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1、精 密 仪 器 设 计 Design of Precision Instrument,第四章 精密机械系统,在测控仪器中,精密机械系统起着举足轻重的作用,它不仅是仪器各部分的支撑，而且对保证仪器的测量精度、定位精度和运动精度起着关键的作用。本章的内容：在对测控仪器各种机械系统分析的基础上，重点对系统精度影响较大的机械结构进行研究。包括：基座与支承件、导轨、轴系。,第一节 仪器的支承件设计第二节 仪器的导轨及设计第三节 主轴系统及设计,第一节 仪器的支承件设计,定义：仪器的支承件主要包括基座、支柱、机柜、机箱等。作用：1）联接和支承 2）保证工作精度本节内容：从精度出发，重点研究基座和立柱等对仪
2、器精度影响很大的支承件的设计要求和结构设计问题。,一、基座和立柱等支承件的结构特点和设计要求（一）特点：1）尺寸较大：支承机、光、电等各个零部件和被测件自身重量大承受外载荷温度变形大。2）结构复杂：具有很多加工面，包括孔、支承面、定位面等，且要求相互位置精度和本身精度都较高。,（二）设计要求：1、具有足够的刚度，力变形要小自重力变形被测件的质量转载动载荷力变形弹性变形在允许的范围内变形最小原则进行刚度设计,2、稳定性好，内应力变形小内应力变形：铸件内应力释放夹紧力变形：螺钉紧固件夹紧力不均匀提高稳定性的措施：（1）进行时效处理：自然时效处理；人工时效处理：,（2）消除夹紧力变形的方法减少螺钉等
3、紧固件的数量采用运动学原理定位法弹性夹紧法（留有少许变形余量）3、热变形要小 整机或各个部件的尺寸、形状、结构各不相同，因此达到热平衡的时间也长短各异。基座和立柱的变形将会造成很大的测量误差。,消除热变形采取的措施：1）严格控制工作环境（恒温）注意两点：恒温室应长时间恒温 合理设计恒温室 2）控制仪器内的热源：照明灯、电动机、磨擦生热。采用冷光源照明或用光导纤维传光；隔离热源和良好地散热；运动件应充分润滑；采用发热小和不发热的传动机构。温度平衡后再继续工作。3）采取温度补偿措施,4、良好的抗振性（1）振动影响仪器的测量精度，外部振源：机器、人员、走动。（2）内部振源：回转不平衡、换向冲击（3）
4、提高抗振性的措施：满足刚度条件下，减轻重量提高固有频率 合理结构设计，提高静刚度提高固有频率 增加阻尼，减小内部振源的振动影响 减振或隔振设计，减小外部振源的振动影响,二、基座与支承件的结构设计,（1）正确选择截面形状与外形结构构件受压时变形量 截面面积大小构件受弯、扭曲时变形量 截面形状,（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度a自重载荷不大e比c合理、受力好、内应力小d,b，三角形肋，刚度好，工艺好f,g,h工艺复杂，刚度很好。,（3）正确的结构布局，减小力变形 遵守力变形最小原则；采用反变形结构；补偿力的结构；（4）良好的结构工艺性，减小力变形 减小铸件重量：可减小劳动量和金属消耗，还可减小
5、应力变形。铸件厚度均匀，过渡处均匀过渡的光滑圆角（5）合理的选择材料 通常要求基座及支承件的材料具有较高的强度的刚度，耐磨性以及良好的铸造、焊接以及机械加工的工艺性。,铸铁：灰口铸铁；球墨铸铁；热处理：退火，淬火；钢板焊接：尺寸小的基座和支架，减小点焊影响；花岗岩：优点：稳定性好；加工简便；温度稳定性好；吸振性好；不导电、不磁化；维护保养方便；价格便宜。缺点：脆性大；不能承受大的冲击、撞击、敲打。,一、导轨的功用与分类,导轨部件的组成：运动导轨和支承导轨导轨的功用：传递精密直线运动导轨的分类：1）滑动摩擦导轨 2）滚动摩擦导轨 3）静压导轨 4）弹性摩擦导轨,第二节 仪器的导轨及设计,二、导轨
6、部件的设计要求,（一）导向精度（1）导轨的几何精度：直线度、平行度、垂直度,（2）接触精度定义：在动导轨与静导轨接触部位，由于微观的不平度，造成实际接触面积只是理论接触面积的一部分，从而造成接触变形，在导轨行一段时间后，由于接触变形和磨损而产生导轨与滑架扭摆。接触精度要求：滑动和滚动导轨，全长80%，全宽70%。提高接触精度方法：减小表面粗糙度值。,低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的，而与导轨相连的工作台却出现一慢一快，一跳一停的现象，称为“爬行”。产生原因：（1）导轨间动、静摩擦系数差值较大（2）动摩擦系数随速度变化（3）系统刚度差,（二）导轨的平稳性,（三）刚度要求,导轨受力会产生变形
7、1、自重变形减小办法（1）采用刚度设计，如有限元法；（2）结构设计，如设计加强肋；（3）补偿措施，如螺钉或反变形。,2、局部变形：载荷集中地方3、接触变形：由于微观不平度造成实际接触面积仅是名义接触面积的一部分，而产生的变形。可采用预加载荷的方法增加接触刚度。,（四）耐磨性要求耐磨与使用寿命相关，磨损使精度下降。影响耐磨性因素：摩擦性质、导轨材料、加工工艺、受力情况滑动摩擦导轨比压,提高耐磨性的措施：增大导轨宽度可降低导轨比压，或卸载。导轨面间良好的润滑 润滑油的要求：良好的润滑性和足够的油膜刚性，温度变化时粘性变化要小，不腐蚀机体，杂质少，加防护罩。,合理的选择材料和热处理工艺1）材料：固定
8、导轨硬度比动导轨硬度高1.11.2倍 A.镶钢导轨；B.镶塑导轨；C.塑料导轨（见下图）2）热处理方法：电接触表面淬火，中频淬火，高频淬火,合理的选择加工方法如下图：上为动导轨，下为静导轨，磨损量为滑程2000mm以下进行测量,三、导轨设计应遵循的原理和准则,（一）运动学原理：把导轨视为有确定运动的刚体，设计时不允许有多余自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度。,（二）平均效应原理：导轨面之间安装许多滚珠或滚柱，受力产生弹性变形而将导轨误差得到平均效应。,（三）导向导轨与压紧导轨分立原则,四、滑动摩擦导轨及设计,支承件和运动件直接接触的导轨。优点：结构简单，容易制造，接触刚度大。缺点
9、：摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行。（一）滑动摩擦导轨的截面形状：由支承面和导向面组成。平导轨支承面和导向面分开。,（二）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点：,1.V形和平面组合导轨：优点：导向性好，平导轨制造简单，刚性好。缺点：磨损不均匀，V形导轨比平导轨磨损快，且牵引力位置不在两导轨中间，容易引起V形导轨对角接触。合力的位置与V形导轨半角大小有关。,2、双三角形（V形）组合导轨优点：（1）同时起着支承与导向的作用，故导向精度高。（2）承载能力大，两条导轨磨损均匀，寿命长，磨损后能自动补偿间隙，精度保持性好。（3）能同时采用研磨两条导轨的基准研具。（4）驱动元件能对称地
10、放在中间。缺点：过定位，需要高精度研具。,3、双矩形组合导轨优点：结构简单，制造、检验、修理较易。承载能力大，刚度大。缺点：磨损后不能自动补偿间隙，导向精度不如v形。,4、燕尾组合导轨符合运动学运动原理，只需要一根导轨。优点：结构紧凑，加一根镶条可调整间隙。缺点：几何形状比较复杂，难于达到很高的配合精度，并且导轨中的摩擦力较大，运动灵活性差。,5、双圆柱导轨优点：加工和检验比较简单，工艺性好。缺点：导向精度不高，对温度变化敏感，间隙不能调整，用于只承受轴向力的场合。,滑动摩擦导轨组合总结,v形和平面组合导轨主要应用于：导向精度高、承载能力大的仪器导轨。双v形导轨导向精度要求高，磨损小的仪器，精
11、密仪器导轨。双矩形导轨应用于导向精度要求不高，承载力大的仪器导轨。燕尾导轨通常用在结构尺比较小及导向精度与运动灵便性要求不高的场合。双圆柱导轨主要应用于小型仪器的立柱。,（三）导轨主要尺寸的确定,1.导轨宽度2.V形导轨角度，一般以90为宜。3.两条导轨的间距 应在保证运动件工作稳定的前提下，尽可能取小值。4.运动件的导轨长度 取较长导轨较有力，但过长会使机构庞大，一般,五、滚动摩擦导轨及设计,结构：两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，导轨运动处于滚动摩擦状态。优点：阻力小，工作台移动灵敏，不易产生爬行；启动和运行消耗功率小，磨损小，保持精度持久性好。缺点：点或线接触，抗振性差、接触应力
12、大，对导轨直线度、滚动体尺寸精度要求高；对脏物敏感，结构复杂，制造困难，成本高。,（一）滚动导轨的结构形式及其特点,1、滚珠导轨（1）双V形滚珠导轨运动灵敏度较高，承载能力较小，易压出沟槽使导轨表面损坏。适用于载荷不大，行程较小，灵敏度要求较高的场合。,（2）双圆弧滚珠导轨：常用于光学计量仪器（小型工显，投影仪）参数：R1,R2,优点：接触面积大，接触点应力、变形较小，承载能力强，受命长。缺点：摩擦力大，形状复杂，制造困难。,（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨：结构：优点：运动精度、运动灵活性较高，圆柱棒磨损后只要转过一个角度，仍能保持原始精度，维修方便。缺点：承载能力不大。,（4）V形平面滚珠导轨
13、：结构：优点：加工、装配方便；缺点：左右两排滚珠的中心运动速度不一样。,2、滚柱（针）导轨（1）V形滚柱导轨：承载能力大，耐磨性好，对导轨局部缺陷不敏感，多用于重型机器。交叉滚柱导轨：滚柱轴线相互交错 DL A1 面第单数个滚柱，B1 面第双数个滚柱，加工困难。,V形平面滚柱导轨 两排轴线成V形，取出滚柱时，上下导轨正好可以相互研配。,空心滚柱，光电光波比长仪工作台导轨：采用空心滚柱在载荷作用下有微小变形，可减少导轨和滚柱尺寸差对工作台直线度的影响。这种导轨技术要求很高。,（2）平面滚动（滚柱或滚珠）导轨：结构：上动板运动，导向触头导向，压紧轴承压紧，触头材料（聚四氟乙烯）摩擦力小且耐磨。优点
14、：形状简单，加工容易。,（3）滚动轴承导轨：作用：起滚动体和导轨的作用。特点：摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便，多用于大型仪器。轴承：外旋转，内固定；外环起承载、导向作用；外环较厚。,（二）滚动摩擦导轨的组合应用,（1）滚动与滑动摩擦导轨的组合：,（2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合：滚柱导轨承受载荷滚动轴承与压紧轴承导向作用1滚柱导轨2滚动轴承导轨3压紧轴承4滚动轴承,（3）滚柱与滚珠导轨的组合：滚珠导轨承载小载荷，灵活滚柱导轨承载大载荷，承载大,（4）滚柱与长圆柱导轨的组合：长圆柱与工作台固定在一起，轻载时使用,（三）滚动摩擦导轨的结构尺寸1、运动导轨的长度Ld：2、滚动体的尺寸和
15、数量：3、导轨的强度与刚度计算：,六、静压导轨及设计要点,静压导轨原理：动静导轨之间，因液体压力油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨面间不再接触，而形成完全的液体或气体摩擦。静压导轨特点：（1）摩擦系数极低、没有爬行、不产生磨损、受命长、驱动功率小。（2）精度高，弹性平均原理设计。（3）导轨承载能力大、刚度好。（4）有吸振作用、抗振性好。（5）结构复杂，调整费事，成本较高。需要一套严格过滤得供油或供气设备。,（一）液体静压导轨,1.开式液体静压导轨工作原理,2.液体静压导轨的结构及主要技术参数（1）导轨结构,开式液体静压导轨：（1）承受垂直载荷好，对倾覆力矩承受力差；（2）结构简单，便
16、于加工和调整；（3）节流器：毛细管式和单面薄模反射式。闭式液体静压导轨：（1）承载力强，承受偏载能力好；（2）运动精度高，动态性能较好；（3）结构复杂，加工装调麻烦；（4）节流器：毛细管式和双面薄模反射式。,（二）空气静压导轨,1.气体静压导轨工作原理特点：工作平稳、可靠、运动精度高、无磨损、无爬行。承载力较低，刚度差，需要一套清洁稳定的压缩空气源。,2.结构形式及其特点,3.提高气浮导轨性能的方法结构上采用闭式导轨增加供气压力减小浮起间隙，加大封闭力载荷补偿提高阻尼力增加刚度,第三节 主轴系统及设计,一、主轴系统设计的基本要求,主轴系统设计主要要求：主轴在一定载荷下，具有一定的回转精度，同时
17、还有一定的刚度和热稳定性。（一）主轴回转精度：1、国际机械生产技术研究协会定义轴系基本术语：,回转轴心：垂直于主轴截面且其回转速度为零。主轴回转后才有主轴回转轴心，与几何中心不一定重合；由于轴颈和轴承的加工、装配误差、温度变化、润滑剂的变化、磨损等因素影响，轴心将于理想轴线产生偏离；偏离的型式一种是径向的平行移动，另一种是偏一定角度的摆动。,2、滑动轴系回转误差分析：(1)主轴晃动：由于主轴与轴套有安装间隙而造成主轴中心的变动。,(2)双周晃动：主轴和轴套之间充满润滑油后，轴系每转动二周，误差运动重复一次的现象。,（3）滚动轴系误差运动分析：1）滚动轴系误差运动产生的原因：轴承内孔、主轴及滚动
18、体形状误差、尺寸误差。2）主轴漂移：若轴套固定，由于轴系形状、尺寸误差使得主轴旋转时产生主轴轴心线位移的现象。,（二）主轴系统的刚度,主轴系统刚度对误差影响的分析：刚度：主轴某处在外力作用下，与主轴在该处的位移量之比。（1）设轴承为刚体，主轴为变形体，则主轴前端挠度：,（2）设主轴为刚体，轴承为变形体：前后支承径向刚度KA KB,支承部分的变形量y2:,（3）系统总挠度：,(3)主轴系统的总挠度：,（4）柔度随支撑跨距与悬伸长度比值的变化关系,提高主轴刚度的措施：1）加大主轴直径2）合理选择支承跨距3）缩短主轴悬伸长度4）提高轴承刚度,（三）主轴系统的振动,弹性联轴器（1）橡胶联接传动：吸振性好，同轴度要求不高。（2）用直流电机直接传动：,（3）用金属弹性元件联接传动,（四）主轴系统的热稳定性,主要原因：传动件在运转中摩擦而产生的。减小热变形的措施：将热源与主轴系统分离；减少轴承摩擦的热源的发热量；采用冷却散热装置；采用热补偿；合理选择推力支承的位置。,（五）合理的结构设计，减小力变形,避免奇形怪状;坚固件少;设计凸肩结构。,二、主轴的类型,滚动摩擦轴系滑动摩擦轴系：结构形状简单，制造装配方便；抗振性、耐磨性差，回转精度低。液体动压轴承的轴系：与滑动轴承比较，回转精度高，耐磨性好；不能反转，应用范围受限。液体静压轴承的轴系气体静压轴系,
