超精密車床運動係統結構分析

0、引言（yán）

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，在武器裝備製造中也有廣（guǎng）泛應用，是國家武器裝備製造領域（yù）的實（shí）力的表現[1]，在民用領域也有重要（yào）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係統（tǒng）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、主軸運動係統、刀具以及導軌運動係統，由於其結構特性（xìng），在加工反射鏡等盤形零部件及圓錐形零件等領域具有（yǒu）重（chóng）要應用。在進行超精（jīng）密切削加工過程中，由於主軸係統（tǒng）的主（zhǔ）軸係統負責裝夾工件，並帶動工（gōng）件高速旋（xuán）轉，導軌（guǐ）係（xì）統帶動刀（dāo）具進行沿導軌方向的直線進給運動[2]，主（zhǔ）軸係統的穩定性和回轉精度以及（jí）導軌的直線度都對（duì）所加工零件的表麵質量起著重要影響（xiǎng），為了有效降（jiàng）低主軸係統和導軌（guǐ）係統之（zhī）間誤差的耦合作用，因此將主軸運（yùn）動係統與床身固連，這樣的布局可將主軸係統和導軌係統的穩定性分別進（jìn）行（háng）考（kǎo）慮，降低導軌係統運動對主軸係統（tǒng）精度的影響，提（tí）高加工精度。

超精密車床主要應用於端麵及圓錐麵的加工，主軸係統帶動裝（zhuāng）夾在主軸端（duān）部的工件進行旋轉實現主（zhǔ）切（qiē）削運動；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（jìn）行沿 X 方向的（de）直線進給運動；通過上述三個（gè）運動即可實現車削加工，其中主要的運動是主軸帶（dài）動工件的主切削運動和導軌帶動刀具的直線（xiàn）進給運動[3]，且兩（liǎng）個運動的控製是相對（duì）獨立的，可分開（kāi）考慮。

2 主軸（zhóu）運（yùn）動係統

精密主軸和（hé）主軸傳動係統共同組（zǔ）成了主軸運動係（xì）統（tǒng），精密（mì）主軸作為主軸傳動係統上的一個執行部件，影響主軸運動係統精度（dù）的是精密主（zhǔ）軸的製造精度。在切削過程中，由傳統係統提供動力帶動主軸上的工件轉動，實現主切削運動，傳動係統的控製（zhì）精度直（zhí）接影響到所加工工件的加工質量。

2.1 精密主軸

主軸係統的回轉精度是（shì）保證超精密機（jī）床高精度運動的保（bǎo）障，一般情況下，超精密車（chē）床主軸係統的回轉精度能達到 0.001mm。主軸係統的回轉精度受支撐軸承的（de）影響較大，空氣靜壓軸承是（shì）滑動軸承（chéng）當中（zhōng）的一種，其結構和工作原理與液體滑動軸承類似，不同（tóng）的是（shì）采用氣（qì）體（多（duō）為空氣）作為潤滑介質（zhì）[4]。當外部（bù）壓縮氣體通過節流器進（jìn）入軸承間隙，就（jiù）會在間隙中形（xíng）成一層（céng）具有一定（dìng）承載和剛度的潤滑氣膜，依靠該（gāi）氣膜的潤滑支承作用將軸（zhóu）浮起（qǐ）在軸承中。空氣軸承（chéng）能夠實（shí）現主（zhǔ）軸與軸承之間不接觸，從而減小（xiǎo）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。由於主軸與軸承之間有空（kōng）氣間隙，不（bú）直接（jiē）接觸，因此沒有摩擦，能夠（gòu）保證主軸係（xì）統（tǒng）在較（jiào）長運行時間（jiān）後不會因摩擦而導致精度降低，使用壽命長；在主軸係統高速運轉過程中，主軸仍然（rán）會產生熱（rè）量，由於主軸與（yǔ）軸承之間有高速（sù）流動（dòng）的空氣，可將大部分（fèn）熱量（liàng）直接帶到空氣中，通過（guò）強迫熱對流（liú）進行散熱，因此，主軸係統在運行過程中溫升小，熱變（biàn）形較小；超精（jīng）密（mì）切（qiē）削（xuē）過程中，一般背吃刀量都在微（wēi）米（mǐ）級別，切削力較小，因（yīn）此對主軸驅（qū）動電機的扭矩和功率（lǜ）要求（qiú）不高；由於車床裝夾（jiá）工（gōng）件為懸臂式裝夾，對主軸的剛度和承載（zǎi）能（néng）力要求較高，因此主（zhǔ）軸的尺（chǐ）寸和重（chóng）量（liàng）較大，由於主軸的重量遠大於驅動電（diàn）機轉子的重量，因此，一般情況下主（zhǔ）軸的轉動慣量也遠大於轉子。主軸重量（liàng）大的優點是能夠使主軸係統在運（yùn）行時具有較強（qiáng）的轉動穩定性，抗外界（jiè）幹擾（rǎo）能力較強，缺點是在啟動和停（tíng）止時所需時間（jiān）較長（zhǎng），特別是在主軸係（xì）統減速的過程中，由於主軸與軸承之間的摩擦力較小，減速所（suǒ）需製動力主要靠電機完成，因此對主軸（zhóu）電機的性能要求較高。

2.2 主軸傳動方式     

主軸係（xì）統的動力來源（yuán）於驅動電機，驅動電機具有調速範圍大、無級變速等特點，使主軸係統的結構有了（le）較大的簡化。主軸動力傳遞係統根據其結構不同，可分為電機直驅、定比傳動以及多檔位（wèi）變速傳動。

①電機直驅。電機直驅的主軸係統是（shì）通過將主軸直接與電機（jī）輸出軸連接或通過聯軸器連接，這樣的（de）傳動結構使用的傳動部件較少，從（cóng）而使主軸係統的結構得到大（dà）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，因此可通過控製電機輸出轉速的方式直接（jiē）控製主軸轉速，控製簡單（dān）直接，與此同時，由於電機性能直接影（yǐng）響主軸的運動參數，因（yīn）此對電機的性（xìng）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（jī）提供動力（lì），電機輸出軸將動力通過一個（gè）固定傳（chuán）動比（bǐ）的齒輪或帶傳動傳遞到主軸，帶動（dòng）主軸高速（sù）轉動。其中，由於帶傳動屬於撓性傳動，能（néng）夠（gòu）吸收傳動過程中的振動，具有（yǒu）噪（zào）音小、振動小等優點，但是（shì）帶傳動存（cún）在彈性滑（huá）動（dòng），使（shǐ）傳動比不恒定（dìng），且傳動能力不如齒輪傳動，因此一般常用於中小型機床；齒輪傳動（dòng）具有傳動比恒定（dìng）、傳動（dòng）穩定、效率高等特點，具有較高的承載（zǎi）能力，因此在定比傳動中應用廣泛。主軸（zhóu）係（xì）統定比傳動的（de）結構，在一定程度（dù）上能夠滿足主軸功率與轉矩的要求，但由（yóu）於其傳動比恒定，電機的轉速直接對主軸轉速具有決定（dìng）性作用。

③多檔位變（biàn）速（sù）傳（chuán）動。多檔位變速傳動結構是指在電機輸出（chū）軸與主軸之間通過（guò）多（duō）級變速器連接，能夠實現變速調節，在電機轉速（sù）一定的情況下，可通過傳動比（bǐ）的調整從而改變主軸的轉速，解決了主（zhǔ）軸電動機（jī）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速，本身（shēn）的變（biàn）速範圍為（wéi） 1 比 100 至 1000，配合變（biàn）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（de）級數太高會導致變速機構尺寸和重量大、結構複雜，因此級數不宜太高，一般取 2 級（jí）變（biàn）速傳動較為合適。

3、導軌運動（dòng）係統

超精密車床導軌運動係（xì）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（suǒ）加工零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（dòng）係統組成。

3.1 精密導軌

目前，超精密機床中的（de）導軌多為液體靜壓導軌和空氣靜壓導（dǎo）軌[5]，在車削過程中，液壓源的油泵為液（yè）態靜壓導軌供（gòng）油，油泵的（de）振動會（huì）傳遞到機床床身，這將導致超精密車床運動係統發生振動。振動（dòng）導致刀尖點相對於工件發生相對（duì）偏移，在工件表麵上產生（shēng）不規則（zé）劃痕，影響工件的表麵質量（liàng）。當使用空氣靜壓（yā）導軌時，由於所提（tí）供的空氣壓力較為穩定，床身振動（dòng）減小，加工（gōng）工件的表麵（miàn）質量顯著提高。空（kōng）氣靜壓導軌精度高、發（fā）熱（rè）小、使用壽命長，是超精密車（chē）床（chuáng）導軌係統的理想構件，能夠滿足（zú）超精（jīng）密車床的使（shǐ）用要求。因此，超（chāo）精密車床導軌運動係統通（tōng）常（cháng）使用空氣靜壓導軌。由於所（suǒ）需切削力較小，因此（cǐ）驅動電機的功率要求不高，導軌總體運動較平穩（wěn）。在導軌係統中沒有位置傳感器，為了實現導軌（guǐ）的精確（què）控製，采（cǎi）用半閉環伺服係統控製，伺服電機（jī）的轉動情況是通過電機軸端的光電（diàn）編碼器進行檢測（cè）[6]，從而反映出導軌的運動速度和位置，該半閉環伺服控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（dù）決定（dìng）[7]。

3.2 導軌進給（gěi）驅動方式

“伺服電機+滾珠絲杠副”、“伺服電機（jī）+摩擦（cā）傳（chuán）動”和“直線電機直接驅動”三種導軌進給驅動的方式（shì）是（shì）目前超精密機床導軌係（xì）統最為常用的驅動（dòng）方式，他們各有優劣（liè），可根據實際需求進行選取。

①伺服電機+滾（gǔn）珠絲杠副。“伺（sì）服電機+滾珠絲杠副”驅動結構是在超精密車（chē）床上使用最為廣泛（fàn）的導軌（guǐ）驅（qū）動方式，滾珠絲杠能（néng）將（jiāng）電機的（de）旋轉運動轉換為直線運動，使用滾珠絲杠實現（xiàn）直線（xiàn）運動具有較長的曆史，經過技（jì）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（shì）用於載荷強度不高、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（lì）發生彎曲等因素都會影（yǐng）響滾珠（zhū）絲杠運動精度，從而影響導軌的運動精度。因此導（dǎo）軌係統（tǒng）對滾珠絲杠的製（zhì）造精度及其剛（gāng）度具有較（jiào）高要求。

②“伺服電機+摩擦傳動”。由於摩擦驅動的傳動方式能夠保證導軌運動係統的傳動（dòng）平（píng）穩性，因此“伺服電機+摩（mó）擦（cā）傳動”也（yě）被廣泛（fàn）應用於導軌驅（qū）動。使用摩擦傳動具有傳動穩（wěn）定性（xìng）好、沒有反（fǎn）向間隙等（děng）優點，因此（cǐ）在一些轉速要求較高同時要求沒（méi）有反向間隙的超精密車床上（shàng）應用廣泛。由於其運動通過摩擦（cā）進行（háng）驅動，因此隻適用於輕載（zǎi）的情況，在重（chóng）載的情（qíng）況下仍使用滾珠絲杠進行傳動。

③直（zhí）線電機直（zhí）接驅動。隨著超精密車床的（de）加工高速化（huà）要求變化，直線電機直驅的（de）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（zhí）驅的（de）傳動方式是通過電機直接驅動導（dǎo）軌實現直線運動，沒有（yǒu）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，控製係統較為複雜，價格昂貴，同時需要（yào）考慮防護、自鎖（suǒ）等安全問題。直線電機直驅的傳動方式主要應（yīng）用於定位運動多、進給速度高（gāo）且加速頻繁的場合。

4、總結

針對（duì）超（chāo）精密車床運動係統結構複雜的問題（tí），針對主軸（zhóu）係統及導（dǎo）軌運動係統，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（yòng）場合，分析了主軸運動係統及導軌運（yùn）動係統的不同結構（gòu）設計對（duì）超精密車床控製係統（tǒng）的（de）影響。為超精密車床運動的高（gāo）精度控製提供了（le）理論（lùn）支撐。