测控仪器设计第章.ppt

第四章 精密机械系统的设计1 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、轴系及微位移系统等2第一节 精密机械系统现代设计方法一、精密机械系统的计算机辅助设计 计算机辅助设计，是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。在工程和产品设计中，CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。主流CAD软件：Autodesk Inventor，SolidWorksSolidWorks,CATIA,SolidEdge,Pro/EPro/E,AutoCAD,AutoCAD,UG NXUG NX,0nespace等。3二、模块化设计 20 20 世纪世纪5050年代年代“模块化设计模块化设计”概念被正概念被正式提出，它是指在对一定范围内不同功式提出，它是指在对一定范围内不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，创建并设计品进行功能分析的基础上，创建并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场不同组合构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。需求的设计方法。4二、模块化设计在长期的仪器设计实践中，很多机械部件已经形成标准的、系列的模块化部件。比如滚动导轨组件，精密基准部件（长度基准件，角度基准件），瞄准部件（标准CCD相机和镜头等）。在设计过程中，对仪器的机械系统进行模块划分，对于专用部件进行专门设计，对于通用模块可以选用标准模块。模块化设计有如下优点：1）设计和制造时间短；2）有利于产品的更新换代和新产品开发；3）有利于降低产品成本，提高产品质量。4）修方便。产品维修时,须更换损坏的模块,维修方便、快捷。5三、反求工程设计反求工程也称为逆向工程、反向工程，是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和技术的综合。实物反求通过一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构CAD模型的过程。6三、反求工程真实的对象可以通过如三坐标测量机，激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。3-matic、Imageware、PolyWorks、Rapidform或者Geomagic，这些软件都提供了将顶点云变成能可视图像或者被其他应用软件，如3D CAD、CAM、CAE识别的格式的功能。但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题 7现代设计方法总结现代设计方法的核心是充分发挥人的创造能力，利用各种现代科学技术手段使人从繁复的具体工作中解放出来，进行创造性的思维，实现技术创新和产品创新。8第二节 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9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）有良好的抗振性）有良好的抗振性10提高仪器抗振性措施（1）减轻重量，提高固有频率）减轻重量，提高固有频率（2）合理的结构设计，提高静刚度）合理的结构设计，提高静刚度（3）减小内部振源影响）减小内部振源影响（4）采取隔振措施）采取隔振措施 如三坐标测量机规定激振频率在50Hz以下，振幅不超过5m。11 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12 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13 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 14常用的材料常用材料有铸铁、钢板、花岗石等铸铁材料常用灰口铸铁HTl50、HT200、HT250，球墨铸铁QT40-17和QT42-10 尺寸较小的基座或支架也可用钢板焊接而成，常用钢板材料为Q215、Q235和Q255 国内外采用花岗石制造基座、支承件日益普遍，我国制造的三坐标测量机等大中型仪器基座许多都用“泰山青”花岗石制作 15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 16第三节 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 17二、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精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 1819二、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 减少接触面的表面粗糙度：滑动导轨动导轨Ra 0.8-0.2m，静导轨0.4-0.1m。滚动导轨面Ra 小于0.2m20（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 自重变形、局部变形、接触变形耐磨性与摩擦性质、导轨材料、表面处理工艺、加工工艺和受力情况有关21三、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22三、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23四、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。24（一）滑动摩擦导轨的截面形状（一）滑动摩擦导轨的截面形状 25（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）V形和平面组合导轨形和平面组合导轨 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基需要较高的技术及精密的基准研具进行精研准研具进行精研 26（3）双矩形组合导轨）双矩形组合导轨 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（4）燕尾组合导轨）燕尾组合导轨 （5）双圆柱导轨）双圆柱导轨 27导轨主要尺寸的确定1 、导轨宽度确定2、V型导轨的角度3、两条导轨的间距4、运动件导轨的长度一般取导轨间距1.2-1.8之间28五、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 291滚珠导轨滚珠导轨 （1）双）双V形滚珠导轨形滚珠导轨 运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩 (2)双圆弧滚珠导轨双圆弧滚珠导轨 计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用 接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、寿命长。寿命长。30（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨）四圆柱棒滚道的滚珠导轨 优点：运动精度和灵活性较高，维修方便优点：运动精度和灵活性较高，维修方便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）31（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运动速度不一致缺点是左右两排滚珠中心运动速度不一致 万能工具显微镜万能工具显微镜19JA就采用该型滚珠导轨就采用该型滚珠导轨 32 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，灵活性不如滚珠导轨灵活性不如滚珠导轨多用在重型仪器上多用在重型仪器上 33（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 34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）注意导轨滚动轴承与标准轴承的区别注意导轨滚动轴承与标准轴承的区别 3滚动轴承导轨滚动轴承导轨 35（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）滚动与滑动摩擦导轨的组合应用）滚动与滑动摩擦导轨的组合应用 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（2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合 形状简单，加工容易形状简单，加工容易（3）滚柱和滚珠导轨的组合）滚柱和滚珠导轨的组合灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承载大的优点。载大的优点。（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合）滚柱与长圆柱轴导轨组合轻载部件中使用轻载部件中使用 36滚动导轨计算1、运动导轨的长度2、滚动体的尺寸和数量3、强度与刚度计算37六、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 38（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39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 40（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 41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42七、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43（二）标准导轨的选用（二）标准导轨的选用a）两滚道型导轨结构简图 b）四滚道型导轨结构简图 滚动直线导轨主要分为标准滚珠导轨和圆柱导轨。1、标准滚珠导轨 标准滚珠导轨的商业产品有两滚道型和四滚道型。4445464748第四节 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 49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 50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 51（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 52（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 53（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 54 二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计（一）圆柱形轴承轴系（一）圆柱形轴承轴系结构简单，承载能力大结构简单，承载能力大 ，精度不高，摩擦力矩大，精度不高，摩擦力矩大（二）半运动式圆柱形轴承轴系（二）半运动式圆柱形轴承轴系应用十分广泛的经纬仪轴系的典型结构应用十分广泛的经纬仪轴系的典型结构 特点:精度高，摩擦力矩小，加工难度大。（三）锥形滑动轴承（三）锥形滑动轴承定心精度高，磨损后可补偿。定心精度高，磨损后可补偿。对温度变化敏感，加工复杂对温度变化敏感，加工复杂0.2m回转精度回转精度 55（四）（四）V形弧滑动轴承轴系形弧滑动轴承轴系润滑油液中，因而使双周晃动油团无法沿圆周运动而润滑油液中，因而使双周晃动油团无法沿圆周运动而被破坏被破坏 n消除了双周晃动误差，精度高消除了双周晃动误差，精度高 精度可以达到精度可以达到0.035mn应用度盘检测仪应用度盘检测仪已成功地应用在度盘检查仪、码盘已成功地应用在度盘检查仪、码盘光电检验仪、圆分度光电检验仪和圆刻划机等低恒光电检验仪、圆分度光电检验仪和圆刻划机等低恒速转动仪器上速转动仪器上 56三、滚动摩擦轴系及设计三、滚动摩擦轴系及设计（一）（一）标准标准滚动轴承轴系滚动轴承轴系结构简单；制造安装维修方便；回转精度（可达结构简单；制造安装维修方便；回转精度（可达2m）57标准轴承选择时需要注意事项 前轴承内环精度对主轴精度影响大，后轴前轴承内环精度对主轴精度影响大，后轴承内环影响小。后轴承的精度可以选择得低些，承内环影响小。后轴承的精度可以选择得低些，通常比前轴承的精度可低一级。通常比前轴承的精度可低一级。58（一）单列滚动轴承轴系（一）单列滚动轴承轴系 1、结构特点：、结构特点：1 1）径向精度由基圆盘）径向精度由基圆盘1 1的内孔、主轴的内孔、主轴2 2的外圆及二列的外圆及二列单排的滚珠单排的滚珠6 6保证；轴向精度由基圆盘的端面保证；轴向精度由基圆盘的端面A A、主轴轴肩端面主轴轴肩端面B B及介于两者之间滚珠及介于两者之间滚珠7 7保证；结构保证；结构简单，装调方便，精度较高。简单，装调方便，精度较高。2 2）顶尖）顶尖3 3与主轴分成两体，用与主轴分成两体，用4 4个小螺钉个小螺钉5 5可以方便地可以方便地调节顶尖座调节顶尖座4 4，使顶尖与主轴中心重合，使顶尖与主轴中心重合渐开线齿形仪主轴系统三、非标滚动轴系及设计三、非标滚动轴系及设计3 3、应用：、应用：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（可达具有较高的回转精度（可达0.1m0.1m）；）；在小型、低速轻载仪器中获广泛应用在小型、低速轻载仪器中获广泛应用 。2 2、需要计算主要参数：、需要计算主要参数：滚珠直径、滚珠个数、滚珠误差滚珠直径、滚珠个数、滚珠误差滚珠直径、滚珠个数、滚珠误差滚珠直径、滚珠个数、滚珠误差59单列滚动轴承参数的确定轴向：考虑承载载荷轴向：考虑承载载荷滚珠直径滚珠直径在不影响灵活性条件下，尽量选小的滚珠在不影响灵活性条件下，尽量选小的滚珠径向：考虑精度的影响 滚珠直径：在满足精度基础上，考虑结构紧凑，采用小滚珠。60（二）密珠轴承轴系（二）密珠轴承轴系 密珠轴承轴系密珠轴承轴系特点：特点：由主轴、轴套和由主轴、轴套和密集密集于二者之间的具于二者之间的具有有过盈过盈配合的滚珠所组成，密集的滚配合的滚珠所组成，密集的滚珠近似于多头螺旋线排列，每个滚珠公转珠近似于多头螺旋线排列，每个滚珠公转时时沿着自己的滚道滚动沿着自己的滚道滚动，互不重复，减小，互不重复，减小了滚道磨损，使轴承的精度得以长期保持。了滚道磨损，使轴承的精度得以长期保持。应用应用：成本较低且使用方便、寿命长、精成本较低且使用方便、寿命长、精度也较高度也较高承载能力不大，适用于轻载、低速承载能力不大，适用于轻载、低速小型仪器中小型仪器中 径向回转精度径向回转精度0.1m0.1m612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：过盈量与轴和套的尺寸、：过盈量与轴和套的尺寸、零件的加工误差、轴承承受的载荷等因素有关。零件的加工误差、轴承承受的载荷等因素有关。一般取1.5-12m 62四、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 气体静压轴承是以一定恒压的净化空气充满轴承套与轴之间，并以其为润滑介质构成的轴承。1）由于空气粘性极小，因此几乎没有摩擦力矩，旋转灵活，无磨损，工作中不用维修调整，具有可以在特殊环境下使用的优点。2）由于气膜对轴承零件的加工误差有平均作用，构成轴系后的回转精度可比轴承副零件精度有很大提高。3）目前空气静压轴承的回转精度已高达0.01m，因此常用作为高精度仪器的轴承。63 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作。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。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。64动压轴承轴系结构特点特点:回转精度高，可达回转精度高，可达0.025m。承载能力较大，承载能力较大，刚性较好。刚性较好。动态情况下无磨损，寿命长。动态情况下无磨损，寿命长。制造使用和维修都比较方便，结构比液体静压简单，不需要油泵站。制造使用和维修都比较方便，结构比液体静压简单，不需要油泵站。起动时主轴和轴承刚性接触，有磨损，低速大载荷油膜难以建立。起动时主轴和轴承刚性接触，有磨损，低速大载荷油膜难以建立。主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转。主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转。获得动压的条件1.有斜楔有斜楔2.转速均匀转速均匀3.转动方向固定转动方向固定4.有润滑有润滑65轴系的比对轴系的比对 66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、分辨力和精度都很高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分它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成组成 微位移机构微位移机构微位移机构微位移机构控制系统控制系统控制系统控制系统检测装置检测装置检测装置检测装置67微位移结构组成和分类柔性支撑柔性支撑 +压电或电致缩位移驱动器；压电或电致缩位移驱动器；滚动导轨滚动导轨 +压电陶瓷或电致缩驱动器压电陶瓷或电致缩驱动器；滑动导轨滑动导轨 +机械式驱动机械式驱动；平行弹性导轨平行弹性导轨+机械式或电磁、压电、电致伸缩位移驱动器驱动机械式或电磁、压电、电致伸缩位移驱动器驱动；气浮导轨气浮导轨 +伺服电机或直线电机驱动伺服电机或直线电机驱动 ；根据导轨形式和驱动形式微位移机构分为以下5类：68一、典型的微位移机构(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 69（2）平行片簧导轨一电压器件驱动的微位移机构 微工作台用平行微工作台用平行片簧导向片簧导向无间隙，无摩擦无间隙，无摩擦 精度高精度高0.0lm0.0lm位移分辨力位移分辨力 70（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、精度较高行程行程行程行程9.59.5mm，定位精度，定位精度，定位精度，定位精度0.04 0.04 mm（自动分布重复光刻机自动分布重复光刻机自动分布重复光刻机自动分布重复光刻机）71（4）平行片簧导轨一步进电机及机械式位移缩小机构驱动 72行程行程行程行程5050mm分辨力分辨力分辨力分辨力0.05 0.05 mm精度精度精度精度0.50.5mm4.1杠杆式位移缩小机构原理图73（5）平行弹簧导轨一电磁位移器驱动行程较大；分辨力行程较大；分辨力行程较大；分辨力行程较大；分辨力0.01 0.01 mm；精度；精度；精度；精度0.20.2mm74（6）气浮导轨一步进电机及摩擦传动 0.1 0.1 mm定位精度定位精度定位精度定位精度分布重复照相机上使用分布重复照相机上使用分布重复照相机上使用分布重复照相机上使用75（7）二维X-Y双向微位移工作台 50100 50100 mm位移位移位移位移76 二、微驱动器件（1）压电及电致伸缩器件：在微位移器件中，压电及电致伸缩器是应用逆压电效应或电致伸缩效应工作的，即电介质在外电场作用下产生应变。电介质在外加电场作用下的应变与电场的关系为:具有压电效应和电致伸缩效应的材料称为压电材料。常用压电材料是压电陶瓷，尤其是以锆酸铅和钛酸铅组成的固溶体使用更为普遍，以Pb（铅）、Zr（锆）、Ti（钛）这三种元素符号的第一个字母组成PZT来代表。压电器件和电致伸缩器件结构紧凑体积小，位移分辨力高，控制简单，不发热，抗干扰性好，因而是理想的微位移器件，分辨力可达到0.001m，定位精度可达0.01m。77（2）压电器件 压电微位移器件是用逆压电效应工作的，广泛用于激光稳频、精密工作台微移动、精密加工微进给及微调等。对压电器件要求其具有压电灵敏度高、行程大、线性好、稳定性好和重复性好等。78 二、微驱动器件（2）电致伸缩器件 电致伸缩器件可以用相对较低的电压获得较大的位移驱动，电致伸缩器件可以用相对较低的电压获得较大的位移驱动，电致伸缩器件可以用相对较低的电压获得较大的位移驱动，电致伸缩器件可以用相对较低的电压获得较大的位移驱动，如施加如施加如施加如施加100100100100500V500V500V500V的电压，获得几十微米的应变量的电压，获得几十微米的应变量的电压，获得几十微米的应变量的电压，获得几十微米的应变量 电致伸缩器件与压电器件一样，都有滞后效应，如图所示。此外还有漂移现象，漂移量一般小于应变范围的15。79（3）电磁驱动器 电磁驱动器是用电磁力来驱动微工作台。微工作台可用平行片簧导轨导向，也可用金属丝悬挂导向。电磁式驱动器位移分辨力约0.1m，最大初始间隙800m左右，线性范围士100m。电磁微驱动器方法简单，驱动范围大，但线圈通电流后易发热，易受电磁干扰。80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 （三三）柔性铰链柔性铰链 由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，微型化的要求。人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙柔性铰链。才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙柔性铰链。81柔性铰链设计 特点：位移量比较小（几十至几百微米）；取t r核心问题：如何计算转角刚度？8283片簧支承结构简单，无间隙无摩擦，尤其适合微位移范围小并且空间尺寸无严格要求的微位移机构中 （四四）片簧支承片簧支承 84五、精密微动工作台设计要点五、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）具有高的位移分辨力及高的定位精度和重复性精度。）具有高的位移分辨力及高的定位精度和重复性精度。3 3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，）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，运动稳定性好。即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。4 4）具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态）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。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85（1）导轨形式的选择 1.1.弹性导轨弹性导轨包括平行片簧导轨和柔性支承导轨，它们无机械摩擦，无磨损，动、静摩擦系数差很小，几乎无爬行，又无间隙，不发热，可达到很高的分辨率，是高精度微动工作台常用的导轨形式，但它们行程小，只适合用于微位移。2.2.空气静压导轨空气静压导轨在移动需要大行程，分辨力达到亚微米的情况下，可用空气静压导轨，这种导轨导向精度高，无机械摩擦、无磨损、无爬行，又具有减震作用，但成本较高。3.3.组合式组合式大行程时用步进电动机以机械减速机构推动工作台在空气静压导轨上运动，而微位移时用压电器件推动工作台以弹性导轨导向运动。86（2）微动工作台的驱动 选择1）电机驱动与机械位移缩小装置 定位精度低于0.1m。适于大行程，中等精度微位移场合。2）电热式和电磁式机构 易受电磁干扰，难以达到高精度，一般为O.1m左右，行程较大，可达数百微米。3）压电和电致伸缩器驱动 分辨力可达纳米级，驱动工作台的定位精度可达O.01m。但行程小，一般为几十微米。87此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！