4精密机械系统-基座与支承件

第4章精密机械系统1基座与支承件2精密x-y工作台主轴系统34.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求三坐标测量机数控加工中心汽车检测平台六自由度并联机构4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚性：在负载的作用下抵抗变形的能力。抗震性：在交变载荷下抵抗变形的能力。稳定性：内应力的存在引起的长期的变形。热变形：热胀冷缩效应引起的变形。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度验证支承刚度——分析法悬臂式坐标测量机示意图当测头在横梁上左右移动时，由于测头具有一定的重量，会引起横梁的变形。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度验证支承刚度——分析法目前比较精确的试验方法有：4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度验证支承刚度——实验法（2）采用先进的全息技术，对被测件在加载前后两次感光，然后对全息照片中的干涉条纹进行计算，可获得被测件空间变形情况及任意部位的变形量。该方法精度很高，但是比较复杂。（1）采用专门的加载装置和位移测量仪器，对实物有关部位分段加载并依次测出变形量。这种方法简单直观，但是试验工作量大，测量精度较低。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：蜻蜓翅膀结构刚度分析蜻蜓翅膀由管状的翅脉和有少许抗弯刚度的翅膜组成的网状结构，翅脉一般是中空的。主脉多形成四边形网格，而次脉多形成五边形或六边形网格。这是因为在相同材料下，六边形所围的面积比四边形多，节省材料，而四边形网格产生的刚度大，蜻蜓翅膀正是通过不同网格的组合运用，使结构更加优化。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：蜻蜓翅膀结构刚度分析•前翅25.2mm×6.1mm;•面积A1=34.5mm2;•后翅25.5mm×9.4mm;•面积A2=50.4mm2;•总质量m=158.9mg。步骤1：划分网格用AutoCAD绘制蜻蜓膜翅脉络图，将生成的几何模型导入ANSYS有限元分析软件中，设置单元类型和参数，划分网格，建立有限元力学模型。采集蜻蜓翅膀，在显微镜下观察测量其形状尺寸，取一组原始尺寸:4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：蜻蜓翅膀结构刚度分析步骤2：定义属性统一量纲：•长度，dmm(丝米);•力，bN;•质量，mg;•时间，s。量纲换算关系为:•1dmm=10－4m;•1bN=10－10N;•1mg=10－6kg。材料属性为:•弹性模量E=3.8×109N/m2=3.8×1011bN/dmm2;•泊松比μ=0.25。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：蜻蜓翅膀结构刚度分析步骤3：边界条件及载荷边界条件：蜻蜓翅膀在翅根处与基体相连，为准确模拟蜻蜓翅膀在飞行过程中的受力特点及变形情况，将翅根端固定，建立悬臂网格结构进行力学分析。载荷：翅根处施加位移约束，主脉、次脉上施加相同的均布载荷q，均布载荷为蜻蜓飞行所需的最小升力，即自身体重分布在前、后翅上的平均值，满足：4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：蜻蜓翅膀结构刚度分析步骤4：结果分析在主脉与全脉模型的相同位置上，沿翅展方向各取13个观察节点。结论：•全脉加载的整体变形最大，全脉模型上主脉加载的整体变形最小。•说明次脉对主框架挠度影响不大，主脉弯曲刚度大，具有更强的稳定性和承载能力。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：数控车床静刚度试验及有限元分析机床为采用水平床身配上倾斜放置的滑板的卧式数控车床，由床身、主轴箱、主轴、卡盘、回转油缸、尾台、纵横滑板、刀架、数控系统、伺服驱动系统、电气系统、液压系统、冷却系统、润滑系统及防护系统等构成。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：数控车床静刚度试验及有限元分析对于装配体，模型的简化是关键：结合面的处理，轴承、螺栓、丝杆、导轨等的简化。等效刚度原则：即简化后的模型和原模型在刚度上应基本保持一致。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：数控车床静刚度试验及有限元分析载荷：分别在主轴和刀架上沿X方向施加100N的反向力。结果：主轴X向静刚度为67.5N/um刀架X向静刚度为89.2N/umX向刚度分析4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：数控车床静刚度试验及有限元分析数控车床静刚度测试包括：•主轴X向和Z向静刚度测试•刀架X向和Z向静刚度测试•尾台X向静刚度测试•机床X向综合静刚度•机床Z向综合静刚度测试以机床综合静刚度测试为例，通过施加卡持在主轴上的圆棒的力，以及利用固定在刀架上的千分表检测出主轴头位移，即可计算出机床综合静刚度。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求刚度例：数控车床静刚度试验及有限元分析测试结果：加载过程中，机床的静刚度具有较好的线性度。卸载过程中，静刚度表现出一定的非线性，尤其在X向主轴静刚度上表现较为明显。同时，在卸载完成后，测试对象的变形量并没有回到加载前的位置，而是有一定的变形残留，表现出一定的迟滞性。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求抗振性改进抗振性方法：振源：一般是回转运动的零部件，如电机等。提高刚度，优化结构设计改变固有频率，避免共振增加阻尼或安装隔振设施4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求抗振性用Pro/E建立振动电动机主轴的三维实体模型，该主轴是一个阶梯轴，两端圆柱体的半径均为R20mm，长度为350mm。利用ANSYS进行网格划分。材料为45#钢。例：振动电动机主轴的动态有限元分析4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求抗振性例：振动电动机主轴的动态有限元分析4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求抗振性例：振动电动机主轴的动态有限元分析当主轴以临界转速旋转时，会发生强烈的共振，导致轴寿命的下降，甚至破坏主轴。因此，设计的主轴最高转速20000r/min，小于各阶临界转速。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求抗振性例：振动电动机主轴的动态有限元分析结论：在避开共振区域的前提下，可以通过增加主轴与电动机结合部预紧力、提高结合面加工质量等措施，提高结合部的刚度，从而提高主轴的低阶固有频率。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求稳定性自然时效处理人工时效处理：如振动法时效处理4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形机床工作过程中内部各种热源会产生大量的热,这些热量以一定的方式传给机床的各个部件,引起它们的热变形,从而影响机床的加工精度。对于高精度机床,热变形对加工精度的影响更加明显,研究表明,在精密加工中,热变形引起的加工误差可能占到总误差的40%~70%。例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究(1)发热量的计算导轨与工作台的接触摩擦属于滑动摩擦,由摩擦引起的发热量用下式计算:式中:•μ为动摩擦系数•W为施于摩擦面上的负荷(单位为kg)•g为重力加速度,取10m/s2•J=热功当量,其值为4.2J/cal•v为滑动速度(单位:m/s)•Q为发热量(单位为卡/秒)4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形热传递有三种基本方式：传导、对流与辐射。由于床导轨系统温升比较小,辐射散失的热量可以忽略计。因此,只考虑传导和对流。根据努谢尔特准则,换热系数α的计算公式为例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究•λ为流体热传导系数•L为特征尺寸•Nu为努谢尔特数•C,n为常数，与流体流动性质、面朝向有关。•Gr为格拉晓夫准数•Pr为普朗特数•L为特征尺寸•g为重力加速度•β为体膨系数•v为运动粘度•Δt为流体与壁面温差换热系数（2）边界条件导轨的初始温度为20摄氏度，导轨底部与机床其它部件直接接触，设其为恒温20摄氏度。导轨材料为碳钢•取导热系数为55W(m·℃)•弹性模量为120Gpa•泊松比v=0.3•材料线膨胀系数l=1.2×10-5m/℃。•滑动摩擦系数为0.05工作台与导轨相对移动的平均速度为60m/min例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究（3）结果分析计算出导轨在运行30分钟后的温度分布图。从图中可以看出,导轨面上的温度分布不均匀,导轨面外侧温度较高,为25℃,而内侧温度分布较低为24℃,相差1℃,这样就造成了导轨面热变形的不均匀。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求热变形例：基于有限元分析的机床导轨热变形研究基座与支承件材料的要求主要是：强度耐磨性稳定性热膨胀小良好的铸造性和焊接性4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件材料的选择4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件材料的选择A.铸铁铸铁的工艺性能好，易于铸造结构复杂的支承件，且价格便宜，但是制造周期比较长。•HT20-40及Ⅰ级铸铁，抗弯抗压强度高，铸造性能较差，适用于结构简单的支承件。•HT15-32及Ⅱ铸铁，铸造性能好，但机械性能稍差，适用于结构复杂的支承件。•高磷铸铁、钒钛铸铁和铜磷铸铁，耐磨性能好，高出一般铸铁耐磨性3倍左右。适用于大中型精密仪器支承件。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件材料的选择B.钢板因为刚材料的弹性模量比铸铁的大，所以在同样载荷下，可以做得比铸铁材料质量轻。且制造周期短，容易制造。对于单件小批量生产的支撑，多用钢板焊接。如：三坐标测量机的可移动龙门架、立柱、横梁等几乎都采用钢板焊接件。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件材料的选择C.花岗石优点：极好的稳定性、组织细密坚实、极好的耐磨性（比铸铁高5-10倍）、不会磁化、热膨胀系数小、弹性模量大、抗振性能好（内阻尼系数是钢铁的15倍左右）、耐腐蚀、加工简便、色泽漂亮观感气派。缺点：易碎、不能承受冲击力、且吸水、吸油时要变形。多用于精密仪器的支承件。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件结构设计一、选择合适的截面形状和尺寸支承件受拉及压时，变形量与截面积大小有关而与截面形状无关。当支承受弯曲或扭转时，变形量的大小不但与截面积有关还与截面形状有关。①相同截面积时，空心截面的惯性矩比实心截面大，在相同载荷下，减小壁厚加大外形尺寸可以提高刚度。②方形截面的抗弯刚度比圆型截面大，抗扭刚度比圆型截面小。③封闭截面比不封闭截面的刚度大。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件结构设计一、选择合适的截面形状和尺寸4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求肋是指连接两壁的内壁，其形状和位置根据受力的大小和方向而定。支承件结构设计二、设置不同形式的肋和筋常见的肋形状有“+”“X””*”。“+”“X”形肋在垂直方向的抗弯刚度差不多，且铸造简单。“*”形肋的刚度最好，大型高精度仪器常用这种类型的肋。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件结构设计二、设置不同形式的肋和筋筋一般配置在内壁上，主要是为了减小局部变形。如大中型仪器当导轨和基座铸成一体时，在连接处增设筋。筋一般有直形筋、人字筋和个字筋。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件结构设计二、设置不同形式的肋和筋1-工作台2-床身3-基座4-平面支承面5-圆锥型球窝支承面6-V型槽支承面4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件结构设计三、基座和床身支承方法和支承点选择仪器基座、床身支承方法和支承点的数目，对其变形有不可忽视的影响，最少的支承点是三。一般高精度的底座多采用三点支承，且三个支承部位分别是一个锥孔、一个V型槽和一个平面。①合理的壁厚②壁厚力求均匀③为了便于清砂，应开足够大的清砂口④为了便于机械加工，铸件表面的加工面应在同一平面上⑤为了便于搬运，大型支承上应设计起吊孔。4.1基座与支承件——结构特点及主要技术要求支承件结构设计四、结构工艺性4.1基座与支承件——结构特点及主要技