第四章
第一节 仪器的支承件设计
一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求
（一）结构特点
1）结构尺寸较大 2）结构比较复杂 （二）设计要求
1）具有足够的刚度，力变形要小 2）稳定性好，内应力变形小 3）热变形要小 4）有良好的抗振性
1. 减小热变形措施: （1）严格控制工作环境温度 （2）控制仪器内的热源 （3）采取温度补偿措施
2. 提高仪器抗振性措施： （1）减轻重量，提高固有频率 （2）合理的结构设计，提高静刚度
（3）减小内部振源影响 （4）采取隔振措施
二、基座与立柱等支承件的结构设计
(一)刚度设计： （1）有限元分析法 （2）仿真分析法 (二)基座与支承件的结构设计： （1）正确选择截面形状与外形结构 （2）合理地选择和布置加强肋增加刚度 （3）正确的结构布局，减小力变形 （4）良好的结构工艺性，减小应力变形 （5）合理地选择材料 花岗石具有许多优点：
1）稳定性好 2）加工简便 3）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数均很小 4）吸振性好 5）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好 6）维护保养方便 7）价格便宜
第二节 仪器的导轨及设计
一、 导轨的功用与分类
1.导轨的基本功用： 传递精密直线运动
2.按导轨面间摩擦性质可分为： 滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨、弹性摩擦导轨
二、导轨部件设计的基本要求
（一）导向精度 动导轨运动轨迹的准确度
导轨直线度取决于：导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨
与基座的热变形等
（二）导轨运动的平稳性
爬行： 低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的而与动导轨相连的工作台却出现一慢一
快、一跳一停的现象
爬行原因：1）导轨间的静、动摩擦系数差值较大 2）动摩擦系数随速度变化 3）系统刚
度差
临界速度vc??F/4??mk （三）刚度要求 自重变形
局部变形 接触变形
（四）耐磨性要求 与摩擦性质、导轨材料、表面处理工艺、加工工艺和受力情况有关
三、导轨设计应遵守的原理和准则
（一）运动学原理
（二）弹性平均效应原理
（三）导向导轨与压紧导轨分立原则
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: 结构简单 制造容易 接触刚度大
缺点: 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） 滑动摩擦导轨的截面形状
（二） 滑动摩擦导轨的组合形式及其特点 5 种 P131 （三） 导轨主要尺寸的确定
五、滚动摩擦导轨及设计
优点：磨损小，保持精度持久性好，故在仪器中广泛应用 缺点：点或线接触，故抗振性差，接触应力大。 （一） 滚动导轨的结构形式及其特点 P134
滚动导轨按不同的滚动体可分为 滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等 （二）滚动摩擦导轨的组合应用 P137 （三）滚动导轨的结构尺寸
六、静压导轨及设计要点
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
静压导轨的特点： 1）摩擦系数极低，故没有爬行，不产生磨损，寿命长，驱动功率小 2）精度高 3）导轨的承载能力较大，刚度好 4)抗振性好 5)结构复杂 (一) 液体静压导轨
开式液体静压导轨的特点: ①能较好的承受垂直载荷 ②结构简单，便于加工和调整；
③节流器常采用毛细管式和单面薄膜反馈式。
闭式液体静压导轨的特点： ①承受载荷能力强 ；
②运动精度比开式的好，动态性能也较好； ③结构比较复杂，加工和装调比较麻烦； ④节流器采用毛细管式或双面薄膜反馈式 （二） 空气静压导轨
气体静压导轨特点： 工作平稳、可靠 运动精度高 无磨损、无爬行
承载力较低，导轨刚度较差 需要一套清洁稳定的压缩空气源
七、设计时导轨选择要点
第三节 主轴系统及设计
一、 主轴系统设计的基本要求
主轴系统设计的主要要求:
是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性 （一）主轴回转精度 指该主轴轴系的误差运动的大小
轴系的误差运动分为: 径向误差运动 轴向误差运动 倾角误差运动 端面误差运动 主轴系统回转误差（误差运动）的评定方法
以圆图像求中心的方法作为评定中心，其概念与圆度测量的四种评定中心是一致的，即最小区域中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外切圆中心
造成主轴回转误差的主要原因
主轴和轴承加工的尺寸误差 形状误差及主轴和轴承的装配误差
主轴系统的刚度及润滑 阻尼现象
（二）主轴系统的刚度
提高主轴刚性的措施 1）加大主轴直径 2）合理选择支承跨距 3）缩短主轴悬伸长度 4）提高轴承刚度
（三）主轴系统的振动 减小振动措施 1）用橡胶联接传动
2）用金属弹性元件联接传动 3）用直流电机直接传动 （四）主轴系统的热稳定性
提高主轴系统热稳定性可采取如下措施 :
1）正确选择和设计轴系 2）合理选择推力支承位置 3）减小热源影响 4）采用热补偿措施
（五）合理地设计结构，减小力变形 （六）主轴系统的寿命
二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计 三、滚动摩擦轴系及设计 四、气体静压轴承轴系结构及设计 五、液体静压轴承轴系及设计
特点:
1）形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率小
2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，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，不仅系统复杂化而且成本也较高。
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 应用微位移技术的系统称为微系统，由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成 一、 典型的微位移机构
(1)柔性支承一压电器件驱动的微位移机构 柔性支承无间隙、无摩擦、不发热
压电驱动精度高、无噪声、不受温度和电磁场影响、体积小、不老化，因而很容易实现0.l～0.001μm的微位移
（2）平行片簧导轨一压电器件驱动的微位移机构
采用压电器件驱动、平行片簧支撑。微工作台用平行片簧导向，无间隙，无摩擦。当驱动力作用于片簧上时，弹簧片产生弹性变形，其变形量即为工作台的微位移。可达到0.0lμm位移分辨力。
二、微驱动器件
（1）压电及电致伸缩器件 （2）电磁驱动器 三、柔性铰链
特点：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高
柔性铰链的类型
（1）单轴柔性铰链 （2）双轴柔性铰链 四、片簧支承
结构简单，无间隙无摩擦，尤其适合微位移范围小并且空间尺寸无严格要求的微位移机构 五、精密微动工作台设计要点 设计要求
1）支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。
2）具有高的位移分辨力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）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 6）系统响应速度要快，便于控制 （1）导轨形式的选择 1.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。 2.空气静压导轨
在移动需要大行程，分辨力达到亚微米的情况下，可用空气静压导轨，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。 3.组合式
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）微动工作台的驱动选择 1）电机驱动与机械位移缩小装置
定位精度低于0.1μm。适于大行程，中等精度微位移场合。 2）电热式和电磁式机构
易受电磁干扰，难以达到高精度，一般为O.1μm左右，行程较大，可达数百微米。 3）压电和电致伸缩器驱动
分辨力可达纳米级，驱动工作台的定位精度可达O.01μm。但行程小，一般为几十微米。
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