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1、第四章 精密机械系统的设计保证仪器的测量精度、定位精度、运动精度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。本章共分为五节： 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 主轴系统及设计第四节 伺服机械系统设计第五节 微位移机构及设计第一节 仪器的支承件设计支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等作用：联接和支承仪器的机、光、电等各部分零件和部件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1
2、) 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立柱 1.结结构尺寸较较大2.结结构比较较复杂杂3.要承受外载载荷及其变变化4.受热变热变形影响较较大要具有足够够的刚刚度，力变变形要小刚度设计 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。 稳稳定性好，内应应力变变形小对铸 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
3、 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) 支承件的结构设计内容名称 刚刚度设计设计 结结构设计设计 基座立柱 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
4、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）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
5、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结构 三角形肋 铸铸造肋 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
6、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 口 铸铸 铁铁HTl50 HT200 HT250 150MPa 200MPa 250MPa 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500 600，再经4 8h保温，再缓慢 冷却。 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 墨 铸铸 铁铁QT 40-17 QT 42-10 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
7、用与HT铸铁 相似的应力退火 即加热到860 900适当保温后 ，迅速转至250 300的等温盐浴 中，等温处理30 90min，再取出进 行空冷。等温淬火 后其强度极限可达 12001500MPa ，硬度3850HRC 。 名称代号抗拉强度优点缺点 钢钢板 Q215 Q235 Q255 215MPa 235MPa 255MPa 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 、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 岗岗 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
8、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5 10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、撞击和敲打。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，
9、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、平面滚滚柱导导轨轨 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、滚滚动轴动轴 承导轨导轨 摩擦力矩小，运动灵活，承载能
10、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)。（二）滚动摩擦导轨的组合应用名称特点图示滚动滚动 与滑动动摩擦导导轨轨的组组合 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 承和滑动导轨 的组合 1平面滑动导轨 2滚动轴 承导轨滚滚柱导轨导轨与滚动轴滚动轴承导轨导轨 的组组合 由于滚柱导轨刚 性好，这里采
11、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名称特点图示滚滚柱和滚滚珠导轨导轨 的组组合 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滚滚柱与长长圆圆柱轴导轴导轨组轨组 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。由于圆柱加工方便，对角精度要求不高，可在轻载部件中使用。见图4-30六、静压导轨及设计要点 静压导轨定义：静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体
12、压力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。根据导轨面间产生静压力的介质不同而分为液体静压导轨和空气静压导轨。（一）液体静压导轨 工作过程：液体静压导轨在导轨上有油腔。当压力油注入后，动导轨和工作台 浮起，在导轨面间形成一层非常薄的油膜，且油膜的厚度基本上保持恒定不 变，使导轨具有高的运动精度。（二）空气静压导轨 空气静压导轨上有气垫，当压缩空气引入后，由于压缩空气的静压力而使动导 轨及工作台浮起。 六、静压导轨及设计要点 静压导轨的特点：1）静压导轨的导轨面间摩擦是液体分子或气体分子摩擦，因而摩擦系数极低（0.0005），故没有爬行，不产生磨
13、损，寿命长，驱动功率小。2）精度高，静压导轨是根据弹性平均原理设计的，因液体或气体分子的弹性平均作用而使导轨运动精度提高。3）导轨的承载能力较大，刚度好。液体静压导轨因压力油粘性远大于气体静压导轨的空气粘度，因而液体静压导轨刚性好于气体静压导轨。4）导轨工作面充满压力油或压缩空气，而有吸振作用，抗振性好。5） 静压导轨的缺点是结构复杂，调整费事，成本较高。需要一套严格过滤的供油或供气设备。七、设计时导轨选择要点（一）导轨形式的选择在设计仪器时，其导轨形式的选择是非常重要的一个环节，导轨的选择不仅决定了仪器的精度指标是否达到设计要求，同时也决定了仪器的成本高低；选择导轨形式时，要考虑的因素很多，
14、如导向精度、运动平稳性、承载能力（刚度）、耐磨性、使用环境、安装形式、各向静力矩、运动速度、行程大小、成本等因 素。由于每种形式的导轨各有其特点，所以在选择时要综合考虑。表4-4为各种导轨的比对。特性 导轨导轨名称 导导向精度运动动平稳稳 性承载载能力耐磨性使用环环境成本滑动导轨动导轨较较高较较好大差要求不高低 滚动导轨滚动导轨高较较好较较低较较好要求较较高较较高 液体静压压 导轨导轨高好较较大好要求高高空气静压压 导轨导轨高好较较低好要求高高表4-4 各种导轨的比对（二）标准导轨的选用（参考）随着工业产品规模化、标准化的发展，目前世界上有很多公司都生产标准化各种用途的导轨，并使之规模化来降低
15、成本。而在仪器设计时应尽量采用标准化的导轨，来满足设计的需求，使仪器产品的成本降低并使仪器的生产周期缩短，提高产品的市场竞争力。当前，市场上导轨产品很多，主要有THK、NB、HIWIN、SBC、SNK等品牌的产品。这些品牌的导轨产品主要有直线运动导轨、交叉滚子导轨等。以下为THK公司生产的几种典型标准导轨的图片。 图4-43为直线球滑座LSP型导轨，该系列导轨的保持架是由小齿轮和齿条形成的组合机构，在高速运动时保持架不会偏离；图4-44为交叉滚子导轨工作台，有VRT和VRU两种型号，具有高精度、小型、高刚性的有限直线运动导向单元，其往复精度为1.5m； 图4-45为交叉滚子导轨VR系列和球导轨
16、VB系列，VR系列导轨是利用独特的滚子保持方法来增加滚子的有效接触长度，具有高刚性、高精度、小型化的有限形 式的直线运动系统， 其广泛应用精密机器、光学测试仪器、光学工作台、X射线装置等的滑座部分，其精度级别分为高级（H）、精密级（P）； 图4-46为带气缸的球滑座LSC型导轨，它是通过从设在基础端面上的2个空气接口供给空气来获得往复运动，因气缸是复动型式，其移动的速度可以通过速度控制器来调整，同时，保持架是有小齿轮和齿条形成组合机构，在使用中不会出现保持架的偏离，在高速、高频度低使用中也能获得完美的直线运动； 图4-47为LM导轨SR系列，它装配高度低，是小体积径向负荷能力大的LM导轨的代表型号；在导轨与滑块被精密研磨加工过的4列滚动沟槽上球进行滚动，再通过装在滑块上的端盖板使各列球进行循环运动, 因为球被保持板保持，即使将LM滑块从轨道上取下来，球也不会脱落；该系列导轨是端面高度低且小体
