精密机械机架设计及典型结构
精密机械微位移机构设计理论及典型
微位移机构
微量位移机构——精密机械与仪器的关键技术
现代高精度工业制造达到纳米（nm）级水 平，微位移技术已成为制约整个设备（整体） 最高性能的瓶颈。 理 论 基 础 微电子技术 微系统及超精密加工 激光通讯技术及装备 精密光学
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§8.1 低速微动的平稳性 1. 爬行现象及过程
（1）精密机械系统运行参数
●微小型化的尺寸效应 ●微结构设计数据库 ●有限元和边界分析 ●CAD/CAM仿真和模拟技术
●微系统建模
如：力的尺寸效应、微结构表面效应、
微观摩擦机理、热传导、误差效应、 微构件材料性能等
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4. 影响爬行的因素及消除措施
（1）影响爬行的因素
1）摩擦系数变化 ●静止状态下静摩擦系数变化； ●边界摩擦状态的静、动摩擦之差； ●运动状态动摩擦变化；
力作用产生应变而产生电极化的现象。
逆压电效应：
在外电场作用下，压电陶瓷发生应变。
●电极化的大小→应力成正比 ●电极化的方向→应力的方向
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电致伸缩效应：
外界电场作用下，由感应极化作用引起应 变的现象，应变与方向无关。
（1）微位移机构工作原理
利用外电场作用导致的压电陶瓷零件变形 量，驱动相应进给机构实现微量进给。
●毫米级小行程 ●微米和纳微米级灵敏度和精度。 常用微位移机构分机械式 和机电式 两大 类，由微位移器 和精密导轨 两部分组成。
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各类加工装备
精密多功 能车铣床
立式镗床 进刀机构 精度等级： 0.001mm
精密数控冲床工作台
精密机械制造领域：
工作台两轴 进刀单轴 重荷载精密 伺服电机驱动系统 电火花加工 进刀机构
固定端
精密机械基础第5章平面机构的结构分析
C
4
机构组成情况清楚后，选择适当的投影面和比例尺，定 出各转动副的位置即可绘出机构运动简图. 油泵机构示意图
精密机械基础第5章平面机构的结构 分析
5-4 平面机构自由度
若干构件以运动副联接而成的系统称为运动链。运动链分 为闭式链和开式链两种。
闭式链 每个构件至少两个运动副； 首末封闭的系统
开式链 有的构件只包含一个运动副； 未构成首末封闭的系统
平面机构的高副低代
为便于对含有高副的平面机构分析, 将机构中的高副根据 一定的条件用一种虚拟的低副和构件的适当组合来代替。
➢ 高副低代的替代条件
替代前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度保持不变.
高n 副 两 元 素 均 为 圆 弧
构件1和2为绕A和B回转的两圆盘, 其
圆心分别为K1, K2,半径为r1, r2, 在C点
滚子凸轮
尖底凸轮
图示滚子从动件凸轮机构。
除去局部自由度后 n=2,PL=2,PH=1,F=3×2-2×2-1=1
精密机械基础第5章平面机构的结构 分析
虚约束
机构中,有些运动副引入的约束可能与其它运动副的约束 重复，因而对机构的运动实际并无约束作用，这类约束为 虚约束。在计算机构自由度时，应将虚约束除去不计。
机器：由各种机构组合而成，除了具有机构的特征外， 机器还能进行能量的转换和完成有用的机械功。 图示内燃机, 化学能→机械能,其中包括四杆(连杆)机构, 凸轮机构和齿轮机构.
内燃机原理动画 内燃机模拟示意动画
精密机械基础第5章平面机构的结构 分析
研究机构的目的 ➢探讨机构运动的可能性及具有确定运动的
条件； ➢将机构进行分类，并建立相应的运动和动
力分析的一般方法； ➢正确绘制机构运动简图； ➢熟悉构件组成机构的规律，了解机构的组
机械式精密锁紧机构设计与分析
紧机构
1.齿条
2.主轴
3.调整垫圈
4.盖板
5.轴承端盖
凸轮座环7.凸轮块8、16.销柱9.滚轮10、
11.调整螺钉13.弹簧压板14.顶杆15.勾形压块
锁紧支架18.锁紧支座19.滑柱20．刹车盘
平键23.螺母24.齿轮轴25.手柄26.齿轮支座
轮轴轴肩上，用平键和螺母径向和轴向限位，使之与齿轮轴联成一体。
齿轮支座固定在基座上，齿轮轴可以在齿轮支座中旋转。
（2）凸轮组件，包括凸轮块、凸轮座环和齿条，三件凸轮块均布固定在凸轮座环圆周上。
齿条固定在其中两件凸轮块中间的位置，与凸轮座环同圆，并联成一体，凸轮座环安装在基座联接成一体的轴承端盖的台阶肩颈上，使齿条与齿轮啮合并设有盖板轴向限位。
冷加工。
数控机床机械结构设计分析
传动结构大为简化 ，传动链也大 大缩短 。② 为适 应连续 ・
的 自动化加工 和提高加工生产率 ，数控机 床机械结 构具 有较 高 的静 、动 态刚 度 和阻 尼精 度 ，以及较 高 的耐 磨 性 ，而且热变形小 。③为减小摩擦 、消除传动 间隙和获 得更 高的加工精度 ，更多地采用 了高效传动部 件 ，如滚
小 限度 内，以保证所要求的加工精度与表面质量 。 为了提高数控机床主轴的刚度 ，不但 经常采 用三支
珠丝杠副 、 滚动导轨和消隙齿轮传 动副等 。④为 了改善
７个 ，铣刀主偏 角为 ４ 。 ５ ，经过计算 （ 算过程略 ） 计 ，切 削时作用在工件表 面的总 压力约 １０ ０ ０ Ｎ，由 ｌ 支撑 ０个 点 （ 主支撑点 ３个和辅 助支撑点 ７个 ）承担 ，若按 每点 受到的力最大 ２０ ０ Ｎ计算 ，支撑组柱件受到 的力通过 ｌ 。 ０
４ ．应用情况
本夹具投入使用后 ，粗铣整体平面度 偏差 由此前 的
０５～ ． ｍｍ，减小到 ０ １ｒｍ以内。原来精铣 出现的 由 ． ０８ ．５ ａ
于粗铣变形问题造成余 量不均 ，出现 加工黑皮 ，以及精 加工后仍 然变形大等问题得 到解决 ，并保证 了在镗孔 加 工时 ，几乎不存在应 力变形 ，孑 的形状 精度 、孔对 面的 Ｌ
结构提 出以下要求 。
生产率 、加工精度和使用寿命提 出了更高的要 求。 数控机床 的主体机构有 以下特 点 ：① 由于采 用 了高 性能的无 级变速主轴及伺服传动 系统 ，数控机床 的机械
精密机械系统的设计
42 8
L2 L1 H Lt
H
Lt
H
t L2
8H
铸件长度L=2000mm．高H＝500mm， 温差为1°C时
产生温度变化的原因
为减小热变形可采用如下措施：
(1) 严格控制工作环境温度(恒温) (2) 控制仪器内的热源 (3) 采取温度补偿措施
㈣有良好的抗振性 提高抗振性的方法
（3）正确的结构布局，减小力变形 （4）良好的结构工艺性，减小应力变形 （5）合理选择材料
第二节 仪器的导轨及设计
一、导轨的功用与分类
功能：传递精密直线运动， 保证各运动部件的相对 位置和相对运动精度以 及承受载荷。
导轨部件有运动导轨（动） 和支承导轨（静）组成。
导轨种类： 1）滑动摩擦导轨 2）滚动导轨 3）静压导轨 4）弹性摩擦导轨
2.设计要求
㈠有足够的刚度，力变形要小 ㈡稳定性好，内应力变形小
a.自然时效处理 b.人工时效处理
㈢热变形要小
举例说明：对于一个长度为L、高度为H的矩形基座．当其上表面温 度高于下底而时会产生上凸下凹的形变．
热变形造成的误差
最大凹凸量可由下式求得：
tan
推出 L L
4
L 2
(2)合理地选择和布置加强肋增加刚度 肋：指连接两壁内壁，形状、位置应根据受力的大小方 向而定合理地布置加强肋可以有效地增大刚度，其效果比 增加壁厚更明显。
加强肋有肋板和肋条两种。精度要求较高的仪器其基座 都布置肋板以提局其刚度，减小变形量。肋条一般布置在 基座或支承件的局部，以便增加局部的刚度．
1)在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有频率，防止共振。 2)合理地进行结构设计 3)减小内部振源的振动影响 4)采用减振或隔振设计
精密机械凸轮机构结构设计
●通用性：
调整范围大，属于功能性调整。
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3. 升程 实现机构功能的重要参数
凸轮升程h的确定取决于从
动件传动方式，以实现执行机构 行程为目标。
B'
A
O
h
D
推杆式：h=行程 摆杆式：h=i×行程
其中i----放大系数
B
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δt
δs
w C
4. 机构设计考虑的其他因素 ●主动件的运动形式分析 ●主、从运动之间转换的可行性
低点
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进刀结构
凸轮轴 槽凸轮
凸轮相对轴沿圆周方向、轴向调节
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1）调节结构设计的基本要求
●结构条件：类型、尺寸等参数 ●功能条件：微调准确、稳定；定位
合理、方便、可靠
2）常用调节机构
●螺钉紧定 ●定位销定位 ●摩擦抱紧装置
见教材P11图2-4
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2.执行机构原始位置调整机构
从动件 运动轨迹
●尖顶从动件
尖顶始终能够与凸轮轮 廓保持接触，可实现复杂的 运动规律；但运动件易磨损，
只宜用于轻载、低速
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●滚子从动件
耐磨、承载大，最为常用。
●平底从动件
接触面易形成油膜，利于润滑，常用
于高速运动；凸轮轮廓必须全部外凸。
平底从动件1 滚子从动件
平底从动件2
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录音机卷带机构 —— 匀速送带
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二. 凸轮调整机构设计
设计凸轮机构时，考虑其应用范围、使 用功能、加工误差等因素，凸轮结构中都配 备若干调节装置。
设计用途分类： ●专用结构——简洁、高效、专一 ●通用结构——多功能、调整
精密机械结构设计
1.1机构的结构分析任何机器和仪器一般均由许多部分组成，如机械结构部分、电路及控制部分、光学部分等。
简单的机器和仪器不一定包含上述所有部分，但机械结构部分是必不可少的。
在机械结构中，有一部分在工作中要实现某种确定的运动（如移动、转动或者更为复杂的运动），从而实现某些功能。
例如，车床的主轴带动被加工零件转动，刀尖沿主轴轴线方向移动，从而完成车削加工。
具有运动部分的机械结构一般都是由机构组成。
机构性能的好坏决定了机器或仪器的性能。
因此，对机构进行分析是进行机械结构设计的基础。
1.1.1机构的组成1. 零件零件是单独加工制造的实体，是构成机械结构的最小单元。
螺钉、螺母、单个齿轮等都是零件。
2. 构件把若干个零件刚性地连接在一起，彼此不做任何相对运动，作为一个刚性整体进行工作，这种刚性组合体称为构件。
3. 运动副两个构件直接接触组成的可动连接称为运动副。
例如，轴与轴承的连接，活塞与汽缸的连接等都构成运动副。
两构件组成的运动副不外乎通过点、线、面的接触来实现。
按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。
1）低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副。
平面机构中的低副有回转副和移动副两种。
若组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动，这种运动副称为回转副，或称铰链，如图11所示。
若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动，这种运动副称为移动副，如图12所示。
图11回转副1、2—构件图12移动副1、2—构件2）高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。
图13(a)中的车轮1与钢轨2，图13(b)中的凸轮1与从动件2，图13(c)中的轮齿1与轮齿2分别在接触处A组成高副。
平面高副二构件间的相对运动是由沿接触处切线tt方面的相对移动和在平面内的相对转动组成。
图13平面高副举例4. 机构由若干构件和运动副组成，各构件之间具有确定的相对运动关系的组合体称为机构。
机构是机械结构中需要实现某种确定运动的部分。
图14所示的活塞泵就是由连杆机构和齿轮齿条机构组成的。
机械制造装备设计-机床典型部件设计
3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α=15°和 α=25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
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3.1 主轴部件设计
机械制造装备设计
第3章 机床典型部件设计
本章分三个小节： 3.1 主轴部件设计 3.2 支承件设计 3.3 导轨设计
2
3.1 主轴部件设计 主轴组件式机床的执行件，它由主轴、轴承、传
动件和密封件等组成。它的功用是支承并带动工件刀 具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和转矩， 承受切削力和驱动力的作用。
❖ 铝合金 铝合金的密度只有铁的1/3，有些铝合金还可以
通过热处理进行强化，提高铝合金的力学性能。
20
3.1 主轴部件设计
双向推力角接触球轴承： 图3.10所示为双向推力角接触球轴承。型号为
234400，接触角60°，它由外圈、左右内圈、左右两 列滚珠及保持架、隔套所组成。修磨隔套的厚度就能 消除间隙和预紧。
滚动体直径小，极限转速高； 外圆和箱体孔为间隙配合，安 装方便，且不承受径向载荷； 常与双列圆柱滚子轴承配套使 用，能承受双向轴向载荷，用 于主轴部件的前支承。
❖ 主轴部件结构参数的确定 主轴的结构参数主要包括主轴的平均直径D(或前
轴颈)、内孔直径d（对于空心主轴而言）、前端的悬 伸量a及主轴的支承跨距L等。
一般步骤： （1）首先确定前轴颈D （2）然后确定内径d和主轴前端的悬伸量a （3）最后再根据D、a和主轴前支承的刚度确定支 承跨距L
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3.1 主轴部件设计 （1） 主轴直径的确定 主轴平均直径D的增大能大大提高主轴的刚度，而 且还能增大孔径，但也会使主轴上的传动件（特别是 起升速作用的小齿轮）和轴承的径向尺寸加大。主轴 直径D应在合理的范围内尽量选大些，达到既满足刚 度要求，又使结构紧凑。 主轴前轴颈直径D1可根据机床主电动机功率或机 床主参数来确定。
机械设计 第十九章 机架
机架的类型、 第一节 机架的类型、材料及制造方法 第二节 机架设计的要求 第三节 机架的机构设计
第十九章
机 架
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机架的类型、 第一节 机架的类型、材料及制造方法
一、机架的类型 1、按外形结构分类 、
箱壳式(减速器箱体 箱壳式 减速器箱体) 减速器箱体 梁柱式(车床 梁柱式 车床) 车床 平板式 (摇臂钻床 摇臂钻床) 摇臂钻床 框架式 (锻压机机身 锻压机机身) 锻压机机身
空心矩形截面的抗弯强度低于工字形截面， 空心矩形截面的抗弯强度低于工字形截面，抗扭强度低于 圆形截面，但其综合刚性最好， 圆形截面，但其综合刚性最好，并且由于空心矩形内腔较易安 装其他零部件，故多数机架的截面形状常采用空心矩形截面。 装其他零部件，故多数机架的截面形状常采用空心矩形截面。
面积相等而弯曲刚度不同的矩形截面
2、按制造方法分类 、 分铸造机架和焊接机架 。 3、按机架材料分类 、 分金属机架和非金属机架机架 。 而非金属机架又可分为混凝土机架、花岗岩 而非金属机架又可分为混凝土机架、 机架和塑料机架等。 机架和塑料机架等。
二、机架的材料及制造方法
形状复杂的机架——铸铁 铸铁 形状复杂的机架 具有流动性好、阻尼作用强、切削性能好、 具有流动性好、阻尼作用强、切削性能好、价格 低廉、易于成批生产等特点。减速器箱体、 低廉、易于成批生产等特点。减速器箱体、鼓风机底 座等 。 要求强度高、 要求强度高、刚度大的机架 ——铸钢 铸钢 如轧钢机机架、锻锤气缸体和箱体等。 如轧钢机机架、锻锤气缸体和箱体等。 要求重量轻的机架 ——铸铝合金 铸铝合金 如船用柴油机机体、 如船用柴油机机体、汽车传动箱体等 。 精密机械或仪器的机架 ——花岗岩和塑料 花岗岩和塑料 一般有导热系数和膨胀系数小、抗腐蚀、 一般有导热系数和膨胀系数小、抗腐蚀、不导电 和不生锈等要求。 和不生锈等要求。
机械原理与机械设计基本第二十七章 机架、箱体和导轨的结构设计
设计的过程中主要应考虑以下问题： 1.满足强度和刚度要求。
2. 散热性能和热变形问题。 3. 结构设计合理。 4. 工艺性问题。 5. 减振、隔振问题。 6. 造型好、质量轻。
值得注意的是在设计不同的箱体时，考虑问题时应该有所侧重。
三 、箱体毛坯的选择
铸造容易制造出结构复杂的箱体毛坯，铸造箱体的热影响变形小，吸 振能力较强，也容易获得较好的结构刚度，但其质量大。
焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较难实现薄壁和大平面，此 外焊接箱体一般比铸造箱体轻，
大型的机座或箱体的制造，则常采用分体铸造，整体焊接的办法。 在选择箱体毛坯的时候，还要与生产能力和生产规模相符合。
四、 箱体结构主要参数设计
1． 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表16-1和表16-2中选取，表中
• 机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方 面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指 标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件 的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面 着手。
• ３．稳定性
• 机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问 题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失 稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条 件。必须加以校核。
• ４．对于机床、仪器等精密机械还应考虑 热变形。
• 热变形将直接影响机架原有精度，从而使 产品精度下降。
• 二 .机架设计的一般要求 • 1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量
应要求轻、成本低。
• 2.抗振性好。 • 3 .噪声小。 • 4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。 • 5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、
• 三.焊接机架的退火
箱体的结构设计
一 、 箱体的主要功能
正文_精密数控磨床的总体设计
正文_精密数控磨床的总体设计正文精密数控磨床是一种高精度磨削加工设备，广泛应用于模具制造、航空航天、汽车制造、光学仪器等行业。
在设计精密数控磨床时，需要考虑到机械结构、运动系统、控制系统等多个方面的要求，以实现高精度、高效率的加工。
1.机械结构设计：精密数控磨床的机械结构设计是保证加工精度和稳定性的基础。
首先，需要考虑磨削主轴的固定和支撑方式，一般采用双列滚动轴承或陶瓷轴承，以确保主轴的刚性和稳定性。
其次，还需要考虑磨床床身的刚性和平稳度，在设计时应采用宽大的床身结构，并加强支撑和补偿机构，以减少振动和变形。
2.运动系统设计：精密数控磨床的运动系统设计涉及到主轴、工作台、滑台和滚动导轨等组件。
主轴是精密数控磨床的核心组件，其设计应尽量减小热变形和振动，同时采用高精度轴承和调速装置，以实现高速精密加工。
工作台和滑台的设计应具备高刚性和高精度的移动性能，同时还应考虑到刀具的装夹和刀具调整机构的设计。
3.控制系统设计：精密数控磨床的控制系统设计主要包括数控系统和调速系统。
数控系统是实现磨床自动加工的关键部分，其设计应考虑到加工精度和效率，并配备高性能的数控器和运动控制卡。
调速系统是确保主轴转速的稳定和平稳的关键部分，其设计应考虑到加工要求和切削情况，同时配备合适的速度调节器和多级变速机构。
4.安全保护设计：精密数控磨床在加工过程中存在着刀具的高速旋转、大量的金属屑飞溅以及高温、高压等危险因素。
为了保证操作人员的安全，需要设计合理的安全保护装置，如防护罩、急停开关、漏电保护器等，以及有效的排风系统和冷却系统，以提供良好的工作环境。
5.效能指标设计：精密数控磨床的效能指标设计包括加工精度、加工效率和设备稳定性等方面。
加工精度应符合国家标准和产品要求，加工效率应考虑到切削力和热变形等因素，并平衡加工速度和加工质量。
设备稳定性应考虑到各个系统的相互协调和稳定性，以保证设备在长时间高强度工作中的可靠性和稳定性。
精密卧式加工中心典型结构的分析
精密卧式加工中心典型结构的分析摘要：随着工业技术的不断发展，以及各行各业对精密卧式加工中心的不断需求，对精密卧式加工中心的结构也提出了更高的要求。
文中总结分析了精密卧式加工中心的结典型构。
关键词：卧式加工中心；典型结构卧式加工中心通常具有X、Y、Z、B四个坐标轴，配有可进行回转运动的方形或圆形工作台，工作台通常设计为双交换形式，在对加工区零件进行加工的同时，还可以对位于前工位的零件进行装卸，具有辅助时间短、加工效率高等特点，适合加工各类箱体类零件。
卧式加工中心的分类方法多种多样，按主轴箱分：主轴箱侧挂，主轴箱正挂；按立柱分：动立柱，固定立柱；按机床床身形状分：正T，倒T；按进给轴分：Z轴工作台进给，Z轴立柱进给，Z轴滑枕进给。
多种卧加结构形式，哪种结构最先进，哪种最有优势，往往众说纷纭。
本文仅从进给轴分类来论述几种典型卧加结构的优缺点。
1.精密卧式加工中心组成部分精密卧式加工中心的组成类似于普通卧式加工中心，其主轴是水平设置的。
一般有3～5个坐标轴，常配有一个回转轴（如回转工作台，即B轴）和一个摆动轴（如摆头，即A轴），广泛应用于汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等箱体类零件的加工。
五轴精密卧式加工中心，在回转工作台上装夹一次工件，即可对箱体顶面和四个侧面进行铣、镗、钻等加工，能够保证较高的尺寸和位置精度，也可作联动加工复杂的空间曲面，如机翼副翼等。
精密卧式加工中心的结构主要由以下几个部分组成。
（1）支撑件卧式加工中心的支撑件主要是床身、底座、立柱、横梁、工作台、箱体等尺寸和重量较大的零件，通常也称为机床关键件，是机床的基础件。
其主要功用是支撑和联接其他零部件，承受部件及工件的重量、切削力、摩擦力、夹紧力等静、动载荷，并保持各部件之间具有正确的相互位置和相对运动关系，因此须有足够的刚度，从而保证机床的加工精度和表面质量。
（2）主轴组件主轴组件主要由主轴、主轴支撑及安装在主轴上的传动件组成。
主轴组件应能长期稳定地保持所需要的工作精度，要有足够的刚度、较高的抗震能力、良好的热稳定性，同时主轴组件还要有较强的耐磨性。
第四章 精密机械系统的设计
第四章精密机械系统的设计考点第一节精密机械系统现代设计方法第二节仪器的支承件设计一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求：结构特点：1）结构尺寸较大；2）结构比较复杂设计要求：1）具有足够的刚度，力变形要小；2）稳定性好，内应力变形小；3）热变形小：（1）严格控制工作环境温度；（2）控制仪器内的热源；（3）采取温度补偿措施；4）有良好的抗振性: (1) 减轻重量，提高固有频率; (2) 合理的结构设计，提高静刚度; (3) 减小内部振源影响; (4) 采取隔振措施二、基座与立柱等支承件的结构设计(一) 刚度设计:（1）有限元分析法;（2）仿真分析法(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；右图为横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较：（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度；右图为肋的布置形式：（3）正确的结构布局，减小力变形；（4）良好的结构工艺性，减小应力变形；（5）合理地选择材料；花岗石的优点：稳定性好；加工简便；温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数小；吸振性好；不导电，不磁化，抗电磁影响性能好；维护保养方便；缺点脆性大第三节仪器的导轨及设计一、导轨的功用与分类导轨的基本功用：传递精密直线运动按导轨面间摩擦性质可分为：滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨、弹性摩擦导轨二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精度导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。
对一副导轨来说直线度是非常重要的精度指标，取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。
（1）几何精度：直线度、平行度、垂直度；（2）接触精度：减小表面粗糙度（二）导轨运动的平稳性爬行现象：在均匀驱动指令下，导轨运动台出现的一快一慢、一跳一停的现象产生原因：导轨间的动、静摩擦因数差值较大；动摩擦系数随速度变化；系统刚度差解决办法：降低临界速度，即减小动、静摩擦力之差（三）刚度要求自重变形、局部变形、接触变形（四）耐磨性要求耐磨性与摩擦性质、导轨材料、表面处理工艺、加工工艺和受力情况有关三、导轨设计应遵守的原理和准则（一）运动学原理：保证确定方向的自由度，燕尾形导轨没有多余自由度（二）弹性平均效应原理：提高导轨的承载能力和导向精度（三）导向导轨与压紧导轨分立原则：保证通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度四、滑动摩擦导轨及设计滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨优点:结构简单、制造容易、接触刚度大；缺点:摩擦阻力大、磨损快、易产生爬行现象（一）滑动摩擦导轨的截面形状（右图所示）（1）V形导轨：导向精度随顶角而异，顶角越小，导向精度越高；承载能力低，制造检修困难（2）矩形导轨：承载能力大，加工检修方便（3）圆柱形导轨：制造简单，对温度变化敏感，适用于小型仪器的立柱等地方（4）燕尾形导轨：尺寸紧凑，能承受倾覆力矩，制造检修复杂，加工难度高，适用于受力小、多层次、速度低的部件，可单独使用作为导向（二）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点（了解特殊的特性即可）（1）V 形和平面组合导轨：导向性好、平导轨制造简单、刚性好、应用较为广泛；缺点是导轨磨损不均匀，且牵引力的位置不在两导轨的中间（2）双V 形组合导轨：加工、检修比较困难，需要较高的技术及精密的基准研具进行精研（3）双矩形组合导轨：适用于承载较大的普通精度的设备（4）燕尾组合导轨：符合运动学原理，理论上只需要单导轨，考虑到磨损后间隙的调节，常组合使用（5）双圆柱导轨：工艺性好，导向精度低，对温度变化敏感，适用于只承载轴向力的场合导轨主要尺寸的确定：（1）导轨宽度确定（B=W/PL，L运动导轨的长度、W载荷、P压强）；（2）V型导轨的角度（90°最佳）；（3）两条导轨的间距L A（在保证运动件稳定工作的前提下，尽可能取小值）；（4）运动导轨的长度（L=1.2-1.8L A长导轨有利于改善导向精度和工作的可靠性）五、滚动摩擦导轨及设计滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，广泛应用（点或线接触，抗振性差，接触应力大）（一）滚动导轨的结构形式及其特点滚动导轨按不同的滚动体可分为：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等（1）滚珠导轨1）双V形滚珠导轨：运动灵敏度较高，能承受不大的倾覆力矩2) 双圆弧滚珠导轨：计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪用等）使用；接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、寿命长3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨：优点是运动精度和灵活性较高，维修方便；缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器上（如掩膜检查显微镜工作台）4）V 形-平面滚珠导轨：加工和装配都方便；缺点是左右两排滚珠中心，运动速度不一致万能工具显微镜19JA 就采用该型滚珠导轨（2）滚柱（针）导轨1）滚动与滑动摩擦导轨的组合应用：滚动轴承导轨摩擦力小，运动灵活，用做导向2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合：形状简单，加工容易3）滚柱和滚珠导轨的组合：灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承载大的优点，滚珠直径比滚柱大4）滚柱与长圆柱轴导轨组合：轻载部件中使用（3）滚动轴承导轨滚动轴承不仅起着滚动体的作用，而且本身就是一种导轨。
精密机械机架设计及典型结构解析
现代机床向超高精、高速方向发展，对基础 件性能提出了更高的要求。
新型材料：花岗岩复合材料
花岗岩安装平台
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组合机座
花岗岩
用于机座材料的突出优势： 机座
●缓冲、消能性能良好 ●无内应力，温度敏感度低，稳定性好； ●具有绝缘特性，抗电磁干扰能力强； ●工艺成熟，具有良好加工工艺性； ●耐酸、碱、盐、氧化等腐蚀，易保养； ●价格便宜，性价比高； ●绿色制造，低碳环保。
在导轨之间放置滚珠、滚柱等滚动体， 使导轨运动转变为滚动摩擦。
物场分析原理：增加或改变中介（场），因此获 得设备新功能或性能提升。
滚 珠
增加场：滚动体、高压液、高压气
类
滚 柱 类
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滚动导轨优点：
●摩擦系数小，动与静摩擦系数接近； ●运动灵敏轻便，移动、定位精度高； ●低速、重载时不易出现“爬行”现象； ●钢制淬硬导轨耐磨性好，精度保持性好； ●对温度变化的敏感性较低； ●高速运动时无动压效应; ●润滑简单，维修方便。
支承设备整体的基础部件，也是设备中各个 部件、总成的安装基础。
●承受设备自重和各类工作荷载 ●为运动部件提供导向、基准 ●保证各部件之间的相对位置 ●吸收或减轻设备运行中的振动、冲击
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机座与机架结构、工艺差异：
基座：用于重型、高精密、承受大荷载或 冲击荷载等设备，具有承载、运动导向等综合 功能。采取整体成形工艺或部分成形组装固化 工艺，常用铸铁、铸钢制作。
结构相对紧凑，制造容易，成本较低。
由于导轨面和滚珠接触面积小，故运动轻 便灵活，但刚度低，承载能力差；经常工作部 分容易压出沟槽。
滚珠导轨用于载荷不大，重心在两条导轨 之间，行程较小，灵敏度要求较高的场合。
精密机械水平及垂直旋转支承结构设计
（4）温敏性计算 系统环境温度的变化将 导致支承间隙的变化，其变 化量为：
ΔX
X d孔[1 ak (t t0 ) d轴[1 az (t t0 )]
●轴承与轴颈材料相同时有利于减小温度对 结构性能的影响
●从相对摩擦特性的角度考虑，轴承与轴颈 应采用两类不同的材料
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加工机床类垂直旋转支撑结构：
立式铣床主轴、立式车床工作台、龙门
铣床升降丝杠和立铣头等常用设备。。
立 式 车 床
龙门铣床
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填入滚动体垂直支承结构小结：
类似滚珠丝杠、水平支持结构设计特征， 选用时应综合优劣两方面的特性。 ●根据运行速度、荷载大小的差异，选择不同 的滚动体植入； ●适用转速、功率（承载）范围大 ●过定位多点支撑 ●采取合理措施，控制定向、置中精度 ●突出专业制造提高结构性价比
3.轴向铅垂布置结构设计 为保证尺寸紧凑和较高的精度，精密 机械结构中多采用滑动轴承。 常见铅垂布置：
风 力 发 电 机
●圆锥面支承 ●球端面支承 ●顶针、刃口等支承 ●填入滚动体（球体）
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回 转 工 作 台
铅垂布置滚动轴承结构：
典型结构——滚动体支持
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（1）圆锥支持结构设计
如图所示圆锥面支承结构，具有定向、 置中双项功能，但旋转阻力大。
1）辅助平面支承（A面） 水平面接触，降 N N 低圆锥面正压力，提 高定向回转稳定性，一定程度减小摩擦阻力。
问题思考：
●如何获取预期效果？ ●磨损后能否自动补偿？
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Q 2）辅助球面支承（B面）
球面支持接触面小， 摩擦阻力矩小，但磨损 问题仍然存在。
第四章 精密机械系统的设计
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④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
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（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。
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三点定位的运动学原则
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（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。
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（三）导向导轨与压紧导轨分立原则
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四、滑动摩擦导轨及设计
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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：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。 导轨的截面形状及其特点见表4-3。
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（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
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（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
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（三）滚动摩擦导轨的结构尺寸 1、运动导轨的长度Ld： 2、滚动体的尺寸和数量： 3、导轨的强度与刚度计算：
（二）导轨的平稳性
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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
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（三）刚度要求
导轨受力会产生变形 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。
阐述精密加工机床的结构设计
阐述精密加工机床的结构设计随着工业技术的蓬勃发展，超精密加工机床其合理性和优越性变得尤为重要。
普通加工机床很难满足国内汽车、航空航天行业的发展需求，需要在已有经验和使用情况的基础上进行超精密机床的设计。
复合加工技术受到更多的青睐，通过参考国内外一些资料研究超精密设备的关键技术及具有自主知识产权的先进精密数控技术。
从结构设计角度阐述了超精密加工机床设计采取的基本结构，设计开发一种简单经济适用的超精密机床来满足市场需求。
一.超精密加工机床设计概括超精密机床属于复合机床的一类，其结构设计基本思想越来越受到人们的重视。
需要满足一次装夹完成车削加工和内、外圆的磨削加工，因此结构上需要尽可能地提高刚度。
为减少设备价格昂贵所花费的费用，结构要简单。
该机床车刀架和磨刀架安装于中拖板两端并由伺服电机驱动中拖板做横向直线运动，因此床身形状要简单、质量要大、固有振动频率要低。
（1）精密导轨是超精密机床的直线性基准，床头箱内主轴转速大小由数控系统控制，定位精度要很高。
主电机组件再连接床头箱内主轴、纵向伺服电机与横向伺服电机，运动平稳、动作灵活、直线运动时绝对没有爬行等不连续动作，能够一次装夹完成车削和磨削加工。
在实际应用中有与使用条件相适应的刚度，由数控操作箱控制启动电动车刀架根据编好的程序进行车削加工，定位方式应采用闭式控制方式在一定程度上减小的启动扭矩和摩擦力。
（2）由纵向伺服电机驱动纵向滚珠丝杆转动从而带动大拖板做纵向运动，进给的分辨率要高、高速运动时发热量要少、同时床身上需设有相对床身能实现纵向运动的大拖板及纵向滚珠丝杆。
采用内装式同轴电动机带动，未使用的电动磨刀架停在中拖板的另一端不影响车削加工的进行。
降低因主轴运动过程中产生的误差、振动等对加工精度的影响，横向伺服电机驱动横向滚珠丝杆转动从而带动中拖板做横向运动实现了机床纵向进给运动。
根据机床的性能不同采取不同形式的数控系统，连接至数控操作箱，并通过数控操作箱设置或控制加工过程。
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机座类
大型机床 基座
铸铝机座 型材 包装 机械
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卧式车床
（3）机座（机架）设计基本要求 ①精度要求 保证关键表面的尺寸、形状、位置精度；以 及对有相对运动的表面有较高的表面质量要求。 例如：机座上的导轨、重要部件安装面等 ②刚度要求 设备在额定荷载内运行时，保证系统变形量 在允许范围内。(精密机械设计的首选依据)
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各种筋板的布置形式比较：
如图(a)，(b)和(c)都是方格式纵横筋，其中 (c)比(b)的铸造性能好。 截面(c)用于中小型、筋板厚度较小的场合， 各筋条受力状况好，交叉处金属聚集较少，材料分 布均匀，内应力小。
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常用六种斜筋板的布置分析： ●(d)、(e)是三角形和菱形筋，刚度较好， 铸造工艺相对简单；
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2.机座、机架典型结构 （1）箱梁板类机座
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（2）立柱类支承构件
为保证立柱刚性和稳定性，多用 整体铸造(铸铁或铸钢)。 钢板分体焊接存在 较大的内应力，通常不 用于机床机座。
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落地数控车床机座
（3）组装机座 由于设备承载的复 杂性，机座构造一般由 若干承载构件组成，组 装后固化成一体。
花岗岩安装平台
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组合机座
用于机座材料的突出优势： ●缓冲、消能性能良好
花岗岩 机座
●无内应力，温度敏感度低，稳定性好； ●具有绝缘特性，抗电磁干扰能力强；
●工艺成熟，具有良好加工工艺性；
●耐酸、碱、盐、氧化等腐蚀，易保养； ●价格便宜，性价比高； ●绿色制造，低碳环保。
花岗岩 机座
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（4）机架构造及工艺
设备重量轻、整体尺寸小、工作荷载轻时， 机座可制成机架形式。由各类型材、薄钢板焊 接、铆等工艺连接而成。
重载焊接机架
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铝合金机架： 工作荷载较小的室内办公设备、小型工作 机等，常采用美观轻便的铝合金机架。 连接工艺：铆接、焊接、螺栓连接
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3.机座筋板的合理布置 为加强机架空心截面构件刚度，应根据需 要设置一定厚度的加强筋，矩形截面典型布筋 形式如下图。 由构件主要荷载承载方向确定类型及尺寸。
基座：用于重型、高精密、承受大荷载或 冲击荷载等设备，具有承载、运动导向等综合 功能。采取整体成形工艺或部分成形组装固化 工艺，常用铸铁、铸钢制作。 机架：用于轻型、小荷载设备，主要用作 部件定位、支承；多用各类型材制作，如槽钢、 角铁、铝合金型材等；采用焊、铆、螺栓等连 接方式。
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（2）基座与支承件的特点 ①尺寸较大 ②结构相对复杂 ③整体或分离制造 机架类
上次课程主要内容
1. 直线导轨的分类及应用
●滑动 ●滚动 ●静压（气、液） ●力封式（开式）●自封式（闭式） 2. 滑动直线导轨设计的主要内容 ●六项基本要求及评价参数 ●结构设计：导轨截面、导轨组合 ●承导件、运动件材料及工艺
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5. 滚动导轨设计 滚珠直线导轨 圆柱滚子导轨 （1）滚动导轨的特点
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§6.3 机座与机架设计及典型结构
1.机座与机架的作用及特点
（1）机座与机架的作用 支承设备整体的基础部件，也是设备中各个 部件、总成的安装基础。 ●承受设备自重和各类工作荷载 ●为运动部件提供导向、基准 ●保证各部件之间的相对位置 ●吸收或减轻设备运行中的振动、冲击
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机座与机架结构、工艺差异：
腰鼓形有利于改善扭曲度。
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（3）滚动体直线导轨材料及工艺 1）导轨材料及工艺 工具钢：淬硬钢、GCr15等 主要工艺措施：●消除内应力 ●表面及安装面精磨 ●表面硬化处理
2）滚动体材料及工艺 过共析珠光体类钢，如GCr6、GCr9、GCrl5、 GCrl5SiMn等 主要工艺措施：较长时间髙温扩散退 火，消除 或降低碳化物液析级别。 坯料→粗磨→清理→精磨→抛光
在导轨之间放置滚珠、滚柱等滚动体， 使导轨运动转变为滚动摩擦。
物场分析原理：增加或改变中介（场），因此获 滚 得设备新功能或性能提升。 珠 类 增加场：滚动体、高压液、高压气
滚 柱 类
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滚动导轨优点：
●摩擦系数小，动与静摩擦系数接近； ●运动灵敏轻便，移动、定位精度高；
●低速、重载时不易出现“爬行”现象；
思考题：
P247：11
目前用于机座的常用材料有哪些？简
述花岗岩符合材料用于机座制造的优越性。
思考题
●钢制淬硬导轨耐磨性好，精度保持性好； ●对温度变化的敏感性较低； ●高速运动时无动压效应; ●润滑
●点接触或线接触，抗振差，接触应力大； ●导轨表面硬度、精度、滚动体精度要求高
●结构复杂，制造困难，成本较高
●对脏物敏感，必须有良好的防护装置
钢导轨表面点蚀与条状磨损
龙门刨 机座
立 车 机 座
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机座构造相关结论：
①相同横截面积，采用空心截面的构件惯性矩 大。可适当加大横截面轮廓尺寸，减小构件壁 厚，获得大刚度、小质量构件。
②圆形空心截面能提高抗弯和抗扭刚度； ③横截面为不封闭形式时，构件抗扭刚度极差。 在机座设计，不论梁或柱、整体或组装， 构件皆应采用空心截面；横截面以圆形、矩形 等封闭对称形式最佳。
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（2）滚动导轨的结构形式 1）滚珠导轨 滚动体为球状，导向面常设计为夹角90度 的V形槽，力封式结构。
结构相对紧凑，制造容易，成本较低。
由于导轨面和滚珠接触面积小，故运动轻 便灵活，但刚度低，承载能力差；经常工作部 分容易压出沟槽。 滚珠导轨用于载荷不大，重心在两条导轨 之间，行程较小，灵敏度要求较高的场合。
刚度重要评价指标：动刚度 K 2K 2K 0
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K—静刚度；ζ —阻尼比；δ —阻尼系数；ω 0——固有频率
③抗振性要求
承受受迫振动的能力。 设备内部和外界都存在不同强度的振源，将 引发整体或局部摆动、弯曲、扭转等形式的振动。
措施：高静刚度、高阻尼、减重量、隔振措施 ④其他要求 ●抵抗热变形：热变形、相对热变形 ●结构稳定性：构件内应力 ●工艺性：便于制造、维护、储运等 ●经济性：性能价格比
●(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚 度较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂， 但铸造泥芯多，工艺复杂。
●(g)、(h)形筋铸造工艺也较 复杂，但构件整体刚度很好。
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4.人造花岗岩机座
加工机床、重型冲击荷载设备需要稳定的基 础，传统机座材料主要有铸铁、铸钢、钢板。
现代机床向超高精、高速方向发展，对基础 件性能提出了更高的要求。 新型材料：花岗岩复合材料
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2）滚柱导轨 滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，因此 它的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，耐磨性较 好，但灵活性相对稍差。
关键问题：滚柱对导轨平行度(扭曲)要求高
当滚柱轴线与导轨面存在微量不平行，即能 引起滚柱偏移和侧滑。
后果：导轨阻力增加、磨损加快、精度降低 措施：滚柱中段直径比两端大0.02mm左右，形成