超精密車床運動係統結構分析

0、引言

超精密車床在加工盤形零部（bù）件和圓（yuán）錐形零部件等領（lǐng）域具有重要地位，在武器裝備製造中也有廣泛應用，是國家（jiā）武（wǔ）器裝備製造領域的實力的表現[1]，在民（mín）用領域（yù）也有重要作用。超精密車床的運動精（jīng）度直接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（tǒng）進行結構分析。

1、超精密車床整體介紹

超精密（mì）車床的主（zhǔ）要組成包（bāo）括床身（shēn）、主軸運動係統、刀具以及導軌運（yùn）動係統，由於其結構特性，在加（jiā）工反射鏡等盤形零部件及圓（yuán）錐（zhuī）形零件等領（lǐng）域具有重要應用。在進行超（chāo）精密切削加工（gōng）過程中，由於主（zhǔ）軸係統（tǒng）的主軸（zhóu）係統負責裝夾工件，並（bìng）帶動工件高速旋轉，導軌係（xì）統帶（dài）動刀具進行沿導軌（guǐ）方向的直線進給運動[2]，主軸係統的穩定性和回轉精度以及導軌的直線度都對所加工零件（jiàn）的表（biǎo）麵質量起著（zhe）重要影響，為了有效降低主軸係統和導軌係統（tǒng）之間誤差（chà）的耦合（hé）作用，因此將主軸運動係統與床身固連，這樣（yàng）的（de）布局可將主（zhǔ）軸係統和（hé）導軌係統的穩定性分別進行考（kǎo）慮，降低導軌係統運動對主軸係統精度的影響，提（tí）高加工（gōng）精度。

超精密車床主要應用於端麵及圓錐麵的加（jiā）工，主（zhǔ）軸係統帶動裝夾在（zài）主軸端部的工（gōng）件（jiàn）進行（háng）旋（xuán）轉實現主切削運（yùn）動；背吃（chī）刀量由刀架（jià）進行調整；導軌係統帶動刀架上的刀具進行沿 X 方向的直線進（jìn）給運（yùn）動；通過上述三個運動即可實現（xiàn）車削加工，其中（zhōng）主要的運（yùn）動是主（zhǔ）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]，且兩個運動的控製是相對獨立的，可分開考慮（lǜ）。

2 主軸運動係（xì）統

精密主軸（zhóu）和主軸傳動係統共同組成了主軸運（yùn）動係統，精（jīng）密主軸作為（wéi）主軸傳動係統上的一個執行部件，影響主軸運動係（xì）統精度的是精密主軸的製造精度。在切削過程中，由傳統係統提（tí）供動力帶動（dòng）主軸（zhóu）上（shàng）的工件（jiàn）轉動，實（shí）現主切削運動，傳動係統的（de）控製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（zhǔ）軸（zhóu）係統的回轉精度是保證超精密機床高精度運動的保障（zhàng），一般情況下，超精密車床主軸（zhóu）係統的回轉精度能達到 0.001mm。主軸係統（tǒng）的回轉精度受支撐軸承的影響較大，空氣靜壓軸承是滑動軸承當中的一種，其結構和工作原理與液體滑動軸承（chéng）類似，不同的是采用氣體（多（duō）為空氣）作為潤滑介質[4]。當外部壓縮氣體通過節（jiē）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（hé）剛度的潤滑（huá）氣膜（mó），依靠該氣膜的潤滑支承作用將軸浮起在軸承（chéng）中。空氣軸承（chéng）能夠實現主軸與軸承之間不接觸，從而減小（xiǎo）摩擦（cā）磨損與生熱等因（yīn）素的（de）影響，使精密主軸能夠允許足夠高的轉速，同（tóng）時保證較高回轉精度。由於主軸與軸（zhóu）承之間有空氣間隙，不直接接觸，因（yīn）此沒有摩擦，能夠保（bǎo）證主軸係統在較長運行時間（jiān）後不會因摩擦而導致精度降（jiàng）低，使用壽命（mìng）長；在主（zhǔ）軸係統（tǒng）高（gāo）速運（yùn）轉過程中，主軸仍然會（huì）產生熱量，由於主軸與軸承之間有高速流動的空（kōng）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，主軸係統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（zhóu）驅動電機的扭矩和功率要求不高；由（yóu）於車床裝夾工件為懸臂式裝夾，對主軸的剛（gāng）度和承載能力要求較高，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機轉子的重（chóng）量，因此（cǐ），一般情況下主軸的轉動慣（guàn）量也遠大（dà）於轉子（zǐ）。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（dòng）穩定性，抗外界幹擾能力較強，缺點是在啟（qǐ）動和停止時所需時（shí）間較長，特（tè）別是在主軸係統減速的過程中，由於主（zhǔ）軸與軸承之（zhī）間的摩擦力較（jiào）小，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（yào）求較高（gāo）。

2.2 主軸傳動方式     

主軸係統的動力來（lái）源（yuán）於驅動（dòng）電機（jī），驅動電機具有調速範圍（wéi）大、無級（jí）變速等特點，使主軸係統的結構（gòu）有了較大的簡化。主軸動力傳遞係統根據其結構不同（tóng），可分（fèn）為（wéi）電機直驅、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（tǒng）是通過將（jiāng）主軸直接與電機輸（shū）出（chū）軸連接或（huò）通過聯軸器連接，這樣的傳動結構（gòu）使用（yòng）的傳動部件（jiàn）較少，從而使主軸係統的結構得到大大簡化，且（qiě）主軸與電機（jī）直連，主軸的轉速（sù）與電（diàn）機輸出的速度（dù）一致，因此可（kě）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（dān）直接，與此同時，由（yóu）於電機性能直接影響主軸的運動參數，因此對電機的性能要求較高。

②定（dìng）比傳動。定比（bǐ）傳動的主軸傳動結構是通過驅（qū）動電機提供動力，電機輸出軸將動力通過一個固定（dìng）傳動比的齒輪或帶傳動傳遞到主軸，帶動主軸高速轉動。其中，由於帶傳動屬於撓性傳（chuán）動，能夠吸（xī）收傳動過程中的振（zhèn）動，具有噪音小、振動小等優（yōu）點（diǎn），但是帶（dài）傳動存在彈性滑動，使傳（chuán）動比不恒定，且傳動能力不如齒輪傳動，因此一般常用於中小型機床；齒（chǐ）輪傳動具有傳動比恒定、傳動穩定、效率高等特點，具有較高的承載能力，因此在定比傳動中應（yīng）用廣泛。主軸係統定比傳動（dòng）的結（jié）構，在一定（dìng）程度上能（néng）夠滿足主軸功率與轉矩的要求，但由於其傳動（dòng）比恒定，電機的轉速直（zhí）接對（duì）主軸轉速具有決定性作用。

③多檔位變速傳動。多檔位變速（sù）傳動結構是指在電機輸（shū）出軸與主軸之間通過多級變速器連接，能夠實現變速調節，在電機（jī）轉速一定的情況下，可通過傳動比的調整從而改變主軸的（de）轉速，解決了主軸電動機的功率特性與機床主軸功率特性（xìng）難以匹配的問題。目前已有的驅動電機一般可實現無級變（biàn）速，本身的變速範圍為 1 比（bǐ） 100 至（zhì） 1000，配合變速機構基（jī）本能夠滿足目前大部分（fèn）主軸（zhóu）的功率及轉矩要求，若（ruò）變速機構的（de）級數太（tài）高會導致變速機構尺寸和重量大、結構（gòu）複雜，因此級數（shù）不宜太高，一般取（qǔ） 2 級變速傳動（dòng）較為合適。

3、導軌運動係統（tǒng）

超精（jīng）密車床導軌運動係統是帶動刀具進（jìn）行進給運動的（de）重要運動方（fāng）式，一（yī）般為沿 X 方向的（de）直線運動，其運動精（jīng）度（dù）和（hé）穩定性（xìng）對所加工（gōng）零（líng）件的表麵質量具有決定（dìng）性作用，導軌運動係統主要由導軌和傳動係統組成。

3.1 精密導軌（guǐ）

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（chéng）中，液（yè）壓源的油（yóu）泵為液態靜壓導軌供油，油泵（bèng）的（de）振動會（huì）傳遞到（dào）機床床身，這將導致超精密車床運（yùn）動係統發生振動。振動導致刀尖（jiān）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（hén），影響工（gōng）件的表麵質量。當使用空氣靜壓導軌時，由於所提供的（de）空氣壓（yā）力較為穩定，床（chuáng）身振（zhèn）動減小，加工工件的表（biǎo）麵質量顯著提高。空氣靜壓導軌精度高、發熱小、使用（yòng）壽命長，是超精密車床導軌係統的理想構件，能夠滿足（zú）超精密車床的使用要求。因此，超精密車床導軌運動係統通常使用空（kōng）氣（qì）靜壓導軌。由於（yú）所需切削力較小，因此驅動電機的功率要求不高，導軌總體運動較（jiào）平穩。在導（dǎo）軌（guǐ）係統中沒有位（wèi）置傳感器，為了實現（xiàn）導（dǎo）軌的精確控製，采用半閉環伺（sì）服係（xì）統控製，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]，從而反映出導軌的運動速度和位置，該（gāi）半閉環伺服控（kòng）製係統不包含滾珠絲杠的控製，滾珠絲杠的運動精度有其製造

精度和安裝精度決定[7]。

3.2 導軌進給驅（qū）動方式

“伺（sì）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”三種導軌進給驅動的方式是目前超精密機床導（dǎo）軌係統最為常用的驅動方式，他們各有優劣，可根據（jù）實際需（xū）求進行選取。

①伺服電（diàn）機+滾珠絲杠副。“伺（sì）服（fú）電機（jī）+滾（gǔn）珠絲（sī）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式，滾珠絲杠能將電機的旋（xuán）轉運動轉換為直線運（yùn）動，使用滾（gǔn）珠絲杠實現直（zhí）線運動具有（yǒu）較長的曆史，經過技術的不斷更行和優化，滾珠絲（sī）杠技（jì）術越來越成熟，成本低廉、應用廣（guǎng）泛，特別適用於載荷強度不（bú）高（gāo）、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（dōu）會影響滾珠（zhū）絲杠運動精度，從而影響導軌的運動精度。因此導軌係統對滾珠絲杠（gàng）的製造精度（dù）及其剛度具有較（jiào）高要求（qiú）。

②“伺服電機（jī）+摩擦傳動”。由於摩擦驅動的傳動方（fāng）式能夠（gòu）保證導軌運動係統的傳動（dòng）平穩性（xìng），因此“伺服電機+摩擦（cā）傳動”也（yě）被廣泛應用於導軌驅動。使用摩擦傳動具有傳動穩定性好、沒有反向間隙（xì）等優點，因（yīn）此在一些轉速要求較高同時要求沒有反（fǎn）向間（jiān）隙的（de）超精密車床上應（yīng）用廣（guǎng）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（zài）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（jiē）驅動。隨著超精（jīng）密車床的加（jiā）工高速化要求變化，直線電機直（zhí）驅的驅動方式（shì）作（zuò）為一種新型的進給驅動方式應（yīng）運而生，與上述（shù）兩種（zhǒng）傳動方式相比，直線（xiàn）電機直驅的（de）傳動方式是通過電機直接驅（qū）動導軌實現直線運動，沒有中間的傳動機構，傳（chuán）動部件少，結（jié）構簡單，具有傳動剛度高、運動平穩、重複定位精度高等特點。但是導軌係統對直線電機的要求較高，控製係統較為（wéi）複雜，價格昂貴，同（tóng）時（shí）需要考慮防護、自鎖等安全問題。直線電機直驅的傳動方式主要應用於定位（wèi）運動多、進給速度高且加速頻繁的（de）場合。

4、總結

針對超精密（mì）車床運動係統結構（gòu）複雜的問題，針對主軸係統及導軌運動係統，分別進行了（le）傳動原理分析，講（jiǎng）述了各類傳動結構（gòu）的優缺點及其適用場合，分析（xī）了主軸運動係統及導軌運動係統的不同結構設計對超精密車床（chuáng）控製係統的影響。為超（chāo）精密車床（chuáng）運動的高精度控（kòng）製提供（gòng）了理論支撐。