第四章 精密机械系统的设计

LOGO
提高耐磨性的措施：
①增大导轨宽度可降低导轨比压，或卸载。 ②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。
LOGO
③合理的选择材料和热处理工艺 1）材料：固定导轨硬度比动导轨硬度高1.1～1.2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
LOGO
（2）消除夹紧力变形的方法 减少螺钉等紧固件的数量 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。
LOGO
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：①恒温室应长时间恒温 ②合理设计恒温室
LOGO
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
LOGO
（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。
LOGO
三点定位的运动学原则
LOGO
LOGO
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。
LOGO
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。
LOGO
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。
LOGO
（3）滚动轴承导轨： ①作用：起滚动体和 导轨的作用。 ②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：
LOGO
LOGO
（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
（三）导轨主要尺寸的确定 1. 导轨宽度
LOGO
W B pL
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 L (1.2 ~ 1.8) LA
五、滚动摩擦导轨及设计
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
LOGO
二、导轨部件的设计要求
（一）导向精度
（1）导轨的几何精度：直线度、平行度、垂直度
LOGO
LOGO
（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。
（二）导轨的平稳性
LOGO
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
LOGO
（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。
（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。
LOGO
LOGO
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）驱动元件能对称地放在中 间。 缺点：过定位，需要高精度研具。
LOGO
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
LOGO
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。
（一）滚动导轨的结构形式及其特点
LOGO
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。
LOGO
（2）双圆弧滚珠导轨： 常用于光学计量仪器（小型 工显，投影仪） ①参数：R1,R2 ,θ ②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。
第四章 精密机械系统的设计
LOGO
LOGO
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。基座、导轨、轴系、 伺服系统。
2）控制仪器内的热源：照明灯、电动机、磨擦生热。
①采用冷光源照明或用光导纤维传光； ②隔离热源和良好地散热；
③运动件应充分润滑；
④采用发热小和不发热的传动机构。 ⑤温度平衡后再继续工作。
3）采取温度补偿措施：
LOGO
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）振源内部振源：回转不平衡、换向冲击 （3）提高抗振性的措施： ①满足刚度，减轻重量——提高固有频率 ②合理结构设计，提高静刚度——提高固有频率 ③增加阻尼，减小内部振源的振动影响 ④减振或隔振设计，减小外部振源的振动影响
六、静压导轨导轨及设计要点
LOGO
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。
LOGO
（3）正确的结构布局，减小力变形 ①遵守力变形最小原则；②采用反变形结构；③ 补偿力的结构； （4）良好的结构工艺性，减小力变形 ①减小铸件重量：可减小劳动量和金属消耗，还 可减小应力变形。②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。
二 、基座与支承件的结构设计
LOGO
（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
LOGO
（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。
（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。
LOGO
（三）导向导轨与压紧导轨分立原则
LOGO
四、滑动摩擦导轨及设计
LOGO
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。
LOGO
（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 模拟试验法（仿真试验） ，量纲分析法
LOGO
2、稳定性好，内应力变形小 内应力变形：铸件—内应力—释放 变形夹紧力变形：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：
LOGO
LOGO
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。
LOGO
（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
LOGO
③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。
LOGO
（2）平面滚动（滚柱或滚珠）导轨： ①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。 ②优点：形状简单，加工容易。
（一）液体静压导轨
1. 开式液体静压导轨工作原理
LOGO
LOGO
2. 液体静压导轨的结构及主要技术参数 （1）导轨结构
LOGO
第一节 仪器的支承件设计
LOGO
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 对仪器精度影响很大的支承件的设计要求 和结构设计问题。
LOGO
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①自身重量大②承受外载荷③温 度变形大。 2）结构复杂：孔、支承面、定位面
LOGO
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。 ①交叉滚柱导轨：滚柱轴线相互交错 D>L A1 面第单数个滚柱，B1 面第双数个滚柱，加工 困难。
LOGO
②V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。
LOGO
①铸铁：灰口铸铁；球墨铸铁； 热处理：退火，淬火； ②钢板焊接：尺寸小的基座和支架，减小点 焊影响； ③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。
LOGO
第二节 仪器的导轨及设计
LOGO
（3）滚柱与滚珠导轨的组合： 滚珠导轨——承பைடு நூலகம்小载荷，灵活 滚柱导轨——承载大载荷，承载大
LOGO
（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
LOGO
（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：
LOGO
（3）四圆柱棒滚道的 滚珠导轨： ①结构： ②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。
LOGO
（4）V形——平面滚 珠导轨： 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。