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五軸超精密加工機床底座設計技術研究

2024-4-9 來源：航空工業（yè）北京航空精密（mì）機械研究所作者：張彬

【摘要】: 機床底座是超精密加工機床（chuáng）的基（jī）礎，其穩定性、精度保持（chí）性對超精密加工機（jī）床的精度指標有較大影響（xiǎng）。本文介（jiè）紹了目前國內（nèi）外（wài）超精密加工機床典型的底座結構，利用有限元工具分析設計（jì）了五軸超精密加工機床底座，經檢測，該機床底座的實際精度滿足指標要（yào）求。

【關鍵詞】: 超精密加工 ; 機（jī）床 ; 有限元分析

1. 序言

超精密加工技（jì）術代表著製造業的最前沿和發展方向，超精密加工技術（shù）的發展（zhǎn）直接影響到一個國（guó）家（jiā）尖端先進技術和國防工業的發展，因（yīn）此，世界各國（guó）對超精密加工技術都非常重視，投入非常大的人（rén）力物力進行研究開發。隨著航空航天、高精密（mì）儀（yí）器、光（guāng）學和激光等技術的迅速（sù）發展和在多個領域的（de）廣泛應用，對各種高精度複雜零件、光學零件等超精密表麵的加工需求日益迫切，因此，超精（jīng）密加工設備成為新的開發熱點，目前，國（guó）外已開發了多種超精密車削、磨削、拋光等機床設備，並逐漸與新技（jì）術相融合，發展了（le）新（xīn）的超精密加工設備。

最近幾年，我（wǒ）國的機床設備製造業發展很快，成為世界機床（chuáng）最大消費國和第一大進口國（guó），在精密機床（chuáng）設備（bèi）研發、製造方麵取得了很大的進展，但在超精密機床設（shè）備領域仍和國外有（yǒu）較大差距。由於國外對我（wǒ）們封鎖禁運一些重要的超精密、高精度機床設備和儀器，而這些超精密、高精度的設備儀器正是國防和尖端先進（jìn）技術發展所迫切需要的，我們必須投入必要的人（rén）力物力，自主開發超精密、高精度的（de）設備，使我國的國防和科技發展不會受製於人。我所多年來一直從事超精密加（jiā）工機床的研（yán）究工作，最新研製的五軸（zhóu）超（chāo）精密五軸加工機床如圖 1 所示，該機床的主（zhǔ）要結構（gòu）特點如下 :

1. 底座（zuò）支架 2. 隔振氣墊 3. 花崗石底座 4. X 軸（zhóu）導軌 5. Z 軸導軌 6. Y 軸垂直導軌 7. 工件 C 軸 8. B 軸（zhóu）

圖 1 五軸超精密加工機床總體結構圖（tú）

① 利用花崗石底座支撐，采用T型布（bù）局方式，X、Z 采用液體靜（jìng）壓導軌直線電機（jī）驅動，互相垂直布置。

② 垂（chuí）直 Y 軸導（dǎo）軌采用液體（tǐ）靜壓導軌直線（xiàn）電（diàn）機驅（qū）動，以及基（jī）於氣體靜（jìng）壓技術的卸荷氣缸，Y軸（zhóu）導軌布置在 X 導軌上。

③ 工件主軸 C 軸采用（yòng）氣體靜壓軸承，無框力矩電機直接（jiē）驅動，采用圓光柵（shān）反饋控製，同時具備工件主軸（zhóu）和位置伺服軸的功能，C 軸布置在Y 拖板中間。

④ B 軸采（cǎi）用液體靜壓軸承，無框力矩電機直接驅動，采用圓光柵反饋控製，具備位置伺服控製功能，Y 軸布（bù）置在 Z 軸導軌之上。

⑤ 高（gāo）速銑頭、刀架、工件位置檢（jiǎn）測係統等（děng）布置在 B 軸之上。

⑥ 刀具位置非接觸檢測裝置、動平衡（héng）係統布置在 C 軸之上。

2. 超精密加工機床底座設計（jì）

機床底座是整個超精密加（jiā）工機床的基（jī）礎，其穩定性、精度保持性等對整個超精密加工機床的精度指標有非常大的影響。天然花崗（gǎng）石材料由於良好的吸震性、穩定性等性能，是超精密加工機床首選的底座材料。根據現有國外機床和國內自研機床的相關資料，機床底座部件設計有兩種結構可以考慮 :

一是 4 個支點在花崗石底座外麵，如圖 2 所示。這種結構的優（yōu）點是支撐點與（yǔ）導軌麵及整體質心位置靠近，有（yǒu）利於機床（chuáng）整體性能的提高，但占地麵積較大，而且機床外罩的設計相對較難，一般來說大型超精密加工設備都采用（yòng）此類結構。

圖 2 超精密機（jī）床（chuáng）床身結構 I

二是 4 個支點在（zài）花崗石下方，如圖（tú） 3 所示。這（zhè）種結構的優缺點（diǎn）正（zhèng）好與第一方案相反，結（jié）構相對（duì）緊湊，但是支點離整體（tǐ）質心位置相距較遠，國外一般中小型超精密機（jī）床采用此類結構。同時針對此類結構的（de）不足，也采取了（le）相應的改進措施。如（rú）美國 Moore 公司的設備在床身底部加了降低機床重心用的鑄鐵底座。

圖 3 超精（jīng）密機床床身結構 II

為（wéi）此，本機床設計時（shí）可（kě）以采用如圖（tú） 4 的機床底（dǐ）座設（shè）計結構，花崗石底座不是一塊長方體的平板，而是（shì）在下麵多了重約 1.8t 的一（yī）體花崗（gǎng）石，同樣起到了降低機床重心的（de）作用，這樣就降低了整機（jī）重心與隔振支撐點的距離（lí），有利於機床動態特性的提高。

圖 4 機床底座及隔振（zhèn）係統設計

具（jù）體實施方法如下 :

在（zài）2000mm×1400mm×500mm見方的花崗石（shí） 4 個角及四邊去除石料。其中（zhōng） 4 個角用於安（ān）放隔振氣墊，隔振氣墊安放（fàng）在用（yòng）型（xíng）鋼連接而成的底座支架上，床身支架的左右側麵（miàn）及後麵可以加掛類似（sì）氣控櫃、電控（kòng）過渡（dù）櫃等櫃體，如圖 5 所示，但是種結（jié）構（gòu）由於采用的花崗石較厚，會增大整個機床底座的（de）成本，同時由於其實（shí）心結構，一定程度上會影響整台機床的布局（jú）。

圖 5 加配重塊的機床底座設計

因此（cǐ），在上述方案（àn）的基礎上考慮采用配重塊（加鉛丸（或鉛塊（kuài）））的（de）方法降低機床底座的重心（xīn），如（rú）圖 5 所示，這種布置方式的優勢（shì）是（shì）降低了花崗石底座平台的（de）厚度（dù），從而（ér）可以降低機床底座的成本，同時機床底座下方（fāng）可以騰出空間，便於機床（chuáng）整體布（bù）局，因（yīn）此（cǐ）在機床設計時擬采（cǎi）用這種底座結構方式（shì）。但是這種（zhǒng）方式帶來的缺點是由於減小了花崗石（shí）平台的厚度，加之加上了配重負載，同時由於機（jī）床（chuáng）導軌等部件增（zēng）加的負載，可能會極大地增加花崗石（shí）底座的變量，因此需要對底座支點的位（wèi）置及配重塊的布置（zhì）位置進行優（yōu）化設計，盡量減小底座的變形，下麵利用（yòng）有限元（yuán）工具對設計的機床底座進行分析設計（jì），得到滿足要求的機床底座（zuò）。

3. 機床底座分析

3.1 靜態結構（gòu）分（fèn）析

機床底座分析模型如圖 6 所示，為簡化分析，利用質量（liàng）單元模（mó）擬 X/Z 軸，Y 軸、B 軸及 C 軸等進行分析，施加標準重力載（zǎi）荷，按照底部四點支撐進行約束分析邊界條件（jiàn），花（huā）崗石底座（zuò）變形分析結果如圖 7 所（suǒ）示（shì），最大變形為 0.13mm，最小變形 0.07mm，得（dé）到位移差 0.06mm 為花崗石底座的淨變形（xíng）。

圖 6 機床床身部件分析模型

圖 7 花崗石底（dǐ）座分析（xī）結果

選取 X/Z 導軌（guǐ）所處位置兩條（tiáo）路徑，查看位移結果（guǒ）如（rú）圖 8 所示，由路（lù）徑結果有，Z 軸導軌處路（lù）徑淨變形差值 0.045mm，X 軸導軌處路徑淨變形差值為 0.013mm。這兩個變形（xíng）結果包含花崗石底座（zuò）自重（chóng）變形結果與加載 ( 含 X/Z,Y 軸等重量 )

綜（zōng）合結果。

圖 8 X/Z 軸導軌所在處路徑結（jié）果

花崗石底座如此大的（de）變形無法（fǎ）滿足機床的要求，為減小底座變（biàn）形對導軌（guǐ）精度（dù）的影（yǐng）響，擬采用更改配重布局及支撐點位置的方案來減小變形，將原有的 2 個配重更改為 4 個配重，並將每 2 個配重布置在支點的兩側，同時減小原長度方向的兩個支點之（zhī）間的跨距（jù），經多次（cì）優化後設計（jì）的機床（chuáng）底座的（de）分析數（shù）模如圖 9 所示。

圖 9 優化後機床底座模（mó）型

整體變形分（fèn）析結果如圖（tú） 10(a) 所示，最大變形發生在支（zhī）架橫梁處 0.1mm; 由於實際工作（zuò）時，精（jīng）度主要體現在花崗石（shí）底座上平（píng）麵上，去掉花崗（gǎng）石底座的底部支架後，花崗石底（dǐ）座（zuò）變形（xíng）分析結（jié）果如圖 10(b) 所示，最大變形為（wéi） 4μm（消除了底座支架的影響結果），可以滿足機床設計指標需要，因此（cǐ）機床底座擬采用花崗石底座 +4 個配重塊的設計方案。

圖 10 優化後整體變形結果

同樣選取 X/Z 導軌所處位置兩條路徑，查看位移結果如圖 11 所（suǒ）示，由（yóu）路徑結果有，Z 軸導軌處（chù）路徑（jìng）淨（jìng）變形差值 0.001mm，X 軸導軌處路徑淨變（biàn）形差值為 0.0018mm，完全能（néng）夠滿（mǎn）足設計要求。

圖 11 X/Z 導軌所在處路徑結果

由於底座自重（chóng）及（jí）負載重量作用，底座平麵會發生變形，為消除此變形對平麵度精（jīng）度的影響，因（yīn）此，根據分析結果，擬在後續加工（gōng）時，要采取以下措施盡可能消重力變形趨勢的影響，提高各軸導軌（guǐ）的直線精度。

措施 1: 花崗石底座加工時采用與實際相同位（wèi）置處支撐點支（zhī）撐後，再進行精加工 ;措施 2: 將花崗石底座（zuò）研磨（mó）加工成中間鼓出來（lái）約 2~3μm 左右，注意同時（shí）保證 X/Z 軸導軌固定（dìng）處的直線度 ;措施（shī） 3: 將（jiāng） X/Z 軸導軌底座固定到花崗石底座上後，再進行導軌底座的精加工（gōng）。

3.2 隔（gé）振係統設計

綜合國（guó）內外相關產品的性能及價格，機床底（dǐ）座（zuò）的隔振係統擬（nǐ）采用德國 BILZ 公司的 BiAir 係列隔振氣墊、以及配套的電 / 氣定位控製係統EPPC，如圖 12 所示（shì）。

圖 12 Bilz 隔振係統

根（gēn）據機（jī）床總體設計的模型，計算出機床需要隔離振動的機床重量分配表如表 1 所示，機床總重共計 6907Kg，本機床底座擬采用 4 個氣墊（diàn）支撐、三點調平方式，折算到（dào）每個氣墊上的載荷為1726.75kg。

表 1 機床重量分配表

根據上述計算結果，選取（qǔ）的隔振氣墊型號為BiAirED/-2.5，性能指標如下 :單個氣（qì）墊承載 :1967kg（氣體壓力（lì） @4bar）、隔振頻率 2.5/2.8Hz，調平精度（dù） ±0.01mm。

4. 機床底座精度檢測

根據上述分析設計的超精密機床底座，花崗石（shí）底座采用四點支撐進行現場研磨加工，加工後其精度測試結果如圖 13 所示，平（píng）麵度 4.3μm，精度指標滿足設計的要求，同時加工成為中間（jiān）略鼓的形狀，有利用在安裝各個運動軸後，保持整體的平麵度（dù）精度，在（zài）此底座上安裝（zhuāng） X/Z 軸底座後，精度保持良好（hǎo）。

圖（tú） 13 機床底座精度檢測結果（guǒ） 4.3μm( 圖（tú）紙要求 5μm)

5. 結論

超精密（mì）加工機床底座設計，借鑒了之（zhī）前較為成熟的（de）技術，並最終（zhōng）采用了花崗石底座（zuò） +4 個配（pèi）重塊設計，設計過程中采用了有限元計（jì）算及（jí）仿真，成（chéng）了機床（chuáng）底座設計（jì），根據（jù）實際的機（jī）床底座的檢測結果，設計方案（àn）完全可以滿足整（zhěng）台機床的指標要求。

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