精密機(jī)械設(shè)計(jì) 第14章 導(dǎo)軌和基座

1、第14章 導(dǎo)軌和基座,直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌限制了其他五個(gè)自由度，只剩下單向的移動(dòng).,導(dǎo)軌的導(dǎo)向面,1）棱柱面,2）圓柱面,§1 導(dǎo)軌的作用、特點(diǎn)和分類,直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的作用是支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件作直線運(yùn)動(dòng).,導(dǎo)軌的組成 運(yùn)動(dòng)件 承導(dǎo)件,,導(dǎo)軌的分類,滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌 彈性摩擦導(dǎo)軌 流體摩擦導(dǎo)軌,,導(dǎo)軌的基本要求,導(dǎo)向精度高運(yùn)動(dòng)輕便、平穩(wěn)、低速時(shí)無爬行現(xiàn)象耐磨性好

2、對(duì)溫度變化不敏感足夠的剛度結(jié)構(gòu)工藝性好,,§2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的基本要求,1、 導(dǎo)向精度導(dǎo)向精度是運(yùn)動(dòng)副的主要技術(shù)指標(biāo)，它是指導(dǎo)軌副中運(yùn)動(dòng)件沿給定方向做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的精確程度,直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌幾何精度的幾項(xiàng)指標(biāo),① 導(dǎo)軌在水平平面和垂直平面的直線度,圖（a) 圖（b）為V型導(dǎo)軌在水平平面和垂直平面的直線度，其誤差為△。,② 導(dǎo)軌間的平行度和垂直度,導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)工作平面加工精度的影響,兩導(dǎo)軌面的平行度,二

3、 剛度,導(dǎo)軌的剛度是指外力作用下導(dǎo)軌本身抵抗變形的能力,1—刀具；2—橫梁；3—主軸箱,1—立柱；2—縱梁；3—橫梁；4—滾動(dòng)軸承；5—小車；6—滾輪；7—校正板；8—螺桿,三 耐磨性,減少磨損的措施,1．降低導(dǎo)軌面比壓,導(dǎo)軌面比壓是指導(dǎo)軌單位面積上承受載荷的能力，即,,,式中 p——導(dǎo)軌面比壓； W——作用于導(dǎo)軌面上的集中載荷； A——承載面積；a為導(dǎo)軌寬度； L——為動(dòng)導(dǎo)軌長度。,2．良好的

4、防護(hù)與潤滑,3．正確選擇導(dǎo)軌副的材料和熱處理,§ 3 導(dǎo)軌導(dǎo)向設(shè)計(jì),一、 按運(yùn)動(dòng)學(xué)原理設(shè)計(jì),一個(gè)剛體在空間中有6個(gè)自由度，如圖（a）所示沿x，y，z軸的移動(dòng)和繞這三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),,,實(shí)際中往往受到約束，如圖（b）所示。,在將導(dǎo)軌的形體用符號(hào)來表示：球—S、平面—P、圓柱—C、V形—VG、山形—VM的情況下，導(dǎo)軌副的基本單元可組合成如下六種實(shí)用類型如下。,（1）球與平面,（3）平面與平面,（4）球與V形,（5）山形與V形,（

5、6）圓柱與V形,（2）圓柱與平面,二 按誤差平均原理計(jì)算,§ 滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌,滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),滑動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀：1）圓柱面導(dǎo)軌 2）棱柱面導(dǎo)軌,凸形,凹形,不對(duì)稱三角形,1、圓柱面導(dǎo)軌,特點(diǎn)：防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),2、棱柱面導(dǎo)軌,A、雙三角形導(dǎo)軌,C、矩形導(dǎo)軌,D、燕尾導(dǎo)軌,B、三角形－平面導(dǎo)軌,提高導(dǎo)軌耐磨性的措施,3、保證導(dǎo)軌良好的潤滑,導(dǎo)軌材料的要求： 耐磨性好， 摩擦系數(shù)小 良好的加工和熱處理性質(zhì),2

6、、減小導(dǎo)軌面壓強(qiáng),① 鑄鐵 180～200HBS，采用表面淬火工藝，表面硬度可達(dá) 55HRC，耐磨性可提高1-3倍。② 鋼 碳素鋼和合金鋼③ 有色金屬材料④ 塑料,,1、合理選擇導(dǎo)軌的材料及熱處理,,4、提高導(dǎo)軌的精度,導(dǎo)軌主要尺寸的確定,寬度B,F 載荷 L 長度 【p】 壓強(qiáng),V形導(dǎo)軌角度θ,θ =90º 制造方便,,間距LA 兩導(dǎo)軌之間的距離,,運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌長度

7、: L=(1.2-1.8)LA,,,,,§4 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌,與滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌比較，滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)：1、摩擦系數(shù)小，并且靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差很小，故運(yùn)動(dòng)靈便， 不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象;2、定位精度高，滾動(dòng)導(dǎo)軌的重復(fù)定位誤差約為0.1－0.2 μm ，而滑動(dòng)導(dǎo)軌的定位誤差一般為10－20 μm 。因此，當(dāng)要求運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生精確微量的移動(dòng)時(shí)，通常采用滾動(dòng)導(dǎo)軌；3、磨損較小，壽命長，潤滑簡單；4、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工比較困難，成本較高

8、；5、對(duì)臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感；,在動(dòng)、靜兩導(dǎo)軌面間放入滾珠、滾柱或滾針等滾動(dòng)體，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)，這種導(dǎo)軌稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌。,1、滾珠導(dǎo)軌,2、滾柱導(dǎo)軌與滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌,交叉滾柱V－平導(dǎo)軌,V－平滾柱導(dǎo)軌,滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌,2．滾柱（針）導(dǎo)軌,滾柱（針）導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)形式,3．滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌,4．組合導(dǎo)軌,滾珠與滾柱組合的導(dǎo)軌,滾柱與長圓柱軸組合的導(dǎo)軌副,材料,滾動(dòng)體： 滾動(dòng)軸承鋼 （GCr15）導(dǎo)軌材料： 低碳合金

9、鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 氮化鋼 鑄鐵,,,§ 5 基座,一 基座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求,精密數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)圖,1—基座；2—工作臺(tái)；3—傳動(dòng)系統(tǒng)；4—電機(jī)；5—立柱；6—控制系統(tǒng),基座與支承件的特點(diǎn)①尺寸較大②結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,基座設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題①剛性 ②熱變形③抗振性 ④穩(wěn)定性,提高抗振性

10、的方法① 提高靜剛度 ② 減小內(nèi)部振源的振動(dòng)影響。 ③ 減輕重量。 ④ 有時(shí)采取隔振措施以減小外界振源對(duì)儀器正常工作的影響。,為提高穩(wěn)定性對(duì)基座和支承件要進(jìn)行時(shí)效處理的方法 ① 自然時(shí)效處理。 ② 人工時(shí)效處理。,二 、基座與支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),當(dāng)構(gòu)件承受彎曲載荷，其彎曲變形量為,,,1 、正確的選擇截面,扭曲變形量則為,,式中 K1，K2——抗彎、抗扭系數(shù)，與材料彈性模數(shù)和尺寸有關(guān)；,,,——截面抗彎、抗扭慣性矩，與構(gòu)件的

11、截面形狀有關(guān)。,結(jié)論：① 空心的截面慣性矩比實(shí)心的大，即空心截面構(gòu)件的剛度比實(shí)心的高。因此在相同截面面積的情況下，采用加大橫截面輪廓尺寸而減小壁厚的辦法可提高支承件的剛度。② 采用圓形空心截面能提高抗彎和抗扭剛度。采用長方開空心截面對(duì)提高長邊方向的抗彎剛度效果顯著。③ 截面為不封閉形式，抗扭剛度極差。因此，在相同的截面面積的情況下，支承件的截面最好做成四邊封閉的箱形。,2合理布置筋板和加強(qiáng)筋,按布置形式筋板分,,縱向筋板,橫向

12、筋板,斜置筋板,筋板的布置形式,各種筋板的布置形式如圖所示,(a)，(b)和(c)都是方格式縱橫筋，其中(c)比(b)的鑄造性能好，因?yàn)?c)中筋條受力狀況好，交叉處金屬聚集較少，分布均勻，內(nèi)應(yīng)力小 。,(d)、(e)是三角形和菱形筋，，不僅剛度較好，工藝也較簡單。,(f)是六角（蜂窩）形筋，抗彎、抗扭剛度較好，鑄件均勻收縮，內(nèi)應(yīng)力小，不易斷裂，但其鑄造泥芯很多。,(f)是六角（蜂窩）形筋，抗彎、抗扭剛度較好，鑄件均勻收縮，內(nèi)應(yīng)力小，不

13、易斷裂，但其鑄造泥芯很多。,(g)、(h)形筋鑄造工藝也較復(fù)雜，但剛度很好。,一般筋條采用直筋或人字形筋,筋條的形狀,三 基座與支承件的材料選擇,材料,,鑄鐵,鋼板,花崗巖,花崗巖的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好 、加工簡便 、保養(yǎng)簡便 、溫度穩(wěn)定性好 、吸振性好 、不導(dǎo)電，抗電磁、價(jià)格便宜 。,彈性摩擦導(dǎo)軌,彈性摩擦導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)：1、摩擦力極??；2、沒有磨損，不需潤滑；3、運(yùn)動(dòng)靈便性高；4、當(dāng)運(yùn)動(dòng)件的位移足夠小時(shí)，精度很高，可以達(dá)到極高的分辨

14、率。彈性導(dǎo)軌的主要缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)件只能作很小的移動(dòng)，大大限制了其使用范圍。,靜壓導(dǎo)軌,1、液體靜壓導(dǎo)軌,開式靜壓導(dǎo)軌,液體靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)：①摩擦系數(shù)很?。ㄆ饎?dòng)摩擦系數(shù)可小至0.0005），可使驅(qū)動(dòng)功率大大降低，運(yùn)動(dòng)輕便靈活，低速時(shí)無爬行現(xiàn)象；②導(dǎo)軌工作表面不直接接觸，基本沒有磨損，能長期保持原始精度，壽命長；③承載能力大，剛度好；④摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌溫升??；⑤油液具有吸振作用，抗振性好；靜壓導(dǎo)軌的缺點(diǎn)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一套供油