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1、第五章 支承系统设计,1,5.1 支承系统的功用和基本要求,支承系统：是基础部分，将其它子系统相互有机地联系 起来，通过支承作用构成总系统。 组成：底座、立柱、横梁、箱体、工作台和升降台等,一、支承系统的功用,支承零、部件 保持被支承零、部件间的相互位置关系 承受各种力和力矩。,2,一个机械系统的支承件往往不只一个，它们有的相互固定联接，有的在轨道上运动。,机床支承系统,3,床 腿,床 腿,床 身,机床支承系统,4,立柱,底座,转台支承系统,5,底 座,底 座,立 柱,立 柱,并联机器人支承系统,6,二、支承系统的分类,根据形状分为以下几类： 梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多 的
2、零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。 板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多 的零件，如机床的底座、工作台、刀架等。 箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件， 如机床的箱体、升降台等。 框架类：如支架、桥架、桁架等。,7,5.1 支承系统的功用和基本要求,三、支承系统的基本要求,1、足够的静刚度：支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支承件的静刚度。 2、较好的动特性：机械系统应具有抵抗振动的能力。在机床上主要包括抵抗强迫振动和自激振动的能力，而且不应产生薄壁振动。 3、良好的热特性：系统工作时各种原因的发热都会使支承件产生不均匀变形，以致破坏被支承零部件的相互位置关系，降低机械系统的
3、工作精度。 4、小的内应力：材料内应力如不消除，在使用过程中，内应力会重新分布和逐步消失，引起支承件变形。因此，在设计时要从结构和选材上保证支承件的内应力最小，并在铸造或焊接和粗加工后进行时效处理。 5、其他：在设计支承件时，应考虑吊运安全方便，液压、电器布置合理以及便于加工和装配等。而对于机床的支承件，还要考虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。,8,5.1 支承系统的功用和基本要求,5.2 支承系统的静刚度,一、机械系统的受力与变形分析,支承件的变形一般包括自身变形、局部变形和接触变形,5.2 支承系统的静刚度,一、机械系统的受力与变形分析,5.2 支承系统的静刚度,二、支承件的静刚度,
4、1.自身刚度-支承件抵抗自身变形的能力。拉压与弯扭,2.局部刚度-抵抗局部载荷集中之处变形的能力。,3.接触刚度-是平均压强p与变形之比。Kj=P/,5.3 支承系统结构设计的注意事项,一、正确选择支承件的截面形状,空心截面惯性矩比实心的大 方形抗弯，圆形抗扭，矩形抗弯更好 封闭截面比非封闭截面刚度大,二、合理设置肋板和肋条,纵向隔板主要用来提高支承件的抗弯刚度 横向隔板主要用来提高支承件的抗扭刚度 斜向隔板既可提高支承件的抗弯刚度，又可提高抗扭刚度 纵向隔板必须布置在支承件的弯曲平面内才会显著提高抗弯刚度 ,13,(a)直字形肋条，结构最简单。常用于窄壁和受载荷较小的内壁上。 (b)十字形肋
5、条是呈直角交叉布置，结构也简单，但易产生内应力，广泛用于箱形截面的支承件和平板上。 (c)三角形肋条可保证足够的刚度，多用于矩形截面支承件的宽壁上。 (d)交叉肋条有时会与支承件壁的横隔板结合在一起来有效地提高其刚度，常用于重要支承的宽壁和平板上。 (e)蜂窝形肋条常用于平板上。由于它在各方向能均匀地收缩，不会在肋条连接处堆积金属，故内应力小。 (f)米字形肋条制造困难，铸造时金属堆积严重。 (g)井字形肋条单元壁板的抗弯刚度接近(f)的米字形肋条，但抗扭刚度是米字形肋条的1/2。,铸造支承件一般用井字形肋条，而焊接支承件用米字形肋条。,5.3 支承系统结构设计的注意事项,肋条布置在支承件的内
6、壁，减小局部变形，防止薄壁振动。,三、合理开孔和加盖,14,不在与弯曲平面垂直的壁上开孔，不在窄壁上开孔，加嵌入盖比面覆盖好。,四、提高支承件的局部刚度 主要方式：加强受力集中处的刚度，如加肋条 五、提高支承件的接触刚度 方式:配磨/研/刮增加实际接触面积，提高接触刚度,开孔的目的 1）安装机件或清砂 2）减重,降低开孔对刚度影响的措施 1）正确选择开孔的尺寸和位置 2）开孔位置翻边 3）加嵌入盖,5.3 支承系统结构设计的注意事项,5.3 支承系统结构设计的注意事项,六、材料的选择和时效处理,铸铁：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,QT450-10,QT800-02
7、 钢：3,5 #,Q235,20,25,15Mn,16Mn,20Mn,15MnTi,15MnSi 轻合金：ZAlSi7Mg,ZAlSi9Mg,ZAlSi12CuMg1,ZAlZn1Si7 钢筋混凝土 花岗岩,七、支承系统的铆接结构,沿力作用线的铆钉排数不超过56排 接头中铆钉交错布置 多层板铆接时，接口应错开 铆钉杆与孔之间不留空隙 铆钉头附近的孔边倒成直角或圆角 同组结构中采用相同直径的铆钉 铆钉孔远离壳壁，且铆钉头外露,八、结构工艺性,5.4 支撑系统的动态特性,动态特性主要指支承件的固有频率、振型和阻尼。 要求： 系统支承件的固有频率不能与激振频率重合或接近； 具有较高的动刚度(共振状态
8、下，激振力的幅值与振幅之比)和较大的阻尼； 支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值较小。,16,一 固有频率和振型,单自由度系统只有一个固有频率和一个振型； 二自由度系统有两个振型。 模态：振型和固有频率的合称， 由小到大排列，用“阶”表示 支承件是连续体，有无穷多阶模态。,17,一阶 二阶 三阶 四阶,第一阶模态：整机摇晃振动，频率：1530Hz 第二阶模态：一次弯曲振动，频率：80140Hz 第三阶模态：一次扭转振动，频率：30120Hz 第四阶模态：二次扭转振动,5.4 支撑系统的动态特性,5.4 支撑系统的动态特性,薄壁振动：对于某些面积较大而又较薄的壁板、罩、盖等容
9、易发生薄壁振动。这类振动的主振系统是薄壁，振动的固有频率较高，振幅不大，属于局部振动。对系统的工作质量如机床的加工精度影响不大，但却是噪声源或噪声的传播媒介。,18,二 提高动刚度的措施,Kd:动刚度; ：阻尼比; K：静刚度,降低方法:填充发泡材料,与动刚度有关的因素： 1）静刚度 2）阻尼,提高静刚度的措施: 合理设计截面形状和尺寸, 合理布置隔板和肋条 增加阻尼的办法:保留砂芯、预加载荷、振动能量的消耗,5.5 支承系统的热特性,一、支承系统的热变形 （1）内部原因 机床工作时，电动机输入的能量，不论通过什么途径，最后都变成热。这些热量：一部分由切屑、冷却和润滑油带走，一部分向周围散发，
10、一部分使工件升温，一部分使机床升温。 （2）外部原因 外部环境温度变化和阳光照射使机床升温。,19,内、外部热源使机床的温度呈现周期性变化。 因此，机床的热变形不是一个定值。,二、提高支承系统热特性的措施,散热和隔热 及时将工作时产生的热量扩散到周围环境中，则机械系统的温度不会很快升高。（如：增大散热面积/增设与气流方向一致的散热片/采用风扇或制冷设备，都可加快散热。） 将电动机、液压油箱、变速箱等热源移到与机械系统隔离的地基上，使热源与机床隔离。 均热 影响机械系统工作质量的不仅仅是温升，更重要的是温度不均匀。因此，使支承件的热变形均匀也是系统工作质量的一种措施。 使热变形对工件质量的影响最
11、小,20,5.5 支承系统的热特性,均热：在车床床身B处开一个浅缺口，装主轴箱的A处是主要热源，C处是导轨。这样可使从A处传来的热量分散传至床身各处(如箭头所示)。床身的温度就比较均匀。,21,5.5 支承系统的热特性,均热： 图(a)是一台立式矩台平面磨床，由于砂轮电动机的热量经砂轮架接合面使立柱前壁的温度高于后壁，造成立柱后倾，使磨出的工件表面与安装基面不平行。图(b)是在磨头侧面装一条管子，将从电动机出来的热风引向后壁，提高了后壁的温度，使前后壁的温差缩小，这样，加工面的平行度大为提高。,22,5.5 支承系统的热特性,5.6 机械系统的基础,块式 柜架式 墙式 板式,23,一、基础的结构形式,二、基础的设计,m基基础的质量 m机机床的质量 m件最大加工件的质量 K系数，1.11.3，1.51.7,