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1、第五章 支承系統(tǒng)設(shè)計,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)相互有機地聯(lián)系 起來，通過支承作用構(gòu)成總系統(tǒng)。 組成：底座、立柱、橫梁、箱體、工作臺和升降臺等,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。,2,一個機械系統(tǒng)的支承件往往不只一個，它們有的相互固定聯(lián)接，有的在軌道上運動。,機床支承系統(tǒng),3,床 腿,床 腿,床 身,機床支承系統(tǒng),4,立柱,底座,轉(zhuǎn)臺支承系統(tǒng),5,底 座,底 座,立 柱,立 柱,并聯(lián)機器人支承系統(tǒng),6,二、支承系統(tǒng)的分類,根據(jù)形狀分為以下幾類： 梁類：一個方向的尺寸比另外兩個方向的尺寸大得多 的

2、零件，如床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。 板類：一個方向的尺寸比另外兩個方向的尺寸小得多 的零件，如機床的底座、工作臺、刀架等。 箱類：三個方向的尺寸大致一樣的零件， 如機床的箱體、升降臺等。 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、較好的動特性：機械系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗振動的能力。在機床上主要包括抵抗強迫振動和自激振動的能力，而且不應(yīng)產(chǎn)生薄壁振動。 3、良好的熱特性：系統(tǒng)工作時各種原因的發(fā)熱都會使支承件產(chǎn)生不均勻變形，以致破壞被支承零部件的相互位置關(guān)系，降低機械系統(tǒng)的

3、工作精度。 4、小的內(nèi)應(yīng)力：材料內(nèi)應(yīng)力如不消除，在使用過程中，內(nèi)應(yīng)力會重新分布和逐步消失，引起支承件變形。因此，在設(shè)計時要從結(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)行時效處理。 5、其他：在設(shè)計支承件時，應(yīng)考慮吊運安全方便，液壓、電器布置合理以及便于加工和裝配等。而對于機床的支承件，還要考慮便于冷卻液、潤滑液的回收，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、機械系統(tǒng)的受力與變形分析,5.2 支承系統(tǒng)的靜剛度,二、支承件的靜剛度,

4、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p與變形之比。Kj=P/,5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項,一、正確選擇支承件的截面形狀,空心截面慣性矩比實心的大 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,縱向隔板主要用來提高支承件的抗彎剛度 橫向隔板主要用來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)才會顯著提高抗彎剛度 ,13,(a)直字形肋條，結(jié)構(gòu)最簡單。常用于窄壁和受載荷較小的內(nèi)壁上。 (b)十字形肋

5、條是呈直角交叉布置，結(jié)構(gòu)也簡單，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)交叉肋條有時會與支承件壁的橫隔板結(jié)合在一起來有效地提高其剛度，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)計的注意事項,肋條布置在支承件的內(nèi)

6、壁，減小局部變形，防止薄壁振動。,三、合理開孔和加蓋,14,不在與彎曲平面垂直的壁上開孔，不在窄壁上開孔，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/刮增加實際接觸面積，提高接觸剛度,開孔的目的 1）安裝機件或清砂 2）減重,降低開孔對剛度影響的措施 1）正確選擇開孔的尺寸和位置 2）開孔位置翻邊 3）加嵌入蓋,5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項,5.3 支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項,六、材料的選擇和時效處理,鑄鐵：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,QT450-10,QT800-02

7、 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56排 接頭中鉚釘交錯布置 多層板鉚接時，接口應(yīng)錯開 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)的動態(tài)特性,動態(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近； 具有較高的動剛度(共振狀態(tài)

8、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)只有一個固有頻率和一個振型； 二自由度系統(tǒng)有兩個振型。 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，有無窮多階模態(tài)。,17,一階 二階 三階 四階,第一階模態(tài)：整機搖晃振動，頻率：1530Hz 第二階模態(tài)：一次彎曲振動，頻率：80140Hz 第三階模態(tài)：一次扭轉(zhuǎn)振動，頻率：30120Hz 第四階模態(tài)：二次扭轉(zhuǎn)振動,5.4 支撐系統(tǒng)的動態(tài)特性,5.4 支撐系統(tǒng)的動態(tài)特性,薄壁振動：對于某些面積較大而又較薄的壁板、罩、蓋等容

9、易發(fā)生薄壁振動。這類振動的主振系統(tǒng)是薄壁，振動的固有頻率較高，振幅不大，屬于局部振動。對系統(tǒng)的工作質(zhì)量如機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 提高動剛度的措施,Kd:動剛度; ：阻尼比; K：靜剛度,降低方法:填充發(fā)泡材料,與動剛度有關(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 機床工作時，電動機輸入的能量，不論通過什么途徑，最后都變成熱。這些熱量：一部分由切屑、冷卻和潤滑油帶走，一部分向周圍散發(fā)，

10、一部分使工件升溫，一部分使機床升溫。 （2）外部原因 外部環(huán)境溫度變化和陽光照射使機床升溫。,19,內(nèi)、外部熱源使機床的溫度呈現(xiàn)周期性變化。 因此，機床的熱變形不是一個定值。,二、提高支承系統(tǒng)熱特性的措施,散熱和隔熱 及時將工作時產(chǎn)生的熱量擴散到周圍環(huán)境中，則機械系統(tǒng)的溫度不會很快升高。（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。） 將電動機、液壓油箱、變速箱等熱源移到與機械系統(tǒng)隔離的地基上，使熱源與機床隔離。 均熱 影響機械系統(tǒng)工作質(zhì)量的不僅僅是溫升，更重要的是溫度不均勻。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。 使熱變形對工件質(zhì)量的影響最

11、小,20,5.5 支承系統(tǒng)的熱特性,均熱：在車床床身B處開一個淺缺口，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)是一臺立式矩臺平面磨床，由于砂輪電動機的熱量經(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，將從電動機出來的熱風(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,m基基礎(chǔ)的質(zhì)量 m機機床的質(zhì)量 m件最大加工件的質(zhì)量 K系數(shù)，1.11.3，1.51.7,