测控仪器设计课件第4章.ppt

第四章精密机械系统的设计,保证仪器的测量精度、定位精度、运动精度对基座的变形要控制在亚微米量级；对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1μm；对导轨的直线度要求达到0.1μm/m；主轴的回转精度要求达到0.01μm等。,,本章共分为五节第一节仪器的支承件设计第二节仪器的导轨及设计第三节主轴系统及设计第四节伺服机械系统设计第五节微位移机构及设计,第一节仪器的支承件设计,支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等作用联接和支承仪器的机、光、电等各部分零件和部件基座和立柱的力变形和温度变形将直接影响测量精度。本节重点研究基座和立柱的设计要求和结构设计问题。,一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求1支承件的结构特点和设计要求,2支承件的结构设计内容,表4-1横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较,,表4-1-1各种肋条板的形状及其优缺点,,表4-1-2支承件常用材料性能及改善措施,,,表4-2基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度,第二节仪器的导轨及设计,一、导轨的功用与分类导轨的功用导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位置精度的作用。其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。动导轨上有工作台或拖板（滑板）、头架、尾座及其它夹持部件、测量装置等。静导轨一般与仪器基座、立柱、横梁等支承件连接在一起或者做成一体。导轨种类1）滑动摩擦导轨两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。2）滚动导轨动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。3）静压导轨两导轨面间有压力油或压缩空气，由静压力使动导轨浮起形成液体或气体摩擦。4）弹性摩擦导轨利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移。这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。,二、导轨设计的基本要求,,,三、导轨设计应遵守的原理和准则,图414导轨布置图a）双V形导轨导向与压紧b）万工显导轨布置图,四、滑动摩擦导轨及设计滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。缺点是摩擦阻力大、磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速度时，易产生爬行。,（一）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点组合方式考虑如何限制五个自由度以及运动导轨上有一定的承载力。,滑动摩擦导轨的截面形状，如表4-3根据导轨运动学原理，如果只采用单根导轨的话，只有燕尾行导轨没有多余自由度，其余三种截面的单根导轨都有一个多余转角自由度，即在垂直于导轨平面内有转角，而且抵抗颠覆力矩能力差，导轨易变形，因此常用的滑动导轨都由两条导轨组合而成。,,,五、滚动摩擦导轨及设计滚动摩擦导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动摩擦状态。由于滚动摩擦阻力小，使工作台移动灵敏，低速移动时也不易产生爬行。工作台起动和运行消耗的功率小，滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，故在仪器中广泛应用。但是，这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力大。在设计这种导轨时，对导轨的直线度和滚动体的尺寸精度要求高。导轨对脏物比较敏感，要很好的防护，其结构比滑动导轨复杂，制造困难，成本高。（一）滚动摩擦导轨的结构形式,图422V形平面滚珠导轨a常用V形平面滚珠导轨b）V形平面滚珠导轨运动分析,,,（二）滚动摩擦导轨的组合应用,六、静压导轨及设计要点,▼静压导轨定义静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦。根据导轨面间产生静压力的介质不同而分为液体静压导轨和空气静压导轨。,▼（一）液体静压导轨工作过程液体静压导轨在导轨上有油腔。当压力油注入后，动导轨和工作台浮起，在导轨面间形成一层非常薄的油膜，且油膜的厚度基本上保持恒定不变，使导轨具有高的运动精度。（二）空气静压导轨空气静压导轨上有气垫，当压缩空气引入后，由于压缩空气的静压力而使动导轨及工作台浮起。,六、静压导轨及设计要点,▼静压导轨的特点1）静压导轨的导轨面间摩擦是液体分子或气体分子摩擦，因而摩擦系数极低（0.0005），故没有爬行，不产生磨损，寿命长，驱动功率小。2）精度高，静压导轨是根据弹性平均原理设计的，因液体或气体分子的弹性平均作用而使导轨运动精度提高。3）导轨的承载能力较大，刚度好。液体静压导轨因压力油粘性远大于气体静压导轨的空气粘度，因而液体静压导轨刚性好于气体静压导轨。4）导轨工作面充满压力油或压缩空气，而有吸振作用，抗振性好。5）静压导轨的缺点是结构复杂，调整费事，成本较高。需要一套严格过滤的供油或供气设备。,七、设计时导轨选择要点（一）导轨形式的选择在设计仪器时，其导轨形式的选择是非常重要的一个环节，导轨的选择不仅决定了仪器的精度指标是否达到设计要求，同时也决定了仪器的成本高低；选择导轨形式时，要考虑的因素很多，如导向精度、运动平稳性、承载能力（刚度）、耐磨性、使用环境、安装形式、各向静力矩、运动速度、行程大小、成本等因素。由于每种形式的导轨各有其特点，所以在选择时要综合考虑。表4-4为各种导轨的比对。,,表4-4各种导轨的比对,（二）标准导轨的选用（参考）随着工业产品规模化、标准化的发展，目前世界上有很多公司都生产标准化各种用途的导轨，并使之规模化来降低成本。而在仪器设计时应尽量采用标准化的导轨，来满足设计的需求，使仪器产品的成本降低并使仪器的生产周期缩短，提高产品的市场竞争力。当前，市场上导轨产品很多，主要有THK、NB、HIWIN、SBC、SNK等品牌的产品。这些品牌的导轨产品主要有直线运动导轨、交叉滚子导轨等。以下为THK公司生产的几种典型标准导轨的图片。▼图4-43为直线球滑座LSP型导轨，该系列导轨的保持架是由小齿轮和齿条形成的组合机构，在高速运动时保持架不会偏离；图4-44为交叉滚子导轨工作台，有VRT和VRU两种型号，具有高精度、小型、高刚性的有限直线运动导向单元，其往复精度为1.5μm；▼图4-45为交叉滚子导轨VR系列和球导轨VB系列，VR系列导轨是利用独特的滚子保持方法来增加滚子的有效接触长度，具有高刚性、高精度、小型化的有限形式的直线运动系统，其广泛应用精密机器、光学测试仪器、光学工作台、X射线装置等的滑座部分，其精度级别分为高级（H）、精密级（P）；,▼图4-46为带气缸的球滑座LSC型导轨，它是通过从设在基础端面上的2个空气接口供给空气来获得往复运动，因气缸是复动型式，其移动的速度可以通过速度控制器来调整，同时，保持架是有小齿轮和齿条形成组合机构，在使用中不会出现保持架的偏离，在高速、高频度低使用中也能获得完美的直线运动；▼图4-47为LM导轨SR系列，它装配高度低，是小体积径向负荷能力大的LM导轨的代表型号；在导轨与滑块被精密研磨加工过的4列滚动沟槽上球进行滚动，再通过装在滑块上的端盖板使各列球进行循环运动,因为球被保持板保持，即使将LM滑块从轨道上取下来，球也不会脱落；该系列导轨是端面高度低且小体积的型式，因在径向方向球的接触角成90，故最适合于使用在水平导向上；该系列导轨属于能自然地吸收2轴间的平行度和水平度误差的自动调整型，能获得稳定的高精度且轻快、低噪音的直线运动，用途广泛；该系列导轨的精度分为普通级、高级（H）、精密级（P）、超精密级（SP）和超超精密级（UP）。,▼图4-48为LM导轨HSR系列，在导轨与滑块被精密研磨加工过的4列滚动沟槽上球进行滚动，再通过装在滑块上的端盖板使各列球进行循环运动，因球被保持板保持，即使将LM滑块从轨道上抽出，球也不会脱落；该系列导轨为使滑块的4个方向（径向方向、反径向方向、横向方向）具有相同的额定负荷，各球列被设计成45的接触角，无论何种姿态都可以，并且因施加均等的预压，从而既能一边维持较低的磨擦系数，又加强了4个方向的刚性，可以获得稳定的高精度直线运动，用途非常广泛；该系列导轨的精度分为普通级、高级（H）、精密级（P）、超精密级（SP）和超超精密级（UP）；▼图4-49为超小型LM导轨RSR系列，在导轨与滑块被精密研磨加工过的2列滚动沟槽上球进行滚动，再通过装在滑块上的端盖板使各列球进行循环运动，其滑块被设计成既省空间又具有刚性的形状，同时与大直径的球相组合，在各方向都能得到高刚性，经久耐用，并能得到出色的直线运动；该系列导轨的精度分为普通级、高级（H）、精密级（P）。,图443直线球滑座系列导轨,图444交叉滚子工作台式导轨及结构示意图,,图445交叉滚子导轨,图446带气缸的球滑座（LSC）型导轨,,图447LM导轨SR系列,图448LM导轨HSR系列,图449超小型LM导轨RSR系列,第三节主轴系统及设计主轴系统的组成主轴、轴承及安装在主轴上的传动件或分度元件。在测控仪器中主轴系统的作用作精密旋转运动，分度运动或进行精确分度、测角等。,一、主轴系统设计的基本要求,主轴回转精度、刚度、热稳定性,（一）主轴回转精度包括径向、轴向、倾角、端面误差运动。①径向误差运动包括倾角运动和纯径向运动之和。②径向跳动包括径向误差运动及偏心和圆度误差③端面误差运动轴向误差运动④端面跳动--端面误差运动及端面与轴线的垂直度、平行度。,,,气体静压轴承轴系结构及设计气体静压轴承是以一定恒压的净化空气充满轴承套与轴之间，并以其为润滑介质构成的轴承。由于空气粘性极小，因此几乎没有摩擦力矩，旋转灵活，正常工作中不磨损机件，工作中不用维修调整，具有可以在特殊环境下使用的优点。由于气膜对轴承零件的加工误差有平均作用，构成轴系后的回转精度可比轴承副零件精度有很大提高。目前空气静压轴承的回转精度已高达0.01μm，因此常用作为高精度仪器的轴承。其缺点是需要无油、无水、无尘的气源，即需有较复杂的辅助设备，因此使用成本高，而且轴承的刚度一般不如机械轴承，采取了提高刚度的技术措施后，也常用在精密机床的轴系中。,五、液体静压轴承轴系及设计液体静压轴承轴系是由压力油将轴系浮起进行工作的轴承。它有如下特点1）在液体压力油作用下将主轴浮起，在轴和轴套之间形成油膜，因此形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率尘。2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，因此常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。3）回转精度较高，可达0.05μm。由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度。4）抗振性好于气体静压轴承。5）需要一套高质量的供油系统，由于油温变化后会造成回转中心热漂移，因而还需油温控制系统配套使用。因此不仅系统复杂化而且成本也较高。,六、液体动压轴承轴系液体动压轴承轴系有如下特点1）回转精度高，可达0.025μm。2）承载能力较大，这种轴系的承载能力是在主轴旋转后产生的，即主轴旋转时有较大承载能力。3）刚性较好。4）动态情况下无磨损，寿命长。5）制造使用和维修都比较方便，结构比液体静压简单，不需要油泵站。6）起动时主轴和轴承是刚性接触，有磨损，低速大载荷油膜难以建立。7）主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转。见图4-76，是三油楔动压轴承原理图，由于主轴和轴承相对运动，使两者之间的润滑油形成油楔。转动时油楔从宽到窄而产生油动压，油动压的升高而将主轴浮起，避免主轴与轴套直接接触。当主轴相对轴承转动速度不同时，油膜厚度改变，对轴提供不同的力，用以支承负载。而当主轴相对轴套转速为O时，则油动压为O，此时主轴与轴承为刚性接触，即为静止状态。,动压轴承获得油动压的条件是1）在结构上，轴承必须有斜楔。主轴只有向斜楔减小方向转动时，才会产生油动压，若主轴转动速度高，则油膜加厚。因此为保证主轴有高的回转精度，转速应均匀。不允许向斜楔增大方向转动，这时没有油动压，主轴与轴承刚性接触，而产生磨损。2）轴系在转动之前必须加有一定粘度的润滑油，进行充分润滑。润滑油不能随便代替，必须用圆度仪主轴专用油。,图476油楔动压轴承工作原理图,七、设计时轴系选择要点仪器中的轴系是用以支承仪器可动部分围绕某一轴线作精确的回转运动进行测量，它是仪器的关键部件之一。其形式的选择是非常重要的一个环节，轴系的选择不仅决定了仪器的测量精度指标是否达到设计要求，同时也决定了仪器的成本高低；选择轴系形式时，要考虑的因素很多，如回转精度、转动灵活性、承载能力（刚度）、寿命、结构工艺性、使用环境、成本等因素。由于各种形式轴系各有其特点，所以在选择时要综合考虑。各种轴系的比对见表4-6。,表4-6轴系的比对,,第四节伺服机械系统设计在进行点、线、面或空间曲面测量和精密定位时，精密机械系统需要作各种运动，如直线运动、回转运动、曲线运动、空间运动等。这些运动需要驱动装置、传动装置和控制装置构成一个伺服系统来达到各种精密运动的目的。运动的控制往往要用计算机来完成。一、伺服系统的分类,二、伺服驱动装置,常用的驱动装置有步进电机它用电脉冲控制，每输入一个脉冲，电机就移进一步，可以改变脉冲频率在很大范围内调节转速，可以点动，也可以连续动，可正转也可反转，停机时有自锁能力，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境影响，仅与脉冲频率有关。步距误差不累积，一般在15′以内。步进电机运行时会出现超调或振荡，要注意低频时振动对工作台运动的影响，突然起动时有滞后。直流电机运动平稳，改变驱动电压可以改变转速，也能换向，控制方便，驱动平稳，噪声小，但不能自锁，控制精度不如步进电机。同步电机同步电机一般用于同步控制的场合。压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动是近年来应用越来越广泛的驱动器。它分辨力高，可达纳米级，控制简单，但驱动范围较小。此外该驱动无摩擦、不发热，但有滞后和漂移现象。,三、机械传动装置伺服系统中的机械传动装置有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、摩擦传动等。传动装置的作用是传递转速和转矩，要求能使工作台灵敏、准确、稳定地跟踪指令，实现精确移动。（1）机械传动装置的选择选择机械传动装置的主要依据是工作台的定位分辨力和定位精度。将步进电动机与齿轮传动、蜗轮蜗杆传动或丝杠传动相结合，可以达到微米甚至亚微米级的分辨力，当要求位移传动分辨力更高时由于这几种传动具有摩擦，有间隙和空程及爬行，很难达到要求。当要求分辨力达到0.1～0.01μm量级时可采用摩擦传动和弹性传动；而当要求纳米级的位移分辨力时，常采用压电陶瓷驱动与弹性传动相结合。如压电陶瓷驱动与柔性铰链传动相组合等。（2）机械传动装置的减速比在伺服控制系统中，要求输入指令驱使工作台从某一速度变到另一速度时，电动机应能提供最大加速度，即要求工作台迅速响应指令。因此设计时应尽量使加速度达到最大值，即存在最佳转速比。,电动机轴上的转动惯量为I，电动机最大转矩为Mm，则由加速度公式，求得最佳转速比为（4-60）最大角加速度为（4-61）,,,,（3）机械传动装置的动力设计动力系统要能提供足够的力矩和功率，以使工作台能跟随指令运动。则需满足动力平衡方程（4-62）式中，Mj为电动机轴加速力矩；Mf为摩擦力矩；ML为载荷力矩。,,（4）刚度计算由于机械传动装置中存在着摩擦和各个零部件都会有一定柔性，因而在输入指令开始驱动工作台时，由于传动环节的弹性变形，将导致工作台不能立即跟随指令移动，从而造成一定的失动量，影响定位精度。而当工作台低速运行时，由于传动环节的摩擦及刚度和导轨的摩擦又会造成爬行而使运动不均匀，同时刚度还影响固有频率。,第五节微位移机构及设计微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高的技术，其精度要达到亚微米和纳米级。通常把应用微位移技术的系统称为微系统，它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成。本节主要讨论微位移机构及其驱动原理及设计问题。一、常用的微位移机构,图489丝杠及弹性缩小工作台,图492电磁驱动的微工作台,二、微驱动器件,,,,三、柔性铰链柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3′的角度范围内，达到了10-7（）的稳定分辨率。近年来，柔性铰链又在精密微位移工作台中得到了实用，并被广泛地用于陀螺仪、加速度仪、精密天平等仪器仪表中。柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。柔性铰链的类型,（1）单轴柔性铰链见图4-97，截面形状有圆形和矩形两种。,图497单轴柔性铰链,（2）双轴柔性铰链双轴柔性铰链是由两个互成90的单轴柔性铰链组成的见图4-98，对于大部分应用，这种设计的缺点是两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆型（见图4-98b），这种设计简单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度弱。需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图4-99的结构。,图498双轴柔性铰链a）交叉型b）圆杆形,图499垂直交叉双轴柔性铰链,四、精密微动工作台设计要点（一）设计要求1）微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。4）微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。5）工作台最好采用直接驱动，即无传动环节，这不仅刚性好，固有频率高，而且减少了误差环节。6）系统响应速度要快，便于控制。,（二）精密微动工作台设计中的几个问题（1）导轨形式的选择在微动工作台微位移范围内，要求工作台有较高的位移分辨率，又要求响应特性好。因此要求导轨副导向精度高。,,,▼滑动摩擦导轨摩擦力不是常数，动、静摩擦系数差较大，有爬行现象，运动均匀性不好。▼滚动摩擦导轨虽然摩擦力较小，但由于滚动体的尺寸一致性误差、滚动体与导轨的形状误差会使滚动体与导轨面间产生相对滑动，使摩擦力在较大范围内变动，即动、静摩擦力也有一定差别，也有爬行现象产生，但运动灵活性好于滑动导轨。▼弹性导轨，包括平行片簧导轨和柔性支承导轨，它们无机械摩擦，无磨损，动、静摩擦系数差很小，几乎无爬行，又无间隙，不发热，可达到很高的分辨率，是高精度微动工作台常用的导轨形式，但它们行程小，只适合用于微位移。▼空气静压导轨，这种导轨导向精度高，无机械摩擦、无磨损、无爬行，又具有减震作用，但成本较高。▼在要求既要大行程，又要高精度微位移情况下，可采用粗、细位移相结合的方法。大行程时用步进电动机以机械减速机构推动工作台在空气静压导轨上运动，而微位移时用压电器件推动工作台以弹性导轨导向运动。,（2）微动工作台的驱动微工作台的驱动可采用如下方法▼电机驱动与机械位移缩小装置杠杆传动、齿轮传动、丝杠传动、楔块传动、摩擦传动相结合，这是一种常规方法，但结构复杂、体积大、定位精度低于0.1μm。适于大行程，中等精度微位移场合。▼电热式和电磁式机构较简单，但伴随发热，易受电磁干扰，难以达到高精度，一般为0.1μm左右，行程较大，可达数百微米。▼压电和电致伸缩器驱动不存在发热问题，稳定性和重复性都很好，分辨力可达纳米级，驱动工作台的定位精度可达0.01μm。但行程小，一般为几十微米。（3）微动工作台的控制微动工作台的控制有开环控制和闭环控制，并配有适当的误差校正和速度校正系统。对于闭环控制还要有精密检测装置。用微机进行控制具有速度快、准确、灵活、便于实现精密微工作台与整机的统一控制等优点，是目前发展的主要方向。,