有關(guān)精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

趙星

【摘要】精密加工機(jī)床的設(shè)計(jì)目前尚無一套成熟的設(shè)計(jì)方法，本文基于現(xiàn)有數(shù)控車床的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)一種簡單經(jīng)濟(jì)適用的精密加工機(jī)床。通過闡述精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)概括，進(jìn)行精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析，達(dá)到具有提高加工精度、提高生產(chǎn)率、節(jié)省地面、降低成本的效果。

【關(guān)鍵詞】超精密；加工機(jī)床；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機(jī)床其合理性和優(yōu)越性變得尤為重要。普通加工機(jī)床很難滿足國內(nèi)汽車、航空航天行業(yè)的發(fā)展需求，需要在已有經(jīng)驗(yàn)和使用情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行超精密機(jī)床的設(shè)計(jì)。復(fù)合加工技術(shù)受到更多的青睞，通過參考國內(nèi)外一些資料研究超精密設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)精密數(shù)控技術(shù)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度闡述了超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)采取的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種簡單經(jīng)濟(jì)適用的超精密機(jī)床來滿足市場需求。

一.超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)概括

超精密機(jī)床屬于復(fù)合機(jī)床的一類，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本思想越來越受到人們的重視。需要滿足一次裝夾完成車削加工和內(nèi)、外圓的磨削加工，因此結(jié)構(gòu)上需要盡可能地提高剛度。為減少設(shè)備價(jià)格昂貴所花費(fèi)的費(fèi)用，結(jié)構(gòu)要簡單。該機(jī)床車刀架和磨刀架安裝于中拖板兩端并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)中拖板做橫向直線運(yùn)動(dòng)，因此床身形狀要簡單、質(zhì)量要大、固有振動(dòng)頻率要低。

（1）精密導(dǎo)軌是超精密機(jī)床的直線性基準(zhǔn)，床頭箱內(nèi)主軸轉(zhuǎn)速大小由數(shù)控系統(tǒng)控制，定位精度要很高。主電機(jī)組件再連接床頭箱內(nèi)主軸、縱向伺服電機(jī)與橫向伺服電機(jī)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)作靈活、直線運(yùn)動(dòng)時(shí)絕對沒有爬行等不連續(xù)動(dòng)作，能夠一次裝夾完成車削和磨削加工。在實(shí)際應(yīng)用中有與使用條件相適應(yīng)的剛度，由數(shù)控操作箱控制啟動(dòng)電動(dòng)車刀架根據(jù)編好的程序進(jìn)行車削加工，定位方式應(yīng)采用閉式控制方式在一定程度上減小的啟動(dòng)扭矩和摩擦力。

（2）由縱向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱向滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)大拖板做縱向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給的分辨率要高、高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量要少、同時(shí)床身上需設(shè)有相對床身能實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)的大拖板及縱向滾珠絲桿。采用內(nèi)裝式同軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，未使用的電動(dòng)磨刀架停在中拖板的另一端不影響車削加工的進(jìn)行。降低因主軸運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的誤差、振動(dòng)等對加工精度的影響，橫向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)中拖板做橫向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)床的性能不同采取不同形式的數(shù)控系統(tǒng)，連接至數(shù)控操作箱，并通過數(shù)控操作箱設(shè)置或控制加工過程。

二.超精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

在現(xiàn)有數(shù)控車床技術(shù)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)成一種設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)、使用效率高的精密加工機(jī)床，床身要支撐整機(jī)的重量且具有良好的剛度和強(qiáng)度。床身上設(shè)有相對床身能實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)的大拖板及縱向滾珠絲桿，根據(jù)機(jī)床的性能不同采取不同形式。根據(jù)瑞士Magerle公司的MGC—RT Grinders系列機(jī)床工作臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)以及國外一些廠家已經(jīng)有較成熟的超精密設(shè)備，進(jìn)行改進(jìn)，再次基礎(chǔ)上選擇比如優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等合適的材料。橫向滾珠絲桿通過橫向彈性聯(lián)軸器與橫向伺服電機(jī)連接，熱膨脹系數(shù)低，對振動(dòng)的衰減能力強(qiáng)。根據(jù)高效率高精度的運(yùn)動(dòng)要求，目前精密機(jī)床的主要有下面幾種：

（1）十字形滑座結(jié)構(gòu)機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量少，床頭箱一端連接有用以夾持零件的卡盤。主軸箱部分固定不動(dòng)，刀架裝在十字形滑板上。磨刀架上可裝上砂輪、車刀架上可裝上車刀，主軸箱部分固定不動(dòng)。在原有數(shù)控車床的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用雙頻激光干涉儀裝在移動(dòng)的十字形滑座上。提高加工精度、提高生產(chǎn)率、對振動(dòng)的衰減能力強(qiáng)。節(jié)省地面、降低成本，滿足超精密機(jī)床的精度要求。根據(jù)編好的數(shù)控程序進(jìn)行車削加工，減少電動(dòng)機(jī)振動(dòng)對主軸的影響并具有起動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行的特點(diǎn)。這種布局結(jié)構(gòu)裝夾次數(shù)減少可有效提高生產(chǎn)效率，也有利于提高導(dǎo)軌的制造精度和運(yùn)動(dòng)精度。

（2）近年生產(chǎn)的超精密機(jī)床主軸頁常常采用T形布局，能實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)的大拖板及相對大拖板在橫向運(yùn)動(dòng)的中拖板。沒有帶輪和單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)座，主要采用內(nèi)裝式同軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。在中拖板的兩端分別安裝有電動(dòng)磨刀架和電動(dòng)車刀架，主軸箱成為可移動(dòng)的部件。被加工工件在裝夾固定后，采用橫、縱運(yùn)動(dòng)分離。而后數(shù)控操作箱控制啟動(dòng)電動(dòng)磨刀架根據(jù)編好的程序進(jìn)行磨削加工，由主軸箱部件（縱向）和刀架（橫向）共同完成。機(jī)床的剛性高，定位精度高，維護(hù)保養(yǎng)容易。充分考慮模塊劃分對產(chǎn)品精度、剛度的影響，并且能長期保持它的精度。通過一次裝夾就能完成車削加工和磨削加工，由于其橫、縱向?qū)к壎挤旁跈C(jī)床的床身上成為T形布局。由于生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，中小型超精密機(jī)床常采用這種布局。

（3）當(dāng)工件直徑較大并且重量較重時(shí)常常采用立式結(jié)構(gòu)布局，裝夾次數(shù)減少可減少因裝夾帶來的誤差。超精密機(jī)床多采用立式結(jié)構(gòu)布局，進(jìn)而提高加工精度。精密機(jī)床多用龍門形式以達(dá)到要求高的剛度，減少了機(jī)床的整體面積且結(jié)構(gòu)簡單合理緊湊。滑板在橫梁上作x向運(yùn)動(dòng)，減少車間中機(jī)床的數(shù)量以達(dá)到節(jié)省地面、降低成本的效果。在機(jī)床精度要求特別高時(shí)可采取特殊的在線測量和誤差補(bǔ)償措施，減少橫向滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦。據(jù)要設(shè)計(jì)的車床的加工要求補(bǔ)償消除運(yùn)動(dòng)誤差，采用滾珠直線導(dǎo)軌副的十字形滑座結(jié)構(gòu)提高機(jī)床的剛性。保證主軸部分固定，靜摩擦因數(shù)相差很小。降低因主軸運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的誤差、振動(dòng)等對加工精度的影響，起動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行。有極高的直線運(yùn)動(dòng)精度，開發(fā)成本低、生產(chǎn)周期短。

三.精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展望

人們對加工機(jī)床高速高效精密的追求是無止境的，本文在已有經(jīng)驗(yàn)和使用情況的基礎(chǔ)上對超精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工原理進(jìn)行了詳細(xì)的討論及研究。通過參考國內(nèi)外一些資料研究超精密設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)精密數(shù)控技術(shù)，使其研發(fā)設(shè)計(jì)到投入生產(chǎn)。提高了生產(chǎn)效率，加工技術(shù)受到更多的青睞。為今后類似的車床的改造和設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)并具有一定的借鑒作用。

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