精密儀器設計

DesignofPrecisionInstrument精密儀器設計

DesignofPrecisi1第四章精密機械系統(tǒng)在測控儀器中,精密機械系統(tǒng)起著舉足輕重的作用,它不僅是儀器各部分的支撐，而且對保證儀器的測量精度、定位精度和運動精度起著關鍵的作用。本章的內(nèi)容：在對測控儀器各種機械系統(tǒng)分析的基礎上，重點對系統(tǒng)精度影響較大的機械結(jié)構(gòu)進行研究。包括：基座與支承件、導軌、軸系。第四章精密機械系統(tǒng)在測控儀器中,精密機械系統(tǒng)起著舉足輕重的2第一節(jié)儀器的支承件設計第二節(jié)儀器的導軌及設計第三節(jié)主軸系統(tǒng)及設計第一節(jié)儀器的支承件設計3第一節(jié)儀器的支承件設計定義：儀器的支承件主要包括基座、支柱、機柜、機箱等。作用：1）聯(lián)接和支承2）保證工作精度本節(jié)內(nèi)容：從精度出發(fā)，重點研究基座和立柱等對儀器精度影響很大的支承件的設計要求和結(jié)構(gòu)設計問題。第一節(jié)儀器的支承件設計定義：4一、基座和立柱等支承件的結(jié)構(gòu)特點和設計要求（一）特點：1）尺寸較大：支承機、光、電等各個零部件和被測件①自身重量大②承受外載荷③溫度變形大。2）結(jié)構(gòu)復雜：具有很多加工面，包括孔、支承面、定位面等，且要求相互位置精度和本身精度都較高。一、基座和立柱等支承件的結(jié)構(gòu)特點和設計要求5（二）設計要求：1、具有足夠的剛度，力變形要小自重——力變形被測件的質(zhì)量轉(zhuǎn)載——動載荷力變形彈性變形在允許的范圍內(nèi)變形最小原則進行剛度設計

（二）設計要求：62、穩(wěn)定性好，內(nèi)應力變形小內(nèi)應力變形：鑄件—內(nèi)應力—釋放夾緊力變形：螺釘緊固件夾緊力不均勻提高穩(wěn)定性的措施：（1）進行時效處理：自然時效處理；人工時效處理：2、穩(wěn)定性好，內(nèi)應力變形小7（2）消除夾緊力變形的方法減少螺釘?shù)染o固件的數(shù)量采用運動學原理定位法彈性夾緊法（留有少許變形余量）3、熱變形要小整機或各個部件的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)各不相同，因此達到熱平衡的時間也長短各異?；土⒅淖冃螌斐珊艽蟮臏y量誤差。（2）消除夾緊力變形的方法8消除熱變形采取的措施：1）嚴格控制工作環(huán)境（恒溫）

注意兩點：①恒溫室應長時間恒溫②合理設計恒溫室2）控制儀器內(nèi)的熱源：照明燈、電動機、磨擦生熱。①采用冷光源照明或用光導纖維傳光；②隔離熱源和良好地散熱；③運動件應充分潤滑；④采用發(fā)熱小和不發(fā)熱的傳動機構(gòu)。⑤溫度平衡后再繼續(xù)工作。3）采取溫度補償措施消除熱變形采取的措施：94、良好的抗振性（1）振動影響儀器的測量精度，外部振源：機器、人員、走動。（2）內(nèi)部振源：回轉(zhuǎn)不平衡、換向沖擊（3）提高抗振性的措施：①滿足剛度條件下，減輕重量——提高固有頻率②合理結(jié)構(gòu)設計，提高靜剛度——提高固有頻率③增加阻尼，減小內(nèi)部振源的振動影響④減振或隔振設計，減小外部振源的振動影響4、良好的抗振性10二、基座與支承件的結(jié)構(gòu)設計（1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓時變形量截面面積大小構(gòu)件受彎、扭曲時變形量截面形狀二、基座與支承件的結(jié)構(gòu)設計（1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)11（2）合理地選擇和布置加強肋增加剛度a自重載荷不大e比c合理、受力好、內(nèi)應力小d,b，三角形肋，剛度好，工藝好f,g,h工藝復雜，剛度很好。（2）合理地選擇和布置加強肋增加剛度12（3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形①遵守力變形最小原則；②采用反變形結(jié)構(gòu)；③補償力的結(jié)構(gòu)；（4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小力變形①減小鑄件重量：可減小勞動量和金屬消耗，還可減小應力變形。②鑄件厚度均勻，過渡處均勻過渡的光滑圓角（5）合理的選擇材料通常要求基座及支承件的材料具有較高的強度的剛度，耐磨性以及良好的鑄造、焊接以及機械加工的工藝性。（3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形13①鑄鐵：灰口鑄鐵；球墨鑄鐵；熱處理：退火，淬火；②鋼板焊接：尺寸小的基座和支架，減小點焊影響；③花崗巖：優(yōu)點：穩(wěn)定性好；加工簡便；溫度穩(wěn)定性好；吸振性好；不導電、不磁化；維護保養(yǎng)方便；價格便宜。缺點：脆性大；不能承受大的沖擊、撞擊、敲打。①鑄鐵：灰口鑄鐵；球墨鑄鐵；14一、導軌的功用與分類導軌部件的組成：運動導軌和支承導軌導軌的功用：傳遞精密直線運動導軌的分類：1）滑動摩擦導軌2）滾動摩擦導軌3）靜壓導軌4）彈性摩擦導軌第二節(jié)儀器的導軌及設計一、導軌的功用與分類導軌部件的組成：第二節(jié)儀器的導軌及設15二、導軌部件的設計要求（一）導向精度（1）導軌的幾何精度：直線度、平行度、垂直度二、導軌部件的設計要求（一）導向精度16（2）接觸精度定義：在動導軌與靜導軌接觸部位，由于微觀的不平度，造成實際接觸面積只是理論接觸面積的一部分，從而造成接觸變形，在導軌行一段時間后，由于接觸變形和磨損而產(chǎn)生導軌與滑架扭擺。接觸精度要求：滑動和滾動導軌，全長80%，全寬70%。提高接觸精度方法：減小表面粗糙度值。（2）接觸精度17低速運動時，導軌運動的驅(qū)動指令是均勻的，而與導軌相連的工作臺卻出現(xiàn)一慢一快，一跳一停的現(xiàn)象，稱為“爬行”。產(chǎn)生原因：（1）導軌間動、靜摩擦系數(shù)差值較大（2）動摩擦系數(shù)隨速度變化（3）系統(tǒng)剛度差（二）導軌的平穩(wěn)性低速運動時，導軌運動的驅(qū)動指令是均勻的，而與導軌相18（三）剛度要求導軌受力會產(chǎn)生變形1、自重變形減小辦法（1）采用剛度設計，如有限元法；（2）結(jié)構(gòu)設計，如設計加強肋；（3）補償措施，如螺釘或反變形。（三）剛度要求導軌受力會產(chǎn)生變形192、局部變形：載荷集中地方3、接觸變形：由于微觀不平度造成實際接觸面積僅是名義接觸面積的一部分，而產(chǎn)生的變形?？刹捎妙A加載荷的方法增加接觸剛度。2、局部變形：載荷集中地方20（四）耐磨性要求耐磨與使用壽命相關，磨損使精度下降。影響耐磨性因素：摩擦性質(zhì)、導軌材料、加工工藝、受力情況滑動摩擦導軌比壓（四）耐磨性要求21提高耐磨性的措施：①增大導軌寬度可降低導軌比壓，或卸載。②導軌面間良好的潤滑潤滑油的要求：良好的潤滑性和足夠的油膜剛性，溫度變化時粘性變化要小，不腐蝕機體，雜質(zhì)少，加防護罩。提高耐磨性的措施：22③合理的選擇材料和熱處理工藝1）材料：固定導軌硬度比動導軌硬度高1.1～1.2倍A.鑲鋼導軌；B.鑲塑導軌；C.塑料導軌（見下圖）2）熱處理方法：電接觸表面淬火，中頻淬火，高頻淬火③合理的選擇材料和熱處理工藝23④合理的選擇加工方法如下圖：上為動導軌，下為靜導軌，磨損量為滑程2000mm以下進行測量④合理的選擇加工方法如下圖：24三、導軌設計應遵循的原理和準則（一）運動學原理：把導軌視為有確定運動的剛體，設計時不允許有多余自由度和多余的約束，即只保留確定運動方向的自由度。三、導軌設計應遵循的原理和準則（一）運動學原理：25（二）平均效應原理：導軌面之間安裝許多滾珠或滾柱，受力產(chǎn)生彈性變形而將導軌誤差得到平均效應。（二）平均效應原理：26（三）導向?qū)к壟c壓緊導軌分立原則（三）導向?qū)к壟c壓緊導軌分立原則27現(xiàn)代精密儀器設計第四章-精密機械系統(tǒng)的設計ppt課件28四、滑動摩擦導軌及設計支承件和運動件直接接觸的導軌。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，接觸剛度大。

缺點：摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行。（一）滑動摩擦導軌的截面形狀：

由支承面和導向面組成。平導軌支承面和導向面分開。四、滑動摩擦導軌及設計支承件和運動件直接接觸的導軌。29（二）滑動摩擦導軌的組合形式及其特點：1.V形和平面組合導軌：優(yōu)點：導向性好，平導軌制造簡單，剛性好。缺點：磨損不均勻，V形導軌比平導軌磨損快，且牽引力位置不在兩導軌中間，容易引起V形導軌對角接觸。合力的位置與V形導軌半角大小有關。（二）滑動摩擦導軌的組合形式及其特點：1.V形和平面組合導302、雙三角形（V形）組合導軌優(yōu)點：（1）同時起著支承與導向的作用，故導向精度高。（2）承載能力大，兩條導軌磨損均勻，壽命長，磨損后能自動補償間隙，精度保持性好。（3）能同時采用研磨兩條導軌的基準研具。（4）驅(qū)動元件能對稱地放在中間。缺點：過定位，需要高精度研具。2、雙三角形（V形）組合導軌優(yōu)點：313、雙矩形組合導軌優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗、修理較易。承載能力大，剛度大。缺點：磨損后不能自動補償間隙，導向精度不如v形。3、雙矩形組合導軌324、燕尾組合導軌符合運動學運動原理，只需要一根導軌。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，加一根鑲條可調(diào)整間隙。缺點：幾何形狀比較復雜，難于達到很高的配合精度，并且導軌中的摩擦力較大，運動靈活性差。4、燕尾組合導軌335、雙圓柱導軌優(yōu)點：加工和檢驗比較簡單，工藝性好。缺點：導向精度不高，對溫度變化敏感，間隙不能調(diào)整，用于只承受軸向力的場合。5、雙圓柱導軌34滑動摩擦導軌組合總結(jié)v形和平面組合導軌主要應用于：導向精度高、承載能力大的儀器導軌。雙v形導軌——導向精度要求高，磨損小的儀器，精密儀器導軌。雙矩形導軌——應用于導向精度要求不高，承載力大的儀器導軌。燕尾導軌——通常用在結(jié)構(gòu)尺比較小及導向精度與運動靈便性要求不高的場合。雙圓柱導軌——主要應用于小型儀器的立柱?；瑒幽Σ翆к壗M合總結(jié)v形和平面組合導軌主要應用于：導向精度高35（三）導軌主要尺寸的確定1.導軌寬度2.V形導軌角度，一般以90°為宜。3.兩條導軌的間距應在保證運動件工作穩(wěn)定的前提下，盡可能取小值。4.運動件的導軌長度取較長導軌較有力，但過長會使機構(gòu)龐大，一般（三）導軌主要尺寸的確定1.導軌寬度36五、滾動摩擦導軌及設計結(jié)構(gòu)：兩導軌面之間放入滾珠、滾柱、滾針等滾動體，導軌運動處于滾動摩擦狀態(tài)。優(yōu)點：阻力小，工作臺移動靈敏，不易產(chǎn)生爬行；啟動和運行消耗功率小，磨損小，保持精度持久性好。缺點：點或線接觸，抗振性差、接觸應力大，對導軌直線度、滾動體尺寸精度要求高；對臟物敏感，結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高。五、滾動摩擦導軌及設計結(jié)構(gòu)：兩導軌面之間放入滾珠、滾柱、滾針37（一）滾動導軌的結(jié)構(gòu)形式及其特點1、滾珠導軌（1）雙V形滾珠導軌運動靈敏度較高，承載能力較小，易壓出溝槽使導軌表面損壞。適用于載荷不大，行程較小，靈敏度要求較高的場合。（一）滾動導軌的結(jié)構(gòu)形式及其特點1、滾珠導軌38（2）雙圓弧滾珠導軌：常用于光學計量儀器（小型工顯，投影儀）①參數(shù)：R1,R2,θ②優(yōu)點：接觸面積大，接觸點應力、變形較小，承載能力強，受命長。

缺點：摩擦力大，形狀復雜，制造困難。（2）雙圓弧滾珠導軌：39（3）四圓柱棒滾道的滾珠導軌：①結(jié)構(gòu)：②優(yōu)點：運動精度、運動靈活性較高，圓柱棒磨損后只要轉(zhuǎn)過一個角度，仍能保持原始精度，維修方便。缺點：承載能力不大。（3）四圓柱棒滾道的滾珠導軌：40（4）V形——平面滾珠導軌：結(jié)構(gòu)：優(yōu)點：加工、裝配方便；缺點：左右兩排滾珠的中心運動速度不一樣。（4）V形——平面滾珠導軌：412、滾柱（針）導軌（1）V形滾柱導軌：承載能力大，耐磨性好，對導軌局部缺陷不敏感，多用于重型機器。①交叉滾柱導軌：滾柱軸線相互交錯D>LA1面第單數(shù)個滾柱，B1面第雙數(shù)個滾柱，加工困難。2、滾柱（針）導軌42②V形——平面滾柱導軌兩排軸線成V形，取出滾柱時，上下導軌正好可以相互研配。②V形——平面滾柱導軌43③空心滾柱，光電光波比長儀工作臺導軌：采用空心滾柱在載荷作用下有微小變形，可減少導軌和滾柱尺寸差對工作臺直線度的影響。這種導軌技術(shù)要求很高。③空心滾柱，光電光波比長儀工作臺導軌：44（2）平面滾動（滾柱或滾珠）導軌：①結(jié)構(gòu)：上動板運動，導向觸頭導向，壓緊軸承壓緊，觸頭材料（聚四氟乙烯）摩擦力小且耐磨。②優(yōu)點：形狀簡單，加工容易。（2）平面滾動（滾柱或滾珠）導軌：45（3）滾動軸承導軌：①作用：起滾動體和導軌的作用。②特點：摩擦力矩小，運動靈活，承載能力大，調(diào)整方便，多用于大型儀器。軸承：外旋轉(zhuǎn)，內(nèi)固定；外環(huán)起承載、導向作用；外環(huán)較厚。（3）滾動軸承導軌：46（二）滾動摩擦導軌的組合應用（1）滾動與滑動摩擦導軌的組合：（二）滾動摩擦導軌的組合應用（1）滾動與滑動摩擦導軌的組合：47（2）滾柱導軌與滾動軸承導軌的組合：滾柱導軌——承受載荷滾動軸承與壓緊軸承——導向作用1—滾柱導軌2—滾動軸承導軌3—壓緊軸承4—滾動軸承（2）滾柱導軌與滾動軸承導軌的組合：48（3）滾柱與滾珠導軌的組合：滾珠導軌——承載小載荷，靈活滾柱導軌——承載大載荷，承載大（3）滾柱與滾珠導軌的組合：49（4）滾柱與長圓柱導軌的組合：長圓柱與工作臺固定在一起，輕載時使用（4）滾柱與長圓柱導軌的組合：50（三）滾動摩擦導軌的結(jié)構(gòu)尺寸1、運動導軌的長度Ld：2、滾動體的尺寸和數(shù)量：3、導軌的強度與剛度計算：（三）滾動摩擦導軌的結(jié)構(gòu)尺寸51六、靜壓導軌及設計要點靜壓導軌原理：動靜導軌之間，因液體壓力油或氣體靜壓力而使動導軌及工作臺浮起，兩導軌面間不再接觸，而形成完全的液體或氣體摩擦。靜壓導軌特點：（1）摩擦系數(shù)極低、沒有爬行、不產(chǎn)生磨損、受命長、驅(qū)動功率小。（2）精度高，彈性平均原理設計。（3）導軌承載能力大、剛度好。（4）有吸振作用、抗振性好。（5）結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)整費事，成本較高。需要一套嚴格過濾得供油或供氣設備。六、靜壓導軌及設計要點靜壓導軌原理：52（一）液體靜壓導軌1.開式液體靜壓導軌工作原理（一）液體靜壓導軌1.開式液體靜壓導軌工作原理532.液體靜壓導軌的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)（1）導軌結(jié)構(gòu)2.液體靜壓導軌的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)54開式液體靜壓導軌：（1）承受垂直載荷好，對傾覆力矩承受力差；（2）結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和調(diào)整；（3）節(jié)流器：毛細管式和單面薄模反射式。閉式液體靜壓導軌：（1）承載力強，承受偏載能力好；（2）運動精度高，動態(tài)性能較好；（3）結(jié)構(gòu)復雜，加工裝調(diào)麻煩；（4）節(jié)流器：毛細管式和雙面薄模反射式。開式液體靜壓導軌：55（二）空氣靜壓導軌1.氣體靜壓導軌工作原理特點：工作平穩(wěn)、可靠、運動精度高、無磨損、無爬行。承載力較低，剛度差，需要一套清潔穩(wěn)定的壓縮空氣源。（二）空氣靜壓導軌1.氣體靜壓導軌工作原理562.結(jié)構(gòu)形式及其特點2.結(jié)構(gòu)形式及其特點573.提高氣浮導軌性能的方法結(jié)構(gòu)上采用閉式導軌增加供氣壓力減小浮起間隙，加大封閉力載荷補償提高阻尼力增加剛度3.提高氣浮導軌性能的方法58第三節(jié)主軸系統(tǒng)及設計第三節(jié)主軸系統(tǒng)及設計59一、主軸系統(tǒng)設計的基本要求主軸系統(tǒng)設計主要要求：主軸在一定載荷下，具有一定的回轉(zhuǎn)精度，同時還有一定的剛度和熱穩(wěn)定性。（一）主軸回轉(zhuǎn)精度：1、國際機械生產(chǎn)技術(shù)研究協(xié)會定義軸系基本術(shù)語：一、主軸系統(tǒng)設計的基本要求主軸系統(tǒng)設計主要要求：60回轉(zhuǎn)軸心：垂直于主軸截面且其回轉(zhuǎn)速度為零。主軸回轉(zhuǎn)后才有主軸回轉(zhuǎn)軸心，與幾何中心不一定重合；由于軸頸和軸承的加工、裝配誤差、溫度變化、潤滑劑的變化、磨損等因素影響，軸心將于理想軸線產(chǎn)生偏離；偏離的型式一種是徑向的平行移動，另一種是偏一定角度的擺動?；剞D(zhuǎn)軸心：垂直于主軸截面且其回轉(zhuǎn)速度為零。612、滑動軸系回轉(zhuǎn)誤差分析：(1)主軸晃動：由于主軸與軸套有安裝間隙而造成主軸中心的變動。2、滑動軸系回轉(zhuǎn)誤差分析：62(2)雙周晃動：主軸和軸套之間充滿潤滑油后，軸系每轉(zhuǎn)動二周，誤差運動重復一次的現(xiàn)象。(2)雙周晃動：主軸和軸套之間充滿潤滑油后，軸系每轉(zhuǎn)動二周，63（3）滾動軸系誤差運動分析：1）滾動軸系誤差運動產(chǎn)生的原因：軸承內(nèi)孔、主軸及滾動體形狀誤差、尺寸誤差。2）主軸漂移：若軸套固定，由于軸系形狀、尺寸誤差使得主軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生主軸軸心線位移的現(xiàn)象。（3）滾動軸系誤差運動分析：64（二）主軸系統(tǒng)的剛度主軸系統(tǒng)剛度對誤差影響