《《测控仪器设计》2014上课(第四章)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《测控仪器设计》2014上课(第四章)（108页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,第四章 精密机械系统的设计,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,本章在对测控仪器常用各种机械系统分析的基础上，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、轴系及微位移系统等,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,第一节 仪器的支承件设计,一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求,结构特点：,1）结构尺寸较大,2）结构比较复杂,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,设计要求,1）具有足够的刚度，力变形要小,2）稳定性好，内应力变形小,3）热变形要小,（1）严格控制工作环境温度,（2）控制仪器内的热源,（3）采取温
2、度补偿措施,4）有良好的抗振性,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,提高仪器抗振性措施,（1）减轻重量，提高固有频率,（2）合理的结构设计，提高静刚度,（3）减小内部振源影响,（4）采取隔振措施,如三坐标测量机规定激振频率在50Hz以下，振幅不超过5m。,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,二、基座与立柱等支承件的结构设计,(一)刚度设计,（1）有限元分析法,（2）仿真分析法,(二)基座与支承件的结构设计,（1）正确选择截面形状与外形结构,（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较,哈工大电气学院光电
3、信息测控技术与装备研究所,肋的布置形式,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,合理布置支撑点,精密仪器基座支撑点均为三点,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,二、基座与立柱等支承件的结构设计,(一)刚度设计 （1）有限元分析法 （2）仿真分析法 (二)基座与支承件的结构设计 （1）正确选择截面形状与外形结构 （2）合理地选择和布置加强肋增加刚度,（4）良好的结构工艺性，减小应力变形,（5）合理地选择材料,（3）正确的结构布局，减小力变形,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,常用的材料,
4、常用材料有铸铁、钢板、花岗石等铸铁材料常用灰口铸铁HTl50、HT200、HT250 ，球墨铸铁QT40-17和QT42-10 尺寸较小的基座或支架也可用钢板焊接而成，常用钢板材料为Q215、Q235和Q255 国内外采用花岗石制造基座、支承件日益普遍，我国制造的三坐标测量机等大中型仪器基座许多都用“泰山青”花岗石制作,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,花岗石具有许多优点：,1）稳定性好,2）加工简便,3）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数均很小,4）吸振性好,5）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好,6）维护保养方便,7）价格便宜,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,第二节 仪
5、器的导轨及设计,一、导轨的功用与分类,导轨的基本功用：传递精密直线运动,按导轨面间摩擦性质可分为,1）滑动摩擦导轨,2）滚动导轨,3）静压导轨,4）弹性摩擦导轨,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,二、导轨部件设计的基本要求,（一）导向精度,导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。,对一副导轨来说其直线度是非常重要的精度指标，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。,（1）导轨的几何精度,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,二、导轨部件设计的基本要求,（一）导向精度 导向精度是指动导轨运动
6、轨迹的准确度。对一副导轨来说其直线度是非常重要的精度指标，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。（1）导轨的几何精度,（2）接触精度,减少接触面的表面粗糙度：滑动导轨动导轨Ra 0.8-0.2m，静导轨0.4-0.1m 。滚动导轨面Ra 小于0.2m,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（二）导轨运动的平稳性,爬行现象,（三）刚度要求,（四）耐磨性要求,自重变形、局部变形、接触变形,耐磨性与摩擦性质、导轨材料、表面处理工艺、和受力情况有关,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,三、导轨设计应遵守的原理和准则,（一）运动学原理,哈
7、工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,三、导轨设计应遵守的原理和准则,（一）运动学原理,（二）弹性平均效应原理,（三）导向导轨与压紧导轨分立原则,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,导轨布置图1横向压紧轴承 2横向支承导轨 3横向支承滚动轴承 4基座 5横向滑架 6纵向支承滚动轴承 7纵向压紧轴承 8纵向导向导轨 9纵向导向滚动轴承 10横向导向导轨 11纵向滑架 12横向导向滚动轴承,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,四、滑动摩擦导轨及设计,滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。,优点:结构简单制造容易接触刚度大,缺点:摩擦
8、阻力大、磨损快动、静摩擦系数差别大低速度时，易产生爬行。,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（一）滑动摩擦导轨的截面形状,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（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,三角形和平面组合导轨,导向性好,平导轨制造简单,刚性好,应用较为广泛,缺点是导轨磨损不均匀，且牵引力的位置不在两导轨的中间。,（2）双三角形（V形）组合导轨,加工、检验和维修比较困难,需要较高的技术及精密的基准研具进行精研,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（3）双矩形组合导轨,适用于承载较大的普通精度的设备,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研
9、究所,（4）燕尾组合导轨,（5）双圆柱导轨,燕尾导轨,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,导轨主要尺寸的确定,1 、导轨宽度确定2 、V型导轨的角度3 、两条导轨的间距4、运动件导轨的长度,一般取导轨间距1.2-1.8之间,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,五、滚动摩擦导轨及设计,滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，故在仪器中广泛应用,这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力大。,（一）滚动导轨的结构形式及其特点,滚动导轨按不同的滚动体可分为,滚珠导轨,滚柱导轨,滚针导轨,滚动轴承导轨等,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,1滚珠导轨,V形滚珠导轨a）常用双V形滚珠导
10、轨 b）V形小圆弧导轨c）双圆弧导轨,（1）双V形滚珠导轨,运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩,(2)双圆弧滚珠导轨,计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用,接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、寿命长。,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨 优点：运动精度和灵活性较高，维修方便缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器上（如掩膜检查显微镜工作台）,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（4）V形-平面滚珠导轨加工和装配都方便缺点是左右两排滚珠中心运动速度不一致 万能工具显微镜19JA就采用该型滚珠导轨,a) 常用V形一平面
11、滚珠导轨b) V形一平面滚珠导轨运动分析,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,2滚柱（针）导轨,（1）V形滚柱导轨承载能力比较大耐磨性能好，灵活性不如滚珠导轨多用在重型仪器上,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（2）平面滚动导轨（滚珠或滚柱）,形状简单 加工比较容易,平面滚动导轨1滚柱 2上动板 3导轨 4导向轴承 5压紧触头 6下动板,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,滚动轴承导轨 摩擦力矩小运动灵活承载能力大调整方便用于大型仪器（如万工显、三座标、测长机等）注意导轨滚动轴承与标准轴承的区别,3滚动轴承导轨,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（二）滚动摩
12、擦导轨的组合应用,（1）滚动与滑动摩擦导轨的组合应用 滚动轴承导轨摩擦力 小 ，运动灵活 ， 用做导向,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合 形状简单，加工容易,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（3）滚柱和滚珠导轨的组合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。（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合轻载部件中使用,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,滚动导轨计算,1、运动导轨的长度2、滚动体的尺寸和数量3、强度与刚度计算,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,六、静压导轨及设计要点,静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力
13、油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦静压导轨的特点：摩擦系数极低，故没有爬行，不产生磨损，寿命长，驱动功率小精度高导轨的承载能力较大，刚度好 抗振性好结构复杂,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（一）液体静压导轨,开式液体静压导轨工作原理,开式液体静压导轨工作原理1动导轨 2静导轨 3节流器 4精滤油器5液压泵 6溢流阀 7滤油器 8油箱,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,开式液体静压导轨的特点:能较好的承受垂直载荷结构简单，便于加工和调整；节流器常采用毛细管式和单面薄膜反馈式。
14、 闭式液体静压导轨的特点： 承受载荷能力强 ；运动精度比开式的好，动态性能也较好；结构比较复杂，加工和装调比较麻烦；节流器采用毛细管式或双面薄膜反馈式,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（二）空气静压导轨,空气静压导轨工作原理,简单气垫,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,气浮导轨的形式,a）闭式平面导轨型：导轨精度高，刚性大，承载能力也大，最适于作精密机械的长行程导轨。 b）闭式圆柱或矩形导轨型：结构简单，不适用做长导轨，可用于高精度、高稳定性的短行程工作台的导轨。C)开式重量平衡型:这是工作台重量（包括负载）与空气静压相平衡保持一定间隙的一种形式，其结构简单、零件加工也比
15、较容易。但刚度小，承载能力低。 d)开式真空吸附平衡型:其结构与重量平衡型相同。由真空泵的真空压力来限制工作台的浮起量，因此，可以减少工作台浮起间隙量，甚至可以减少到1m，故可提高刚度。,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,气体静压导轨特点工作平稳、可靠运动精度高无磨损、无爬行承载力较低，导轨刚度较差需要一套清洁稳定的压缩空气源,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,七、设计时导轨选择要点,（一）导轨形式的选择,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,（二）标准导轨的选用,a）两滚道型导轨结构简图 b） 四滚道型导轨结构简图,滚动直线导轨主要分为标准滚珠导轨和圆柱导轨。,1、
16、标准滚珠导轨 标准滚珠导轨的商业产品有两滚道型和四滚道型。,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,a）,b）,超小型LM导轨RSR系列a）RSR系列导轨 b）RSR系列导轨的构造图,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,LM导轨SR系列,LM导轨HSR系列,a）,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,交叉滚子导轨,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究所,第三节 主轴系统及设计,一、主轴系统设计的基本要求主轴系统设计的主要要求:是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性 （一）主轴回转精度 主轴回转精度是指该主轴轴系的误差运动的大小 1）回转轴线 2）轴线平均线3）轴系的误差运动,
