超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
2022-3-31 來(lái)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(chē)床在加工盤(pán)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(guó)家武器裝備制造領(lǐng)域的實(shí)力的表現(xiàn)[1]，在民用領(lǐng)域也有重要作用。超精密車(chē)床的運(yùn)動(dòng)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(duì)超精密車(chē)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
1、超精密車(chē)床整體介紹
超精密車(chē)床的主要組成包括床身、主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、刀具以及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)特性，在加工反射鏡等盤(pán)形零部件及圓錐形零件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在進(jìn)行超精密切削加工過(guò)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(dòng)工件高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動(dòng)刀具進(jìn)行沿導(dǎo)軌方向的直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[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(xiàn)度都對(duì)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行考慮，降低導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)對(duì)主軸系統(tǒng)精度的影響，提高加工精度。
超精密車(chē)床主要應(yīng)用于端面及圓錐面的加工，主軸系統(tǒng)帶動(dòng)裝夾在主軸端部的工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng)；背吃刀量由刀架進(jìn)行調(diào)整；導(dǎo)軌系統(tǒng)帶動(dòng)刀架上的刀具進(jìn)行沿 X 方向的直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過(guò)上述三個(gè)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)車(chē)削加工，其中主要的運(yùn)動(dòng)是主軸帶動(dòng)工件的主切削運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)軌帶動(dòng)刀具的直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[3]，且兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制是相對(duì)獨(dú)立的，可分開(kāi)考慮。
2 主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
精密主軸和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)共同組成了主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，精密主軸作為主軸傳動(dòng)系統(tǒng)上的一個(gè)執(zhí)行部件，影響主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精度的是精密主軸的制造精度。在切削過(guò)程中，由傳統(tǒng)系統(tǒng)提供動(dòng)力帶動(dòng)主軸上的工件轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)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(jī)床高精度運(yùn)動(dòng)的保障，一般情況下，超精密車(chē)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(dòng)軸承當(dāng)中的一種，其結(jié)構(gòu)和工作原理與液體滑動(dòng)軸承類(lèi)似，不同的是采用氣體（多為空氣）作為潤(rùn)滑介質(zhì)[4]。當(dāng)外部壓縮氣體通過(guò)節(jié)流器進(jìn)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，依靠該氣膜的潤(rùn)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(shí)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(méi)有摩擦，能夠保證主軸系統(tǒng)在較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間后不會(huì)因摩擦而導(dǎo)致精度降低，使用壽命長(zhǎng)；在主軸系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，主軸仍然會(huì)產(chǎn)生熱量，由于主軸與軸承之間有高速流動(dòng)的空氣，可將大部分熱量直接帶到空氣中，通過(guò)強(qiáng)迫熱對(duì)流進(jìn)行散熱，因此，主軸系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中溫升小，熱變形較小；超精密切削過(guò)程中，一般背吃刀量都在微米級(jí)別，切削力較小，因此對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和功率要求不高；由于車(chē)床裝夾工件為懸臂式裝夾，對(duì)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，因此，一般情況下主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子。主軸重量大的優(yōu)點(diǎn)是能夠使主軸系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性，抗外界干擾能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是在啟動(dòng)和停止時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)，特別是在主軸系統(tǒng)減速的過(guò)程中，由于主軸與軸承之間的摩擦力較小，減速所需制動(dòng)力主要靠電機(jī)完成，因此對(duì)主軸電機(jī)的性能要求較高。
2.2 主軸傳動(dòng)方式
主軸系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有調(diào)速范圍大、無(wú)級(jí)變速等特點(diǎn)，使主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了較大的簡(jiǎn)化。主軸動(dòng)力傳遞系統(tǒng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，可分為電機(jī)直驅(qū)、定比傳動(dòng)以及多檔位變速傳動(dòng)。
①電機(jī)直驅(qū)。電機(jī)直驅(qū)的主軸系統(tǒng)是通過(guò)將主軸直接與電機(jī)輸出軸連接或通過(guò)聯(lián)軸器連接，這樣的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使用的傳動(dòng)部件較少，從而使主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到大大簡(jiǎn)化，且主軸與電機(jī)直連，主軸的轉(zhuǎn)速與電機(jī)輸出的速度一致，因此可通過(guò)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的方式直接控制主軸轉(zhuǎn)速，控制簡(jiǎn)單直接，與此同時(shí)，由于電機(jī)性能直接影響主軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，因此對(duì)電機(jī)的性能要求較高。
②定比傳動(dòng)。定比傳動(dòng)的主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)輸出軸將動(dòng)力通過(guò)一個(gè)固定傳動(dòng)比的齒輪或帶傳動(dòng)傳遞到主軸，帶動(dòng)主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，由于帶傳動(dòng)屬于撓性傳動(dòng)，能夠吸收傳動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)，具有噪音小、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，但是帶傳動(dòng)存在彈性滑動(dòng)，使傳動(dòng)比不恒定，且傳動(dòng)能力不如齒輪傳動(dòng)，因此一般常用于中小型機(jī)床；齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)，具有較高的承載能力，因此在定比傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛。主軸系統(tǒng)定比傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，在一定程度上能夠滿(mǎn)足主軸功率與轉(zhuǎn)矩的要求，但由于其傳動(dòng)比恒定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接對(duì)主軸轉(zhuǎn)速具有決定性作用。
③多檔位變速傳動(dòng)。多檔位變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是指在電機(jī)輸出軸與主軸之間通過(guò)多級(jí)變速器連接，能夠?qū)崿F(xiàn)變速調(diào)節(jié)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，可通過(guò)傳動(dòng)比的調(diào)整從而改變主軸的轉(zhuǎn)速，解決了主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸功率特性難以匹配的問(wèn)題。目前已有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，本身的變速范圍為 1 比 100 至 1000，配合變速機(jī)構(gòu)基本能夠滿(mǎn)足目前大部分主軸的功率及轉(zhuǎn)矩要求，若變速機(jī)構(gòu)的級(jí)數(shù)太高會(huì)導(dǎo)致變速機(jī)構(gòu)尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此級(jí)數(shù)不宜太高，一般取 2 級(jí)變速傳動(dòng)較為合適。
3、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
超精密車(chē)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)刀具進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的重要運(yùn)動(dòng)方式，一般為沿 X 方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性對(duì)所加工零件的表面質(zhì)量具有決定性作用，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。
3.1 精密導(dǎo)軌
目前，超精密機(jī)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(chē)削過(guò)程中，液壓源的油泵為液態(tài)靜壓導(dǎo)軌供油，油泵的振動(dòng)會(huì)傳遞到機(jī)床床身，這將導(dǎo)致超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)導(dǎo)致刀尖點(diǎn)相對(duì)于工件發(fā)生相對(duì)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(shí)，由于所提供的空氣壓力較為穩(wěn)定，床身振動(dòng)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(zhǎng)，是超精密車(chē)床導(dǎo)軌系統(tǒng)的理想構(gòu)件，能夠滿(mǎn)足超精密車(chē)床的使用要求。因此，超精密車(chē)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)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(dòng)電機(jī)的功率要求不高，導(dǎo)軌總體運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。在導(dǎo)軌系統(tǒng)中沒(méi)有位置傳感器，為了實(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況是通過(guò)電機(jī)軸端的光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)[6]，從而反映出導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)精度有其制造
精度和安裝精度決定[7]。
3.2 導(dǎo)軌進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式
“伺服電機(jī)+滾珠絲杠副”、“伺服電機(jī)+摩擦傳動(dòng)”和“直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”三種導(dǎo)軌進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的方式是目前超精密機(jī)床導(dǎo)軌系統(tǒng)最為常用的驅(qū)動(dòng)方式，他們各有優(yōu)劣，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選取。
①伺服電機(jī)+滾珠絲杠副。“伺服電機(jī)+滾珠絲杠副”驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是在超精密車(chē)床上使用最為廣泛的導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)方式，滾珠絲杠能將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使用滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)具有較長(zhǎng)的歷史，經(jīng)過(guò)技術(shù)的不斷更行和優(yōu)化，滾珠絲杠技術(shù)越來(lái)越成熟，成本低廉、應(yīng)用廣泛，特別適用于載荷強(qiáng)度不高、進(jìn)給速度低、行程小的超精密機(jī)床。但是，比如安裝誤差、絲杠受重力發(fā)生彎曲等因素都會(huì)影響滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)精度，從而影響導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度。因此導(dǎo)軌系統(tǒng)對(duì)滾珠絲杠的制造精度及其剛度具有較高要求。
②“伺服電機(jī)+摩擦傳動(dòng)”。由于摩擦驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式能夠保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)平穩(wěn)性，因此“伺服電機(jī)+摩擦傳動(dòng)”也被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)。使用摩擦傳動(dòng)具有傳動(dòng)穩(wěn)定性好、沒(méi)有反向間隙等優(yōu)點(diǎn)，因此在一些轉(zhuǎn)速要求較高同時(shí)要求沒(méi)有反向間隙的超精密車(chē)床上應(yīng)用廣泛。由于其運(yùn)動(dòng)通過(guò)摩擦進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(jìn)行傳動(dòng)。
③直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。隨著超精密車(chē)床的加工高速化要求變化，直線(xiàn)電機(jī)直驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式作為一種新型的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生，與上述兩種傳動(dòng)方式相比，直線(xiàn)電機(jī)直驅(qū)的傳動(dòng)方式是通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有傳動(dòng)剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、重復(fù)定位精度高等特點(diǎn)。但是導(dǎo)軌系統(tǒng)對(duì)直線(xiàn)電機(jī)的要求較高，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，價(jià)格昂貴，同時(shí)需要考慮防護(hù)、自鎖等安全問(wèn)題。直線(xiàn)電機(jī)直驅(qū)的傳動(dòng)方式主要應(yīng)用于定位運(yùn)動(dòng)多、進(jìn)給速度高且加速頻繁的場(chǎng)合。
4、總結(jié)
針對(duì)超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，針對(duì)主軸系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了傳動(dòng)原理分析，講述了各類(lèi)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，分析了主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)超精密車(chē)床控制系統(tǒng)的影響。為超精密車(chē)床運(yùn)動(dòng)的高精度控制提供了理論支撐。
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