超精密車床運動係統結構（gòu）分析-特種加工機床網-數控機床市（shì）場網

您現在的位置：特（tè）種加（jiā）工機床網> 加（jiā）工與維修>超精密車床運（yùn）動係統結構分析

超精密車床運動係統結（jié）構分析

2022-3-31 來源：四川建築職業技術學院作者：何鄭曦

0、引（yǐn）言

超精密車床在加工盤形零部件和圓錐形零部件等領域具有重要地位，在武器裝備製造中（zhōng）也有廣泛應（yīng）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（chóng）要作用。超精密車床的運動精度直（zhí）接影響所加工（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（háng）結構分析。

1、超精（jīng）密車床整體介（jiè）紹

超精密車（chē）床的主要組成包（bāo）括床身、主軸運動係統、刀具（jù）以及導軌運動係統，由於其結（jié）構特（tè）性，在加工反射鏡等盤形零部件及圓錐形零件等領域具有重要應用。在進行超精密切削加工過程中，由於主（zhǔ）軸係統的主軸係統（tǒng）負責裝夾工件，並帶動工件高速旋轉，導軌係統帶動刀具進行沿導軌方向的直線進給（gěi）運動[2]，主軸係統的穩定性和（hé）回轉精度（dù）以及導軌（guǐ）的直線度都對所加工零件的表麵（miàn）質量起著（zhe）重要影響，為了有效降低主軸係統和導軌係統之間誤差的耦（ǒu）合（hé）作用，因此（cǐ）將主軸運動係統與床身固（gù）連，這樣（yàng）的布局可（kě）將主軸係統和導（dǎo）軌係統的穩定性分（fèn）別進行考慮，降低導軌係統運（yùn）動對主軸係統精度的影響，提高加工精度。

超精密車床主要應用於端麵及圓錐麵的加工，主軸係統（tǒng）帶動裝夾在主軸端部的工件進行旋轉實現主切削運動；背吃刀量由刀（dāo）架進行調整；導軌係統帶動刀（dāo）架上的刀具進（jìn）行沿 X 方向的直（zhí）線進給運動；通過上述（shù）三個（gè）運動即可實現車削加工，其中主要的運動是（shì）主軸帶動（dòng）工件的主（zhǔ）切削（xuē）運動和導軌帶動刀具的直線進給運動[3]，且兩個運動的控製是相對獨立的，可分開考慮。

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（dòng）係統，精（jīng）密主軸作為主軸傳動係統上的一個執行部件（jiàn），影響主軸運（yùn）動係統精度的是精密主軸的（de）製造精度。在切削過程中，由傳統係統提供動力帶動主軸上的工件轉動，實現主切削運動，傳（chuán）動係統的控製精度（dù）直接影響到所加工工件的加工質量。

2.1 精密（mì）主軸

主軸係（xì）統（tǒng）的回轉精度是保證超精密機床高精（jīng）度運動的保（bǎo）障，一般情況下，超精密車床（chuáng）主軸係統的回轉精度能達到 0.001mm。主軸係統的回轉精度受支撐（chēng）軸承（chéng）的影響較大，空（kōng）氣靜（jìng）壓軸承是（shì）滑動軸承當中的一種，其結構和工作原理與液（yè）體滑動軸承類（lèi）似，不同的是采用氣體（tǐ）（多為空氣）作為潤滑介質（zhì）[4]。當外部壓縮氣（qì）體通（tōng）過節流器進入軸承（chéng）間隙，就會（huì）在間（jiān）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（zhī）承作用將軸浮起在軸承中。空氣軸承能夠實現主軸（zhóu）與軸承之間不接觸，從而（ér）減小摩擦磨損與（yǔ）生熱等因（yīn）素的影響，使精密主軸能夠允許足夠高的（de）轉速，同時保證較高回轉精（jīng）度。由於主軸（zhóu）與軸（zhóu）承之間有空氣間隙，不直接接觸，因此沒有摩（mó）擦，能夠保證主（zhǔ）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；在主軸係統高速運轉過程中，主軸仍然會產（chǎn）生熱（rè）量，由於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（duì）流進（jìn）行散熱，因此，主軸係統在運（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（dōu）在微米（mǐ）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；由於車床裝夾（jiá）工件為懸臂式裝夾，對主（zhǔ）軸的剛度和承載能力要（yào）求較高，因此主軸的尺寸和重量較大，由於主軸的重量遠大於驅動電（diàn）機轉子的重量，因此，一（yī）般情況（kuàng）下主軸的轉動慣（guàn）量也遠大於（yú）轉子。主軸重量大的優（yōu）點是能夠使主軸係統（tǒng）在運行時具有較強的轉（zhuǎn）動穩定性，抗外界幹擾能力較強（qiáng），缺點是（shì）在啟動和停止時所需（xū）時間（jiān）較長，特別是在主軸係統減速的過程中，由於主軸與軸承之間（jiān）的摩擦力較小，減速所（suǒ）需製動力主要靠電機完（wán）成（chéng），因此對主軸電機的性能要求較高。

2.2 主軸傳（chuán）動方式

主軸（zhóu）係統的動力來源於驅動電機，驅動電機具有調速範圍大、無（wú）級變速等特點，使主軸係統的結構有了較大的簡化。主（zhǔ）軸動力傳（chuán）遞係統根據其結構不同，可分為電機直驅（qū）、定比傳動以及多檔位變速傳動。

①電機直驅。電機直驅的主軸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，這樣的傳動結構使用的傳動部件較少，從而使主軸係（xì）統的結構得到大大簡化，且主（zhǔ）軸與電機直連，主軸的轉速與電機輸出（chū）的（de）速度一致，因此可通過控製電機輸出轉速的方式直接控製主軸轉速，控製簡單直接，與此同時，由於電機性能直（zhí）接影響主軸（zhóu）的運動參數，因此對電機（jī）的（de）性能要求較高。

②定比傳動。定（dìng）比傳動（dòng）的主軸傳動結構是通過驅動（dòng）電機提供動力，電機輸出軸將動力通過一個固定傳動比的齒輪或帶傳動傳遞（dì）到主軸（zhóu），帶動主軸高速轉動（dòng）。其中，由（yóu）於帶傳動屬（shǔ）於撓性傳動，能夠吸收傳動過程中的振動，具有（yǒu）噪音小、振動小等優點，但是帶傳動存（cún）在彈性滑動，使傳動比（bǐ）不恒定（dìng），且傳動能力不如（rú）齒輪（lún）傳動，因此一般常用於中小型機床；齒輪傳（chuán）動具有傳動比恒定、傳動穩定、效率高等特點，具有較高的承載（zǎi）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（shàng）能夠滿足主軸（zhóu）功率與轉矩的要求，但由於（yú）其傳動比恒定，電機的轉速直接對主軸轉速具有決定性作用。

③多檔位（wèi）變速（sù）傳動。多檔位變速傳動（dòng）結構是指在電機（jī）輸出軸與主軸之間通過多級變速器連接，能夠實（shí）現變速調節，在電機轉速一定的（de）情況下，可通過傳動比的調整從而改變主軸的轉速，解（jiě）決了主軸電動機的功率特性與機床主（zhǔ）軸功率特性難以匹配的（de）問題。目前已有的驅動電機一般可實現無級變速，本身的變速範圍為 1 比 100 至 1000，配合變（biàn）速機構（gòu）基本能夠滿（mǎn）足目前大部分主軸的功率及轉矩要求，若變速機構的級數（shù）太高會導致變速機（jī）構尺寸和重量大、結構複（fù）雜，因（yīn）此級數不（bú）宜太高，一般取 2 級變速傳動較（jiào）為（wéi）合適。

3、導（dǎo）軌運（yùn）動係統

超精密車床（chuáng）導軌運動係統是（shì）帶動（dòng）刀具進行進給運動的重要運動方式，一般為（wéi）沿 X 方向的直線運動，其運動精度（dù）和穩定性對所加工零件（jiàn）的表（biǎo）麵質量具有決定性作用，導軌運動係統主要由導軌和傳動係統組成（chéng）。

3.1 精密（mì）導軌

目（mù）前，超精密（mì）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（guò）程（chéng）中，液壓源的油泵為液態靜壓導軌供油，油泵的振動會（huì）傳（chuán）遞到機床床身，這將導（dǎo）致超精密車（chē）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（biǎo）麵質量。當使用（yòng）空氣靜壓導軌時，由於所提供的空氣壓力較為穩定，床身振動減小，加工工件的（de）表麵質量顯著提（tí）高。空氣靜壓（yā）導軌精度高（gāo）、發熱（rè）小、使用壽命長，是超精密車床導軌係統的（de）理想構件，能夠（gòu）滿（mǎn）足超精密車床（chuáng）的使用要求。因此（cǐ），超精密車床導軌運動係統通常使用空氣（qì）靜（jìng）壓導軌。由於所需切削力較小，因此（cǐ）驅動電機的功率（lǜ）要求不高，導軌總體運動較平穩。在導軌係統中沒有位（wèi）置傳感（gǎn）器，為了實現導軌的精確控製，采用半閉環（huán）伺服係統控製（zhì），伺服（fú）電機的轉（zhuǎn）動（dòng）情況是通（tōng）過電機（jī）軸端的光電編碼器進行檢測[6]，從而反映（yìng）出導軌的運動速度和位置，該半閉環伺服控製係統不包含（hán）滾珠絲（sī）杠的控製，滾珠絲杠的運動（dòng）精度有其製（zhì）造

精（jīng）度和安裝精度決（jué）定[7]。

3.2 導軌進給驅動方（fāng）式

“伺（sì）服電機+滾珠絲杠副（fù）”、“伺服電機+摩擦傳動”和“直線電機直接驅動”三種導軌進給驅動的（de）方式是目前超精密機床導軌係統最為常用的驅動（dòng）方式，他們各有優劣，可根據（jù）實際需求（qiú）進行（háng）選取。

①伺服電機+滾珠絲杠副。“伺服電機+滾珠絲杠副”驅動結構是在超精密車床上使用最為廣泛的導軌驅動方（fāng）式，滾珠絲杠能將電機的旋轉運動轉換為（wéi）直線運（yùn）動，使用滾珠（zhū）絲杠實現直線運動（dòng）具（jù）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（yuè）來越成（chéng）熟，成本低廉、應用廣泛，特別適用於載荷強度不高、進給速（sù）度低、行程小的超精密機床。但是，比如（rú）安（ān）裝誤差、絲杠受重（chóng）力發生彎曲等因素都會影響滾珠絲杠運動精度，從而影響導軌的運動精度。因此導軌係（xì）統對滾珠絲杠的製造精度及其剛度具有較高要求。

②“伺服電機+摩擦傳動”。由於摩擦驅動的傳動方式能夠保證導軌運動係統的傳動平穩性，因此“伺服電機+摩擦傳動”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（xìng）好（hǎo）、沒有反向間隙等優點，因此在一些轉速要求較高同時要求沒有反向間隙（xì）的超（chāo）精密車床上（shàng）應用廣泛。由於其運動通過摩擦進行（háng）驅動，因此隻適（shì）用於輕載的情況，在重載的情況下（xià）仍使用滾珠絲杠進行傳動。

③直線電機直接驅動。隨著（zhe）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式作為一種新型的進給驅動方式應運而生，與上（shàng）述兩種傳動方式相比，直線（xiàn）電機直驅的傳動方式是通（tōng）過電機直接（jiē）驅動導軌實現直線運動，沒有中間的傳動機構（gòu），傳動部件少，結（jié）構簡單，具有傳動剛度高、運動平穩、重複定位精度高等（děng）特點（diǎn）。但是導軌係統對直線電機的要求較高，控製係統較為複雜，價格（gé）昂貴（guì），同（tóng）時需要（yào）考慮防護、自鎖等安全問題（tí）。直線電機直驅的傳動方（fāng）式主（zhǔ）要應用於定（dìng）位運動多、進給速（sù）度高（gāo）且加速頻繁的場（chǎng）合。

4、總結

針對超精密車床運動係統結構複雜的問（wèn）題，針對（duì）主軸係統及導軌運動係統，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（jí）其適用場合，分析了主軸運動（dòng）係統及導軌（guǐ）運動係統的不同結構設計對（duì）超精密車（chē）床控製係統的影響。為超精密車床運動的高精度控製提供（gòng）了理論支撐。

投稿箱：
如果您有機床行（háng）業、企業相（xiàng）關新聞稿件發表（biǎo），或進（jìn）行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多

數（shù）控機床