光學(xué)玻璃專用平面磨床工作臺靜壓導(dǎo)軌設(shè)計*

金國偉 杜 雄

（上海機床廠有限公司 上海200093）

光學(xué)玻璃廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域，從精度方面，要求光學(xué)玻璃具有面形精度高（≤0.1 μm）、表面粗糙度（Ra≤12 nm）以及亞表面裂紋少的特點。由于光學(xué)玻璃具有硬度高、脆性大的特點，在加工過程中極易產(chǎn)生表面疵病與亞表面損傷，屬于典型的難加工材料。對于光學(xué)玻璃等硬脆材料，超精密磨削技術(shù)是實現(xiàn)超光滑表面的最佳手段[1-2]。

本文介紹了光學(xué)玻璃專用平面磨床整機結(jié)構(gòu)中的工作臺導(dǎo)軌設(shè)計。

1 機床整機設(shè)計總體方案

光學(xué)玻璃工件一般為長方體外形，上下兩個平面為加工表面，因而光學(xué)玻璃專用平面磨床整體設(shè)計方案采用龍門式臥軸矩臺的結(jié)構(gòu)布局方式，加工工具采用具有剛性高的高精度砂輪靜壓主軸系統(tǒng)。此外，配置了高分辨率測量與反饋系統(tǒng)、高性能數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)以及在位測量系統(tǒng)，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機床主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)：

工作臺面尺寸 1300×500 mm

工作臺最大縱向行程 1700 mm

機床加工零件規(guī)格 450 mm×1200 mm

機床主軸軸向、徑向跳動 ≤0.2 μm

加工表面粗糙度Ra ≤10 nm

加工工件的面形精度（表面平度）PV 3 μm

圖1 光學(xué)玻璃專用平面磨床結(jié)構(gòu)

2 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證磨床高剛度和高穩(wěn)定性，機床床身采用了具有高阻尼、小振動、熱穩(wěn)定性佳等特性的整體花崗巖結(jié)構(gòu)。床身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 床身結(jié)構(gòu)

基于機床整體性能的考慮，機床工作臺面也采用了整體花崗巖結(jié)構(gòu)。工作臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工作臺結(jié)構(gòu)

機床導(dǎo)軌按摩擦性質(zhì)分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌[3]。由于液體靜壓導(dǎo)軌具有摩擦阻力極小、運動精度的保持性好、抗振性能好、承載能力大等優(yōu)點，依據(jù)加工對象，工作臺導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用滑動導(dǎo)軌中的液體靜壓導(dǎo)軌。

液體靜壓導(dǎo)軌又可分為開式靜壓導(dǎo)軌和閉式靜壓導(dǎo)軌兩大類。開式靜壓導(dǎo)軌依靠運動件的自重及外載荷保持移動件不從床身分離，屬于力封閉形式，它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單，但只能承受單向載荷，承受偏載和傾覆力矩的能力較差。閉式靜壓導(dǎo)軌只有移動方向的一個自由度，其余自由度都由導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)所約束，屬于結(jié)構(gòu)封閉形式，它可以承受不同方向的載荷和承受很大的傾覆力矩，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝拆卸較困難。

直線電機由于能直接產(chǎn)生直線運動，且具有響應(yīng)速度快、定位精度高、效率高等優(yōu)點，是高速精密機床進給驅(qū)動的理想部件。

對于直線電機驅(qū)動的力封閉靜壓導(dǎo)軌來說，由于直線電機次級鐵芯的結(jié)構(gòu)原因，運動導(dǎo)軌在運動過程中會在非運動方向上產(chǎn)生波動，且速度越快波動越大，無法保證機床加工精度。對于直線電機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)封閉式靜壓導(dǎo)軌來說[4]，雖然通過結(jié)構(gòu)限制了運動導(dǎo)軌在非運動方向上的波動，但導(dǎo)軌運動時由直線電機磁吸力對導(dǎo)軌壓板的沖擊較大，運動不夠平穩(wěn)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對上述情況，提出了如圖4所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

圖4 閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)中，工作臺、工作臺導(dǎo)軌壓板、工作臺導(dǎo)軌側(cè)板以及機床床身組成結(jié)構(gòu)封閉的閉式靜壓導(dǎo)軌，與工作臺導(dǎo)軌壓板、工作臺導(dǎo)軌側(cè)板和床身的接觸面的工作臺表面上開設(shè)有靜壓油腔。直線電機拖板、直線電機導(dǎo)軌側(cè)板、直線電機導(dǎo)軌底板組成力封閉的開式靜壓導(dǎo)軌，直線電機初級與直線電機拖板相連接，次級與直線電機導(dǎo)軌底板相連接，與直線電機導(dǎo)軌側(cè)板和直線電機導(dǎo)軌底板接觸的直線電機拖板表面上開設(shè)有靜壓油腔。閉式靜壓導(dǎo)軌與開式靜壓導(dǎo)軌之間通過連接器連接。連接器結(jié)構(gòu)中，底部連接板與上部連接板之間為彈性連接板，底部連接板與直線電機拖板直連，上部連接板通過墊板后與工作臺連接，如圖5所示。

具有吸振穩(wěn)定功能的彈性連接器，裝配時通過改變墊板的厚度保證正確連接，從而將力封閉的開式靜壓導(dǎo)軌運動傳遞給結(jié)構(gòu)封閉的閉式靜壓導(dǎo)軌。

圖5 連接器結(jié)構(gòu)示意圖

為了避免溫升的影響，工作臺、工作臺導(dǎo)軌板、工作臺導(dǎo)軌壓板和床身均為花崗巖材料。

3 結(jié)語

在傳統(tǒng)閉式靜壓導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上，綜合利用結(jié)構(gòu)封閉靜壓導(dǎo)軌和力封閉靜壓導(dǎo)軌各自的優(yōu)點，開發(fā)了高剛性、高精度的雙層閉式大平面靜壓導(dǎo)軌，具有如下特點：

（1）力封閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于直線電機安裝拆卸。

（2）結(jié)構(gòu)封閉式靜壓導(dǎo)軌限制了工作臺在非運動方向上的波動，保證了工作臺運動的高精度。

（3）結(jié)構(gòu)封閉式靜壓導(dǎo)軌與力封閉式靜壓導(dǎo)軌之間的連接器起吸振作用，防止了直線電機運動對工作臺面的影響，確保了工作臺運動的平穩(wěn)性。

兩套獨立的靜壓導(dǎo)軌不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且保證了在大行程、平穩(wěn)可靠、高精度、快速響應(yīng)的往復(fù)運動中直線電機超精密驅(qū)動要求，具有廣泛的應(yīng)用價值。