超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

何鄭曦

摘要：超精密車(chē)削在加工盤(pán)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(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精度的直接影響。為了探索超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的影響因素，分別對(duì)車(chē)床的主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和傳動(dòng)機(jī)理分析，討論了主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)超精密車(chē)床控制系統(tǒng)的影響，為超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)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(chē)床;運(yùn)動(dòng)系統(tǒng);結(jié)構(gòu)分析

Key words： lathe;motion system;structural analysis

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

0? 引言

超精密車(chē)床在加工盤(pán)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(guó)家武器裝備制造領(lǐng)域的實(shí)力的表現(xiàn)[1]，在民用領(lǐng)域也有重要作用。超精密車(chē)床的運(yùn)動(dòng)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(duì)超精密車(chē)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1? 超精密車(chē)床整體介紹

超精密車(chē)床的主要組成包括床身、主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、刀具以及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)特性，在加工反射鏡等盤(pán)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(guò)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(dòng)工件高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動(dòng)刀具進(jìn)行沿導(dǎo)軌方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[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(duì)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(dòng)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(dòng)對(duì)主軸系統(tǒng)精度的影響，提高加工精度。

超精密車(chē)床主要應(yīng)用于端面及圓錐面的加工，主軸系統(tǒng)帶動(dòng)裝夾在主軸端部的工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng);背吃刀量由刀架進(jìn)行調(diào)整;導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動(dòng)刀架上的刀具進(jìn)行沿X方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng);通過(guò)上述三個(gè)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)車(chē)削加工，其中主要的運(yùn)動(dòng)是主軸帶動(dòng)工件的主切削運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)軌帶動(dòng)刀具的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[3]，且兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制是相對(duì)獨(dú)立的，可分開(kāi)考慮。

2? 主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

精密主軸和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)共同組成了主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，精密主軸作為主軸傳動(dòng)系統(tǒng)上的一個(gè)執(zhí)行部件，影響主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精度的是精密主軸的制造精度。在切削過(guò)程中，由傳統(tǒng)系統(tǒng)提供動(dòng)力帶動(dòng)主軸上的工件轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)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(dòng)的保障，一般情況下，超精密車(chē)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(dòng)軸承當(dāng)中的一種，其結(jié)構(gòu)和工作原理與液體滑動(dòng)軸承類似，不同的是采用氣體（多為空氣）作為潤(rùn)滑介質(zhì)[4]。當(dāng)外部壓縮氣體通過(guò)節(jié)流器進(jìn)入軸承間隙，就會(huì)在間隙中形成一層具有一定承載和剛度的潤(rùn)滑氣膜，依靠該氣膜的潤(rùn)滑支承作用將軸浮起在軸承中。空氣軸承能夠?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(shí)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(méi)有摩擦，能夠保證主軸系統(tǒng)在較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間后不會(huì)因摩擦而導(dǎo)致精度降低，使用壽命長(zhǎng);在主軸系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，主軸仍然會(huì)產(chǎn)生熱量，由于主軸與軸承之間有高速流動(dòng)的空氣，可將大部分熱量直接帶到空氣中，通過(guò)強(qiáng)迫熱對(duì)流進(jìn)行散熱，因此，主軸系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中溫升小，熱變形較小;超精密切削過(guò)程中，一般背吃刀量都在微米級(jí)別，切削力較小，因此對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和功率要求不高;由于車(chē)床裝夾工件為懸臂式裝夾，對(duì)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，因此，一般情況下主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子。主軸重量大的優(yōu)點(diǎn)是能夠使主軸系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性，抗外界干擾能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是在啟動(dòng)和停止時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)，特別是在主軸系統(tǒng)減速的過(guò)程中，由于主軸與軸承之間的摩擦力較小，減速所需制動(dòng)力主要靠電機(jī)完成，因此對(duì)主軸電機(jī)的性能要求較高。

2.2 主軸傳動(dòng)方式

主軸系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有調(diào)速范圍大、無(wú)級(jí)變速等特點(diǎn)，使主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了較大的簡(jiǎn)化。主軸動(dòng)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(dòng)以及多檔位變速傳動(dòng)。

①電機(jī)直驅(qū)。電機(jī)直驅(qū)的主軸系統(tǒng)是通過(guò)將主軸直接與電機(jī)輸出軸連接或通過(guò)聯(lián)軸器連接，這樣的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使用的傳動(dòng)部件較少，從而使主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到大大簡(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)單直接，與此同時(shí)，由于電機(jī)性能直接影響主軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，因此對(duì)電機(jī)的性能要求較高。

②定比傳動(dòng)。定比傳動(dòng)的主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)輸出軸將動(dòng)力通過(guò)一個(gè)固定傳動(dòng)比的齒輪或帶傳動(dòng)傳遞到主軸，帶動(dòng)主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，由于帶傳動(dòng)屬于撓性傳動(dòng)，能夠吸收傳動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)，具有噪音小、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，但是帶傳動(dòng)存在彈性滑動(dòng)，使傳動(dòng)比不恒定，且傳動(dòng)能力不如齒輪傳動(dòng)，因此一般常用于中小型機(jī)床;齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)，具有較高的承載能力，因此在定比傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛。主軸系統(tǒng)定比傳動(dòng)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(dòng)比恒定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接對(duì)主軸轉(zhuǎn)速具有決定性作用。

③多檔位變速傳動(dòng)。多檔位變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是指在電機(jī)輸出軸與主軸之間通過(guò)多級(jí)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(guò)傳動(dòng)比的調(diào)整從而改變主軸的轉(zhuǎn)速，解決了主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸功率特性難以匹配的問(wèn)題。目前已有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(jí)數(shù)太高會(huì)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(jí)數(shù)不宜太高，一般取2級(jí)變速傳動(dòng)較為合適。

3? 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

超精密車(chē)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)刀具進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的重要運(yùn)動(dòng)方式，一般為沿X方向的直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性對(duì)所加工零件的表面質(zhì)量具有決定性作用，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌和傳動(dòng)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(chē)削過(guò)程中，液壓源的油泵為液態(tài)靜壓導(dǎo)軌供油，油泵的振動(dòng)會(huì)傳遞到機(jī)床床身，這將導(dǎo)致超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)導(dǎo)致刀尖點(diǎn)相對(duì)于工件發(fā)生相對(duì)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(shí)，由于所提供的空氣壓力較為穩(wěn)定，床身振動(dòng)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(zhǎng)，是超精密車(chē)床導(dǎo)軌系統(tǒng)的理想構(gòu)件，能夠滿足超精密車(chē)床的使用要求。

因此，超精密車(chē)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)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(dòng)電機(jī)的功率要求不高，導(dǎo)軌總體運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。在導(dǎo)軌系統(tǒng)中沒(méi)有位置傳感器，為了實(shí)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(dòng)情況是通過(guò)電機(jī)軸端的光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)[6]，從而反映出導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)方式

“伺服電機(jī)+滾珠絲杠副”、“伺服電機(jī)+摩擦傳動(dòng)”和“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”三種導(dǎo)軌進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式，他們各有優(yōu)劣，可根據(jù)實(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)是在超精密車(chē)床上使用最為廣泛的導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)方式，滾珠絲杠能將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，使用滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)具有較長(zhǎng)的歷史，經(jīng)過(guò)技術(shù)的不斷更行和優(yōu)化，滾珠絲杠技術(shù)越來(lái)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(huì)影響滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)精度，從而影響導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度。因此導(dǎo)軌系統(tǒng)對(duì)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(dòng)”。由于摩擦驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式能夠保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)平穩(wěn)性，因此“伺服電機(jī)+摩擦傳動(dòng)”也被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)。使用摩擦傳動(dòng)具有傳動(dòng)穩(wěn)定性好、沒(méi)有反向間隙等優(yōu)點(diǎn)，因此在一些轉(zhuǎn)速要求較高同時(shí)要求沒(méi)有反向間隙的超精密車(chē)床上應(yīng)用廣泛。由于其運(yùn)動(dòng)通過(guò)摩擦進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(dòng)。

③直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。隨著超精密車(chē)床的加工高速化要求變化，直線電機(jī)直驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式作為一種新型的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生，與上述兩種傳動(dòng)方式相比，直線電機(jī)直驅(qū)的傳動(dòng)方式是通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有傳動(dòng)剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、重復(fù)定位精度高等特點(diǎn)。但是導(dǎo)軌系統(tǒng)對(duì)直線電機(jī)的要求較高，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，價(jià)格昂貴，同時(shí)需要考慮防護(hù)、自鎖等安全問(wèn)題。直線電機(jī)直驅(qū)的傳動(dòng)方式主要應(yīng)用于定位運(yùn)動(dòng)多、進(jìn)給速度高且加速頻繁的場(chǎng)合。

4? 總結(jié)

針對(duì)超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，針對(duì)主軸系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了傳動(dòng)原理分析，講述了各類傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，分析了主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)超精密車(chē)床控制系統(tǒng)的影響。為超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)的高精度控制提供了理論支撐。

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