1、4.1 精密和超精密机床发展概况及 4.2 典型超精密机床的简介 4.3 精密主轴部件 4.4 床身和精密导轨部件 4.5 进给驱动系统 4.6 微量进给装置 4.7 机床运动部件位移的激光在线检测系统 4.8 机床的稳定性和减振隔振 4.9 减少变形和恒温控制2023-6-12023-6-1 精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；19831984研制成功大型超精密金刚石车床DTM3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密
2、机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床等。一、发展情况一、发展情况2023-6-11.美国POMA计划要求的精度美国Union Carbide公司、Moore Special Tool公司和美国空军兵器研究所一起于20世纪90年代制订了一个形状精度0.1m,加工直径为800mm的大型球面光学零件的超精加工规划,即举世闻名的POMA规划(Point One Micrometer Accuracy)。它对机床提出了极严格的要求。二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划2023-6-1表4-1
3、是POMA规划对精度的具体要求,该规划已经实现。例如,美国Moore公司现在生产的Nanotech-500FG五轴数控超精密机床的主要精度指标都已达到上述要求。二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划表4-1美国POMA规划的要求精度(单位:m)2023-6-12.日本提出的“超超精密机床”规划日本也在原来超精密机床的基础上,再进一步规划更高精度的机床。按日本的提法,也就是研制“超超精密机床”。表4-2是日本提出的该规划的各项指标。该规划主要围绕提高超精密机床精度性能而提出的设想,共有13个子课题,并已在20世纪内完成。该规划是以纳米级精度作为目标的。二、超精密机床进一步发
4、展的规划二、超精密机床进一步发展的规划2023-6-1二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划表4-2日本提出的“超超精密机床”精度规划2023-6-13.中国精密机床和超精密机床的发展情况我国在20世纪60年代起开始发展精密机床,经过40多年的努力,现在我国的精密机床生产已具有相当规模,不仅大部分品种都已能够生产,而且在精度质量上也已达到一定的水平。例如昆明机床厂、宁江机床厂和汉川机床厂能生产多种坐标镗床,有立式的并且有卧式的,都已装有精密数控系统,坐标镗床的定位精度达到(25)m。二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划2023-6-13.中国精密机
5、床和超精密机床的发展情况宁江机床厂还生产连续轨迹数控坐标磨床,定位精度2m。重庆机床厂生产高精度滚齿机,武汉重型机床厂生产大型高精度滚齿机。重庆机床厂、武汉机床厂、上海机床厂等均研制成功高精度蜗轮母机,使加工的蜗轮精度明显提高。上海机床厂和秦川机床厂生产多种磨齿机,其中Maag型磨齿机可加工45级精度的齿轮,汉中机床厂生产螺纹磨床和高精度蜗杆磨床。国内现在有多家工厂生产三坐标测量机,都已批量生产多种规格的三坐标测量机,据用户反映性能良好。二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划2023-6-13.中国精密机床和超精密机床的发展情况1987年北京机床研究所研制成功加工球面的J
6、SC-027型超精密车床。后来又研制成功JSC-035型数控超精密车床。1998年,北京机床研究所制成的加工直径800mm的NAM-800型CNC超精密金刚石车床(图4-1)和SQUARE-200型等超精密铣床,哈尔滨工业大学研制成加工直径300mm的CNC超精密车床,2006年,哈尔滨工业大学研制成加工KDP晶体的大平面超精密飞刀切削机床(图4-2)。二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划2023-6-13.中国精密机床和超精密机床的发展情况我国超精密机床的生产和研制虽已取得不小的成绩,但和国外相比仍有相当大的差距。要从国外引进受保密、禁运的限制,只能靠自己开发研究,因
7、此必须大力加强我国自己的开发研究能力。二、超精密机床进一步发展的规划二、超精密机床进一步发展的规划图4-1NAM-800型CNC超精密金刚石车床图4-2加工KDP晶体的大平面超精密飞刀切削机床2023-6-1二、典型超精密机床简介二、典型超精密机床简介Union Carbide 公司的半球车床能加工直径?100mm的半球，达到尺寸精度0.6m，表面粗糙度Ra=0.025m。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。2023-6-1二、典型超精密机床简介二、典型超精密机床简介Moore 车床由Moore 3型坐标测量机
8、改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore 3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。2023-6-1二、典型超精密机床简介二、典型超精密机床简介Moore 车床该机床可高精度地加工各种光学部件和激光光学系统的各种反射镜。其加工精度见表。表4-3Moore车床加工的激光反射镜精度(1976年)2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介Ex-Cell-O公司的2m镜面立式车床 1976年美国Ex-Cell-O公司开发了加工金属反射镜直径达2m的金
9、刚石镜面切削车床。Ex-Cell-O公司原来已拥有最高精度的滚动轴承机床的制造技术,但对于加工直径为2m的光学部件来说,滚动轴承机床加工的反射镜达不到要求的精度,因而开发了新的空气静压轴承回转轴的超精密车床,制成用双半球结构空气轴承主轴的-G型卧式车床,和用端面止推轴承、半球空气静压轴承主轴结构的-B型立式车床。这种立式车床主轴的径向圆跳动为0.100.13m,轴向圆跳动为0.150.18m,2000r/min运转8h的温升在5.6以内,径向刚度为361N/m。Los Alamos科学实验室(LANL)使用这种车床切削8个波束CO2激光Helicos系统上的金属反射镜,均达到要求的精度。202
10、3-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介美国Rank Pneumo 公司的MSG-325超精密车床 采用T形布局,即主轴箱下有导轨,做z向运动,刀架滑板做x向运动,这样有利于提高精度。机床空气主轴的径向圆跳动和轴向圆跳动均0.05m。床身和溜板均用花岗岩制造,床身用重7t的2m1.2m0.6m的花岗岩,导轨为气浮导轨。机床用滚珠丝杠和分辨力为0.01m的双坐标精密数控系统驱动,用HP5501A双频激光干涉仪精密检测主轴箱和刀架的位移,作为闭环数控系统的反馈。使用精密的圆弧刃金刚石刀具加工非球曲面的反射镜,可以达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度值。2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床
11、简介美国LLL实验室DTM-3大型超精密车床用于加工激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜的反射镜(包括X光天体望远镜)等。该机床可加工最大?2100mm,质量4500kg的零件。图4-5所示为该机床的外观图。该机床的设计精度为:半径方向形状精度27.9 nm,圆度、平面度12.5nm(p-v值),加工表面粗糙度Ra4.2nm。2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介美国LLL实验室DTM-3大型超精密车床超精密机床中最重要的问题是超精密运动位置的确定技术。采用了精密数控伺服方式,控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪,精确测量定位。为了实现刀具的微量进给,在
12、DC伺服机构内装有压电微位移机构,可实现纳米级微位移。该机床和该实验室1984年研制的另一台大型超精密车床LODTM一起是现在世界上公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介美国LLL实验室DTM-3大型超精密车床该机床的主要技术性能如下:(1)检测系统(Metrology Loop)长距离测定用分辨力2.5nm的He-Ne激光干涉仪,短距离测定用分辨力0.625nm的差动式电容测微仪。(2)主轴与导轨主轴采用油静压径向轴承,空气静压推力轴承,主轴刚度500N/m。x向采用平面液体静压导轨,z向采用平面空气静压导轨。(3)导轨运动系统的驱
13、动与控制x轴、z轴的驱动由DC电动机与有静压轴承的?50mm的摩擦驱动轮驱动,频带宽10Hz,最大进给量2.5mm/s。并有PZT(PbZrO-PbT)陶瓷压电元件驱动刀具的微位移机构(范围:2.5m)进行误差修正。(4)恒温控制及底座在6m2空间内流体温度控制可达(200.0006),空气温度控制可达(200.005)。2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介大型光学金刚石车床LODTM 机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，使用He-Ne双频激光测量器,分辨力为0.625nm。4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿
14、，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。图4-6美国LLL实验室的大型光学金刚石车床(LODTM)2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介大型光学金刚石车床LODTM为避免机床受水泵振动的影响,恒温冷却水是用水泵打入储水罐,恒温水是靠重力流到机床需要冷却的部分。这台大型超精密车床精度很高,经美国原国家标准局(NBS)进行精度检测,实测的结果见表。表4-4美国LODTM大型超精密机床实测精度(单位:m)2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介英国Cranfield公司的OAGM 2500大型超精密机床机床的x和y向导轨采用液体静
15、压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，中间用人造花岗岩填充，机床用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置，并向数控系统反馈控制。2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介美国Moore公司的500FG超精密机床该机床不仅可加工精密回转体非球曲面,并可加工精密自由曲面。机床空气轴承主轴转速202000r/min,回转误差0.025m。液体静压导轨由无刷直线电动机驱动,直线度误差0.3m/300mm。机床采用T形布局:主轴箱做z向运动,工作台做x向运动。工作台上装有转台,为数控联动的B轴,超精密车削时转台上装金刚石车刀,加工自由曲面时可装砂轮磨头或铣刀。加工自由曲面
16、时,装工件的主轴除有z向运动外,还可做垂直的y向运动(即工件可做z向和y向运动),主轴的转动作为数控联动的C轴(即工件相当于装在C轴的转台上)。机床装有高精度光栅尺测量系统和高分辨率数控闭环反馈控制系统。2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介美国Moore公司的500FG超精密机床图4-8美国Moore公司五轴联动500FG超精密机床2023-6-1二、典型机床简介二、典型机床简介日本TOYOTA公司AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.0
17、1m，激光测量反馈，定位精度全行程0.03m。刀具的切削刃通过显微镜放大显示在屏幕上,易于定位,提高加工精度。2023-6-1一、液体静压轴承主轴一、液体静压轴承主轴液体静压轴承常用的油压为0.61MPa。液压油通过节流孔进入轴承耦合面间的油腔,使轴在轴套内悬浮,不产生固体摩擦。当轴受力偏斜时,耦合面间泄油的间隙改变,造成相对油腔中油压不等,该油的压力差将推动轴回到原来的中心位置。液体静压轴承可达到较高的刚度。液体静压推力轴承一般由两个相对的止推面做在轴的同一端,如图。图4-10典型液体静压轴承主轴结构原理图 1径向轴承2推力轴承3真空吸盘2023-6-1一、液体静压轴承主轴一、液体静压轴承主
18、轴液体静压轴承有较高的刚度和回转精度,但有下列缺点不易解决:1)液体静压轴承的油温升高。在不同转速时温度升高值不等,因此要控制恒温较难。温度升高将造成热变形,影响主轴精度。2)静压油回油时将空气带入油源,形成微小气泡悬浮在油中,不易排出,因此将降低液体静压轴承的刚度和动特性。2023-6-1一、液体静压轴承主轴一、液体静压轴承主轴为解决前面提到的两个难题,该机床采用如下措施:1)提高静压油的压力到68MPa,使油中微小气泡的影响减小,提高了静压轴承的刚度和动特性。2)静压轴承用油经温度控制,基本达到恒温,减小轴承的温升。3)轴承用恒温水冷却,减小轴承的温升。2023-6-1一、空气静压轴承主轴
19、一、空气静压轴承主轴空气静压轴承有很高的回转精度,在高速转动时温升很小,因此造成的热变形误差很小。空气静压轴承的应用促进了超精密机床的发展。空气静压轴承的主要问题是刚度低,阻尼系数小,只能承受较小的载荷。超精密切削时切削力很小,空气静压轴承能满足要求,故在超精密机床中得到广泛的应用。2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承类似,轴由压力空气浮在轴套内,轴的中心位置由两相对表面的静压空气压力差维持。由于空气的流动性很好,因此轴承两耦合面间(轴与套之间)的空气泄气间隙很小(常用间隙单边615m)。轴套中的空气腔面积很小,或在空气输入的节流孔端做一
20、倒棱,或沿轴向做一窄槽,两端均留较长的无槽泄气面。由于这种轴承的轴与套之间的间隙很小,回转精度要求又高,故轴与轴套均要求很高的制造精度。如同一轴上有两个径向轴承,两轴承要求很高的同轴度;同一轴上的径向轴承和推力轴承之间垂直度也要求很高,否则空气轴承主轴的回转精度就受到影响。2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴1.圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承这种空气轴承主轴结构比较简单,但要求前后径向轴承有很高的同轴度,径向轴承和推力轴承有很高的垂直度,因此要求很高的制造工艺水平。日立精机的超精密车床使用这种结构的空气轴承主轴,获得较好效果。这种结构的空气轴承可以有较高的轴向刚度。20
21、23-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴1.圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承该结构中径向轴承的轴套制成外面鼓形,能自动调整定心。先通气使轴套自动将位置调好后再固定,这样可提高前后轴套的同轴度,以提高主轴的回转精度。这种结构的空气轴承,采用多孔石墨的轴衬来代替输入空气的小孔节流,使用效果良好。使用多孔石墨作为空气节流的衬套还有很大好处,即在没有空气状态下轴如少量旋转,不会和轴套咬住使主轴损坏。现在国外很多空气轴承都使用多孔石墨来作为空气节流的衬套。但用这种方法要求所用的多孔石墨组织均匀,各处透气率相同;这种多孔石墨制造技术难度很大。2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴
22、承主轴2.双半球空气轴承主轴前后轴承均采用半球状,既是径向轴承又是推力轴承。由于轴承的气浮面是球面,有自动调心作用,因此可以提高前后轴承的同轴度,从而提高主轴的回转精度。图4-11内装式双半球空气轴承同轴电动机驱动 主轴箱(CUPE)1前轴承2供气孔3后轴承4定位环 5旋转变压器6无刷电动机7外壳 8轴9多孔石墨2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴3.前部用球形,后部用圆柱径向空气轴承的主轴这种结构因一端为球形,同时起到径向和轴向推力轴承的作用,并有自动调心的作用,可以提高前轴承和后轴承(圆柱径向轴承)的同轴度,从而提高了主轴回转精度。图4-12一端为球形轴承一端为圆柱径向
23、轴承的空气轴承主轴(东芝机械)1球轴承2主轴3径向轴承4电磁联轴器5径向及推力轴承6带轮2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴3.前部用球形,后部用圆柱径向空气轴承的主轴这种空气轴承主轴的主要性能见下表。从表中的数值可看到,这种球形轴承主轴的刚度和承载能力均不高,优化轴承参数可以提高其刚度和承载能力。在有更高要求时,可加大球形轴承的尺寸。表4-5一端用球形轴承的空气轴承主轴的性能(东芝机械)2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴4.立式空气轴承对于大型超精密车床,空气轴承主轴常采用立式结构,如图。这种立式主轴结构的空气静压轴承有如下特点:空气推力轴承的下止推
24、面都大于上止推面,以平衡主轴的重量,使上下止推面的空气间隙相等,都处于最佳状态;径向轴承制成圆弧面,可起到自动调心、提高精度的作用图4-13垂直轴空气轴承工作台结构(Ex-Cell-O公司的-B型立轴车床用)1多孔石墨轴衬2驱动轴3气隙2023-6-1一、空气静压轴承主轴一、空气静压轴承主轴5.大平面铣床的主轴轴承加工KDP晶体的超精密大平面铣床,一般都采用大直径的单刃铣刀(飞刀)而无横向进给。为提高加工平面的精度,这种机床主轴要求极小的轴向圆跳动和较大的角刚度。这种机床主轴的空气轴承结构,可以有两种不同的方案:第一方案是采用大直径的推力轴承,而较短的轴向长度;第二方案是加大主轴两个径向轴承间
25、的距离(即主轴采用较大长度),而采用直径较小的推力轴承。2023-6-1三、超精密主轴和轴承的材料三、超精密主轴和轴承的材料3.前部用球形,后部用圆柱径向空气轴承的主轴机床主轴和轴承的材料选取:首先,不易磨损。空气静压轴承主轴正常工作时虽不会产生磨损,但偶然不通气时会发生接触转动,要求主轴和轴套不易咬住或磨损。其次,材料应不易生锈腐蚀。空气轴承工作时无润滑剂,工作时通入的压缩空气虽是干燥的,不致生锈腐蚀,但在轴承不工作时,潮湿空气会进入轴承内,因此要求轴承材料不易生锈腐蚀。第三,材料要稳定并且线膨胀系数要小。空气轴承工作时虽温升不大,仅13,但仍会改变空气轴承的气隙,使主轴产生热变形,影响其性
26、能和回转精度,故应采用线膨胀系数小的材料,主轴和轴套应用线膨胀系数接近的材料,并且可采用恒温油浇淋降温。2023-6-1四、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式1.电动机通过带传动驱动机床主轴早期的超精密机床都采用这种驱动方式,现在仍有部分超精密机床采用这种驱动方式。采用这种驱动方式,电动机采用直流电动机或交流变频电动机,这种电动机可以无级调速,不用齿轮调速,以减少振动。电动机要求经过精密动平衡并用单独地基,以免振动影响超精密机床。传动带用柔软的无接缝的丝质材料制成。带轮由自己的轴承支承,经过精密动平衡,通过柔性联轴器(常用电磁联轴器)和机床主轴相连。采用上述措施主要是使主轴尽可能和振动隔离。20
27、23-6-1四、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式2.电动机通过柔性联轴器驱动机床主轴现在采用T形总体布局的超精密机床多数采用电动机和机床主轴通过柔性联轴器相连的驱动方案。采用这种驱动方案时,电动机和机床主轴在同一条轴线上,通过电磁联轴器或其他柔性联轴器和超精密机床的主轴相连,这时机床的主轴部件要比通过传动带驱动紧凑得多,这种驱动方式现在在超精密机床中用得较多。2023-6-1四、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式2.电动机通过柔性联轴器驱动机床主轴采用这种主轴驱动方式时,电动机采用直流电动机或交流变频电动机,可以很方便地实现无级调速。电动机应经过精密动平衡,电动机安装时尽量使电动机轴和机床主轴同
28、轴,再用柔性联轴器消除电动机轴和机床轴不同轴引起的振动和回转误差,这样可以尽量提高超精密机床主轴的回转精度。采用这种主轴驱动方式时,主轴部件的轴向长度较长,使整个机床的尺寸加大。2023-6-1四、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式3.采用内装式同轴电动机驱动机床主轴电动机是专制的内装式的,电动机轴即为机床主轴。电动机的转子直接装在机床主轴上,电动机的定子装在主轴箱内,电动机自己没有轴承,而是依靠机床的高精度空气静压轴承支承转子的转动。电动机现在都采用无刷直流电动机,可以很方便地进行主轴转速的无级变速,同时电动机没有电刷,不仅可以消除电刷引起的摩擦振动,而且免除了电刷磨损对电动机运转的影响。为使
29、主轴能获得尽量高的回转精度,电动机转子装上主轴后要求转子和主轴高度同轴,并且转子应经过精密动平衡。2023-6-1四、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式3.采用内装式同轴电动机驱动机床主轴电动机定子也要求和主轴高度同轴,电动机装配后转子和定子间的间隙均匀,使电动机驱动时的径向力尽量小。因为电动机径向力直接影响主轴的回转精度。现在一般的直流电动机都是方波驱动,这时的驱动转矩变化大致在8%10%。这将使主轴的瞬时转速有波动,主轴转速低时,转速波动更明显。在要求主轴转动更平稳时,直流电动机可以采用正弦波驱动,这时驱动转矩波动可以控制在5%以内,但这时直流电动机的控制电路要复杂不少。2023-6-1四、
30、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式3.采用内装式同轴电动机驱动机床主轴内装式同轴电动机驱动机床主轴存在的一个问题是:电动机工作时定子将发热产生温升,使主轴部件产生热变形。为减小热变形,电动机定子应强制通气冷却或将定子外壳做成夹层,通恒温油(或水)冷却。采取以上措施后,可以基本解决内装式电动机的发热问题。主轴电动机做成内装式,电动机和机床主轴同轴,不仅可提高主轴的回转精度,而且主轴箱的轴向长度缩短,主轴箱成为一个独立的、很方便移动的部件。2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局1.十字形滑板工作台布局这种布局中主轴箱位置固定,刀架装在十字形滑板(或溜板)工作台上,做z向和x
31、向运动。现在的精密机床,如坐标镗床和三坐标测量机等,多数采用这种结构布局。图4-14所示为Moore公司三坐标测量机所用的十字形滑板构成的z、x双向工作台。Moore公司生产的M-18AG型超精密非球曲面车床采用这种结构布局。图4-14十字形滑板构成的x、z双向工作台(Moore 3号坐标测量机)2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局1.十字形滑板工作台布局这种结构布局将使下滑板的运动误差叠加到上滑板的运动误差中,故要求十字形滑板的上下导轨都有很高的精度,不仅要求有很高的直线运动精度,而且要求有非常严格的垂直度。此外,现在的超精密机床,采用双频激光干涉仪或光栅尺做z、
32、x方向运动的随机位置检测,采用十字形滑板结构时,必有一路测量系统装在移动的导轨上,这将增加测量误差。2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局2.T形布局T形机床总体布局,即主轴箱完成纵向运动(z向),刀架完成横向运动(x向),如图所示。这种T形布局,使z向和x向运动分离,有很多优点。z向和x向运动的导轨都做在机床的床身上,相互独立,故误差不叠加,无相互干扰,z向和x向导轨可以调整到很高的垂直度。此外,检测z、x向运动位置的双频激光在线测量系统都可以装在固定不动的床身上,仅测量移动位置用的反射镜装在z、x方向的移动部件上。图4-15T形机床总体布局1横滑板(刀架)2纵滑板
33、(主轴箱)3床身4工件2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局3.R-布局刀架滑板装在回转工作台上,改变刀座半径R可加工一定范围曲率半径的球面。回转工作台的转角和半径R数控联动,可加工平面和各种凹凸非球曲面。在工件的厚度改变时,主轴箱(或回转工作台中心)需要在z向调整。这种R-布局因高精度圆弧导轨制造不易,且加工调整用极坐标计算,和习惯用的直角坐标不一致,故用得不多。2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局4.偏心圆转角布局其工作原理如图4-16所示。工作时金刚石车刀3围绕刀具转轴O-O2摆动,刀尖的运动轨迹为一段圆弧(在平面6内),刀尖运动轨迹
34、圆必须严格通过工件的中心点,该运动为切削时的进给运动。车刀主轴箱5可绕垂直轴心O摆动,以得到不同的转角,O点偏离工件轴线O1-O1的距离为固定值A。当刀具转轴O-O2和工件轴线O1-O1平行时(=0),刀尖运动平面6和工件轴线垂直,和工件旋转运动配合,可切出工件的平端面。2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局4.偏心圆转角布局该机床的主要优点是加工球面和平面时,完全不需要导轨的直线运动(直线导轨很难加工到很高精度),故加工精度和表面质量都很高。此外,这种机床结构比较简单和紧凑。图4-16偏心圆转角布局机床工作原理1工件主轴2工件3金刚石车刀4刀架臂5车刀主轴箱6刀尖运
35、动平面2023-6-1一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局5.立式结构布局当工件直径较大并且重量较重时,超精密机床多采用立式结构布局。常用的立式布局结构如图4-6所示。超精密机床要求高的刚度,故多用龙门形式,滑板在横梁上做x向运动,刀架在滑板上沿z向上下运动。这种十字滑板结构x向的运动精度将直接影响z向运动的精度。在机床精度要求特别高时,如美国的LODTM大型超精密立式机床,它采取了特殊的在线测量和误差补偿措施,来消除运动误差。2023-6-1二、床身和导轨的材料二、床身和导轨的材料铸铁是传统的制造床身和导轨的材料,它的优点是工艺性好。应选用耐磨性好、热膨胀系数低、对振动衰减能力强
36、、并经时效消除内应力的优质合金铸铁作为精密机床的床身和导轨,可以得到满意的结果。近年来多数精密坐标测量机和超精密机床改用花岗岩。但美国Moore公司和瑞士SIP公司有些机床仍使用铸铁床身导轨,他们认为,天然花岗岩有吸湿性,会导致微量变形,降低机床的精度,反不如铸铁好。优质耐磨铸铁优质耐磨铸铁2023-6-1花岗岩花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。花岗岩和铸铁等材料的性能对比见表。表4-6几种机床结构材料的性能对比2023-6-1人造花岗岩人造花岗岩由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，用不同粒度的花岗岩碎粒组合,可提高人造花岗岩的体积分数(可达90%
37、95%),使人造花岗岩有优良的性能可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。2023-6-1三、滚动导轨三、滚动导轨超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度,不能有爬行,导轨耦合面不能有磨损。这一方面要求导轨有很高的制造精度,另一方面要求导轨的材料要有很高的稳定性和耐磨性。导轨的耦合形式中,滑动摩擦接触已很少采用。精密和超精密机床现在常采用的导轨有:滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、空气静压导轨。滚动导轨在一般机床和精密机床中已应用多年,近年来滚动导轨技术的提高使其应用又得到扩大。过去滚动导轨用的都为滚柱直线滚动轴承,现在又增加了再循环滚柱滚动组件和再循环滚珠滚动组件。直线运动的精度比过
38、去大为提高,可以达到微米级精度,摩擦因数极低,仅0.0020.003。2023-6-1三、滚动导轨三、滚动导轨1.直线滚柱滚动轴承这是过去长期使用的。滚柱带保持架在导轨的耦合面间做直线滚动,轴承长度根据工作行程长度决定。使用高精度滚柱和一定的预载应力时,可以得到较高的直线运动精度。2023-6-1三、滚动导轨三、滚动导轨2.再循环滚柱滚动组件直线滚柱滚动轴承的工作长度受到轴承长度的限制。再循环滚动组件由于滚柱的再循环,它的工作行程长度可以无限,没有任何限制。图4-17所示为单列滚柱再循环滚动组件的外观图和该组件使用在矩形导轨时,再循环滚柱组件的安装情况。为保证导轨的两侧面导向准确,消除间隙,用
39、调整螺钉侧面给再循环滚动组件加一定的预载应力,如图4-17b所示。图4-17单列滚柱再循环滚动组件及其应用a)外观图b)安装图2023-6-1三、滚动导轨三、滚动导轨3.再循环滚珠滚动组件再循环滚珠滚动组件和再循环滚柱滚动组件相比可以制成更高的精度。过去认为,滚珠滚动组件的承载能力低,现在由于滚珠的滚道制成凹圆弧截形,使承载能力大为提高。根据日本THK公司报道,可取滚道截面圆弧半径r和滚珠半径R之比为r=1.04R,接触区受载弹性变形后形成一定面积的椭圆接触区,大大提高允许载荷。以滚珠直径in(?6.35mm)时为例,在允许接触应力为4200N/m2时,平滚道允许载荷仅为285N,而凹圆弧滚道
40、的允许载荷高达3680N,允许载荷提高了12倍。当精密级滚珠再循环滚动组件用于精密导轨时,预载力不宜很大,一般为34N,摩擦因数为0.002,直线运动精度可以达到1m。2023-6-1三、滚动导轨三、滚动导轨2.再循环滚柱滚动组件还有一种双列滚柱的再循环滚动组件,这种滚动组件用于机床导轨可得到良好的效果。滚柱再循环滚动组件有较大的承载能力,摩擦因数很小,能制成较高精度,适合在精密机床和精密加工中心的导轨上使用。滚柱的制造精度很难达到极高,且同一滚动组件中的滚柱也很难达到直径完全相同,因此高精度的精密机床和超精密机床使用再循环滚柱滚动组件不易达到很高精度。2023-6-1四、液体静压导轨四、液体
41、静压导轨图4-18所示是不同结构的液体静压导轨。由于导轨运动速度不高,液体静压导轨的温度升高不严重,而液体静压导轨刚度高,能承受大的载重,直线运动精度高并且平稳,无爬行现象,所以现在有不少超精密机床使用液体静压导轨。图4-18a所示为平面型液体静压导轨,要求导轨的运动件上下、左右面都在静压油的作用下,可保证很高的导轨运动精度和很高的刚度。图4-18b所示为双圆柱型液体静压导轨。圆柱静压导轨本身可制成很高精度,但两个圆柱导轨要制造调整到严格平行是相当难的。2023-6-1四、液体静压导轨四、液体静压导轨现在很多超精密机床和导轨部件是用天然花岗岩制造的,天然花岗岩由于加工困难无法做成整体,两侧面块
42、和两个下油腔块都需要用螺钉紧固在台面上,由于油压力的作用,很容易产生变形,导致下油腔间隙加大。要减小变形,需加大侧块的宽度,有时会造成结构设计的困难。因此,有的液体静压导轨做成花岗岩和钢的组合体,油路和节油孔做在钢件内,这样不仅解决了结构设计上的困难,并且加工制造也比较容易。该问题对后面讲的空气静压导轨也同样存在。2023-6-1五、气浮导轨和空气静压导轨五、气浮导轨和空气静压导轨1.气浮导轨当导轨上的运动部件重量很重并且压缩空气压力非常稳定时,可采用气浮导轨。气浮导轨常用平导轨,运动导轨的底平面和两侧导轨面有压缩空气,使运动部件(滑板或工作台)浮起,如图所示。图4-19气浮导轨1床身2运动部
43、件2023-6-1五、气浮导轨和空气静压导轨五、气浮导轨和空气静压导轨2.空气静压导轨空气静压导轨运动件的导轨面,上下、左右均在静压空气的约束下,因此和气浮导轨相比有较高的刚度和运动精度。图4-20所示为日立精工超精密机床的空气静压导轨的结构示意图。这是比较典型的空气静压导轨的结构,工作台导轨面的上下、左右均在静压作用下,移动导轨浮在中间,基本没有摩擦力。图4-20平面型空气静压导轨(日立精工)1静压空气2移动工作台,约200kg3底座2023-6-1五、气浮导轨和空气静压导轨五、气浮导轨和空气静压导轨2.空气静压导轨空气静压导轨要得到良好的工作效果,静压空气的节流方式是一个重要因素。现在实际
44、采用的节流方式有:多孔石墨节流、小孔节流、毛细管节流、狭缝节流、表面节流等。以多孔石墨节流效果较好,国外用得较多。但多孔石墨要求透气性均匀、制造不易,在国内还较少采用。小孔节流工艺性好,实际使用效果较好,国内用得较多。毛细管节流和狭缝节流原理和小孔节流相同,但工艺性不如小孔节流好,用得不多。表面节流是在表面开极浅的等压槽,增大气体高压区的面积,一般用作小孔节流方式的补充。现在常用的静压空气压力为0.40.6MPa,气压再高容易产生振荡。2023-6-1五、气浮导轨和空气静压导轨五、气浮导轨和空气静压导轨2.空气静压导轨要使空气静压导轨刚度高、运动平稳、工作效果好,要求移动部件(工作台或滑板)有
45、一定重量。采用小孔节流时,节流孔离排气边缘不可太近,节流孔间可用深1020m、宽12mm的槽相连,以增加高压区的面积,节流孔直径、位置、孔数和耦合面间间隙等应经优化计算,使导轨的刚度高、承载能力大、运动平稳。按空气静压轴承的原理,当运动部件在正中位置,即上、下两静压气隙相等时,刚度最高。对空气静压导轨,移动部件(溜板或工作台)有相当重量,将使其偏离中间位置,刚度下降。故设计空气静压导轨时,可将下气浮面的面积设计成大于上气浮面,使相差的空气浮力正好抵消工作台的重量,从而使移动部件正好处在中间位置,即最大刚度的位置。2023-6-1五、气浮导轨和空气静压导轨五、气浮导轨和空气静压导轨2.空气静压导
46、轨空气静压导轨的刚度和允许载荷的高低,主要是由空气静压导轨的设计、参数优化好坏决定的。空气静压导轨的运动精度主要由导轨的制造精度决定。现在高精密空气静压导轨可达到的直线运动精度约为0.1m/100mm。当机床的空气静压导轨(床身和工作台)采用花岗岩制造时,由于花岗岩加工困难,一般都不做成整体,而做成花岗岩块用螺钉紧固在一起。应注意侧气浮面块的夹固面应有一定宽度,最好能容纳两排螺钉,以保证紧固的刚性,如图。图4-21花岗岩空气静压导轨的结构a)三块式b)二块式1床身2运动件2023-6-1五、气浮导轨和空气静压导轨五、气浮导轨和空气静压导轨3.液体静压导轨表4-7为日本几个工厂的液体静压导轨和空
47、气静压导轨的性能对比,可在选择导轨形式时作为参考。表中未给出液体静压导轨的刚度和允许载荷,这是因为液体静压导轨的刚度和允许载荷都很高,不需要再特殊考虑。表4-7日本有代表性的超精密静压导轨性能2023-6-1一、精密数控系统一、精密数控系统对超精密机床,刀具相对于工件需做纵向(z向)和横向(x向)运动。因此需要有z向和x向的精密数控系统驱动。超精密机床都需要用来加工非球曲面,因此需要双坐标联动的精密数控系统。某些机床,如Moore公司的M-18AG非球面超精密车床,还增加一个精密回转工作台,使上面的金刚石刀具在加工非球曲面时,始终垂直于加工表面,以减小圆弧刃刀具误差对工件形状的影响。这时除有z
48、向和x向精密数控系统外,还增加一个围绕垂直轴旋转的B轴精密数控系统,并要求三轴联动,以加工出所要求的非球曲面。2023-6-1一、精密数控系统一、精密数控系统为了要加工出形状精度很高的非球曲面,要求精密数控系统有很高的分辨力,达到数控系统每脉冲在z向或x向的移动量小于0.01m。现在国外的几个著名的生产数控系统的公司都有分辨力很高的精密数控系统的产品,但在国内因受禁运的限制,不易买到。精密数控系统现在使用直流伺服电动机或交流伺服电动机,用精密在线双频激光测量系统或精密光栅尺检测z向和x向的位移,反馈给精密数控系统形成闭环控制系统,以达到要求的位移精度。最近步进电动机脉冲转角细分技术有了进一步的
49、进展,实现了更小角度转动,提高了转角位移的分辨力。但要完全满足超精密机床精密位移分辨力的要求,步进电动机尚需继续提高。2023-6-1二、滚珠丝杠副驱动二、滚珠丝杠副驱动1.精密滚珠丝杠副的结构原理现在相当多的精密和超精密机床采用精密滚珠丝杠副(见图作为进给系统的驱动元件。图4-22b所示为精密滚珠丝杠副的结构原理图。图4-22精密滚珠丝杠副a)外观图b)结构原理图1油孔2丝杠3密封圈4油罩5滚珠通道6螺母2023-6-1二、滚珠丝杠副驱动二、滚珠丝杠副驱动1.精密滚珠丝杠副的结构原理滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙,否则数控系统控制进给将得不到要求的精度,这要求滚珠丝杠和配合的螺母有一定
50、的预载过盈。由于丝杠的螺距有一定制造误差,故螺母在丝杠上不同位置过盈量将有变化。如预载应力太小,则有可能在丝杠的某一位置有间隙;如预载应力太大,在丝杠的某些位置可能转动不灵活。为能方便精确地调整预载应力,精密级和高精密级滚珠丝杠的螺母常做成两段组合,如图4-22a所示,改变中间垫片厚度可以很方便地调整它的预载应力。现在高精密级的滚珠丝杠副可以做到相邻螺距误差0.51m,积累螺距误差35m/300mm。2023-6-1二、滚珠丝杠副驱动二、滚珠丝杠副驱动1.精密滚珠丝杠副的结构原理现在超精密机床中使用滚珠丝杠副驱动时,都有精密在线检测系统作为进给量的检测和反馈,故丝杠积累误差稍大,问题并不严重。
