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1、第四章 精密机械系统的设计,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,第一节 精密机械系统现代设计方法,一、精密机械系统的计算机辅助设计 计算机辅助设计，是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。 在工程和产品设计中，CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。 主流CAD软件： Autodesk Inventor，SolidWorks, CATIA, SolidEdge, Pro/E, AutoCAD, UG NX, 0nespace等。,二、 模块化设计,20 世纪50年
2、代“模块化设计”概念被正式提出，它是指在对一定范围内不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，创建并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。,二、模块化设计,在长期的仪器设计实践中，很多机械部件已经形成标准的、系 列的模块化部件。比如滚动导轨组件，精密基准部件（长度基 准件，角度基准件），瞄准部件（标准CCD相机和镜头等）。 在设计过程中，对仪器的机械系统进行模块划分，对于专用部 件进行专门设计，对于通用模块可以选用标准模块。 模块化设计有如下优点： 1）设计和制造时间短； 2）有利于产品的更新换代和新产品开发； 3）有利于
3、降低产品成本，提高产品质量。 4）修方便。产品维修时,须更换损坏的模块,维修方便、快捷。,三 、反求工程设计,反求工程也称为逆向工程、反向工程，是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和技术的综合。实物反求通过一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构CAD模型的过程。,三、反求工程,真实的对象可以通过如三坐标测量机，激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。 3-matic、Imageware、PolyWorks、Rapidform或者Geomagic，这些软件都提供了将顶点云变成能可视图像或者被其他应用软件，如3D CAD、CAM
4、、CAE识别的格式的功能。 但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题,现代设计方法总结,现代设计方法的核心是充分发挥人的创造能力，利用各种现代科学技术手段使人从繁复的具体工作中解放出来，进行创造性的思维，实现技术创新和产品创新。,第二节 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,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）采取温度补偿措施,4）有良好的抗振性,提
5、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。,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,横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较,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
6、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,常用的材料,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,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、,7）价格便宜,第三节 仪器的导轨及设计,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,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,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
8、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,（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、加工工艺和受力情况有关,三、导轨设计应遵守的原理和准则,（一）运动学原理,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,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
9、构简单 制造容易 接触刚度大,缺点: 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）滑动摩擦导轨的截面形状,（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,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,（3）双矩形组合导轨,适用于承载较大的普通精度的设备,（4）燕尾组合导轨,（5）双圆柱导轨,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
10、般取导轨间距1.2-1.8之间,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,1滚珠导轨,（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。,（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
11、显微镜工作台）,（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,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,（2）平面滚动导轨（滚珠或滚柱）,形状简单 加工比较容易,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,（二）滚动摩擦导轨的组合应用,（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,（2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的
12、组合 形状简单，加工容易,（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,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,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,（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
13、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,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。 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,（二）空气静压导轨,空气静压导轨工作原理,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,七、设计时导轨选择要点,（一）导轨形式的选择,（二）标准导轨的选用,a）两滚道型导轨结构简图
14、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、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。,第四节 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,轴系的误差运动分为: 径向误差运动 轴向误差运动 倾角误差运动 端面误差运动 主轴系统回转误差（误差运动）的评定方法 以圆图像求中心的方法作为评定中心，其概念与圆度测量的四种评定中心是一致的，即最小
15、区域中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外切圆中心,造成主轴回转误差的主要原因,主轴和轴承加工的尺寸误差 形状误差及主轴和轴承的装配误差 主轴系统的刚度及润滑 阻尼现象,（二）主轴系统的刚度 提高主轴刚性的措施 1）加大主轴直径 2）合理选择支承跨距 3）缩短主轴悬伸长度 4）提高轴承刚度,（三）主轴系统的振动 1）用橡胶联接传动 2）用金属弹性元件联接传动 3）用直流电机直接传动 （四）主轴系统的热稳定性 提高主轴系统热稳定性可采取如下措施 : 1）正确选择和设计轴系 2）合理选择推力支承位置 3）减小热源影响 4）采用热补偿措施,（五）合理地设计结构，减小力变形 （六）主轴系统的寿命,
16、二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计 （一）圆柱形轴承轴系 结构简单，承载能力大 ，精度不高，摩擦力矩大,（二）半运动式圆柱形轴承轴系 应用十分广泛的经纬仪轴系的典型结构 特点:精度高，摩擦力矩小，加工难度大。,（三）锥形滑动轴承 定心精度高，磨损后可补偿。 对温度变化敏感，加工复杂 0.2m回转精度,（四）V形弧滑动轴承轴系 润滑油液中，因而使双周晃动油团无法沿圆周运动而被破坏 消除了双周晃动误差，精度高 精度可以达到0.035m 应用度盘检测仪已成功地应用在度盘检查仪、码盘光电检验仪、圆分度光电检验仪和圆刻划机等低恒速转动仪器上,三、滚动摩擦轴系及设计,（一）标准滚动轴承轴系,结构简单；制造安装维修方便；回转精度（可达2m）,标准轴承选择时需要注意事项,前轴承内环精度对主轴精度影响大，后轴承内环影响小。后轴承的精度可以选择得低些，通常比前轴承的精度可低一级。,（一）单列滚动轴承轴系 1、结构特点： 1）径向精度由基圆盘1的内孔、主轴2的外圆及二列单排的滚珠6保证；轴向精度由基圆盘的端面A、主轴轴肩端面B及介于两者之间
