测控仪器设计-2011上课第四章.pptx

哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 本章在对测控仪器常用各种机械系统分析的基础上，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、轴系及伺服系统哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室第一节 仪器的支承件设计一、基座与立柱等支承件的结构特点和一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求设计要求结构特点：结构特点：1）结构尺寸较大）结构尺寸较大 2）结构比较复杂）结构比较复杂哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室设计要求设计要求 1）具有足够的刚度，力变形要小）具有足够的刚度，力变形要小 2）稳定性好，内应力变形小）稳定性好，内应力变形小 3）热变形要小）热变形要小（1）严格控制工作环境温度）严格控制工作环境温度（2）控制仪器内的热源）控制仪器内的热源（3）采取温度补偿措施）采取温度补偿措施 d4）有良好的抗震性）有良好的抗震性哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 二、基座与立柱等支承件的结构设计(一一)刚度设计刚度设计 （1）有限元分析法）有限元分析法 （2）仿真分析法）仿真分析法 (二二)基座与支承件的结构设计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）正确选择截面形状与外形结构 （2）合理地选择和布置加强肋增加刚度）合理地选择和布置加强肋增加刚度哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较断面形状断面形状实心圆形实心圆形 实心方形实心方形 空心圆形空心圆形 空心方形空心方形 空心矩形空心矩形抗弯惯性矩抗弯惯性矩（相对值）（相对值）11.045.043.217.33抗扭惯性矩抗扭惯性矩（相对值）（相对值）10.885.041.270.28哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 肋的布置形式肋的布置形式哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 二、基座与立柱等支承件的结构设计(一一)刚度设计刚度设计（1）有限元分析法）有限元分析法（2）仿真分析法）仿真分析法 (二二)基座与支承件的结构设计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）正确选择截面形状与外形结构（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度）合理地选择和布置加强肋增加刚度 （4）良好的结构工艺性，减小应力变形）良好的结构工艺性，减小应力变形 （5）合理地选择材料）合理地选择材料 （3）正确的结构布局，减小力变形）正确的结构布局，减小力变形 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室花岗石具有许多优点：花岗石具有许多优点：1）稳定性好）稳定性好 2）加工简便）加工简便 3）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数均很小均很小 4）吸振性好）吸振性好 5）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好 6）维护保养方便）维护保养方便 7）价格便宜）价格便宜 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室第二节 仪器的导轨及设计 一、导轨的功用与分类一、导轨的功用与分类 导轨的基本功用：传递精密直线运动导轨的基本功用：传递精密直线运动 按导轨面间摩擦性质可分为按导轨面间摩擦性质可分为 1）滑动摩擦导轨）滑动摩擦导轨 2）滚动导轨）滚动导轨 3）静压导轨）静压导轨 4）弹性摩擦导轨）弹性摩擦导轨 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室二、导轨部件设计的基本要求二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精度（一）导向精度 导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。对一副导轨来说其对一副导轨来说其直线度直线度是非常重要的是非常重要的精度指标，它取决于导轨面的几何精度、精度指标，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。刚度及导轨与基座的热变形等。（1）导轨的几何精度）导轨的几何精度 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室二、导轨部件设计的基本要求二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精度（一）导向精度 导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。对一副导轨来说其直线度是非常重要的精对一副导轨来说其直线度是非常重要的精度指标，它取决于导轨面的几何精度、接度指标，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。度及导轨与基座的热变形等。（1）导轨的几何精度）导轨的几何精度（2）接触精度）接触精度 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（二）导轨运动的平稳性（二）导轨运动的平稳性 爬行现象爬行现象（三）刚度要求（三）刚度要求（四）耐磨性要求（四）耐磨性要求 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室三、导轨设计应遵守的原理和准则三、导轨设计应遵守的原理和准则（一）运动学原理（一）运动学原理哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室三、导轨设计应遵守的原理和准则三、导轨设计应遵守的原理和准则（一）运动学原理（一）运动学原理（二）弹性平均效应原理（二）弹性平均效应原理 （三）导向导轨与压紧导轨分立原则（三）导向导轨与压紧导轨分立原则哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室导轨布置图a)a)双双V V形导轨导向与压紧形导轨导向与压紧 b)b)万工显导轨布置图万工显导轨布置图1横向压紧轴承 2横向支承导轨 3横向支承滚动轴承 4基座 5横向滑架6纵向支承滚动轴承 7纵向压紧轴承 8纵向导向导轨 9纵向导向滚动轴承10横向导向导轨 11纵向滑架 12横向导向滚动轴承哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室四、滑动摩擦导轨及设计四、滑动摩擦导轨及设计滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。优点优点:结构简单结构简单制造容易制造容易接触刚度大接触刚度大 缺点缺点:摩擦阻力大、磨损快摩擦阻力大、磨损快动、静摩擦系数差别大动、静摩擦系数差别大低速度时，易产生爬行。低速度时，易产生爬行。哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（一）滑动摩擦导轨的截面形状（一）滑动摩擦导轨的截面形状 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（二）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点（二）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点（1）三角形和平面组合导轨）三角形和平面组合导轨 三角形和平面组合导轨导向性好导向性好 平导轨制造简单平导轨制造简单 刚性好刚性好 应用较为广泛应用较为广泛 缺点是导轨磨损不均匀，且缺点是导轨磨损不均匀，且牵引力的位置不在两导轨的牵引力的位置不在两导轨的中间。中间。（2）双三角形（）双三角形（V形）组合导轨形）组合导轨 加工、检验和维修比较困难加工、检验和维修比较困难 需要较高的技术及精密的需要较高的技术及精密的基准研具进行精研基准研具进行精研 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（3）双矩形组合导轨）双矩形组合导轨 矩形导轨组合适用于承载较大的普通精度的设备适用于承载较大的普通精度的设备 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（4）燕尾组合导轨）燕尾组合导轨 燕尾导轨（5）双圆柱导轨）双圆柱导轨 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室五、滚动摩擦导轨及设计五、滚动摩擦导轨及设计 滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，故在滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，故在仪器中广泛应用仪器中广泛应用 这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力大。应力大。（一）滚动导轨的结构形式及其特点（一）滚动导轨的结构形式及其特点 滚动导轨按不同的滚动体可分为滚动导轨按不同的滚动体可分为 滚珠导轨滚珠导轨 滚柱导轨滚柱导轨 滚针导轨滚针导轨 滚动轴承导轨等滚动轴承导轨等 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室1滚珠导轨滚珠导轨 V形滚珠导轨a）常用双V形滚珠导轨 b）V形小圆弧导轨c）双圆弧导轨（1）双）双V形滚珠导形滚珠导轨轨 运动灵敏度较高，能承运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩受不大的倾复力矩 (2)双圆弧滚珠导轨双圆弧滚珠导轨 计量光学仪器中（如小计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪型工具显微镜、投影仪等）使用等）使用 接触面积较大，接触接触面积较大，接触点应力较小，变形也点应力较小，变形也较小，承载能力强、较小，承载能力强、寿命长。寿命长。哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨）四圆柱棒滚道的滚珠导轨 缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器上（如掩膜检查显微镜工作台）上（如掩膜检查显微镜工作台）四圆柱棒滚珠导轨1一滚珠 2一滑板 3一圆柱棒哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（4）V形形-平面滚珠导轨平面滚珠导轨加工和装配都方便加工和装配都方便缺点是左右两排滚珠中心缺点是左右两排滚珠中心运动速度不一致运动速度不一致 万能工具显微镜万能工具显微镜19JA就就采用该型滚珠导轨采用该型滚珠导轨 图4-22 V形一平面滚珠导轨a)常用V形一平面滚珠导轨b)V形一平面滚珠导轨运动分析哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 2滚柱（针）导轨滚柱（针）导轨（1）V形滚柱导轨形滚柱导轨承载能力比较大承载能力比较大耐磨性能好，耐磨性能好，灵活性不如滚珠导灵活性不如滚珠导轨轨多用在重型仪器上多用在重型仪器上 滚柱导轨a)交叉滚柱导轨 b)V形一平面滚柱导轨哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（2）平面滚动导轨（滚珠或滚柱）平面滚动导轨（滚珠或滚柱）形状简单形状简单 加工比较容易加工比较容易 平面滚动导轨1滚柱 2上动板 3导轨 4压紧轴承 5导向触头 6下动板哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（3）滚动轴承导轨）滚动轴承导轨 摩擦力矩小摩擦力矩小运动灵活运动灵活承载能力大承载能力大调整方便调整方便用于大型仪器（如万工显、三座标、测长机等）用于大型仪器（如万工显、三座标、测长机等）哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（二）滚动摩擦导轨的组合应用（二）滚动摩擦导轨的组合应用（1）滚动与滑动摩擦）滚动与滑动摩擦导轨的组合应用导轨的组合应用 滚动轴承导轨摩擦力滚动轴承导轨摩擦力 小小，运动灵活，运动灵活 ，用做导向用做导向 滚动轴承和滑动导轨的组合1平面滑动导轨 2滚动轴承导轨哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（2）滚柱导轨与滚动）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合轴承导轨的组合 形状简单，加工容易形状简单，加工容易 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（3）滚柱和滚珠导）滚柱和滚珠导轨的组合轨的组合灵活运用了滚珠导轨灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱运动的灵活性和滚柱导轨承载大的优点。导轨承载大的优点。（4）滚柱与长圆柱）滚柱与长圆柱轴导轨组合轴导轨组合轻载部件中使用轻载部件中使用 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室六、静压导轨及设计要点六、静压导轨及设计要点 静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦静压导轨的特点：静压导轨的特点：摩擦系数极低，故没有爬行，不产生磨损，寿命摩擦系数极低，故没有爬行，不产生磨损，寿命长，驱动功率小长，驱动功率小精度高精度高导轨的承载能力较大，刚度好导轨的承载能力较大，刚度好 抗振性好抗振性好结构复杂结构复杂 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（一）液体静压导轨（一）液体静压导轨 开式液体静压导轨工作原理开式液体静压导轨工作原理 开式液体静压导轨工作原理1动导轨 2静导轨 3节流器 4精滤油器5液压泵 6溢流阀 7滤油器 8油箱哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室开式液体静压导轨的特点开式液体静压导轨的特点:能较好的承受垂直载荷能较好的承受垂直载荷结构简单，便于加工和调整；结构简单，便于加工和调整；节流器常采用毛细管式和单面薄膜反馈式。节流器常采用毛细管式和单面薄膜反馈式。闭式液体静压导轨的特点：闭式液体静压导轨的特点：承受载荷能力强承受载荷能力强；运动精度比开式的好，动态性能也较好；运动精度比开式的好，动态性能也较好；结构比较复杂，加工和装调比较麻烦；结构比较复杂，加工和装调比较麻烦；节流器采用毛细管式或双面薄膜反馈式节流器采用毛细管式或双面薄膜反馈式 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（二）空气静压导轨（二）空气静压导轨 空气静压导轨工作原理空气静压导轨工作原理 图4-37 气浮导轨气垫布置图1、2、6一支承气垫3、5一导向气垫4一平衡气垫 简单气垫哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室气体静压导轨特点气体静压导轨特点工作平稳、可靠工作平稳、可靠运动精度高运动精度高无磨损、无爬行无磨损、无爬行承载力较低，导轨刚度较差承载力较低，导轨刚度较差需要一套清洁稳定的压缩空气源需要一套清洁稳定的压缩空气源哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室七、设计时导轨选择要点（一）导轨形式的选择（一）导轨形式的选择 特性特性导轨名称导轨名称 导向精导向精度度运动平运动平稳性稳性承载能承载能力力耐磨性耐磨性使用环使用环境境成本成本滑动导轨滑动导轨较高较高较好较好大大差差要求不要求不高高低低滚动导轨滚动导轨高高较好较好较低较低较好较好要求较要求较高高较高较高液体静压液体静压导轨导轨高高好好较大较大好好要求高要求高高高空气静压空气静压导轨导轨高高好好较低较低好好要求高要求高高高哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（二）标准导轨的选用（二）标准导轨的选用a）直线球滑座系列导轨a）直线球滑座导轨 b）球滑座LSP型结构示意图b）哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室a）b）交叉滚子工作台式导轨a)交叉滚子工作台式导轨 b)交叉滚子工作台式导轨结构示意图哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 交叉滚子导轨哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室a）b)LM导轨SR系列a）SR系列导轨 b）SR系列导轨的构造图哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室a）b）LM导轨HSR系列a）HSR系列导轨 b）HSR系列导轨的构造图哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室a）b）超小型LM导轨RSR系列a）RSR系列导轨 b）RSR系列导轨的构造图哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室第三节 主轴系统及设计一、主轴系统设计的基本要求一、主轴系统设计的基本要求主轴系统设计的主要要求主轴系统设计的主要要求:是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性求有一定的刚度和热稳定性（一）主轴回转精度（一）主轴回转精度 主轴回转精度是主轴回转精度是指该主轴轴系的误差运动的大小指该主轴轴系的误差运动的大小 1）回转轴线）回转轴线 2）轴线平均线）轴线平均线3）轴系的误差运动）轴系的误差运动 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室轴系的误差运动分为轴系的误差运动分为:径向误差运动径向误差运动轴向误差运动轴向误差运动倾角误差运动倾角误差运动端面误差运动端面误差运动主轴系统回转误差（误差运动）的评定方法主轴系统回转误差（误差运动）的评定方法以圆图像求中心的方法作为评定中心，其概念与以圆图像求中心的方法作为评定中心，其概念与圆度测量的四种评定中心是一致的，即最小区域圆度测量的四种评定中心是一致的，即最小区域中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外切圆中心切圆中心 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室造成主轴回转误差的主要原因造成主轴回转误差的主要原因主轴和轴承加工的尺寸误差主轴和轴承加工的尺寸误差形状误差及主轴和轴承的装配误差形状误差及主轴和轴承的装配误差主轴系统的刚度及润滑主轴系统的刚度及润滑阻尼现象阻尼现象（二）主轴系统的刚度（二）主轴系统的刚度 提高主轴刚性的措施提高主轴刚性的措施 1）加大主轴直径）加大主轴直径2）合理选择支承跨距）合理选择支承跨距 3）缩短主轴悬伸长度）缩短主轴悬伸长度4）提高轴承刚度）提高轴承刚度 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（三）主轴系统的振动（三）主轴系统的振动 1）用橡胶联接传动）用橡胶联接传动 2）用金属弹性元件联接传动）用金属弹性元件联接传动 3）用直流电机直接传动）用直流电机直接传动（四）主轴系统的热稳定性（四）主轴系统的热稳定性提高主轴系统热稳定性可采取如下措施提高主轴系统热稳定性可采取如下措施:1）正确选择和设计轴系）正确选择和设计轴系 2）合理选择推力支承位置）合理选择推力支承位置 3）减小热源影响）减小热源影响 4）采用热补偿措施）采用热补偿措施 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（五）合理地设计结构，减小力变形（五）合理地设计结构，减小力变形（六）主轴系统的寿命（六）主轴系统的寿命 带轴肩的主轴结构哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 二、精密油膜二、精密油膜滑动轴承轴系结滑动轴承轴系结构及设计构及设计（一）半运动式（一）半运动式圆柱形轴承轴系圆柱形轴承轴系应用十分广泛的应用十分广泛的经纬仪轴系的典经纬仪轴系的典型结构型结构 半运动式柱形轴承轴系哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 二、精密二、精密油膜滑动轴油膜滑动轴承轴系结构承轴系结构及设计及设计（二）锥形（二）锥形滑动轴承滑动轴承 圆锥形滑动轴系哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室三、滚动摩擦轴系及设计三、滚动摩擦轴系及设计（一）标准滚动轴承轴系（一）标准滚动轴承轴系（二）单列滚动轴承轴系（二）单列滚动轴承轴系 单列滚动轴承轴系的上下单列滚动轴承轴系的上下轴承的滚珠按单列排放轴承的滚珠按单列排放结构简单结构简单制造安装维修方便制造安装维修方便具有较高的回转精度（可具有较高的回转精度（可达达0.1m）在小型、低速轻载仪器中在小型、低速轻载仪器中获广泛应用获广泛应用 渐开线齿形仪主轴系统哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（三）密珠轴承轴系（三）密珠轴承轴系 1密珠轴承轴系的特密珠轴承轴系的特点及结构点及结构仪器中常用的轴系结构仪器中常用的轴系结构由主轴、轴套和密集于二由主轴、轴套和密集于二者之间的具有过盈配合的者之间的具有过盈配合的滚珠所组成滚珠所组成 成本较低且使用方便、寿成本较低且使用方便、寿命长、精度也较高命长、精度也较高承载能力不大，适用于轻承载能力不大，适用于轻载、低速小型仪器中载、低速小型仪器中 密珠轴系结构1、3止推板 2、8端面止推滚珠 4小滚珠 5径向滚珠 6隔离圈 7轴套 9主轴 lO弹簧片 ll压帽哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室2密珠轴承设计要点密珠轴承设计要点（1）滚珠的密集度）滚珠的密集度（2）滚珠的排列方式）滚珠的排列方式（3）过盈量的确定）过盈量的确定 径向轴承隔离圆孔的排列哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室四、气体静压轴承轴系结构及设计四、气体静压轴承轴系结构及设计空气静压轴承轴系的典型结构空气静压轴承轴系的典型结构（1）圆柱型空气静压轴承轴系）圆柱型空气静压轴承轴系 圆柱形空气静压轴承轴系1一进气嘴2一过滤片 3一外罩4一轴承套5一径向节流孔 6一轴向节流孔7一气浮轴 8一上止推板 9一宝石轴承 lO一衬套 11一连接板 12一下止推板由气体润滑轴承构由气体润滑轴承构由气体润滑轴承构由气体润滑轴承构成的圆柱形空气静成的圆柱形空气静成的圆柱形空气静成的圆柱形空气静压轴系结构简单，压轴系结构简单，压轴系结构简单，压轴系结构简单，回转精度高，工艺回转精度高，工艺回转精度高，工艺回转精度高，工艺性好，因此应用比性好，因此应用比性好，因此应用比性好，因此应用比较普遍较普遍较普遍较普遍 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（2）圆球与圆柱混合型空气静压轴承轴系）圆球与圆柱混合型空气静压轴承轴系获得美国专利的混合型空气静压轴承轴系获得美国专利的混合型空气静压轴承轴系 图4-72 混合形空气静压轴承轴系1一进气孔 2一主轴3一凸球4一进气口 5、6、8一凹半球7一轴套 9一凸半球型圆柱轴承套 10一压簧 11一支承板哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 五、液体静压轴承轴系及设计五、液体静压轴承轴系及设计特点特点:1）形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，）形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率小转动灵活，消耗功率小2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，常用于）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。3）回转精度较高，可达）回转精度较高，可达0.05m。由于油液分子的平均。由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度。作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度。4）抗振性好于气体静压轴承。）抗振性好于气体静压轴承。5）需要一套高质量的供油系统，不仅系统复杂化而且成）需要一套高质量的供油系统，不仅系统复杂化而且成本也较高。本也较高。哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（一）工作原理（一）工作原理（二）液体静压轴承轴系结构与主要参数（二）液体静压轴承轴系结构与主要参数圆度仪用液体静压轴承轴系原理图1滤油网 2液压泵 3溢流阀 4精滤油器 5节流器 6轴承哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 圆度仪用液体静压轴承轴系1滤油网 2内套 3轴向液压轴承 4倾斜调整螺钉 5调心台 6调节螺钉 7主轴 8步进电机哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室液体静压轴承的主要参数液体静压轴承的主要参数（1）油腔形式和数量）油腔形式和数量（2）轴承内径）轴承内径D（3）轴承的长度）轴承的长度L（4）轴向封油面宽度）轴向封油面宽度l1和周向封油边宽度和周向封油边宽度b1（5）主轴和轴承配合直径间隙）主轴和轴承配合直径间隙2h0（6）油腔深度）油腔深度Z1 推荐推荐Z1=（3060）h0。（7）轴承跨距）轴承跨距l 一般取（一般取（46）D。（8）回油槽深度）回油槽深度Z2和宽度和宽度b2（9）轴与轴承的几何形状误差）轴与轴承的几何形状误差（10）轴承）轴承材料材料 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室轴系的比对轴系的比对 特性特性 轴系名称轴系名称回转精度回转精度转动灵转动灵活性活性承载承载能力能力耐磨性耐磨性使用环境使用环境成本成本滑动滑动轴系轴系圆柱滑动轴系圆柱滑动轴系210m 较差较差大大差差要求较低要求较低低低圆锥滑动轴系圆锥滑动轴系0.2m 滚动滚动轴系轴系标准滚动轴承标准滚动轴承轴系轴系0.5m 较好较好较大较大较好较好要求较高要求较高较较高高单列非标准滚单列非标准滚动轴承轴系动轴承轴系0.2m 密珠轴系密珠轴系0.1m 液体静压轴系液体静压轴系0.05m 好好大大好好要求高要求高高高气体静压轴系气体静压轴系0.010.02m 好好较大较大好好要求高要求高高高动压轴系动压轴系0.025m 好好较大较大好好要求高要求高高高哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室第四节第四节 伺服机械系统设计伺服机械系统设计一、伺服系统的分类一、伺服系统的分类按控制特点分为按控制特点分为点位控制点位控制和和连续控制系统连续控制系统 按控制技术分为按控制技术分为开环伺服系统开环伺服系统和和闭环伺服系统闭环伺服系统 开环伺服系统原理图驱动控制伺 服电动机机械装置工 作台哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 闭环伺服系统比较调节运算D/A驱动伺服电机机械装置NCVC工作台检测装置D/A位置检测脉冲指令脉冲哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 二、伺服驱动装置二、伺服驱动装置常用的驱动装置有常用的驱动装置有步进电机步进电机、直流电机直流电机、同步电同步电机机、测速电机测速电机和和压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器 三、机械传动装置三、机械传动装置齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、摩擦传动摩擦传动四、伺服系统的精度四、伺服系统的精度 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室第五节第五节 微位移机构及设计微位移机构及设计微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高的技术，其精度要达到亚微米和纳米级高的技术，其精度要达到亚微米和纳米级 应用微位移技术的系统称为微系统应用微位移技术的系统称为微系统它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成分组成 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室一、常用的微位移机构(1)柔性支承一压电器件驱动的微位移机构 柔性支承无间隙、无摩擦、不发热压电驱动精度高、无噪声、不受温度和电磁场影响、体积小、不老化，因而很容易实现0.l0.001m的微位移 柔性支承、压电器件 驱动的微位移机构哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（2）平行片簧导轨一电压器件驱动的微位移机构 微工作台用平微工作台用平行片簧导向行片簧导向无间隙，无摩无间隙，无摩擦擦 精度高精度高0.0lm的位移的位移分辨力分辨力 平行片簧导轨压电 器件驱动的微位移机构哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（3）滚动导轨一压电器件驱动 滚动导轨微工作台原理图导轨承片台压电陶瓷压电陶瓷具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（4）平行片簧导轨一步进电机及机械式位移缩小机构驱动 丝杆及弹性缩小工作台哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室杠杆式位移缩小机构原理图 楔块式位移缩小机构原理图0.05m的位移的位移分辨力分辨力 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（5）平行弹簧导轨一电磁位移器驱动 电磁驱动的微动工作台0.05m的位移分辨力的位移分辨力 0.2m精度精度行程大行程大有发热、易受电磁干扰有发热、易受电磁干扰哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（6）气浮导轨一步进电机及摩擦传动 气浮导轨步进电机及静摩擦传动工作台0.1m精度精度运动平稳运动平稳零敏度高零敏度高行程大行程大哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室（7）二维X-Y双向微位移工作台 X-Y双向微位移工作台哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 二、微驱动器件哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室三、柔性铰链三、柔性铰链 特点：特点：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高柔性铰链的类型柔性铰链的类型（1）单轴柔性铰链）单轴柔性铰链（2）双轴柔性铰链）双轴柔性铰链 哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室单轴柔性铰链 双轴柔性铰链a）交叉型 b）圆杆型哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室 四、精密微动工作台设计要点四、精密微动工作台设计要点 设计要求设计要求 1 1）支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。）支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。2 2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。性精度。3 3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。性好。4 4）具有较高的固有频率，以确保工作台具有良）具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。好的动态特性和抗干扰能力。5 5）工作台最好采用直接驱动）工作台最好采用直接驱动 6 6）系统响应速度要快，便于控制）系统响应速度要快，便于控制