机器支架中铝制和罐装框架的比较。

该部分负责配置 FA 自动机床使用的机床支架。铝框与易拉罐框"。注释

在新设备的构思阶段，我经常会面临这样的选择：'我是应该简单地使用铝制框架来制作这个机器支架，还是应该花点功夫将其制作成罐式结构？

如果选择铝制框架，可以缩短交货时间并减轻重量，但由于刚度不足，会产生振动和热位移问题。　相反，如果选择易拉罐框架，虽然可靠性得到了保证，但却面临着成本增加、交货时间延长和设计变更困难的风险。

事实上，我们在装配现场见过很多机器，经常会遇到由于 "这个地方最适合安装罐头框架，但却安装了铝制框架 "等原因造成的精度缺陷。　　这就是为什么设计师将铝制框架的易用性放在首位，但框架结构的选择不仅对机器很重要，而且对机器的长期精度也很重要。

本文提供了基于 JIS 标准的客观数值评估、使用杨氏模量和断面次弯矩的机械基础，以及仅在生产车间讨论的去应力退火和机加工的实际条件。

此外，我还将深入探讨 "混合结构 "的具体设计方法，以弥补两者的不足。　根据我在设计领域的经验和对缺点的深入调查数据，我将指出决策标准，为您的项目推导出最佳方案，希望对您有所帮助。

机床框架设计基础和 JIS 标准。

根据 JIS 标准进行刚性评估。

在日本的工业机械设计中，不仅要根据个人经验法则，还要根据官方标准进行评估，从而客观地确保机器悬置的质量。

JIS B 6201（机床--操作和刚度测试方法的一般规则）对确定机床支架的性能尤为重要。　　虽然该标准主要针对机床，但它也被称为在设计用于高精度定位和加工的一般自动机床大梁时评估静态和动态刚度的实际标准。

JIS B 6201 提供了测量加载时位移量的方法以及关于允许值的想法。　　通过参考该标准，设计人员可以将 "看起来可能会摇晃 "等感官上的顾虑转化为定量规范，例如 "在 0 N 的负载下，位移量必须保持在 0 µm 以下"。

对于振动，适用 JIS B 0906（机械振动--非旋转部件机械振动的测量和评估）。　　该标准与 ISO 10816 系列标准一致，规定了测量大梁（非旋转部件）的振动速度（毫米/秒有效值）等以及评估机器完好性的标准。

将这些标准作为设计的基础，可以向客户和内部利益相关者清楚地说明为什么要选择框架结构的设计原理。　　以 JIS 和 ISO 标准为基础的刚性设计被纳入要求规格中的情况并不少见，尤其是针对海外市场、汽车和半导体行业等需要严格质量控制的设备。

杨氏模量和断面次弯矩。

在讨论机器大梁的 "强度 "时，最基本和最主要的物理常数是杨氏模量（纵向弹性模量）　是　　杨氏模量是特定材料的 "抗变形 "值；当施加相同的力时，该值越大，变形越小。

钢（如 SS400）和铝（如 A6063）是机器支架的主要材料，两者相比，钢的杨氏模量约为 206 GPa，而铝约为 69 GPa。

这意味着，作为一个物理事实，当用相同的力拉动或弯曲相同形状的铝条时，铝的变形能力大约是钢的三倍。　　然而，在实际设计中，如果因为铝的刚度只有钢的三分之一，就断然决定不能使用铝，那就大错特错了。　　这是因为结构的弯曲刚度是由杨氏模量 E 和横截面次弯矩 I (EI) 的乘积决定的，而后者是由横截面形状决定的。

即使铝的杨氏模量较低，也可以通过增大框架的横截面积和改善横截面形状来增大横截面次弯矩 I，从而获得接近钢的刚度。　　铝合金框架制造商开发了带有复杂内肋的横截面形状，以便在保持轻质的同时最大限度地提高横截面次弯矩。　　设计人员需要熟练掌握选择适当尺寸的方法，检查目录中给出的横截面次弯矩值，并与钢制方管进行比较计算。

下表比较了典型结构材料的物理特性。

参考资料来源：根据 JIS 手册《钢铁/有色金属》（日本标准协会）编制。

静态刚度的重要性和计算方法

静态刚度是指在静态或缓慢变化的载荷作用下的抗变形能力。　　在自动机床中，静载荷包括机器人本身的自重、工件重量或加工过程中的反作用力。　　如果静态刚度不足，在装载重型工件的瞬间，工作台就会发生偏移，这可能会直接导致一些问题，例如传送水平发生偏移，造成传送误差，或检测相机的焦距发生误差。

尤其是在使用铝合金框架时，计算梁（横梁）的挠度是一项必不可少的工作。　情况将会如此。　　如果在两端固定的横梁中心施加集中荷载 P，最大挠度 δ 可用下式表示

其中 L 是支点间的距离（跨度）。　　从这个公式中可以看出，挠度的快速增加与跨度 L 的立方成正比。　　铝框架的杨氏模量 E 较低，因此在使用长跨度时，这种效应会更加明显。　　例如，如果跨度增加一倍，挠度就会增加八倍。

设计人员必须事先设定允许的挠度（例如跨度的 1/1000），然后逆向选择所需的横截面尺寸。　　如果标准铝框架的刚度不够，则应采取措施缩短跨度 L，方法是改用更厚、刚度更高的框架类型，或在中间加一根支撑杆。

确保静态刚度是保证机器性能符合规范的基本要素，不应为了降低成本而轻易妥协。

动态刚度和固有频率控制

近年来，自动化机器需要高速运转，以缩短交货时间、比静态强度更重要的是 "动态抗摇性"，即动态刚度。　　管理动态刚度的关键在于 "固有频率"。　　每个结构都有一个特定的振动频率（固有频率），当外部振动（如电机转速或往复滑块运动）与这个频率相匹配时，就会产生一种被称为 "共振 "的剧烈振动放大现象。

根据刚度 k 和质量 m，固有频率 fn 可以用以下关系式简化表示

该等式表明，刚度 k 越大，质量 m 越轻，固有频率就越高。　　较高的固有频率可使共振点远离典型的工作频带，确保稳定运行。罐体框架的焊接一体式结构具有极高的刚度 k 和合理的质量 m，因此具有设计自由度高和易于控制振动的优点。

另一方面，铝制框架由于重量轻，质量 m 较小，但存在一个风险，即由于螺栓连接的刚度较低，整体刚度 k 很容易降低，从而导致固有频率较低。　　低固有频率会在设备低速运行时引起共振，导致静止状态下的长时间晃动（沉降时间）。　　因此高速、高精度定位设备的支架通常选择罐装框架，因为它们易于设计，具有较高的固有频率。

阻尼特性因结构而异

在发生振动时，系统尽快收敛振动的能力被称为 "阻尼"。　　与刚度和自然频率不同、铝框架结构在减震特性方面可能具有独特的优势。　　这并不是由于材料本身的特性，而是由于一种叫做 "结构阻尼 "的机制。

铝制框架梁是通过大量支架、螺栓和螺母组装而成的。当向栈桥输入振动能量时，在这些众多的接触面上会产生微小的滑动摩擦。这种摩擦作用可将振动能量转化为热能并将其耗散，从而加快振动沉降速度。　　相比之下，罐头框架因焊接而具有完美连续的冶金结构，这意味着内摩擦极低，一旦受到冲击，振动往往会像钟声一样久久不散。

然而铝制框架的这种结构阻尼也是 "连接处并非完全刚性（微动）"这一事实的反面。　　换句话说，牺牲静态刚度来换取阻尼特性。　　如果要确保易拉罐框架具有较高的阻尼性能，可以采取 "砂阻尼 "等额外措施，即在框架内部填充砂子或阻尼材料，或在安装支腿上使用防震橡胶。　　在为精密测量机和其他对振动敏感的设备选择支架时，不仅要考虑刚性，还要考虑阻尼特性的差异。

机器支架的热性能和制造工艺。

热膨胀系数引起的热位移。

在精密机器设计中，温度变化导致的结构膨胀和收缩（热位移）是造成误差的主要原因。　　热位移的大小取决于线膨胀系数（热膨胀系数）　的确如此。　　如上述对比表所示，铝的线膨胀系数约为 23.4 × 10^-6 /K，几乎是钢（约 11.7 × 10^-6 /K）的两倍。　　这意味着在相同的温度变化环境下，铝梁的膨胀和收缩是钢梁的两倍。

举个具体的例子，让我们计算一下当上午和下午的温差为 10 °C时，2000 毫米长的底架的伸长量。

• 铁架 2000 × 11.7 × 10^-6 × 10 = 0.234 毫米
• 铝框2000 × 23.4 × 10^-6 × 10 = 0.468 毫米

这个大约 0.23 mm 的差值在一般的传送带运输中可能还可以忍受，但在精密检测设备或机器人微组装中却是致命的误差。　　热位移会导致直线导轨的直线度偏差或传感器的检测位置偏移。

设计人员应检查安装环境的气候控制条件，如果在温度波动较大的环境中需要高精度，则应避免使用铝制框架或采用 "逃逸结构"（固定在一侧）以防止热变形。钢（罐头）框架具有热稳定性，长期以来一直是精密设备值得信赖的基础。

罐头产品必须进行去应力退火处理

去应力退火（SR 处理）是使用罐形框架（即由钢材焊接而成的结构）时不可或缺的重要工艺。焊接是将金属局部加热到熔点，在冷却和凝固过程中产生强烈的收缩力。　　这就会在框架内部产生强大的拉伸应力（残余应力），即使框架看起来是平直的。

如果表面未经退火处理就进行加工，内部的力平衡就会被打破，导致框架在加工过程中发生翘曲或扭曲。　　此外，应力会在交货后的数月或数年内逐渐释放，随着时间的推移，可能会导致设备精度下降。

这一工艺可以消除残余应力，稳定结构。然而，退火需要成本，例如运往有大型熔炉的合作工厂的运输成本、数天的加工时间和燃料成本。　　此外，退火后表面会覆盖氧化鳞，需要进行喷丸等清理工序。罐装框架是可靠的，但设计人员需要了解，获得这些框架需要付出这些看不见的成本和努力。

高精度机加工

铝框与易拉罐框的决定性区别之一是能否实现最终的几何公差（平面度、方正度和平行度）。　　由于铝框是通过挤压成型制造的，因此即使按照 JIS 标准，也允许每米有几毫米的弯曲和扭曲。即使是高硬度的铝制框架，仅靠螺栓装配也很难达到 0.1 毫米或更小的整体平面度，需要使用垫片胶带和其他方法进行熟练的调整。

另一方面，罐装框架的真正价值体现在焊接和退火后的 "加工"（机械加工）上。　　通过使用大型机床（如五面铣床）切割直线导轨和电机支架的安装表面，可加工出平面度为 0.05 mm/1000 mm、垂直度为 0.02 mm 的高精度基准面。

下表比较了一般罐装和机加工操作的精度准则。

确定生产成本的差异。

人们普遍认为 "铝贵，钢便宜"，但这只是基于材料的单价（每公斤价格）。　　与实际设备生产的总成本（材料 + 加工 + 装配 + 管理）相比，成本优势的优劣因规模和产量的不同而发生逆转。

对于中小型（边长不超过 1 米）机架、一次性专用机床和原型机而言，铝制框架的成本往往更低。　　这是因为铝制框架只需切割和组装即可完成，设计和订单管理所需的工时较少，而且省去了焊接和喷漆等中间工序的固定成本。　　此外，当发生变化时，由于只需更换部件，风险成本也较低。

相比之下，对于大型栈桥（几米级）和大规模生产项目（生产几十个规格相同的栈桥）而言，罐形框架是迄今为止最有优势的。　　大型铝制框架需要非常大的横截面积来确保刚性，这就成倍地增加了昂贵铝材料的成本。　　而对于罐装产品，只要在所需位置使用廉价钢材，并利用焊接夹具进行高效生产，就能大大降低单位成本。　　设计人员必须具备平衡感，根据 "尺寸 "和 "数量 "确定盈亏平衡点。

部件采购和交付周期的比较

交货时间（准备时间）与质量和成本一样，都是影响项目进度的重要因素。　　在这方面，铝框的速度无与伦比。　　主要生产商（如 MISUMI、NIC Autotech、SUS）都备有各种标准组件，从下单之日起几天内就可提供目录中的产品。　　有了内部切割机和库存，在绘制图纸的同一天组装栈桥并非梦想。

而罐头框架从下单到交货通常需要两到四周的时间。　　这是因为需要经过多种工序，如：材料到货、切割、坡口、临时组装、主焊、变形消除、退火、喷丸、喷漆、机加工和检验。　　特别是退火和喷漆往往外包给专业公司，这就增加了物流时间。

因此铝制框架非常适合开发周期较短的紧急项目，或规格尚未最终确定、设计需要临时完成的开发项目。　　相反，如果规格是固定的，批量生产计划也是事先确定的，那么标准的做法就是系统地安排高度可靠的罐装框架。　　在项目的早期阶段决定施工方法非常重要，因为准备时间的不同会影响设计开始的时间。

机器大梁的混合结构设计。

在合适的地方配备合适的人员的混合结构

近年来，为了最大限度地提高成本效益和性能，"混合结构 "已成为主流，它在适当的地方将铝和钢结合在一起。　　这是一种复杂的设计方法，不同的功能单元使用不同的材料，而不是 "全铝 "或 "全钢 "的二元论。

混合设计的基本理念是，主要受力通道（载荷通道）由钢材制成，而附件和非结构部件则由铝材制成。具体来说，罐装框架用于 "核心结构"，如机器人脚座、精密平台基座和高速传送轴基座。　　在这里，钢材的重量可作为减少振动的锚，而加工表面则可保证几何公差。

另一方面，铝制框架将用于 "子结构"，如安全围栏、传感器支架、电缆管道支架、控制面板支架和盖板框架。这些区域承受的负荷不高，而且经常需要进行现场安装调整，以及将来增加和重新定位摄像机，因此铝制 T 型槽的可扩展性得到了最大限度的发挥。　　铝制 T 型槽的缺点是重量大且无法加工，而人造罐的缺点是刚性差且价格昂贵。

让我回到本节的开头、这是一个非常重要的概念，因为如果在这里出了差错（试图轻易完成设计），就无法保证精度，而精度对机器来说是非常重要的。

如何为正确的用途选择正确的机器支架

在选择机器支架方面没有绝对正确的答案。　　对于项目的限制因素（交付日期、成本、精度要求、环境），只有一个 "最佳折中方案"。　　综合前面的评论，现提供以下指导原则，以帮助设计人员做出最终决定。

作为一名专业的机械设计师，你的职责就是深刻理解这些特点，并有意识地选择与项目目标相一致的风险和收益平衡点。　　设计的目标是让您可以自信地解释："我们选择这种结构是出于这个原因"。

摘要

• 机器大梁的设计以 JIS 标准（B 6201 和 B 0906）为基础，并对刚度进行了数值评估。
• 钢的杨氏模量约为铝的三倍，但可以通过计算截面次弯矩来补偿刚度。
• 请注意，在静态刚度计算中，挠度的增加与跨度的立方成正比。
• 动态刚度由质量和刚度之间的平衡决定，控制自然频率是避免共振的关键。
• 由于接缝处的摩擦，铝制框架可望提供结构阻尼。
• 铝的热膨胀系数是钢的两倍，热位移对精密设备的影响是致命的。
• 罐头框架经过去应力退火（SR）处理，以防止加工后变形和老化。
• 机械加工的罐子可以达到以微米为单位的几何公差。
• 对于小型单件产品，制造成本有利于铝材，而对于大批量生产的大型产品，制造成本则有利于钢材。
• 到目前为止，铝制产品的交货时间最快，罐装产品需要数周时间。
• 混合结构是一种现代化的解决方案，它结合了钢材的刚性和铝材的柔性
• 需要根据规格变更的频率和安装环境来判断选择适当的施工方法。
• 设计师在选择镜框时，应考虑其物理支持，而不仅仅是成本和交货时间
• 最佳的栈桥设计是决定整个设备性能和可靠性的最重要过程之一。

上图