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1、第五章 支承系統(tǒng)設(shè)計(jì),1,5.1 支承系統(tǒng)的功用和基本要求,支承系統(tǒng)：是基礎(chǔ)部分，將其它子系統(tǒng)相互有機(jī)地聯(lián)系 起來(lái)，通過(guò)支承作用構(gòu)成總系統(tǒng)。 組成：底座、立柱、橫梁、箱體、工作臺(tái)和升降臺(tái)等,一、支承系統(tǒng)的功用,支承零、部件 保持被支承零、部件間的相互位置關(guān)系 承受各種力和力矩。,2,一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的支承件往往不只一個(gè)，它們有的相互固定聯(lián)接，有的在軌道上運(yùn)動(dòng)。,機(jī)床支承系統(tǒng),3,床 腿,床 腿,床 身,機(jī)床支承系統(tǒng),4,,立柱,,底座,轉(zhuǎn)臺(tái)支承系統(tǒng),,5,底 座,底 座,立 柱,立 柱,并聯(lián)機(jī)器人支承系統(tǒng),6,二、支承系統(tǒng)的分類,根據(jù)形狀分為以下幾類： 梁類：一個(gè)方向的尺寸比另外兩個(gè)方

2、向的尺寸大得多 的零件，如床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。 板類：一個(gè)方向的尺寸比另外兩個(gè)方向的尺寸小得多 的零件，如機(jī)床的底座、工作臺(tái)、刀架等。 箱類：三個(gè)方向的尺寸大致一樣的零件， 如機(jī)床的箱體、升降臺(tái)等。 框架類：如支架、橋架、桁架等。,7,5.1 支承系統(tǒng)的功用和基本要求,三、支承系統(tǒng)的基本要求,1、足夠的靜剛度：支承件在靜載荷作用下抵抗變形的能力稱為支承件的靜剛度。 2、較好的動(dòng)特性：機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗振動(dòng)的能力。在機(jī)床上主要包括抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力，而且不應(yīng)產(chǎn)生薄壁振動(dòng)。 3、良好的熱特性：系統(tǒng)工作時(shí)各種原因的發(fā)熱都會(huì)使支承件產(chǎn)生不均勻變形，以致破壞被支承零部件的相互

3、位置關(guān)系，降低機(jī)械系統(tǒng)的工作精度。 4、小的內(nèi)應(yīng)力：材料內(nèi)應(yīng)力如不消除，在使用過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力會(huì)重新分布和逐步消失，引起支承件變形。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要從結(jié)構(gòu)和選材上保證支承件的內(nèi)應(yīng)力最小，并在鑄造或焊接和粗加工后進(jìn)行時(shí)效處理。 5、其他：在設(shè)計(jì)支承件時(shí)，應(yīng)考慮吊運(yùn)安全方便，液壓、電器布置合理以及便于加工和裝配等。而對(duì)于機(jī)床的支承件，還要考慮便于冷卻液、潤(rùn)滑液的回收，排屑方便等。,8,5.1 支承系統(tǒng)的功用和基本要求,5.2 支承系統(tǒng)的靜剛度,一、機(jī)械系統(tǒng)的受力與變形分析,支承件的變形一般包括自身變形、局部變形和接觸變形,5.2 支承系統(tǒng)的靜剛度,一、機(jī)械系統(tǒng)的受力與變形分析,5.2 支承系統(tǒng)的靜剛

4、度,二、支承件的靜剛度,1.自身剛度-支承件抵抗自身變形的能力。拉壓與彎扭,2.局部剛度-抵抗局部載荷集中之處變形的能力。,3.接觸剛度-是平均壓強(qiáng)p與變形之比。Kj=P/,5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng),一、正確選擇支承件的截面形狀,空心截面慣性矩比實(shí)心的大 方形抗彎，圓形抗扭，矩形抗彎更好 封閉截面比非封閉截面剛度大,二、合理設(shè)置肋板和肋條,縱向隔板主要用來(lái)提高支承件的抗彎剛度 橫向隔板主要用來(lái)提高支承件的抗扭剛度 斜向隔板既可提高支承件的抗彎剛度，又可提高抗扭剛度 縱向隔板必須布置在支承件的彎曲平面內(nèi)才會(huì)顯著提高抗彎剛度 ,13,(a)直字形肋條，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。常用于窄壁和受載荷較小的

5、內(nèi)壁上。 (b)十字形肋條是呈直角交叉布置，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，但易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，廣泛用于箱形截面的支承件和平板上。 (c)三角形肋條可保證足夠的剛度，多用于矩形截面支承件的寬壁上。 (d)交叉肋條有時(shí)會(huì)與支承件壁的橫隔板結(jié)合在一起來(lái)有效地提高其剛度，常用于重要支承的寬壁和平板上。 (e)蜂窩形肋條常用于平板上。由于它在各方向能均勻地收縮，不會(huì)在肋條連接處堆積金屬，故內(nèi)應(yīng)力小。 (f)米字形肋條制造困難，鑄造時(shí)金屬堆積嚴(yán)重。 (g)井字形肋條單元壁板的抗彎剛度接近(f)的米字形肋條，但抗扭剛度是米字形肋條的1/2。,鑄造支承件一般用井字形肋條，而焊接支承件用米字形肋條。,5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事

6、項(xiàng),肋條布置在支承件的內(nèi)壁，減小局部變形，防止薄壁振動(dòng)。,三、合理開(kāi)孔和加蓋,14,不在與彎曲平面垂直的壁上開(kāi)孔，不在窄壁上開(kāi)孔，加嵌入蓋比面覆蓋好。,四、提高支承件的局部剛度 主要方式：加強(qiáng)受力集中處的剛度，如加肋條 五、提高支承件的接觸剛度 方式:配磨/研/刮增加實(shí)際接觸面積，提高接觸剛度,開(kāi)孔的目的 1）安裝機(jī)件或清砂 2）減重,降低開(kāi)孔對(duì)剛度影響的措施 1）正確選擇開(kāi)孔的尺寸和位置 2）開(kāi)孔位置翻邊 3）加嵌入蓋,5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng),5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng),六、材料的選擇和時(shí)效處理,鑄鐵：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,Q

7、T450-10,QT800-02 鋼：3,5 #,Q235,20,25,15Mn,16Mn,20Mn,15MnTi,15MnSi 輕合金：ZAlSi7Mg,ZAlSi9Mg,ZAlSi12CuMg1,ZAlZn1Si7 鋼筋混凝土 花崗巖,七、支承系統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu),沿力作用線的鉚釘排數(shù)不超過(guò)56排 接頭中鉚釘交錯(cuò)布置 多層板鉚接時(shí)，接口應(yīng)錯(cuò)開(kāi) 鉚釘桿與孔之間不留空隙 鉚釘頭附近的孔邊倒成直角或圓角 同組結(jié)構(gòu)中采用相同直徑的鉚釘 鉚釘孔遠(yuǎn)離殼壁，且鉚釘頭外露,八、結(jié)構(gòu)工藝性,5.4 支撐系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,動(dòng)態(tài)特性主要指支承件的固有頻率、振型和阻尼。 要求： 系統(tǒng)支承件的固有頻率不能與激振頻率重合或接

8、近； 具有較高的動(dòng)剛度(共振狀態(tài)下，激振力的幅值與振幅之比)和較大的阻尼； 支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振動(dòng)的幅值較小。,16,一 固有頻率和振型,單自由度系統(tǒng)只有一個(gè)固有頻率和一個(gè)振型； 二自由度系統(tǒng)有兩個(gè)振型。 模態(tài)：振型和固有頻率的合稱， 由小到大排列，用“階”表示 支承件是連續(xù)體，有無(wú)窮多階模態(tài)。,17,一階 二階 三階 四階,第一階模態(tài)：整機(jī)搖晃振動(dòng)，頻率：1530Hz 第二階模態(tài)：一次彎曲振動(dòng)，頻率：80140Hz 第三階模態(tài)：一次扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，頻率：30120Hz 第四階模態(tài)：二次扭轉(zhuǎn)振動(dòng),5.4 支撐系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,5.4 支

9、撐系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,薄壁振動(dòng)：對(duì)于某些面積較大而又較薄的壁板、罩、蓋等容易發(fā)生薄壁振動(dòng)。這類振動(dòng)的主振系統(tǒng)是薄壁，振動(dòng)的固有頻率較高，振幅不大，屬于局部振動(dòng)。對(duì)系統(tǒng)的工作質(zhì)量如機(jī)床的加工精度影響不大，但卻是噪聲源或噪聲的傳播媒介。,18,二 提高動(dòng)剛度的措施,Kd:動(dòng)剛度; ：阻尼比; K：靜剛度,降低方法:填充發(fā)泡材料,與動(dòng)剛度有關(guān)的因素： 1）靜剛度 2）阻尼,提高靜剛度的措施: 合理設(shè)計(jì)截面形狀和尺寸, 合理布置隔板和肋條 增加阻尼的辦法:保留砂芯、預(yù)加載荷、振動(dòng)能量的消耗,5.5 支承系統(tǒng)的熱特性,一、支承系統(tǒng)的熱變形 （1）內(nèi)部原因 機(jī)床工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸入的能量，不

10、論通過(guò)什么途徑，最后都變成熱。這些熱量：一部分由切屑、冷卻和潤(rùn)滑油帶走，一部分向周圍散發(fā)，一部分使工件升溫，一部分使機(jī)床升溫。 （2）外部原因 外部環(huán)境溫度變化和陽(yáng)光照射使機(jī)床升溫。,19,內(nèi)、外部熱源使機(jī)床的溫度呈現(xiàn)周期性變化。 因此，機(jī)床的熱變形不是一個(gè)定值。,二、提高支承系統(tǒng)熱特性的措施,散熱和隔熱 及時(shí)將工作時(shí)產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，則機(jī)械系統(tǒng)的溫度不會(huì)很快升高。（如：增大散熱面積/增設(shè)與氣流方向一致的散熱片/采用風(fēng)扇或制冷設(shè)備，都可加快散熱。） 將電動(dòng)機(jī)、液壓油箱、變速箱等熱源移到與機(jī)械系統(tǒng)隔離的地基上，使熱源與機(jī)床隔離。 均熱 影響機(jī)械系統(tǒng)工作質(zhì)量的不僅僅是溫升，更重要的是溫度

11、不均勻。因此，使支承件的熱變形均勻也是系統(tǒng)工作質(zhì)量的一種措施。 使熱變形對(duì)工件質(zhì)量的影響最小,20,5.5 支承系統(tǒng)的熱特性,均熱：在車床床身B處開(kāi)一個(gè)淺缺口，裝主軸箱的A處是主要熱源，C處是導(dǎo)軌。這樣可使從A處傳來(lái)的熱量分散傳至床身各處(如箭頭所示)。床身的溫度就比較均勻。,21,5.5 支承系統(tǒng)的熱特性,均熱： 圖(a)是一臺(tái)立式矩臺(tái)平面磨床，由于砂輪電動(dòng)機(jī)的熱量經(jīng)砂輪架接合面使立柱前壁的溫度高于后壁，造成立柱后傾，使磨出的工件表面與安裝基面不平行。圖(b)是在磨頭側(cè)面裝一條管子，將從電動(dòng)機(jī)出來(lái)的熱風(fēng)引向后壁，提高了后壁的溫度，使前后壁的溫差縮小，這樣，加工面的平行度大為提高。,22,5.5 支承系統(tǒng)的熱特性,5.6 機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ),塊式 柜架式 墻式 板式,23,一、基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式,二、基礎(chǔ)的設(shè)計(jì),m基基礎(chǔ)的質(zhì)量 m機(jī)機(jī)床的質(zhì)量 m件最大加工件的質(zhì)量 K系數(shù)，1.11.3，1.51.7,