第4章 精密机械系统的设计

1）稳定性好，花岗石经过了几百万年的天 然时效处理，内应力早已消除，几乎不变 形，稳定性极好。2）加工简便，采用研 磨、抛光会得到很高的精度和好的表面粗糙 度，加工工艺简便，其耐磨性比铸铁高5～ 10倍。 3）温度稳定性好，导热系数和线膨 胀系数均很小，在室内温度缓慢变化情况 下，产生的变形比钢小得多，约为铸铁的 1／2。4）吸振性好，内阻尼系数比钢大15 倍，不传递振动。 5）不导电，不磁化，抗 电磁影响性能好。6）维护保养方便，能抵 抗酸碱气体和溶液腐蚀，不用涂任何防锈油 脂。7）价格便宜。
第一节 仪器的支承件设计
仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。它起着联接和支承仪器 的机、光、电等各部分零件和部件的作用。基座和立柱的力变形和温度变形将 直接影响测量精度。 本节重点研究基座和立柱的设计要求和结构设计问题。
一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求
1) 支承件的结构特点和设计要求
但其脆性大，不能承受大 的冲击、撞击和敲打。
表4-2基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度
质量/kg <5 6～10 11～60 61～100 110～500 510 800 510～800 810～1200 外形尺寸/mm 300 500 750 1250 1700 2500 3000 壁厚/mm 7 8 10 12 14 16 18 肋板厚/mm 6 7 8 10 12 14 16 肋条厚/mm 5 5 6 8 8 10 12
缺点
第二节
导轨的功用： 导轨的功用：
仪器的导轨及设计
一、导轨的功用与分类
导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位 置精度的作用。其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。 动导轨上有工作台或拖板（滑板）、头架、尾座及其它夹持部件、测量装置 等。静导轨一般与仪器基座、立柱、横梁等支承件连接在一起或者做成一体。
k --传动件刚度 F ---静动摩擦力之差
2、运动的平 、 稳性
经推导，不发生爬行的临界速度 V = F / 4πξ mk
ξ --阻尼比 m --从动件质量
导轨设计的 基本要求 3、刚度要 、 求
定义 1)自重 变形 2)局部 变形 3)接触 变形 导轨的 耐磨性 与摩擦 性质、 导轨材 料、加 工工艺 方法及 受力情 况有关
导轨种类： 导轨种类：
1）滑动摩擦导轨 两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。 滑动摩擦导轨 2）滚动导轨 动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。 滚动导轨 3）静压导轨 两导轨面间有压力油或压缩空气，由静压力使动导轨浮起形成 静压导轨 液体或气体摩擦。 4）弹性摩擦导轨 利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移。这种导轨 弹性摩擦导轨 仅有弹性材料内分子间的内摩擦。
主要内容
1）减少的办法有：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，如用螺钉或其它方法反变形。 2）局部变形发生在载荷集中的地方，如立柱与导轨接触部分。 3）接触变形是由于微观不平度造成实际接触面积仅是名义接触面积的很小一 部分。为了减少接触变形，可采用预加载荷的办法增加接触刚度，对于固定不 动的接触面，预加载荷一般大于活动件及其上部件的重力与外载荷的和；对于 活动的接触面，预加载荷一般等于活动件及其上工件的重力和 。 ①滑动摩擦导轨与导轨面间的比压有关， 一般要求比压不大于0.04。 可采用 卸荷结构导轨。 ②良好的润滑，也可增加耐磨性。 ③从导轨副的配合上选择，使静导轨硬度为动导轨硬度的1.1—1.2倍。 常用以 下不同硬度材料配合：铸铁—铸铁导轨、铸铁—淬硬铸铁导轨、铸铁—淬硬钢 导轨、铜合金—钢导轨、塑料导轨（聚四氟乙烯）—铸铁导轨，有较好的抗振 性和耐磨性，且温度适应性广（-200～+280℃），摩擦系数小。 ④从材料和热处理工艺上选择 ▼HT200～HT400铸铁高频淬火，淬火后硬度可达48～53HRC； ▼ “镶钢导轨”耐磨性比铸铁导轨高5～10倍。40Cr、T8、T10、GCrl5、 20Cr、20CrMnTi ▼镶塑料导轨具有摩擦系数小、耐磨性好、工艺简单、成本低等优点。对于润 滑不良或无法润滑的垂直导轨以及要求重复定位精度高，微进给移动无爬行 现象的情况下采用此种导轨最为适当
弹性平均效应原 理
导轨设计应遵守的 原理和原则
定义
图示 图4—14
导向导轨与压紧导 在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为 导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通 轨分立原则 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。优点是结构简单、制造容易、 接触刚度大。缺点是摩擦阻力大、磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速度时， 易产生爬行。
图d与图b为三角形肋， 不仅刚度较好，工艺也较 简单
图f、图g、图h则铸造工 艺比较复杂，而且铸造泥 芯很多，但刚度很好。
表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施
名 代号 称 灰 HTl50 口 HT200 铸 HT250 铁 抗拉强度 优点 灰口铸铁成本 低，并有良好 的减振和减磨 作用，良好的 流动性和切削 加工性能 球 墨 铸 铁 QT 40-17 QT 42-10 ≥400MPa 具有更高的抗 拉强度和弯曲 ≥420MPa 强度 塑性 较差 缺点 塑性 较差 消除内应力方法 退火热处理，即铸 造开箱后立即转入 100～200℃炉中， 随炉缓慢升温至 500～600℃，再 经4～8h保温，再 缓慢冷却。 为消除内应力可用 与HT铸铁相似的 应力退火
基座 立柱
2)仿真分析法： 对结构形状 复杂的支承件，可采用模型 仿真，虽然花费些物力和时 间，但得出的结果与实际比 较接近。
表4-1 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较
实心圆形 实心方形 空心圆形 空心方形 空心矩形
断面形状
抗弯惯性矩 （相对值） 抗扭惯性矩 （相对值）
1
1.04
5.04
3.21
第四章 精密机械系统的设计
在测控仪器中，精密机械系统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。随着精密测量与控制技术的飞速发展，对测控仪器中的 精密机械系统的功能和精度要求也越来越高。如对基座的变形要控制在亚微 米量级；对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1m；对导轨的直线度 要求达到0.1m/m；主轴的回转精度要求达到0.01m等。 本章在精密机械设计基础上，重点对系统精度和性能影响较大的机械结构 进行研究，如：基座、导轨、轴系及伺服系统进行等。 本章共分为五节： 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 第四节 伺服机械系统设计 第五节 微位移机构及设计
二、导轨设计的基本要求
导轨设计的 基本要求 1、导向精度 、 定义 动导轨运动 主要内容 1）导轨的几何精度—导轨的几何精度包括导轨在垂直平 轨迹的准确 面内与水平面内的直线度，导轨面间的平行度和导轨间 度，直线度。的垂直度。 2）接触精度—指动静导轨之间的微观不平度，它将影响 导轨的接触变形。因此要求接触面积大于80%。为此， 要有粗糙度指标。 对滑动摩擦导轨、动导轨 Ra = 0.2 0.8m ； 静导轨=0.1—0.4 对滚动摩擦导轨 R a ≤ 0 . 2 m 3）实际上因导轨引起的误差是很复杂的。以单轴方向导轨 为例：其存在扭摆（Raw）误差、俯仰 (Pitch) 误差和偏转 (Roll)误差，此外还有两维平行度(Straightness)误差、线性 （Linear）误差。 指导轨低速 运行时的爬 行。表现为 忽快忽慢。 “爬行”是一个复杂的现象，造成的主要原因有：① 导轨间 的静、动摩擦系数差值较大；② 动摩擦系数随速度变化； ③ 系统刚度差。
σb
150MPa 200MPa 250MPa
提高强度、硬度和 耐磨性方法 当铸件基座表面有 导轨时，应对导轨 面进行高频淬火或 接触电热表面淬火
即加热到860～ 900℃适当保温后， 迅速转至250～ 300℃的等温盐浴 中，等温处理30～ 90min，再取出进 行空冷。等温淬火 后其强度极限可达 1200～1500MPa， 硬度38～50HRC。
（一）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点
图4—14 导轨布置图 a）双V形导轨导向与压紧 b）万工显导轨布置图
名称 三角形 和平面 组合导 轨 双三角 形（V 形）组 合导轨
பைடு நூலகம்
优点
①三角形导轨的导向性 好，②平导轨制造简单、 刚性好。③受热变形后， 其配合状况不变。 ①双三角形同时起支撑 和导向，因此，能承受 一定的倾侧力矩。②磨 损较均匀使用寿命长。 ③能采用同时研磨两条 导轨的研具，④磨损后， 能自动补偿间隙 闭式双矩形导轨 ①导向面和压紧面都是 平面，制造和检验容 易。②摩擦系数低，承 载能力大，刚度高
7.33
1
0.88
5.04
1.27
0.28
表4-1-1各种肋条(板)的形状及其优缺点 矩形结构
其中图a、图c、图e
三角形肋
图b与图d
铸造肋
图f、图g、图h
图 示
优 缺 点
图a一般用于自重和载荷不大 的场合；图e与图c相比，图e 的结构更合理，不仅是受力 状况好，而且肋条交叉处金 属聚集较少，内应力小
名称
代号 Q215 Q235 Q255
抗拉强度 σ b 215MPa 235MPa 255MPa
优点
缺点
焊接支承件的抗拉、拉弯能 力受焊缝质量及焊接热影响 区影响，产生一定的残余内 应力，并还可能造成未焊透、 气泡、夹杂、焊接裂缝等缺 陷，从而使支承件承载能力 降低或产生形变。
钢 板
花 岗 石
泰 山 青
4、耐磨性 、 要求
三、导轨设计应遵守的原理和准则
导轨设计应遵守 的原理和原则 运动学原理 定义 运动学原理是把动导轨视为有确定 运动的刚体，设计是不允许有多余 的自由度和多余的约束，即只保留 确定运动方向的自由度。刚体运动 有六个自由度，即沿X、Y、Z轴移 动和绕X、Y、Z轴的转动 如滚动导轨，是在动导轨与静导轨 之间加上滚动体组成的。如果滚动 体个数很多，那么这些滚动体尺寸 不可能完全一致，当导轨装配施加 预载荷时，少数偏大的滚动体因受 力而产生弹性变形，因而工作台的 运动误差，将因导轨副的弹性平均 效应而得到平均，从而提高其承载 能力和导向精度 图示