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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??;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??諝忪o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。