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1、第4章 精密机械系统,1,基座与支承件,2,精密x-y工作台,主轴系统,3,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,三坐标测量机,数控加工中心,汽车检测平台,六自由度并联机构,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚 性：在负载的作用下抵抗变形的能力。 抗震性：在交变载荷下抵抗变形的能力。 稳定性：内应力的存在引起的长期的变形。 热变形：热胀冷缩效应引起的变形。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,验证支承刚度分析法,悬臂式坐标测量机示意图,当测头在横梁上左右移动时，由于测头具有一定的重量，会引起横梁的变形。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,验证支承刚
2、度分析法,目前比较精确的试验方法有：,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,验证支承刚度实验法,（2）采用先进的全息技术，对被测件在加载前后两次感光，然后对全息照片中的干涉条纹进行计算，可获得被测件空间变形情况及任意部位的变形量。该方法精度很高，但是比较复杂。,（1）采用专门的加载装置和位移测量仪器，对实物有关部位分段加载并依次测出变形量。这种方法简单直观，但是试验工作量大，测量精度较低。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：蜻蜓翅膀结构刚度分析,蜻蜓翅膀由管状的翅脉和有少许抗弯刚度的翅膜组成的网状结构，翅脉一般是中空的。 主脉多形成四边形网格，而次脉多形成五边形
3、或六边形网格。这是因为在相同材料下，六边形所围的面积比四边形多，节省材料，而四边形网格产生的刚度大，蜻蜓翅膀正是通过不同网格的组合运用，使结构更加优化。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：蜻蜓翅膀结构刚度分析,前翅25.2 mm6.1 mm; 面积A1=34.5 mm2; 后翅25.5 mm9.4 mm; 面积A2=50.4 mm2; 总质量m=158.9 mg。,步骤1：划分网格,用AutoCAD绘制蜻蜓膜翅脉络图，将生成的几何模型导入ANSYS有限元分析软件中，设置单元类型和参数，划分网格，建立有限元力学模型。,采集蜻蜓翅膀，在显微镜下观察测量其形状尺寸，取一组原始尺寸
4、:,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：蜻蜓翅膀结构刚度分析,步骤2：定义属性,统一量纲： 长度，dmm(丝米); 力，bN; 质量，mg; 时间，s。 量纲换算关系为: 1dmm=104m; 1 bN=1010N; 1 mg=106 kg。 材料属性为: 弹性模量E=3.8109N/m2=3.81011bN/dmm2; 泊松比=0.25。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：蜻蜓翅膀结构刚度分析,步骤3：边界条件及载荷,边界条件： 蜻蜓翅膀在翅根处与基体相连，为准确模拟蜻蜓翅膀在飞行过程中的受力特点及变形情况，将翅根端固定，建立悬臂网格结构进行力学分析。
5、载荷： 翅根处施加位移约束，主脉、次脉上施加相同的均布载荷q，均布载荷为蜻蜓飞行所需的最小升力，即自身体重分布在前、后翅上的平均值，满足：,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：蜻蜓翅膀结构刚度分析,步骤4：结果分析,在主脉与全脉模型的相同位置上，沿翅展方向各取13个观察节点。,结论： 全脉加载的整体变形最大，全脉模型上主脉加载的整体变形最小。 说明次脉对主框架挠度影响不大，主脉弯曲刚度大，具有更强的稳定性和承载能力。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：数控车床静刚度试验及有限元分析,机床为采用水平床身配上倾斜放置的滑板的卧式数控车床，由床身、主轴箱、主轴、
6、卡盘、回转油缸、尾台、纵横滑板、刀架、数控系统、伺服驱动系统、电气系统、液压系统、冷却系统、润滑系统及防护系统等构成。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：数控车床静刚度试验及有限元分析,对于装配体，模型的简化是关键：结合面的处理，轴承、螺栓、丝杆、导轨等的简化。 等效刚度原则：即简化后的模型和原模型在刚度上应基本保持一致。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：数控车床静刚度试验及有限元分析,载荷：分别在主轴和刀架上沿X方向施加100N的反向力。 结果： 主轴X向静刚度为67.5N/um 刀架X向静刚度为89.2N/um,X向刚度分析,4.1 基座与支承件结
7、构特点及主要技术要求,刚度,例：数控车床静刚度试验及有限元分析,数控车床静刚度测试包括： 主轴X向和Z向静刚度测试 刀架X向和Z向静刚度测试 尾台X向静刚度测试 机床X向综合静刚度 机床Z向综合静刚度测试 以机床综合静刚度测试为例，通过施加卡持在主轴上的圆棒的力，以及利用固定在刀架上的千分表检测出主轴头位移，即可计算出机床综合静刚度。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,刚度,例：数控车床静刚度试验及有限元分析,测试结果： 加载过程中，机床的静刚度具有较好的线性度。 卸载过程中，静刚度表现出一定的非线性，尤其在X向主轴静刚度上表现较为明显。同时，在卸载完成后，测试对象的变形量并没有回到
8、加载前的位置，而是有一定的变形残留，表现出一定的迟滞性。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,抗振性,改进抗振性方法：,振源：一般是回转运动的零部件，如电机等。,提高刚度，优化结构设计 改变固有频率，避免共振 增加阻尼或安装隔振设施,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,抗振性,用Pro/E建立振动电动机主轴的三维实体模型，该主轴是一个阶梯轴，两端圆柱体的半径均为R20mm，长度为350mm。利用ANSYS进行网格划分。材料为45#钢。,例：振动电动机主轴的动态有限元分析,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,抗振性,例：振动电动机主轴的动态有限元分析,4.1 基座与支承件
9、结构特点及主要技术要求,抗振性,例：振动电动机主轴的动态有限元分析,当主轴以临界转速旋转时，会发生强烈的共振，导致轴寿命的下降，甚至破坏主轴。因此，设计的主轴最高转速20000r/min，小于各阶临界转速。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,抗振性,例：振动电动机主轴的动态有限元分析,结论：在避开共振区域的前提下，可以通过增加主轴与电动机结合部预紧力、提高结合面加工质量等措施，提高结合部的刚度，从而提高主轴的低阶固有频率。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,稳定性,自然时效处理 人工时效处理：如振动法时效处理,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,机床工作过程
10、中内部各种热源会产生大量的热,这些热量以一定的方式传给机床的各个部件,引起它们的热变形,从而影响机床的加工精度。 对于高精度机床,热变形对加工精度的影响更加明显,研究表明,在精密加工中,热变形引起的加工误差可能占到总误差的40% 70%。,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,(1)发热量的计算 导轨与工作台的接触摩擦属于滑动摩擦,由摩擦引起的发热量用下式计算: 式中: 为动摩擦系数 W为施于摩擦面上的负荷(单
11、位为kg) g为重力加速度,取10m/s2 J=热功当量,其值为4.2J/cal v为滑动速度(单位:m/s) Q为发热量(单位为卡/秒),4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,热传递有三种基本方式：传导、对流与辐射。由于床导轨系统温升比较小,辐射散失的热量可以忽略计。因此,只考虑传导和对流。 根据努谢尔特准则,换热系数的计算公式为,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,为流体热传导系数 L为特征尺寸 Nu为努谢尔特数,C,n为常数，与流体流动性质、面朝向有关 。 Gr为格拉晓夫准数 Pr为普朗特数 L为特征尺寸 g为重力加速度 为体膨系数 v为运动粘度 t为流体与壁面温差,换
12、热系数,（2）边界条件 导轨的初始温度为20摄氏度，导轨底部与机床其它部件直接接触，设其为恒温20摄氏度。 导轨材料为碳钢 取导热系数为55W(m) 弹性模量为120Gpa 泊松比v=0. 3 材料线膨胀系数l=1. 210-5m/。 滑动摩擦系数为0.05 工作台与导轨相对移动的平均速度为60m/min,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,（3）结果分析 计算出导轨在运行30分钟后的温度分布图。从图中可以看出,导轨面上的温度分布不均匀,导轨面外侧
13、温度较高,为25,而内侧温度分布较低为24,相差1,这样就造成了导轨面热变形的不均匀。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,热变形,例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究,基座与支承件材料的要求主要是： 强度 耐磨性 稳定性 热膨胀小 良好的铸造性和焊接性,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件材料的选择,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件材料的选择,A. 铸铁,铸铁的工艺性能好，易于铸造结构复杂的支承件，且价格便宜，但是制造周期比较长。,HT20-40 及级铸铁，抗弯抗压强度高，铸造性能较差，适用于结构简单的支承件。 HT15-32 及铸铁，铸造性能好，但
14、机械性能稍差，适用于结构复杂的支承件。 高磷铸铁、钒钛铸铁和铜磷铸铁，耐磨性能好，高出一般铸铁耐磨性3倍左右。适用于大中型精密仪器支承件。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件材料的选择,B. 钢板,因为刚材料的弹性模量比铸铁的大，所以在同样载荷下，可以做得比铸铁材料质量轻。且制造周期短，容易制造。对于单件小批量生产的支撑，多用钢板焊接。如：三坐标测量机的可移动龙门架、立柱、横梁等几乎都采用钢板焊接件。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件材料的选择,C.花岗石,优点：极好的稳定性、组织细密坚实、极好的耐磨性（比铸铁高5-10倍）、不会磁化、热膨胀系数小、弹性模量大
15、、抗振性能好（内阻尼系数是钢铁的15倍左右）、耐腐蚀、加工简便、色泽漂亮观感气派。 缺点：易碎、不能承受冲击力、且吸水、吸油时要变形。多用于精密仪器的支承件。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件结构设计,一、选择合适的截面形状和尺寸,支承件受拉及压时，变形量与截面积大小有关而与截面形状无关。 当支承受弯曲或扭转时，变形量的大小不但与截面积有关还与截面形状有关。,相同截面积时，空心截面的惯性矩比实心截面大，在相同载荷下，减小壁厚加大外形尺寸可以提高刚度。 方形截面的抗弯刚度比圆型截面大，抗扭刚度比圆型截面小。 封闭截面比不封闭截面的刚度大。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术
16、要求,支承件结构设计,一、选择合适的截面形状和尺寸,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,肋是指连接两壁的内壁，其形状和位置根据受力的大小和方向而定。,支承件结构设计,二、设置不同形式的肋和筋,常见的肋形状有“+”“X”*”。 “+”“X”形肋在垂直方向的抗弯刚度差不多，且铸造简单。“*”形肋的刚度最好，大型高精度仪器常用这种类型的肋。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件结构设计,二、设置不同形式的肋和筋,筋一般配置在内壁上，主要是为了减小局部变形。如大中型仪器当导轨和基座铸成一体时，在连接处增设筋。筋一般有直形筋、人字筋和个字筋。,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件结构设计,二、设置不同形式的肋和筋,1-工作台 2-床身 3-基座 4-平面支承面 5-圆锥型球窝支承面 6-V型槽支承面,4.1 基座与支承件结构特点及主要技术要求,支承件结构设计,三、基座和床身支承方法和支承点选择,仪器基座、床身支承方法和支承点的数目，对其变形有不可忽视的影响，最少的支承点是三。一般高精度的底座多采用三点支承，且三个支承
