深圳双十精密机械系统的设计
    随着科学技术和工业生产的发展，对于精密机械与仪器的功能和精度也提出了愈来愈高
的要求。目前，对于工作台的定位梢度或传动精度一般要求能达到0. lium，主轴回转精度达到
0. O1um.分度精度为0. 2s左右。功能上要求能对点、线，以至空间曲面进行检测，自动地采集和
处理数据并能在线实时进行监测和控制.实现上述这些要求。仅靠传统的方式，只着眼于提高
机构本身精度和功能，不但经济效益差，而且有时很难达到。因此，现代的精密机械大多采用电
子计算机、光学、电气、液压和机械等综合技术，来达到高精度、高效率和多种功能的要求。
    本章将对精密机械系统进行整体阐述，着重讨论那些对系统的精度和性能影响较大的部
件.如基座、支承件、工作台、主轴及伺服机械系统。由于光学和计算机技术已有专门课程，本书
不再赘述。
基座与支承件
一、基座与支承件的结构特点及主要技术要求
    精密机械仪器具有各种各样的基座和支承件，它们不仅起着联接和支承各种零、部件相互
位置的作用，而且还要保证仪器的工作精度。
    如图3-1所示为分步重复照相机，从图中可见基座和机身支承着
精密工作台、激光干涉测量系统及立柱.立柱上支承着照相系统。照相物镜可沿着立柱导轨上下移动进行调焦。将机罩取下后.可以看到机身上支承着工作台、各种传动元件及干涉仪支架等(见图3-2)
    由图可见，基座与支承件的特点是:
    1，尺寸较大，是整台仪器的基础支承件.不仅自身重量较大，而且承受主要的外载荷;
    2.结构比较复杂。有很多加工面(或孔).而且相互位置精度和本身精度都较高。
    根据以上特点，设计时要特别注意刚性、热变形、精度、抗振性以及结构工艺性等问题.
    〔一)刚性
    上述分步相机的机身不仅本身重量较大，而且由于机身上有工作台及立柱，立住上有照相
头部，因而一些部件载荷都直接或间接地作用在机身和立柱上。随着运动部件的移动，受载情
况将发生变化。在这种情况下，要确保基座和立柱受力后的弹性变形在允许范围内，就必须具
有足够高的刚度。如果设计的部件刚度不足，由此造成的几何和位置偏差可能会大于制造误
差。
    刚度不仅影响情度，而且与自振频率有直接关系，对动态性能的改善有着重要意义。
    刚度按其所受载荷性质的不同.分为静刚度和动刚度.
    (二)抗振性
    支承件的抗振性是其抵抗受迫振动的能力.造成振动的振源可能是在仪器的内部.如驱动电机转子或旋转零件的不平衡;往复运动件的换向冲击。振源也可能在仪器的外部。如机器、车辆、人员活动。以及恒温室的通风机、冷冻机等。当基座受到振源的影响产生振动时，除了使仪器整机振动、摇晃外.各主要相关部件、部件相互之间还可能产生
弯曲或扭转振动。整机摇晃振动一般不影响工作.但部件或部件相互之间振动可能对仪器精度
产生影响。当振源频率与构件的固有频率重合或为其整倍数时将产生共振，有可能使仪器不能
正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命。因此，对振动的振幅，特别是相对的振幅都有规定的
允许值。如光波干涉孔径测量仪(精度为0. 03mm )，激振频率为35Hz时，允许工作台在垂直方
向的振幅为0. 12um;水平方向为0. 22um。对于三坐标测量机，国外一些产品通常规定激振频
率在50H:以下.振幅不得超过Sum。当振幅超过所规定的允许值，为提高抗振性常从以下三方
面着手进行改进:
    1.提高静刚度:合理设计构件截面形状和尺寸.合理布置筋板或隔板可以提高静刚度，提
高固有频率，避免产生共振;
    2.增加阻尼:增加阻尼对提高刚度有很大作用，液体动压或静压导轨、气体静压导轨的阻
尼比滚动导轨的阻尼大;
    3.减轻重量:在不降低构件刚度的前提下减轻重量，可以提高固有频率。为适当减薄壁
厚，采用钢材焊接结构等。
    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。目前常用的隔振材料有:钢弹
簧、橡胶、泡沫乳胶。此外还可以采用气垫隔振。
    (三)稳定性
    基座与支承件的结构比较复杂，在浇铸时由于各处冷却速度不均，很容易产生内应力。这
种内应力是造成零件尺寸长期不稳定的主要原因。因此，对基座和支承件要进行时效处理以消
除内应力，减小变形。
    时效处理方法有两种，即自然时效和人工时效。
    1。自然时效处理:将铸件毛坯或粗加工后的半成品自然地放置于露天场所，经过几个月
甚至几年的时间，使其内部应力逐渐“松弛”，在内应力消除的过程中逐渐变形，待形状趋于稳
定后再加工，根据经验，自然时效时间一般为I个月至6个月，时间长短取决于基座或支承件
的尺寸大小、形状结构，铸造条件以及最后精度要求等一系列因素.大型仪器及精度高的构件
时效处理的时间长。’自然时效方法简单，效果较好，但占地面积大，周期长，积压资金。
    2.人工时效处理:最常应用的是热处理法。将铸件平整地悬搁在烘板上，以便四周受热均
匀.根据实际情况选择不同的温度变化速度.如图3-3是一实例，开始时以每小时60t温升的
速度加热至530-55010，保温4-6h，然后随沪冷却。一般精度的仪器构件经过一次时效处理，
即可达到要求。精度较高的构件在精加工前要进行多次时效处理.
    (四)热变形
    对于精度要求较高的机械、仪器来说，热变形已成为造成误差的一个重要因素.例如，当机
身的导轨面与底面有温差时，在垂直平面内导轨面将产生中凹或中凸(图3-4)，其最大凹凸量
‘可按下式求得:
由此可见热变形造成的误差是很大的。
    由于整机和各个部件尺寸、形状、结构不同，因此到达热平衡的时间也长短各异，构件热膨胀
的速度与热容量的大小有关。
    实测某万能渐开线齿形仪的基座和支架，得出如图3-5所示曲线。其中热容最小的支架温度
变化曲线2经过一段时I司便与室温曲线3保持等距，达到平衡。热容量大的基座温度变化曲线】则
一直处于升温过程.在恒温.环境下，经过15小时后，仪器各部件尚未达到温度平衡状态。由北可
知，如果各部件发生各种不同的变形，热变形没有到达稳定状态.}必影响仪器的精度。因此，有必要采取措施将温度控制在一定的范围之内。
    I.严格控制工作环境的温度
    根据仪器的精度要求，对环境温度提出不同的要求。一般的恒温室，过滤的空气从天花板流入
室内，从靠近地板处排出室外。当空气经过灯源时.将把热量从天花板附近带下来，使室温升高。
若将送入的空气温度降低到所要求的温度之下(如低子一般恒温20'C以下)又会造成一部分冷
空气下沉至地板，造成上下温度“分层”，对于较高的大型仪器，这种室内温度分层现象对于精度的
影响是不容忽视的。较好的恒温室应从侧面或地板进气，由上面夭花板排气。这种方式的优点是
201C温度的空气直接从地板流进室内，从天花板排出，灯源的热量也由天花板敞出。对于要求
温度波动小的仪器(如激光测量仪)，则需要采用“室中之室”和分级控制室温的方法.例如将
恒温室的温度控制在士I℃对室内仪器另加保沮罩，罩内温度控制在士0. 15 C。国外先进的
控制环境温度技术已达到了很高的水平，美国有的实验室内温度可达到20士0.00561c.
    2.控制仪器内部热源的热传递
    仪器自身的电机、照明灯等热像的热传递也需采取措施加以控制.
    (D采用冷光源(如发光二极管);
    (2)隔开热源或将热源分离出去;
    (3)对于不能隔开又不便分离出去的热源，如轴承、丝杠螺母副等则需采取措施，以减少
热的生成，
    (4)待仪器温度平衡后再开始工作。