精密機(jī)械系統(tǒng)基座與支承件

精密機(jī)械系統(tǒng)基座與支承件第4章精密機(jī)械系統(tǒng)1基座與支承件2精密x-y工作臺主軸系統(tǒng)34.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求三坐標(biāo)測量機(jī)數(shù)控加工中心汽車檢測平臺六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛性：在負(fù)載的作用下抵抗變形的能力?？拐鹦裕涸诮蛔冚d荷下抵抗變形的能力。穩(wěn)定性：內(nèi)應(yīng)力的存在引起的長期的變形。熱變形：熱脹冷縮效應(yīng)引起的變形。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度驗(yàn)證支承剛度——分析法懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)示意圖當(dāng)測頭在橫梁上左右移動時(shí)，由于測頭具有一定的重量，會引起橫梁的變形。

4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度驗(yàn)證支承剛度——分析法目前比較精確的試驗(yàn)方法有：4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度驗(yàn)證支承剛度——實(shí)驗(yàn)法（2）采用先進(jìn)的全息技術(shù)，對被測件在加載前后兩次感光，然后對全息照片中的干涉條紋進(jìn)行計(jì)算，可獲得被測件空間變形情況及任意部位的變形量。該方法精度很高，但是比較復(fù)雜。（1）采用專門的加載裝置和位移測量儀器，對實(shí)物有關(guān)部位分段加載并依次測出變形量。這種方法簡單直觀，但是試驗(yàn)工作量大，測量精度較低。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析蜻蜓翅膀由管狀的翅脈和有少許抗彎剛度的翅膜組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，翅脈一般是中空的。

主脈多形成四邊形網(wǎng)格，而次脈多形成五邊形或六邊形網(wǎng)格。這是因?yàn)樵谙嗤牧舷拢呅嗡鶉拿娣e比四邊形多，節(jié)省材料，而四邊形網(wǎng)格產(chǎn)生的剛度大，蜻蜓翅膀正是通過不同網(wǎng)格的組合運(yùn)用，使結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析前翅25.2mm×6.1mm;面積A1=34.5mm2;后翅25.5mm×9.4mm;面積A2=50.4mm2;總質(zhì)量m=158.9mg。步驟1：劃分網(wǎng)格用AutoCAD繪制蜻蜓膜翅脈絡(luò)圖，將生成的幾何模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，設(shè)置單元類型和參數(shù)，劃分網(wǎng)格，建立有限元力學(xué)模型。采集蜻蜓翅膀，在顯微鏡下觀察測量其形狀尺寸，取一組原始尺寸:4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析步驟2：定義屬性統(tǒng)一量綱：長度，dmm(絲米);力，bN;質(zhì)量，mg;時(shí)間，s。量綱換算關(guān)系為:1dmm=10－4m;1bN=10－10N;1mg=10－6kg。材料屬性為:彈性模量E=3.8×109N/m2=3.8×1011bN/dmm2;泊松比μ=0.25。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析步驟3：邊界條件及載荷邊界條件：蜻蜓翅膀在翅根處與基體相連，為準(zhǔn)確模擬蜻蜓翅膀在飛行過程中的受力特點(diǎn)及變形情況，將翅根端固定，建立懸臂網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。載荷：翅根處施加位移約束，主脈、次脈上施加相同的均布載荷q，均布載荷為蜻蜓飛行所需的最小升力，即自身體重分布在前、后翅上的平均值，滿足：4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析步驟4：結(jié)果分析在主脈與全脈模型的相同位置上，沿翅展方向各取13個(gè)觀察節(jié)點(diǎn)。結(jié)論：全脈加載的整體變形最大，全脈模型上主脈加載的整體變形最小。說明次脈對主框架撓度影響不大，主脈彎曲剛度大，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和承載能力。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析機(jī)床為采用水平床身配上傾斜放置的滑板的臥式數(shù)控車床，由床身、主軸箱、主軸、卡盤、回轉(zhuǎn)油缸、尾臺、縱橫滑板、刀架、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及防護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析對于裝配體，模型的簡化是關(guān)鍵：結(jié)合面的處理，軸承、螺栓、絲桿、導(dǎo)軌等的簡化。等效剛度原則：即簡化后的模型和原模型在剛度上應(yīng)基本保持一致。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析載荷：分別在主軸和刀架上沿X方向施加100N的反向力。結(jié)果：主軸X向靜剛度為67.5N/um刀架X向靜剛度為89.2N/umX向剛度分析4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析數(shù)控車床靜剛度測試包括：主軸X向和Z向靜剛度測試刀架X向和Z向靜剛度測試尾臺X向靜剛度測試機(jī)床X向綜合靜剛度機(jī)床Z向綜合靜剛度測試

以機(jī)床綜合靜剛度測試為例，通過施加卡持在主軸上的圓棒的力，以及利用固定在刀架上的千分表檢測出主軸頭位移，即可計(jì)算出機(jī)床綜合靜剛度。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析測試結(jié)果：

加載過程中，機(jī)床的靜剛度具有較好的線性度。

卸載過程中，靜剛度表現(xiàn)出一定的非線性，尤其在X向主軸靜剛度上表現(xiàn)較為明顯。同時(shí)，在卸載完成后，測試對象的變形量并沒有回到加載前的位置，而是有一定的變形殘留，表現(xiàn)出一定的遲滯性。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性改進(jìn)抗振性方法：振源：一般是回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零部件，如電機(jī)等。提高剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變固有頻率，避免共振增加阻尼或安裝隔振設(shè)施4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性用Pro/E建立振動電動機(jī)主軸的三維實(shí)體模型，該主軸是一個(gè)階梯軸，兩端圓柱體的半徑均為R20mm，長度為350mm。利用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料為45#鋼。例：振動電動機(jī)主軸的動態(tài)有限元分析4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性例：振動電動機(jī)主軸的動態(tài)有限元分析4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性例：振動電動機(jī)主軸的動態(tài)有限元分析當(dāng)主軸以臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會發(fā)生強(qiáng)烈的共振，導(dǎo)致軸壽命的下降，甚至破壞主軸。因此，設(shè)計(jì)的主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，小于各階臨界轉(zhuǎn)速。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性例：振動電動機(jī)主軸的動態(tài)有限元分析結(jié)論：在避開共振區(qū)域的前提下，可以通過增加主軸與電動機(jī)結(jié)合部預(yù)緊力、提高結(jié)合面加工質(zhì)量等措施，提高結(jié)合部的剛度，從而提高主軸的低階固有頻率。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求穩(wěn)定性自然時(shí)效處理人工時(shí)效處理：如振動法時(shí)效處理4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形機(jī)床工作過程中內(nèi)部各種熱源會產(chǎn)生大量的熱,這些熱量以一定的方式傳給機(jī)床的各個(gè)部件,引起它們的熱變形,從而影響機(jī)床的加工精度。

對于高精度機(jī)床,熱變形對加工精度的影響更加明顯,研究表明,在精密加工中,熱變形引起的加工誤差可能占到總誤差的40%~70%。例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究(1)發(fā)熱量的計(jì)算導(dǎo)軌與工作臺的接觸摩擦屬于滑動摩擦,由摩擦引起的發(fā)熱量用下式計(jì)算:式中:μ為動摩擦系數(shù)W為施于摩擦面上的負(fù)荷(單位為kg)g為重力加速度,取10m/s2J=熱功當(dāng)量,其值為4.2J/calv為滑動速度(單位:m/s)Q為發(fā)熱量(單位為卡/秒)4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形熱傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對流與輻射。由于床導(dǎo)軌系統(tǒng)溫升比較小,輻射散失的熱量可以忽略計(jì)。因此,只考慮傳導(dǎo)和對流。根據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則,換熱系數(shù)α的計(jì)算公式為例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究λ為流體熱傳導(dǎo)系數(shù)L為特征尺寸Nu為努謝爾特?cái)?shù)C,n為常數(shù)，與流體流動性質(zhì)、面朝向有關(guān)。Gr為格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)Pr為普朗特?cái)?shù)L為特征尺寸g為重力加速度β為體膨系數(shù)v為運(yùn)動粘度Δt為流體與壁面溫差換熱系數(shù)（2）邊界條件導(dǎo)軌的初始溫度為20攝氏度，導(dǎo)軌底部與機(jī)床其它部件直接接觸，設(shè)其為恒溫20攝氏度。導(dǎo)軌材料為碳鋼取導(dǎo)熱系數(shù)為55W(m·℃)彈性模量為120Gpa泊松比v=0.3材料線膨脹系數(shù)l=1.2×10-5m/℃?；瑒幽Σ料禂?shù)為0.05工作臺與導(dǎo)軌相對移動的平均速度為60m/min例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究（3）結(jié)果分析計(jì)算出導(dǎo)軌在運(yùn)行30分鐘后的溫度分布圖。從圖中可以看出,導(dǎo)軌面上的溫度分布不均勻,導(dǎo)軌面外側(cè)溫度較高,為25℃,而內(nèi)側(cè)溫度分布較低為24℃,相差1℃,這樣就造成了導(dǎo)軌面熱變形的不均勻。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究

基座與支承件材料的要求主要是：強(qiáng)度耐磨性穩(wěn)定性熱膨脹小良好的鑄造性和焊接性4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇A.鑄鐵鑄鐵的工藝性能好，易于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支承件，且價(jià)格便宜，但是制造周期比較長。HT20-40及Ⅰ級鑄鐵，抗彎抗壓強(qiáng)度高，鑄造性能較差，適用于結(jié)構(gòu)簡單的支承件。HT15-32及Ⅱ鑄鐵，鑄造性能好，但機(jī)械性能稍差，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支承件。高磷鑄鐵、釩鈦鑄鐵和銅磷鑄鐵，耐磨性能好，高出一般鑄鐵耐磨性3倍左右。適用于大中型精密儀器支承件。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇B.鋼板因?yàn)閯偛牧系膹椥阅Ａ勘辱T鐵的大，所以在同樣載荷下，可以做得比鑄鐵材料質(zhì)量輕。且制造周期短，容易制造。對于單件小批量生產(chǎn)的支撐，多用鋼板焊接。如：三坐標(biāo)測量機(jī)的可移動龍門架、立柱、橫梁等幾乎都采用鋼板焊接件。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇C.花崗石優(yōu)點(diǎn)：極好的穩(wěn)定性、組織細(xì)密堅(jiān)實(shí)、極好的耐磨性（比鑄鐵高5-10倍）、不會磁化、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大、抗振性能好（內(nèi)阻尼系數(shù)是鋼鐵的15倍左右）、耐腐蝕、加工簡便、色澤漂亮觀感氣派。缺點(diǎn)：易碎、不能承受沖擊力、且吸水、吸油時(shí)要變形。多用于精密儀器的支承件。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、選擇合適的截面形狀和尺寸支承件受拉及壓時(shí)，變形量與截面積大小有關(guān)而與截面形狀無關(guān)。

當(dāng)支承受彎曲或扭轉(zhuǎn)時(shí)，變形量的大小不但與截面積有關(guān)還與截面形狀有關(guān)。相同截面積時(shí)，空心截面的慣性矩比實(shí)心截面大，在相同載荷下，減小壁厚加大外形尺寸可以提高剛度。方形截面的抗彎剛度比圓型截面大，抗扭剛度比圓型截面小。封閉截面比不封閉截面的剛度大。4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、選擇合適的截面形狀和尺寸4.1基座與支承件

——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求

肋是指連接兩壁的內(nèi)壁，其形狀和位置根據(jù)受力的大小和方向而定。支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、設(shè)置不同形式的肋和筋常見的肋形狀有“+”“X””*”。“+”