《测控仪器设计第2版 教学课件 ppt 作者 浦昭邦 王宝光 第4章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控仪器设计第2版 教学课件 ppt 作者 浦昭邦 王宝光 第4章（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 精密机械系统的设计,在测控仪器中，精密机械系统对保证仪器的测量精度、定位精度和运动精度起着关键的作用。随着精密测量与控制技术的飞速发展，对测控仪器中的精密机械系统的功能和精度要求也越来越高。如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。 本章在精密机械设计基础上，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、轴系及伺服系统进行等。,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
2、移机构及设计,第一节 仪器的支承件设计,仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。它起着联接和支承仪器的机、光、电等各部分零件和部件的作用。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) 支承件的结构特点和设计要求,2) 支承件的结构设计内容,表4-1 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较,表4-1-1各种肋条(板)的形状及其优缺点,表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施,表4-2基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度,第二节 仪器的导轨及设计,一、导轨的功用与分类 导轨的功用： 导轨是稳
3、定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位 置精度的作用。其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。 动导轨上有工作台或拖板（滑板）、头架、尾座及其它夹持部件、测量装置 等。静导轨一般与仪器基座、立柱、横梁等支承件连接在一起或者做成一体。 导轨种类： 1）滑动摩擦导轨 两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。 2）滚动导轨 动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。 3）静压导轨 两导轨面间有压力油或压缩空气，由静压力使动导轨浮起形成 液体或气体摩擦。 4）弹性摩擦导轨 利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移。这种导轨 仅有弹性材料内分子间的内摩擦。,二、导轨设计的基本要求,三、导轨
4、设计应遵守的原理和准则,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。优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。缺点是摩擦阻力大、磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速度时，易产生爬行。,（一）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点,图414 导轨布置图 a）双V形导轨导向与压紧 b）万工显导轨布置图,(二) 滑动摩擦导轨主要尺寸的确定,五、滚动摩擦导轨及设计 滚动摩擦导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动摩擦状态。由于滚动摩擦阻力小，使工作台移动灵敏，低速移动时也不易产生爬行。工作台起动和运行消耗的功率小，滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，故在仪器中广泛应用。
5、 但是，这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力大。在设计这种导轨时，对导轨的直线度和滚动体的尺寸精度要求高。导轨对脏物比较敏感，要很好的防护，其结构比滑动导轨复杂，制造困难，成本高。 （一）滚动摩擦导轨的结构形式,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,（二）滚动摩擦导轨的组合应用,（三）滚动摩擦导轨主要尺寸的确定,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
6、气静压导轨。 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。,（一）液体静压导轨,图4-31 开式液体静压导轨工作
7、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,（二）空气静压导轨,提高气浮导轨性能的方法 为提高空气静压导轨的刚度和承载能力，可采用以下几种方法： 1）结构上采用闭式导轨，闭式导轨的工作面由两个相对安装的止推轴承构成，它的刚度一般为单面导轨的两倍，呈线性承载特性，稳定性好，运动精度高。 2）增加供气压力，增加供气压力可提高气膜的刚度。 3）减小浮起间隙，加大封闭力，在一定范围内气浮导轨的刚度随气膜厚度的减小而增大。 4） 载荷补偿，在导轨内或供气回路中，安装载荷补偿机构，使气浮导轨在载荷发生变化时，浮起量变化很小，从而使刚度增大。 5）提高阻尼力增加刚度，
8、如采用粉末冶金多孔材料节流器，用大面积微孔节流代替小孔节流，使静压导轨刚度提高；采用气、液双向润滑液，因润滑面含有油层，而增加滑动阻尼，使导轨运动方向的刚度增加；采用半气浮导轨，使导轨面有部分接触，保持恒定的库伦摩擦力，又有适当的阻力，提高了承载力和刚度。,气体静压导轨的气垫结构及节流形式 气浮导轨的气垫结构形式较多，见图4-40。图a图f为方形气垫，图g图j为圆形气垫。按进气孔数量分为单孔和多孔两种。单节流孔气垫结构简单，耗气量少，但角刚度差；多节流孔型则刚度较好，如图i为单排双沟槽气垫具有较大的角刚度和承载力，但耗气量大。 在气浮导轨中进行压力调节也是用节流器，但它形式简单，一般做成孔型，
9、称为节流孔，它分为环流孔和简单节流孔两类，见图4-41。,环形节流孔一般取dO.1mm，而h0O.02mm，这种节流形式最简单，但承载能力较低；简单节流孔有一深为h的气腔，其承载能力比环形节流孔式高30%，通常取h0O.02mm，d为0.1O.2mm，hd4。 气浮导轨间隙h与刚度K刚 对于一个支承气垫或总的支承气垫，其刚度为 （4-33） 式中，W为承载能力；负号表示随着载荷的增加，间隙h在减小。,图4-40 气垫形式,图4-41 节流孔 a)环形节流孔 b)简单节流孔,若稳压后的压缩空气气压为Ps，气室气压为pr，大气压为p0，则定义表压比为 对于中央进气孔的单孔气垫，实验得出Kg与间隙h
10、之间关系见图4-42。在 为0.69时刚度最大，对应的h*= 0.025mm。在线性工作段 （4-34）,图4-42 表压比随间隙变化曲线,对于单沟槽多孔环形沟的圆形气垫，其最大刚度在Kg为0.63处，对应的导轨间隙h约为0.03mm。,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，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
11、选择时要综合考虑。表4-4为各种导轨的比对。,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
12、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
13、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积的型式，因在径向方向球的接触角成90，故最适合于使用在水平导向上；该系列导轨属于能自然地吸收2轴间的平行度和水平度误差的自动调整型，能获得稳定的高精度且轻快、低噪音的直线运动，用途广泛；该
14、系列导轨的精度分为普通级、高级（H）、精密级（P）、超精密级（SP）和超超精密级（UP）。, 图4-48为LM导轨HSR系列，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，因球被保持板保持，即使将LM滑块从轨道上抽出，球也不会脱落；该系列导轨为使滑块的4个方向（径向方向、反径向方向、横向方向）具有相同的额定负荷，各球列被设计成45的接触角，无论何种姿态都可以，并且因施加均等的预压，从而既能一边维持较低的磨擦系数，又加强了4个方向的刚性，可以获得稳定的高精度直线运动，用途非常广泛；该系列导轨的精度分为普通级、高级（H）、精密级（P）、超精密
15、级（SP）和超超精密级（UP）； 图4-49为超小型LM导轨RSR系列，在导轨与滑块被精密研磨加工过的2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，其滑块被设计成既省空间又具有刚性的形状，同时与大直径的球相组合，在各方向都能得到高刚性，经久耐用，并能得到出色的直线运动；该系列导轨的精度分为普通级、高级（H）、精密级（P）。,图443 直线球滑座系列导轨,图444 交叉滚子工作台式导轨及结构示意图,图445 交叉滚子导轨,图446 带气缸的球滑座（LSC）型导轨,图447 LM导轨SR系列,图448 LM导轨HSR系列,图449 超小型LM导轨RSR系列,第三节 主轴系
16、统及设计 在测控仪器中，主轴系统由主轴、轴承及安装在主轴上的传动件或分度元件 组成。 凡作回转运动的仪器中都必须有主轴系统。因此主轴系统是测控仪器或精密 机械的关键部件。 在测控仪器中主轴系统的作用是作精密旋转运动，分度运动或进行精度分 度、测角等。 一、主轴系统设计的基本要求,（一）主轴回转精度 包括：径向、轴向、倾角、端面误差运动。 径向误差运动包括倾角运动和纯径向运动之和。 径向跳动包括径向误差运动及偏心和圆度误差 端面误差运动轴向误差运动 端面跳动-端面误差运动及端面与轴线的垂直度、平行度。,二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计,三、滚动摩擦轴系及设计,图464 渐开线齿形仪主轴系统,图469 径向轴承隔离圆孔的排列,四、气体静压轴承轴系结构及设计 气体静压轴承是以一定恒压的净化空气充满轴承套与轴之间，并以其为润滑介质构
