第四章

精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

本章在對測控儀器常用各種機(jī)械系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，重點對系統(tǒng)精度和性能影響較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，如基座、導(dǎo)軌、軸系及伺服系統(tǒng)第一節(jié)精密機(jī)械系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法一、精密機(jī)械系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）是利用計算機(jī)及其圖形設(shè)備來幫助設(shè)計人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)計工作。

目前主要CAD設(shè)計軟件有（含二維和三維設(shè)計軟件）：CAD設(shè)計軟件AutodeskInventorSolidWorksCATIASolidEdgePro/EAutoCADUGNXOneSpaceDesigner二、模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是指在對一定范圍內(nèi)不同功能或相同功能中不同性能、不同規(guī)格的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，通過對模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，用于滿足市場不同需求的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計有利于產(chǎn)品的快速升級和產(chǎn)品更新。以模塊化設(shè)計為指導(dǎo)思想，以快速、提高可靠性和降低成本為主要目的進(jìn)行儀器機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計原則力求以少量的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，在滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使產(chǎn)品的精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、成本降低、維護(hù)性高模塊系列化，其目的在于用有限的產(chǎn)品種類和規(guī)格最大限度及經(jīng)濟(jì)合理地滿足用戶的要求產(chǎn)品的模塊化設(shè)計方法側(cè)重功能劃分的模塊化設(shè)計方法側(cè)重于產(chǎn)品或零部件的形狀結(jié)構(gòu)的分類精密儀器部件已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)、系列化模塊化部件直線運動導(dǎo)軌組件精密基準(zhǔn)部件（長度基準(zhǔn)件、角度基準(zhǔn)件）瞄準(zhǔn)部件模塊化設(shè)計優(yōu)點設(shè)計和制造時間短有利于產(chǎn)品的更新和新產(chǎn)品開發(fā)降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性維護(hù)方便三、反求工程設(shè)計

反求工程也稱為逆向工程或反向工程，主要是針對消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和技術(shù)的綜合。反求工程是消化吸收先進(jìn)技術(shù)并進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的高新技術(shù)，是實現(xiàn)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵。反求工程利用現(xiàn)代計算機(jī)輔助設(shè)計使其變?yōu)槟芨鶕?jù)現(xiàn)有的物理部件通過CAD、CAM、CAE或其他軟件構(gòu)筑3D模型的方法。第二節(jié)儀器的支承件設(shè)計一、基座與立柱等支承件的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求結(jié)構(gòu)特點：1）結(jié)構(gòu)尺寸較大2）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜儀器中的支承件包括基座、立柱、機(jī)柜、機(jī)箱等。它不僅起著連接和支承儀器的機(jī)、光、電等各部分零件和部件的作用，而且能保證儀器的工作精度。從對儀器精度影響來看，基座和立柱的力變形和溫度變形將直接影響測量精度。本節(jié)針對支承件的特點，從精度角度出發(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(shè)計要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。設(shè)計要求1）具有足夠的剛度，力變形要小2）穩(wěn)定性好，內(nèi)應(yīng)力變形小3）熱變形要小（1）嚴(yán)格控制工作環(huán)境溫度（2）控制儀器內(nèi)的熱源（3）采取溫度補償措施4）有良好的抗振性在對儀器基座及支承件設(shè)計時，應(yīng)考慮抗振性問題，常采用如下方法：1）在滿足剛性要求情況下，盡量減輕重量，以提高固有頻率，防止共振;2）合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計;3）減小內(nèi)部振源的振動影響;4）采用減振或隔振設(shè)計;

二、基座與立柱等支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）剛度設(shè)計

（1）有限元分析法

（2）仿真分析法

（二）基座與支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)

（2）合理地選擇和布置加強(qiáng)肋增加剛度

橫截面積相同時不同斷面形狀慣性矩的比較0.281.275.040.881抗扭慣性矩（相對值）7.333.215.041.041抗彎慣性矩（相對值）空心矩形空心方形空心圓形實心方形實心圓形

斷面形狀

肋的布置形式（二）基座與支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)（2）合理地選擇和布置加強(qiáng)肋增加剛度

（4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小應(yīng)力變形

（5）合理地選擇材料

（3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形花崗石具有許多優(yōu)點：

1）穩(wěn)定性好2）加工簡便3）溫度穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)均很小4）吸振性好5）不導(dǎo)電，不磁化，抗電磁影響性能好6）維護(hù)保養(yǎng)方便7）價格便宜第三節(jié)儀器的導(dǎo)軌及設(shè)計

一、導(dǎo)軌的功用與分類導(dǎo)軌的基本功用：傳遞精密直線運動，其導(dǎo)向精度是最重要的要求和指標(biāo)

按導(dǎo)軌面間摩擦性質(zhì)可分為:

1）滑動摩擦導(dǎo)軌

2）滾動導(dǎo)軌

3）靜壓導(dǎo)軌

4）彈性摩擦導(dǎo)軌

二、導(dǎo)軌部件設(shè)計的基本要求（一）導(dǎo)向精度導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌運動軌跡的準(zhǔn)確度。

對一副導(dǎo)軌來說其直線度是非常重要的精度指標(biāo)，它取決于導(dǎo)軌面的幾何精度、接觸精度、導(dǎo)軌和基座的剛度、導(dǎo)軌油膜剛度及導(dǎo)軌與基座的熱變形等。

（1）導(dǎo)軌的幾何精度

導(dǎo)軌的幾何精度包括導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)與水平面內(nèi)的直線度，導(dǎo)軌面間的平行度和導(dǎo)軌間的垂直度（2）導(dǎo)軌的接觸精度垂直面內(nèi)的直線度水平面內(nèi)的直線度導(dǎo)軌面間的平行度（二）導(dǎo)軌運動的平穩(wěn)性爬行現(xiàn)象：在其低速運動時，導(dǎo)軌運動的驅(qū)動指令是均勻的而與動導(dǎo)軌相連的工作臺卻出現(xiàn)一慢一快，一跳一停的現(xiàn)象（三）剛度要求（四）耐磨性要求產(chǎn)生爬行現(xiàn)象的主要原因有：①導(dǎo)軌間的靜、動摩擦系數(shù)差值較大；②動摩擦系數(shù)隨速度變化；③系統(tǒng)剛度差導(dǎo)軌受力會產(chǎn)生變形，其中有自重變形、局部變形和接觸變形減少的辦法有：①采用剛度設(shè)計②結(jié)構(gòu)設(shè)計③補償措施導(dǎo)軌應(yīng)耐磨，以提高其使用壽命三、導(dǎo)軌設(shè)計應(yīng)遵守的原理和準(zhǔn)則（一）運動學(xué)原理導(dǎo)軌設(shè)計時應(yīng)首先保證導(dǎo)向精度。為了保證導(dǎo)向精度，在導(dǎo)軌設(shè)計時應(yīng)遵守運動學(xué)原理。運動學(xué)原理是把動導(dǎo)軌視為有確定運動的剛體，設(shè)計是不允許有多余的自由度和多余的約束，即只保留確定運動方向的自由度V型與平面導(dǎo)軌組合雙V型導(dǎo)軌組合（二）彈性平均效應(yīng)原理（三）導(dǎo)向?qū)к壟c壓緊導(dǎo)軌分立原則在儀器中，有許多是按彈性平均原理來設(shè)計導(dǎo)軌的。

按此方法設(shè)計導(dǎo)軌副的彈性平均效應(yīng)而得到平均，從而提高其承載能力和導(dǎo)向精度。在儀器中為保證導(dǎo)軌運動的直線性常用導(dǎo)軌的一面作為導(dǎo)向面，另一面作壓緊面，即導(dǎo)向和壓緊分開，保證通過壓緊力使導(dǎo)向面可靠接觸，保證導(dǎo)向精度導(dǎo)軌布置圖a)雙V形導(dǎo)軌導(dǎo)向與壓緊

b)萬工顯導(dǎo)軌布置圖1—橫向壓緊軸承2—橫向支承導(dǎo)軌3—橫向支承滾動軸承4—基座5—橫向滑架6—縱向支承滾動軸承7—縱向壓緊軸承8—縱向?qū)驅(qū)к?—縱向?qū)驖L動軸承10—橫向?qū)驅(qū)к?1—縱向滑架12—橫向?qū)驖L動軸承四、滑動摩擦導(dǎo)軌及設(shè)計滑動導(dǎo)軌是支承件和運動件直接接觸的導(dǎo)軌優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單制造容易接觸剛度大

缺點:摩擦阻力大、磨損快動、靜摩擦系數(shù)差別大低速度時，易產(chǎn)生爬行。（一）滑動摩擦導(dǎo)軌的截面形狀

ααV型導(dǎo)軌矩形導(dǎo)軌圓柱型導(dǎo)軌燕尾型導(dǎo)軌V型導(dǎo)軌矩形導(dǎo)軌圓柱型導(dǎo)軌燕尾型導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌一般都由支承面和導(dǎo)向面組成（二）滑動摩擦導(dǎo)軌的組合形式及其特點

（1）V型和平面組合導(dǎo)軌三角形和平面組合導(dǎo)軌導(dǎo)向性好平導(dǎo)軌制造簡單剛性好應(yīng)用較為廣泛缺點是導(dǎo)軌磨損不均勻，且牽引力的位置不在兩導(dǎo)軌的中間。

（2）雙V型組合導(dǎo)軌

加工、檢驗和維修比較困難需要較高的技術(shù)及精密的基準(zhǔn)研具進(jìn)行精研

（3）雙矩形組合導(dǎo)軌適用于承載較大的普通精度的設(shè)備

矩形導(dǎo)軌組合1-承載面2-導(dǎo)向面（4）燕尾組合導(dǎo)軌燕尾導(dǎo)軌（5）雙圓柱導(dǎo)軌五、滾動摩擦導(dǎo)軌及設(shè)計滾動導(dǎo)軌磨損小，保持精度持久性好，故在儀器中廣泛應(yīng)用這種導(dǎo)軌是點或線接觸，故抗振性差，接觸應(yīng)力大。

（一）滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式及其特點滾動導(dǎo)軌按不同的滾動體可分為滾珠導(dǎo)軌滾柱導(dǎo)軌滾針導(dǎo)軌滾動軸承導(dǎo)軌等1．滾珠導(dǎo)軌V形滾珠導(dǎo)軌a）常用雙V形滾珠導(dǎo)軌b）V形小圓弧導(dǎo)軌c）雙圓弧導(dǎo)軌（1）雙V形滾珠導(dǎo)軌運動靈敏度較高，能承受不大的傾復(fù)力矩

(2)雙圓弧滾珠導(dǎo)軌計量光學(xué)儀器中（如小型工具顯微鏡、投影儀等）使用

接觸面積較大，接觸點應(yīng)力較小，變形也較小，承載能力強(qiáng)、壽命長。

（3）四圓柱棒滾道的滾珠導(dǎo)軌缺點是承載能力不大，故多適用于較輕巧的儀器上（如掩膜檢查顯微鏡工作臺）

四圓柱棒滾珠導(dǎo)軌1一滾珠2一滑板3一圓柱棒（4）V形-平面滾珠導(dǎo)軌加工和裝配都方便缺點是左右兩排滾珠中心運動速度不一致萬能工具顯微鏡19JA就采用該型滾珠導(dǎo)軌

V形一平面滾珠導(dǎo)軌a)常用V形一平面滾珠導(dǎo)軌b)V形一平面滾珠導(dǎo)軌運動分析

2．滾柱（針）導(dǎo)軌

（1）V形滾柱導(dǎo)軌承載能力比較大耐磨性能好，靈活性不如滾珠導(dǎo)軌多用在重型儀器上

滾柱導(dǎo)軌a)交叉滾柱導(dǎo)軌b)V形一平面滾柱導(dǎo)軌（2）平面滾動導(dǎo)軌（滾珠或滾柱）

形狀簡單加工比較容易

平面滾動導(dǎo)軌1—滾柱2—上動板3—導(dǎo)軌4—壓緊軸承5—導(dǎo)向觸頭6—下動板（3）滾動軸承導(dǎo)軌摩擦力矩小運動靈活承載能力大調(diào)整方便用于大型儀器（如萬工顯、三座標(biāo)、測長機(jī)等）（二）滾動摩擦導(dǎo)軌的組合應(yīng)用（1）滾動與滑動摩擦導(dǎo)軌的組合應(yīng)用滾動軸承導(dǎo)軌摩擦力小，運動靈活，用做導(dǎo)向

滾動軸承和滑動導(dǎo)軌的組合1—平面滑動導(dǎo)軌2—滾動軸承導(dǎo)軌（2）滾柱導(dǎo)軌與滾動軸承導(dǎo)軌的組合形狀簡單，加工容易

（3）滾柱和滾珠導(dǎo)軌的組合靈活運用了滾珠導(dǎo)軌運動的靈活性和滾柱導(dǎo)軌承載大的優(yōu)點。（4）滾柱與長圓柱軸導(dǎo)軌組合輕載部件中使用

六、靜壓導(dǎo)軌及設(shè)計要點靜壓導(dǎo)軌是在動導(dǎo)軌與靜導(dǎo)軌之間，因液體壓力油或氣體靜壓力而使動導(dǎo)軌及工作臺浮起，兩導(dǎo)軌之間工作面不接觸，而形成完全的液體或氣體摩擦靜壓導(dǎo)軌的特點：摩擦系數(shù)極低，故沒有爬行，不產(chǎn)生磨損，壽命長，驅(qū)動功率小精度高導(dǎo)軌的承載能力較大，剛度好抗振性好結(jié)構(gòu)復(fù)雜（一）液體靜壓導(dǎo)軌

開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理

開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理1—動導(dǎo)軌2—靜導(dǎo)軌3—節(jié)流器4—精濾油器5—液壓泵6—溢流閥7—濾油器8—油箱液體靜壓導(dǎo)軌在導(dǎo)軌上有油腔，當(dāng)壓力油引入后，動導(dǎo)軌和工作臺浮起，在導(dǎo)軌面間形成一層極薄的油膜，且油膜厚度基本上保持恒定不變，使導(dǎo)軌具有高的運動精度。開式液體靜壓導(dǎo)軌的特點:①能較好的承受垂直載荷②結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和調(diào)整；③節(jié)流器常采用毛細(xì)管式和單面薄膜反饋式。閉式液體靜壓導(dǎo)軌的特點：①承受載荷能力強(qiáng)；②運動精度比開式的好，動態(tài)性能也較好；③結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工和裝調(diào)比較麻煩；④節(jié)流器采用毛細(xì)管式或雙面薄膜反饋式

開式和閉式液體靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)原理圖a)開式平面—V形導(dǎo)軌b)開式雙V形導(dǎo)軌c)閉式導(dǎo)軌在機(jī)身一條導(dǎo)軌兩側(cè)d)閉式導(dǎo)軌在機(jī)身兩導(dǎo)軌內(nèi)倜e)閉式導(dǎo)軌在機(jī)身兩條導(dǎo)軌上下和一條導(dǎo)軌兩側(cè)（二）空氣靜壓導(dǎo)軌

空氣靜壓導(dǎo)軌工作原理

氣浮導(dǎo)軌氣墊布置圖1、2、6一支承氣墊3、5一導(dǎo)向氣墊4一平衡氣墊

簡單氣墊空氣靜壓導(dǎo)軌在導(dǎo)軌上有氣墊，當(dāng)壓縮空氣引入后，由于壓縮空氣的靜壓力而使動導(dǎo)軌及工作臺浮起氣體靜壓導(dǎo)軌特點工作平穩(wěn)、可靠運動精度高無磨損、無爬行承載力較低，導(dǎo)軌剛度較差需要一套清潔穩(wěn)定的壓縮空氣源氣浮導(dǎo)軌的形式七、設(shè)計時導(dǎo)軌選擇要點（一）導(dǎo)軌形式的選擇

在設(shè)計儀器時，其導(dǎo)軌形式的選擇是非常重要的一個環(huán)節(jié)，導(dǎo)軌的選擇不僅決定了儀器的精度指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計要求，同時也決定了儀器的成本高低

選擇導(dǎo)軌形式時，要考慮的因素很多，如導(dǎo)向精度、運動平穩(wěn)性、承載能力（剛度）、耐磨性、使用環(huán)境、安裝形式、各向靜力矩、運動速度、行程大小、成本等因素。

由于每種形式的導(dǎo)軌各有其特點，所以在選擇時要綜合考慮各種導(dǎo)軌的對比高要求高好較低好高空氣靜壓導(dǎo)軌高要求高好較大好高液體靜壓導(dǎo)軌較高要求較高較好較低較好高滾動導(dǎo)軌低要求不高差大較好較高滑動導(dǎo)軌成本使用環(huán)境耐磨性承載能力運動平穩(wěn)性導(dǎo)向精度

特性導(dǎo)軌名稱

（二）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌的選用a）

直線球滑座系列導(dǎo)軌a）直線球滑座導(dǎo)軌b）球滑座LSP型結(jié)構(gòu)示意圖b）a）b）

交叉滾子工作臺式導(dǎo)軌a)

交叉滾子工作臺式導(dǎo)軌

b)交叉滾子工作臺式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

交叉滾子導(dǎo)軌a）b)

LM導(dǎo)軌SR系列a）SR系列導(dǎo)軌b）SR系列導(dǎo)軌的構(gòu)造圖a）b）

LM導(dǎo)軌HSR系列a）HSR系列導(dǎo)軌b）HSR系列導(dǎo)軌的構(gòu)造圖a）b）超小型LM導(dǎo)軌RSR系列a）RSR系列導(dǎo)軌b）RSR系列導(dǎo)軌的構(gòu)造圖第四節(jié)主軸系統(tǒng)及設(shè)計一、主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求主軸系統(tǒng)設(shè)計的主要要求:是主軸在一定載荷下具有一定的回轉(zhuǎn)精度，同時還要求有一定的剛度和熱穩(wěn)定性在測控儀器中，由于運動的需要，可能有多個轉(zhuǎn)軸，其中對儀器精度影響最大的轉(zhuǎn)軸稱為主軸

凡作回轉(zhuǎn)運動的儀器中都必須有主軸系統(tǒng)。因此主軸系統(tǒng)是測控儀器或精密機(jī)械的關(guān)鍵部件（一）主軸回轉(zhuǎn)精度主軸回轉(zhuǎn)精度是指該主軸軸系的誤差運動的大小1）回轉(zhuǎn)軸線：是一條某指定物體繞其旋轉(zhuǎn)的線段2）軸線平均線：是一條相對地固定在指定的不轉(zhuǎn)動物體上的參考線段3）軸系的誤差運動：指回轉(zhuǎn)軸線相對于軸線平均線的位置變動。它是在指定的方向上（徑向與軸向），指定的位置、指定的轉(zhuǎn)速和外力作用下進(jìn)行測定軸系的誤差運動分為:徑向誤差運動：亦稱徑向運動，它是傾角運動和純徑向運動在任何軸向位置處之和，徑向誤差運動與徑向跳動的概念是不同的。徑向跳動的測量值，除含有主軸的徑向誤差運動外，還包含有偏心量和圓度誤差軸向誤差運動：亦稱軸向運動，它是回轉(zhuǎn)軸線與軸線平均線保持重合，并相對于后者作軸向運動傾角誤差運動：亦稱傾角運動，它是回轉(zhuǎn)軸線在軸向運動和純徑向運動所在的平面內(nèi)，相對于軸線平均線所作的傾角運動端面誤差運動：亦稱端面運動，它是在與軸線平均線相距為R處的軸向誤差運動。端面誤差運動與端面跳動的概念也不完全相同，在端面跳動的測量結(jié)果中，除含有軸系的端面誤差運動外，還包含有端面與軸線的垂直度及端面的平面度的影響由上述定義可以看出回轉(zhuǎn)軸線在回轉(zhuǎn)體中不同瞬時的相對位置是變化的，為了得到一個確切的概念，可以用瞬心法和平動中心法來分析。根據(jù)回轉(zhuǎn)軸線的瞬心定義法，可以認(rèn)為：垂直于主軸截面且回轉(zhuǎn)速度為零的那條直線為回轉(zhuǎn)軸線，它與主軸的幾何中心不同，主軸回轉(zhuǎn)后才有回轉(zhuǎn)中心，且回轉(zhuǎn)中心與幾何中心不一定重合。主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)誤差（誤差運動）的評定方法以圓圖像求中心的方法作為評定中心，其概念與圓度測量的四種評定中心是一致的，即最小區(qū)域中心、最小二乘中心、最大內(nèi)接圓中心和最小外切圓中心為了符合常規(guī)習(xí)慣，建議以回轉(zhuǎn)精度來代替軸系的誤差運動值來表達(dá)軸系精度。如軸系徑向回轉(zhuǎn)精度即為軸系徑向誤差運動值

對于一個具體的軸系而言，規(guī)定要測哪幾種回轉(zhuǎn)精度，要視軸系的使用要求而定。如測角儀和圓度儀主要是徑向回轉(zhuǎn)精度，而陀螺儀表的軸系主要是傾角誤差，因它是角傳感器，對純徑向和純軸向誤差是不敏感的造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要原因主軸和軸承加工的尺寸誤差形狀誤差及主軸和軸承的裝配誤差主軸系統(tǒng)的剛度及潤滑阻尼現(xiàn)象

對于滑動軸系，它由主軸和軸套組成，它的徑向誤差主要由主軸和軸套之間的間隙（軸承間隙）所引起。

通常把滑動軸系中，由于主軸與軸套有安裝間隙而造成主軸中心的變動稱為主軸晃動，晃動量的大小與e有關(guān)，e越小表明加工精度和裝配精度高，主軸晃動也越小，但溫度變化時會產(chǎn)生卡死現(xiàn)象

滾動軸承軸系的誤差運動與滑動軸系不同，因為滾動軸系由主軸、軸套和介于二者之間的滾動體組成，而且是過盈裝配做純滾動運動。由于軸承內(nèi)孔、主軸及滾動體形狀誤差，特別是滾動體有尺寸差，形成了滾動軸系的誤差運動。若軸套固定，主軸旋轉(zhuǎn)，則會產(chǎn)生主軸軸心線位移，稱為主軸“漂移”

為減小滾動軸系的主軸“漂移”，可采用如下辦法：1）嚴(yán)格控制主軸、滾動體、軸套的尺寸誤差和形狀誤差，尤其應(yīng)盡量減小滾動體的尺寸一致性誤差2）采用誤差平均原理，用平均讀數(shù)法盡量減小主軸“漂移”帶來的讀數(shù)誤差（二）主軸系統(tǒng)的剛度主軸剛度是指主軸某處在外力F（或轉(zhuǎn)矩M）作用下與主軸在該處的位移量y(或轉(zhuǎn)角θ)之比，即剛度K=F/y，其倒數(shù)y／F稱為柔度。用轉(zhuǎn)角表示時，剛度Kθ=M／θ。主軸剛度有軸向剛度和徑向剛度之分。主軸系統(tǒng)剛度不好，會使主軸系統(tǒng)產(chǎn)生彈性變形而直接帶來回轉(zhuǎn)誤差和測量誤差提高主軸剛性的措施1）加大主軸直徑2）合理選擇支承跨距3）縮短主軸懸伸長度4）提高軸承剛度（三）主軸系統(tǒng)的振動主軸系統(tǒng)的振動，會影響主軸回轉(zhuǎn)精度和主軸軸承的壽命，還會因產(chǎn)生噪聲而影響工作環(huán)境影響主軸系統(tǒng)振動的因素很多，如帶傳動時的單向受力、電動機(jī)軸與主軸連接方式不好、主軸上零件存在不平衡質(zhì)量等解決主軸振動的方法：1）用橡膠聯(lián)接傳動

2）用金屬彈性元件聯(lián)接傳動

3）用直流電機(jī)直接傳動

（四）主軸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性主軸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性是指主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度對溫度的敏感性。當(dāng)環(huán)境溫度變化或傳動件摩擦升溫會使主軸回轉(zhuǎn)軸線位置發(fā)生變化，從而影響主軸的回轉(zhuǎn)精度提高主軸系統(tǒng)熱穩(wěn)定性可采取如下措施

:1）正確選擇和設(shè)計軸系2）合理選擇推力支承位置3）減小熱源影響4）采用熱補償措施（五）合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)，減小力變形

主軸和軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)合理，裝配、調(diào)試及更換要方便。主軸設(shè)計應(yīng)避免奇形怪狀，而產(chǎn)生應(yīng)力變形；主軸上的堅固件應(yīng)盡量少，以減小夾緊應(yīng)力產(chǎn)生的變形，必要時應(yīng)設(shè)計成凸肩帶軸肩的主軸結(jié)構(gòu)（六）主軸系統(tǒng)的壽命

為了長時間保持主軸的回轉(zhuǎn)精度，主軸系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的耐磨性。通常靜壓和動壓軸系由于無摩擦無磨損，壽命很長；滾動摩擦軸系由于摩擦系數(shù)小于普通滑動摩擦軸系而壽命較長；普通滑動摩擦軸系的耐磨性取決于軸頸和軸套的工作面，而滾動摩擦軸系的耐磨性取決于滾動軸承

為了提高耐磨性，除了選取耐磨材料外，還應(yīng)進(jìn)行合理地?zé)崽幚?，如高頻淬火、氮化處理等。對于滾動摩擦軸系和普通滑動摩擦軸系還應(yīng)選擇合適的潤滑油，充分潤滑二、精密油膜滑動軸承軸系結(jié)構(gòu)及設(shè)計（一）半運動式圓柱形軸承軸系

應(yīng)用十分廣泛的經(jīng)緯儀軸系的典型結(jié)構(gòu)

軸套固定不動，軸旋轉(zhuǎn)。軸套的錐形表面與主軸圓柱面及軸肩端面之間，有一圈精密滾珠，構(gòu)成錐形滾動支承，由它承受重量(軸向力)又具有自動定心作用

半運動式柱形軸承軸系

圓錐形滑動軸系（二）錐形滑動軸承

錐形滑動軸承軸系的軸承由相同錐度的軸與軸套所組成，中間靠薄薄的潤滑油隔開

（三）V形弧滑動軸承軸系刻劃機(jī)V形弧滑動軸承軸系三、滾動摩擦軸系及設(shè)計（一）標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承軸系滾動摩擦軸系有兩類：一類是標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承的軸系，另一類是非標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承的軸系。

標(biāo)準(zhǔn)的滾動軸承已標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，可根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度、剛度等要求選用，不用再設(shè)計（二）單列滾動軸承軸系

單列滾動軸承軸系的上下軸承的滾珠按單列排放結(jié)構(gòu)簡單制造安裝維修方便具有較高的回轉(zhuǎn)精度（可達(dá)0.1μm）在小型、低速輕載儀器中獲廣泛應(yīng)用漸開線齒形儀主軸系統(tǒng)（三）密珠軸承軸系1．密珠軸承軸系的特點及結(jié)構(gòu)儀器中常用的軸系結(jié)構(gòu)由主軸、軸套和密集于二者之間的具有過盈配合的滾珠所組成成本較低且使用方便、壽命長、精度也較高承載能力不大，適用于輕載、低速小型儀器中

密珠軸系結(jié)構(gòu)1、3—止推板2、8—端面止推滾珠4—小滾珠5—徑向滾珠6—隔離圈

7—軸套9—主軸lO—彈簧片ll—壓帽2．密珠軸承設(shè)計要點（1）滾珠的密集度：適當(dāng)提高滾珠密集度，即增加滾珠數(shù)量，可以使主軸的“飄移”有所改善（2）滾珠的排列方式：排列方式必須滿足每個滾珠的滾道互不重疊，并在直徑方向上滾珠的配置成對稱的原則（3）過盈量的確定：過盈量的選擇是密珠軸承設(shè)計中的重要問題，過盈量能補償軸承零件的加工誤差，提高軸系的回轉(zhuǎn)精度和剛度

徑向軸承隔離圓孔的排列四、氣體靜壓軸承軸系結(jié)構(gòu)及設(shè)計空氣靜壓軸承軸系的典型結(jié)構(gòu)

圓柱形空氣靜壓軸承軸系1一進(jìn)氣嘴2一過濾片3一外罩4一軸承套5一徑向節(jié)流孔6一軸向節(jié)流孔7一氣浮軸8一上止推板9一寶石軸承l(wèi)O一襯套11一連接板12一下止推板由氣體潤滑軸承構(gòu)成的圓柱形空氣靜壓軸系結(jié)構(gòu)簡單，回轉(zhuǎn)精度高，工藝性好，因此應(yīng)用比較普遍

（1）圓柱型空氣靜壓軸承軸系

混合形空氣靜壓軸承軸系1一進(jìn)氣孔2一主軸3一凸球4一進(jìn)氣口5、6、8一凹半球7一軸套9一凸半球型圓柱軸承套10一壓簧11一支承板（2）圓球與圓柱混合型空氣靜壓軸承軸系獲得美國專利的混合型空氣靜壓軸承軸系

五、液體靜壓軸承軸系及設(shè)計特點:1）形成液體摩擦，摩擦力極小，幾乎無磨損，壽命長，轉(zhuǎn)動靈活，消耗功率小2）與氣體靜壓軸系相比剛度更高，承載能力大，常用于大型或重型儀器上，在機(jī)床上應(yīng)用比較廣泛。3）回轉(zhuǎn)精度較高，可達(dá)0.05μm。由于油液分子的平均作用，使軸系回轉(zhuǎn)精度可高于零件加工精度。4）抗振性好于氣體靜壓軸承。5）需要一套高質(zhì)量的供油系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)復(fù)雜化而且成本也較高。液體靜壓軸承軸系是由壓力油將軸系浮起進(jìn)行工作的軸承（一）工作原理（二）液體靜壓軸承軸系結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)圓度儀用液體靜壓軸承軸系原理圖1—濾油網(wǎng)2—液壓泵3—溢流閥4—精濾油器5—節(jié)流器6—軸承

圓度儀用液體靜壓軸承軸系1—濾油網(wǎng)2—內(nèi)套3—軸向液壓軸承4—傾斜調(diào)整螺釘5—調(diào)心臺6—調(diào)節(jié)螺釘7—主軸8—步進(jìn)電機(jī)液體靜壓軸承的主要參數(shù)（1）油腔形式和數(shù)量（2）軸承內(nèi)徑D

（3）軸承的長度L（4）軸向封油面寬度l1和周向封油邊寬度b1

（5）主軸和軸承配合直徑間隙2h0（6）油腔深度Z1

推薦Z1=（30～60）h0。（7）軸承跨距l(xiāng)

一般?。?～6）D。（8）回油槽深度Z2和寬度b2（9）軸與軸承的幾何形狀誤差（10）軸承材料軸系的比對

高要求高好較大好0.025μm

動壓軸系高要求高好較大好0.01~0.02μm

氣體靜壓軸系高要求高好大好0.05μm

液體靜壓軸系0.1μm

密珠軸系0.2μm

單列非標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承軸系較高要求較高較好較大較好0.5μm

標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承軸系滾動軸系0.2μm

圓錐滑動軸系低要求較低差大較差2~10μm

圓柱滑動軸系滑動軸系成本使用環(huán)境耐磨性承載能力轉(zhuǎn)動靈活性回轉(zhuǎn)精度

特性軸系名稱第五節(jié)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

在進(jìn)行點、線、面或空間曲面測量和精密定位時，精密機(jī)械系統(tǒng)需要作各種運動，如直線運動、回轉(zhuǎn)運動、曲線運動、空間運動等。這些運動需要驅(qū)動裝置、傳動裝置和控制裝置構(gòu)成一個伺服系統(tǒng)來達(dá)到各種精密運動的目的一、伺服系統(tǒng)的分類按控制特點分為點位控制和連續(xù)控制系統(tǒng)

點位控制系統(tǒng)是指控制點與點之間位置，而對運動軌跡沒有嚴(yán)格規(guī)定，如精密定位工作臺的定位。

連續(xù)控制系統(tǒng)則是用控制裝置連續(xù)控制兩個軸或多個軸同時連續(xù)運動、實現(xiàn)平面或空間曲面內(nèi)的精密定位。該系統(tǒng)較點位控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高。

按控制技術(shù)分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

由控制裝置發(fā)出的指令脈沖作用于電動機(jī)的驅(qū)動電路，它控制驅(qū)動電動機(jī)通過機(jī)械傳動裝置帶動工作臺運動。如果驅(qū)動電動機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，則可通過指令脈沖控制步進(jìn)電動機(jī)點動或連續(xù)運動，步進(jìn)電動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)可達(dá)（2000～3000）步/s。開環(huán)系統(tǒng)的運動速度上限受電動機(jī)驅(qū)動頻率和機(jī)械傳動裝置減速比限制。步進(jìn)電動機(jī)可鎖緊在任何位置上開環(huán)伺服系統(tǒng)適用于對運動速度和定位精度要求不高的場合

開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖驅(qū)動控制伺服電動機(jī)機(jī)械裝置工作臺

閉環(huán)伺服系統(tǒng)比較調(diào)節(jié)運算D/A驅(qū)動伺服電機(jī)機(jī)械裝置NCVC工作臺檢測裝置D/A位置檢測脈沖指令脈沖（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

與開環(huán)系統(tǒng)相比，增加了檢測裝置，可以隨時測出工作臺的實際位移，并將測得值反饋到控制裝置中與指令信號進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制。因此閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以校正傳動鏈內(nèi)的電氣裝置、機(jī)械剛度、間隙、摩擦、制造水平等形成的各種誤差，達(dá)到精確定位的目的閉環(huán)伺服系統(tǒng)按反饋和比較方式不同分為脈沖比較式、幅度比較式、相位比較式等閉環(huán)伺服系統(tǒng)實質(zhì)上是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)的響應(yīng)特性，如超調(diào)量、起調(diào)時間、調(diào)整時間、動態(tài)偏移誤差和動態(tài)重復(fù)性誤差等是反饋系統(tǒng)品質(zhì)的重要參量，而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差，如幅值誤差、相位誤差等是影響系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)檢測裝置的精度是影響閉環(huán)伺服系統(tǒng)精度的主要因素。常用的檢測裝置有：激光干涉儀、光柵系統(tǒng)、感應(yīng)同步器、CCD攝像系統(tǒng)等二、伺服驅(qū)動裝置常用的驅(qū)動裝置有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、同步電機(jī)、測速電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動器

三、機(jī)械傳動裝置齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、絲杠傳動、彈性傳動、摩擦傳動

傳動裝置的作用是傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，要求能使工作臺靈敏、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟蹤指令，實現(xiàn)精確移動（1）機(jī)械傳動裝置的選擇

選擇機(jī)械傳動裝置的主要依據(jù)是工作臺的定位分辨力和定位精度（2）機(jī)械傳動裝置的減速比

（3）機(jī)械傳動裝置的動力設(shè)計

動力系統(tǒng)要能提供足夠的力矩和功率，以使工作臺能跟隨指令運動（4）剛度計算四、伺服系統(tǒng)的精度

伺服系統(tǒng)的精度是指伺服系統(tǒng)帶動工作臺運動，到達(dá)點、線、面和空間位置的準(zhǔn)確度對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的誤差，都會影響伺服精度，它包括：伺服電動機(jī)運行誤差，如用步進(jìn)電動機(jī)時，步進(jìn)電動機(jī)的步距角誤差；機(jī)械傳動系統(tǒng)的機(jī)械傳動誤差，如齒輪傳動的齒形誤差、周節(jié)累積誤差，反向轉(zhuǎn)動時齒輪側(cè)隙造成失動等；螺旋副傳動的螺距誤差、傳動間隙、螺旋副的剛度；導(dǎo)軌的直線度誤差等。對于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它由控制環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)組成，由于反饋環(huán)節(jié)中有檢測裝置，由檢測值與指令值相比較，其差值去控制工作臺運動，因而控制環(huán)節(jié)的電氣誤差和機(jī)械誤差可以得到一定的校正，但是控制環(huán)節(jié)中小于一個控制脈沖的誤差是無法校正的，如調(diào)節(jié)運算誤差、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）誤差、步進(jìn)電動機(jī)的步距角誤差、機(jī)械裝置的靈敏限誤差等。對于反饋環(huán)節(jié)其誤差源主要有位置檢測裝置的檢測誤差、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的量化誤差等第六節(jié)微調(diào)與微位移機(jī)構(gòu)及設(shè)計一、微調(diào)機(jī)構(gòu)

微動微調(diào)機(jī)構(gòu)是精密儀器中廣泛使用的一種機(jī)構(gòu)，主要目的是使儀器中的某一部件在較小的氛圍內(nèi)進(jìn)行緩慢而平穩(wěn)地微量移動（角位移或線位移），或?qū)⑵湔{(diào)整到所需要的精確位置的一種機(jī)構(gòu)例如：光學(xué)儀器中的顯微鏡調(diào)焦；精密儀器讀數(shù)裝置或基準(zhǔn)部件的對零等對微調(diào)微動機(jī)構(gòu)的基本要求：1）結(jié)構(gòu)簡單又能保證較大的傳動比2）微動調(diào)節(jié)的靈敏度高3）傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整靈活、無空程4）工作可靠，調(diào)整好位置能夠鎖緊5）工藝性好，操作方便微動微調(diào)機(jī)構(gòu)主要分為機(jī)械傳動式微調(diào)機(jī)構(gòu)和光學(xué)機(jī)械傳動式微調(diào)機(jī)構(gòu)（一）機(jī)械傳動式微調(diào)機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動式微調(diào)機(jī)構(gòu)是利用機(jī)械傳動能產(chǎn)生大的傳動比這一特點設(shè)計的，如螺旋傳動微調(diào)機(jī)構(gòu)、凸輪傳動微調(diào)機(jī)構(gòu)、杠桿傳動微調(diào)機(jī)構(gòu)、摩擦傳動微調(diào)機(jī)構(gòu)等（二）光學(xué)機(jī)械傳動式微調(diào)機(jī)構(gòu)光學(xué)機(jī)械傳動式微調(diào)機(jī)構(gòu)是將機(jī)械式放大與光學(xué)放大結(jié)合，構(gòu)成大的位移縮小機(jī)構(gòu)實現(xiàn)精密微調(diào)。二、微位移機(jī)構(gòu)及設(shè)計微位移機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)都是產(chǎn)生微小運動量的機(jī)構(gòu)，常和人的手動相結(jié)合，借助人眼的瞄準(zhǔn)實現(xiàn)精密對準(zhǔn)和定位。

微位移機(jī)構(gòu)不僅要實現(xiàn)微量進(jìn)給，而且還需要精密檢測裝置和驅(qū)動控制裝置，又稱為微位移系統(tǒng)。微位移機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)相比更加強(qiáng)調(diào)的是給出精確的位移量和精密定位。微位移技術(shù)是一行程小、分辨力和精度都很高的技術(shù)，其精度要達(dá)到亞微米和納米級應(yīng)用微位移技術(shù)的系統(tǒng)稱為微系統(tǒng)它由微位移機(jī)構(gòu)、精密檢測裝置和控制裝置三部分組成（一）常用的微位移機(jī)構(gòu)

（1）柔性支承一壓電器件驅(qū)動的微位移機(jī)構(gòu)柔性支承無間隙、無摩擦、不發(fā)熱壓電驅(qū)動精度高、無噪聲、不受溫度和電磁場影響、體積小、不老化，因而很容易實現(xiàn)0.l～0.001μm的微位移柔性支承、壓電器件驅(qū)動的微位移機(jī)構(gòu)（2）平行片簧導(dǎo)軌一電壓器件驅(qū)動的微位移機(jī)構(gòu)微工作臺用平行片簧導(dǎo)向無間隙，無摩擦精度高0.01μm的位移分辨力

平行片簧導(dǎo)軌—壓電器件驅(qū)動的微位移機(jī)構(gòu)（3）滾動導(dǎo)軌一壓電器件驅(qū)動滾動導(dǎo)軌微工作臺原理圖導(dǎo)軌承片臺壓電陶瓷壓電陶瓷具有運動靈活、行程大、結(jié)構(gòu)較簡單、精度較高（4）平行片簧導(dǎo)軌一步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動

絲桿及彈性縮小工作臺杠桿式位移縮小機(jī)構(gòu)原理圖（5）平行彈簧導(dǎo)軌一電磁位移器驅(qū)動

楔塊式位移縮小機(jī)構(gòu)原理圖

電磁驅(qū)動的微動工作臺（6）氣浮導(dǎo)軌一步進(jìn)電機(jī)及摩擦傳動

氣浮導(dǎo)軌—步進(jìn)電機(jī)及靜摩擦傳動工作臺（7）二維X-Y雙向微位移工作臺

X-Y雙向微位移工作臺（

二）微驅(qū)動器件1、壓電及電致伸縮器件

壓電器件和電致伸縮器件是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件，它結(jié)構(gòu)緊湊體積小，位移分辨力高，控制簡單，不發(fā)熱，抗干擾性好，因而是理想的微位移器件，分辨力可達(dá)到0.001μm，定位精度可達(dá)±0.01μm

在微位移器件中，壓電及電致伸縮器是應(yīng)用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)工作的，即電介質(zhì)在外電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變2、電磁驅(qū)動器

電磁驅(qū)動器是用電磁力來驅(qū)動微工作臺。微工作臺可用平行片簧導(dǎo)軌導(dǎo)向，也可用金屬絲懸掛導(dǎo)向。通過改變電磁鐵線圈的電流來控制電磁鐵的吸引力，克服彈簧的作用力，達(dá)到控制工作臺微位移的目的

電磁式驅(qū)動器位移分辨力約0.1μm，最大初始間隙800μm左右，線性范圍±100μm。

電磁微驅(qū)動器方法簡單，驅(qū)動范圍大，但線圈通電流后易發(fā)熱，易受電磁干擾圖4-