测控仪器设计(4)

1、4 精密机械系统n 在测控仪器中，精密机械系统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起着着关键关键的作用的作用。随着精密测量精密测量与控制技术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精密机械系统的功能和精度要求也越来越高。n功能要求功能要求:n对运动部分进行实时控制和监测，n能准确地到达空间任一指定的点、线和面n能自动地采集数据和启动、停位。n精度要求精度要求:n基座的变形：亚微米量级；n工作台的定位精度和传动精度：n导轨的直线度：n主轴的回转精度：m1 . 0mm/1 . 0mm/1 . 0 精密机械系统必精密机械系统必须与计算机、光学、

2、须与计算机、光学、电子技术密切相结电子技术密切相结合合才能达到高精度、高效率和多功能的要求。本章重点学习对系统精度和性能影响较大的机械结构.4.1 基座与支承件n 不仅起着联接和支撑联接和支撑各种零、部件相互位置相互位置的作用,而且还是保证保证仪器的工作精度的基础工作精度的基础.n结构特点：n（1）结构尺寸较大：n 自身重量重，承受外载荷，尺寸较大还容易受热变形影响。n（2）结构比较复杂。n 其上有很多加工的孔或支承面、定位面等、而且其加工精度和位置精度要求都较高。n主要技术要求：n (一)具有足够的刚度，力变形要小n 仪器设计时，应满足变形最小原则变形最小原则并进行正确的刚度设计。避免大而笨

3、的盲目设计。n刚度不仅影响精度，而且与自振频率有直接关系。刚度提高固有频率提高刚度不变重量降低动态性能提高机罩取下后：机罩取下后：n(二)有良好的抗振性n 在精密和超精密测量中，振动不仅造成整机晃动，还可能造成零件与部件之间相互位置变动或者产生弯曲与扭转，从而对仪器精度产生影响。当振源频率与构件固有频率产生共振时，甚至使仪器不能正常工作。因此不少精密仪器厂都对安装仪器不少精密仪器厂都对安装仪器的地基提出额定振幅要求的地基提出额定振幅要求。n为提高抗振性，常采用如下方法：n1）合理地进行结构设计，提高静刚度提高静刚度，提高固有频率，避免产生共振。n2）增加阻尼增加阻尼以减小内部振源的振动影响。n

4、3）在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量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。n4）采用减振或隔振措施减振或隔振措施。（三）稳定性好，内应力变形小 （1）由于基座和支承件的尺寸大、结构比较复杂。故往往采用铸件。但是铸件在浇注时由于各处冷却速度不均匀会产生内应力。在浇注时由于各处冷却速度不均匀会产生内应力。而应力的释放又是渐进的而应力的释放又是渐进的。因而造成支承件的缓慢变形。 （2）此外基座等支承件上用螺钉等紧固件装其他部件时的夹紧力也是不均匀的，并会引起夹紧变形和夹紧力的释放变形夹紧变形和夹紧力的释放变形。从而也影响其稳定性。 为减小夹紧件夹紧力引起的变形，应尽量减少螺

5、钉等紧固件的尽量减少螺钉等紧固件的使用数量使用数量。可采用运动学原理定位和弹性夹紧运动学原理定位和弹性夹紧等。 以上这些内应力内应力是造成是造成尺寸长期不稳定尺寸长期不稳定的主要因素的主要因素。 消除内应力的一般方法是时效处理时效处理：分为自然时效处理和人工时效处理（四）热变形要小 对于尺寸较大，精度要求较高的仪器来说，热变形是造成误是的一个重要因素。 可采用如下措施： (1)严格控制工作环境温度(恒温) (2)控制仪器内的热源 (3)采取温度补偿措施4.2.1 结构设计要点 （一）刚度设计 合理的刚度设计就是要使支承件具有足够的静刚度静刚度和动刚度动刚度，在满足刚度要求满足刚度要求情况下尽量

6、减轻重量尽量减轻重量、以减小重力减小重力变形变形和避免共振避免共振。 (1)正确选择截面形状和外形结构 构件受压受压时变形量与截面积大小截面积大小有关； 受弯、扭受弯、扭时，变形量与截面形状截面形状有关。 (2)合理地选择和布置加强筋增加刚度 加强筋有筋板筋板和筋条筋条两种。精度要求较高的仪器其基座基座都布置筋板都布置筋板以提高其刚度，减小变形量。筋条一般布置在基座或支承件的局部局部，以便增加局部的刚度。 （二）正确的结构布局，减小力变形 基座与支承件尺寸大、且常有动载荷动载荷(工作台与被测件)移动移动，因此在结构布局上应考虑遵守力变形最小原则力变形最小原则。如光电光波比长仪的双层基座三点松弛

7、支承双层基座三点松弛支承的结构形式（P45）和1m激光测长机的测量镜和参考镜固定位置测量镜和参考镜固定位置（P43）。有时还采用反变形结构和补偿力变形结构反变形结构和补偿力变形结构（P36）（三）良好的结构工艺性,减小应力变形 在保证刚度的前提下,应尽量减小铸件的重量减小铸件的重量。这样不仅可减小加工劳动量和金属消耗，还可减小应力变形。（四）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、耐磨较高的强度和刚度、耐磨性性以及良好的铸造、焊接以及机良好的铸造、焊接以及机械加工的工艺性械加工的工艺性。常用材料有铸铁、钢板、花岗石等。 近年来，国内外采用花岗石花岗石制造基座、支承件日益

8、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花岗石制作。稳定性好，加工简便，温度稳定性好吸振性好不导电，不磁化价格便宜。4.2 精密xy工作台n4.2.1 xy工作台的性能要求、形式及组成n1xy工作台的性能要求：静态、动态性能n2xy工作台的形式电机不与工作台联成一体，装在机座上按驱动分：驱动电机与x向(或y向)工作台联成一体驱动重量大大驱动重量小小3xy工作台的组成控制装置控制装置驱动源驱动源减速器减速器联轴节联轴节进给机构进给机构减速器减速器工作台与直工作台与直线移动导轨线移动导轨位置检测器位置检测器 传动系统传动系统的设计尤为重要。因为它对整个工作台及仪器设备的性能影响最大。仪

9、器的导轨及设计4.2.2 导轨的功用与分类 在测控仪器中凡是传递直线运动，几乎都需要导轨部件，同时还要精确地保证运动精度精确地保证运动精度及与有关部件的相互位相互位置精度置精度。此外导轨部件还要可靠地承受外加载荷可靠地承受外加载荷，保持运动的稳定性和灵活性。 导轨部件由运动导轨运动导轨 (动导轨)和支承导轨支承导轨(静导轨)组成。 导轨种类很多，按导轨面间摩擦性质摩擦性质可分为： 1)滑动摩擦导轨 2)滚动摩擦导轨 3)静压导轨：两导轨面间有压力油或压缩空气由静压力使动导轨浮起形液体或气体摩擦液体或气体摩擦。 4)弹性摩擦导轨：利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移精密微小位移， 这种导轨仅

10、有弹性材料内分子间的内摩擦。4.2.3 导轨部件设计的基本要求 由于导轨的基本功用基本功用是传递精密直线运动传递精密直线运动。因此导向导向精度精度是其是其最重要最重要的要求的要求，运动的平稳性和灵活性以及导轨的刚度，导轨的寿命和良好的工艺性也是导轨设计必须考虑的重要内容。1、导向精度、导向精度 导向精度是动导轨运动轨迹的精确度动导轨运动轨迹的精确度。 导向精度用线值线值和角值角值表示。 （1）导轨的几何精度）导轨的几何精度 导轨在垂直平面内与水平面内的垂直平面内与水平面内的直线度直线度，导轨面间的，导轨面间的平行度平行度和导轨间的和导轨间的垂直度垂直度。（2）接触精度）接触精度 在动导轨和静导

11、轨接触部位，由于微观的不平度，造在动导轨和静导轨接触部位，由于微观的不平度，造成实际接触面积只是理论接触面积的一部分，从而造成接成实际接触面积只是理论接触面积的一部分，从而造成接触变形，在导轨运行一段时间后，由于接触变形和磨损而触变形，在导轨运行一段时间后，由于接触变形和磨损而产生动导轨和滑架扭摆。产生动导轨和滑架扭摆。 滑滑(滚滚)动导轨，在动导轨，在全长上全长上的接触应达到的接触应达到80，在，在全宽全宽上达上达70。刮研导轨表面，每。刮研导轨表面，每25mm25mm的面积内，的面积内，接触点数不少于接触点数不少于20点。点。 一般对导轨接触精度的检查是采用一般对导轨接触精度的检查是采用着

12、色法着色法。2运动平稳性 导轨运动的不平稳性主要表现在低速运动低速运动时出现速度不均匀，即所谓爬行现象爬行现象。 造成爬行的主要原因主要原因是导轨间静、动静、动摩擦系数的摩擦系数的差值差值较大较大，动摩擦系数随速度变化和系统刚度差。 局部变形：发生在载荷集中的地方，如立柱与导轨接触部位. 接触变形：是由于平面微观不平度，造成实际接触面积仅是名义接触面积的很小一部分.3、刚度 导轨受力产生变形，其中有自身变形自身变形、局部变形局部变形和接触变形接触变形。 减小自身变形的措施： （1）结构设计，如加强筋； （2）补偿措施：将导轨面预先加工成加工成中凸中凸的形状。 接触刚度接触刚度与构件本身刚度不同

13、。它是压强 与变形 之比即： 实际应用时，必须取一固定的接触刚度值取一固定的接触刚度值。 1）对于相互固定不动相互固定不动的接触面(如机身与立柱的接合面) 要预先施加载荷(如旋紧连接螺钉)，预加的载荷应预加的载荷应远大于远大于放放置在其上的部件的重量和承受的外载置在其上的部件的重量和承受的外载。 2）对于活动的活动的接触面接触面，施加的预载一般施加的预载一般等于等于滑动件及其上滑动件及其上的工件等的重量的工件等的重量。p)/(mMPapKj4耐磨性 措施： (1)降低导轨面的比压 (2)良好的防护与润滑 (3)正确选择导轨的材料及热处理工艺 为了提高导轨耐磨性。固定导轨的硬度比运动导轨固定导轨

14、的硬度比运动导轨的硬度的硬度大大1.1倍一倍一1.2倍最好倍最好，不要硬度相同。 不同导轨材料配合不同导轨材料配合，有利于提高导轨的寿命，有利于提高导轨的寿命。 4)合理选择加工方法 磨损达到一定程度后，则磨损速度与加工方法无关磨损达到一定程度后，则磨损速度与加工方法无关。4.2.3 导轨设计应遵循的原理和准则（1）运动学原理设计 把工作台导轨视为在空间有6个自由度的刚体，这6个自由度是沿x，y，z轴的移动和绕x，y，z轴的转动。按运动学原理设计运动学原理设计就是既不允许有多余的自由度，也不既不允许有多余的自由度，也不允许有过定位允许有过定位。 直线运动的导轨，必须限制5个自由度，只有一个自由

15、度不受限制。过定位是允许的，但配合精度必须很高。P42：图2-24既能保证定位的要求，又同时能保证较好的承载能力 在大中型仪器中，工作台本身较重或承载较大时，如用3粒滚珠或滚动轴承来支承，虽然符合三点定位原理，但在工作台运动时，很难保证重心一定落在支承平面内。因此，大中型仪器的工作台往往采用大中型仪器的工作台往往采用四点四点支承支承。这时必定产生过定位。但可以用提高导轨和轴承的制造精度和装配精度的方法来解决。增加键(2)弹性平均效应原理设计（和误差平均原理的区别P50） 大多数精密机械仪器都是按平均效应原理来进行设计导轨。 1）滚动导轨滚动导轨中： 在动导轨与静导轨之间加上滚动体组成的。如果滚

16、动体个数很多，如支承滚动体远多于3个，导向滚动体远多于2个，那么这些滚动体尺寸不可能完全一致。当导轨装配施加预载荷时，少数偏大的滚动体因受力而产生弹性变形，工作台的运动误差将因导轨副导轨副的弹性平均的弹性平均效应而得到平均效应而得到平均，从而提高其承载能力和导向精度。 2）空气静压空气静压和液体静压液体静压导轨： 由于在其动、静导轨之间充满压缩空气或液压油，其导轨运动精度因空气和液体分子的空气和液体分子的平均作用平均作用而得到提高而得到提高。3)导向导轨与压紧导轨分立原则 在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为导向面，另一面作压紧面即导向和压紧分开。保证通过压紧力使导向面可靠接触，保

17、证导向精度通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。导向导轨压紧导轨螺钉 装配时用导向导轨作基准，保证其直线度；右侧压紧导轨通过螺钉调节(2个或3个)来施压，并可在一定程度上纠正运动的直线度。双v形波动导轨简图注：提高工作台的运动精度，一般是从提高导轨的制造精度着手。但导轨制造精度的提高是有限度的。因此要进一步提高工作台的运动精度，还必须采取导轨误差补偿与修正等措施。万能工具显微镜导轨布置图4.3 主轴系统及设计 凡作回转运动回转运动的仪器中都必须有主轴系统。因此主轴系统是对要求有回转运动的测控仪器或精密机械的关键部件。 在测控仪器中主轴系统的主要作用：主要作用：是带动被测零带动被测零件或仪器

18、进行精密分度、作精确旋转等件或仪器进行精密分度、作精确旋转等。 组成： 主要由主轴主轴、轴承轴承和安装在主轴上的传动件安装在主轴上的传动件组成。 主要要求是主轴在一定载荷转速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。主轴回转精度是主轴主轴回转精度是主轴系统设计系统设计的关键关键。1、主轴回转精度、主轴回转精度 是指在一定的位置上所测得的主轴在一定的位置上所测得的主轴在径向径向方向上对理想方向上对理想轴线的偏离轴线的偏离或叫做主轴回转时的定中心精度和方向精度。 主轴回转精度高，是指该主轴轴系的误差运动误差运动小。4.3.1 主轴系统设计的基本要求轴向、径向、倾角误差运动注意： 1)

19、回转轴线 垂直于主轴截面且回转速度为零的那条直线为回转轴线垂直于主轴截面且回转速度为零的那条直线为回转轴线，它与几何中心（几何中心（主轴截面的圆心主轴截面的圆心）不同，主轴回转后才有回转中心，且回转中心与几何中心不一定重合。 2）漂移（滚动轴系：滚动轴系：无无间歇转动间歇转动） 滚动滚动轴系的主轴一般是无间歇传动，但由于轴套、主轴轴颈及滚动体有形状误差，特别是滚动件有尺寸差时，主轴主轴回转时将产生有规律的位移回转时将产生有规律的位移。在一定时间内，主轴轴心位移一定时间内，主轴轴心位移量和位移方向不断变化量和位移方向不断变化。这种变化习惯上称为“漂移漂移”。 措施措施：平均读数法：平均读数法滚动

20、轴承的误差特点滚动轴承的误差特点:误差运动多周重复误差运动多周重复3）主轴晃动（滑动轴系：滑动轴系：有有间歇转动间歇转动） 减小晃动影响的最有效方法：平均读数法（平均读数法（误差平均原理误差平均原理） （P50） 通常把滑动滑动轴系中，由于主轴与轴套有安装间隙安装间隙而造成主主轴偏心的变动轴偏心的变动称为主轴晃动。Resin轴系偏心（一次一次谐波）偏心带来的回转误差： 如果在滑动轴系中。在主轴和轴套主轴和轴套之间充满润之间充满润滑油滑油，则主轴回转误差规律与前述不同。这时轴系每转动二周二周出现误差运动重复一次的现象称为双周晃双周晃动误差动误差，它的误差形式是二次二次谐波谐波。 轴系旋转时，轴系

21、内的油膜分散成许多大小不等的油团，每个油团都是且转且滚，在滚转过程中大油团边缘部分常常撕裂开，分裂出许多小油团。但从统计看来，总存在一个较大的油团，该油团与轴套接触部分速度为该油团与轴套接触部分速度为0，与主轴接触部分速度为与主轴接触部分速度为v，油团中心位置速度油团中心位置速度为为v/2。因此主轴转一圈时，油团平均移动半圈。主轴转两周，误差运动重复一次主轴转两周，误差运动重复一次。滑动轴承中的油膜2、主轴系统的刚度、主轴系统的刚度 主轴系统刚度主轴系统刚度是指主轴某一测量处在外力是指主轴某一测量处在外力P(或转矩或转矩M）作用下与主轴在该处位移量作用下与主轴在该处位移量y (或转角或转角)之比，即刚度之比，即刚度KP/y或或K M/，其倒数，其倒数y/P称为称为柔度柔度。刚度大，柔度就小。刚度大，柔度就小。主轴系统刚度分为轴向刚度和径向刚度。主轴系统刚度分为轴向刚度和径向刚度。3、主轴系统的振动、主轴系统的振动4、主轴系统的热