超精密車床運(yùn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

何鄭曦

摘要：超精密車削在加工盤形零件及圓錐形零件領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，所加工零件的表面質(zhì)量受超精密車床運(yùn)動系統(tǒng)精度的直接影響。為了探索超精密車床運(yùn)動系統(tǒng)的影響因素，分別對車床的主軸運(yùn)動系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和傳動機(jī)理分析，討論了主軸運(yùn)動系統(tǒng)及導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計對超精密車床控制系統(tǒng)的影響，為超精密車床運(yùn)動的高精度控制提供了理論支撐。

Abstract： Ultra-precision turning plays an important role in the field of machining disk and conical parts. The surface quality of the parts processed is directly affected by the precision of the movement system of ultra-precision lathe.In order to explore the influence factors of ultra-precision lathe motor systems， respectively， of the lathe spindle system and the guide rail movement system has carried on the structure analysis and driving mechanism analysis， the spindle motor system is discussed and the structure of guide rail system structure design of the control system of ultra-precision lathe， for high accuracy of ultra-precision lathe control provides a theoretical support.

關(guān)鍵詞：車床;運(yùn)動系統(tǒng);結(jié)構(gòu)分析

Key words： lathe;motion system;structural analysis

中圖分類號：TG519.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0103-02

0? 引言

超精密車床在加工盤形零部件和圓錐形零部件等領(lǐng)域具有重要地位，在武器裝備制造中也有廣泛應(yīng)用，是國家武器裝備制造領(lǐng)域的實力的表現(xiàn)[1]，在民用領(lǐng)域也有重要作用。超精密車床的運(yùn)動精度直接影響所加工零部件的加工質(zhì)量，因此有必要針對超精密車床的各個運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1? 超精密車床整體介紹

超精密車床的主要組成包括床身、主軸運(yùn)動系統(tǒng)、刀具以及導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)特性，在加工反射鏡等盤形零部件及圓錐形零件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在進(jìn)行超精密切削加工過程中，由于主軸系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)負(fù)責(zé)裝夾工件，并帶動工件高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動刀具進(jìn)行沿導(dǎo)軌方向的直線進(jìn)給運(yùn)動[2]，主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)精度以及導(dǎo)軌的直線度都對所加工零件的表面質(zhì)量起著重要影響，為了有效降低主軸系統(tǒng)和導(dǎo)軌系統(tǒng)之間誤差的耦合作用，因此將主軸運(yùn)動系統(tǒng)與床身固連，這樣的布局可將主軸系統(tǒng)和導(dǎo)軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性分別進(jìn)行考慮，降低導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動對主軸系統(tǒng)精度的影響，提高加工精度。

超精密車床主要應(yīng)用于端面及圓錐面的加工，主軸系統(tǒng)帶動裝夾在主軸端部的工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主切削運(yùn)動;背吃刀量由刀架進(jìn)行調(diào)整;導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動刀架上的刀具進(jìn)行沿X方向的直線進(jìn)給運(yùn)動;通過上述三個運(yùn)動即可實現(xiàn)車削加工，其中主要的運(yùn)動是主軸帶動工件的主切削運(yùn)動和導(dǎo)軌帶動刀具的直線進(jìn)給運(yùn)動[3]，且兩個運(yùn)動的控制是相對獨立的，可分開考慮。

2? 主軸運(yùn)動系統(tǒng)

精密主軸和主軸傳動系統(tǒng)共同組成了主軸運(yùn)動系統(tǒng)，精密主軸作為主軸傳動系統(tǒng)上的一個執(zhí)行部件，影響主軸運(yùn)動系統(tǒng)精度的是精密主軸的制造精度。在切削過程中，由傳統(tǒng)系統(tǒng)提供動力帶動主軸上的工件轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)主切削運(yùn)動，傳動系統(tǒng)的控制精度直接影響到所加工工件的加工質(zhì)量。

2.1 精密主軸

主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度是保證超精密機(jī)床高精度運(yùn)動的保障，一般情況下，超精密車床主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度能達(dá)到0.001mm。主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度受支撐軸承的影響較大，空氣靜壓軸承是滑動軸承當(dāng)中的一種，其結(jié)構(gòu)和工作原理與液體滑動軸承類似，不同的是采用氣體（多為空氣）作為潤滑介質(zhì)[4]。當(dāng)外部壓縮氣體通過節(jié)流器進(jìn)入軸承間隙，就會在間隙中形成一層具有一定承載和剛度的潤滑氣膜，依靠該氣膜的潤滑支承作用將軸浮起在軸承中?？諝廨S承能夠?qū)崿F(xiàn)主軸與軸承之間不接觸，從而減小摩擦磨損與生熱等因素的影響，使精密主軸能夠允許足夠高的轉(zhuǎn)速，同時保證較高回轉(zhuǎn)精度。由于主軸與軸承之間有空氣間隙，不直接接觸，因此沒有摩擦，能夠保證主軸系統(tǒng)在較長運(yùn)行時間后不會因摩擦而導(dǎo)致精度降低，使用壽命長;在主軸系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，主軸仍然會產(chǎn)生熱量，由于主軸與軸承之間有高速流動的空氣，可將大部分熱量直接帶到空氣中，通過強(qiáng)迫熱對流進(jìn)行散熱，因此，主軸系統(tǒng)在運(yùn)行過程中溫升小，熱變形較小;超精密切削過程中，一般背吃刀量都在微米級別，切削力較小，因此對主軸驅(qū)動電機(jī)的扭矩和功率要求不高;由于車床裝夾工件為懸臂式裝夾，對主軸的剛度和承載能力要求較高，因此主軸的尺寸和重量較大，由于主軸的重量遠(yuǎn)大于驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，因此，一般情況下主軸的轉(zhuǎn)動慣量也遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子。主軸重量大的優(yōu)點是能夠使主軸系統(tǒng)在運(yùn)行時具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，抗外界干擾能力較強(qiáng)，缺點是在啟動和停止時所需時間較長，特別是在主軸系統(tǒng)減速的過程中，由于主軸與軸承之間的摩擦力較小，減速所需制動力主要靠電機(jī)完成，因此對主軸電機(jī)的性能要求較高。

2.2 主軸傳動方式

主軸系統(tǒng)的動力來源于驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)具有調(diào)速范圍大、無級變速等特點，使主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了較大的簡化。主軸動力傳遞系統(tǒng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，可分為電機(jī)直驅(qū)、定比傳動以及多檔位變速傳動。

①電機(jī)直驅(qū)。電機(jī)直驅(qū)的主軸系統(tǒng)是通過將主軸直接與電機(jī)輸出軸連接或通過聯(lián)軸器連接，這樣的傳動結(jié)構(gòu)使用的傳動部件較少，從而使主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到大大簡化，且主軸與電機(jī)直連，主軸的轉(zhuǎn)速與電機(jī)輸出的速度一致，因此可通過控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的方式直接控制主軸轉(zhuǎn)速，控制簡單直接，與此同時，由于電機(jī)性能直接影響主軸的運(yùn)動參數(shù)，因此對電機(jī)的性能要求較高。

②定比傳動。定比傳動的主軸傳動結(jié)構(gòu)是通過驅(qū)動電機(jī)提供動力，電機(jī)輸出軸將動力通過一個固定傳動比的齒輪或帶傳動傳遞到主軸，帶動主軸高速轉(zhuǎn)動。其中，由于帶傳動屬于撓性傳動，能夠吸收傳動過程中的振動，具有噪音小、振動小等優(yōu)點，但是帶傳動存在彈性滑動，使傳動比不恒定，且傳動能力不如齒輪傳動，因此一般常用于中小型機(jī)床;齒輪傳動具有傳動比恒定、傳動穩(wěn)定、效率高等特點，具有較高的承載能力，因此在定比傳動中應(yīng)用廣泛。主軸系統(tǒng)定比傳動的結(jié)構(gòu)，在一定程度上能夠滿足主軸功率與轉(zhuǎn)矩的要求，但由于其傳動比恒定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接對主軸轉(zhuǎn)速具有決定性作用。

③多檔位變速傳動。多檔位變速傳動結(jié)構(gòu)是指在電機(jī)輸出軸與主軸之間通過多級變速器連接，能夠?qū)崿F(xiàn)變速調(diào)節(jié)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，可通過傳動比的調(diào)整從而改變主軸的轉(zhuǎn)速，解決了主軸電動機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸功率特性難以匹配的問題。目前已有的驅(qū)動電機(jī)一般可實現(xiàn)無級變速，本身的變速范圍為1比100至1000，配合變速機(jī)構(gòu)基本能夠滿足目前大部分主軸的功率及轉(zhuǎn)矩要求，若變速機(jī)構(gòu)的級數(shù)太高會導(dǎo)致變速機(jī)構(gòu)尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此級數(shù)不宜太高，一般取2級變速傳動較為合適。

3? 導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)

超精密車床導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)是帶動刀具進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動的重要運(yùn)動方式，一般為沿X方向的直線運(yùn)動，其運(yùn)動精度和穩(wěn)定性對所加工零件的表面質(zhì)量具有決定性作用，導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌和傳動系統(tǒng)組成。

3.1 精密導(dǎo)軌

目前，超精密機(jī)床中的導(dǎo)軌多為液體靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌[5]，在車削過程中，液壓源的油泵為液態(tài)靜壓導(dǎo)軌供油，油泵的振動會傳遞到機(jī)床床身，這將導(dǎo)致超精密車床運(yùn)動系統(tǒng)發(fā)生振動。振動導(dǎo)致刀尖點相對于工件發(fā)生相對偏移，在工件表面上產(chǎn)生不規(guī)則劃痕，影響工件的表面質(zhì)量。當(dāng)使用空氣靜壓導(dǎo)軌時，由于所提供的空氣壓力較為穩(wěn)定，床身振動減小，加工工件的表面質(zhì)量顯著提高。 空氣靜壓導(dǎo)軌精度高、發(fā)熱小、使用壽命長，是超精密車床導(dǎo)軌系統(tǒng)的理想構(gòu)件，能夠滿足超精密車床的使用要求。

因此，超精密車床導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)通常使用空氣靜壓導(dǎo)軌。由于所需切削力較小，因此驅(qū)動電機(jī)的功率要求不高，導(dǎo)軌總體運(yùn)動較平穩(wěn)。在導(dǎo)軌系統(tǒng)中沒有位置傳感器，為了實現(xiàn)導(dǎo)軌的精確控制，采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動情況是通過電機(jī)軸端的光電編碼器進(jìn)行檢測[6]，從而反映出導(dǎo)軌的運(yùn)動速度和位置，該半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)不包含滾珠絲杠的控制，滾珠絲杠的運(yùn)動精度有其制造精度和安裝精度決定[7]。

3.2 導(dǎo)軌進(jìn)給驅(qū)動方式

“伺服電機(jī)+滾珠絲杠副”、“伺服電機(jī)+摩擦傳動”和“直線電機(jī)直接驅(qū)動”三種導(dǎo)軌進(jìn)給驅(qū)動的方式是目前超精密機(jī)床導(dǎo)軌系統(tǒng)最為常用的驅(qū)動方式，他們各有優(yōu)劣，可根據(jù)實際需求進(jìn)行選取。

①伺服電機(jī)+滾珠絲杠副?！八欧姍C(jī)+滾珠絲杠副”驅(qū)動結(jié)構(gòu)是在超精密車床上使用最為廣泛的導(dǎo)軌驅(qū)動方式，滾珠絲杠能將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，使用滾珠絲杠實現(xiàn)直線運(yùn)動具有較長的歷史，經(jīng)過技術(shù)的不斷更行和優(yōu)化，滾珠絲杠技術(shù)越來越成熟，成本低廉、應(yīng)用廣泛，特別適用于載荷強(qiáng)度不高、進(jìn)給速度低、行程小的超精密機(jī)床。但是，比如安裝誤差、絲杠受重力發(fā)生彎曲等因素都會影響滾珠絲杠運(yùn)動精度，從而影響導(dǎo)軌的運(yùn)動精度。因此導(dǎo)軌系統(tǒng)對滾珠絲杠的制造精度及其剛度具有較高要求。

②“伺服電機(jī)+摩擦傳動”。由于摩擦驅(qū)動的傳動方式能夠保證導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)的傳動平穩(wěn)性，因此“伺服電機(jī)+摩擦傳動”也被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌驅(qū)動。使用摩擦傳動具有傳動穩(wěn)定性好、沒有反向間隙等優(yōu)點，因此在一些轉(zhuǎn)速要求較高同時要求沒有反向間隙的超精密車床上應(yīng)用廣泛。由于其運(yùn)動通過摩擦進(jìn)行驅(qū)動，因此只適用于輕載的情況，在重載的情況下仍使用滾珠絲杠進(jìn)行傳動。

③直線電機(jī)直接驅(qū)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(qū)的驅(qū)動方式作為一種新型的進(jìn)給驅(qū)動方式應(yīng)運(yùn)而生，與上述兩種傳動方式相比，直線電機(jī)直驅(qū)的傳動方式是通過電機(jī)直接驅(qū)動導(dǎo)軌實現(xiàn)直線運(yùn)動，沒有中間的傳動機(jī)構(gòu)，傳動部件少，結(jié)構(gòu)簡單，具有傳動剛度高、運(yùn)動平穩(wěn)、重復(fù)定位精度高等特點。但是導(dǎo)軌系統(tǒng)對直線電機(jī)的要求較高，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，價格昂貴，同時需要考慮防護(hù)、自鎖等安全問題。直線電機(jī)直驅(qū)的傳動方式主要應(yīng)用于定位運(yùn)動多、進(jìn)給速度高且加速頻繁的場合。

4? 總結(jié)

針對超精密車床運(yùn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，針對主軸系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)，分別進(jìn)行了傳動原理分析，講述了各類傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及其適用場合，分析了主軸運(yùn)動系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計對超精密車床控制系統(tǒng)的影響。為超精密車床運(yùn)動的高精度控制提供了理論支撐。

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