超精密車床運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
2022-3-31 來源： 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：何鄭曦
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動系統(tǒng)進行結(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、主軸運動系統(tǒng)、刀具以及導(dǎo)軌運動系統(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)帶動刀具進行沿導(dǎo)軌方向的直線進給運動[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)定性分別進行考慮，降低導(dǎo)軌系統(tǒng)運動對主軸系統(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行旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主切削運動；背吃刀量由刀架進行調(diào)整；導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動刀架上的刀具進行沿 X 方向的直線進給運動；通過上述三個運動即可實現(xiàn)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運動[3]，且兩個運動的控制是相對獨立的，可分開考慮。
2 主軸運動系統(tǒng)
精密主軸和主軸傳動系統(tǒng)共同組成了主軸運動系統(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床高精度運動的保障，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。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，通過強迫熱對流進行散熱，因此，主軸系統(tǒng)在運行過程中溫升小，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)在運行時具有較強的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，抗外界干擾能力較強，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完成，因此對主軸電機的性能要求較高。
2.2 主軸傳動方式
主軸系統(tǒng)的動力來源于驅(qū)動電機，驅(qū)動電機具有調(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，可分為電機直驅(qū)、定比傳動以及多檔位變速傳動。
①電機直驅(qū)。電機直驅(qū)的主軸系統(tǒng)是通過將主軸直接與電機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，且主軸與電機直連，主軸的轉(zhuǎn)速與電機輸出的速度一致，因此可通過控制電機輸出轉(zhuǎn)速的方式直接控制主軸轉(zhuǎn)速，控制簡單直接，與此同時，由于電機性能直接影響主軸的運動參數(shù)，因此對電機的性能要求較高。
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，解決了主軸電動機的功率特性與機床主軸功率特性難以匹配的問題。目前已有的驅(qū)動電機一般可實現(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，若變速機構(gòu)的級數(shù)太高會導(dǎo)致變速機構(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)軌運動系統(tǒng)
超精密車床導(dǎo)軌運動系統(tǒng)是帶動刀具進行進給運動的重要運動方式，一般為沿 X 方向的直線運動，其運動精度和穩(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床床身，這將導(dǎo)致超精密車床運動系統(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)動電機的功率要求不高，導(dǎo)軌總體運動較平穩(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，伺服電機的轉(zhuǎn)動情況是通過電機軸端的光電編碼器進行檢測[6]，從而反映出導(dǎo)軌的運動速度和位置，該半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)不包含滾珠絲杠的控制，滾珠絲杠的運動精度有其制造
精度和安裝精度決定[7]。
3.2 導(dǎo)軌進給驅(qū)動方式
“伺服電機+滾珠絲杠副”、“伺服電機+摩擦傳動”和“直線電機直接驅(qū)動”三種導(dǎo)軌進給驅(qū)動的方式是目前超精密機床導(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)實際需求進行選取。
①伺服電機+滾珠絲杠副。“伺服電機+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，滾珠絲杠能將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，使用滾珠絲杠實現(xiàn)直線運動具有較長的歷史，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(fā)生彎曲等因素都會影響滾珠絲杠運動精度，從而影響導(dǎo)軌的運動精度。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+摩擦傳動”。由于摩擦驅(qū)動的傳動方式能夠保證導(dǎo)軌運動系統(tǒng)的傳動平穩(wěn)性，因此“伺服電機+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。由于其運動通過摩擦進行驅(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行傳動。
③直線電機直接驅(qū)動。隨著超精密車床的加工高速化要求變化，直線電機直驅(qū)的驅(qū)動方式作為一種新型的進給驅(qū)動方式應(yīng)運而生，與上述兩種傳動方式相比，直線電機直驅(qū)的傳動方式是通過電機直接驅(qū)動導(dǎo)軌實現(xiàn)直線運動，沒有中間的傳動機構(gòu)，傳動部件少，結(jié)構(gòu)簡單，具有傳動剛度高、運動平穩(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、自鎖等安全問題。直線電機直驅(qū)的傳動方式主要應(yīng)用于定位運動多、進給速度高且加速頻繁的場合。
4、總結(jié)
針對超精密車床運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，針對主軸系統(tǒng)及導(dǎo)軌運動系統(tǒng)，分別進行了傳動原理分析，講述了各類傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及其適用場合，分析了主軸運動系統(tǒng)及導(dǎo)軌運動系統(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。為超精密車床運動的高精度控制提供了理論支撐。
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