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超精（jīng）密車床運動係統結構分析（xī）

2022-3-31 來源：四川建築職業技術學院作者：何鄭曦

0、引言

超精密（mì）車（chē）床在（zài）加工盤形零部件和圓錐形零部件等領域具有重要地（dì）位，在武器（qì）裝備製造（zào）中（zhōng）也有（yǒu）廣泛應用，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（yǒu）重要作用。超精（jīng）密車床（chuáng）的運動精（jīng）度直（zhí）接影響所（suǒ）加工（gōng）零部件的加工質量，因此有必要針對超精密車床的各個運動係統進行結構分析（xī）。

1、超精密車床整體介紹（shào）

超精密車床的主要組成包括床身、主軸運動係統、刀具以（yǐ）及導軌運動係（xì）統，由於其結構特性，在加工反射鏡等盤形零部（bù）件及圓（yuán）錐形（xíng）零件等領域具（jù）有重要應用。在進行超（chāo）精密切削加工過程中，由於主軸（zhóu）係統的（de）主（zhǔ）軸係統負責（zé）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（zhí）線進給（gěi）運動[2]，主軸（zhóu）係統的（de）穩定性和回轉精度以（yǐ）及導軌的直（zhí）線度都對所加工零件的表麵質量起著重要影（yǐng）響，為了有效降低主軸係統和導軌（guǐ）係（xì）統之間誤差的耦合作用，因此（cǐ）將主軸（zhóu）運動係統與床身固連，這樣的布局可將主軸係統和導軌（guǐ）係統的穩（wěn）定性分別進行考慮，降低導軌係統運動（dòng）對主軸係統精度的（de）影響，提高加工精度。

超精密（mì）車床（chuáng）主要應用於（yú）端麵及圓錐麵的加工，主軸係統（tǒng）帶動裝（zhuāng）夾在主軸端（duān）部的工件（jiàn）進行（háng）旋（xuán）轉實現主切削運動；背吃刀量由（yóu）刀架進行調整；導軌係統帶動（dòng）刀架上的刀（dāo）具進行沿 X 方向的直線進給運動；通過上述三個運動即（jí）可實現車（chē）削加工，其中主要的運動（dòng）是主軸帶動工件的主切削運動和導軌帶動刀具的（de）直線進給運動[3]，且兩個運（yùn）動的控製是相對獨立的，可分（fèn）開考慮。

2 主軸運動係統

精密主軸和主軸傳動係統共同組成了主軸運動係統，精密主軸作為主軸傳動係統上的（de）一個執行部件，影響主（zhǔ）軸運（yùn）動係（xì）統精度的是精密主軸的製造（zào）精度。在切削過程中，由傳統係統提（tí）供動力帶動（dòng）主軸上的（de）工件轉動，實現主切削運動，傳動係統的控製（zhì）精度直接影響到所加工工（gōng）件的加工質量。

2.1 精密主軸

主軸係統的回轉精度是保證超精密機床高精度運動的保障，一般情況下，超精密車床主軸（zhóu）係統（tǒng）的回轉精度能達到 0.001mm。主軸係統的回轉精（jīng）度受支撐軸（zhóu）承的影響（xiǎng）較大，空氣（qì）靜壓軸承是滑動軸承當中的一（yī）種，其結構和工作原理（lǐ）與（yǔ）液體（tǐ）滑動軸承類似，不（bú）同的是采用氣體（多為空（kōng）氣）作為潤滑介質[4]。當外部（bù）壓縮氣體通過節流器進入軸承間隙，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（qì）膜的潤滑支承作用將（jiāng）軸浮起在軸承中（zhōng）。空氣軸承能夠實（shí）現主軸與軸承之間不（bú）接觸，從而減小摩擦磨損與生熱等因素的（de）影響，使精密（mì）主軸能夠允許足夠高的轉速，同時保證較高回轉（zhuǎn）精度。由於主軸與軸承之間有空氣間（jiān）隙，不直接接（jiē）觸，因此沒（méi）有摩擦，能夠保證主軸係統在較長運行時間後不會因摩擦而導致精度降低，使用壽命長（zhǎng）；在主軸係統高速運轉過程中，主軸仍然會產生熱量，由於主軸與軸承之（zhī）間有高速流動的空（kōng）氣，可（kě）將大部分熱量直接帶到空氣中（zhōng），通過強迫熱對流進行散熱，因此，主軸係統在運行過程中（zhōng）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，因此對主軸驅動電機的扭矩和功率要求不高；由於車（chē）床裝夾工件為懸臂（bì）式（shì）裝夾，對主軸的剛度和承載能力要求較高，因此（cǐ）主軸的尺寸和重量較（jiào）大，由於主軸的（de）重量遠（yuǎn）大於驅動電機轉子的重量，因此，一般情況下主軸的轉動慣量也遠大（dà）於轉子。主軸重量大的優（yōu）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（shì）在啟動和停止時所需時間（jiān）較長，特別是在（zài）主軸係統減速的過程（chéng）中，由於主軸與軸承之（zhī）間的摩擦力較小（xiǎo），減速所需製動力主要靠電機完成，因此對主軸電機的性能要求較高。

2.2 主軸（zhóu）傳動方（fāng）式

主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（biàn）速等特點，使（shǐ）主軸係統的結構有了較大的簡化。主（zhǔ）軸動力傳遞（dì）係統根據其結構不同，可（kě）分（fèn）為（wéi）電機直驅、定比傳動以及多檔位變速傳動（dòng）。

①電機直驅。電機直驅（qū）的主（zhǔ）軸係統是通過將主軸直接與電機輸出軸（zhóu）連接或通過聯軸器連接，這樣的傳動結構使（shǐ）用的傳（chuán）動（dòng）部（bù）件較少，從而使主軸係統的結構得到大大簡化，且主軸與電機直連，主軸的轉速與電（diàn）機（jī）輸出的（de）速度一致，因此可通過控製電機輸出轉速（sù）的方式直接控製主軸轉速，控（kòng）製簡單直接，與（yǔ）此同（tóng）時，由於電機性能直接影響（xiǎng）主（zhǔ）軸的運動參數，因此（cǐ）對電機的性能要求較高。

②定比傳動。定比傳動的（de）主軸傳動（dòng）結構是通過驅動電機提供動力，電機輸出軸將動力通過一個固定傳（chuán）動比的齒（chǐ）輪或帶（dài）傳動傳遞到主軸，帶動主軸高速轉動（dòng）。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（zhèn）動小等（děng）優點，但是帶傳（chuán）動存在彈性滑動，使傳（chuán）動比不恒定，且傳動能力不如齒輪傳動，因此（cǐ）一般常用於中小型機床（chuáng）；齒輪傳動具有傳動比恒定、傳動穩定（dìng）、效率高等特點，具有較高（gāo）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（zhǔ）軸功率與轉矩的要求，但由於（yú）其傳動比恒定，電機的轉（zhuǎn）速直接對主軸轉速具有決定性作用。

③多檔位變速傳動（dòng）。多檔位變速傳（chuán）動結（jié）構是指（zhǐ）在電（diàn）機輸出（chū）軸與主軸之間通過（guò）多級變速器連接，能（néng）夠實（shí）現變速調節，在電機（jī）轉速一定的情況下，可通過傳動（dòng）比的調整從而改變主軸（zhóu）的轉速，解決了主軸電（diàn）動（dòng）機的功率（lǜ）特（tè）性與（yǔ）機床主軸功率（lǜ）特性難以（yǐ）匹配的問題。目前已有的驅動（dòng）電（diàn）機一般可（kě）實現無級變速，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前大部分主軸的功率及轉矩要求，若變速機構的級數太高會導致變速機構尺寸和重量大、結構複雜，因此級數不宜太高，一般取 2 級變（biàn）速傳動較為合適。

3、導軌運動係統

超精（jīng）密車床導軌運動係統是帶動刀具進行進給運動的重要運（yùn）動方式，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（jiā）工零件的表麵質量具有決定性作用，導軌運動係統主要（yào）由導軌和傳動係統組成。

3.1 精密導軌

目前，超精密機床中的導軌多為液體靜壓導軌和空氣靜壓導軌[5]，在車削過程中，液壓（yā）源的油泵（bèng）為液態靜壓導軌供油，油泵的振動會傳遞到機床（chuáng）床身，這將導致超精密車床運動係統發生振動。振動導致刀尖點相對於工件發生相對偏移，在工件表麵上產生不規則劃痕，影響工件的表麵質量。當使用空氣靜壓導軌（guǐ）時，由（yóu）於所提供的空氣壓力較為（wéi）穩定，床（chuáng）身振動減小，加工工件（jiàn）的表麵質量顯著提高。空氣靜壓導軌精度高、發熱小、使用壽命長，是（shì）超精密車床導軌係統的理想構件，能（néng）夠滿足超精密車床的使用要求。因（yīn）此，超精（jīng）密車床導軌運動係（xì）統通常使用空氣（qì）靜壓導軌。由於（yú）所需切削力較小，因此驅動電機的功（gōng）率（lǜ）要（yào）求不高，導軌總體運動較平穩。在導軌係統中沒有位置傳感器（qì），為了實現導軌的精確（què）控製，采用半閉環伺服係統控製（zhì），伺服電機的（de）轉動情況（kuàng）是通過電機軸端的光電編碼器進行檢測[6]，從而反（fǎn）映出導軌的運動速度和位置（zhì），該（gāi）半閉環伺服控製係統不包含滾珠絲杠（gàng）的控製，滾珠絲杠的（de）運動精度有其製造

精度和安裝精度決定[7]。

3.2 導軌進給驅動方式

“伺服電機+滾珠絲杠副”、“伺服電機+摩擦傳動”和“直（zhí）線電機直接驅動”三種導軌進給驅動（dòng）的方式是目前超精密機床導（dǎo）軌係統最為常用（yòng）的（de）驅動方式，他們各有優劣，可根（gēn）據實際需求進行選取。

①伺服電機+滾珠絲（sī）杠副。“伺服（fú）電機+滾珠絲杠副”驅動結構是（shì）在超精（jīng）密車床（chuáng）上使用最為廣泛（fàn）的導軌（guǐ）驅動方式，滾珠絲杠能將電（diàn）機的旋（xuán）轉運動轉換為直線運動，使用滾珠絲杠實現直（zhí）線運動（dòng）具有較長的曆史，經過技術的不斷更行和優化，滾珠絲杠技術越來越（yuè）成熟，成本低廉、應用廣泛，特別適用於（yú）載荷（hé）強度不高、進給速度低、行程小的超精密機床。但是，比如安裝誤差、絲杠受重力發生彎曲等因素都會影響滾（gǔn）珠絲杠運動精度，從而影響導軌的運動精度。因此導軌係統對滾（gǔn）珠絲杠的（de）製造精度及其剛度具有較高要求。

②“伺（sì）服電機+摩擦（cā）傳動”。由於摩擦驅動的傳動方式能夠（gòu）保證（zhèng）導軌運動係統的傳動（dòng）平穩性，因（yīn）此“伺服電機+摩擦傳（chuán）動”也被廣泛應用於導軌驅動。使用（yòng）摩擦傳動具有傳動穩定性好、沒有反向間隙等優點，因此在一些轉速（sù）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。由於其運動通過摩擦進行驅動，因此隻適用於輕載的情況，在重載的情況下仍使用滾珠絲杠進行傳動。

③直線電機直接驅動。隨著超精密車床的加工高速化要求變化，直線電機直驅的驅動方（fāng）式（shì）作為一種新型的進給驅動方式應運而（ér）生，與上述兩種傳動方式相比，直線電機直（zhí）驅的傳動方式是通過電機直接驅動（dòng）導軌實現（xiàn）直線（xiàn）運動，沒有中（zhōng）間的傳動機構，傳動部件少，結構簡單，具有傳動剛度高、運動（dòng）平穩、重複定位（wèi）精度高等特（tè）點。但是導軌係統對直線電機的要求較高，控製係（xì）統較為複雜，價格昂貴，同時需要考慮防護、自鎖等安全問題。直線（xiàn）電機直驅（qū）的傳動方式主要應用於定位運動多、進給速度（dù）高且加速頻繁的場合。

4、總結

針對超精密車床運動係統結（jié）構複雜的問題，針對主軸係統及導軌（guǐ）運動係統，分別進行了傳動原理分（fèn）析，講述了各類傳動結構的優缺點（diǎn）及其適用場合，分析了主軸運動係統及導軌運動係統（tǒng）的不同結構（gòu）設（shè）計對（duì）超精密車床控製係統的影響。為超精密（mì）車床運動的高精度控（kòng）製（zhì）提供了（le）理論支撐。

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