测控仪器设计-2011上课第四章

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设计要求结构特点：1）结构尺寸较大2）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设计要求1）具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小（1）严格控制工作环境温度（2）控制仪器内的热源（3）采取温度补偿措施4）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

二、基座与立柱等支承件的结构设计(一)刚度设计

（1）有限元分析法

（2）仿真分析法(二)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

（2）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

横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较断面形状实心圆形

实心方形空心圆形空心方形空心矩形抗弯惯性矩（相对值）11.045.043.217.33抗扭惯性矩（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

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

二、基座与立柱等支承件的结构设计(一)刚度设计（1）有限元分析法（2）仿真分析法

(二)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（2）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

（5）合理地选择材料

（3）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花岗石具有许多优点：

1）稳定性好2）加工简便3）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数均很小4）吸振性好5）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好6）维护保养方便7）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第二节仪器的导轨及设计

一、导轨的功用与分类导轨的基本功用：传递精密直线运动

按导轨面间摩擦性质可分为

1）滑动摩擦导轨

2）滚动导轨

3）静压导轨

4）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二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精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、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。

（1）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二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精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、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。（1）导轨的几何精度（2）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（二）导轨运动的平稳性爬行现象

（三）刚度要求（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三、导轨设计应遵守的原理和准则

（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三、导轨设计应遵守的原理和准则

（一）运动学原理（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)双V形导轨导向与压紧

b)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。优点:结构简单制造容易接触刚度大

缺点:摩擦阻力大、磨损快动、静摩擦系数差别大低速度时，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（一）滑动摩擦导轨的截面形状

αα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

（1）三角形和平面组合导轨三角形和平面组合导轨导向性好

平导轨制造简单

刚性好

应用较为广泛

缺点是导轨磨损不均匀，且牵引力的位置不在两导轨的中间。

（2）双三角形（V形）组合导轨

加工、检验和维修比较困难

需要较高的技术及精密的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（3）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）燕尾组合导轨燕尾导轨（5）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，故在仪器中广泛应用这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力大。

（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珠导轨滚柱导轨滚针导轨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1．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V形滚珠导轨运动灵敏度较高，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、寿命长。

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）

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（4）V形-平面滚珠导轨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万能工具显微镜19JA就采用该型滚珠导轨

图4-22V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

2．滚柱（针）导轨

（1）V形滚柱导轨承载能力比较大耐磨性能好，灵活性不如滚珠导轨多用在重型仪器上

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（2）平面滚动导轨（滚珠或滚柱）

形状简单加工比较容易

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（3）滚动轴承导轨摩擦力矩小运动灵活承载能力大调整方便用于大型仪器（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（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轴承导轨摩擦力小，运动灵活，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（2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合形状简单，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（3）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载大的优点。（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合轻载部件中使用

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，寿命长，驱动功率小精度高导轨的承载能力较大，刚度好抗振性好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（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开式液体静压导轨的特点:①能较好的承受垂直载荷②结构简单，便于加工和调整；③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：①承受载荷能力强；②运动精度比开式的好，动态性能也较好；③结构比较复杂，加工和装调比较麻烦；④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（二）空气静压导轨

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气体静压导轨特点工作平稳、可靠运动精度高无磨损、无爬行承载力较低，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

特性导轨名称

导向精度运动平稳性承载能力耐磨性使用环境成本滑动导轨较高较好大差要求不高低滚动导轨高较好较低较好要求较高较高液体静压导轨高好较大好要求高高空气静压导轨高好较低好要求高高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

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第三节主轴系统及设计一、主轴系统设计的基本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，同时还要求有一定的刚度和热稳定性（一）主轴回转精度主轴回转精度是指该主轴轴系的误差运动的大小

1）回转轴线

2）轴线平均线3）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轴系的误差运动分为:径向误差运动轴向误差运动倾角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，即最小区域中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外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阻尼现象（二）主轴系统的刚度提高主轴刚性的措施1）加大主轴直径2）合理选择支承跨距3）缩短主轴悬伸长度4）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（三）主轴系统的振动

1）用橡胶联接传动

2）用金属弹性元件联接传动

3）用直流电机直接传动

（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

:1）正确选择和设计轴系2）合理选择推力支承位置3）减小热源影响4）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（五）合理地设计结构，减小力变形（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

二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计（一）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

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

二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计（二）锥形滑动轴承

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三、滚动摩擦轴系及设计（一）标准滚动轴承轴系（二）单列滚动轴承轴系

单列滚动轴承轴系的上下轴承的滚珠按单列排放结构简单制造安装维修方便具有较高的回转精度（可达0.1μm）在小型、低速轻载仪器中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（三）密珠轴承轴系

1．密珠轴承轴系的特点及结构仪器中常用的轴系结构由主轴、轴套和密集于二者之间的具有过盈配合的滚珠所组成成本较低且使用方便、寿命长、精度也较高承载能力不大，适用于轻载、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2．密珠轴承设计要点（1）滚珠的密集度（2）滚珠的排列方式（3）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（1）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成的圆柱形空气静压轴系结构简单，回转精度高，工艺性好，因此应用比较普遍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

五、液体静压轴承轴系及设计特点:1）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2）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。3）回转精度较高，可达0.05μm。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。4）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（一）工作原理（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

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液体静压轴承的主要参数（1）油腔形式和数量（2）轴承内径D

（3）轴承的长度L（4）轴向封油面宽度l1和周向封油边宽度b1

（5）主轴和轴承配合直径间隙2h0（6）油腔深度Z1

推荐Z1=（30～60）h0。（7）轴承跨距l

一般取（4～6）D。（8）回油槽深度Z2和宽度b2（9）轴与轴承的几何形状误差（10）轴承材料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

特性轴系名称回转精度转动灵活性承载能力耐磨性使用环境成本滑动轴系圆柱滑动轴系2~10μm

较差大差要求较低低圆锥滑动轴系0.2μm

滚动轴系标准滚动轴承轴系0.5μm

较好较大较好要求较高较高单列非标准滚动轴承轴系0.2μm

密珠轴系0.1μm

液体静压轴系0.05μm

好大好要求高高气体静压轴系0.01~0.02μm

好较大好要求高高动压轴系0.025μm

好较大好要求高高哈工大电气学院光电信息测控技术与装备研究室第四节伺服机械系统设计一、伺服系统的分类按控制特点分为点位控制和连续控制系统按控制技术分为开环伺服系统和闭环伺服系统

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

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

二、伺服驱动装置常用的驱动装置有步进电机、直流电机、同步电机、测速电机和压电陶瓷驱动器

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、摩擦传动四、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第五节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它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成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.l～0.001μm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（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片簧导向无间隙，无摩擦精度高0.0lμm的位移分辨力

平行片簧导轨—压电器件驱