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超精密車床運（yùn）動係統結構分析

2022-3-31 來源（yuán）：四川建築職業技術學院作者：何鄭曦

0、引（yǐn）言

超精密車床在（zài）加工盤形零部（bù）件（jiàn）和圓錐形（xíng）零部（bù）件等（děng）領域具有重要（yào）地位，在武器裝（zhuāng）備製造中也有廣泛（fàn）應用，是國家武器裝備製造領域的實力的表現[1]，在民用領域也有重要作用（yòng）。超精（jīng）密車床的運動精度直接（jiē）影響所加工零部件的加工質量（liàng），因此有必要針對超精密車床的各個運動係統進行（háng）結構分析。

1、超精密車床整體介紹

超精密（mì）車床的主要組成包括床身、主軸運動係統、刀具以及導（dǎo）軌運動係統，由於（yú）其結構特性，在加工反射鏡等盤形零部件（jiàn）及圓錐形零件等領域具（jù）有重要（yào）應用。在進行超精密切削加工過程（chéng）中，由於主軸係統的主軸係統負責裝夾工件，並帶動工件高速旋轉，導軌係統帶動（dòng）刀具進行沿導軌方向的直線進給運動[2]，主軸係統（tǒng）的穩定性和回轉精度以及導軌的直線度（dù）都對所加工零件的表麵（miàn）質量起著重要影響，為了有（yǒu）效降低主軸係（xì）統（tǒng）和導軌係統之間誤差的耦合作用，因此將主軸運（yùn）動係統與床身固連，這樣的布局可將主軸係統和導軌係統的穩定性分別進行考慮，降低導軌係統運動對（duì）主軸係（xì）統（tǒng）精度（dù）的影響，提高加工（gōng）精度。

超精密車床主要應用於端麵（miàn）及圓錐麵的加工，主軸係（xì）統帶動裝夾在主（zhǔ）軸端部的工（gōng）件進行旋轉實現主切削運動；背吃刀量由刀架進（jìn）行（háng）調整；導軌係統帶動（dòng）刀架上（shàng）的刀具進（jìn）行沿 X 方向的直線進給運動；通過（guò）上述三個運動即可實（shí）現車削加工，其中主要的運動是主軸帶動工件的主切削運動和導（dǎo）軌帶動刀具的直線進給（gěi）運動[3]，且兩個運動的（de）控製是相對（duì）獨（dú）立的，可分開（kāi）考慮。

2 主軸運動係統（tǒng）

精密（mì）主軸和主軸傳動係統共同組成了主軸運動係統，精密主軸作為（wéi）主軸傳動係統上的一個執（zhí）行（háng）部件，影響主軸運動係統精度的是精密主軸的製造精度。在切削（xuē）過程中，由傳統（tǒng）係統提供（gòng）動力帶動主軸上的工件轉動，實現主切削運動，傳動係統的控製精度直接（jiē）影響到所加工工件的加（jiā）工質量。

2.1 精密主軸

主軸係統的回轉精度是保證（zhèng）超（chāo）精密機床高精度運（yùn）動的保（bǎo）障，一般情況（kuàng）下，超精密（mì）車床主軸係統的回轉（zhuǎn）精度能達到 0.001mm。主軸係統的回（huí）轉精度受支撐軸承的影響較大，空氣靜壓軸承是（shì）滑動軸（zhóu）承當中的一種，其結構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（jiè）質[4]。當外部壓縮氣體通過節流器進入軸承間隙，就會在間隙（xì）中形成一層具有（yǒu）一定承載和剛度（dù）的潤滑氣膜，依靠該氣（qì）膜的潤滑支承作用將軸浮起在軸承中。空氣軸承能夠實現主軸（zhóu）與軸承之間（jiān）不接觸，從（cóng）而減小摩擦磨損與生熱等因素的影響，使（shǐ）精密主軸能夠允許足夠高（gāo）的轉速，同時保證較高（gāo）回轉（zhuǎn）精度。由於主（zhǔ）軸與軸（zhóu）承之間有空氣間隙，不（bú）直接接觸，因此沒有摩擦，能（néng）夠保證主軸係統在較長運行時間後不（bú）會因摩擦（cā）而導致精度降低，使用壽（shòu）命長；在主軸係統（tǒng）高速運轉過程（chéng）中，主軸（zhóu）仍然會產生熱量（liàng），由於主軸與軸承之間有高（gāo）速流（liú）動的空氣，可將大部分熱量直（zhí）接帶到空氣中，通過強迫熱（rè）對流（liú）進行散熱，因此，主軸係統（tǒng）在運行過程中溫（wēn）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（cǐ）對主（zhǔ）軸驅動電機的扭矩和（hé）功率要求不高；由於車床裝（zhuāng）夾工件為懸臂（bì）式裝夾，對主軸的剛度和承載能力要求較高，因此主軸（zhóu）的尺寸和重量較大，由於（yú）主軸（zhóu）的重量遠（yuǎn）大於驅動電機轉子的重量，因（yīn）此，一般情況下主軸的轉動慣量也遠大於轉子。主軸重量大的優點是能夠使主軸係統在運行時具有較強的轉動穩定性，抗外界幹擾能力較強，缺點是在啟動和停止時所需時間較長，特別是在主軸係統（tǒng）減速的過程中，由於主軸與軸承之間的摩擦（cā）力（lì）較小，減速所（suǒ）需製動力主（zhǔ）要靠電（diàn）機完成，因此對主軸電（diàn）機的性能要求較高。

2.2 主軸傳動方式

主（zhǔ）軸係統的動力來源於驅動電機，驅動電機具有調速範圍大、無級變速等特點，使主軸係統（tǒng）的結構有了較大的簡化。主軸（zhóu）動力傳遞係統根據其（qí）結構不同，可分為（wéi）電（diàn）機直驅、定（dìng）比（bǐ）傳動以及多檔位變速傳動。

①電機直驅。電機直驅的主軸（zhóu）係統是通過將主軸直接與電機輸出軸連接或通過聯軸器連接，這樣的（de）傳動結構使用（yòng）的傳動部件較少，從而使主軸係統的結構得到大（dà）大簡化，且主軸與電機直連，主軸的轉（zhuǎn）速與電機輸出的速度一致，因此可通過控製電機輸出轉速的方式直接控（kòng）製主軸轉（zhuǎn）速，控製簡單直接（jiē），與（yǔ）此同時，由於電機性能直接影響主（zhǔ）軸的運動參數（shù），因此對電機的性（xìng）能要（yào）求（qiú）較高。

②定比傳動。定比傳動的主軸傳動結構（gòu）是通過驅動電（diàn）機提（tí）供動力，電機輸出軸將動力通過（guò）一個固定傳動比的齒輪或帶傳動（dòng）傳遞到主（zhǔ）軸，帶（dài）動主軸高速轉動。其中，由於帶傳動屬於撓性傳動，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（rú）齒輪傳動，因此一般常用於中小型機床；齒輪傳動具有傳動比恒定、傳動穩定、效（xiào）率高等特點，具有較高的承載能力，因此在定比傳動中應用廣泛。主軸係統定比傳動的結構，在一定程度上能夠滿（mǎn）足主軸功率（lǜ）與轉矩的要（yào）求，但由於其傳動比（bǐ）恒定，電機的（de）轉速直接對主軸轉速具有決定性作用。

③多檔（dàng）位變速傳動。多檔位變速傳動結構是指在（zài）電機（jī）輸出軸與主軸（zhóu）之間通過多級變速器連接，能夠實（shí）現變速調節（jiē），在電機轉速一定的情（qíng）況下（xià），可通過傳動比（bǐ）的調整從而改變主軸的轉速，解決了主（zhǔ）軸電動機（jī）的功率特性與機床主軸功率特性難以匹配的問題。目（mù）前已有的驅動電機（jī）一（yī）般可實現無（wú）級變速，本身的（de）變速範圍為 1 比 100 至 1000，配合變速機構基本能夠滿足目（mù）前（qián）大部分主軸的功率（lǜ）及（jí）轉矩要（yào）求，若變速機構的（de）級數太高會導致變速機構尺寸和重量大、結（jié）構複雜，因此（cǐ）級數不宜太（tài）高（gāo），一般取 2 級變速傳動較為合適。

3、導軌運動係統

超精密車床導（dǎo）軌（guǐ）運動（dòng）係統是帶動刀具進行進給運動（dòng）的重要運動方（fāng）式，一般為沿 X 方向的直線運（yùn）動，其運動精度和穩定性對所加工零件的表麵質量具有決（jué）定性作用，導軌運（yùn）動係統（tǒng）主要由導軌和傳動係統組成。

3.1 精密導軌

目前，超精（jīng）密機床中的導軌多為液體靜壓導軌和空氣（qì）靜壓導軌[5]，在（zài）車削過程中，液壓源的油泵為液態靜壓（yā）導（dǎo）軌（guǐ）供油，油泵的振動會傳（chuán）遞到機床床身，這將導致超精密（mì）車床運動係統發生振動（dòng）。振（zhèn）動導致刀尖點相對於工件發生相對偏（piān）移，在工件表麵上產生不規則劃痕，影響工件的表麵質（zhì）量。當（dāng）使用空氣（qì）靜壓導軌時（shí），由於所提供的空氣壓力較為穩定，床身振動減小，加工（gōng）工件的表麵質（zhì）量顯（xiǎn）著（zhe）提（tí）高。空氣靜壓導軌精度高、發熱小、使用壽命長，是（shì）超精密車床導軌係（xì）統的理想構件，能夠滿足（zú）超精密車床的使用要求。因此（cǐ），超精密車床導軌運動係統通常使用（yòng）空（kōng）氣靜壓導（dǎo）軌。由於所（suǒ）需切削力較小，因此驅動電機的功率要求（qiú）不高，導軌總體運動（dòng）較平穩。在導軌係統中沒有位置傳感器，為（wéi）了實現導（dǎo）軌的精確控製，采用半閉環伺服係統控製，伺服電機的轉動情況是通過電機軸端的光電編碼（mǎ）器進行檢測[6]，從而（ér）反映出導軌的運動速度和位置，該半閉（bì）環（huán）伺服控製係（xì）統不包含滾珠絲杠的控製（zhì），滾珠絲（sī）杠的運（yùn）動精度有其製造

精度和安裝（zhuāng）精度（dù）決定[7]。

3.2 導軌進給驅動方（fāng）式

“伺服電機+滾珠絲杠副”、“伺服電機+摩擦傳動”和“直線電機（jī）直接驅動”三種（zhǒng）導軌進給驅動的方式（shì）是目前（qián）超（chāo）精密機床導軌係統最為常用的驅動方式，他們各有優劣，可根據實際需求進行選取。

①伺（sì）服（fú）電（diàn）機+滾珠絲杠副。“伺服電機+滾珠絲杠（gàng）副”驅動結構是在超精密車床上使用最（zuì）為（wéi）廣泛的導軌驅動方式，滾珠絲杠能將電機的旋轉運動轉換為直線運動，使用滾珠絲杠實現直線運動具有較長的曆史（shǐ），經過技術（shù）的不斷更行和優（yōu）化，滾珠絲杠（gàng）技術越來越成（chéng）熟，成本（běn）低廉、應用廣泛，特別適用於載荷強度不高、進給速度（dù）低、行程（chéng）小的超精密機床。但是，比如（rú）安裝（zhuāng）誤差、絲杠受（shòu）重力發生彎（wān）曲（qǔ）等（děng）因素都會影響滾珠絲（sī）杠運動精度，從而影響導軌的運動精度。因此導軌係統對滾珠絲杠的製造精度及其剛度具有較高要求。

②“伺（sì）服電機（jī）+摩擦傳動”。由於摩擦驅動的傳（chuán）動方式能夠保證導軌運動係統（tǒng）的傳動平穩性，因此“伺服電機+摩擦傳動（dòng）”也被廣泛應用於導（dǎo）軌驅動（dòng）。使用摩擦傳動（dòng）具有傳動穩定性好、沒有反向間隙等優點（diǎn），因此在一些轉速要求較高同時要求沒有反向間隙的超精（jīng）密車床上（shàng）應用廣泛。由（yóu）於其運動通過摩擦進行驅動，因此隻（zhī）適用於輕載的情況，在（zài）重載的情況下仍使用滾珠絲杠進行傳動。

③直線電機（jī）直接驅動。隨著超精密車床的加工高速化要（yào）求（qiú）變化，直線電機直驅的驅動方式作為一種新型的進給（gěi）驅動方式應運而生，與上述兩種傳動方式相比，直線電機直驅的傳（chuán）動方式是通過（guò）電機（jī）直接驅動導軌（guǐ）實現直線運動，沒有中間的傳動機構，傳動（dòng）部件少，結構簡單，具有傳動剛度高、運動平穩、重複定位精度高等特點。但（dàn）是導軌係統對直線電機的（de）要求較高，控製係統較（jiào）為複雜，價格昂貴，同時需要考慮防護、自鎖等安全問題。直線電機直驅的（de）傳動（dòng）方式（shì）主要應用於（yú）定位運動多、進給（gěi）速度高且加速頻繁的場合（hé）。

4、總結

針對超精密車床運動（dòng）係統結構（gòu）複雜（zá）的問題，針對主（zhǔ）軸係統（tǒng）及導軌運動（dòng）係統，分別進行了傳動原理分析，講述了各類傳動結構的優缺點及其適（shì）用場合，分析了主軸（zhóu）運動係統及導軌運動係統的不同結構設計對超精密車床控製係統的影響。為超精密車床運動的高精度控製提供了理論支撐。

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