《测控仪器设计(第2版)》浦昭邦 王宝光

第四章 精密机械系统的设计在测控仪器中，精密机械系统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。随着精密测量与控制技术的飞速发展，对测控仪器中的 精密机械系统的功能和精度要求也越来越高。如对基座的变形要控制在亚微 米量级；对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1µm;对导轨的直线度 要求达到0.1µm/m;主轴的回转精度要求达到0.01µm等。 本章在精密机械设计基础上，重点对系统精度和性能影响较大的机械结构 进行研究，如：基座、导轨、轴系及伺服系统进行等。 本章共分为五节： 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 第四节 伺服机械系统设计 第五节 微位移机构及设计

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第一节 仪器的支承件设计仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。它起着联接和支承仪器 的机、光、电等各部分零件和部件的作用。基座和立柱的力变形和温度变形将 直接影响测量精度。 本节重点研究基座和立柱的设计要求和结构设计问题。

一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求1) 支承件的结构特点和设计要求

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名称

结构特点结构尺寸较 大， 结构比 较复杂， 要 承受外载荷 及其变化， 受热变形影 响较大。

设计要求要具有足够 的刚度，力 变形要小 稳定性好， 内应力变形 小 热变形要小 良好的抗振 性

相应措施刚度设计常采用的方法有模拟试验法(仿真试验)、 量纲分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的 分析软件可借用。采用正确的结构设计也是保证支承 件刚度的重要手段。 对铸造的基座和立柱要进行时效处理，以消除内应力， 减少应力变形。时效处理的方法有两种，即自然时效 和人工时效。 严格控制工作环境温度, 控制仪器内的热源, 采取温度 补偿措施 在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有 频率，防止共振；如合理地选择截面形状和尺寸，合 理地布置肋板或隔板以提高静刚度；减小内部振源的 振动影响，如采用气体、液体静压导轨或轴系；对驱 动电动机的振动加隔离措施；对运动件进行充分润滑 以增加阻尼等；采用减振或隔振设计，如弹簧隔振、 橡胶隔振、气垫隔振等。

基座 立柱

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2) 支承件的结构设计内容名称 刚度设计1)有限元分析法： 此分析法 是一种将数学、力学与计算 机技术相结合的对支承件刚 度和动特性进行分析的一种 方法；

结构设计1)正确选择截面形状与外形结构：构件受压时变 形量与截面积大小有关；受弯、扭时，变形量与 截面形状有关。参阅表4-1横截面积相同时不同断 面形状惯性矩的比较

进行设计 2)合理地选择和布置加强肋，以增加刚度，参阅 表4-1-1所示各种肋条(板)的形状及其优缺点 3)正确的结构布局，减小力变形 4)良好的结构工艺性，减小应力变形 5)合理地选择材料 通常要求基座及支承件的材 料具有较高的强度和刚度、耐磨性以及良好的铸 造、焊接以及机械加工的工艺性参阅表4-1-2 支承 件常用材料性能及改善措施 6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度设计可参 阅表4-2

基座 立柱

2)仿真分析法： 对结构形状 复杂的支承件，可采用模型 仿真，虽然花费些物力和时 间，但得出的结果与实际比 较接近。

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表4-1 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较实心圆形 实心方形 空心圆形 空心方形 空心矩形

断面形状

抗弯惯性矩 (相对值) 抗扭惯性矩 (相对值)

1

1.04

5.04

3.21

7.33

1

0.88

5.04

1.27

0.28

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表4-1-1各种肋条(板)的形状及其优缺点 矩形结构其中图a、图c、图e

三角形肋图b与图d

铸造肋图f、图g、图h

图 示

优 缺 点

图a一般用于自重和载荷不大 的场合；图e与图c相比，图e 的结构更合理，不仅是受力 状况好，而且肋条交叉处金 属聚集较少，内应力小

图d与图b为三角形肋， 不仅刚度较好，工艺也较 简单

图f、图g、图h则铸造工 艺比较复杂，而且铸造泥 芯很多，但刚度很好。

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表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施名 代号 称 灰 HTl50 口 HT200 铸 HT250 铁 抗拉强度 优点 灰口铸铁成本 低，并有良好 的减振和减磨 作用，良好的 流动性和切削 加工性能 球 墨 铸 铁 QT 40-17 QT 42-10 ≥400MPa 具有更高的抗 拉强度和弯曲 ≥420MPa 强度 塑性 较差 缺点 塑性 较差 消除内应力方法 退火热处理，即铸 造开箱后立即转入 100~200℃炉中， 随炉缓慢升温至 500~600℃,再 经4~8h保温，再 缓慢冷却。 为消除内应力可用 与HT铸铁相似的 应力退火

σb150MPa 200MPa 250MPa

提高强度、硬度和 耐磨性方法 当铸件基座表面有 导轨时，应对导轨 面进行高频淬火或 接触电热表面淬火

即加热到860~ 900℃适当保温后， 迅速转至250~ 300℃的等温盐浴 中，等温处理30~ 90min,再取出进 行空冷。等温 …… 此处隐藏：4490字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……