超精密車床運動系統結構分析
2022-3-31 來源： 四川建筑職業技術學院 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域具有重要地位，在武器裝備制造中也有廣泛應用，是國家武器裝備制造領域的實力的表現[1]，在民用領域也有重要作用。超精密車床的運動精度直接影響所加工零部件的加工質量，因此有必要針對超精密車床的各個運動系統進行結構分析。
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、刀具以及導軌運動系統，由于其結構特性，在加工反射鏡等盤形零部件及圓錐形零件等領域具有重要應用。在進行超精密切削加工過程中，由于主軸系統的主軸系統負責裝夾工件，并帶動工件高速旋轉，導軌系統帶動刀具進行沿導軌方向的直線進給運動[2]，主軸系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的表面質量起著重要影響，為了有效降低主軸系統和導軌系統之間誤差的耦合作用，因此將主軸運動系統與床身固連，這樣的布局可將主軸系統和導軌系統的穩定性分別進行考慮，降低導軌系統運動對主軸系統精度的影響，提高加工精度。
超精密車床主要應用于端面及圓錐面的加工，主軸系統帶動裝夾在主軸端部的工件進行旋轉實現主切削運動；背吃刀量由刀架進行調整；導軌系統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
精密主軸和主軸傳動系統共同組成了主軸運動系統，精密主軸作為主軸傳動系統上的一個執行部件，影響主軸運動系統精度的是精密主軸的制造精度。在切削過程中，由傳統系統提供動力帶動主軸上的工件轉動，實現主切削運動，傳動系統的控制精度直接影響到所加工工件的加工質量。
2.1 精密主軸
主軸系統的回轉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的回轉精度能達到 0.001mm。主軸系統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類似，不同的是采用氣體（多為空氣）作為潤滑介質[4]。當外部壓縮氣體通過節流器進入軸承間隙，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。空氣軸承能夠實現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速，同時保證較高回轉精度。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，能夠保證主軸系統在較長運行時間后不會因摩擦而導致精度降低，使用壽命長；在主軸系統高速運轉過程中，主軸仍然會產生熱量，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動電機轉子的重量，因此，一般情況下主軸的轉動慣量也遠大于轉子。主軸重量大的優點是能夠使主軸系統在運行時具有較強的轉動穩定性，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
主軸系統的動力來源于驅動電機，驅動電機具有調速范圍大、無級變速等特點，使主軸系統的結構有了較大的簡化。主軸動力傳遞系統根據其結構不同，可分為電機直驅、定比傳動以及多檔位變速傳動。
①電機直驅。電機直驅的主軸系統是通過將主軸直接與電機輸出軸連接或通過聯軸器連接，這樣的傳動結構使用的傳動部件較少，從而使主軸系統的結構得到大大簡化，且主軸與電機直連，主軸的轉速與電機輸出的速度一致，因此可通過控制電機輸出轉速的方式直接控制主軸轉速，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，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構是通過驅動電機提供動力，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用廣泛。主軸系統定比傳動的結構，在一定程度上能夠滿足主軸功率與轉矩的要求，但由于其傳動比恒定，電機的轉速直接對主軸轉速具有決定性作用。
③多檔位變速傳動。多檔位變速傳動結構是指在電機輸出軸與主軸之間通過多級變速器連接，能夠實現變速調節，在電機轉速一定的情況下，可通過傳動比的調整從而改變主軸的轉速，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。目前已有的驅動電機一般可實現無級變速，本身的變速范圍為 1 比 100 至 1000，配合變速機構基本能夠滿足目前大部分主軸的功率及轉矩要求，若變速機構的級數太高會導致變速機構尺寸和重量大、結構復雜，因此級數不宜太高，一般取 2 級變速傳動較為合適。
3、導軌運動系統
超精密車床導軌運動系統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，其運動精度和穩定性對所加工零件的表面質量具有決定性作用，導軌運動系統主要由導軌和傳動系統組成。
3.1 精密導軌
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]，在車削過程中，液壓源的油泵為液態靜壓導軌供油，油泵的振動會傳遞到機床床身，這將導致超精密車床運動系統發生振動。振動導致刀尖點相對于工件發生相對偏移，在工件表面上產生不規則劃痕，影響工件的表面質量。當使用空氣靜壓導軌時，由于所提供的空氣壓力較為穩定，床身振動減小，加工工件的表面質量顯著提高。空氣靜壓導軌精度高、發熱小、使用壽命長，是超精密車床導軌系統的理想構件，能夠滿足超精密車床的使用要求。因此，超精密車床導軌運動系統通常使用空氣靜壓導軌。由于所需切削力較小，因此驅動電機的功率要求不高，導軌總體運動較平穩。在導軌系統中沒有位置傳感器，為了實現導軌的精確控制，采用半閉環伺服系統控制，伺服電機的轉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，該半閉環伺服控制系統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 導軌進給驅動方式
“伺服電機+滾珠絲杠副”、“伺服電機+摩擦傳動”和“直線電機直接驅動”三種導軌進給驅動的方式是目前超精密機床導軌系統最為常用的驅動方式，他們各有優劣，可根據實際需求進行選取。
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轉運動轉換為直線運動，使用滾珠絲杠實現直線運動具有較長的歷史，經過技術的不斷更行和優化，滾珠絲杠技術越來越成熟，成本低廉、應用廣泛，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、絲杠受重力發生彎曲等因素都會影響滾珠絲杠運動精度，從而影響導軌的運動精度。因此導軌系統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”。由于摩擦驅動的傳動方式能夠保證導軌運動系統的傳動平穩性，因此“伺服電機+摩擦傳動”也被廣泛應用于導軌驅動。使用摩擦傳動具有傳動穩定性好、沒有反向間隙等優點，因此在一些轉速要求較高同時要求沒有反向間隙的超精密車床上應用廣泛。由于其運動通過摩擦進行驅動，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直線電機直接驅動。隨著超精密車床的加工高速化要求變化，直線電機直驅的驅動方式作為一種新型的進給驅動方式應運而生，與上述兩種傳動方式相比，直線電機直驅的傳動方式是通過電機直接驅動導軌實現直線運動，沒有中間的傳動機構，傳動部件少，結構簡單，具有傳動剛度高、運動平穩、重復定位精度高等特點。但是導軌系統對直線電機的要求較高，控制系統較為復雜，價格昂貴，同時需要考慮防護、自鎖等安全問題。直線電機直驅的傳動方式主要應用于定位運動多、進給速度高且加速頻繁的場合。
4、總結
針對超精密車床運動系統結構復雜的問題，針對主軸系統及導軌運動系統，分別進行了傳動原理分析，講述了各類傳動結構的優缺點及其適用場合，分析了主軸運動系統及導軌運動系統的不同結構設計對超精密車床控制系統的影響。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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