深圳雙十精密機械系統的設計
    隨著科學技術和工業生產的發展，對于精密機械與儀器的功能和精度也提出了愈來愈高
的要求。目前，對于工作臺的定位梢度或傳動精度一般要求能達到0. lium，主軸回轉精度達到
0. O1um.分度精度為0. 2s左右。功能上要求能對點、線，以至空間曲面進行檢測，自動地采集和
處理數據并能在線實時進行監測和控制.實現上述這些要求。僅靠傳統的方式，只著眼于提高
機構本身精度和功能，不但經濟效益差，而且有時很難達到。因此，現代的精密機械大多采用電
子計算機、光學、電氣、液壓和機械等綜合技術，來達到高精度、高效率和多種功能的要求。
    本章將對精密機械系統進行整體闡述，著重討論那些對系統的精度和性能影響較大的部
件.如基座、支承件、工作臺、主軸及伺服機械系統。由于光學和計算機技術已有專門課程，本書
不再贅述。
基座與支承件
一、基座與支承件的結構特點及主要技術要求
    精密機械儀器具有各種各樣的基座和支承件，它們不僅起著聯接和支承各種零、部件相互
位置的作用，而且還要保證儀器的工作精度。
    如圖3-1所示為分步重復照相機，從圖中可見基座和機身支承著
精密工作臺、激光干涉測量系統及立柱.立柱上支承著照相系統。照相物鏡可沿著立柱導軌上下移動進行調焦。將機罩取下后.可以看到機身上支承著工作臺、各種傳動元件及干涉儀支架等(見圖3-2)
    由圖可見，基座與支承件的特點是:
    1，尺寸較大，是整臺儀器的基礎支承件.不僅自身重量較大，而且承受主要的外載荷;
    2.結構比較復雜。有很多加工面(或孔).而且相互位置精度和本身精度都較高。
    根據以上特點，設計時要特別注意剛性、熱變形、精度、抗振性以及結構工藝性等問題.
    〔一)剛性
    上述分步相機的機身不僅本身重量較大，而且由于機身上有工作臺及立柱，立住上有照相
頭部，因而一些部件載荷都直接或間接地作用在機身和立柱上。隨著運動部件的移動，受載情
況將發生變化。在這種情況下，要確?；土⒅芰蟮膹椥宰冃卧谠试S范圍內，就必須具
有足夠高的剛度。如果設計的部件剛度不足，由此造成的幾何和位置偏差可能會大于制造誤
差。
    剛度不僅影響情度，而且與自振頻率有直接關系，對動態性能的改善有著重要意義。
    剛度按其所受載荷性質的不同.分為靜剛度和動剛度.
    (二)抗振性
    支承件的抗振性是其抵抗受迫振動的能力.造成振動的振源可能是在儀器的內部.如驅動電機轉子或旋轉零件的不平衡;往復運動件的換向沖擊。振源也可能在儀器的外部。如機器、車輛、人員活動。以及恒溫室的通風機、冷凍機等。當基座受到振源的影響產生振動時，除了使儀器整機振動、搖晃外.各主要相關部件、部件相互之間還可能產生
彎曲或扭轉振動。整機搖晃振動一般不影響工作.但部件或部件相互之間振動可能對儀器精度
產生影響。當振源頻率與構件的固有頻率重合或為其整倍數時將產生共振，有可能使儀器不能
正常工作，降低使用精度，縮短使用壽命。因此，對振動的振幅，特別是相對的振幅都有規定的
允許值。如光波干涉孔徑測量儀(精度為0. 03mm )，激振頻率為35Hz時，允許工作臺在垂直方
向的振幅為0. 12um;水平方向為0. 22um。對于三坐標測量機，國外一些產品通常規定激振頻
率在50H:以下.振幅不得超過Sum。當振幅超過所規定的允許值，為提高抗振性常從以下三方
面著手進行改進:
    1.提高靜剛度:合理設計構件截面形狀和尺寸.合理布置筋板或隔板可以提高靜剛度，提
高固有頻率，避免產生共振;
    2.增加阻尼:增加阻尼對提高剛度有很大作用，液體動壓或靜壓導軌、氣體靜壓導軌的阻
尼比滾動導軌的阻尼大;
    3.減輕重量:在不降低構件剛度的前提下減輕重量，可以提高固有頻率。為適當減薄壁
厚，采用鋼材焊接結構等。
    有時采取隔振措施以減小外界振源對儀器正常工作的影響。目前常用的隔振材料有:鋼彈
簧、橡膠、泡沫乳膠。此外還可以采用氣墊隔振。
    (三)穩定性
    基座與支承件的結構比較復雜，在澆鑄時由于各處冷卻速度不均，很容易產生內應力。這
種內應力是造成零件尺寸長期不穩定的主要原因。因此，對基座和支承件要進行時效處理以消
除內應力，減小變形。
    時效處理方法有兩種，即自然時效和人工時效。
    1。自然時效處理:將鑄件毛坯或粗加工后的半成品自然地放置于露天場所，經過幾個月
甚至幾年的時間，使其內部應力逐漸“松弛”，在內應力消除的過程中逐漸變形，待形狀趨于穩
定后再加工，根據經驗，自然時效時間一般為I個月至6個月，時間長短取決于基座或支承件
的尺寸大小、形狀結構，鑄造條件以及最后精度要求等一系列因素.大型儀器及精度高的構件
時效處理的時間長?！匀粫r效方法簡單，效果較好，但占地面積大，周期長，積壓資金。
    2.人工時效處理:最常應用的是熱處理法。將鑄件平整地懸擱在烘板上，以便四周受熱均
勻.根據實際情況選擇不同的溫度變化速度.如圖3-3是一實例，開始時以每小時60t溫升的
速度加熱至530-55010，保溫4-6h，然后隨滬冷卻。一般精度的儀器構件經過一次時效處理，
即可達到要求。精度較高的構件在精加工前要進行多次時效處理.
    (四)熱變形
    對于精度要求較高的機械、儀器來說，熱變形已成為造成誤差的一個重要因素.例如，當機
身的導軌面與底面有溫差時，在垂直平面內導軌面將產生中凹或中凸(圖3-4)，其最大凹凸量
‘可按下式求得:
由此可見熱變形造成的誤差是很大的。
    由于整機和各個部件尺寸、形狀、結構不同，因此到達熱平衡的時間也長短各異，構件熱膨脹
的速度與熱容量的大小有關。
    實測某萬能漸開線齒形儀的基座和支架，得出如圖3-5所示曲線。其中熱容最小的支架溫度
變化曲線2經過一段時I司便與室溫曲線3保持等距，達到平衡。熱容量大的基座溫度變化曲線】則
一直處于升溫過程.在恒溫.環境下，經過15小時后，儀器各部件尚未達到溫度平衡狀態。由北可
知，如果各部件發生各種不同的變形，熱變形沒有到達穩定狀態.}必影響儀器的精度。因此，有必要采取措施將溫度控制在一定的范圍之內。
    I.嚴格控制工作環境的溫度
    根據儀器的精度要求，對環境溫度提出不同的要求。一般的恒溫室，過濾的空氣從天花板流入
室內，從靠近地板處排出室外。當空氣經過燈源時.將把熱量從天花板附近帶下來，使室溫升高。
若將送入的空氣溫度降低到所要求的溫度之下(如低子一般恒溫20'C以下)又會造成一部分冷
空氣下沉至地板，造成上下溫度“分層”，對于較高的大型儀器，這種室內溫度分層現象對于精度的
影響是不容忽視的。較好的恒溫室應從側面或地板進氣，由上面夭花板排氣。這種方式的優點是
201C溫度的空氣直接從地板流進室內，從天花板排出，燈源的熱量也由天花板敞出。對于要求
溫度波動小的儀器(如激光測量儀)，則需要采用“室中之室”和分級控制室溫的方法.例如將
恒溫室的溫度控制在士I℃對室內儀器另加保沮罩，罩內溫度控制在士0. 15 C。國外先進的
控制環境溫度技術已達到了很高的水平，美國有的實驗室內溫度可達到20士0.00561c.
    2.控制儀器內部熱源的熱傳遞
    儀器自身的電機、照明燈等熱像的熱傳遞也需采取措施加以控制.
    (D采用冷光源(如發光二極管);
    (2)隔開熱源或將熱源分離出去;
    (3)對于不能隔開又不便分離出去的熱源，如軸承、絲杠螺母副等則需采取措施，以減少
熱的生成，
    (4)待儀器溫度平衡后再開始工作。