哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

本章在對測控儀器常用各種機械系統分析的基礎上，重點對系統精度和性能影響較大的機械結構進行研究，如基座、導軌、軸系及伺服系統哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室第一節儀器的支承件設計一、基座與立柱等支承件的結構特點和設計要求結構特點：1）結構尺寸較大2）結構比較復雜哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室設計要求1）具有足夠的剛度，力變形要小2）穩定性好，內應力變形小3）熱變形要小（1）嚴格控制工作環境溫度（2）控制儀器內的熱源（3）采取溫度補償措施4）有良好的抗震性哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

二、基座與立柱等支承件的結構設計(一)剛度設計

（1）有限元分析法

（2）仿真分析法(二)基座與支承件的結構設計

（1）正確選擇截面形狀與外形結構

（2）合理地選擇和布置加強肋增加剛度哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

橫截面積相同時不同斷面形狀慣性矩的比較斷面形狀實心圓形

實心方形空心圓形空心方形空心矩形抗彎慣性矩（相對值）11.045.043.217.33抗扭慣性矩（相對值）10.885.041.270.28哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

肋的布置形式哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

二、基座與立柱等支承件的結構設計(一)剛度設計（1）有限元分析法（2）仿真分析法

(二)基座與支承件的結構設計（1）正確選擇截面形狀與外形結構（2）合理地選擇和布置加強肋增加剛度

（4）良好的結構工藝性，減小應力變形

（5）合理地選擇材料

（3）正確的結構布局，減小力變形哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室花崗石具有許多優點：

1）穩定性好2）加工簡便3）溫度穩定性好，導熱系數和線膨脹系數均很小4）吸振性好5）不導電，不磁化，抗電磁影響性能好6）維護保養方便7）價格便宜哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室第二節儀器的導軌及設計

一、導軌的功用與分類導軌的基本功用：傳遞精密直線運動

按導軌面間摩擦性質可分為

1）滑動摩擦導軌

2）滾動導軌

3）靜壓導軌

4）彈性摩擦導軌

哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室二、導軌部件設計的基本要求（一）導向精度導向精度是指動導軌運動軌跡的準確度。

對一副導軌來說其直線度是非常重要的精度指標，它取決于導軌面的幾何精度、接觸精度、導軌和基座的剛度、導軌油膜剛度及導軌與基座的熱變形等。

（1）導軌的幾何精度

哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室二、導軌部件設計的基本要求（一）導向精度導向精度是指動導軌運動軌跡的準確度。對一副導軌來說其直線度是非常重要的精度指標，它取決于導軌面的幾何精度、接觸精度、導軌和基座的剛度、導軌油膜剛度及導軌與基座的熱變形等。（1）導軌的幾何精度（2）接觸精度

哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（二）導軌運動的平穩性爬行現象

（三）剛度要求（四）耐磨性要求哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室三、導軌設計應遵守的原理和準則

（一）運動學原理哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室三、導軌設計應遵守的原理和準則

（一）運動學原理（二）彈性平均效應原理（三）導向導軌與壓緊導軌分立原則哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室導軌布置圖a)雙V形導軌導向與壓緊

b)萬工顯導軌布置圖1—橫向壓緊軸承2—橫向支承導軌3—橫向支承滾動軸承4—基座5—橫向滑架6—縱向支承滾動軸承7—縱向壓緊軸承8—縱向導向導軌9—縱向導向滾動軸承10—橫向導向導軌11—縱向滑架12—橫向導向滾動軸承哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室四、滑動摩擦導軌及設計滑動導軌是支承件和運動件直接接觸的導軌。優點:結構簡單制造容易接觸剛度大

缺點:摩擦阻力大、磨損快動、靜摩擦系數差別大低速度時，易產生爬行。哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（一）滑動摩擦導軌的截面形狀

αα哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（二）滑動摩擦導軌的組合形式及其特點

（1）三角形和平面組合導軌三角形和平面組合導軌導向性好

平導軌制造簡單

剛性好

應用較為廣泛

缺點是導軌磨損不均勻，且牽引力的位置不在兩導軌的中間。

（2）雙三角形（V形）組合導軌

加工、檢驗和維修比較困難

需要較高的技術及精密的基準研具進行精研哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（3）雙矩形組合導軌

矩形導軌組合適用于承載較大的普通精度的設備哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（4）燕尾組合導軌燕尾導軌（5）雙圓柱導軌哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室五、滾動摩擦導軌及設計

滾動導軌磨損小，保持精度持久性好，故在儀器中廣泛應用這種導軌是點或線接觸，故抗振性差，接觸應力大。

（一）滾動導軌的結構形式及其特點滾動導軌按不同的滾動體可分為滾珠導軌滾柱導軌滾針導軌滾動軸承導軌等哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室1．滾珠導軌V形滾珠導軌a）常用雙V形滾珠導軌b）V形小圓弧導軌c）雙圓弧導軌（1）雙V形滾珠導軌運動靈敏度較高，能承受不大的傾復力矩

(2)雙圓弧滾珠導軌計量光學儀器中（如小型工具顯微鏡、投影儀等）使用

接觸面積較大，接觸點應力較小，變形也較小，承載能力強、壽命長。

哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（3）四圓柱棒滾道的滾珠導軌缺點是承載能力不大，故多適用于較輕巧的儀器上（如掩膜檢查顯微鏡工作臺）

四圓柱棒滾珠導軌1一滾珠2一滑板3一圓柱棒哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（4）V形-平面滾珠導軌加工和裝配都方便缺點是左右兩排滾珠中心運動速度不一致萬能工具顯微鏡19JA就采用該型滾珠導軌

圖4-22V形一平面滾珠導軌a)常用V形一平面滾珠導軌b)V形一平面滾珠導軌運動分析哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

2．滾柱（針）導軌

（1）V形滾柱導軌承載能力比較大耐磨性能好，靈活性不如滾珠導軌多用在重型儀器上

滾柱導軌a)交叉滾柱導軌b)V形一平面滾柱導軌哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（2）平面滾動導軌（滾珠或滾柱）

形狀簡單加工比較容易

平面滾動導軌1—滾柱2—上動板3—導軌4—壓緊軸承5—導向觸頭6—下動板哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（3）滾動軸承導軌摩擦力矩小運動靈活承載能力大調整方便用于大型儀器（如萬工顯、三座標、測長機等）哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（二）滾動摩擦導軌的組合應用（1）滾動與滑動摩擦導軌的組合應用滾動軸承導軌摩擦力小，運動靈活，用做導向

滾動軸承和滑動導軌的組合1—平面滑動導軌2—滾動軸承導軌哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（2）滾柱導軌與滾動軸承導軌的組合形狀簡單，加工容易

哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（3）滾柱和滾珠導軌的組合靈活運用了滾珠導軌運動的靈活性和滾柱導軌承載大的優點。（4）滾柱與長圓柱軸導軌組合輕載部件中使用

哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室六、靜壓導軌及設計要點

靜壓導軌是在動導軌與靜導軌之間，因液體壓力油或氣體靜壓力而使動導軌及工作臺浮起，兩導軌之間工作面不接觸，而形成完全的液體或氣體摩擦靜壓導軌的特點：摩擦系數極低，故沒有爬行，不產生磨損，壽命長，驅動功率小精度高導軌的承載能力較大，剛度好抗振性好結構復雜哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（一）液體靜壓導軌

開式液體靜壓導軌工作原理

開式液體靜壓導軌工作原理1—動導軌2—靜導軌3—節流器4—精濾油器5—液壓泵6—溢流閥7—濾油器8—油箱哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室開式液體靜壓導軌的特點:①能較好的承受垂直載荷②結構簡單，便于加工和調整；③節流器常采用毛細管式和單面薄膜反饋式。閉式液體靜壓導軌的特點：①承受載荷能力強；②運動精度比開式的好，動態性能也較好；③結構比較復雜，加工和裝調比較麻煩；④節流器采用毛細管式或雙面薄膜反饋式哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（二）空氣靜壓導軌

空氣靜壓導軌工作原理圖4-37氣浮導軌氣墊布置圖1、2、6一支承氣墊3、5一導向氣墊4一平衡氣墊

簡單氣墊哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室氣體靜壓導軌特點工作平穩、可靠運動精度高無磨損、無爬行承載力較低，導軌剛度較差需要一套清潔穩定的壓縮空氣源哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室七、設計時導軌選擇要點（一）導軌形式的選擇

特性導軌名稱

導向精度運動平穩性承載能力耐磨性使用環境成本滑動導軌較高較好大差要求不高低滾動導軌高較好較低較好要求較高較高液體靜壓導軌高好較大好要求高高空氣靜壓導軌高好較低好要求高高哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（二）標準導軌的選用a）

直線球滑座系列導軌a）直線球滑座導軌b）球滑座LSP型結構示意圖b）哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室a）b）

交叉滾子工作臺式導軌a)

交叉滾子工作臺式導軌

b)交叉滾子工作臺式導軌結構示意圖哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

交叉滾子導軌哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室a）b)

LM導軌SR系列a）SR系列導軌b）SR系列導軌的構造圖哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室a）b）

LM導軌HSR系列a）HSR系列導軌b）HSR系列導軌的構造圖哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室a）b）超小型LM導軌RSR系列a）RSR系列導軌b）RSR系列導軌的構造圖哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室第三節主軸系統及設計一、主軸系統設計的基本要求主軸系統設計的主要要求:是主軸在一定載荷下具有一定的回轉精度，同時還要求有一定的剛度和熱穩定性（一）主軸回轉精度主軸回轉精度是指該主軸軸系的誤差運動的大小

1）回轉軸線

2）軸線平均線3）軸系的誤差運動哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室軸系的誤差運動分為:徑向誤差運動軸向誤差運動傾角誤差運動端面誤差運動主軸系統回轉誤差（誤差運動）的評定方法以圓圖像求中心的方法作為評定中心，其概念與圓度測量的四種評定中心是一致的，即最小區域中心、最小二乘中心、最大內接圓中心和最小外切圓中心哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室造成主軸回轉誤差的主要原因主軸和軸承加工的尺寸誤差形狀誤差及主軸和軸承的裝配誤差主軸系統的剛度及潤滑阻尼現象（二）主軸系統的剛度提高主軸剛性的措施1）加大主軸直徑2）合理選擇支承跨距3）縮短主軸懸伸長度4）提高軸承剛度哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（三）主軸系統的振動

1）用橡膠聯接傳動

2）用金屬彈性元件聯接傳動

3）用直流電機直接傳動

（四）主軸系統的熱穩定性提高主軸系統熱穩定性可采取如下措施

:1）正確選擇和設計軸系2）合理選擇推力支承位置3）減小熱源影響4）采用熱補償措施哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（五）合理地設計結構，減小力變形（六）主軸系統的壽命

帶軸肩的主軸結構哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

二、精密油膜滑動軸承軸系結構及設計（一）半運動式圓柱形軸承軸系應用十分廣泛的經緯儀軸系的典型結構

半運動式柱形軸承軸系哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

二、精密油膜滑動軸承軸系結構及設計（二）錐形滑動軸承

圓錐形滑動軸系哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室三、滾動摩擦軸系及設計（一）標準滾動軸承軸系（二）單列滾動軸承軸系

單列滾動軸承軸系的上下軸承的滾珠按單列排放結構簡單制造安裝維修方便具有較高的回轉精度（可達0.1μm）在小型、低速輕載儀器中獲廣泛應用漸開線齒形儀主軸系統哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（三）密珠軸承軸系

1．密珠軸承軸系的特點及結構儀器中常用的軸系結構由主軸、軸套和密集于二者之間的具有過盈配合的滾珠所組成成本較低且使用方便、壽命長、精度也較高承載能力不大，適用于輕載、低速小型儀器中

密珠軸系結構1、3—止推板2、8—端面止推滾珠4—小滾珠5—徑向滾珠6—隔離圈

7—軸套9—主軸lO—彈簧片ll—壓帽哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室2．密珠軸承設計要點（1）滾珠的密集度（2）滾珠的排列方式（3）過盈量的確定

徑向軸承隔離圓孔的排列哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室四、氣體靜壓軸承軸系結構及設計空氣靜壓軸承軸系的典型結構（1）圓柱型空氣靜壓軸承軸系

圓柱形空氣靜壓軸承軸系1一進氣嘴2一過濾片3一外罩4一軸承套5一徑向節流孔6一軸向節流孔7一氣浮軸8一上止推板9一寶石軸承lO一襯套11一連接板12一下止推板由氣體潤滑軸承構成的圓柱形空氣靜壓軸系結構簡單，回轉精度高，工藝性好，因此應用比較普遍哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（2）圓球與圓柱混合型空氣靜壓軸承軸系獲得美國專利的混合型空氣靜壓軸承軸系圖4-72混合形空氣靜壓軸承軸系1一進氣孔2一主軸3一凸球4一進氣口5、6、8一凹半球7一軸套9一凸半球型圓柱軸承套10一壓簧11一支承板哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

五、液體靜壓軸承軸系及設計特點:1）形成液體摩擦，摩擦力極小，幾乎無磨損，壽命長，轉動靈活，消耗功率小2）與氣體靜壓軸系相比剛度更高，承載能力大，常用于大型或重型儀器上，在機床上應用比較廣泛。3）回轉精度較高，可達0.05μm。由于油液分子的平均作用，使軸系回轉精度可高于零件加工精度。4）抗振性好于氣體靜壓軸承。5）需要一套高質量的供油系統，不僅系統復雜化而且成本也較高。哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（一）工作原理（二）液體靜壓軸承軸系結構與主要參數圓度儀用液體靜壓軸承軸系原理圖1—濾油網2—液壓泵3—溢流閥4—精濾油器5—節流器6—軸承哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

圓度儀用液體靜壓軸承軸系1—濾油網2—內套3—軸向液壓軸承4—傾斜調整螺釘5—調心臺6—調節螺釘7—主軸8—步進電機哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室液體靜壓軸承的主要參數（1）油腔形式和數量（2）軸承內徑D

（3）軸承的長度L（4）軸向封油面寬度l1和周向封油邊寬度b1

（5）主軸和軸承配合直徑間隙2h0（6）油腔深度Z1

推薦Z1=（30～60）h0。（7）軸承跨距l

一般取（4～6）D。（8）回油槽深度Z2和寬度b2（9）軸與軸承的幾何形狀誤差（10）軸承材料哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室軸系的比對

特性軸系名稱回轉精度轉動靈活性承載能力耐磨性使用環境成本滑動軸系圓柱滑動軸系2~10μm

較差大差要求較低低圓錐滑動軸系0.2μm

滾動軸系標準滾動軸承軸系0.5μm

較好較大較好要求較高較高單列非標準滾動軸承軸系0.2μm

密珠軸系0.1μm

液體靜壓軸系0.05μm

好大好要求高高氣體靜壓軸系0.01~0.02μm

好較大好要求高高動壓軸系0.025μm

好較大好要求高高哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室第四節伺服機械系統設計一、伺服系統的分類按控制特點分為點位控制和連續控制系統按控制技術分為開環伺服系統和閉環伺服系統

開環伺服系統原理圖驅動控制伺服電動機機械裝置工作臺哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

閉環伺服系統比較調節運算D/A驅動伺服電機機械裝置NCVC工作臺檢測裝置D/A位置檢測脈沖指令脈沖哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室

二、伺服驅動裝置常用的驅動裝置有步進電機、直流電機、同步電機、測速電機和壓電陶瓷驅動器

三、機械傳動裝置齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、絲杠傳動、彈性傳動、摩擦傳動四、伺服系統的精度哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室第五節微位移機構及設計微位移技術是一行程小、分辨力和精度都很高的技術，其精度要達到亞微米和納米級

應用微位移技術的系統稱為微系統它由微位移機構、精密檢測裝置和控制裝置三部分組成哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室一、常用的微位移機構(1)柔性支承一壓電器件驅動的微位移機構柔性支承無間隙、無摩擦、不發熱壓電驅動精度高、無噪聲、不受溫度和電磁場影響、體積小、不老化，因而很容易實現0.l～0.001μm的微位移柔性支承、壓電器件驅動的微位移機構哈工大電氣學院光電信息測控技術與裝備研究室（2）平行片簧導軌一電壓器件驅動的微位移機構微工作臺用平行片簧導向無間隙，無摩擦精度高0.0lμm的位移分辨力

平行片簧導軌—壓電器件驅