第四章精密機(jī)械系統(tǒng)

精密儀器設(shè)計(jì)Design

of

PrecisionInstrument§

4.1

基座和支承件連接和支撐各種零部件，保證零部件的相互位置。支承件：是機(jī)床的基礎(chǔ)構(gòu)件，包括床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺(tái)、箱體和升降臺(tái)等。也稱為“大件”。作用：承載和作為基準(zhǔn)。支承其它機(jī)床零部件，保持它們的相對(duì)位置，承受各種切削力等。4.1.1支承件的分類1、梁類件：一個(gè)方向的尺寸比另外兩個(gè)方向的大得多的零件。如床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。2、板類件：兩個(gè)方向的尺寸比第三個(gè)方向的大得多的零件。如底座、工作臺(tái)、刀架等。3、箱形件：三個(gè)方向的尺寸都差不多的零件。如箱體、升降臺(tái)等。搖臂鉆床分析立柱和搖臂——梁類件；底座——板類件；主軸箱——箱形件。4.1.2對(duì)支承件的基本要求1、使用要求安裝其它零部件、排屑暢通、吊運(yùn)安全。2、工藝要求便于制造和裝配。3、性能要求應(yīng)具有足夠的靜剛度、較高的剛度—重量比。應(yīng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。4、應(yīng)具有較好的熱變形特性。支承件的固有頻率不致與激振頻率重合而產(chǎn)生共振；應(yīng)具有較大的動(dòng)剛度（激振力的副值與振副之比）、較大的阻尼，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅較小。性能要求支承件的靜剛度例：床身載荷是通過(guò)導(dǎo)軌面施加到床身上去的。變形包括床身自身的變形，導(dǎo)軌部分局部的變形，導(dǎo)軌表面的接觸變形。支承件的變形自身變形局部變形接觸變形設(shè)法減小熱變形、不均勻熱變形，以降低對(duì)加工精度的影響。散熱、隔熱。加大散熱面積、加設(shè)散熱片、風(fēng)扇、人工致冷、隔離熱源。均熱。采用：“熱對(duì)稱”等結(jié)構(gòu)，使熱變形對(duì)精度的影響較小。熱變形特性的要求4.1.3重要支承件的設(shè)計(jì)步驟根據(jù)不同要求，基座和支撐件的設(shè)計(jì)可采取經(jīng)驗(yàn)、類比、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算等方法，主要有材料選擇、選擇截面、布置筋板等1、進(jìn)行受力分析。2、初步?jīng)Q定其形狀和尺寸。3、進(jìn)行驗(yàn)算。4、修改、對(duì)比，選擇最佳方案。支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取適當(dāng)措施，提高支承件的自身剛度、局部剛度和接觸剛度。1、提高支承件自身剛度的措施正確選擇支承件形狀和尺寸合理布置隔板合理開(kāi)窗、加蓋1、正確選擇支承件形狀和尺寸支承件的變形，主要是彎曲和扭轉(zhuǎn)，與截面慣性矩有關(guān)，即與截面形狀有關(guān)。材料和截面積相同而形狀不同時(shí)，截面慣性矩相差很大。提高支承件的剛度，必須選取有利的截面形狀。表11—2，截面積近似地皆為10000mm2八種不同截面形狀的抗彎和抗扭慣性矩的比較。（1）截面積相同時(shí)，空心截面的剛度大于實(shí)心的。，。加大輪廓尺寸，減小壁厚，可大大提高剛度?？箯潉偠龋壕匦?gt;方形>園形抗扭剛度：園形>方形>矩形不封閉的截面比封閉的截面，剛度顯著下降。特別是抗扭剛度，下降更多。提高支承件自身剛度的措施合理布置隔板隔板：在支承件兩外壁間起連接作用的內(nèi)壁。隔板的作用：把作用于支承件局部地區(qū)的載荷傳遞給其他壁板，從而使整個(gè)支承件承受載荷，提高支承件的自身剛度。當(dāng)支承件不能做成封閉的截形時(shí)，則在其內(nèi)部設(shè)置隔板，以提高自身剛度。設(shè)置隔板是提高剛度的有效方法之一，其效果比增加壁厚更為顯著。提高支承件自身剛度的措施合理配置加強(qiáng)肋（筋）有些支承件的內(nèi)部要安裝其它機(jī)構(gòu)，不但不能封閉，即使安裝隔板也會(huì)有所妨礙，這時(shí)采用加強(qiáng)肋來(lái)提高剛度。合理配置加強(qiáng)肋是提高局部剛度的有效方法。

(3)加強(qiáng)肋的高度可取為壁厚的4～5倍，厚度與壁厚之比為0．8～1。支承件的材料和熱處理1、支承件的材料支承件常用的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然花崗巖、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、樹(shù)脂混凝土等2、支承件的時(shí)效處理，目的是消除殘余應(yīng)力鑄鐵和鋼質(zhì)的支承件需要進(jìn)行時(shí)效處理以消除內(nèi)應(yīng)力。時(shí)效處理：自然時(shí)效，人工時(shí)效，振動(dòng)時(shí)效。普通精度機(jī)床的支承件：粗加工后進(jìn)行一次時(shí)效。精密機(jī)床的支承件：粗加工前、后各一次。高精度機(jī)床的支承件：進(jìn)行熱時(shí)效處理后，進(jìn)行天然時(shí)效處理——把鑄件堆放在露天一年左右，讓它們充分地變形。4.2.導(dǎo)軌的作用和分類功用:導(dǎo)向和承載在外力作用下，能準(zhǔn)確地沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)動(dòng)導(dǎo)軌——運(yùn)動(dòng)的一方支承導(dǎo)軌——不動(dòng)的一方只有一個(gè)自由度直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)4.2.1種類和特點(diǎn)開(kāi)式導(dǎo)軌——依靠外載荷和部件自重，使兩導(dǎo)軌面在全長(zhǎng)上保持貼合的導(dǎo)軌閉式導(dǎo)軌——用壓板作為輔助導(dǎo)軌面保證主導(dǎo)軌面貼合的導(dǎo)軌4.2.2導(dǎo)軌應(yīng)滿足的基本要求導(dǎo)向精度：影響因素主要有結(jié)構(gòu)類型、幾何精度和接觸精度、導(dǎo)軌和基座剛度、導(dǎo)軌的油膜厚度和油膜剛度、導(dǎo)軌和基座的熱變形等。剛度：自身變形、局部變形和接觸變形耐磨性：與磨擦性質(zhì)、導(dǎo)軌材料、加工工藝以及受力情況等有關(guān)。降低導(dǎo)軌面的比壓；保證良好的防護(hù)和潤(rùn)滑、正確選擇材料和熱處理工藝；合理選擇加工方法。運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性導(dǎo)軌的類型滑動(dòng)導(dǎo)軌最常見(jiàn)的導(dǎo)軌其它類型的導(dǎo)軌都是在滑動(dòng)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有良好的工藝性剛度和精度易于保證在一般機(jī)床上廣泛應(yīng)用滾動(dòng)導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌空氣靜壓導(dǎo)軌剛度剛度是指材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。是材料彈性變形難易程

度的一個(gè)象征。材料的剛度通常用彈性模量E來(lái)衡量。在彈性范圍內(nèi)，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。它的倒數(shù)稱為柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度。靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度。動(dòng)載荷下抵抗變形的能力稱為動(dòng)剛度，即引起單位振幅所需的動(dòng)態(tài)力。如果干擾力變化很慢（即干擾力的頻率遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的固有頻率），動(dòng)剛度與靜剛度基本相同。干擾力變化極快（即干擾力的頻率遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)），結(jié)構(gòu)變形比較小，即動(dòng)剛度比較大。當(dāng)干擾力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí),有共振現(xiàn)象,此時(shí)動(dòng)剛度最小，即最易變形，其動(dòng)變形可達(dá)靜載變形的幾倍乃至十幾倍。一個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度（k）是指彈性體抵抗變形（彎曲、拉伸、壓縮等）的能力。計(jì)算公式：k=P/δ

，P是作用于機(jī)構(gòu)的恒力，δ是由于力而產(chǎn)生的形變。剛度的國(guó)際單位是牛頓每米（N/m）。強(qiáng)度強(qiáng)度：金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。強(qiáng)度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)。強(qiáng)度是機(jī)械零部件首先應(yīng)滿足的基本要求。金屬材料在外載荷的作用下抵抗塑性形變和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。按外力作用的性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等，工程常用的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，這兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)可通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)出。強(qiáng)度是指零件承受載荷后抵抗發(fā)生斷裂或超過(guò)容許限度的殘余變形的能力。也就是說(shuō)，強(qiáng)度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)。強(qiáng)度是機(jī)械零部件首先應(yīng)滿足的基本要求。機(jī)械零件的強(qiáng)度一般可以分為靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度（彎曲疲勞和接觸疲勞等）、斷裂強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、高溫和低溫強(qiáng)度、在腐蝕條件下的強(qiáng)度和蠕變、膠合強(qiáng)度等項(xiàng)目。強(qiáng)度的試驗(yàn)研究是綜合性的研究，主要是通過(guò)其應(yīng)力狀態(tài)來(lái)研究零部件的受力狀況以及預(yù)測(cè)破壞失效的條件和時(shí)機(jī)。硬度材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對(duì)外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標(biāo)。由于規(guī)定了不同的測(cè)試方法，所以有不同的硬度標(biāo)準(zhǔn)。各種硬度標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)含義不同，相

互不能直接換算，但可通過(guò)試驗(yàn)加以對(duì)比。早在1822年，F(xiàn)riedrichmohs提出用10種礦物來(lái)衡量世界上最硬的和最軟的物體，這是所謂的摩氏硬度計(jì)。硬度試驗(yàn)是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單易行的一種試驗(yàn)方法。為了能用硬度試驗(yàn)代替某些機(jī)械性能試驗(yàn)，生產(chǎn)上需要一個(gè)比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān)系。（一）導(dǎo)向精度導(dǎo)向精度：直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的直線性圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的真圓性導(dǎo)軌同其它運(yùn)動(dòng)件之間相互位置的準(zhǔn)確性影響因素:導(dǎo)軌的幾何精度結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)軌及其支承件的自身剛度油膜剛度熱變形等(二）精度保持性剛度耐磨性剛度不足，影響部件之間的相對(duì)位置精度和導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，使導(dǎo)軌面上的比壓分布不均，加劇導(dǎo)軌的磨損耐磨性——導(dǎo)向精度能否長(zhǎng)期保持導(dǎo)軌耐磨性與導(dǎo)軌材料、導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌受力情況及兩導(dǎo)軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。（三）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性保證在作低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)不出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象。影響：使加工表面粗糙度增大；定位運(yùn)動(dòng)時(shí)的不平穩(wěn)，將降低定位精度影響因素：導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值傳動(dòng)動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度等（四）結(jié)構(gòu)工藝性在可能的情況下，應(yīng)盡量使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和維護(hù)對(duì)于刮研導(dǎo)軌，應(yīng)盡量減少刮研量對(duì)于鑲裝導(dǎo)軌，應(yīng)做到更換容易對(duì)導(dǎo)軌材料的要求和搭配要求——耐磨性好、工藝性好、成本低。常用材料——鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料，鑄鐵應(yīng)用最為普遍為了提高耐磨性和防止咬焊，動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌應(yīng)盡量采用不同的材料如果選用相同的材料，也一定要采取不同的熱處理方式以使其具有不同的硬度。截面形狀滑動(dòng)導(dǎo)軌兩大類——凸形和凹形凸形導(dǎo)軌不易積存切屑，但難以保存潤(rùn)滑油，只適合于低速運(yùn)動(dòng)凹形導(dǎo)軌潤(rùn)滑性能良好，適合于高速運(yùn)動(dòng)，為防止落入切屑等，必須配備良好的防護(hù)裝置從限制自由度的角度出發(fā)，采用一條導(dǎo)軌即可。用一條導(dǎo)軌，移動(dòng)部件無(wú)法承受顛覆力矩直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌一般由兩條導(dǎo)軌組合重型機(jī)床，常用三條或三條以上導(dǎo)軌的組合導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題間隙調(diào)整導(dǎo)軌接合面之間都存在間隙間隙過(guò)小，增加運(yùn)動(dòng)阻力，加速導(dǎo)軌磨損間隙過(guò)大，降低導(dǎo)向精度，容易產(chǎn)生振動(dòng)調(diào)整方法：鑲條和壓板1．壓板壓板用于調(diào)整間隙和承受顛覆力矩2．鑲條。鑲條用來(lái)調(diào)整矩形和燕尾形導(dǎo)軌的側(cè)面間隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。常用的鑲條有平

鑲條和斜鑲條兩種。導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題導(dǎo)軌的潤(rùn)滑目的：減少磨損以延長(zhǎng)導(dǎo)軌使用壽命；降低溫度以改善工作條件；降低摩擦力以提高機(jī)械效率；保護(hù)導(dǎo)軌表面以防止發(fā)生銹蝕。方法：人工定期澆油或油杯供油在機(jī)床上裝手動(dòng)油泵，在工作前拉動(dòng)油泵幾次，進(jìn)行人工潤(rùn)滑現(xiàn)代機(jī)床上多采用壓力油強(qiáng)制潤(rùn)滑導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題導(dǎo)軌的防護(hù)1．刮板式2.隙縫式3．整罩式4．層疊式導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題提高導(dǎo)軌耐磨性的措施（一）力求無(wú)磨損磨損原因：配合面在一定的壓強(qiáng)作用下直接接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)不磨損條件———相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不直接接觸接觸時(shí)則無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)不直接接觸——保證完全的液體潤(rùn)滑，使?jié)櫥瑒┌涯Σ撩嫱耆指糸_(kāi)。如靜壓導(dǎo)軌、靜壓軸承或其它的靜壓副。動(dòng)壓導(dǎo)軌和動(dòng)壓軸承也可以達(dá)到完全的液體潤(rùn)滑狀態(tài)，但油膜壓強(qiáng)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。因此，在起動(dòng)或停止的過(guò)程中仍難免磨損。滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)和應(yīng)用滾動(dòng)導(dǎo)軌就是在導(dǎo)軌面之間裝有一定數(shù)量的滾動(dòng)體，兩個(gè)導(dǎo)軌面只和滾動(dòng)體接觸，使導(dǎo)軌面之間的摩擦性質(zhì)成為滾動(dòng)摩擦。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)?。?.0025～0.005） 靜、動(dòng)摩擦系數(shù)很接近運(yùn)動(dòng)輕便靈活；運(yùn)動(dòng)所需功率?。荒Σ涟l(fā)熱少；磨損小；精度保持性好（鋼制淬硬導(dǎo)軌修理期間隔可達(dá)10～15年）；低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，一般沒(méi)有爬行現(xiàn)象移動(dòng)精度和定位精度高（一般重復(fù)定位誤差約0.1～0.2μm）。滾動(dòng)導(dǎo)軌潤(rùn)滑簡(jiǎn)單（可用油脂潤(rùn)滑）；維護(hù)方便（只需更換滾動(dòng)體）；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)象滑動(dòng)導(dǎo)軌那樣因動(dòng)壓效應(yīng)而浮起滾動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜制造比較困難成本比較高剛度較低抗振性較差對(duì)臟物比較敏感，必須有良好的防護(hù)裝置滾動(dòng)導(dǎo)軌的應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)精密位移的機(jī)床，如坐標(biāo)鏜床、數(shù)控機(jī)床、仿形機(jī)床等。外圓磨床砂輪架為實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給：工具磨床為手搖工作臺(tái)輕便；立式車床為提高速度；平面磨床工作臺(tái)導(dǎo)軌為防止高速移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生浮起，以提高加工精度；大型外圓磨床工作臺(tái)