26

x(px)

(3)r=(p~=1.416(2-I)=8<8满足规定

(4)分派降速比

,,i_i_iii

总降=丁=百万==/研

。45

（5）绘制转速图

3.根据图示某车床主传动系统转速图，回答下

列问题？

（1）写出其结构式

（2）写出ni-w轴间变速组的变速范围

（3）W轴变速范围公式及其大小

（4）找出各轴的计算转速

（5）找出in轴上齿轮的计算转速

答：(1)结构式：12=3IX23x2$；

(2)r==1.4产)=8;

(3)R,,=rM=06)/(2Tse)="=]“I

〃max1400“

或R.-------«44

“min31.5

33

(4)rij=nmin(p=31.5x1.41«90I*/min

轴号IIIIIIIV

71035512590

(5)

齿轮Z|8Z60Z62Z42

%355125125355

4.某车床的主轴转速为n=40~1800r/min,

公比夕=1.41,电动机的转速n电=1440r/min,

试：

(1)拟定主轴转速级数。

(2)写出结构式。

(3)验算最后变速组变速范围。

(4)分派降速比。

(5)画出转速图。

答：

(1)该主轴的变速范围为：

R=^.=1^22.=45

"凡而40

根据变速范围、公比可求变速的级数

Z=^^+l=-^-+lal2

Igelgl.41

(2)拟定结构式。根据级比规律和传动副前多

后少、传动线前密后疏的原则拟定

12=3jx23x26

(3)最后扩大组的变速范围：a=夕—=1.4i=8

符合规定

(4)

1_1_1111

。总降=丁=域=而寸产二尸》下、彳

〃min40

(5)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:

40

5.某机床主轴转速n=100〜1120r/min,转速

级数z=8,电动机转速n电=1440r/min,

试：

(1)拟定公比入

(2)写出结构式。

(3)验算最后变速组变速范围。

(4)分派降速比。

(5)画出转速图。

解：

(1)R==11.2

n100

°=z^=vn^=1.41

(2)拟定8级转速的结构式：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

拟定

8=2,x22x24

(3)最后扩大组的变速范围：

N=*T)=14F)=4<8符合规定

(4)

T,11111111

4降=五=呵=中=*=*'/薪*审

〃min100

(5)查表可获得8级转速为100,140,

200,280,400,560,800,1120

100

第三章典型部件设计

一、单项选择题（每题1分）

1.CA6140车床主轴前支承采用［B］0

A.滑动轴承B双列圆柱滚子轴承C.静压

滑动轴承D.动压滑动轴承

2.规定导轨导向性好，导轨面磨损时，动导轨会

自动下沉，自动补偿磨损量时应选［B］。

A.矩形导轨B.三角形导轨C.燕尾形

导轨D.圆柱形导轨

3.直线运动导轨的截面形状重要有四种：矩

形、［A］、燕尾形和圆柱形，并可互相组

合。

A.三角形B.凹形C.凸形D.

环形

4.适应高速轻载或精密机床的主轴轴承配置形

式应选择［A］o

A,速度型B.刚度型C.速度刚度

型D.抗振型

5.导轨按结构形式可分为［B］和闭式导

轨。

A.矩形B.开式导轨C.燕尾

形D.三角形

6.双矩形组合导轨有制造简朴及［C］的优

点。

A.调整简朴B.精度保持性好C.承

载能力大D.承受较大倾覆力矩

7.数控机床进给系统中采用齿轮传动副时，假

如不采用消隙措施，将会［D］o

A.增大驱动功率B.减少传动效率C.增

大摩擦力D.导致反向死区

8.滚珠丝杠的重要载荷是[B]0

A.径向载荷B.轴向载荷C.运动载

荷D.静止载荷

9.主轴箱的功用是支承主轴并把动力经变速机

构传给主轴，使主轴带动工件按规定转速旋

转,以实现[C]o

A.旋转运动B.进给运动C.主运动

D.辅助运动

10.滚珠丝杠的支承方式中，一端固定，另一

端自由方式，常用于短丝杠和[B]o

A.长丝杠B.竖直丝杠C.大导程丝杠

D.细丝杠

11.最严重情况时，齿轮处在轴的中部时，应验

算在齿轮处轴的[D]0

A.曲率B.刚度C.强度D.挠度

12.丝杠传动的综合拉压刚度重要由丝杠的拉压

刚度，支承刚度和［A］三部分组成。

A.螺母刚度B.静刚度C.动刚

度D.接触刚度

13.支承件结构的合理设计是应在最小质量条件

下，具有最大［A］.

A.静刚度B.动刚度C.局部刚

度D.接触刚度

14.在磁路构造上，［A］伺服电动机一般做成双

边型，磁场对称，不存在单边磁拉力，在磁场

中受到的总推力可较大。

A.直线B.直流C.同步交

流D.异步交流

二、填空题（每空1分）

1.两个方向的推力轴承都配置在前支承处的配置

形式称为前端配置。

2.两个方向的推力轴承都配置在后支承处的配置

形式称为后端配置。

3.两个方向的推力轴承分别布置在前、后两个支

承处的配置形式称为两端配置。

4.开式导轨的特点是结构简朴，但不能承受较大

的颠覆力矩。

5.非接触式刀具辨认方法重要涉及磁性辨认法、

光电辨认法、图像辨认法。

6.刀库容量较大，当采用多环时，外形较紧凑，

占用空间较小为特点的刀库是链式刀库。

7.为了减少导轨面的压力，减少摩擦阻力，提高

导轨

的耐

磨性

和低

\-4-*、-*

速博

动的

平稳

性，

应选

卸荷导轨。

8.丝杠的预拉伸量应能补偿丝杠的热变形。

9.在光导纤维中传播的光信号比在导体中传播的

电信号具有的抗干扰能力更高。

10.运用一套标准元件和通用部件按加工规定组

装而成的夹具，称为组合夹具。

11.齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔

性调整法两类方法。

三、问答题（每题5分）

1.提高支承件结构性能的措施有哪些？

答：（1）提高支承件的静刚度和固有频率，重

要方法是：1）根据支承件受力情况合理地选择

支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理

地布置肋板和肋条；2）可以用有限元方法进行

定量分析，以便在较小质量下得到较高的静刚

度和固有频率；3）改善支承件间的接触刚度以

及支承件与地基联结处的刚度。（2分）

（2）提高动态特性，1）改善阻尼特性，2）采

用新材料制造支承件。（1分

（3）提高热稳定性，1）控制温升，2）采用热对

称结构，3）采用热补偿装置。（2分）

2.导轨有哪些组合形式？各自的特点为什么？

（1）双三角形导轨，不需要镶条调整间隙，接

触刚度好，导向性和精度保持性好。但是，工

艺性差，加工、检查和维修不方便。多用在精

度规定较高的机床中，如丝杠车床、导轨磨

床、齿轮磨床等。（2分）

（2）双矩形导轨，承载能力大，制造简朴。多

用在普通精度机床和重型机床中，如重型车

床、组合机床、升降台铳床等。（1分）

（3）矩形和三角形导轨的组合，这类组合的导

向性好，刚度高，制造方便，应用最广。如车

床、磨床、龙门铳床的床身导轨。（1分）

（4）矩形和燕尾形导轨的组合能承受较大力矩，

调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。

（1分）

3.机床导轨应满足哪些规定？

答：（1）导向精度高，导向精度是导轨副在空载

荷或切削条件下运动时，实际运动轨迹与给定

运动轨迹之间的偏差。影响导向精度的因素很

多，如导轨的几何精度和接触精度、导轨的结

构形式、导轨和支承件的刚度、导轨的油膜厚

度和油膜刚度、导轨和支承件的热变形等等。

（1分）

（2）承载能力大，刚度好，根据导轨承受载荷的

性质、方向和大小，合理地选择导轨截面形状

和尺寸，使导轨具有足够的刚度，保证机床的

加工精度。（1分）

⑶精度保持性好，精度保持性重要是由导轨的

耐磨性决定的，常见的磨损形式有磨（或硬

粒）磨损、粘着磨损或咬焊、接触疲劳磨损

等。影响耐磨性的因素有导轨材料、载状况、

摩擦性质、工艺方法、润滑和防护条件等。（1

分）

（4）低速运动平稳，当动导轨作低速运动或微量

进给时，应保证运动始终平稳，不出爬行现

象。影响低速运动平稳性的因素有导轨的结构

形式，润滑情况，导轨摩擦面的静、摩擦因数

的差值，以及传动导轨运动的传动系刚度。（1

分）

⑸结构简朴、工艺性好（1分）

4.简述滚珠丝杠的三种支承方式，并分别说明其

合用场合。（5分）

答：滚珠丝杠的支承方式有三种：一端固定一

端自由方式；一端固定一端简支方式；两端固

定方式。（2分）

⑴一端固定，另一端自由方式；常用于短丝杠

和竖直丝杠。（1分）

⑵一端固定，一端简支承方式，常用于较长的

卧式安装丝杠。（1分）

⑶两端固定，用于长丝杠或高转速，规定高拉

压刚度的场合。（1分）

5.陶瓷滚动轴承有哪些特性？（5分）

答：陶瓷滚动轴承的材料为氮化硅（Si3N4）,密度

为3.2xl（）3kg/m3,仅为钢（7.8xl（）3kg/m3）的40%,线膨胀

系数为3、104。（2,比轴承钢小得多（12.5xl（yV,C）,

弹性模量为315GPa,比轴承钢大。在高速下，

陶瓷滚动轴承与钢制滚动轴承相比：质量小，

作用在滚动体上的离心力及陀螺力矩较小，从

而减小了压力和滑动摩擦；滚动体线胀系数

小，温升较低，轴承在运转中预紧力变化缓

慢，运动平稳；弹性模量大，轴承的刚度增

大。

6.磁浮轴承有哪些特点？

1）磁浮轴承的特点是无机械磨损，理论上无速

度限制；（1分）

2）运转时无噪声，温升低、能耗小；不需要润

滑，不污染环境，省掉一套润滑系统和设备；

（1分）

3）能在超低温和高温下正常工作，也可用于真

空、蒸汽腐蚀性环境中。（1分）

4）装有磁浮轴承的主轴可以适应控制，通过监

测定子绕组的电流，灵敏地控制切削力，通过

检测切削力微小变化控制机械运动，以提高加

工质量。（1分）

5）因此磁浮轴承特别合用于高速、超高速加

Io（1分）

7.主轴组件前轴承精度为什么高于后轴承？

答：主轴轴承中，前后轴承的精度对主轴旋转

精度的影响是不同的，前轴承轴心有偏移不后

轴承轴心偏移量为零，由偏移量心,引起的主轴端

轴心偏移为心=罕2（2分）

后轴承轴心有偏移％,前轴承轴心偏移量为零，

由偏移量3引起的主轴端轴心偏移为%=六〃（2

分）

显然，前支撑的精度比后支撑对主轴部件的旋

转精度影响较大。因此，选取轴承精度时，前

轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承的精

度高一级。（1分）

8.端齿盘定位有何特点。

1）定位精度高。由于端齿盘定位齿数多，且沿

圆周均布，向心多齿结构，通过研齿的齿盘，

其分度精度一般可达土3”左右，最高可达0.4"

以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。所

以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度

几乎没有影响，对中心轴的精度规定低，装置

容易。（2分）

2）反复定位精度好。由于多齿啮合相称于上下

齿盘齿的反复磨合对研，越磨合精度进高，反

复定位精度也越好。（2分）

3）定位刚性好，承载能力大。两齿盘多齿啮

合。由于齿盘齿部强度高，并且一般齿；啮合

率不少于90%,齿面啮合长度不少于60%,故

定位刚性好，承载能力大。(1分)

9常用的消除齿轮传动间隙的方法有哪几种？简

述各自特点？

(1)齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔性

调整法两类方法。(1分)

(2)刚性调整法是调整后的齿侧间隙不能自动

进行补偿，如偏心轴套调整法、变齿厚调整

法、斜齿轮轴向垫片调整法等。特点是结构简

朴，传动刚度较高。但规定严格控制齿轮的齿

厚及齿距公差，否则将影响运动的灵活性。(2

分)

(3)柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自

动进行补偿，结构比较复杂，传动刚度低些，

会影响传动的平稳性。重要有双片直齿轮错齿

调整法，薄片斜齿轮轴向压簧调整法，双齿轮

弹簧调整法等。（2分）

第四章工业机器人设计

一.单项选择题（每题1分）

1.一个三自由度圆柱坐标型机器人，其运动功能

式为[C]o

A.oie.e^iMB.

0/d/匕/M

C.O/0tZ2Y3/MD.

0/X.Z^/M

2.关节型机器人的特点是灵活性好，工作空间

范围大，但刚度和［B］较低。

A.强度B.精度C.柔度

D.可靠性

3.关节型机器人的特点是［B］好，工

作空间范围大，但刚度和精度较低。

A.强度B.灵活性C.柔度

D.可靠性

4.关节型机器人的特点是灵活性好，工作空间

范围大，但［B］和精度较低。

A.强度B.刚度C.柔度

D.可靠性

5.对轻负荷的搬运，上、下料点位操作的工业

机器人，则可以考虑采用［A］驱动方式。

A.气动B.液压C.电机

D.磁力

二.填空（每空1分）

1.运用电磁控制阀将吸盘与真空泵相联，当抽气

时，吸盘腔内的空气被抽出，形成负压而吸住

物体称为真空泵排气式吸盘。

2.靠向下挤压力将吸盘内的空气排出，使其内部

形成负压，将工件吸住称为挤压排气式吸盘。

3.控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴通人，形

成高速射流，将吸盘内腔中的空气带走而形成

负压，使吸盘吸住物体称为气流负压式吸盘。

4.额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机

械接口处所能承受负载的允许值。涉及末端执

行器的重力、抓取工件的重力及惯性力

（矩）、外界的作用力（矩）。

5.下列哪项是工业机器人额定速度的定义指在额

定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最

大速度。

6.机械手的手爪在抓住刀具后还必须有锁刀功

能，以防止换刀过程中掉刀或刀具被甩出。

7.工业机器人常用的驱动方式有电动机驱动、液

压驱动、气动驱动。

8.称为机器人机械本体，也可称为主机的是操作

fio

9.按照用途分类，工业机器人重要有焊接机器

A、冲压机器人和水下机器人等。

10.操作机通常涉及手臂、末端执行器、机座。

11.对轻负荷的搬运，上、下料点位操作的工业

机器人，则可以考虑采用的驱动方式为气动。

12.对双波传动谐波齿轮减速装置，刚轮和柔轮

的齿数差应为2。

13.机器人性能指标按作业规定拟定。一般指位

姿准确度及位姿反复性（点位控制）、轨

迹准确度及轨迹反复性（轨迹控制）、最小定

位时间及分辨率等。

14.工业机器人的运动功能设计，也可称为自由

度设计。其设计内容涉及自由度个数、各关节

运动的性质及排列顺序，在基准状态时关

节轴的方位等等。

三、问答题（每题5分）

1.简述工业机器人按机械结构类型分为哪几类?

各有何特点？

答：分为关节型机器人，球坐标型机器人，圆

柱坐标型机器人和直角坐标型机器人。（1分）

（1）关节型机器人，关节型机器人的特点是

灵活性好，工作空间范围大（同样占地面积情

况下），但刚度和精度较低。（1分）

（2）球坐标型机器人，其特点是灵活性好，

工作空间范围大，但刚度、精度较差。（1分）

（3）圆柱坐标型机器人，按圆柱坐标形式动

作。其特点是灵活性较好，工作空间范围较

大，刚度、精度较好。（1分）

（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。（1分）

2.何为工业机器人的手腕？有何功能？

手腕是联接手臂和末端执行器的部件，其功能

是通过机械接口连接并支撑末端执行器，在手

臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个

位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实

现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）

坐标，即实现三个旋转自由度。（3分）

通常腕能实现绕空间三个坐标轴的转动，即回

转运动（。）、左右偏摆运动（°）和俯仰运动

（夕）。当有特殊需要时，还可以实现小距离的

横移运动。手腕的自由度愈多，结构和控制愈

复杂。因此，应根据机器人的作业规定来决定

其应具有的自由度数目。在多数情况下，手腕

具有一两个自由度即可满足作业规定。（2分）

3.工业机器人的手腕设计应满足哪些规定？

答：1）由于手腕处在手臂末端，为减轻手臂

的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减小其

质量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用

分离传动，将驱动器安顿在手臂的后端。

2）手腕部件的自由度愈多，各关节角的

运动范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人

对作业的适应能力也愈强。但增长手腕自由

度，会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。

因此，设计时，不应盲目增长手腕的自由度

数。通用目的机器手手腕多配置三个自由度，

某些动作简朴的专用工业机器人的手腕，根据

作业实际需要，可减少其自由度数，甚至可以

不设立手腕，以简化结构。

3）为提高手腕动作的精确性。应提高传

动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间

隙产生的反转回差。如齿轮传动中的齿侧间

隙、丝杠螺母中的传动间隙、联轴器的扭转间

隙等。对分离传动采用链、同步齿带传动或传

动轴。

4）对手腕回转各关节轴上要设立限位开

关和机械挡块，以防止关节超限导致事故。

4.工业机器人机座结构设计有哪些规定？

答：1）要有足够大的安装基面，以保证机器人

工作时的稳定性。（2分）

2）机座承受机器人所有重力和工作载荷，

应保证足够的强度、刚度和承载能力。（1分）

3）机座轴系及传动链的精度和刚度对末端

执行器的运动精度影响最大。因此机座与手臂

的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承

间隙和传动间隙的调整机构。（2分）

5.工业机器人和操作机在GB/12643-1997中是

如何定义的？

答：工业机器人定义：”是一种能自动控

制、可反复编程、多功能、多自由度的操作

机，能搬运材料、工件或挟持工具，用以完毕

各种作业”；（3分）

操作机定义：“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它操作的机械

装置”。（2分）

6.图示为带环形柔轮的外啮合复波式谐波传动

机构，简述其工作原理及特点。

答:图4-19是这种外啮合复波

式谐波传动原理简图。图中HA-I-Tw

为波发生器，Gi为第一级固定

刚轮，G2为第二级输出的活动与黑黑^常

刚轮，Ri和R2为固连在一宽柔轮上的两个柔轮

齿圈，在宽度上分别与刚轮G2和G1啮合。于

是，波发生器H、柔轮R2和刚轮G2组成第一

级谐波减速传动（波发生器积极，刚轮固定，

柔轮从动）。而波发生器H、柔轮R2和刚轮G2

组成第二级谐波减速传动（波发生器积极，柔

轮相对固定，刚轮从动）。

复波式谐波齿轮传动使用于大传动比、高精度

的减速装置中。其特点是结构简朴、传动比范

围大，精度高，但齿间磨损较大，传动效率约

为65%。

7.简述回转型夹持器和平移型夹持器各自的特

点？

答：1）回转型夹持器结构较简朴，但当所夹持

工件的直径有变动时，将引起工件轴心的偏

移。这个偏移量称为夹持误差。（2分）

2）对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其

轴心的位置。但其结构较复杂，体积大，制造

精度规定高。（2分）

3）当设计机械式夹持器时，在满足工件定位精

度规定条件下（工件的定位精度取决于操作机

的定位精度和夹持器的夹持误差大小），尽也

许采用结构较简朴的回转型夹持器。（1分）

8.气吸式末端执行器有哪几种方式？各有何特

点？

答：气吸式末端执行器有挤压排气式吸盘、气

流负压式吸盘和真空泵排气式吸盘三种。（2

分）

（1）挤压排气式吸盘靠向下挤压力将吸盘3

内的空气排出，使其内部形成负压，将工件4

吸住。结构简朴、质量小，成本低的优点，但

吸力不大，多用于吸取尺寸不大，薄而轻物

体。（1分）

(2)气流负压式吸盘控制阀将来自气泵的压

缩空气自喷嘴通人，形成高速射流，将吸盘内

腔中的空气带走而形成负压，使吸盘吸住物

体。这种吸盘比较方便，且成本低。(1分)

(3)真空泵排气式吸盘运用电磁控制阀将吸盘

与真空泵相联，当抽气时，吸盘腔内的空气被

抽出，形成负压而吸住物体。这种吸盘工件可

靠，吸力大，但需配备真空泵及其控制系统，

费用较高。(1分)

四、计算题

1.试求两自由度机器人运动功能矩阵RO,m]o

izi*y2iym

HlC2

jZo

1

"TXJ一1~

A01i----OmZ2Zm

oV-z乙

o

Oo

x3

o0