超精密车床的关键模块简述
时间：2022-09-09 04:30:29
【前言】超精密车床的关键模块简述由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2 超精密车床的关键模块 超精密机床的关键模块主要是主轴回转系统、导轨、在线测量、机床的隔振、温度控制和驱动机构等模块。 2.1主轴回转系统 主轴回转系统包括主轴支承及驱动，它不仅要求有很高的回转精度，而且要能保持原精度长期稳定。静压支承的主轴回转精度约为...
摘 要： 介绍了超精密车床在国民经济发展中的重要地位以及超精密车床的主要构成模块，在此基础上详细阐述了各组成模块的作用机理及选型。
中图分类号： TG519 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）10-0067-01
1 引言
机械工业作为国民经济发展的基础，需要为其他生产部门提供技术装备。机械工业提供技术装备的水平和质量，将直接影响国民经济各部门生产技术水平的高低和经济效益的好坏。精密和超精密加工是机械工业中的重要部分，不仅影响着尖端技术和国防工业的发展，而且影响着机械产品的精度和表面质量，影响着产品的国际竞争力。随着科学技术的发展及高新技术的需要，精密及超精密加工技术在工业生产中的地位越来越重要。因此，该领域的技术发展也越来越快。几十年来，超精密加工已成为工业生产中最关键的、效果最显著的技术之一。尤其是在尖端技术领域如：航空、航天、计算机、现代武器、光学仪器等，精密加工就显得更为重要。除此之外，为了提高产品的竞争力，即使是一般产品，质量要求也在逐步提高。这也是促进精密及超精密加工技术发展的一个重要因素。这就是说，无论现在还是将来，精密及超精密加工技术都是非常重要的研究方向。
2 超精密车床的关键模块
超精密机床的关键模块主要是主轴回转系统、导轨、在线测量、机床的隔振、温度控制和驱动机构等模块。
2.1主轴回转系统
主轴回转系统包括主轴支承及驱动，它不仅要求有很高的回转精度，而且要能保持原精度长期稳定。静压支承的主轴回转精度约为滚动支承的1/10。目前，实用空气轴承主轴的回转精度较高，可达0.05μm。即使如此，还是不能满足纳米级加工对主轴的精度要求。空气静压轴承引起机床主轴回转系统的热变形小，其刚度虽低，但是对于微量切削的超精密机床却很适用。所以被广泛采用。空气静压轴承的回转精度受轴承部件圆度和供气条件的影响很大。由于压力膜的匀化作用，轴承的回转精度可达到轴承部件圆度的1/15～1/20，因此要得到10nm的回转精度，轴和轴套的圆度要达到0.15～0.20μm。影响纳米级回转精度的重要因素还包括气孔流出气体的均匀性。采用多孔材料可改变气体流出的均匀性。对于纳米级主轴，多孔质的供气形式是最合理的。另外通过控制技术提高主轴的回转精度，也取得了突破。当然这种技术离实用还有一定距离，但也不失为一种有效的方法。主轴支承结构形式多样，但大多数采用球面轴承。去离子水液压轴承可以大大减少热损耗，与油压轴承相比，用它制成的高速旋转主轴比在热控制上有很大的优越性。此外，高速主轴的动压行为、动平衡问题以及加热管冷却系统解决主轴热伸长等技术都值得进行持续的研究。
2.2直线导轨
从精度角度看，空气导轨是现在最好的导轨。虽然它没有液体静压导轨的刚性大，但气浮导轨的优点也很明显。如无需进行油温控制，对环境没有污染。此外，纳米级精度加工机床的负荷和行程没有那么大，所以应优先考虑空气导轨。目前空气导轨的直线度可达（0.1～0.2）μm/250mm的水平。在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采用多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。由于空气导轨的气膜厚度大概只有10μm左右，在使用过程中防尘显得很重要，若不保证洁净的环境，导轨有超精密车床结构设计及仿真可能因灰尘而受损伤，这种损伤常常是难以修复的。
2.3尺寸测量
在超精密加工领域尺寸测量主要有2种技术：一是激光干涉技术；二是光栅技术。激光干涉仪分辨率高，最高可达0.3nm，一般为1.25nm；测量范围大，可达几十米；测量精度高，但使用困难，特别是高精度测量，激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大，因此使用过程中对环境要求很苛刻。近年来超精密加工领域越来越多地选用光栅作为测量工具。光栅技术可以和激光干涉技术相媲美，对环境的要求相对较低，可以满足纳米精度的使用要求，特别是相位光栅，是一种非常有前途的超精测量工具。
2.4机床传动系统
传统的传动方法是滚珠丝杠传动，超精密加工机床一般用C0级滚珠丝杠，利用闭环控制，目前最高可达到0.01μm的定位精度。利用滚珠丝杠的微小弹性变形原理，也可实现纳米分辨率的进给。但在进行非球面等轮廓曲线跟踪时，滚珠丝杠的精度及其在运动中的微小振动都对系统的静态特性与动态特性产生影响。摩擦驱动可以实现无反向间隙传动，由于结构上比较简单，因而弹性变形因素大为减少，所以一直被认为是一种非常适合超精密加工的传动系统。一般摩擦驱动机构的结构和齿轮条相似，可以将电机的回转运动直接转换为直线运动。
近年来直线电机也开始用于超精密机床中，适合于高速和高精度的应用场合。
3 微进给机构
微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，它一般被用来微进给或作补偿工具。压电陶瓷材料具有较好的微位移特性和可控制性。以压电陶瓷为驱动器的基于弹性铰链支撑的微位移机构在目前来说使用最为广泛。
4 温度控制
对于100mm长的铁系金属零件，温度变化1℃，工件热变形量为1.6um，所以要达到0.01um级的加工精度，我们希望温度变化控制在0.01以下。这种温度控制实现起来很困难，因此似乎应该寻求性能更优越的材料，这种材料应有更小的热变形系数和弹性变形系数。最近由各种金属、无机材料和有机材料组合而成的复合材料正成为注目的热点，这方面的研究将会得到更多的重视。
5 机床的隔振
振动是影响超精密加工精度的重要因素，利用良好的隔振地基和空气隔振垫，可以隔离绝大部分“常时振动”，这是目前应用较多的隔振手段。另外，还应考虑设备运动件的动平衡或振动隔离，消除或减少内部振源，尽量远离外部振源，通过综合努力使70Hz以下的振动幅度小于0.1μm，满足超精密加工的要求。一般来讲，高频振动的振幅要求减小到0.2μm以下，低频振动的振幅应小于0.1μm。同时，超精密机床还须采用三级减振措施，即：首先，将机床放置在整块花岗岩底座上，花岗岩对振动的阻尼值是铸铁的4～5倍，可较大地衰减机床的工作振动。其次，将机床与底座放置在隔振器上，隔振效果达99%以上，隔振系统还要具有自动调平功能，保证机床移动部件位置改变时，机床与底座始终保持原定的水平位置，不影响加工和测量。最后将机床、底座和气动隔振系统放在独立的水泥基地上。机床传动系统的振动也必须控制到最低限度，齿轮传动不宜采用，电动机与机床之间要分离传动，主轴由无级调速的直流或交流电动机通过减振的皮带轮和弹性联轴节或磁力联轴节带动。
参考文献：
[1] 许茂桃.超精密加工技术的发展及其对策[J].制造技术与机床，2001.
[2] 袁哲俊.精密和超精密加工技术的新进展[J].工具技术，2006.
