第5章支承系统设计

1、1是基础部分，将其它子系统相互有机地联系是基础部分，将其它子系统相互有机地联系 起来，通过支承作用构成总系统。起来，通过支承作用构成总系统。：底座、立柱、横梁、箱体、工作台和升降台等：底座、立柱、横梁、箱体、工作台和升降台等u 支承零、部件支承零、部件u 保持被支承零、部件间的相互位置关系保持被支承零、部件间的相互位置关系u 承受各种力和力矩。承受各种力和力矩。 2一个机械系统的支承件往往一个机械系统的支承件往往，它们有的相互固定，它们有的相互固定联接，有的在轨道上运动。联接，有的在轨道上运动。机床支承系统机床支承系统3床床 腿腿床床 腿腿床床 身身机床支承系统机床支承系统4立柱立柱底座底座转

2、台支承系统转台支承系统5 底底 座座 底底 座座并联机器人支承系统并联机器人支承系统6根据形状分为以下几类：根据形状分为以下几类： 梁类：梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多 的零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。的零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。 板类：板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多 的零件，如机床的底座、工作台、刀架等。的零件，如机床的底座、工作台、刀架等。 箱类：箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件，三个方向的尺寸大致一样的零件， 如机床的箱体、升降台等。如机床的箱体、升降

3、台等。框架类：框架类：如支架、桥架、桁架等。如支架、桥架、桁架等。 71、足够的静刚度、足够的静刚度：支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支承件的静刚度。承件的静刚度。2、较好的动特性、较好的动特性：机械系统应具有机械系统应具有的能力。在机床上主的能力。在机床上主要包括抵抗要包括抵抗和和的能力，而且不应产生的能力，而且不应产生。 3、良好的热特性、良好的热特性：系统工作时各种原因的发热都会使：系统工作时各种原因的发热都会使，以致破坏被支承零部件的相互位置关系，降低机械系，以致破坏被支承零部件的相互位置关系，降低机械系统的工作精度。统的工作精度。4、小的

4、内应力、小的内应力：材料内应力如不消除，在使用过程中，：材料内应力如不消除，在使用过程中，引起支承件变形。，引起支承件变形。因此，在设计时要从结构因此，在设计时要从结构和选材上保证支承件的内应力最小，并在铸造或焊接和粗加工后进和选材上保证支承件的内应力最小，并在铸造或焊接和粗加工后进行行。 5、其他、其他：在设计支承件时，应考虑在设计支承件时，应考虑，液压、电器布，液压、电器布置合理以及便于置合理以及便于和和等。而对于机床的支承件，还要考虑便等。而对于机床的支承件，还要考虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。 89支承件的变形一般包括支承件的变形一般包括自

5、身变形自身变形、局部变形局部变形和和接触变形接触变形101112u空心截面惯性矩比实心的大空心截面惯性矩比实心的大u方形抗弯，圆形抗扭，矩形抗弯更好方形抗弯，圆形抗扭，矩形抗弯更好u封闭截面比非封闭截面刚度大封闭截面比非封闭截面刚度大 主要用来提高支承件的抗弯刚度主要用来提高支承件的抗弯刚度主要用来提高支承件的抗扭刚度主要用来提高支承件的抗扭刚度既可提高支承件的抗弯刚度，又可提既可提高支承件的抗弯刚度，又可提高抗扭刚度高抗扭刚度 纵向隔板必须布置在支承件的弯曲平面内才会纵向隔板必须布置在支承件的弯曲平面内才会显著提高抗弯刚度显著提高抗弯刚度 13(a)直字形肋条直字形肋条，结构最简单。常用于窄

6、壁和受，结构最简单。常用于窄壁和受载荷较小的内壁上。载荷较小的内壁上。(b)十字形肋条十字形肋条是呈直角交叉布置，结构也简单，是呈直角交叉布置，结构也简单，但易产生内应力，广泛用于箱形截面的支承件但易产生内应力，广泛用于箱形截面的支承件和平板上。和平板上。(c)三角形肋条三角形肋条可保证足够的刚度，多用于矩形可保证足够的刚度，多用于矩形截面支承件的宽壁上。截面支承件的宽壁上。(d)交叉肋条交叉肋条有时会与支承件壁的横隔板结合在有时会与支承件壁的横隔板结合在一起来有效地提高其刚度，常用于重要支承的一起来有效地提高其刚度，常用于重要支承的宽壁和平板上。宽壁和平板上。(e)蜂窝形肋条蜂窝形肋条常用于

7、平板上。由于它在各方向常用于平板上。由于它在各方向能均匀地收缩，不会在肋条连接处堆积金属，能均匀地收缩，不会在肋条连接处堆积金属，故内应力小。故内应力小。(f)米字形肋条米字形肋条制造困难，铸造时金属堆积严重。制造困难，铸造时金属堆积严重。(g)井字形肋条井字形肋条单元壁板的抗弯刚度接近单元壁板的抗弯刚度接近(f)的米的米字形肋条，但抗扭刚度是米字形肋条的字形肋条，但抗扭刚度是米字形肋条的1/2。肋条布置在支承件的内壁，减小肋条布置在支承件的内壁，减小局部变形，防止薄壁振动。局部变形，防止薄壁振动。三、合理开孔和加盖三、合理开孔和加盖14不在与弯曲平面垂直的壁上开孔，不在窄壁上开孔，加嵌入盖比

8、不在与弯曲平面垂直的壁上开孔，不在窄壁上开孔，加嵌入盖比面覆盖好。面覆盖好。 主要方式：加强受力集中处的刚度，如加肋条主要方式：加强受力集中处的刚度，如加肋条 方式方式:配磨配磨/研研/刮刮增加实际接触面积，提高接触刚度增加实际接触面积，提高接触刚度开孔的目的开孔的目的1）安装机件或清砂）安装机件或清砂2）减重）减重降低开孔对刚度影响的措施降低开孔对刚度影响的措施1）正确选择开孔的尺寸和位置）正确选择开孔的尺寸和位置2）开孔位置翻边）开孔位置翻边3）加嵌入盖）加嵌入盖15u铸铁：铸铁：ht100,ht150,ht200,ht250,ht300,qt450-10,qt800-02ht100,ht

9、150,ht200,ht250,ht300,qt450-10,qt800-02u钢：钢：3 3,5 #,q235,20,25,15mn,16mn,20mn,15mnti,15mnsi,5 #,q235,20,25,15mn,16mn,20mn,15mnti,15mnsiu轻合金：轻合金：zalsi7mg,zalsi9mg,zalsi12cumg1,zalzn1si7zalsi7mg,zalsi9mg,zalsi12cumg1,zalzn1si7u钢筋混凝土钢筋混凝土u花岗岩花岗岩 沿力作用线的铆钉排数不超过沿力作用线的铆钉排数不超过5 56 6排排 接头中铆钉交错布置接头中铆钉交错布置 多层板

10、铆接时，接口应错开多层板铆接时，接口应错开 铆钉杆与孔之间不留空隙铆钉杆与孔之间不留空隙 铆钉头附近的孔边倒成直角或圆角铆钉头附近的孔边倒成直角或圆角 同组结构中采用相同直径的铆钉同组结构中采用相同直径的铆钉 铆钉孔远离壳壁，且铆钉头外露铆钉孔远离壳壁，且铆钉头外露动态特性动态特性主要指支承件的主要指支承件的固有频率、振型和阻尼固有频率、振型和阻尼。要求：要求：u系统支承件的系统支承件的；u具有具有( (共振状态下，激振力的幅值与振幅之比共振状态下，激振力的幅值与振幅之比) )和和u支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值

11、较小。较小。 16单自由度系统只有一个固有频率和一个振型；单自由度系统只有一个固有频率和一个振型；二自由度系统有两个振型。二自由度系统有两个振型。模态：振型和固有频率的合称，模态：振型和固有频率的合称， 由小到大排列，用由小到大排列，用“阶阶”表示表示支承件是连续体，有无穷多阶模态。支承件是连续体，有无穷多阶模态。17一阶一阶 二阶二阶 三阶三阶 四阶四阶第一阶模态：整机摇晃振动，频率：第一阶模态：整机摇晃振动，频率：151530hz30hz第二阶模态：一次弯曲振动，频率：第二阶模态：一次弯曲振动，频率：8080140hz140hz第三阶模态：一次扭转振动，频率：第三阶模态：一次扭转振动，频率

12、：3030120hz120hz第四阶模态：二次扭转振动第四阶模态：二次扭转振动：对于某些面积较大而又较薄的壁板、罩、盖等容易发生对于某些面积较大而又较薄的壁板、罩、盖等容易发生薄壁振动。这类振动的主振系统是薄壁，振动的固有频率较高，振薄壁振动。这类振动的主振系统是薄壁，振动的固有频率较高，振幅不大，属于局部振动。对系统的工作质量如机床的加工精度影响幅不大，属于局部振动。对系统的工作质量如机床的加工精度影响不大，但却是噪声源或噪声的传播媒介。不大，但却是噪声源或噪声的传播媒介。18k kd d: :动刚度动刚度; ; ：阻尼比：阻尼比; ; k k：静刚度：静刚度 与动刚度有关的因素：与动刚度有

13、关的因素： 1）静刚度）静刚度 2）阻尼）阻尼 提高静刚度的措施提高静刚度的措施: 合理设计截面形状和尺寸合理设计截面形状和尺寸, 合理布置隔板和肋条合理布置隔板和肋条 增加阻尼的办法增加阻尼的办法:保留砂芯、预加载荷、振动能量的消耗保留砂芯、预加载荷、振动能量的消耗机床工作时，电动机输入的能量，不论通过什么途径，最后机床工作时，电动机输入的能量，不论通过什么途径，最后都变成热。这些热量：一部分由都变成热。这些热量：一部分由切屑、冷却和润滑油切屑、冷却和润滑油带走，一部带走，一部分分向周围散发向周围散发，一部分使，一部分使工件升温工件升温，一部分使，一部分使机床升温机床升温。外部环境温度变化和

14、阳光照射使机床升温。外部环境温度变化和阳光照射使机床升温。19及时将工作时产生的热量扩散到周围环境中，及时将工作时产生的热量扩散到周围环境中，则机械系统的温度不会很快升高。（如：增大则机械系统的温度不会很快升高。（如：增大散热面积散热面积/ /增设与气流方向一致的散热片增设与气流方向一致的散热片/ /采用采用风扇或制冷设备，都可加快散热。）风扇或制冷设备，都可加快散热。）将电动机、液压油箱、变速箱等热源移到与机将电动机、液压油箱、变速箱等热源移到与机械系统隔离的地基上，使热源与机床隔离。械系统隔离的地基上，使热源与机床隔离。影响机械系统工作质量的不仅仅是温升，更重影响机械系统工作质量的不仅仅是

15、温升，更重要的是温度不均匀。因此，使支承件的热变形要的是温度不均匀。因此，使支承件的热变形均匀也是系统工作质量的一种措施。均匀也是系统工作质量的一种措施。使热变形对工件质量的影响最小使热变形对工件质量的影响最小20均热：均热：在车床床身在车床床身b b处开一个浅缺口，装主轴箱的处开一个浅缺口，装主轴箱的a a处处是主要热源，是主要热源，c c处是导轨。这样可使从处是导轨。这样可使从a a处传来的热量处传来的热量分散传至床身各处分散传至床身各处( (如箭头所示如箭头所示) )。床身的温度就比较。床身的温度就比较均匀。均匀。 21均热：均热：图图(a)(a)是一台立式矩台平面磨床，由于砂轮电动机的热量经砂轮架是一台立式矩台平面磨床，由于砂轮电动机的热量经砂轮架接合面使立柱前壁的温度高于后壁，造成立柱后倾，使磨出的工件接合面使立柱前壁的温度高于后壁，造成立柱后倾，使磨出的工件表面与