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超精密車床運動係統結構分析

2022-3-31 來源：四（sì）川建築（zhù）職業技術學院作者：何鄭曦

0、引言

超精密車（chē）床在加工盤形零部件和圓（yuán）錐形零部件等領域具有重（chóng）要地位，在武器裝備製造中也有廣泛應用，是國家武器裝備製造（zào）領域的實力的表現[1]，在民用領域也有重（chóng）要作用。超精密車床的運動精度直接（jiē）影響（xiǎng）所加工零部（bù）件（jiàn）的加工質量，因此有必（bì）要針對超精密車床的各個（gè）運（yùn）動係統進行結構分析（xī）。

1、超精密車床整體介紹

超精（jīng）密車床的主要組成包括床身、主軸運動係統、刀具以及導軌運（yùn）動係統，由於其結構特性，在加工反射鏡等盤形零部件及圓錐（zhuī）形零件等領域具有重要應用。在進行超精密切（qiē）削加工過程中，由於主軸係統的主軸係統（tǒng）負責裝夾工件，並帶動工件高速旋轉，導軌係統帶動刀具進行沿導軌（guǐ）方向的直線進給運動[2]，主軸係統的穩定性（xìng）和回（huí）轉精度以及導軌的（de）直線度（dù）都對所加工零件的表麵質量起著重要影響，為了有效降（jiàng）低（dī）主軸係統和導軌係統之間誤（wù）差（chà）的耦合作用，因此將主（zhǔ）軸運（yùn）動係統與床身固連，這樣的（de）布局可將主（zhǔ）軸（zhóu）係統和導軌係統的穩定性分別進行考慮，降低導軌係統運動（dòng）對主軸係統精度的影響，提（tí）高加工（gōng）精度。

超（chāo）精密車床主要應用於端麵及圓（yuán）錐麵的加工，主軸係統帶動（dòng）裝夾在主軸端部（bù）的工件進行旋轉實現主（zhǔ）切削運動；背吃刀（dāo）量由刀架進（jìn）行調（diào）整；導軌係統帶動刀架上的刀具（jù）進行沿 X 方向的直線（xiàn）進給運動（dòng）；通（tōng）過上述三個運動即（jí）可（kě）實現車削加工，其中主要的運動是主軸帶動工件的主（zhǔ）切削運動和導（dǎo）軌帶動刀（dāo）具的直線（xiàn）進給運動[3]，且兩個運動的控製是相（xiàng）對獨立的，可分開考慮。

2 主軸運動係統

精（jīng）密主軸和（hé）主軸傳動係統共同組成了主軸運動係統，精密主軸作為主軸（zhóu）傳（chuán）動係統上的一個執行部件，影響主（zhǔ）軸運（yùn）動係統精度的是精密主軸的製造（zào）精度。在切削過程中，由（yóu）傳統係統提供（gòng）動（dòng）力帶動（dòng）主（zhǔ）軸上的工件轉動，實（shí）現（xiàn）主切削運動，傳動係統的控製精度直接影響到所（suǒ）加工工件的加工質量。

2.1 精密主（zhǔ）軸

主軸係統的（de）回轉精度是保證超精密機床高精（jīng）度運動的保障，一般（bān）情況下，超精密車床主軸係統的回（huí）轉精度能達到 0.001mm。主軸係統的回轉精度受支撐軸承的影響較大（dà），空氣（qì）靜壓軸承是滑動軸承當中的一種，其結構和工作原理與液體滑動軸（zhóu）承類似，不同（tóng）的是采用氣體（多為空氣）作為潤滑（huá）介質[4]。當外部壓（yā）縮氣體通過節流器進入軸承間隙，就會（huì）在間隙中形成一層具有一定承（chéng）載和剛度的潤滑（huá）氣膜，依靠該氣膜的潤滑支承作用將軸浮起在軸承中。空氣軸承（chéng）能夠實現主（zhǔ）軸與軸承之間不接觸，從（cóng）而減小摩擦磨損與生熱等因素的影響，使精密主軸（zhóu）能夠允許足夠高的轉速，同（tóng）時保證較高回轉精度。由於主軸與軸承之間有空氣間（jiān）隙，不直接接觸，因此沒有摩擦，能夠保證主軸（zhóu）係統在較長運行時間後不會因摩擦而導致精度降低，使用壽命長；在主軸係統高速運轉過程中，主軸仍然會產生熱量，由於主（zhǔ）軸與軸承之間有高（gāo）速流動的空氣，可將大部（bù）分熱量直接帶到空氣中，通（tōng）過強迫熱對（duì）流進行散（sàn）熱，因此，主軸係統在運行過程中溫升小，熱變形較小（xiǎo）；超精密（mì）切削過程中，一般（bān）背吃刀量都在微米級別，切削力較小，因此對主軸驅動電機的扭矩和功率要（yào）求不高；由於車（chē）床裝夾工件（jiàn）為懸臂（bì）式裝夾，對主軸（zhóu）的（de）剛度和承載能力（lì）要求較高，因此主軸的尺（chǐ）寸和重量較大，由於主軸的重量遠大於驅動電機轉子的重量，因此，一般情況下主軸的轉動慣量也遠大於轉子。主軸重量大的優點是能夠使主軸係統在運（yùn）行時（shí）具有較（jiào）強（qiáng）的轉動穩定性，抗（kàng）外界幹擾能力較強，缺點是在啟動和停止時所需時間（jiān）較長，特別是在主軸係統減速的過（guò）程中，由於主軸與軸承之間的摩擦力較小，減速所需製動力（lì）主要靠電機完成，因此對主軸電機的性能要求較高。

2.2 主軸傳動方式

主軸係統的動力來源於驅動（dòng）電機，驅動（dòng）電機具有調速範圍大、無級變速等特點，使主軸係統的結構有了較大的簡化。主軸動力傳遞係統根據其結構不同，可分（fèn）為電（diàn）機直驅、定比傳動以及多檔位變速傳動。

①電機直驅。電機直驅的主（zhǔ）軸係統（tǒng）是通過將主軸（zhóu）直接與電機輸出軸連接或通過聯軸器連接，這樣的傳動結構使用的傳動部件較（jiào）少，從而使主軸係（xì）統的結構得到大大簡化，且（qiě）主軸與電機直連，主軸的轉速與電機輸出（chū）的速度一致，因此可通過控（kòng）製電機輸出轉速的方式直接控製主軸轉速，控製簡單直接，與此同時，由於電機性能直接影響主軸的運動參數，因此（cǐ）對電機的性能（néng）要求較高。

②定比傳動（dòng）。定比傳動的主軸傳動結構是通過驅動電機提供動力，電機輸出軸將動力通過一個固定傳動比的（de）齒輪或帶傳動傳遞到主軸，帶動主軸（zhóu）高速轉動（dòng）。其中，由於帶傳動屬於撓性（xìng）傳動，能夠吸收傳動過程（chéng）中的振動，具有噪音小（xiǎo）、振動小（xiǎo）等優點（diǎn），但是（shì）帶傳動存在彈性滑動，使（shǐ）傳動比不恒定，且傳動能力不如齒輪傳動，因此一般常用於中小（xiǎo）型機床；齒輪傳動具有傳動比（bǐ）恒定（dìng）、傳動穩定、效率高等特點，具有較（jiào）高的承（chéng）載能力，因此在定比傳動中應用廣泛。主軸係統定（dìng）比傳動的結構，在（zài）一定程度上能夠滿足主軸功率與轉矩的要求，但由於其傳動比恒定，電機的轉速直接對主軸（zhóu）轉速具有決定性（xìng）作用。

③多檔位變速傳動。多（duō）檔位變速（sù）傳動結構是指在電機輸出軸與主軸之間通過多級（jí）變速器連接，能夠實現變（biàn）速調節，在電機轉速一定的情況下，可通過（guò）傳（chuán）動比的調整從而改變（biàn）主軸的轉速，解決（jué）了主軸電動機的功率特性與機床主軸功率特性難以匹（pǐ）配的問題。目前已有的驅（qū）動電（diàn）機一般可實現無級變速，本身的變速範圍為 1 比 100 至 1000，配合變速機構基本（běn）能夠滿足目（mù）前大部分（fèn）主軸的功率及轉矩要求，若變速機構的級（jí）數太高會（huì）導致變速機構尺寸和重量大、結構（gòu）複雜，因此級數不宜太高，一般取 2 級變速傳動較為合（hé）適。

3、導軌運動係統

超精密車床導（dǎo）軌運動係統是（shì）帶動刀具（jù）進行進給運動的重要（yào）運動方式，一般為沿 X 方向的直線運動，其運動精（jīng）度和穩定性對所加工零件的表麵質量具有決定性作用，導軌運動係統主要由導軌和傳動係統組成。

3.1 精（jīng）密導軌

目前，超精密機床中的導軌多為液體（tǐ）靜壓導軌和空氣靜壓導軌[5]，在車削過程中（zhōng），液壓源的油泵為液態靜壓導軌供油，油泵的振動會傳遞到機床床身，這將導（dǎo）致超精密車床運動係統發生振動。振動導致刀尖點相對於工件發生相對偏移，在工件表麵上產生不規則劃（huá）痕，影響工（gōng）件的表麵質量。當使用空氣靜壓導軌時，由於所提供的空氣壓力（lì）較為穩（wěn）定，床身振動減小，加工工件的（de）表麵質量顯著提高。空氣靜壓導（dǎo）軌精度（dù）高、發熱小、使用壽命長，是超精密車床（chuáng）導軌係統的理想構件，能夠滿足超精密車床的使用要求。因（yīn）此，超精（jīng）密車床導軌運動係統通（tōng）常使用空氣靜壓導軌。由於所（suǒ）需切削力較小，因此驅動電機的功率要求不高，導軌總體運動較平穩（wěn）。在導軌係統（tǒng）中沒有位置傳感器，為了實現導軌（guǐ）的精確控製，采用半閉環伺服係統控製，伺服電（diàn）機（jī）的轉動情況是通過電機軸端的光電（diàn）編碼器進行檢（jiǎn）測[6]，從而反映出導軌的運動速（sù）度和位置，該半閉環伺服控製係統不包（bāo）含滾珠絲杠的（de）控製，滾珠絲杠的運（yùn）動（dòng）精度有其製（zhì）造

精度和安裝精度決定（dìng）[7]。

3.2 導軌進給（gěi）驅動方（fāng）式

“伺服電機+滾珠絲杠副”、“伺服電機+摩擦傳動”和“直線（xiàn）電機直接驅動”三種導軌進給驅動（dòng）的方（fāng）式（shì）是目前超精密機床導軌係統最（zuì）為常用的驅動方式，他們各有優劣，可根據實際需（xū）求進行（háng）選取。

①伺服電機+滾珠（zhū）絲杠副。“伺服（fú）電機+滾珠絲杠副”驅動結構是在超精密車床上使用（yòng）最為（wéi）廣泛的導軌驅動方（fāng）式（shì），滾珠絲杠能（néng）將電機（jī）的旋轉運動轉換為直線運動，使用滾（gǔn）珠絲杠實現（xiàn）直線運動具（jù）有較長的曆史（shǐ），經過（guò）技術（shù）的（de）不斷更行和優化，滾珠絲杠技術越來越成熟，成本低廉、應用廣泛，特別適用於（yú）載荷強度（dù）不高、進給速度低、行（háng）程小的超精（jīng）密機床。但是，比如安裝誤差、絲杠受重力發生彎曲（qǔ）等因素（sù）都會影響滾珠絲杠運動精（jīng）度，從而影響導軌的運動精度。因此導軌係統對滾珠絲杠的製（zhì）造精度及其剛度具有較高要求。

②“伺服電機+摩擦傳動”。由於摩擦驅動的傳動方式能夠保證導軌運動係統的傳動平穩性，因此“伺服（fú）電機+摩擦傳動”也被廣泛應用於導軌驅動（dòng）。使（shǐ）用摩擦（cā）傳動具有（yǒu）傳動穩定性好（hǎo）、沒有反向間隙等（děng）優點，因此（cǐ）在一些轉速要求較高同時要求沒有反向間隙的超精密車床上應用廣泛。由於其運動通（tōng）過摩擦進行驅動，因此隻適用於輕載的情況，在重載的情況下仍使用滾珠絲杠進（jìn）行傳動。

③直線電機直（zhí）接驅動。隨著超精密車床的加工高速化要求變化，直線電機（jī）直驅的驅動方式作為一種新型（xíng）的進給驅動方式應運（yùn）而生，與上述兩種傳動方式相比，直線電機直驅的傳動方式是通（tōng）過電機直接驅動導軌實現直線（xiàn）運動，沒有中間的傳動（dòng）機構，傳動部件（jiàn）少，結構簡單，具有傳動剛度高、運動（dòng）平穩、重複定位精度高等特點。但（dàn）是導軌係統（tǒng）對直線電機（jī）的要（yào）求（qiú）較高，控製係統（tǒng）較為複雜，價格昂（áng）貴，同時需要考慮防護、自鎖等安全問題。直線電機直驅的傳動方式主要應用於定（dìng）位運動多、進給速度高（gāo）且加（jiā）速頻繁的場合。

4、總結

針對超精密車床運動係統結構複雜的問題，針對主軸係統及導軌運動係統（tǒng），分別進（jìn）行了傳動原理分析，講述（shù）了各（gè）類傳動結構的優缺（quē）點及其適用場合，分析了主（zhǔ）軸運動係統及導軌運動係統的不同結構設計對超精密車床控（kòng）製係統的影響。為超精密車床運動的高精度控製提供了理論支撐。

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