第四章精密机械系统的设计 测控仪器中,精密机械系统的设计起着十分重要的作用:对仪器各部分 起支撑作用,保证完成各种复杂的测量工作,以获取被测量的各种 信息,对保证测量精度,定位精度和运动精度起着关键作用 对精密杋械系统的精度要求:(包括基座、支撑件、导轨、测量头架、 尾架、司服机械和读数机构) 基座变形控制在亚微米量级; 工作台的定位传动精度要求达到0,1um 导轨的直线度要求达到0.1um/m 主轴的回转精度要求达到001um 功能要求:对运动部分进行实时监测和控制,对点、线和空间曲面进行 检测、自动采集和处理数据。 为了达到上述要求,不仅要提高机构本身的精度和功能,必须与计算机、 光学电气、液压等技术相结合,达到高精度、高效率和多种功能的 要求 本章重点:
第四章 精密机械系统的设计 测控仪器中，精密机械系统的设计起着十分重要的作用：对仪器各部分 起支撑作用，保证完成各种复杂的测量工作，以获取被测量的各种 信息，对保证测量精度，定位精度和运动精度起着关键作用。 对精密机械系统的精度要求：（包括基座、支撑件、导轨、测量头架、 尾架、司服机械和读数机构） 基座变形控制在亚微米量级； 工作台的定位传动精度要求达到0.1um 导轨的直线度要求达到0.1um/m 主轴的回转精度要求达到0.01um 功能要求：对运动部分进行实时监测和控制，对点、线和空间曲面进行 检测、自动采集和处理数据。 为了达到上述要求，不仅要提高机构本身的精度和功能，必须与计算机、 光学电气、液压等技术相结合，达到高精度、高效率和多种功能的 要求。 本章重点：
第一节仪器的支承件设计 支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。 支承件作用:起支承、连接各种零部件的作用,还起确定零部件间相 互位置的作用,以保证仪器的工作精度。支承件直接与被测件相连 是测量环节中的一部分,其力变形、温度变形将直接影响测量精度 支承件的结构特点和设计要求 1特点 1)结构尺寸大 (2)结构复杂 2设计要求 (1)有足够的刚度,力变形要小 (2)稳定性好,内应力变形小 a.自然时效处理 b.人工时效处理 (3)热变形要小 举例说明:对于一个长度为L、高度为H的矩形基座.当其上表面温 度高于下底而时会产生上凸下凹的形变
第一节 仪器的支承件设计 支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。 支承件作用：起支承、连接各种零部件的作用，还起确定零部件间相 互位置的作用，以保证仪器的工作精度。支承件直接与被测件相连， 是测量环节中的一部分，其力变形、温度变形将直接影响测量精度。 一、支承件的结构特点和设计要求 1.特点 （1）结构尺寸大 （2）结构复杂 2.设计要求 （1）有足够的刚度，力变形要小 （2）稳定性好，内应力变形小 a.自然时效处理 b.人工时效处理 （3）热变形要小 举例说明：对于一个长度为L、高度为jH的矩形基座．当其上表面温 度高于下底而时会产生上凸下凹的形变．
热变形造成的误差 最大凹凸量可由下式求得: tan 出 OL L 4 428 △=L2-L1=cH=Lat 三2=La△ H H L 8H 铸件长度L=20mm.高H=500mm, 温差为1C时 d11.1×10-6×20002 mm=0. 01lmm 8×500
热变形造成的误差 最大凹凸量可由下式求得： 推出 铸件长度L=2000mm．高H＝500mm， 温差为1C时 4 2 tan L = 4 2 8 L L = = H L t H = = 2 8 L H t = = L −L = H = Lt 2 1
产生温度变化的原因 为减小热变形可采用如下措施: (1)严格效制工作环境温度(恒温) (2)控制仪器内的热源 (3)采取温度补偿措施 (四)有良好的抗振性 提高抗振性的方法 1)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。 2)合理地进行结构设计 3)减小内部振源的振动影响 4)采用减振或隔振设计
产生温度变化的原因 为减小热变形可采用如下措施： (1) 严格效制工作环境温度(恒温) (2) 控制仪器内的热源 (3) 采取温度补偿措施 （四）有良好的抗振性 提高抗振性的方法 1)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。 2)合理地进行结构设计 3)减小内部振源的振动影响 4)采用减振或隔振设计
二、基座与立柱等支承件的结构设计 ()刚度设计 刚度设计就是要使支承件具有足够的静刚度和动刚度,在满足刚度要求 情况下减轻重量、以减小重力变形和避免共振 (1)有限元分祈法:用计算机技术与有限元分析相结合,对支承件的刚度 进行计算的方法。 基本原理: (2)仿真分析法:模型仿真和计算机仿真 相似准则可用微分方程法和量纲分析法确定 以粱的弯曲变形模型试验中相似判据的确定方法为例,来说明微分方程 法在相似判据确定中的应用 d-s M 1梁的弯曲变形方程为 a2S El 式中δ为沿弯曲挠度方向的坐标;L为沿梁长度方向的坐标;E为材料的弹 性模量;I为梁的截面惯性矩;M为弯矩
二、基座与立柱等支承件的结构设计 (一)刚度设计 刚度设计就是要使支承件具有足够的静刚度和动刚度，在满足刚度要求 情况下减轻重量、以减小重力变形和避免共振。 （1）有限元分祈法：用计算机技术与有限元分析相结合，对支承件的刚度 进行计算的方法。 基本原理： （2）仿真分析法：模型仿真和计算机仿真 相似准则可用微分方程法和量纲分析法确定 以粱的弯曲变形模型试验中相似判据的确定方法为例，来说明微分方程 法在相似判据确定中的应用。 1.梁的弯曲变形方程为 式中 为沿弯曲挠度方向的坐标；L为沿梁长度方向的坐标；E为材料的弹 性模量；I为梁的截面惯性矩；M为弯矩。 EI M dl d = 2 2
以下标1代表实物,下标2代表模型则有 M M2 2 E E、1 2确定相似系数δ、、M、E、I相似系数分别为。、C1… 6,=C、6 C、d 二 CCE
以下标1代表实物, 下标2代表模型. 则有 2.确定相似系数 、 、M、E、I相似系数分别为 、 …….. 则 …….. 1 1 1 2 1 1 2 E I M dl d = − 2 2 2 2 2 2 2 E I M dl d = − l C Cl 1 = C 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 C dl C d dl d l = − 2 2 2 2 2 2 2 2 E I M C C C C dl C d E I M l = − E I M l C C C C C = 2
P2 CM=CPCI C=O Cs CPCI CI 模型制作要考虑尺寸相似、材料及其弹性变形相似,以保证测量精度 做仿真试验时,应考虑力学和动力学相似以及边界条件相似,同时还要 注意正确选择测量仪器和测量方法,以保证必要测量精度
模型制作要考虑尺寸相似、材料及其弹性变形相似，以保证测量精度。 做仿真试验时，应考虑力学和动力学相似以及边界条件相似，同时还要 注意正确选择测量仪器和测量方法，以保证必要测量精度。 2 1 P P CP = CM = CP Cl 4 CI = Cl 2 4 E l P l l C C C C C C =
(二)基座与支承件的结构设计 结构设计重要性: (1)正确选样截面形状与外形结构 表41横截面积相同的不同断面形状悛性矩比较 实心圆形 实心方形 空心形 空心力形 空心矩形 断陌形状 抗弯惯性矩 1.01 5.0 3.21 (相对值 抗扭惯性 .8 1.27 0.28 《相对值1
(二)基座与支承件的结构设计 结构设计重要性： (1)正确选样截面形状与外形结构
结论: 1空心截面的惯性矩比实心截面的惯性矩大,所以在相同 截面积的情况下,可用减小壁厚,加大轮廓尺寸的方 法,提高支承刚度 2.圆形空心截面能提高抗扭刚度,长方形空心截面对提高 长边方向的抗弯刚度效果明显 3不封闭形式的截面,抗扭刚度极差。 支承件的外形面:一般有矩形、船形、圆形
结论： 1.空心截面的惯性矩比实心截面的惯性矩大，所以在相同 截面积的情况下，可用减小壁厚，加大轮廓尺寸的方 法，提高支承刚度。 2.圆形空心截面能提高抗扭刚度，长方形空心截面对提高 长边方向的抗弯刚度效果明显。 3.不封闭形式的截面，抗扭刚度极差。 支承件的外形面：一般有矩形、船形、圆形
(2)合理地选择和布置加强肋增加刚度 肋:指连接两壁的内壁,形状、位置应根据受力的大小方 向而定合理地布置加强肋可以有效地增大刚度,其效果比 增加壁厚更明显。 加强肋有肋板和肋条两种。精度要求较高的仪器其基座 都布置肋板以提局其刚度,减小变形量。肋条一般布置在 基座或支承件的局部,以便增加局部的刚度 肋板的布置形式分为纵向、横向和斜置肋 1纵向肋板:应布置在弯曲平面内,对提高抗弯刚度效果明」 显 2横向肋板:构件受扭时,横向肋对提高抗扭刚度效果明显。 3斜置肋板:可提高构件的抗弯刚度和抗扭刚度。 肋条一般布置在基座或支承件的局部,以增加局部的刚度。 肋的布置形状多种:如图4-3所示
(2)合理地选择和布置加强肋增加刚度 肋：指连接两壁的内壁，形状、位置应根据受力的大小方 向而定合理地布置加强肋可以有效地增大刚度，其效果比 增加壁厚更明显。 加强肋有肋板和肋条两种。精度要求较高的仪器其基座 都布置肋板以提局其刚度，减小变形量。肋条一般布置在 基座或支承件的局部，以便增加局部的刚度． 肋板的布置形式分为纵向、横向和斜置肋 1.纵向肋板：应布置在弯曲平面内，对提高抗弯刚度效果明 显。 2.横向肋板：构件受扭时，横向肋对提高抗扭刚度效果明显。 3.斜置肋板：可提高构件的抗弯刚度和抗扭刚度。 肋条一般布置在基座或支承件的局部，以增加局部的刚度。 肋的布置形状多种：如图4－3所示