機(jī)電裝備設(shè)計

機(jī)電裝備設(shè)計第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本要求及設(shè)計步驟

支承件是機(jī)電裝備中的重要基本構(gòu)件之一。組成：機(jī)身、立柱、橫梁、底座、工作臺、箱體及升降臺等大件。功用：支承其他零部件，使它們之間保持正確的相互位置和相對運動。支承件還承受各種作用力，不僅承受重力，還承受切削力、摩擦力、夾緊力等。有些支承件的內(nèi)部空間較大，常被利用作為切削液、潤滑液的儲存器或液壓油的油箱；有時，也可將變速箱、電動機(jī)和電氣箱等部件放在其中。第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1基本要求1）應(yīng)具有足夠的抵抗變形的能力；2）有良好的動特性，有足夠大的抵抗受迫振動和自激振動的能力；3）具有良好的熱穩(wěn)定性；4）應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以減少其內(nèi)應(yīng)力；5）加工及裝配工藝性好。支承件的性能對機(jī)電裝備的性能影響很大，其重量占總重量的80%以上。目前主要是根據(jù)同類機(jī)型上的支承件進(jìn)行類比設(shè)計。第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2設(shè)計步驟1）受力和變形分析，確定力和力矩；2）利用類比設(shè)計法初定其形狀和尺寸；3）采用有限元法（FEA），利用計算機(jī)進(jìn)行驗算或分析；4）在分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行熱變形和熱應(yīng)力分析；5）修改原設(shè)計方案，綜合對比，從中擇優(yōu)。4.2靜力分析

保證支承件具有足夠的剛度。先進(jìn)行受力和變形分析→由變形及引起有關(guān)零部件之間相對運動誤差→合理地進(jìn)行支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計→使其變形控制在允許的誤差范圍之內(nèi)→保證機(jī)電裝備的工作精度。第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1受力和變形分析（以臥式床身為例）

產(chǎn)生的彎矩使床身在垂直面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，從而使工件產(chǎn)生的加工誤差，但對工件直徑影響較小。

第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生的彎矩使床身在水平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，并使加工出的工件呈鼓形。變形量以近似1：1的比例關(guān)系反映在工件的半徑誤差上。

第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月床身橫截面上受到的轉(zhuǎn)矩為

轉(zhuǎn)矩使床身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，造成前后導(dǎo)軌不平行，喪失了車床的原始精度。車床工作時，刀架沿著變了形的導(dǎo)軌移動，使工件產(chǎn)生加工誤差。床身受到的扭轉(zhuǎn)變形是的占床身變形量的60～90％。

第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)計較長床身時，扭轉(zhuǎn)變形會使刀尖與工件間產(chǎn)生相當(dāng)大的位移，甚至?xí)蔀樽冃蔚闹饕矫妫虼艘⒁馓岣叽采淼目古偠?。在彎曲變形中，水平面的彎曲變形對加工精度影響較大，因此床身一般設(shè)計成近似方形，以提高其水平面內(nèi)的抗彎剛度。第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2靜剛度支承件剛度不足，則在重力、夾緊力、切削力和摩擦力等作用下會出現(xiàn)變形，振動或爬行等現(xiàn)象，影響裝備的性能和定位精度、加工精度等。支承件變形包括三部分；自身變形、局部變形和接觸變形。1提高支承件自身剛度自身剛度：支承件抵抗自身變形的能力。與支承件的材料、形狀、尺寸及肋板的布置等因素有關(guān)。1）合理選擇支承件的截面形狀無論圓形、方形或矩形，都是空心截面的慣性矩比實心的大；圓形截面的抗扭剛度比方形的大，抗彎剛度比方形的??；封閉截面的剛度比不封閉截面的大。

第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2）合理布置肋板和肋條

肋板又稱隔板，肋條又稱加強(qiáng)肋。肋板和肋條作用:使作用于支承件局部的載荷通過它們傳遞給其它部分→使整個支承件承受載荷→提高支承件的自身剛度。肋板是在支承件兩壁之間起連接作用的連接板?？v向肋板：提高抗彎剛度；橫向肋板：增加抗扭剛度；斜向肋板：提高抗彎和抗扭剛度作用。為了有效提高抗彎剛度，縱向肋板應(yīng)布置在彎曲平面內(nèi)。

第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

前者抗彎剛度明顯大于后者。第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

空心零件在扭轉(zhuǎn)時出現(xiàn)壁翹曲，引起截面畸變。增加橫向肋板后，畸變幾乎消失，端部位移大大減小。變形相同時材料消耗的比值第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月支承件受扭時，截面a1b1c1d1

相對于截面a2b2c2d2產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使a1與b2,d1與c2

之間的距離發(fā)生變化，引起截面畸變。增加斜向肋板后，使畸變減小，提高了抗彎剛度。第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月“T”形肋板：提高水平面上的抗彎剛度，b)“∩”形肋板：垂直面和水平面的抗彎剛度都比較高，應(yīng)用較多。c)肋板“W”形布置：提高水平面上的抗彎、抗扭剛度；d)采用封閉截面：提高了床身的剛度，又能自由排屑，鑄造較困難第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月肋條的作用與肋板相同，一般配置在支承件的內(nèi)壁上，以提高壁板的抗彎剛度，減少局部變形。當(dāng)壁板面積大于400mm×400mm時，在支承件的內(nèi)壁上增加肋條可避免出現(xiàn)薄壁振動現(xiàn)象。第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3）合理開孔和加蓋開孔是工藝上的需要，為了安裝機(jī)件或清砂，減輕重量及造型等的需要。窗孔對支承件的剛度的影響取決于它的大小和位置。φ0/φ為開孔前后扭轉(zhuǎn)角之比，實線表示在前壁上開一孔的情況，虛線表示前、后壁各開一孔的情況。

第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2提高支承件的連接剛度和局部剛度連接剛度：支承件在連接處抵抗變形的能力。局部剛度：支承件抵抗局部變形的能力。

連接剛度影響因素：連接處的材料、幾何形狀與尺寸，接觸處硬度及表面粗糙度、幾何精度和加工方法等因素有關(guān)。當(dāng)支承件以凸緣連接時，連接剛度取決于螺釘剛度、凸緣剛度和接觸剛度。為了保證支承件具有一定的接觸剛度，接合面上的壓力應(yīng)不小于1.5~2.0MPa,

第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月埋入式圖a）無肋板剛度較低；圖b）加了4條肋板剛度較高；圖c）店面為封閉式結(jié)構(gòu)，向內(nèi)加了工藝凹孔，6個螺釘在4個方向，其剛度最高。圖4-13顯示了在兩種不同的連接設(shè)計中，受載時E點處在y方向上的變形量。第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月增加凸緣厚度可提高慣性矩，但螺栓要相應(yīng)加長，使螺栓的伸長變形量增加，降低了接觸剛度，故凸緣厚度不宜太大。

第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月支承件的局部變形主要發(fā)生在載荷較集中的局部結(jié)構(gòu)處，它與局部變形處的結(jié)構(gòu)及尺寸等因素有關(guān)

第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3動態(tài)特性4.3.1動態(tài)分析支承件設(shè)計除了要滿足靜剛度的要求外，還應(yīng)滿足動態(tài)特性的要求。即支承件的固有頻率不能與激振頻率重合；應(yīng)具有較高的動剛度（共振狀態(tài)下，激振力的幅值與振幅之比）和較大的阻尼→支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下，其受迫振動的幅值較小。動態(tài)分析在已知系統(tǒng)的動力學(xué)模型、外部激振力和系統(tǒng)工作狀態(tài)，分析以下問題。1固有特性頻率目的：避免系統(tǒng)在工作時發(fā)生共振，對系統(tǒng)作進(jìn)一步的動態(tài)分析。

取決于物理模型。支承件看成為簡單振動系統(tǒng)：其固有特性主要指系統(tǒng)的固有頻率；支承件看成為復(fù)雜振動系統(tǒng)：其固有特性是指系統(tǒng)的各階固有頻率、阻尼和模態(tài)振型等。第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2動力響應(yīng)外部激振力作用時→系統(tǒng)將產(chǎn)生動力振動→系統(tǒng)的構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力→導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)疲勞損壞。振動響應(yīng)引起過大的動態(tài)位移，影響機(jī)電裝備的的工作性能。3動力穩(wěn)定性目的：確定機(jī)電裝備發(fā)生共振的臨界條件，保證機(jī)電裝備在規(guī)定的工作條件下不出現(xiàn)共振。

固有頻率和振型合稱為模態(tài)。自激振動：由系統(tǒng)本身的動力特性及系統(tǒng)工作過程所決定，不受外部激振力的影響。

顫振和爬行為自激振動。自激振動系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖a）為第一階模態(tài)的整機(jī)搖晃振動，頻率范圍約在15~30Hz，常見的為20~25Hz。圖b）為第二階模態(tài)的扭擺振動，頻率范圍約在30~120Hz，常見的是40~70Hz。圖c）為垂直彎曲振動，頻率約為80~140Hz。圖d）為水平彎曲振動。頻率范圍為90~150Hz。第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2改善動態(tài)特性的措施上式可看出，提高結(jié)構(gòu)動剛度的措施：提高系統(tǒng)的靜剛度K，增大系統(tǒng)中的阻尼比ξ，改變激振角頻率ω和系統(tǒng)的固有角頻率ωn

。第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月對于不同的激振頻率段，在提高動剛度時，采取的措施面有所不同?！窦ふ耦l率在“準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)”，即0＜λ＜

（0.6～0.7）時，提高結(jié)構(gòu)的靜剛度K；●在“共振區(qū)”，即(0.6～0.7)≤λ≤(1.3～1.4)時，增加阻尼ξ；●在“慣性區(qū)”，即λ＞(1.3～1.4)時，可加大結(jié)構(gòu)重量。第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月改善動態(tài)特性措施：1提高靜態(tài)剛度合理地設(shè)計支承件的結(jié)構(gòu)和尺寸，合理地布置肋板和肋條。此外，還應(yīng)注意支承件的整體剛度、局部剛度和接觸剛度的匹配等。2增加阻尼在振動頻率較高且接近固有頻率時，增加阻尼是提高支承件動剛度的有力措施，可大大降低其振幅，減小振動。常用方法：保留鑄件中的型芯，采用具有阻尼性能的焊接結(jié)構(gòu)，在支承件中灌注混凝土，表面噴涂具有高內(nèi)阻尼的粘滯性材料，利用接合面間的摩擦阻尼來減小振動。第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3調(diào)整固有頻率激振力的頻率一般較低，而支承件的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離激振力的頻率。方法：增加支承件的剛度或減少質(zhì)量，都可以提高固有頻率；而改變阻尼系數(shù)，對固有頻率的變化影響不大。4采用減振器采用減振器也是提高抗振性的一種有效的方法。其特點是結(jié)構(gòu)輕巧，在某些情況下比單純提高支承件結(jié)構(gòu)的剛度容易實現(xiàn)。第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4熱變形特性4.4.1熱平衡機(jī)電裝備在單位時間內(nèi)的發(fā)熱量等于其散熱量，就達(dá)到了熱平衡。機(jī)床一般要運轉(zhuǎn)2～3h，才能達(dá)到熱平衡。第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月支承件的熱量主要來自于某幾個相應(yīng)的熱源。熱源處溫度比其他部分的溫度高，離熱源越遠(yuǎn)則溫度越低，這樣就形成了溫度場。溫度場通?？捎玫葴鼐€來表示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，主軸箱前后軸承處溫度較高。第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2熱變形和熱應(yīng)力支承件的熱變形分為自由狀態(tài)熱變形和非自由狀態(tài)熱變形。由于溫度變化，機(jī)電裝備中的每個單元都要產(chǎn)生熱變形；同時，單元又是整體的一部分，它不能進(jìn)行自由變形，要受到其他單元的約束，故在單元與單元聯(lián)接的節(jié)點上產(chǎn)生了熱應(yīng)力。將熱應(yīng)力看作是等效的外力，就可求出等效力作用下支承件的變形→支承件的熱變形。該方法可將熱變形計算轉(zhuǎn)化為靜剛度計算問題。4.4.3減少熱變形的措施1控制溫升；2均衡溫度場；3采用熱對稱結(jié)構(gòu)；4采用溫度補(bǔ)償裝置；5在發(fā)生熱伸長主要部位采用熱膨脹系數(shù)小的材料；第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5結(jié)構(gòu)設(shè)計4.5.1截面形狀選擇a)前后頂三面封閉，容易制造，但剛度低；b)前后底三面密封，床身內(nèi)的空間可用于存儲潤滑油和切削液，以及安裝驅(qū)動機(jī)構(gòu)等，但床身前后壁之間無隔板相連，故剛度低；c)為兩面封閉的床身，剛度低，但便于排屑和冷卻液的流通，用于對剛度要求不高的機(jī)床；d)大型和重型機(jī)床的床身，采用三道壁，導(dǎo)軌多達(dá)4～5個。第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月立柱的截面形狀由剛度決定。對承受彎矩為主的立柱采用矩形截面，如g和h所示。對于受轉(zhuǎn)矩為主的支承件（如搖臂鉆床和立鉆的立柱），應(yīng)采用圓形截面，如e所示，外表面起導(dǎo)軌作用；對于同時承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的支承件應(yīng)采用近似方形的截面，如f所示，一般B/H=0.5~1.5。第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2壁厚設(shè)計為了減輕重量，節(jié)約材料，減小驅(qū)動力，節(jié)能，應(yīng)在結(jié)構(gòu)工藝可行的條件下，盡量減小支承件的壁厚?！痂T鐵的壁厚應(yīng)盡可能設(shè)計成均勻的形式，避免出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。○焊接結(jié)構(gòu)通常用鋼板和型鋼焊接而成。由于鋼的彈性模量約比鑄鐵大一倍，故用鋼板焊接成的支承件的抗彎剛度約為鑄鐵支承件的1.45倍。但鋼的阻尼是鑄鐵1/3，抗振性差?！鹪谠O(shè)計焊接件時，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)和焊縫上采取相應(yīng)的抗振措施。第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.3結(jié)構(gòu)工藝性第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.4焊接結(jié)構(gòu)由于沒有鑄件的截面形狀限制，故可做成封閉形式，可根據(jù)受力情況合理布置肋板和肋條來提高支承件的抗彎剛度和抗扭剛度。應(yīng)盡量使焊接件有簡單的形狀，減少焊接和鉗工工作量。采用對稱結(jié)構(gòu)等。第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.5常用材料與時效處理1鑄鐵鑄造性能好，內(nèi)摩擦力較大，阻尼系數(shù)大，使振動衰減的性能好，材料成本較低。常用HT200、HT150、HT100。

2鋼材可做成封閉結(jié)構(gòu)，剛性較好，質(zhì)量輕，固有頻率高。利用計算機(jī)，對焊接件的結(jié)構(gòu)和剛度進(jìn)行分析，根據(jù)受力情況，合理布置肋板和肋條，選擇合適厚度的材料，來提高支承件的動靜剛度。節(jié)材20～50%，抗振性差。第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土數(shù)控車床的混泥土底座和鑄鐵床身的組合：結(jié)構(gòu)阻尼性能好，支承件動剛度很高，安裝時不用地基。底座由鋼板焊接而成的箱體，內(nèi)充填混凝土，其中有鋼筋支承，床身連在它上面。床身是一個封閉的箱形鑄件，里面保留型砂，可提高床身的阻尼。第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4天然花崗巖優(yōu)點：性能穩(wěn)定，精度保持性好，抗震性好，阻尼系數(shù)比鋼大15倍，耐腐蝕性比鐵高5～6倍，熱導(dǎo)率和線脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性強(qiáng)，不導(dǎo)電，抗磁，與金屬不粘合，易于加工，通過研磨和拋光可以得到很高的表面粗糙度。缺點：抗沖擊性能差，脆性大，油和水等液體一滲入晶界中，使表面局部變形漲大。第42頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月5樹脂混凝土采用合成樹脂為粘接劑，加入固化劑、稀釋劑、增韌劑等將骨料固結(jié)而成。稱人造花崗巖特點：◆剛度高，具有良好的阻尼性能，阻尼比是灰鑄鐵的8～10倍；◆抗振性好；熱容量大，熱導(dǎo)率只有鑄鐵的1／40～1／25，熱穩(wěn)定性高，構(gòu)件的熱變形??；◆密度是鑄鐵的1／3，重量輕，可獲得良好的幾何形狀精度，表面粗糙度也較低；◆對切削液、潤滑劑、冷卻液有極好的耐腐蝕性；◆與金屬的粘結(jié)力強(qiáng)，可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)要求，預(yù)埋金屬件，減少機(jī)械