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。

主要特点：摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便，常用于大型仪器，如万工显、三坐标测量机及测长仪。

需要注意的是它与标准轴承不同，其外环旋转，内环固定，外环既做承载又做导向，所以外环比标准滚动轴承厚，而且精度高
六、静压导轨及设计要点
静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦
静压导轨的特点：摩擦系数极低，故没有爬行，不产生磨损，寿命长，驱动功率小精度高
导轨的承载能力较大，刚度好，抗振性好，结构复杂, 成本高，需要专门供油和供气设备
（一）液体静压导轨
导轨上有油腔，动导轨与工作台浮起，油膜厚度基本保持不变，导轨具有较高的运动精度
按导轨形式分为开式和闭式，按导轨形状分为件矩形、圆形和三角形等开式液体静压导轨工作原理如右图
（1）开式液体静压导轨的特点：
①能较好的承受垂直载荷；
②结构简单，便于加工和调整；
③节流器常采用毛细管式和单面薄膜反馈式
（2）闭式液体静压导轨的特点：
①承受载荷能力强；
②运动精度比开式的好，动态性能也较好；③结构比较复杂，加工和装调比较麻烦
（3）油腔形状、数目及位置如右图
（二）空气静压导轨
（1）空气静压导轨的工作原理：空气静压导轨有气垫，当压缩
空气引入后，由于压缩空气的静压力而使动导轨及工作台浮起
（2）结构形式及其特点：
1）闭式平面导轨型：导轨精度高，刚性大，承载能力大，
适于精密机械的长行程导轨
2）闭式圆柱或矩形导轨型：结构简单，不适用做长导轨，
可用高精度、高稳定性的短行程工作台的导轨
3) 开式重量平衡型: : 工作台重量（包括负载）与空气静压
相平衡保持一定间隙的一种形式，其结构简单、零件加工也比较容易，但刚度小，承载能力低
4) 开式真空吸附平衡型: : 其结构与重量平衡型相同。

由真空泵
的真空压力来限制工作台的浮起量，因此可以减少工作台浮起间隙量，甚至可以减少到1μm，故可提高刚度
（3）提高气浮导轨的承载能力（性能）的方法：1）采用闭式结构；2）增大空气压力；3) 减小浮起间隙；4) 载荷补偿；5) 提高阻尼力，
增加刚度
（4）气体静压导轨的特点：工作平稳、可靠；运动精度高；无磨损、
无爬行；承载力较低，导轨刚度较差；需要一套清洁稳定的压缩空
气源
七、设计时导轨选择要点
（一）导轨形式的选择: (二)标准导轨的选用：
当前市场上导轨产品很多，主要有THK公司、NB公
司、HIWI公司、SBC公司、SNK公司等品牌的产品。

这些品牌主要有直线运动导轨、交叉滚子导轨等。

（掌握标准导轨的选用）
第四节主轴系统及设计
一、主轴系统设计的基本要求
（一）主轴回转精度
（1）主轴回转精度是指该主轴轴系的误差运动的大小（回转轴线、轴线平均线、轴系的误差运动）
（2）轴系的误差运动分为：径向误差运动、轴向误差运动、倾角误差运动、端面误差运动
（3）主轴系统回转误差（误差运动）的评定方法：以圆图像求中心的方法作为评定中心，其概念与圆度测量的四种评定中心是一致的，即最小区域中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外心切圆中心
（4）造成主轴回转误差的主要原因：主轴和轴承加工的尺寸误差、形状误差及主轴和轴承的装配误差、主轴系统的刚度、润滑和阻尼现象
（二）主轴系统的刚度
提高主轴刚性的措施：加大主轴直径、合理选择支承跨距、缩短主轴悬伸长度、提高轴承刚度
（三）主轴系统的振动：（1）用橡胶联接传动；（2）用金属弹性元件联接传动；（3）用直流电机直接传动
（四）主轴系统的热稳定性提高主轴系统热稳定性可采取如下措施：（1）正确选择和设计轴系；（2）合理选择推力支承位置；（3）减小热源影响；（4）采用热补偿措施
（五）合理地设计结构，减小力变形
（六）主轴系统的寿命
二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计（要求画简图分析）
（一）圆柱形轴承轴系（二）半运动式圆柱形轴承轴系
特点：结构简单，承载能力大，精度不高，摩擦力矩大应用十分广泛的经纬仪轴系的典型结构
特点：精度高，摩擦力矩小，加工难度大
（三）锥形滑动轴承：定心精度高，磨损后可补偿；对温度变化敏感，加
工复杂；0.2μm回转精度
（四）V 形弧滑动轴承轴系：润滑油液中，因而使双周晃动油团无法沿
圆周运动而被破坏；消除了双周晃动误差，精度高，精度可以达到
0.035μm；应用度盘检测仪已成功地应用在度盘检查仪、码盘光电检验
仪、圆分度光电检验仪和圆刻划机等低恒速转动仪器上
三、滚动摩擦轴系及设计
（一）标准系滚动轴承轴系
结构简单；制造安装维修方便；回转精度（可达2μm ）
结论：前轴承内环精度对主轴精度影响大，后轴承内环影响小；
后轴承的精度可以选择得低些，通常比前轴承的精度可低一级
（右图为前后轴承偏心量对主轴部回转精度的影响）
（二）单列滚动轴承轴系
（1）结构特点：结构简单，装调方便，精度较高；顶尖与主轴中心重合
（2）主要参数：滚珠直径、滚珠个数、滚珠误差
1）滚珠直径：在满足精度基础上，不影响灵活性条件下考虑结构紧凑，采用小滚珠。

轴向：考虑承载载荷；径向：考虑精度的影响滚珠直径；2）滚珠径向误差、滚珠轴向误差；3）滚珠个数
（3）应用：结构简单；制造安装维修方便；具有较高的回转精度（可达0.1μm ）；在小型、低速轻载仪器中获广泛应用
（三）密珠轴承轴系（如右图示）（重要）
（1）特点：1）滚珠的过盈配合均化了和轴套、主轴间的误差；2）滚珠的密集分
布近似于多头螺旋线排列，每个滚珠公转时沿着自己的滚道滚动，互不重复，减
小了滚道磨损，使轴承的精度得以长期保持
（2）应用：成本低、使用方便、寿命长、精度较低、承载能力小（适用于轻载低
速小型仪器）、径向回转精度0.1微米
（3）密珠轴承设计要点：滚珠的密集度、滚珠的排列方式、过盈量的确定（过盈
量与轴和套的尺寸、零件的加工误差、轴承承受的载荷等因素有关，一般取1.5-
12μm）
四、气体静压轴承轴系结构及设计
（一）空气静压轴承轴系的典型结构
（1）圆柱型空气静压轴承轴系（如右图示）
气体静压轴承是以一定恒压的净化空气充满轴承套与轴之间，并以其为润滑介质
构成的轴承。

1）由于空气粘性极小，因此几乎没有摩擦力矩，旋转灵活，无磨损，工作中不用
维修调整，具有可以在特殊环境下使用的优点
2）由于气膜对轴承零件的加工误差有平均作用，构成轴系后的回转精度可比轴承
副零件精度有很大提高
3）目前空气静压轴承的回转精度已高达0.01μm，常用作为高精度仪器的轴承
（2）圆球与圆柱混合型空气静压轴承轴系
获得美国专利的混合型空气静压轴承轴系
回转精度0.038μm、轴向刚度82N/ μm; 径向刚度25N/ μm
五、液体静压轴承轴系及设计
特点：1）形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率小；2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛；3）回转精度较高，可达0.05μm，由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度；4）抗振性好于气体静压轴承；5）需要一套高质量的供油系统，不仅系统复杂化而且成本也较高
六、动压轴承轴系结构
（1）获得动压的条件：有斜楔、转速均匀、转动方向固定、有润滑
（2）特点：回转精度高，可达0.025μm；承载能力较大；刚性较好；动态情况下无磨损，寿命长；制造使用和维修都比较方便，结构比液体静压简单，不需要油泵站；起动时主轴和轴承刚性接触，有磨损，低速大载荷油膜难以建立；主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转
第五节微调与微位移机构及设计
微调机构使仪器某一部件在小范围内进行缓慢而平稳地微量移动，获将其调整到所需要的精确位置
微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高级的技术，其精度要达到亚微米和纳米级。

应用微位移技术的系统称
（一）机械式微调机构：杠杆、凸轮、楔块、级螺旋等，达到微米或亚微米量级
（二）光学机械式微调机构：螺旋-光楔，机械-莫尔条纹，机械-光干涉技术等，达到亚微米级或更高
一、典型的微位移机构（掌握2~3种即可）
（1）柔性支承一压电器件驱动：柔性支承无间隙、无摩擦、不发热压电驱动精度高、无噪声、不受温度和电磁场影响、体积小、不老化，因而很容易实现0.1～0.001μm的微位移
（2）平行片簧导轨一压电器件驱动：微工作台用平行片簧导向；无间隙、无摩擦、精度高、0.01μm 位移分辨力（3）滚动导轨一压电器件驱动：运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高、行程±9.5μm、定位精度±0.04 μm（自动分布重复光刻机）
（4）平行片簧导轨一步进电机及机械式位移缩小机构驱：1/50缩小比、行程±50μm、分辨力0.05 μm、精度±0.5μm 用途：半导体制造中，光学掩模二维移动机构
（5）平行弹簧导轨一电磁位移器驱动：行程力较大、分辨力0.01 μm、精度±0.2μm
（6）气浮导轨一步进电机及摩擦传动:;±0.1 μm 定位精度、分布重复照相机上使用
（7）二维X-Y双向微位移工作台
二、微驱动器件
（1）压电及电致伸缩器件：在微位移器件中，压电及电致伸缩器是应用逆压电效应或电致伸缩效应工作的，即电介质在外电场作用下产生应变
1）压电器件：压电微位移器件是用逆压电效应工作的，广泛用于激光稳频、精密工作台微移动、精密加工微进给及微调等。

对压电器件要求其具有压电灵敏度高、行程大、线性好、稳定性好和重复性好等。

主要缺点变形量小
2）电致伸缩器件：利用相对较低的电压获得较大的位移驱动，如施加100～500V 的电压，获得几十微米的应变量（2）电磁驱动器：利用用电磁力来驱动微工作台。

微工作台可用平行片簧导轨导向，也可用金属丝悬挂导向。

电磁式驱动器位移分辨力约0.1μm，最大初始间隙800μm左右，线性范围士100μm。

电磁微驱动器方法简单，驱动范围大，但线圈通电流后易发热，易受电磁干扰
三、微位移机构的支撑和导轨
（1）片簧支撑：
特点：无机械摩擦、无间隙、运动灵活，灵敏度高; 适用于位移范围小且空间尺寸无严格要求的场所
（2）柔性铰链：由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙柔性铰链
特点：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高
柔性铰链的类型：（1）单轴柔性铰链；（2）双轴柔性铰链
五、精密微动工作台设计要点
（1）设计要求
1）支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙
2）具有高的位移分辨力及高的定位精度和重复性精度
3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好
4）具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力
5）工作台最好采用直接驱动
6）系统响应速度要快，便于控制
（2）导轨形式的选择
1）弹性导轨：包括平行片簧导轨和柔性支承导轨，无机械摩擦，无磨损，动、静摩擦系数差很小，几乎无爬行，又无间隙，不发热，可达到很高的分辨率，是高精度微动工作台常用的导轨形式，但它们行程小，只适合用于微位移2) 空气静压导轨：在移动需要大行程，分辨力达到亚微米的情况下，可用空气静压导轨，这种导轨导向精度高，无机械摩擦、无磨损、无爬行，又具有减震作用，但成本较高；3) 液体静压导轨4) 滑动摩擦导轨/滚动摩擦导轨5) 组合式导轨：大行程时用步进电动机以机械减速机构推动工作台在空气静压导轨上运动，而微位移时用压电器件推动工作台以弹性导轨导向运动
（3）微动工作台的驱动选择
1）电机驱动与机械位移缩小装置：定位精度低于0.1μm。

适于大行程，中等精度微位移场合。

2）电热式和电磁式机构：易受电磁干扰，难以达到高精度，一般为0.1μm左右，行程较大，可达数百微米。