《機電一體化系統(tǒng)設計》第三章課件

高職高專機電類專業(yè)系列教材

機電一體化系統(tǒng)設計

主編

楊俊偉參編

王

莉機械工業(yè)出版社目錄第一部分基礎篇第1章機電一體化認知第2章機電一體化系統(tǒng)設計認知習題與思考題第二部分技術篇第3章機械傳動與導向支撐技術第4章伺服驅動技術習題與思考題第5章計算機控制及接口技術習題與思考題第三部分應用篇第6章典型機電一體化系統(tǒng)第四部分實踐篇第7章工業(yè)機器人的機電一體化系統(tǒng)設計第五部分

拓展篇第8章柔性制造系統(tǒng)（FMS）與計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）機電一體化系統(tǒng)設計叁第3章機械傳動與導向支撐技術3.1常用傳動機構的認知3.2導向支撐機構認知

習題與思考題主要內容及重點知識叁主要內容本章明確了機械傳動機構、機械支撐與導向機構、機座等機電一體化系統(tǒng)中的機械結構。重點知識同步帶、諧波齒輪、滾珠花鍵等的傳動機構的認知。導軌、軸系支撐機構的認知。機身的結構設計。返回主頁3.1.1機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求3.1.2同步帶傳動3.1.3諧波齒輪傳動3.1.4滾珠花鍵傳動3.1常用傳動機構的認知3.1常用傳動機構的認知在機電一體化系統(tǒng)中，機械結構主要用于執(zhí)行機構、傳動機構和支承部件，用以完成規(guī)定的動作、傳遞功率、運動和信息，起支承連接作用等。通常，它們是微機控制伺服系統(tǒng)的有機組成部分。因此，在機械系統(tǒng)設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統(tǒng)的性能參數(shù)、電氣參數(shù)的匹配，以獲得良好的伺服性能。返回主頁3.1.1機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求傳統(tǒng)的機械傳動是一種把動力機產生的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構的中間裝置，是一種扭矩和轉速的變換器，其目的是使驅動電動機與負載之間在扭矩和轉速上得到合理的匹配。在機電一體化系統(tǒng)中，普遍采用計算機控制和具有動力、變速與執(zhí)行等多重功能的伺服電動機。伺服電動機的伺服變速功能在很大程度上代替了機械傳動中的變速機構，大大減化了傳動鏈。因此機電一體化系統(tǒng)中的機械傳動裝置也不再僅僅是轉矩和轉速的變換器，已成為伺服系統(tǒng)的組成部分，必需根據(jù)伺服控制的要求進行選擇和設計。例如，在數(shù)控機床的設計中，把機械傳動部分放在電動機調速系統(tǒng)中統(tǒng)一考慮，以提高整個系統(tǒng)的動態(tài)特性。機電一體化機械系統(tǒng)應具有良好的伺服性能，要求機械傳動部件轉動慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振性好、間隙小，并滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性等要求。機電一體化系統(tǒng)常用的機械傳動有：齒輪傳動、帶傳動、螺旋傳動、鏈傳動、鍵傳動等。下面主要介紹同步帶傳動、諧波齒輪傳動、滾珠花鍵傳動等。3.1.1機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求3.1.2同步帶傳動1.同步帶傳動的特點同步帶傳動是綜合了帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動特點的一種新型傳動。如圖3-1所示，帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運動和動力。與一般帶傳動相比較，同步帶傳動具有如下特點：（1）傳動比準確，傳動效率高；（2）工作平穩(wěn)，能吸收振動；（3）不需潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便；（4）中心距要求嚴格，安裝精度要求高；（5）制造工藝復雜，成本高。圖3-1同步帶傳動2.同步帶的分類及應用同步帶的分類及應用見表3-1。本節(jié)主要介紹梯形齒同步帶傳動。3.1.2同步帶傳動表3-1同步帶的分類及應用表3-1同步帶的分類及應用3.同步帶的結構、主要參數(shù)和尺寸規(guī)格（1）結構和材料同步齒形帶一般由帶背、承載繩、帶齒組成。在以氯丁橡膠為基體的同步帶上，其齒面還覆蓋了一層尼龍包布，如圖3-2所示。承載繩傳遞動力，同時保證帶的節(jié)距不變。因此承載繩應有較高的強度和較小的伸長率。目前常用的材料有：鋼絲、玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維（簡稱芳綸）。帶齒是直接與鋼制帶輪嚙合并傳遞扭矩的。因此不僅要求有高的抗剪強度和耐磨性，而且要求有高的耐油性和耐熱性。用于連接、包覆承載繩的背帶，在運轉過程中要承受彎曲應力，因此要求帶背有良好的韌性和耐彎曲疲勞的能力，以及與承載繩良好的粘結性能。帶背和帶齒一般采用相同材料制成，常用的有聚氨酯橡膠和氯丁橡膠兩種材料。

包布層僅用于以氯丁橡膠為基體的同步帶，它可以增加帶齒的耐磨性，提高帶的抗拉強度，一般用尼龍或綿綸絲織成。3.1.2同步帶傳動圖3-2梯形齒同步帶構造（2）主要參數(shù)和規(guī)格同步帶的主要參數(shù)是帶齒的節(jié)距Pb，如圖3-3所示。由于承載繩在工作時長度不變，因此承載繩的中心線被規(guī)定為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線長度Lp作為其公稱長度。同步帶上相鄰兩齒對應點沿節(jié)線度量的距離稱為帶的節(jié)距Pb。3.1.2同步帶傳動圖3-3同步帶主要參數(shù)國家標準GB11616-89，對同步帶型號、尺寸作了規(guī)定。同步帶有單面齒（僅一面有齒）和雙面齒（兩面都有齒）兩種型式。雙面齒又按齒排列的不同，分為DI型（對稱齒形）和DII型（交錯齒形），如圖3-4所示。兩種形式的同步帶均按節(jié)距不同分為七種規(guī)格，見表3-2。3.1.2同步帶傳動圖3-4雙面齒類型表3-2同步帶的型號和節(jié)距（3）同步帶的標記帶的標記包括長度代號、型號、寬度代號。雙面齒同步帶還應再加上符合DⅠ或DⅡ。

3.1.2同步帶傳動4.同步帶輪帶輪的結構、材料

帶輪結構如圖3-5所示。為防止工作帶脫落，一般在小帶輪兩側裝有擋圈。帶輪材料一般采用鑄鐵或鋼。高速、小功率時可采用塑料或輕合金。3.1.2同步帶傳動圖3-5同步帶輪5.帶輪的參數(shù)及尺寸規(guī)格齒形與梯形齒同步帶相匹配的帶輪，其齒形有直線形和漸開線形兩種。直線齒形在嚙合過程中，與帶齒工作側面有較大的接觸面積，齒側載荷分布較均勻，從而提高了帶的承載能力和使用壽命。漸開線齒形，其齒槽形狀隨帶輪齒數(shù)而變化。齒數(shù)多時，齒廓近似與于直線。這種齒形優(yōu)點是有利于帶齒的嚙入，其缺點是齒形角變化較大，在齒數(shù)少時，易影響帶齒的正常嚙合。

齒數(shù)z在傳動比一定的情況下，帶輪齒數(shù)越少，傳動結構越緊湊，但齒數(shù)過少，使工作時同時嚙合的齒數(shù)減少，易造成帶齒承載過大而被剪斷。此外，還會因帶輪直徑減少，使與之嚙合的帶產生彎曲疲勞破壞。國標標準GB11361-89規(guī)定的小帶輪最少齒數(shù)見表3-3。3.1.2同步帶傳動表3-3小帶輪允許用最少齒數(shù)帶輪的標記國家標準GB11361-89同步帶輪標準與GB11616-89同步帶標準相配套，對帶輪的尺寸及規(guī)格等作了規(guī)定。與帶一樣有：MXL、XXL、XL、L、H、XH、XXH七種。帶輪的標記由帶輪齒數(shù)、帶的型號和輪寬代號表示。3.1.2同步帶傳動3.1.3諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動是一種新型傳動，其原理是依靠柔性齒輪所產生的可控制彈性變形波，引起齒間的相對位移來傳遞動力和運動的。柔輪的變形是一個基本對稱的和諧波，故稱為諧波傳動。1.諧波齒輪傳動的工作原理諧波齒輪傳動主要由波形發(fā)生器H、柔輪1和剛輪2組成，如圖3-6(a)所示。柔輪具有外齒，剛輪具有內齒，它們的齒形為三角形或漸開線型。其齒距p相等，但齒數(shù)不同。剛輪的齒數(shù)zg比柔輪齒數(shù)zr多。柔輪的輪緣極薄，剛度很小，在未裝配前，柔輪是圓形的。由于波形發(fā)生器的直徑比柔輪內圓的直徑略大，所以當波形發(fā)生器裝入柔輪的內圓時，就迫使柔輪變形，呈橢圓形。在橢圓長軸的兩端（圖3-6(b)中A點、B點），剛輪與柔輪的輪齒完全嚙合；而在橢圓短軸的兩端（圖中3-6（b）C點、D點），兩輪的輪齒完全分離；長短軸之間的齒，則處于半嚙合狀態(tài)，即一部分正在嚙入，一部分正在脫出。3.1.3諧波齒輪傳動圖3-6（b）所示的波發(fā)生器有兩個觸頭，稱雙波發(fā)生器。其剛輪與柔輪的齒數(shù)相差為2，周長相差2個齒距的弧長。若采用三波時，齒數(shù)差為3。當波發(fā)生器轉動時，迫使柔輪的長短軸的方向隨之發(fā)生變化，柔輪與剛輪上的齒依次進入嚙合。柔輪和剛輪在節(jié)圓處的嚙合過程，如同兩個純滾動的圓環(huán)一樣，它們在任一瞬間轉過的弧長都必須相等。對于雙波傳動，由于柔輪比剛輪的節(jié)圓周長短了兩個齒距弧長，因此柔輪在嚙入和嚙出的一轉中，就必然相對于剛輪在圓周方向錯過兩個齒距弧長，這樣柔輪就相對于剛輪沿著波發(fā)生器相反的方向轉動。當波發(fā)生器沿逆時針旋轉45o時，將迫使柔輪和剛輪相對移動1/4個齒距；當波發(fā)生器轉過180o時，兩者相對位移1個齒距。當波發(fā)生器連續(xù)運轉時，柔輪上任何一點的徑向變形量△是隨轉角Φ變化的變量。其展開圖為一正弦波，如圖3-7所示。3.1.3諧波齒輪傳動圖3-6諧波齒輪傳動圖3-7柔輪（雙波）變形波波形諧波齒輪傳動正是借助于柔輪的這種彈性變形波來實現(xiàn)輪齒間的嚙合和相對運動的。波發(fā)生器旋轉一周中，柔輪每一點變形的次數(shù)稱為波數(shù)，以n表示。波數(shù)等于剛輪與柔輪的齒數(shù)差，n=zg-zr。2.諧波齒輪傳動的特點（1）與一般齒輪傳動相比，諧波齒輪傳動具有如下優(yōu)點：1）傳動比大

單級諧波齒輪的傳動比為50～500。多級和復式傳動的傳動比更大，可達30000以上。不僅用于減速，還可用于增速。2）承載能力大

諧波齒輪傳動同時嚙合的齒數(shù)多，可達柔輪或剛輪齒數(shù)的30%～40%，因此能承受大的載荷。3）傳動精度高

由于嚙合齒數(shù)較多，因而誤差得到均化。同時，通過調整，齒側間隙較小，回差較小，因而傳動精度高。4）可以向密封空間傳遞運動或動力

當柔輪被固定后，它既可以作為密封傳動裝置的殼體，又可以產生彈性變形，即完成錯齒運動，從而達到傳遞運動或動力的目的。因此，它可以用來驅動在高真空、有原子輻射或其它有害介質的空間工作的傳動機構。這一特點是現(xiàn)有其它傳動機構所無法比擬的。5）傳動平穩(wěn)

基本上無沖擊振動。這是由于齒的嚙入與嚙出按正弦規(guī)律變化，無突變載荷和沖擊，磨損小，無噪聲。6）傳動效率較高

單級傳動的效率一般在92%～96%的范圍內。7）結構簡單、體積小、質量小。3.1.3諧波齒輪傳動（2）諧波齒輪傳動的缺點：1）柔輪和波發(fā)生器制造復雜，需專門設備，成本較高；2）傳動比下限值較高；3）不能做成交叉軸和相交軸的結構。由于諧波齒輪傳動的上述優(yōu)點，所以在機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。如用于機器人、無線電天線伸縮器、手搖式諧波傳動增速發(fā)電機，雷達、射電望遠鏡、衛(wèi)星通信地面站天線的方位和俯仰傳動機構、電子儀器、儀表、精密分度機構、小側隙和零側隙傳機構等。3.1.3諧波齒輪傳動3.諧波齒輪傳動各構件的結構和材料（1）柔輪

應用最多的杯形柔輪結構如圖3-8所示。柔輪處在反復彈性變形的狀態(tài)下工作，需選用強度和耐疲勞性能好的合金結構鋼來制造。如軸承鋼、鉻鋼、鉻錳硅鋼、鉻錳鈦鋼、鉻鉬釩鋼等。目前較通的有35CrMoSiA，60SiZ，50CrMn，40Cr等。對小功率的傳動裝置，有時也可選用尼龍1010，尼龍6和含氟塑料等材料。（2）剛輪

帶凸緣環(huán)狀剛輪應用較多，其結構如圖3-9所示。鋼輪材料可用45鋼、40Cr或用高強度鑄鐵、球墨鑄鐵等，與鋼制柔輪組成減摩運動副。3.1.3諧波齒輪傳動圖3-8杯形柔輪圖3-9帶凸緣環(huán)狀剛輪（3）波發(fā)生器

常用的波發(fā)生器為柔性軸承凸輪式和雙滾輪式。雙滾輪式波發(fā)生器結構如圖3-10所式。其結構簡單，制造方便，效率高。但對柔輪的變形不能安全控制，承載能力較低，因此只適用于低速輕載的傳動中。柔性軸承凸輪式波發(fā)生器如圖3-11所示。由凸輪3、柔性軸承4組成。這種波發(fā)生器完全控制了柔輪的變形，承載能力大，剛性好，精度也較高，因而應用廣泛。3.1.3諧波齒輪傳動圖3-10雙滾輪式波發(fā)生器

圖3-11柔性軸承凸輪式波發(fā)生器

4.諧波齒輪減速器諧波減速器在國內于六七十年代才開始研制，已有不少廠家專門生產，并形成系列化。廣泛應用于航空、航天、機器人、能源、航海、造船、仿生機械、常用軍械、機床、儀表、電子設備、礦山冶金、交通運輸、起重機械、石油化工機械、紡織機械、農業(yè)機械以及醫(yī)療器械等方面得到日益廣泛的應用，特別是在高動態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中，采用諧波齒輪傳動更顯示出其優(yōu)越性。諧波齒輪減速器實物如圖3-12所示。3.1.3諧波齒輪傳動圖3-12諧波齒輪減速器圖3-13諧波齒輪減速器結構圖如圖3-13所示為單級諧波齒輪減速器。高速軸1帶動波發(fā)生器凸輪3，經柔性軸承4使柔輪6的齒產生彈性變形，柔輪6的齒與剛輪5的齒相互作用，實現(xiàn)減速功能。單級諧波齒輪減速器的型號由產品代號、規(guī)格代號和精度等級三部分組成。例如：各種規(guī)格的諧波齒輪減速器的有關參數(shù)和技術指標可參見標準SJ2604-85。3.1.3諧波齒輪傳動3.1.4滾珠花鍵傳動滾珠花鍵傳動裝置由花鍵軸、花鍵套、循環(huán)裝置及滾珠等組成，如圖3-14所示。在花鍵軸8的外圓上，配置有等分的三條凸緣。凸緣的兩側，就是花鍵軸的滾道。同樣，花鍵套上也有相對應的六條滾道。滾珠就位于花鍵軸和花鍵套的滾道之間。于是滾動花鍵副內就形成了六列負荷滾珠，每三列傳一個方向的力矩。當花鍵軸8與花鍵套4作相對轉動或相對直線運動時，滾珠就在滾道和保持架1內的通道中循環(huán)運動，因此，花鍵套與花鍵軸之間，既可作靈敏、輕便的相對直線運動，也可以軸帶套或以套帶軸作回轉運動。所以滾動花鍵副既是一種傳動裝置，又是一種新穎的直線運動支承。圖3-14滾珠花鍵傳動1-保持架2-橡皮密封圈3-鍵槽

4-外筒5-油孔6-負載滾珠列7-退出滾珠列8-花鍵軸花鍵套開有鍵槽以備聯(lián)接其它傳動件。保持架使?jié)L珠互不摩擦，且拆御時不會脫落。用橡皮密封墊防塵，以提高使用壽命。通過油孔潤滑以減少摩擦。如圖3-15所示，滾珠中心圓為d0，滾珠與花鍵套和花鍵軸滾道的接觸角為α=45°。因此既能受徑向載荷，又能傳遞力矩。滾道的曲率半徑r=(0.520.54)Db，(Db為滾珠直徑)，所以承載能力較大。通過選配滾珠的直徑，使?jié)L珠花鍵副內產生過盈(即預加載荷)，可以提高接觸剛度、運動精度和抗沖擊的能力。滾珠花鍵傳動主要用于高速場合，運動速度可達達60m/min。3.1.4滾珠花鍵傳動圖3-15滾珠花健滾珠花鍵傳動目前廣泛地用于鏜床、鉆床、組合機床等機床的主軸部件；各類測量儀器、自動繪圖儀中的精密導向機構；壓力機、自動搬運機等機械的導向軸；各類變速裝置及刀架的精密分度軸以及各類工業(yè)機器人的執(zhí)行機構等。返回主頁3.2.1機電一體化系統(tǒng)對導向支撐部件的要求3.2.2導軌3.2.3軸系支撐機構3.2.4機身3.2導向支撐機構認知3.2.1機電一體化系統(tǒng)對導向支撐部件的要求機電一體化系統(tǒng)中的支承部件是一種非常重要的部件，它不僅要支承、固定和聯(lián)接系統(tǒng)中的其它零部件，還要保證這些零部件之間的相互位置要求和相對運動的精度要求，而且還是伺服系統(tǒng)的組成部分。因此，應按伺服系統(tǒng)的具體要求來設計和選擇支承部件。常用的支承部件主要有導軌、軸承和機身（或基座）等。它們的精度、剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性等因素直接影響伺服系統(tǒng)的精度、動態(tài)特性和可靠性。因此，機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求是：精度高、剛度大、熱變形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和結構工藝性。返回主頁3.2.2導軌導向支承部件的作用是支撐和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。這樣的部件稱為導軌副，簡稱導軌。1.導軌的組成導軌主要有承導件1和運動件2兩大部分組成（見圖3-16）。運動方向為直線的被稱為直線運動導軌，為回轉的被稱為回轉運動導軌。圖3-16導軌的組成常用的導軌的種類很多，按其接觸面的摩擦性質可分為滑動導軌、滾動導軌、流體介質摩擦導軌、彈性摩擦導軌等?；瑒訉к売袌A柱型、棱柱型、燕尾型、組合型，滑動導軌有滾柱（針）型、滾柱型、滾動軸承型，流體介質摩擦導軌（氣體、液體）有動壓型、靜壓型、動靜型、彈性摩擦導軌有片簧型、膜片型、柔性鉸鏈型。按其結構特點可分為開式（借助重力或彈簧彈力保證運動件與承導面之間的接觸）導軌和閉式（只靠導軌本身的結構形狀保證運動件與承導面之間的接觸）導軌。常用導軌結構形式如圖3-17所示，見性能比較見表3-4。3.2.2導軌圖3-17常用導軌結構示意圖表3-4常用導軌結構性能比較表2.導軌應滿足的基本要求機電一體化系統(tǒng)對導軌的基本要求是導向精度高、剛度好、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結構工藝性好等。對精度要求高的直線運動導軌，還要求導軌的承載面與導向面嚴格分開；當運動件較重時，必須設有卸荷裝置，運動件的支承必須符合三點定位原理。（1）導向精度

導向精度是指動導軌按給定方向做直線運動的準確程度。導向精度的高低，主要取決于導軌的結構類型、導軌的幾何精度和接觸精度、導軌的配合間隙、油膜厚度和油膜剛度、導軌和基礎件的剛度及熱變形等。3.2.2導軌直線運動導軌的幾何精度(見圖3-18)，一般有下列幾種規(guī)定：1）導軌在垂直平面內的直線度(即導軌縱向直線度)，如圖3-18（a）所示。2）導軌在水平平面內的直線度(即導軌橫向直線度)，如圖3-18（b）所示。理想的導軌與垂直和水平截面上的交線，均應是一條直線，但由于制造的誤差，使實際輪廓線偏離理想的直線，測得實際包容線的兩平行直線間的寬度

，即為導軌在垂直平面內或水平平面內的直線度。在這兩種精度中，一般規(guī)定導軌全長上的直線度或導軌在一定長度上的直線度。3）兩導軌面間的平行度，也稱為扭曲度。這項誤差一般規(guī)定用在導軌一定長度上或全長上的橫向扭曲值表示。3.2.2導軌圖3-18直線運動導軌的幾何精度（2）剛度

導軌的剛度就是抵抗載荷的能力。抵抗恒定載荷的能力稱為靜剛度，抵抗交變荷載的能力稱為動剛度?，F(xiàn)簡略介紹靜剛度。在恒定載荷作用下，物體變形的大小，表示靜剛度的好壞。導軌變形一般有自身、局部和接觸三種變形。自身變形是由于作用在導軌面上的零部件重量（包括自重）而引起，它主要與導軌的類型、尺寸及材料等有關。因此，為了加強導軌自身剛度，常用增大尺寸及合理布置筋及筋板等辦法解決。導軌局部變形發(fā)生在載荷集中的地方，因此，必須加強導軌的局部剛度。3.2.2導軌接觸變形如圖3-19所示，在兩個平面接觸處，由于加工造成的微觀不平度，使其實際接觸面積僅是名義接觸面積的很小一部分，因而產生接觸變形。由于接觸面積是隨機的，故接觸變形不是定值，亦即接觸剛度也不是定值，但在實際應用時，接觸剛度必須是定值。為此，對于活動接觸面（動導軌與支承導軌），需施加預載荷，以增加接觸面積，提高接觸剛度，預載荷一般等于運動件及其上的工件等重量。為了保證導軌副的剛度，導軌副應有一定的接觸精度。導軌的接觸精度以導軌表面的實際接觸面積占理論接觸面積的百分比或在25mm×25mm面積上接觸點的數(shù)目和分布狀況來表示。這項精度一般根據(jù)精刨、磨削、刮研等加工方法按標準規(guī)定。3.2.2導軌圖3-19導軌實際接觸面積（3）精度的保持性。它主要由導軌的耐磨性決定。導軌的耐磨性是指導軌在長期使用后，應能保持一定的導向精度。導軌的耐磨性，主要取決于導軌的結構、材料、摩擦性質、表面粗糙度、表面硬度、表面潤滑及受力情況等。提高導軌的精度保持性，必須進行正確的潤滑與保護。采用獨立的潤滑系統(tǒng)自動潤滑已被普遍采用。防護方法很多，目前多采用多層金屬模板伸縮式防護罩進行防護。3.2.2導軌（4）運動的靈活性和低速運動的平穩(wěn)性。機電一體化系統(tǒng)和計算機外圍設備等的精度和運動速度都比較高，因此，其導軌應具有較好的靈活性和平穩(wěn)性，工作時應輕便省力、速度均勻，低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，高速運動時應無振動。在低速運行時（如0.05mm/min），往往不是作連續(xù)的勻速運動而是時走時停（即爬行）。其主要原因是摩擦系數(shù)隨運動速度的變化和傳動系統(tǒng)剛性不足造成的。將傳動系統(tǒng)和摩擦副簡化成彈簧-阻尼系統(tǒng)，如圖3-20所示，傳動系統(tǒng)2帶動運動件3在靜導軌4上運動時，作用在導軌內的摩擦力是變化的。導軌相對靜止時，靜摩擦系數(shù)較大。運動開始的低速階段，動摩擦系數(shù)是隨導軌相對滑動速度的增大而降低的。直到相對速度增大到某一臨界值，動摩擦系數(shù)才是隨相對速度的減小而增加。由此來分析圖3-20所示的運動系統(tǒng)是：勻速運動的主動件1，通過壓縮彈簧推動靜止的運動件3，當運動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動；直到彈簧力剛剛大于F時，3才開始運動，動摩擦力隨著動摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應增大，同時彈簧相應伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產生負加速度，速度降低，動摩擦力相應增大，速度逐漸下降，直到3停止運動；主動件1這時再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進入下一個周期。3.2.2導軌圖3-20彈簧-阻尼系統(tǒng)1-主動件2-傳動系統(tǒng)3-運動件4-靜導軌為防止爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)，可同時采取以下幾項措施：采用滾動導軌、靜壓導軌、卸荷導軌、貼塑料層導軌等；在普通滑動導軌上使用含有極性添加劑的導軌油；用減小接合面、增大結構尺寸、縮短傳動鏈、減少傳動副等方法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。對溫度的敏感性和結構工藝性。導軌在環(huán)境溫度變化的情況下，應能正常工作，既不“卡死”，亦不影響系統(tǒng)的運動精度。導軌對溫度變化的敏感性，主要取決于導軌材料和導軌配合間隙的選擇。結構工藝性是指系統(tǒng)在正常工作的條件下，應力求結構簡單，制造容易，裝拆、調整、維修及檢測方便，從而最大限度地降低成本。3.2.2導軌3.導軌的設計內容設計導軌應包括下列幾方面內容：（1）根據(jù)工作條件，選擇合適的導軌類型；（2）選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度；（3）選擇適當?shù)膶к壗Y構及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內，有足夠的剛度、良好的耐磨性以及運動輕便和低速平穩(wěn)性；（4）選擇導軌的補償及調整裝置，經長期使用后，通過調整能保持所需要的導向精度；（5）選擇合適的耐磨涂料、潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損；（6）制訂保證導軌所必需的技術條件，如選擇適當?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。3.2.2導軌4.常用導軌及其特點機電一體化系統(tǒng)中常用的導軌有滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌。它們的特點見表3-5。3.2.2導軌3-5常用導軌及其特點（1）一般滑動導軌一般滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點，在數(shù)控機床上應用廣泛。但金屬對金屬型滑動導軌目前在數(shù)控機床等機電一體化產品中使用較少。因為這些導軌的靜摩擦系數(shù)大，動靜摩擦系數(shù)的差值也大，容易出現(xiàn)低速爬行，因而不能滿足伺服系統(tǒng)的快速響應性，運動精度和運動平穩(wěn)生等要求。目前多數(shù)使用金屬對塑料型式，稱為貼塑導軌。3.2.2導軌（2）塑料導軌塑料導軌是在滑動導軌上鑲裝塑料而成的。這種導軌除上表所述特點外，其化學穩(wěn)定性高、工藝性好、使用維護方便，因而得到了越來越廣泛的應用。但它的耐熱性差，且易蠕變，使用中必須注意散熱。常用的塑料導軌材料有以下三種：1）塑料導軌軟帶圖產TSF塑料導軌軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉和氧化物等所構成的高分子復合材料。將其粘帖在金屬導軌上所形成的導軌又稱為貼塑導軌。軟帶粘貼形式如圖3-21所示。圖a為平面式，多用于設備的導軌維修；圖b為埋頭式，即粘貼軟帶的導軌加工有帶擋邊的凹槽，多用于新產品。圖3-21導軌軟帶粘接形式

（a）平面式

（b）埋頭式這種軟帶可與鑄鐵或鋼組成滑動摩擦副，也可以與滾動導軌組成滾動摩擦副。2）金屬塑料復合導軌板導軌板分三層，如圖3-22所示。內層為鋼帶以保證導軌板的機械強度和承載能力。鋼帶上鍍燒結成球狀的青銅粉或青銅絲網(wǎng)形成多孔中間層，再浸漬聚四氟乙烯等塑料填料。中間層可以提高導軌的導熱性，避免浸漬進入孔或網(wǎng)中的氟塑料產生冷流和蠕變。當青銅與配合面摩擦而發(fā)熱時，熱脹系數(shù)遠大于金屬的塑料從中間層的孔隙中擠出，向摩擦表面轉移，形成厚約0.01mm～0.05mm的表面自潤滑塑料層。這種導軌板一般用膠粘貼在金屬導軌上，成本比聚四氟乙烯軟帶高。3.2.2導軌圖3-22金屬塑料復合導軌板

3）塑料圖層導軌副中，若只有一面磨損嚴重，則可以把磨損部分切除，涂敷配制好的膠狀塑料涂層，利用模具或另一摩擦面使涂層成形，固化后的塑料涂層即成為磨擦副中的配對面之一，與另一金屬配對面形成新的摩擦副。目前常用的塑料涂層材料有環(huán)氧涂料和含氟涂料。它們都是以環(huán)氧樹脂為基體，但所用牌號和加入的成分有所不同。環(huán)氧涂料的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小且穩(wěn)定，防爬性能好，有自潤滑作用。缺點是不易存放，且粘度逐漸變大。含氟涂料則克服了上述缺點。這種方法主要用于導軌的維修和設備的改造，也可用于新產品設計。3.2.2導軌（3）滾動導軌滾動導軌是在作相對運動的兩導軌面之間加入滾動體。變滑動摩擦為滾動摩擦的一種直線運動支承。1）滾動導軌分類①按滾動體形狀不同，可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌三種，如圖3-23所示。3.2.2導軌圖3-23滾動導軌結構形式（a）滾珠導軌

（b）滾柱導軌

（c）滾針導軌圖3-23（a）為滾珠導軌，點接觸、摩擦小、靈敏度高，但承載能力小、剛度低。適用于載荷不大，行程較小，而運動靈敏度要求較高的場合。圖3-22（b）為滾柱導軌，線接觸、承載能力和剛度都比滾珠導軌大，適用于載荷較大的場合，但制造安裝要求高。滾柱結構有實心和空心兩種?？招臐L柱在載荷作用下有微小變形，可減小導軌局部誤差和滾柱尺寸對運動部件導向精度的影響。圖3-23（c）為滾針導軌，尺寸小，結構緊湊、排列密集、承載能力大，但摩擦相應增加，精度較低。適用于載荷大，導軌尺寸受限制的場合。②按循環(huán)方式分類可以分為循環(huán)式和非循環(huán)式兩種類型：a）循環(huán)式滾動導軌的滾動體在運行過程中沿自己的工作軌道和返回軌道作連續(xù)循環(huán)運動，如圖3-24所示。因此，運動部件的行程小受限制。這種結構裝配和使用都很方便，防護可靠，應用廣泛。b）非循環(huán)式滾動導軌的滾動體在運行過程中小循環(huán)，因而行程有限。運行中滾動體始終同導軌面保持接觸。3.2.2導軌圖3-24滾動導軌塊1,5-擋板2-導軌塊3-動導軌體4-滾動體6-支承導軌滾動導軌還可以接導軌截面的形狀和滾道溝槽形狀進行分類。2）直線滾動導軌副直線滾動導軌結構如圖3-25所示。它由導軌和滑塊組成，滑塊的數(shù)量可根據(jù)需要而定。當滑塊移動時，滾珠在滾道內循環(huán)運動。國內常用的兩種直線滾動導軌副的結構及特點見表3-6。3.2.2導軌圖3-25直線滾動導軌副表3-6直線滾動導軌副的結構及特點3）滾動導軌塊滾動導軌塊（又稱滾子導軌塊）結構如圖3-26所示。滾子在導軌塊內作周而復始的循環(huán)滾動。工作時，低于安裝平面“A”為回路滾子，高于平面“B”的為承載滾子，承載滾子與機床導軌面作滾動接觸。這種結構的導軌塊承載能力大，剛度高，行程不受限制，但滾子容易側向偏移，裝配比較困難。3.2.2導軌圖3-26滾動導軌塊（4）直線運動球軸承及其導軌副對于圓形導軌，常用如圖3-27所示的直線運動球軸承。當直線運動球軸承與導軌軸6作軸向相對直線運動時，滾珠在保持架的長圓形通道內循環(huán)滾動。保待架靠軸承兩端的擋圈固定在外套筒上，以使諸零件聯(lián)結為一個整體，拆裝極方便。3.2.2導軌圖3-27圓形導軌1-負載滾珠2-返回滾珠3-保持器4-外套筒5-擋圈6-導軌軸這種軸承只能在導軌軸上作軸向直線往復運動，而不能旋轉。滾珠與導軌軸外圓柱面為點接觸，因而許用載荷較小，但它運動輕便、靈活、精度較高、價格較低、維護方便，因而廣泛應用于機床、測量裝置、電子儀器，輸送機械、醫(yī)療診斷儀器等輕載設備和裝置。直線運動球軸承有三種結構形式，如圖3-28所示。3.2.2導軌圖3-28直線運動球軸承結構形式標準型（ZX）：如圖3-28（a）所示，是常用型，軸承與導軌軸間的間隙不可調，它與導軌的安裝方式如圖3-29（a）所示。調整型（ZX-T）：如圖3-28（b）所示，在軸承外套筒和擋圈上開有軸向切口，能任意調整它與導軌軸之間的間隙，與導軌的安裝方式如圖3-29b所示。開放型（ZX-K）：如圖3-28（c）所示，在軸承外套筒和擋圈上開有軸向扇形切口，軸承與導軌的間隙可調，與導軌的安裝方式如圖3-29所示。前兩者不能配用兩個以上的導軌軸承支座，如果支承跨距過大，則導軌軸撓曲嚴重。適用于短行程或對運動軌跡的精度要求不高的場合。開放型可以配兩個以上的支承座，有利于減小跨距，提高運動精度，故適用于長行程的場合。3.2.2導軌圖3-29直線滾動導軌套副1-導軌軸支承座2-導軌軸3-直線運動球軸承4-直線運動球軸承支承座（5）靜壓導軌靜壓導軌的工作原理與靜壓軸承類似。在兩導軌面之間通入具有壓力的液體或氣體介質，使兩導軌面脫離接觸。動導軌懸浮在壓力油或氣體之上運動，摩擦力極小。當受外載作用后，介質壓力會反饋升高，從而承受外載荷。靜壓導軌有開式和閉式兩種。圖3-30所示為閉式液體靜壓導軌的工作原理圖。如工作臺受力F作用而下降，使間隙h2、h4增大，h1、h3減小，則流經節(jié)流器2，4的流量減小，壓力降也減小，使油腔壓力p2、p4升高。流經節(jié)流器1、3的流量增大，p1、p3則降低。四個油腔產生向上的支承合力，使工作臺穩(wěn)定在新的平衡位置。若工作臺受顛覆力矩M作用使h1、h4增大，h2、h3減小，則四個油腔產生反力矩。若工作臺受水平力F1的作用，則h5減小，h6增大，左右油腔產生與F1相反的支承反力。這些都使工作臺受載后穩(wěn)定在新的平衡位置。若只有1、3，則成為開式靜壓導軌，不能承顛覆力矩。3.2.2導軌圖3-30液體靜壓導軌工作原理1、2、3、4-節(jié)流器在使用靜壓導軌時，必須保持油液或空氣清潔，并且注意防止機床使用處溫度的劇烈變化，以免引起液體靜壓導軌油液粘度變化和氣體靜壓導軌空氣壓力變化。靜壓導軌還應有良好的防護指施。3.2.3軸系支撐機構軸系支撐機構主要指滾動軸承、動、靜壓軸承、磁軸承等各種軸承。它的作用是支承作回轉運動的軸或絲杠。隨著刀具材料和加工自動化的發(fā)展，主軸的轉速越來越高，變速范圍也越來越大。如中型數(shù)控機床和加工中心的主軸最高轉速可達到5000r/min～6000r/min，甚至更高，調速范圍達300～400。內圓磨床為了達到足夠的磨削速度，磨削小孔的砂輪主軸轉速已高達240000r/min。因此，對軸承的精度、承載能力、剛度、抗振性、壽命、轉速等提出了更高的要求，也逐漸出現(xiàn)了許多新型結構的軸承。表3-7機電一體化系統(tǒng)中常見的軸承及其特點1.滾動軸承（1）標準滾動軸承標準滾動軸承的尺寸規(guī)格已標準化、系列化，由專門生產廠大量生產。使用時，主要根據(jù)剛度和轉速來選擇。如有要求，則還應考慮其它因素，如承載能力、抗振性和噪聲等。近年來，為適應各種不同的要求，還開發(fā)了不少新型軸承用于機電一體化系統(tǒng)。下面僅介紹其中的兩種。1）空心圓錐滾子軸承

圖3-31所示是雙列和單列空心圓錐滾子軸承。一般將雙列（圖3-31a）的用于前支承，單列（圖3-31b）的用于后支承，配套使用。1.滾動軸承（1）標準滾動軸承標準滾動軸承的尺寸規(guī)格已標準化、系列化，由專門生產廠大量生產。使用時，主要根據(jù)剛度和轉速來選擇。如有要求，則還應考慮其它因素，如承載能力、抗振性和噪聲等。近年來，為適應各種不同的要求，還開發(fā)了不少新型軸承用于機電一體化系統(tǒng)。下面僅介紹其中的兩種。1）空心圓錐滾子軸承

圖3-31所示是雙列和單列空心圓錐滾子軸承。一般將雙列（圖3-31a）的用于前支承，單列（圖3-31b）的用于后支承，配套使用。3.2.3軸系支撐機構圖3-31空心圓錐滾子軸承這種軸承與一般圓錐滾子軸承不同之處在于：滾子是中空的，保持架則是整體加工的，它與滾子之間沒有間隙，工作時潤滑油的大部分將被迫通過滾子中間的小孔，以便冷卻最不易散熱的滾子，潤滑油的另一部分則在滾子與滾道之間通過，起潤滑作用。此外，中空的滾子還具有一定的彈性變形能力，可吸收一部分振動。雙列軸承的兩列滾子數(shù)目相差一個，使兩列的剛度變化頻率不同，以抑制振動。單列軸承外圈上的彈簧用作預緊。這兩種軸承的外圈較寬，因此與箱體孔的配合可以松一些，箱體孔的圓度和圓柱度誤差對外圈滾道的影響較小。這種軸承用油潤滑，故常用于臥式主軸，如圖3-32所示，其中螺母2用于調整軸承間隙。3.2.3軸系支撐機構圖3-32空心圓錐滾子軸承的主軸系統(tǒng)2）陶瓷滾動軸承

陶瓷滾動軸承的結構與一般滾動軸承相同。目前常用的陶瓷材料為Si3N4，陶瓷軸承與鋼軸承材料的特性見表3-8。由于陶瓷熱傳導率低、不易發(fā)熱、硬度高、時磨，在采用油脂潤滑的情況下，軸承內徑為25mm～100mm時，主軸轉速可達8000r/min～15000r/min；在油霧潤滑的情況下，軸承內徑在65mm～100mm時，主軸轉速可達15000r/min～20500r/min，在軸承內徑為40mm～60mm時，主軸轉速可達20000～30000r/min。陶瓷滾動軸承主要用于中、高速運動主軸的支承。3.2.3軸系支撐機構表3-8陶瓷軸承材料特性（2）非標準滾動軸承

當對軸承有特殊要求而又不可能采用標準滾動軸承時，就需根據(jù)使用要求自行設計非標準滾動軸承。1）微型滾動軸承

如圖3-33所示的微型向心推力軸承，具有杯形外圈，尺寸D≥1.1mm，但沒有內環(huán)，錐形軸頸直接與滾珠接觸，由彈簧或螺母調整軸承間隙。當尺寸D>4mm時，可有內環(huán)，如圖3-34（a）所示，采用碟形墊圈來消除軸承間隙。圖3-34（b）所示的軸承內環(huán)可以與軸一起從外環(huán)和滾珠中取出，裝拆比較方便。3.2.3軸系支撐機構圖3-33微型向心推力軸承圖3-34微型滾動軸承2）密珠軸承

密珠軸承是一種新型的滾動摩擦支承。它由內、外圈和密集于二者間并具有過盈配合的鋼珠組成。它有兩種形式，如圖3-35所示，即徑向軸承（圖3-35a）和推力軸承（圖3-35b）。密珠軸承的內外滾道和止推面分別是形狀簡單的外圓柱面、內圓柱面和平面，在滾道間密集地安裝有滾珠。滾珠在其尼龍保持架的空隙中以近似于多頭螺旋線的形式排列，如圖3-35c、d所示。每個滾珠公轉時均沿著自已的滾道滾動而互不干擾，以減少滾道的磨損。滾珠的密集還有助于減小滾珠幾何誤差對主軸軸線位置的影響，具有誤差平均效應，有利于提高主軸精度。滾珠與內、外圈之間保持有0.005～0.012mm的預加過盈量，以消除間隙，增加剛度，提高軸的回轉精度。3.2.3軸系支撐機構圖3-35密珠軸承圖3-36數(shù)字式光柵分度頭主軸部件密珠軸承在數(shù)字光柵分度頭主軸部件中的應用，如圖3-36所示。2.動壓軸承動壓軸承是一種流體動力潤滑的閉式滑動軸承。在軸承工作時，帶錐形內孔的軸承與軸承襯套工作面之間形成油楔，潤滑油產生動壓力。當動壓力與軸承上的徑向載荷相平衡時，錐形軸套與軸承襯套被一層極薄的動壓油膜隔開，軸承在液體摩擦狀態(tài)下工作。人們習慣稱為動壓軸承為油膜軸承或液體摩擦軸承。3.2.3軸系支撐機構（1）動壓軸承組成動壓軸承由錐套、襯套、滾動止推軸承、回轉密封、軸端鎖緊裝置等部分組成;動壓軸承油膜壓力是靠軸本身旋轉產生的,供油系統(tǒng)簡單。設計良好的動壓軸承具有很長的使用壽命，很多軋機支撐輥上采用動壓軸承。3.2.3軸系支撐機構圖3-37動壓軸承結構圖（2）動壓軸承的工作原理

如圖3-38所示，在動壓軸承中,軸頸與軸承孔之間有一定的間隙，間隙內充滿潤滑油。停機時,軸頸沉在軸承的底部。當轉軸開始啟動時，軸頸依靠摩擦力的作用，沿軸承內表面往上爬行，達到一定位置后，摩擦力不能支持轉子重量就開始打滑，此時為半液體摩擦。隨著轉速的繼續(xù)升高,軸頸把具有黏性的潤滑油帶入與軸承之間的楔形間隙(油楔)中，因為楔形間隙是收斂形的，它的入口斷面大于出口斷面，因此在油楔中會產生一定油壓，軸頸被油的壓力擠向另外一側。如果帶入楔形間隙內的潤滑油流量是連續(xù)的,這樣油液中的油壓就會升高,使入口處的平均流速減小,而出口處的平均流速增大。在間隙內積聚的油層稱為油膜,油膜壓力可以把轉子軸頸抬起。當油膜壓力與外載荷平衡時,

軸頸就在與軸承內表面不發(fā)生接觸的情況下穩(wěn)定地運轉。3.2.3軸系支撐機構圖3-38動壓軸承的工作原理從動壓軸承的工作原理可知道動壓軸承系統(tǒng)內的一個最重要的參數(shù)就是最小油膜厚度。如果最小油膜厚度值太小，而潤滑油中的金屬雜質顆粒過大，金屬顆粒的外形尺寸在數(shù)值上大于最小油膜厚度時，金屬顆粒隨潤滑油通過最小油膜厚度處時，就像造成金屬接觸，嚴重時就會燒瓦。另外如果最小油膜厚度值太小，當出現(xiàn)堆鋼等事故時，很容易造成軸頸和油膜軸承的金屬接觸而導致燒瓦。3.2.3軸系支撐機構（3）動壓軸承的特點動壓軸承與滾動軸承比較，動壓軸承有以下幾個特點：1）摩擦系數(shù)小。在穩(wěn)態(tài)工作時，摩擦系數(shù)為0.001～0.005，而一般青銅軸瓦或巴式合金滑動軸承的摩擦系數(shù)為0.03～0.1。2）承載能力高，對沖擊載荷的敏感性小，動壓軸承在其投影面積上的最高單位壓力可達2.2～2.5KN/cm2，在相同尺寸下，滾動軸承的承載能力卻小得多，且對沖擊載荷較敏感。3）適合在高速下工作。在軸頸線速度20～30米/秒的情況下，仍能保證較高的軋制精度。4）使用壽命長，軸承工作面的磨損接近于零。在正常使用條件下，其壽命可達10～20年。而滾動軸承在高速重載下的工作壽命較低。5）體積小，結構緊湊。在承載能力相同時，它的體積比滾動軸承小。在外形尺寸相同時，它的輥頸直徑大，軋輥的強度高。3.2.3軸系支撐機構2.靜壓軸承靜壓軸承是流體摩擦支承的基本類型之一，它是在軸頸與軸承之間充有一定壓力的液體或氣體，將轉軸浮起并承受負荷的一種軸承。按支承承受負荷方向的不同，靜壓軸承常可分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三種形式。（1）液體靜壓軸承

液體靜壓系統(tǒng)由靜壓支承、節(jié)流器和供油裝置三部分組成（見圖3-39）。3.2.3軸系支撐機構圖3-39靜壓支承系統(tǒng)的組成液體靜壓向心軸承的工作原理如圖3-38（a）所示，在圖3-38b所示軸承的內圓柱面上，對稱地開有四個矩形油腔2，油腔與油腔之間開有回油槽3，油腔與回油槽之間的圓弧面4稱為周向封油面，軸承兩端面和油腔之間的圓孤面1稱為軸向封油面。軸裝入軸承后，軸承封油面與軸頸之間有適量間隙。

液壓泵輸出的壓力油通過四個節(jié)流器后，油壓降至pr并分別流進各節(jié)流器所對應的油腔，在油腔內形成靜壓，從而使軸頸和軸承表面被油膜分開。然后經封油面上的間隙和回油槽流回油池。空載時，由于各油腔與軸頸間的間隙h0相同，四個油腔的壓力均為pr0，此時，轉軸受到各油腔的油壓作用而處于平衡狀態(tài)，軸頸與軸承同心（忽略轉軸部件的自重）。3.2.3軸系支撐機構圖3-40液體靜壓向心軸承的工作原理1-軸向封油面2-油腔3-回油槽4-周向封油面當支承受到外負荷Fr作用時，軸頸沿負荷方向產生微量位移e。于是，油腔①的間隙減少為（h0-e），油流阻力增大，由于節(jié)流器的調壓作用，油控①的壓力從pr0升高到的pr1；油腔②的間隙則增大到（h0+e），油流阻方減小，同樣由于節(jié)流器的調壓作用，油腔②的壓為pr0降pr2。因此，油腔①②的壓力不等而形成壓力差△p=pr1-pr2，該壓力差作用在軸頸上，與外負荷Fr（即Fr=（pr1-pr2）Ae，Ae為油腔有效承截面積），使軸頸穩(wěn)定在偏心量e的位置上。轉軸軸線的位移量e的大小與支承和節(jié)流器參數(shù)選擇有關，若選擇合適，可使轉軸的位移很小。3.2.3軸系支撐機構圖3-41所示為立式低軸系。主軸是由兩對球軸承支撐，對稱有8個油腔。內有一定壓力的液油經過8個小孔節(jié)流器進入軸承油腔。主軸由力矩電動機驅動并按裝有高靈數(shù)度的測速發(fā)電機。當凸球圓度為0.05um、供油壓力為1MPa時，主軸徑向和軸向回轉精度為0.01um；軸向度為160N/um，徑向剛度為100N/um。3.2.3軸系支撐機構圖3-41雙半球軸系簡圖液體靜壓軸承與普通滑動和滾動軸承相比較，有以下特點：摩擦阻力小、傳動效率高、使用壽命長、轉速范圍廣、剛度大、抗振性好、回轉精度高；能適應不同負荷、不同轉速的大型或中小型機機械設備的要求，但需有一套可靠的供油裝置，增大了設備的空間和重量。（2）氣體靜壓納承

圖3-40為氣體靜壓向心軸承簡圖。由專門的供氣裝置輸出的壓縮氣體進入軸承2的圓柱容腔，并通過沿軸承圓均勻分布、與端面有一定距離的兩排進氣孔3（又稱節(jié)流孔），進入軸1和軸承2之間的間隙，然后沿軸向流至軸承端部，并由此排入大氣。氣體靜壓軸承的工作原理與上述液體靜壓軸承相同。3.2.3軸系支撐機構圖3-42氣體靜壓向心軸承1-軸2-軸承3-進氣孔圖3-43所示為美國超精車床球軸承。主軸6的右端固定著直徑為70mm、長為60mm的凸球9。具有一定壓力的氣體從兩個凹球10、11的12個小孔節(jié)流器（直徑為0.3mm）進入球軸承間隙（12μm），使主軸浮起，并承受一定的軸向和徑向載荷。主軸左端是長27mm、直徑為22mm的圓柱徑向軸承，氣體同樣通過12個小孔節(jié)流器進入軸承間隙（18μm）。當主軸轉速為200r/min時，主軸徑向振擺為0.03μm、軸向竄動為0.01μm，徑向剛度為25N/μm、軸向剛度為80N/μm。當用金石刀具加工鋁和銅件時，可獲得Ra0.01μm～0.02μm的無劃痕鏡面。3.2.3軸系支撐機構圖3-43美國超精車床球軸承1-圓柱徑向軸套2-彈簧3-支承板4、8-進氣口5、10、11-凹球6-主軸7-體殼9-凸球與液體靜壓軸承相比較，氣體靜壓軸承的主要優(yōu)點是：氣體的內摩擦很小、粘度極低，故摩擦損失極小，不易發(fā)熱。因此，適用于要求轉速極高和靈敏度要求高的場合；又由于氣體理化性高度穩(wěn)定，因而可在支承材料許可的高溫、深冷、放射性等惡劣環(huán)境中正常工作；若采用空氣靜壓軸承，則空氣來源十分方便，對環(huán)境無污染；循環(huán)系統(tǒng)較液體靜壓軸承簡單。它的主要缺點是：負荷能力低，支承的加工精度和平衡精度要求高，所供氣體清潔度要求較高，需嚴格過濾。3.2.3軸系支撐機構3.磁軸承磁軸承主要由兩部分組成：軸承本身及其電器控制系統(tǒng)。磁軸承分向心軸承和推力軸承兩類，它們都由轉子和定子組成，其工作原理相同。圖3-44為向心磁軸承原理圖。3.2.3軸系支撐機構圖3-44磁力軸承1-比較元件2-調節(jié)器3-功率放大器

4-轉子5-位移傳感器6-電磁鐵定子上安裝有電磁鐵6，轉子4的支承軸頸處裝有鐵磁環(huán)，定子電磁鐵產生的磁場使轉子懸浮在磁場中，轉子與定子無任何接觸，氣隙約為0.3mm～1mm。轉子轉動時，由位移傳感器5檢測轉子的偏心，并通過反饋與基準信號(轉子理想位置)在比較元件1進行比較，調節(jié)器2根據(jù)偏差信號進行調節(jié)，并把調節(jié)信號送到功率放大器3以改變磁鐵(定子)的電流，從而改變對轉子的吸引力，使轉子始終保持在理想的位置。磁軸承是一種高速軸承，其最高速度可達60000r/min。由于采用電磁和電子控制，無機械接觸部分，不磨損，也無需潤滑和密封，因而轉速高、功耗小、可靠性遠高于普通軸承。但在低速時，軸與軸承存在電磁關系，會使軸承座振動。在高轉速時，磁力結合的動剛度較差。磁力軸承常用于機器人、精密儀器、陀螺儀、火箭發(fā)動機等地方。3.2.3軸系支撐機構3.2.4機身機身包括床身、立柱、底基(基座)、支架、工作臺等支承件。它的特點是尺寸較大，結構復雜，常有較多的加工面和加工孔。它的作用是支承和連接一定的零部件，使這些零部件之間保持規(guī)定的尺寸和形位公差要求。1.機身結構設計機身結構設計主要從以下幾個方面考慮。(1)保證剛度為避免床身等支承件在工作時因受力而產生壓縮、拉伸、彎曲和扭曲等變形，必須保證其有足夠的剛度。在設計時，可從通過合理布置肋板和加強肋來提高剛度。其效果較之增加壁厚更為顯著。肋板按布置形式可分為縱向肋板，橫向肋板和斜置肋板三種。1)縱向肋板應布置在彎曲平面內，如圖3-45(a)所示，對提高彎曲剛度有明顯效果。2)橫向肋板當構件受扭轉載荷時，橫向肋板能有效地阻止零件翹曲和畸變，從而提高扭轉剛度,如圖3-45(b)所示。3)斜置肋板可以提高彎曲和扭轉剛度，如圖3-45(c)所示。3.2.4機身圖3-45肋板在正方形截面中的應用各種肋板的布置形式，如圖3-46所示。圖(a)、(b)、(c)都是方格式縱橫肋板，其中圖(c)比圖(b)的鑄造性能好，因肋條交叉處金屬聚集較少，分布均勻；圖(f)六角(蜂窩)形肋板彎自、扭轉剛度較好，鑄件均勻收縮，內應力小，不易斷裂，但其鑄造泥芯很多；圖(g)、(h)形肋鑄造工藝也較復雜，但剛度很好；圖(d)、(e)三角形和菱形肋較圖(f)、(g)、(h)形結構簡單，但剛性要差些。有時在導軌附近還布置一些肋條，以增加其剛性，肋條可采用直肋或人字形肋，如圖3-46圖(i)、(j)。此外，對懸臂較長的梁等設置中間支承也是提高彎曲剛度的有效措施。3.2.4機身圖3-46肋板布置形式(2)減少熱變形可以采取以下措施來減少熱變形：1)減少發(fā)熱系統(tǒng)內部發(fā)熱是產生熱變形的主要熱源，應當盡量地將熱源從主機中分離出去。目前大多數(shù)數(shù)控機床的