精密机械设计 第14章 导轨和基座

第14章导轨和基座直线运动导轨限制了其他五个自由度，只剩下单向的移动.导轨的导向面1）棱柱面2）圆柱面§1导轨的作用、特点和分类直线运动导轨的作用是支承和引导运动部件作直线运动.导轨的组成运动件承导件导轨的分类滑动摩擦导轨滚动摩擦导轨弹性摩擦导轨流体摩擦导轨导轨的基本要求导向精度高运动轻便、平稳、低速时无爬行现象耐磨性好对温度变化不敏感足够的刚度结构工艺性好§2导轨设计的基本要求1、导向精度导向精度是运动副的主要技术指标，它是指导轨副中运动件沿给定方向做直线或旋转运动的精确程度直线运动导轨几何精度的几项指标①导轨在水平平面和垂直平面的直线度图（a)图（b）为V型导轨在水平平面和垂直平面的直线度，其误差为△。②导轨间的平行度和垂直度导轨在垂直平面内的直线度误差对工作平面加工精度的影响两导轨面的平行度二刚度导轨的刚度是指外力作用下导轨本身抵抗变形的能力1—刀具；2—横梁；3—主轴箱1—立柱；2—纵梁；3—横梁；4—滚动轴承；5—小车；6—滚轮；7—校正板；8—螺杆三耐磨性减少磨损的措施1．降低导轨面比压导轨面比压是指导轨单位面积上承受载荷的能力，即WWpAaL式中p——导轨面比压；W——作用于导轨面上的集中载荷；A——承载面积；a为导轨宽度；L——为动导轨长度。2．良好的防护与润滑3．正确选择导轨副的材料和热处理§3导轨导向设计一、按运动学原理设计一个刚体在空间中有6个自由度，如图（a）所示沿x，y，z轴的移动和绕这三个轴的转动,,实际中往往受到约束，如图（b）所示。在将导轨的形体用符号来表示：球—S、平面—P、圆柱—C、V形—VG、山形—VM的情况下，导轨副的基本单元可组合成如下六种实用类型如下。（1）球与平面（3）平面与平面（4）球与V形（5）山形与V形（6）圆柱与V形（2）圆柱与平面二按误差平均原理计算§滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨的类型及结构特点滑动导轨的截面形状：1）圆柱面导轨2）棱柱面导轨棱柱形圆形对称三角形矩形燕尾形凸形凹形不对称三角形1、圆柱面导轨特点：防转机构2、棱柱面导轨A、双三角形导轨C、矩形导轨D、燕尾导轨B、三角形－平面导轨提高导轨耐磨性的措施3、保证导轨良好的润滑导轨材料的要求：耐磨性好，摩擦系数小良好的加工和热处理性质2、减小导轨面压强①铸铁180～200HBS，采用表面淬火工艺，表面硬度可达55HRC，耐磨性可提高1-3倍。②钢碳素钢和合金钢③有色金属材料④塑料1、合理选择导轨的材料及热处理4、提高导轨的精度导轨主要尺寸的确定宽度BLpFBF载荷L长度【p】压强V形导轨角度θθ=90º制造方便间距LA两导轨之间的距离运动的导轨长度:L=(1.2-1.8)LA§4滚动摩擦导轨与滑动摩擦导轨比较，滚动导轨的特点：1、摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便，不易出现爬行现象;2、定位精度高，滚动导轨的重复定位误差约为0.1－0.2μm，而滑动导轨的定位误差一般为10－20μm。因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；3、磨损较小，寿命长，润滑简单；4、结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；5、对脏物及导轨面的误差比较敏感；在动、静两导轨面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，导轨运动处于滚动摩擦状态，这种导轨称为滚动导轨。1、滚珠导轨2、滚柱导轨与滚动轴承导轨交叉滚柱V－平导轨V－平滚柱导轨滚动轴承导轨2cos1dd2．滚柱（针）导轨滚柱（针）导轨副结构形式3．滚动轴承导轨4．组合导轨滚珠与滚柱组合的导轨滚柱与长圆柱轴组合的导轨副材料滚动体：滚动轴承钢（GCr15）导轨材料：低碳合金钢合金结构钢合金工具钢氮化钢铸铁§5基座一基座的结构特点及主要技术要求精密数控铣床的结构图1—基座；2—工作台；3—传动系统；4—电机；5—立柱；6—控制系统基座与支承件的特点①尺寸较大②结构比较复杂基座设计时应注意的问题①刚性②热变形③抗振性④稳定性提高抗振性的方法①提高静刚度②减小内部振源的振动影响。③减轻重量。④有时采取隔振措施以减小外界振源对仪器正常工作的影响。为提高稳定性对基座和支承件要进行时效处理的方法①自然时效处理。②人工时效处理。二、基座与支承件的结构设计当构件承受弯曲载荷，其弯曲变形量为1wKyI1、正确的选择截面扭曲变形量则为2nKI式中K1，K2——抗弯、抗扭系数，与材料弹性模数和尺寸有关；wInI——截面抗弯、抗扭惯性矩，与构件的截面形状有关。结论：①空心的截面惯性矩比实心的大，即空心截面构件的刚度比实心的高。因此在相同截面面积的情况下，采用加大横截面轮廓尺寸而减小壁厚的办法可提高支承件的刚度。②采用圆形空心截面能提高抗弯和抗扭刚度。采用长方开空心截面对提高长边方向的抗弯刚度效果显著。③截面为不封闭形式，抗扭刚度极差。因此，在相同的截面面积的情况下，支承件的截面最好做成四边封闭的箱形。2合理布置筋板和加强筋按布置形式筋板分纵向筋板横向筋板斜置筋板筋板的布置形式各种筋板的布置形式如图所示(a)，(b)和(c)都是方格式纵横筋，其中(c)比(b)的铸造性能好，因为(c)中筋条受力状况好，交叉处金属聚集较少，分布均匀，内应力小。(d)、(e)是三角形和菱形筋，，不仅刚度较好，工艺也较简单。(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂，但其铸造泥芯很多。(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂，但其铸造泥芯很多。(g)、(h)形筋铸造工艺也较复杂，但刚度很好。一般筋条采用直筋或人字形筋筋条的形状三基座与支承件的材料选择材料铸铁钢板花岗岩花岗岩的优点：稳定性好、加工简便、保养简便、温度稳定性好、吸振性好、不导电，抗电磁、价格便宜。弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨的优点：1、摩擦力极小；2、没有磨损，不需润滑；3、运动灵便性高；4、当运动件的位移足够小时，精度很高，可以达到极高的分辨率。弹性导轨的主要缺点：运动件只能作很小的移动，大大限制了其使用范围。静压导轨1、液体静压导轨开式静压导轨液体静压导轨的优点：①摩擦系数很小（起动摩擦系数可小至0.0005），可使驱动功率大大降低，运动轻便灵活，低速时无爬行现象；②导轨工作表面不直接接触，基本没有磨损，能长期保持原始精度，寿命长；③承载能力大，刚度好；④摩擦发热小，导轨温升小；⑤油液具有吸振作用，抗振性好；静压导轨的缺点；结构复杂，需要一套供油设备，油膜厚度不易掌握，调整较困难。2、气体静压导轨气体静压导轨是由外界设备供给一定压力的气体将运动件与承导件分开，运动件运动时只存在很小的气体之间的摩擦，摩擦系数极小，适用于精密、轻载、高速场合。