精密機(jī)械系統(tǒng)基座與支承件

1、第4章精密機(jī)械系統(tǒng)精密xy工作臺(tái)主軸系統(tǒng)4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求汽車檢測(cè)平臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛性：在負(fù)載的作用下抵抗變形的能力。抗震性：在交變載荷下抵抗變形的能力。穩(wěn)定性：內(nèi)應(yīng)力的存在引起的長(zhǎng)期的變形。熱變形：熱脹冷縮效應(yīng)引起的變形。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度/驗(yàn)證支承剛度一分析法A當(dāng)測(cè)頭在橫 梁上左右移動(dòng)時(shí), 由于測(cè)頭具有一 定的重量，會(huì)引 起橫梁的變形。懸臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示意圖4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1

2、基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求驗(yàn)證支承剛度一分析法支撐及載荷情況撓曲線方程最大撓度和梁端轉(zhuǎn)角r廠f窕1一 H2 卸2E1Q*| 口當(dāng)皿匕當(dāng)«.工冬/ 宀2F/max =-G0 滬:恥2EI剛度驗(yàn)證支承剛度一實(shí)驗(yàn)法目前比較精確的試驗(yàn)方法有:(1)釆用專門的加載裝置和位移測(cè)量?jī)x器，對(duì)實(shí)物有關(guān)部 位分段加載并依次測(cè)出變形量。這種方法簡(jiǎn)單直觀，但是試 驗(yàn)工作量大，測(cè)量精度較低。(2)釆用先進(jìn)的全息技術(shù)，對(duì)被測(cè)件在加載前后兩次感光，然后對(duì)全息照片中的干涉條紋進(jìn)行計(jì)算，可獲得被測(cè)件空間變形情況及任意部位的變形量。該方法精度很高，但是比較復(fù)雜。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：

3、蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析蜻蜓翅膀由管狀的翅脈和有少許抗彎剛度的翅膜組成的 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，翅脈一般是中空的。主脈多形成四邊形網(wǎng)格，而次脈多形成五邊形或六邊形 網(wǎng)格。這是因?yàn)樵谙嗤牧舷?，六邊形所圍的面積比四邊形 多，節(jié)省材料，而四邊形網(wǎng)格產(chǎn)生的剛度大，蜻蜓翅膀正是 通過(guò)不同網(wǎng)格的組合運(yùn)用，使結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。剛度組原始尺寸:蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析步驟仁劃分網(wǎng)格采集蜻蜓翅膀，在顯微鏡下觀察測(cè)量其形狀尺寸，取一前®25.2 mmX6.1 mm;面積A1=34.5 mm2;后翅25.5 mmX9.4 mm;面積A2=504 mm2;(b)圖1蜻蜓翅脈有限元力學(xué)模型Fig. 1Finile element

4、mechanical model of總質(zhì)量m=158.9 mgo4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求ilragorifly wing v<?iu(a)主脈 (h)全脈用AutoCAD繪制蜻蜓膜翅脈絡(luò)圖，將生成的幾何模 型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，設(shè)置單元類型和參數(shù), 劃分網(wǎng)格，建立有限元力學(xué)模型。例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析剛度步驟2：定義屬性統(tǒng)一量綱：長(zhǎng)度，dmm（絲米）；力，bN;質(zhì)量，mg;時(shí)間，So量綱換算關(guān)系為：1dmm=10-4m;1 bN=10-10N;1 mg=106kgo材料屬性為：彈性模量 E=3.8 X 109N/m2=3.8 X1011 bN/dmm2;

5、-泊松比 |J=0.25o4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析步驟3：邊界條件及載荷 邊界條件：蜻蜓翅膀在翅根處與基體相連，為準(zhǔn)確模擬蜻蜓翅膀在飛行過(guò)程中的受力特點(diǎn)及變形情況，將翅根端固定,建立懸臂網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。載荷：翅根處施加位移約束，主脈、次脈上施加相同的均布載 荷q,均布載荷為蜻蜓飛行所需的最小升力，即自身體重分布 在前、后翅上的平均值，滿足：q - mg/ (2A, + 242) =917. 08 bN/dmm2剛度例:蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)剛度分析步驟4：結(jié)果分析在主脈與全脈模型的相同位置上，沿翅展方向各取13個(gè) 觀察節(jié)點(diǎn)。結(jié)論：全脈加載的整體變形最大

6、，全脈 模型上主脈加載的整體變形最小。1072I0S 61 5a 43圖2均布載荷卜的撓度分布曲線說(shuō)明次脈對(duì)主框架撓度影響不大， 主脈彎曲剛度大，具有更強(qiáng)的穩(wěn) 定性和承載能力。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析機(jī)床為采用水平床身配上傾斜放置的滑板的臥式數(shù)控車床，由床身、主軸箱、主軸、卡盤(pán)、回轉(zhuǎn)油缸、尾臺(tái)、縱橫滑板、刀架、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及防護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成。圖1機(jī)床裝配圖32數(shù)控車廉主軸裝配體絲枸簡(jiǎn)圖剛度數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析對(duì)于裝配體，模型的簡(jiǎn)化是關(guān)鍵：結(jié)合面的處理，軸承、螺栓、絲桿、導(dǎo)軌等的簡(jiǎn)化

7、。等效剛度原則：即簡(jiǎn)化后的模型和原模型在剛度上應(yīng)基本保 持一致。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析載荷：分別在主軸和刀架上沿X方向施加100N的反向力。 結(jié)果：主軸X向靜剛度為67.5N/um刀架X向靜剛度為89.2N/umC I A1H )tivwrlisaal Btfccwatitaithi t *flM Iu jnisom oaooao!G 00X37 -I MH -o oac<ij<2 -a (KCTTrte7 aotijirrY »i®reY X8MX向剛度分析-4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛

8、度4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求圖7試臉現(xiàn)場(chǎng)圖片團(tuán)定左力盒上圖8靜剛慶實(shí)臉原理圖例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析數(shù)控車床靜剛度測(cè)試包括：主軸X向和Z向靜剛度測(cè)試刀架X向和Z向靜剛度測(cè)試尾臺(tái)X向靜剛度測(cè)試機(jī)床X向綜合靜剛度機(jī)床Z向綜合靜剛度測(cè)試以機(jī)床綜合靜剛度測(cè)試為 例，通過(guò)施加卡持在主軸上的 圓棒的力，以及利用固定在刀 架上的千分表檢測(cè)出主軸頭位 移，即可計(jì)算出機(jī)床綜合靜剛4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求剛度4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求例：數(shù)控車床靜剛度試驗(yàn)及有限元分析測(cè)試

9、結(jié)果：加載過(guò)程中，機(jī)床的靜剛度具有較好的線性度。卸載過(guò)程中，靜剛度表現(xiàn)出一定的非線性，尤其在X向主軸靜剛度上 表現(xiàn)較為明顯。同時(shí)，在卸載完成后，測(cè)試對(duì)象的變形量并沒(méi)有回到加載 前的位置,而是有一定的變形殘留，表現(xiàn)出一定的遲滯性。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求圖9機(jī)床靜剛度試驗(yàn)4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性振源：一般是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，如電機(jī)等。改進(jìn)抗振性方法: /提高剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) /改變固有頻率，避免共振 /增加阻尼或安裝隔振設(shè)施4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要

10、求4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求例：振動(dòng)電動(dòng)機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)有限元分析用Pro/E建立振動(dòng)電動(dòng)機(jī)主軸的三維實(shí)體模型，該主 軸是一個(gè)階梯軸，兩端圓柱體的半徑均為R20mm,長(zhǎng)度 為350mm。利用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料為45#鋼。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求圖1主軸的三維實(shí)體模型圖2主軸的有限元網(wǎng)格模型4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性例：振動(dòng)電動(dòng)機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)有限元分析Total Deforaati oqTyp«: Totd Defomutior Frequency. 356 05 Iz Uiti t:

11、 tn2009-3-22 14: 1$Total Dforoation 2Type： 7ot«l Defornttion Frequeacy： 357.11 Mr Vnit: z200222 14:202S. 669 lax2S22 29819.11315.927O.3TO93.18550 Bing.sssa12.742100 00a）第1階b）第2階Total Deforaation 3Tyx： Total 欣 Frtqutncy: 1054.9 Hz Unit： wn2OX> 0 M 14 . SC29.57 Itx26,28S22.99971416. 426!3.1429

12、 85686.5T123.28560 I1Bc）第3階O Bin22 97819 69629.544 l*xX 261TotalTotilior1058 4 XrUnit： m2009-3-22 心 2110 41313 139 8479 &®52 3.2826200 .00 Mood）第4階4.抗振性4.4.例：振動(dòng)電動(dòng)機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)有限元分析表1主軸前四階固有頻率階數(shù)固有頻率/H z振型1356. 05F軸向振幼2357. 1 1y軸和z軸向同時(shí)振動(dòng)31054.9扭振41058 4彎曲振動(dòng)4.4.階數(shù)固有頻率/H z臨界轉(zhuǎn)速/( f m in- 1 )1356. 05213

13、632357. 1121426- 631054.96329441058.463504表2主軸的臨界轉(zhuǎn)速當(dāng)主軸以臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的共振，導(dǎo) 致軸壽命的下降，甚至破壞主軸。因此，設(shè)計(jì)的主軸最 高轉(zhuǎn)速20000r/min,小于各階臨界轉(zhuǎn)速。1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求抗振性例：振動(dòng)電動(dòng)機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)有限元分析激振力頻率/Hz軍B屈進(jìn)圖4幅值的頻率響應(yīng)曲線結(jié)論：在避開(kāi)共振區(qū)域的前提下，可以通過(guò)增加主軸與電動(dòng) 機(jī)結(jié)合部預(yù)緊力、提高結(jié)合面加工質(zhì)量等措施，提高結(jié)合部 的剛度，從而提高主軸的低階固有頻率。4.穩(wěn)定性自然時(shí)效處理人工時(shí)效處理：如振動(dòng)法時(shí)效處理4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主

14、要技術(shù)要求例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究機(jī)床工作過(guò)程中內(nèi)部各種熱源會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量 以一定的方式傳給機(jī)床的各個(gè)部件，引起它們的熱變形，從而影 響機(jī)床的加工精度。對(duì)于高精度機(jī)床，熱變形對(duì)加工精度的影響更加明顯，研究 表明，在精密加工中，熱變形引起的加工誤差可能占到總誤差的 40%70%。 唸4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求圖i某導(dǎo)軌的有限元分析模型4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主

15、要技術(shù)要求圖2尋軌的溫度分布4. 1基座與支承件熱變形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究 （1）發(fā)熱量的計(jì)算導(dǎo)軌與工作臺(tái)的接觸摩擦屬于滑動(dòng)摩擦，由摩擦引起的發(fā) 熱量用下式計(jì)算：式中：為動(dòng)摩擦系數(shù)W為施于摩擦面上的負(fù)荷（單位為kg）g為重力加速度，取10m/s2J二熱功當(dāng)量，其值為4.2J/C&1v為滑動(dòng)速度（單位:m/s）Q為發(fā)熱量（單位為卡/秒）例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究熱傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射。由于床導(dǎo) 軌系統(tǒng)溫升比較小，輻射散失的熱量可以忽略計(jì)。因此，只考慮 傳導(dǎo)和對(duì)流。根據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則，換熱系數(shù)疚的計(jì)算公式為換熱系數(shù)|(1=N

16、u二 C(Gy Pr；Gr=V例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究(2)邊界條件IIIA導(dǎo)軌的初始溫度為20攝氏度，導(dǎo)軌底部與機(jī)床其它部件直 接接觸，設(shè)其為恒溫20攝氏度。IIIA導(dǎo)軌材料為碳鋼取導(dǎo)熱系數(shù)為55W(m-°C)彈性模量為120Gpa泊松比v=0.3材料線膨脹系數(shù)U 2X10-5m/°Co滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05A工作臺(tái)與導(dǎo)軌相對(duì)移動(dòng)的平均速度為60m/m i n4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究(3)結(jié)果分析IIIIIIIII計(jì)算出導(dǎo)軌在運(yùn)行30分鐘后的溫度分布圖。從圖中可以 看出，導(dǎo)軌面上的溫度分布不均勻,

17、導(dǎo)軌面外側(cè)溫度較高，為 25°C,而內(nèi)側(cè)溫度分布較低為24°C,相差1 °C,這樣就造成了導(dǎo)軌 面熱變形的不均勻。4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形圖2導(dǎo)軌的溫度分布圖3 F方向上的熱變形4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求熱變形例：基于有限元分析的機(jī)床導(dǎo)軌熱變形研究(pn) -L53-1.81'7"736.7395-S024.8S53.9282.般12.0541.117.3683. Z05-3. 484F方向熱變形S-4偽、/r/(f/100.050.10.15沿?zé)o方向位移F方

18、向熱變形址/L/|X1J1T. 180-0. 756Q.450.9 L3S 1.8 Z. 25(m)沿2負(fù)方向位務(wù)4. 1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇基座與支承件材料的要求主要是: 強(qiáng)度 耐磨性 穩(wěn)定性 熱膨脹小 良好的鑄造性和焊接性支承件材料的選擇A.鑄鐵鑄鐵的工藝性能好，易于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支承件，且價(jià) 格便宜，但是制造周期比較長(zhǎng)。HT20-40及I級(jí)鑄鐵，抗彎抗壓強(qiáng)度高，鑄 造性能較差，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的支承件。HT15-32及II鑄鐵，鑄造性能好，但機(jī)械性 能稍差，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支承件。中型精密儀器支承件。高磷鑄鐵、飢鈦鑄鐵和銅磷鑄鐵，耐磨性能 好，高出一般鑄鐵耐磨

19、性3倍左右。適用于大1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇B.鋼板因?yàn)閯偛牧系膹椥阅Ａ勘辱T鐵的大，所以在同 樣載荷下，可以做得比鑄鐵材料質(zhì)量輕。且制造周 期短，容易制造。對(duì)于單件小批量生產(chǎn)的支撐，多用鋼板焊接。如：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的可移動(dòng)龍門架、 立柱、橫梁等幾乎都采用鋼板焊接件。1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件材料的選擇C花崗石優(yōu)點(diǎn)：極好的穩(wěn)定性、組織細(xì)密堅(jiān)實(shí)、極好的耐 磨性（比鑄鐵高5-10倍）、不會(huì)磁化、熱膨脹系數(shù) 小、彈性模量大、抗振性能好（內(nèi)阻尼系數(shù)是鋼鐵 的15倍左右）、耐腐蝕、加工簡(jiǎn)便、色澤漂亮觀感 氣派。缺點(diǎn)：易碎、不能承受沖擊力、且吸水、吸油時(shí) 要變形。多用于精密儀器的支承件。支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、選擇合適的截面形狀和尺寸支承件受拉及壓時(shí)，變形量與截面積大小有關(guān)當(dāng)支承受彎曲或扭轉(zhuǎn)時(shí)，變形量的大小不但與截面積有關(guān)還與截面形狀有關(guān)O1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求1基座與支承件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、選擇合適的截面形狀和尺寸相同截面積時(shí),空心截面的慣性矩比實(shí)心截面大,在相同載荷下，減小壁厚加大外形尺寸可以提高剛（2）方形截面的抗彎剛度比圓型截面