现代精密仪器设计第四章_精密机械系统的设计

精 密 仪 器 设 计Design of Precision Instrument

第四章 精密机械系统

在测控仪器中,精密机械系统起着举足轻重的作用, 它不仅是仪器各部分的支撑，而且对保证仪器的 测量精度、定位精度和运动精度起着关键的作用。 本章的内容：在对测控仪器各种机械系统分析的 基础上，重点对系统精度影响较大的机械结构进 行研究。 包括：基座与支承件、导轨、轴系。

第一节 仪器的支承件设计 第二节 仪器的导轨及设计 第三节 主轴系统及设计

第一节

仪器的支承件设计

定义： 仪器的支承件主要包括基座、支柱、机柜、 机箱等。 作用： 1)联接和支承 2)保证工作精度 本节内容： 从精度出发，重点研究基座和立柱等对仪器 精度影响很大的支承件的设计要求和结构设计问 题。

一、基座和立柱等支承件的结构特点和设计 要求(一)特点： 1)尺寸较大： 支承机、光、电等各个零部件和被测件①自 身重量大②承受外载荷③温度变形大。 2)结构复杂： 具有很多加工面，包括孔、支承面、定位面 等，且要求相互位置精度和本身精度都较高。

(二)设计要求：1、具有足够的刚度，力变形要小 自重——力变形 被测件的质量转载——动载荷力变形 弹性变形在允许的范围内 变形最小原则进行刚度设计

2、稳定性好，内应力变形小内应力变形：铸件—内应力—释放 夹紧力变形：螺钉紧固件夹紧力不均匀 提高稳定性的措施： (1)进行时效处理：自然时效处理；人工时效处理：

(2)消除夹紧力变形的方法 减少螺钉等紧固件的数量 采用运动学原理定位法 弹性夹紧法(留有少许变形余量) 3、热变形要小 整机或各个部件的尺寸、形状、结构各不 相同，因此达到热平衡的时间也长短各异。基 座和立柱的变形将会造成很大的测量误差。

消除热变形采取的措施： 1)严格控制工作环境(恒温)

注意两点：①恒温室应长时间恒温②合理设计恒温室 2)控制仪器内的热源：照明灯、电动机、磨擦生热。

①采用冷光源照明或用光导纤维传光；②隔离热源和良好地散热； ③运动件应充分润滑；

④采用发热小和不发热的传动机构。⑤温度平衡后再继续工作。 3)采取温度补偿措施

4、良好的抗振性 (1)振动影响仪器的测量精度，外部振源：机器、 人员、走动。 (2)内部振源：回转不平衡、换向冲击 (3)提高抗振性的措施： ①满足刚度条件下，减轻重量——提高固有频率 ②合理结构设计，提高静刚度——提高固有频率 ③增加阻尼，减小内部振源的振动影响 ④减振或隔振设计，减小外部振源的振动影响

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 构件受压时变形量 截面面积大小 构件受弯、扭曲时变形量 截面形状

(2)合理地选择和布置加强肋增加刚度

a自重载荷不大 e比c合理、受力好、内应力小 d,b,三角形肋，刚度好，工艺好 f,g,h工艺复杂，刚度很好。

(3)正确的结构布局，减小力变形 ①遵守力变形最小原则；②采用反变形结构；③补偿 力的结构； (4)良好的结构工艺性，减小力变形 ①减小铸件重量：可减小劳动量和金属消耗，还可减 小应力变形。②铸件厚度均匀，过渡处均匀过渡的光 滑圆角 (5)合理的选择材料 通常要求基座及支承件的材料具有较高的强度的刚 度，耐磨性以及良好的铸造、焊接以及机械加工的工 艺性。

①铸铁：灰口铸铁；球墨铸铁； 热处理：退火，淬火； ②钢板焊接：尺寸小的基座和支架，减小点焊影 响； ③花岗岩： 优点：稳定性好；加工简便；温度稳定性好； 吸振性好；不导电、不磁化；维护保养方便； 价格便宜。 缺点：脆性大；不能承受大的冲击、撞击、敲 打。

第二节 仪器的导轨及设计 一、导轨的功用与分类 导轨部件的组成： 运动导轨和支承导轨 导轨的功用： 传递精密直线运动 导轨的分类： 1)滑动摩擦导轨 2)滚动摩擦导轨 3)静压导轨 4)弹性摩擦导轨

二、导轨部件的设计要求

(一)导向精度(1)导轨的几何精度：直线度、平行度、垂直度