精密机械水平及垂直旋转支承结构的设计共25页
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[理学]课件旋转支承部件
![[理学]课件旋转支承部件](https://img.taocdn.com/s3/m/bbcfdc531711cc7930b71606.png)
2 轴系用轴承的类型与选择
在设计轴系选择轴承时，我们应该考虑以下 几点： （1）满足使用性能要求，包括承载能力、旋转 精度、刚度及转速等； （2）满足安装空间要求； （3）维护保养方便； （4）使用环境；如温度、环境对轴承的影响； （5）性价比。
在选择轴承时，一般的选择流程如下图: 确定轴承形式及组合
（1）旋转精度
旋转精度是指在装配之后，在无负载、低速旋 转的条件下，轴前端的径向跳动和轴向窜动量。 其大小取决于轴系各组成零件及支撑部件的制造 精度与装配调整精度。 在工作转速下，其旋转精度取决于转速、轴承 性能以及轴系的动平衡状态。
（2）刚度
轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静、动 载荷变形的能力。载荷为弯矩、转矩时， 相应的形量为挠度和扭转角，相应的刚 度为抗弯刚度和抗扭刚度。轴系受载荷为 径向力时会产生弯曲变形，因此必须进行 刚度验算。
二、机座或机架的结构设计要点
1、铸造机座的设计 （2）提高机座连接处的接触刚度
轴系受热会使轴伸长或使轴系零件间隙 发生变化，影响整个船动系统的传动精度、 旋转精度及位置精度。又由于温度的上升 会使润滑油的粘度发生变化，导致滑动或 滚动轴承的承载能力降低。因此应采取措 施将轴系部件的温升限制在一定范围之内。
（5）轴上零件的布置
轴上传动件的布置是否合理对轴的受力 变形、热变形及振动的影响较大。
二、圆柱支承
四、温度的变化对支承间隙的影响 温度的变化将导致支承间隙的变化，其 变化量可用下式表示：
2.5 轴系部件的设计与选择
1 轴系设计的基本要求 2 轴系用轴承的类型与选择 3 选择轴承的一般流程 4 动压轴承和静压轴承简介
1 轴系设计的基本要求
轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动 部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。通常 在设计轴系时要求： （1）旋转精度 （2）刚度 （3）抗振性 （4）热变形 （5）轴上零件的布置
机床主要部件设计支承件设计分解
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第二节 支承件设计
二、支承件的受力分析方式 三大类支承件
1. 一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件。如床 身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等—梁类件。
2. 两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如底座、 工作台、刀架等—板类件。
3. 三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台 等—箱形件。
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第二节 支承件设计
一、支承件的基本要求
接触刚度 指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。 如导轨面产生接触变形。
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第二节 支承件设计
接触刚度 用结合面的平均压强 p与变形量δ之比表示。其特性
是： ◆ 当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有
几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。 ◆ 当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩
大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。 ◆ 结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。 小结 接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的
大小，材料硬度，接触面的压强等。
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第二节 支承件设计
固有频率 用刚度与质量之比表示，即
K
ห้องสมุดไป่ตู้
m
2 0
◆ 重点理解：当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）
主轴箱和尾架上 • 由Fy将引起床身在水平方向的弯
矩为Mwy 由于Fy 的作用点到床 身中心轴的距离为h，对床身还 作用有扭矩Tny=Fyh • ——车床床身变形的主要形式是垂 直和水平面内的弯曲，以及由Tnz 和Tny联合作用下的扭转
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第二节 支承件设计
第二节 支承件设计
二、支承件的受力分析方式 三大类支承件
1. 一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件。如床 身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等—梁类件。
2. 两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如底座、 工作台、刀架等—板类件。
3. 三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台 等—箱形件。
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第二节 支承件设计
一、支承件的基本要求
接触刚度 指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。 如导轨面产生接触变形。
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第二节 支承件设计
接触刚度 用结合面的平均压强 p与变形量δ之比表示。其特性
是： ◆ 当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有
几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。 ◆ 当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩
大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。 ◆ 结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。 小结 接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的
大小，材料硬度，接触面的压强等。
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第二节 支承件设计
固有频率 用刚度与质量之比表示，即
K
ห้องสมุดไป่ตู้
m
2 0
◆ 重点理解：当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）
主轴箱和尾架上 • 由Fy将引起床身在水平方向的弯
矩为Mwy 由于Fy 的作用点到床 身中心轴的距离为h，对床身还 作用有扭矩Tny=Fyh • ——车床床身变形的主要形式是垂 直和水平面内的弯曲，以及由Tnz 和Tny联合作用下的扭转
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第二节 支承件设计
第2章 机械系统设计(6旋转支承部件)
二、圆柱支承
具有较大的接触表面，承受载荷较大。 具有较大的接触表面，承受载荷较大。但其方向精度和置 中精度较差，且摩擦阻力矩较大。 中精度较差，且摩擦阻力矩较大。圆柱支承是滑动摩擦支承 中应用最广泛的一种 。
2 机械系统设计—旋转支承部件
2 机械系统设计—旋转支承部件
当圆柱支承承受径向载荷P时，如图2-77(a)所示，其摩擦阻 所示， 当圆柱支承承受径向载荷 时 如图 所示 力矩用下式确定： 力矩用下式确定：
当圆柱支承同时承受径向载荷P和轴向载荷 时 当圆柱支承同时承受径向载荷 和轴向载荷Q时，其 和轴向载荷 支承中的摩擦力矩等于两种作用载荷所产生的摩擦阻力 矩之和。 矩之和。
支承的间隙和相配件的形状偏差会影响支承的方 向精度和置中精度， 向精度和置中精度，它们可分别用最大定中心误差和 轴的最大偏角来衡量。 轴的最大偏角来衡量。
滑动摩擦支承：圆柱、圆锥、球面和顶针支承； 滑动摩擦支承：圆柱、圆锥、球面和顶针支承； 滚动摩擦支承：填入式滚珠支承和刀口支承。 滚动摩擦支承：填入式滚珠支承和刀口支承。
2 机械系统设计—旋转支承部件
对支承的基本要求
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
方向和置中精度； 方向和置中精度； 摩擦阻力矩的大小； 摩擦阻力矩的大小； 许用载荷； 许用载荷； 对温度变化的敏感性； 对温度变化的敏感性； 耐磨性以及磨损后补偿的可能性； 耐磨性以及磨损后补偿的可能性； 抗振性； 抗振性； 成本。 成本。
式中P—径向载荷（N）； —轴颈直径（cm）； 径向载荷（ ）； ）；d 轴颈直径 轴颈直径（ ）； ）；f’—诱导摩擦系数。 诱导摩擦系数。 式中 径向载荷 诱导摩擦系数 对于新的未经研配的轴颈： ＝ 对于新的未经研配的轴颈：f’＝1.57f；对于研配的轴颈：f’＝1.27f；若 ；对于研配的轴颈： ＝ ； 轴颈和轴承均用较硬材料则f’＝ （ 滑动摩擦系数 滑动摩擦系数） 轴颈和轴承均用较硬材料则 ＝f（f滑动摩擦系数）
【精密机械设计】第5章 支承
其中： 公差等级代号：由小到大依次为/P2、/P4(/UP)、/P5(/SP)、 /P6X、/P6、／P0等6个等级。2级精度最高，其中/P0级在标注时可 忽略。代号示例如6203、6203/P6。 游隙代号：有/C1，/C2，/CO，/C3，/C4，/C5等6个代号，分别 符合标准规定的游隙1、2、0、3、4、5组（游隙量自小而大)，O组 不标注。代号示例如6210、6210/C4。 公差等级代号和游隙代号同时表示时可以简化，如6210/P63表示 轴承公差等级P6级、径向游隙3组。
3)不能承受大的力。
5.5 流体摩擦支承及其他形式的支承
• 流体摩擦支承－运动件和承导件间有流体膜
•
流体摩擦
• 分类一（按流体膜形成方法）
•
动压支承
静压支承
• 分类一（按支承中流体的不同）
•
液体摩擦支承 气体摩擦支承
END
轴颈的结构
整体式圆柱面支承的结构
特点
制造简单，但 磨损后无法调 整间隙，影响 轴的旋转精度 和正常工作。
1).滚动轴承的载荷分布
滚动轴承受通过轴承中心的纯轴向载荷 时，在理想精度下，可认为各滚动体均匀 承受。
滚动轴承受径向载荷时，只有下半圈
滚动体受载，在 Fr 作用线上的滚动体所受
的载荷最大
受载最大的滚动体的载荷
球轴承（点接触） Rmax 5Fr / z
滚子轴承（线接触）Rmax 4.6Fr / z
前置代号 基本代号 后置代号
前置 代号
基本代号
后置代号
轴承 轴 尺 轴 内 密封、 保持 轴 公 游 配 其 分部 承 寸 承 部 防尘 架及 承 差 隙 置 它
件 类 系 内 结 与外 其材 材 等 型 列 径 构 部形 料 料 级 状
3)不能承受大的力。
5.5 流体摩擦支承及其他形式的支承
• 流体摩擦支承－运动件和承导件间有流体膜
•
流体摩擦
• 分类一（按流体膜形成方法）
•
动压支承
静压支承
• 分类一（按支承中流体的不同）
•
液体摩擦支承 气体摩擦支承
END
轴颈的结构
整体式圆柱面支承的结构
特点
制造简单，但 磨损后无法调 整间隙，影响 轴的旋转精度 和正常工作。
1).滚动轴承的载荷分布
滚动轴承受通过轴承中心的纯轴向载荷 时，在理想精度下，可认为各滚动体均匀 承受。
滚动轴承受径向载荷时，只有下半圈
滚动体受载，在 Fr 作用线上的滚动体所受
的载荷最大
受载最大的滚动体的载荷
球轴承（点接触） Rmax 5Fr / z
滚子轴承（线接触）Rmax 4.6Fr / z
前置代号 基本代号 后置代号
前置 代号
基本代号
后置代号
轴承 轴 尺 轴 内 密封、 保持 轴 公 游 配 其 分部 承 寸 承 部 防尘 架及 承 差 隙 置 它
件 类 系 内 结 与外 其材 材 等 型 列 径 构 部形 料 料 级 状
机床支承件设计(全)
2013-8-14
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钢板焊接结构
• 用钢板和型钢等焊接支承件，其特点是制造周期短， 省去制作木模和铸造工艺；支承件可制成封闭结构， 刚性好；便于产品更新和结构改进；钢板焊接支承 件固有频率比铸铁高，在刚度要求相同情况下，采 用钢焊接支承件可比铸铁支承件壁厚减少一半，重 量减轻20%～30％。 • 钢板焊接结构的缺点是钢板材料内摩擦阻尼约为铸 铁的1/3，抗振性较铸铁差，为提高机床抗振性能， 可采用提高阻尼的方法来改善动态性能。
尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的
抗弯刚度和抗扭刚度都高。 • 圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比 方形低。 • 封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗
扭刚度。
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支承件肋板的布置
肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载 荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和 整体刚度。 • 水平布置的肋板有助于提高 支承件水平面内弯曲刚度； 垂直放置的肋板有助于提高 支承件垂直面内的弯曲刚度； 而斜向肋板能同时提高支承 件的抗弯和抗扭刚度。
• 铸铁 • 钢板和型钢 • 天然花岗岩 • 预应力钢筋混凝土 • 树脂混凝土
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铸铁
• 一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加入少量合金 元素可提高耐磨性。铸铁铸造性能好，容易获得复 杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力大，阻尼系 数大，使振动衰减的性能好成本低。但铸件需要木 模芯盒，制造周期长，有时产生缩孔、气泡等缺陷， 成本高，适于成批生产。 • 常用的铸件牌号有HT200、HT150、HT100。
机床的布局形式对支承件形状的 影响
• 床身导轨的倾斜角度有30°,45°, 60°,75°。小
精密机械系统的设计
42 8
L2 L1 H Lt
H
Lt
H
t L2
8H
铸件长度L=2000mm．高H＝500mm， 温差为1°C时
产生温度变化的原因
为减小热变形可采用如下措施：
(1) 严格控制工作环境温度(恒温) (2) 控制仪器内的热源 (3) 采取温度补偿措施
㈣有良好的抗振性 提高抗振性的方法
（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）合理选择材料
第二节 仪器的导轨及设计
一、导轨的功用与分类
功能：传递精密直线运动， 保证各运动部件的相对 位置和相对运动精度以 及承受载荷。
导轨部件有运动导轨（动） 和支承导轨（静）组成。
导轨种类： 1）滑动摩擦导轨 2）滚动导轨 3）静压导轨 4）弹性摩擦导轨
2.设计要求
㈠有足够的刚度，力变形要小 ㈡稳定性好，内应力变形小
a.自然时效处理 b.人工时效处理
㈢热变形要小
举例说明：对于一个长度为L、高度为H的矩形基座．当其上表面温 度高于下底而时会产生上凸下凹的形变．
热变形造成的误差
最大凹凸量可由下式求得：
tan
推出 L L
4
L 2
(2)合理地选择和布置加强肋增加刚度 肋：指连接两壁内壁，形状、位置应根据受力的大小方 向而定合理地布置加强肋可以有效地增大刚度，其效果比 增加壁厚更明显。
加强肋有肋板和肋条两种。精度要求较高的仪器其基座 都布置肋板以提局其刚度，减小变形量。肋条一般布置在 基座或支承件的局部，以便增加局部的刚度．
1)在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有频率，防止共振。 2)合理地进行结构设计 3)减小内部振源的振动影响 4)采用减振或隔振设计
精密机械总体方案设计
单考虑输出功率，方案3最好。
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2）数值越小越好的指标（如成本、耗油等） Minqij 标准分值计算公式： dij qij dij——第j个方案的第i项指标标准分值 qij——第j个方案的第i个指标值
例：三种方案成本分别为20、25、30（万元） 试作无量纲处理（属数值越小越好）
●方案1标准分值： d12=min（20；25；30）/20=1.00 ●方案2标准分值：d22=20/25=0.80 ●方案3标准分值：d32=20/30=0.67
现代社会物资丰富已达到一定水平，精神 文明称为发展的最重要因素之一，社会效益的 价值比例逐渐上升，已占有较大的比例。
27/18
2.设计方案评价的方法
综合技术经济社会三方面因素，对总体设计 方案客观、合理评价十分重要。
目前常用的评价方法： ●哥顿法 ●检查提问法 ●形态分析法 ●评分法
评分法：评价设计方案的重要方法。 以评价者的分析、计算、判断等为依据，采 用打分或其他记分的方法，对方案进行累计。
例：三个设计方案的输出功率分别为100、120、 125kw，试作无量纲处理。 输出功率属于数值越大越好的指标。 qij dij Maxqij ●方案1标准分值：
d11=100/max（100；120；125）=0.80
●方案2标准分值：d12=120/125=0.96
●方案3标准分值：d13=125/125=1.00
27/03
（1）工作可靠性
确保加工质量和设备运行稳定性（性能）； 符合期望的生产效率。 现代机电产品（线）组成的内容及其复杂 性，研究与控制的对象包括：专用结构、配套 结构、通用部件、标准件等。 （2）精度控制 在使用寿命时间内，保证使用性能。 控制对象：所有机电加工件、配套件 评价指标：几何精度、传动精度、动态精度
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2）数值越小越好的指标（如成本、耗油等） Minqij 标准分值计算公式： dij qij dij——第j个方案的第i项指标标准分值 qij——第j个方案的第i个指标值
例：三种方案成本分别为20、25、30（万元） 试作无量纲处理（属数值越小越好）
●方案1标准分值： d12=min（20；25；30）/20=1.00 ●方案2标准分值：d22=20/25=0.80 ●方案3标准分值：d32=20/30=0.67
现代社会物资丰富已达到一定水平，精神 文明称为发展的最重要因素之一，社会效益的 价值比例逐渐上升，已占有较大的比例。
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2.设计方案评价的方法
综合技术经济社会三方面因素，对总体设计 方案客观、合理评价十分重要。
目前常用的评价方法： ●哥顿法 ●检查提问法 ●形态分析法 ●评分法
评分法：评价设计方案的重要方法。 以评价者的分析、计算、判断等为依据，采 用打分或其他记分的方法，对方案进行累计。
例：三个设计方案的输出功率分别为100、120、 125kw，试作无量纲处理。 输出功率属于数值越大越好的指标。 qij dij Maxqij ●方案1标准分值：
d11=100/max（100；120；125）=0.80
●方案2标准分值：d12=120/125=0.96
●方案3标准分值：d13=125/125=1.00
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（1）工作可靠性
确保加工质量和设备运行稳定性（性能）； 符合期望的生产效率。 现代机电产品（线）组成的内容及其复杂 性，研究与控制的对象包括：专用结构、配套 结构、通用部件、标准件等。 （2）精度控制 在使用寿命时间内，保证使用性能。 控制对象：所有机电加工件、配套件 评价指标：几何精度、传动精度、动态精度
垂直方向转换机构设计方案
垂直方向转换机构设计说明书一、概述自动化生产线运行过程中，由于下一步工艺过程的需要，平板零部件在输送机构上输送过程中需要将方向旋转90度后再输送到下一工序。
为了不影响生产线的生产效率，在到达需要换向的工位之前利用一套垂直方向转换机构在平板零部件输送过程中实现90度转向，既满足了工艺需要，又保证了输送的连续性。
二、机构特点在输送机构输送时将工件方向旋转90度进行传送的机构，首先使用输送机构上的挡块挡住工件，然后利用上升的吸盘进行保持将工件方向旋转90度，最后下降后再继续进行输送，以满足下一工艺需要。
转向机构动作规格参数和操作对象工件参数如下表1和表2所示。
表1转向机构动作规格表2对象工件参数三、机构组成针对平板零部件的特点以及便于工件90度旋转，选用吸盘作为加持工具，使用吸盘保持工件，可简化旋转机构；选用回转气缸和带导杆气缸分别作为旋转和升降运动单元；并增加基座等辅助固定、支撑结构；机构利用压缩空气作为动力源。
转向机构总体组成示意图如下图1所示。
四、总体设计4.1主要选型4.1.1吸盘选择波纹型吸盘提供吸附力将平板工件吸附固定，避免在方向转换过程中发生偏差。
根据提供的压缩空气压强，初步选定外径为∅10mm，橡胶材质的波纹管型米思米VPBE10吸盘，安装附件为米思米MVPAT4。
图VPBE10波纹型吸盘图MVPAT4吸盘安装附件4.1.2回转气缸回转气缸的主要作用就是实现工件在输送过程中的90度转向。
根据工件尺寸简化得出该工件的转动惯量约为1kg·m2，设定回转过程从0度到90度用时1s，则角加速度为1.6rad/s2，得到转矩约为1.6N·m。
考虑到预留余量因此选择气立可(CHELIC) [中国台湾]RTB30X90回转气缸。
表3RTB30X90回转气缸基本参数图RTB30X90回转气缸4.1.3带导杆气缸根据机构设计要求，上下行程为75mm，上下零件负载为50N，考虑到行程和负载预留余量因此选择气缸行程100mm气缸内径20mm；同时由于导向的需求，因此气缸需要带有导向杆，最终选择米思米MGCLB20-100：固定行程型，直线轴承，气缸内径20mm，行程100mm。