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1、第5章支承系统设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望5.1 5.1 支承系统的功用和基本要求支承系统的功用和基本要求支承系统支承系统支承系统支承系统：是基础部分，将其它子系统相互有机地联系是基础部分，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。起来，通过支承作用构成总系统。组成组成组成组成：底座、立柱、横梁、箱体、工作台和升降台等：底座、立柱、横梁、箱体、工作台和升降台等一、支承系统的功用一、支承系统的功用一、支承系统的功用一、支承系统
2、的功用u支承零、部件支承零、部件u保持被支承零、部件间的相互位置关系保持被支承零、部件间的相互位置关系u承受各种力和力矩。承受各种力和力矩。2一一个个机机械械系系统统的的支支承承件件往往往往不不不不只只只只一一一一个个个个，它它们们有有的的相相互互固固定定联接，有的在轨道上运动。联接，有的在轨道上运动。机床支承系统机床支承系统3床床 腿腿床床 腿腿床床 身身机床支承系统机床支承系统4立柱立柱底座底座转台支承系统转台支承系统5 底底 座座 底底 座座立立柱柱立立柱柱并联机器人支承系统并联机器人支承系统6二、支承系统的分类二、支承系统的分类根据形状分为以下几类：根据形状分为以下几类：梁类：梁类：一
3、个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多 的零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。的零件，如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。板类：板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多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。的零件，如机床的底座、工作台、刀架等。箱类：箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件，三个方向的尺寸大致一样的零件，如机床的箱体、升降台等。如机床的箱体、升降台等。框架类：框架类：如支架、桥架、桁架等。如支架、桥架、桁架等。75.1 5.1 支承系统的功用和基本要求支承系统的功用和基本要求三、支承系统的基本要
4、求三、支承系统的基本要求三、支承系统的基本要求三、支承系统的基本要求1、足够的静刚度、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。承件的静刚度。2、较好的动特性、较好的动特性：机械系统应具有机械系统应具有抵抗振动抵抗振动抵抗振动抵抗振动的能力。在机床上主的能力。在机床上主要包括抵抗要包括抵抗强迫振动强迫振动强迫振动强迫振动和和自激振动自激振动自激振动自激振动的能力，而且不应产生的能力，而且不应产生薄壁振动薄壁振动薄壁振动薄壁振动。3、良好的热特性、良好的热特性：系统工作时各种原因的发热都会使：系统工作时各种原因的发热都会使支承件产
5、生支承件产生支承件产生支承件产生不均匀变形不均匀变形不均匀变形不均匀变形，以致破坏被支承零部件的相互位置关系，降低机械系，以致破坏被支承零部件的相互位置关系，降低机械系统的工作精度。统的工作精度。4、小的内应力、小的内应力：材料内应力如不消除，在使用过程中，：材料内应力如不消除，在使用过程中，内应力会内应力会内应力会内应力会重新分布和逐步消失重新分布和逐步消失重新分布和逐步消失重新分布和逐步消失，引起支承件变形。，引起支承件变形。因此，在设计时要从结构因此，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行时
6、效处理时效处理时效处理时效处理。5、其他、其他：在设计支承件时，应考虑在设计支承件时，应考虑吊运安全方便吊运安全方便吊运安全方便吊运安全方便，液压、电器布，液压、电器布置合理以及便于置合理以及便于加工加工加工加工和和装配装配装配装配等。而对于机床的支承件，还要考虑便等。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。于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。85.1 5.1 支承系统的功用和基本要求支承系统的功用和基本要求95.25.25.25.2 支承系统的静刚度支承系统的静刚度支承系统的静刚度支承系统的静刚度一、机械系统的受力与变形分析一、机械系统的受力与变形分析一、机械系统的
7、受力与变形分析一、机械系统的受力与变形分析 支承件的变形一般包括支承件的变形一般包括自身变形自身变形、局部变形局部变形和和接触变形接触变形105.25.25.25.2 支承系统的静刚度支承系统的静刚度支承系统的静刚度支承系统的静刚度一、机械系统的受力与变形分析一、机械系统的受力与变形分析一、机械系统的受力与变形分析一、机械系统的受力与变形分析115.25.25.25.2 支承系统的静刚度支承系统的静刚度支承系统的静刚度支承系统的静刚度二、支承件的静刚度二、支承件的静刚度二、支承件的静刚度二、支承件的静刚度1.1.1.1.自身自身自身自身刚度刚度刚度刚度-支支支支承承承承件抵抗自身变形的能力。拉
8、压与弯扭件抵抗自身变形的能力。拉压与弯扭件抵抗自身变形的能力。拉压与弯扭件抵抗自身变形的能力。拉压与弯扭2.2.2.2.局部局部局部局部刚度刚度刚度刚度-抵抗局部载荷集中之处变形的能力。抵抗局部载荷集中之处变形的能力。抵抗局部载荷集中之处变形的能力。抵抗局部载荷集中之处变形的能力。3.3.3.3.接触刚度接触刚度接触刚度接触刚度-是平均压强是平均压强是平均压强是平均压强p p p p与变形与变形与变形与变形之比。之比。之比。之比。K K K Kj j j j=P P P P/125.35.35.35.3 支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构
9、设计的注意事项一、正确选择支承件的截面形状一、正确选择支承件的截面形状一、正确选择支承件的截面形状一、正确选择支承件的截面形状u空心截面惯性矩比实心的大空心截面惯性矩比实心的大u方形抗弯，圆形抗扭，矩形抗弯更好方形抗弯，圆形抗扭，矩形抗弯更好u封闭截面比非封闭截面刚度大封闭截面比非封闭截面刚度大二、合理设置肋板和肋条二、合理设置肋板和肋条二、合理设置肋板和肋条二、合理设置肋板和肋条 纵向隔板纵向隔板纵向隔板纵向隔板主要用来提高支承件的抗弯刚度主要用来提高支承件的抗弯刚度 横向隔板横向隔板横向隔板横向隔板主要用来提高支承件的抗扭刚度主要用来提高支承件的抗扭刚度 斜斜斜斜向向向向隔隔隔隔板板板板既
10、既可可提提高高支支承承件件的的抗抗弯弯刚刚度度，又又可可提提高抗扭刚度高抗扭刚度 纵纵向向隔隔板板必必须须布布置置在在支支承承件件的的弯弯曲曲平平面面内内才才会会显著提高抗弯刚度显著提高抗弯刚度 13(a)直字形肋条直字形肋条，结构最简单。常用于窄壁和受，结构最简单。常用于窄壁和受载荷较小的内壁上。载荷较小的内壁上。(b)十字形肋条十字形肋条是呈直角交叉布置，结构也简单，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但易产生内应力，广泛用于箱形截面的支承件和平板上。平板上。(c)三角形肋条三角形肋条可保证足够的刚度，多用于矩形可保证足够的刚度，多用于矩形截面支承件的宽
11、壁上。截面支承件的宽壁上。(d)交叉肋条交叉肋条有时会与支承件壁的横隔板结合在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。壁和平板上。(e)蜂窝形肋条蜂窝形肋条常用于平板上。由于它在各方向常用于平板上。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，故能均匀地收缩，不会在肋条连接处堆积金属，故内应力小。内应力小。(f)米字形肋条米字形肋条制造困难，铸造时金属堆积严重。制造困难，铸造时金属堆积严重。(g)井字形肋条井字形肋条单元壁板的抗弯刚度接近单元壁板的抗弯刚度接近(f)的米的米字形肋条，但抗扭刚度是米字形
12、肋条的字形肋条，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。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。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。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。5.35.35.35.3 支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项肋肋条条布布置置在在支支承承件件的的内内壁壁，减减小小局部变形，防止薄壁振动。局部变形，防止薄壁振动。三、合理开孔和加盖三、合理开孔和加盖14不不在在与与弯弯曲曲平平面面垂垂直直的的壁壁上上开开孔孔，不不在
13、在窄窄壁壁上上开开孔孔，加加嵌嵌入入盖盖比比面覆盖好。面覆盖好。四、提高支承件的局部刚度四、提高支承件的局部刚度四、提高支承件的局部刚度四、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五、提高支承件的接触刚度五、提高支承件的接触刚度五、提高支承件的接触刚度 方式方式:配磨配磨/研研/刮刮增加实际接触面积，提高接触刚度增加实际接触面积，提高接触刚度开孔的目的开孔的目的1）安装机件或清砂）安装机件或清砂2）减重）减重降低开孔对刚度影响的措施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）正确选择开孔的尺寸和位置
14、2）开孔位置翻边）开孔位置翻边3）加嵌入盖）加嵌入盖5.35.35.35.3 支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项155.35.35.35.3 支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项支承系统结构设计的注意事项六、材料的选择和时效处理六、材料的选择和时效处理六、材料的选择和时效处理六、材料的选择和时效处理u铸铁：铸铁：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,QT450-10,QT800-02HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,QT450-10,Q
15、T800-02u钢：钢：3 3,5#,Q235,20,25,15Mn,16Mn,20Mn,15MnTi,15MnSi,5#,Q235,20,25,15Mn,16Mn,20Mn,15MnTi,15MnSiu轻合金：轻合金：ZAlSi7Mg,ZAlSi9Mg,ZAlSi12CuMg1,ZAlZn1Si7ZAlSi7Mg,ZAlSi9Mg,ZAlSi12CuMg1,ZAlZn1Si7u钢筋混凝土钢筋混凝土u花岗岩花岗岩七、支承系统的铆接结构七、支承系统的铆接结构七、支承系统的铆接结构七、支承系统的铆接结构沿力作用线的铆钉排数不超过沿力作用线的铆钉排数不超过5 56 6排排接头中铆钉交错布置接头中铆钉
16、交错布置多层板铆接时，接口应错开多层板铆接时，接口应错开铆钉杆与孔之间不留空隙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，且铆钉头外露铆钉孔远离壳壁，且铆钉头外露八、结构工艺性八、结构工艺性八、结构工艺性八、结构工艺性5.45.4 支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性动态特性动态特性主要指支承件的主要指支承件的固有频率、振型和阻尼固有频率、振型和阻尼。要求：要求：u系统支承件的系统支承件的固有频率不能与激振频率重合或接近固有频率不能与激振频率重合或接
17、近固有频率不能与激振频率重合或接近固有频率不能与激振频率重合或接近；u具有具有较高的动刚度较高的动刚度较高的动刚度较高的动刚度(共振状态下，激振力的幅值与振幅之比共振状态下，激振力的幅值与振幅之比)和和较大的阻尼较大的阻尼较大的阻尼较大的阻尼；u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。值较小。16一一一一 固有频率和振型固有频率和振型固有频率和振型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；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。二自由度系统有两个振型。模态：振型和固有频率的合称，模态
18、：振型和固有频率的合称，由小到大排列，用由小到大排列，用“阶阶”表示表示支承件是连续体，有无穷多阶模态。支承件是连续体，有无穷多阶模态。17一阶一阶 二阶二阶 三阶三阶 四阶四阶第一阶模态：整机摇晃振动，频率：第一阶模态：整机摇晃振动，频率：151530Hz30Hz第二阶模态：一次弯曲振动，频率：第二阶模态：一次弯曲振动，频率：8080140Hz140Hz第三阶模态：一次扭转振动，频率：第三阶模态：一次扭转振动，频率：3030120Hz120Hz第四阶模态：二次扭转振动第四阶模态：二次扭转振动5.45.4 支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性5.45.4 支
19、撑系统的动态特性支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性支撑系统的动态特性薄壁振动薄壁振动薄壁振动薄壁振动：对于某些面积较大而又较薄的壁板、罩、盖等容易发生对于某些面积较大而又较薄的壁板、罩、盖等容易发生薄壁振动。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。不大，但却是噪声源或噪声的传播媒介。18二二二二 提高动刚度的措施提高动刚度的措施提高动刚度的措施提高动刚度的措施K Kd d:动刚
20、度动刚度;：阻尼比：阻尼比;K K：静刚度：静刚度降低方法降低方法降低方法降低方法:填充发泡材料填充发泡材料填充发泡材料填充发泡材料 与动刚度有关的因素：与动刚度有关的因素：1）静刚度）静刚度 2）阻尼）阻尼 提高静刚度的措施提高静刚度的措施:合理设计截面形状和尺寸合理设计截面形状和尺寸,合理布置隔板和肋条合理布置隔板和肋条 增加阻尼的办法增加阻尼的办法:保留砂芯、预加载荷、振动能量的消耗保留砂芯、预加载荷、振动能量的消耗5.55.5 支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性一、支承系统的热变形一、支承系统的热变形一、支承系统的热变形一、支承系统的热变形（1 1）内部原
21、因）内部原因）内部原因）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：一部分由都变成热。这些热量：一部分由切屑、冷却和润滑油切屑、冷却和润滑油带走，一部带走，一部分分向周围散发向周围散发，一部分使，一部分使工件升温工件升温，一部分使，一部分使机床升温机床升温。（2 2）外部原因）外部原因）外部原因）外部原因外部环境温度变化和阳光照射使机床升温。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。内、外部热源使机床的温度呈现周期性变化。内、外部热源使机床的温度呈现周期性变化。内、外
22、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。因此，机床的热变形不是一个定值。因此，机床的热变形不是一个定值。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二、提高支承系统热特性的措施二、提高支承系统热特性的措施二、提高支承系统热特性的措施散热和隔热散热和隔热散热和隔热散热和隔热及时将工作时产生的热量扩散到周围环境中，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：增大则机械系统的温度不会很快升高。（如：增大散热面积散热面积/增设与气流方向一致的散热片增设与气流方向一致的散热片/采用采用风扇或制冷设备，都可加快散热。）风扇或制冷设备
23、，都可加快散热。）将电动机、液压油箱、变速箱等热源移到与机将电动机、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。械系统隔离的地基上，使热源与机床隔离。均热均热均热均热影响机械系统工作质量的不仅仅是温升，更重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。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小使热变形对工件质量的影响最小205.55.5 支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性均热：均热：在车床床身在车床床身B B处开一个浅
24、缺口，装主轴箱的处开一个浅缺口，装主轴箱的A A处处是主要热源，是主要热源，C C处是导轨。这样可使从处是导轨。这样可使从A A处传来的热量分处传来的热量分散传至床身各处散传至床身各处(如箭头所示如箭头所示)。床身的温度就比较均匀。床身的温度就比较均匀。215.55.5 支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性均热：均热：图图(a)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
25、行。图表面与安装基面不平行。图(b)b)是在磨头侧面装一条管子，将从电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。小，这样，加工面的平行度大为提高。225.55.5 支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性支承系统的热特性5.65.6 机械系统的基础机械系统的基础机械系统的基础机械系统的基础块式块式柜架式柜架式墙式墙式板式板式23一、基础的结构形式一、基础的结构形式一、基础的结构形式一、基础的结构形式二、基础的设计二、基础的设计二、基础的设计二、基础的设计m基基基础的质量基础的质量m机机机床的质量机床的质量m件件最大加工件的质量最大加工件的质量K系数，系数，1.11.3，1.51.7