第4章 精密仪器系统

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1、第四章第四章 精密机械系统精密机械系统 在精密仪器中，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，对精密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。本章共分为三节： 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 主轴系统及设计第一节第一节 仪器的支承件设计仪器

2、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支承件的结构特点和设计要求名称结构特点设计要求相应措施基座基座立柱立柱 结构尺寸较大， 结构比较复杂， 要承受外载荷及其变化，受热变形影响较大。 要具有足够的刚度，力变形要小刚度设计常采用的方法有模拟试验法（仿真试验）、量纲分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的分

3、析软件可借用。采用正确的结构设计也是保证支承件刚度的重要手段。 稳定性好，内应力变形小对铸造的基座和立柱要进行时效处理，以消除内应力，减少应力变形。时效处理的方法有两种，即自然时效和人工时效。 热变形要小 严格控制工作环境温度, 控制仪器内的热源, 采取温度补偿措施 良好的抗振性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；如合理地选择截面形状和尺寸，合理地布置肋板或隔板以提高静刚度；减小内部振源的振动影响，如采用气体、液体静压导轨或轴系；对驱动电动机的振动加隔离措施；对运动件进行充分润滑以增加阻尼等；采用减振或隔振设计，如弹簧隔振、橡胶隔振、气垫隔振等。 2) 支承件的结构设

4、计内容支承件的结构设计内容名称 刚度设计 结构设计 基座基座立柱立柱 1)有限元分析法： 此分析法是一种将数学、力学与计算机技术相结合的对支承件刚度和动特性进行分析的一种方法；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。1）正确选择截面形状与外形结构：构件受压时变形量与截面积大小有关；受弯、扭时，变形量与截面形状有关。参阅表4-1横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较进行设计2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度，参阅表4-1-1所示各种肋条(板)的形状及其优缺点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）

5、合理地选择材料 通常要求基座及支承件的材料具有较高的强度和刚度、耐磨性以及良好的铸造、焊接以及机械加工的工艺性参阅表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度设计可参阅表4-2表4-1 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较断面形状 实心圆形 实心方形 空心圆形空心方形 空心矩形 抗弯惯性矩（相对值） 11.045.043.217.33抗扭惯性矩（相对值） 10.885.041.270.28表4-1-1各种肋条(板)的形状及其优缺点矩形结构矩形结构 三角形肋三角形肋 铸造肋铸造肋 图示 其中图a、图c、图e图b与图d图f、图g、图h优缺点图a一般用于自重和载

6、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 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称代号抗拉强度优点缺点消除内应力方法提高强度、硬度和耐磨性方法 灰灰口口铸铸铁铁 HTl50HT200HT250 150MPa200MPa250MPa 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 塑性较差 退火热处理，即铸造开箱后立即转入100200炉中，随炉缓慢升温至500600，再经48h保温，再缓慢冷

7、却。 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球球墨墨铸铸铁铁 QT40-17 QT42-10 400MPa420MPa 具有更高的抗拉强度和弯曲强度 塑性较差 为消除内应力可用与HT铸铁相似的应力退火 即加热到860900适当保温后，迅速转至250300的等温盐浴中，等温处理3090min，再取出进行空冷。等温淬火后其强度极限可达12001500MPa，硬度3850HRC。 b名称代号抗拉强度优点缺点钢钢板板 Q215Q235Q255 215MPa235MPa255MPa 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

8、、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。 花花岗岗石石 泰山青 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510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12。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。 但其脆性大，不能承受大的冲击、撞击和

9、敲打。b表4-2基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度质量/kg 外形尺寸/mm 壁厚/mm 肋板厚/mm 肋条厚/mm Vm，必须使用单独的隔离架。 见图422图422 V形平面滚珠导轨 a) 常用V形平面滚珠导轨 b）V形平面滚珠导轨运动分析名称优点缺点图示5、滚柱、滚柱（针）（针）导轨导轨 承载能力大，耐磨性好，对导轨面的局部缺陷不敏感。取出圆柱后，上下导轨可以互研。滚针的尺寸比滚柱小，因此，同样尺寸导轨上滚针的排列更紧密，承载能力更大，对导轨面局部缺陷更不敏感。 对 及 的差值要求较严。 6、平面、平面滚柱导滚柱导轨轨 形状简单，加工容易。上表面起支撑作用；左面用聚四氟乙烯触头导向，右面的

10、轴承用弹簧压紧在导轨上，以使聚四氟触头压紧在导轨上。 7、滚动、滚动轴承导轴承导轨轨 摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便。用作导轨的滚动轴承与轴承厂供应的标准滚动轴承不同，其外环旋转、内环固定，外环即承载又作导向。所以外环不仅比标准滚动轴承厚，而且精度高如万能工具显微镜和三坐标测量机用的滚动轴承的径向跳动要求在O.51m范围(见图4-26)。12（二）滚动摩擦导轨的组合应用（二）滚动摩擦导轨的组合应用名称特点图示滚动与滑滚动与滑动摩擦导动摩擦导轨的组合轨的组合 平面滑动导轨1接触面大，刚性好，用于承受主要载荷。滚动轴承导轨摩擦力小，运动灵活，用做导向。 见图4-27 图4-27 滚动轴

11、承和滑动导轨的组合1平面滑动导轨 2滚动轴承导轨滚柱导轨滚柱导轨与滚动轴与滚动轴承导轨的承导轨的组合组合 由于滚柱导轨刚性好，这里采用四条滚柱导轨1起承载作用，两只滚动轴承导轨2和加压轴承3起导向作用。这种滚动导轨的组合，形状简单，加工容易。见图4-28名称特点图示滚柱和滚滚柱和滚珠导轨的珠导轨的组合组合 滚珠直径比滚柱稍大数微米，轻载时，由滚珠承载保证工作台移动轻便；重载时，滚珠变形由滚珠和滚柱共同承受。这种组合导轨，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。见图4-29滚柱与长滚柱与长圆柱轴导圆柱轴导轨组合轨组合 长圆柱1与工作台2固定在一起，它代替工作台的V形导轨。由于圆柱加