4-精密和超精密加工的機(jī)床設(shè)備解析

2024/12/6Precisionandultraprecisionmachining精密和超精密加工技術(shù)第4章精密和超精密加工的機(jī)床設(shè)備2024/12/63.1精密和超精密機(jī)床發(fā)展概況及典型機(jī)床簡(jiǎn)介3.2精密主軸部件3.3床身和精密導(dǎo)軌部件3.4進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.5微量進(jìn)給裝置3.6機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件位移的激光在線檢測(cè)系3.7機(jī)床的穩(wěn)定性和減振隔振3.8減少變形和恒溫控制2024/12/6第1節(jié)精密和超精密機(jī)床發(fā)展概況及典型機(jī)床簡(jiǎn)介

精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件。1）美國(guó)：50年代首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床；1983～1984研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型和LODTM大型超精密車床。2）英國(guó)：1991粘研制成功大型超精密機(jī)床OAGM2500。3）日本：現(xiàn)在在中小型超精密機(jī)床生產(chǎn)上已經(jīng)具有一定的優(yōu)勢(shì)，甚至超過(guò)了美國(guó)。4）中國(guó)：JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床等。

一、發(fā)展概況2024/12/62024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介第1節(jié)精密和超精密機(jī)床發(fā)展概況及典型機(jī)床簡(jiǎn)介UnionCarbide公司的半球機(jī)床能加工直徑100mm的半球，達(dá)到尺寸精度正負(fù)0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空氣軸承主軸采用多孔石墨制成軸襯，徑向空氣軸承的外套可以調(diào)整自動(dòng)定心，可提高前后軸承的同心度，以提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。2024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介Moore車床由Moore3型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)改造而成。采用臥式主軸，三坐標(biāo)精密數(shù)控，消振和防振措施，加強(qiáng)恒溫控制等。M-18AG型超精密非球面車床，基本結(jié)構(gòu)同Moore3，采用空氣靜壓軸承主軸、氣浮導(dǎo)軌、雙坐標(biāo)雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身，有恒溫油澆淋機(jī)和空氣隔振墊支承。2024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介Pneumo

公司的MSG-325超精密車床

采用T形布局，機(jī)床空氣主軸的徑向圓跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)均小于等于0.05μm。床身溜板用花崗巖制造，導(dǎo)軌為氣浮導(dǎo)軌；機(jī)床用滾珠絲杠和分辨率為0.01μm的雙坐標(biāo)精密數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，用HP5501A雙頻激光干涉儀精密檢測(cè)位移。2024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介DTM-3大型超精密車床

采用精密數(shù)控伺服方式，控制部分為內(nèi)裝式CNC裝置和激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀，精確測(cè)量定位，在DC伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有壓電微位移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微位移。2024/12/62024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介大型光學(xué)金剛石車床LODTM

機(jī)床采用立式結(jié)構(gòu)，采用止推軸承，7路高分辨力雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)，4路激光檢測(cè)橫梁上溜板的運(yùn)動(dòng)，3路激光檢測(cè)刀架上下運(yùn)動(dòng)位置，使用在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償，各發(fā)熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個(gè)機(jī)床用4個(gè)大空氣彈簧支承。2024/12/62024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介OAGM2500大型超精密機(jī)床機(jī)床的x和y向?qū)к壊捎靡后w靜壓，z向的磨軸頭和測(cè)量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，用精密數(shù)控驅(qū)動(dòng)，雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)位置。2024/12/6二、典型機(jī)床簡(jiǎn)介AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機(jī)床有一個(gè)x和y向調(diào)整的刀架及作B軸轉(zhuǎn)動(dòng)的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，借助三軸精密數(shù)控，加工平面、球面和非球曲面。采用空氣軸承，刀架設(shè)計(jì)滑板結(jié)構(gòu)，直線移動(dòng)分辨力0.01μm，激光測(cè)量反饋，定位精度全行程0.03μm。加工模具形狀精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm三、精密超精密機(jī)床類型和精度指標(biāo)類型：普通（各種精密超精密車、銑等）、專用（磁盤超精密車床）按工藝方法：超精密車床、超精密銑床、超精密磨床、超精密研磨機(jī)、超精密拋光機(jī)床、超精密特種加工機(jī)床、精密和超精密加工中心等精度指標(biāo)：目前，主軸回轉(zhuǎn)精度為0.025um，導(dǎo)軌直線度為1000000:0.025，定位精度為0.013um/1000um，進(jìn)給分辨率為0.005um，加工表面粗糙度Ra0.003um，溫控精度為20±0.0005℃。高精度：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度，主要部件的材料，軸承，工作臺(tái)和刀架，微進(jìn)給（電致伸縮、磁致伸縮，彈性元件等），閉環(huán)控制系統(tǒng)高剛度：受力變形對(duì)加工精度影響高穩(wěn)定性：熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)小的材料做工作臺(tái)、床身等基礎(chǔ)零件，液體淋浴或空氣淋浴控制溫度抗振性：材料，隔離振源，縮短傳動(dòng)鏈或改用柔性連接控制性能好：數(shù)控模塊化設(shè)計(jì)四、精密超精密機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2024/12/6第2節(jié)精密主軸部件一、主軸軸承主軸回轉(zhuǎn)精度

回轉(zhuǎn)精度——在主軸空載手動(dòng)或機(jī)動(dòng)低速旋轉(zhuǎn)情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基面上所測(cè)得的徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)的大小。影響回轉(zhuǎn)精度的因素（1）軸承精度和間隙的影響。（2）主軸、支承座等零件中精度的影響。

關(guān)鍵在于精密軸承。主軸軸承高精度滾動(dòng)軸承液體滑動(dòng)軸承空氣滑動(dòng)軸承陶瓷軸承磁懸浮軸承2024/12/6（一）、滑動(dòng)軸承的分類按滑動(dòng)軸承工作時(shí)軸瓦和軸頸表面間呈現(xiàn)的摩擦狀態(tài)，滑動(dòng)軸承可分為:

液體摩擦軸承非液體摩擦軸承液體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承液體靜壓潤(rùn)滑軸承

按滑動(dòng)軸承承受載荷的方向可分為:徑向滑動(dòng)軸承（向心）推力滑動(dòng)軸承（止推）2024/12/6根據(jù)潤(rùn)滑膜的形成原理不同分為：動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)副表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和幾何形狀，借助流體粘性，把潤(rùn)滑劑帶進(jìn)摩擦面之間，依靠自然建立的流體壓力膜，將運(yùn)動(dòng)副表面分開的潤(rùn)滑方法為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。靜壓潤(rùn)滑軸承在滑動(dòng)軸承與軸頸表面之間輸入高壓潤(rùn)滑劑以承受外載荷，使運(yùn)動(dòng)副表面分離的潤(rùn)滑方法成為流體靜壓潤(rùn)滑。2024/12/6徑向軸承（向心軸承）徑向軸承的受力Fr與軸的中心線垂直止推軸承（推力軸承）止推軸承受力Fa與軸的中心線平行FrFa軸承座徑向軸瓦止推軸瓦2024/12/6（二）、液體靜壓軸承工作原理靜壓軸承組成：供油系統(tǒng)、節(jié)流器、軸承

（1）軸承內(nèi)圓柱面上，等間隙地開有幾個(gè)油腔（通常為4個(gè)）。（2）各油腔之間開有回油槽。（3）用過(guò)的油一部分從這些回油槽流回油箱（徑向回油），另一部分則由兩端流回油箱（軸向回油）。（4）油腔四周形成適當(dāng)寬度的軸向封油面和周向封油面，它們和軸頸之間的間隙一般為0.02～0.04mm。（5）油泵供油壓力為ps

，油液經(jīng)節(jié)流器T進(jìn)入各油腔，將軸頸推向中央，油液最后經(jīng)封油面流回油箱，壓力降低為零。（6）當(dāng)主軸不受載荷且忽略自重時(shí)，則各油腔的油壓相同，保持平衡，軸在軸承正中心，這時(shí)軸頸表面與各腔封油面之間的間隙相等，均為h0。（7）當(dāng)主軸受徑向載荷（包括自重）F作用后，軸頸向下移動(dòng)產(chǎn)生偏心量e。（8）油腔3處的間隙減小為h0-e，由于油液流過(guò)間隙小的地方阻力大，流量減小，因而流過(guò)節(jié)流器T3的流量減少，壓力損失隨之減?。?）供油壓力ps

一定，油腔3內(nèi)的油壓p3升高（10）油腔1處的間隙增大為h0＋e，由于油液流過(guò)間隙大的地方阻力小，流量增加，因而流過(guò)節(jié)流器T1的流量增加，壓力損失亦隨著增加，所以油腔1內(nèi)的油壓p就降低，這樣油腔3與油腔1之間形成了壓力Δp=p3-p1，產(chǎn)生與載荷方向相反的托起力，以平衡外載荷F。

（11）如油腔的有效承載面積為A，則軸承的承載能力為：F=A（p3-p1）（12）各油腔由同一個(gè)液壓泵供油，則每個(gè)油腔必須串聯(lián)一個(gè)節(jié)流器。（13）沒有節(jié)流器，各油腔油壓相同，互相抵消，就不能平衡外載荷了，這時(shí)主軸產(chǎn)生位移，甚至使軸頸與軸承表面接觸（14）油腔壓力是液壓泵供給的，與軸的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。因此，靜壓軸承可以在很低的轉(zhuǎn)速下工作。2024/12/61）液體靜壓軸承的溫升很高，難以控制，造成熱變形，影響主軸精度。

2）靜壓油回油時(shí)將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，降低軸承的剛度和動(dòng)特性。解決措施：

1）提高靜壓油的壓力到6～8MPa，使油中微小氣泡的影響減小，提高靜壓軸承的剛度和動(dòng)特性。

2）靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制，基本達(dá)到恒溫，減少軸承的溫升。

3）軸承用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。（三）、液體靜壓軸承的缺點(diǎn)2024/12/6二、空氣靜壓軸承主軸第2節(jié)精密主軸部件圓柱徑向軸承和端面止推空氣靜壓軸承徑向軸承的軸套制成外面鼓形，能自動(dòng)調(diào)整定心。軸套的外表面做凸形球面，與軸承蓋及軸承座上的凹形球面相配合。當(dāng)軸變形時(shí)，軸套可以自動(dòng)調(diào)整位置，從而保證軸頸與軸鼓為面接觸。用多孔石墨的軸襯代替小節(jié)流孔。2024/12/6第2節(jié)精密主軸部件雙半球空氣軸承主軸前后軸承均采用半球狀，既是徑向軸承又是軸向軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動(dòng)調(diào)心作用，可提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。2024/12/6第2節(jié)精密主軸部件前部用球形后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸2024/12/6第2節(jié)精密主軸部件立式空氣軸承2024/12/6三、超精密機(jī)床主軸和軸承的材料第2節(jié)精密主軸部件1）不易磨損。用多孔石墨作空氣軸承套。2）不易生銹腐蝕。3）熱膨脹系數(shù)小，且主軸和軸套的熱膨脹系數(shù)要接近。4）材料的穩(wěn)定性好。38CrMoAl氮化鋼，經(jīng)表面氮化和低溫穩(wěn)定處理，不銹鋼和多孔石墨和軸承鋼。此外：銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷。2024/12/6四、主軸的驅(qū)動(dòng)方式第2節(jié)精密主軸部件1）電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)2）電動(dòng)機(jī)通過(guò)柔性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)3）采用內(nèi)裝式同軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件一、超精密機(jī)床的總體布局1)主軸箱位置固定，刀架裝在十字形滑板上2）T形布局3）R－布局4）立式結(jié)構(gòu)布局2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件二、床身和導(dǎo)軌的材料

鑄鐵——成本低有良好減振性和耐磨性易于鑄造和切削加工導(dǎo)軌常用的鑄鐵——灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵灰鑄鐵應(yīng)用最多的牌號(hào)是HT200

常用的孕育鑄鐵牌號(hào)是HT300

耐磨性高于灰鑄鐵，但較脆硬，不易刮研，且成本較高。常用于較精密的機(jī)床導(dǎo)軌耐磨鑄鐵中應(yīng)用較多的是高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵及釩鈦鑄鐵與孕育鑄鐵相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本較高常用于精密機(jī)床導(dǎo)軌優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件花崗巖比鑄鐵長(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，對(duì)振動(dòng)的衰減能力強(qiáng)，硬度高、耐磨并不會(huì)生銹。人造花崗巖由花崗巖碎粒用樹脂粘結(jié)而成，可鑄造成形，吸濕性低，并對(duì)振動(dòng)的衰減能力加強(qiáng)。2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌分類導(dǎo)軌的作用和特點(diǎn)導(dǎo)軌不僅是支承工作臺(tái)、主軸箱、頭架尾架等部件的載荷，而且是還保證各部件間的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精度。但是與主軸部件相比，具有以下的特點(diǎn)：1）工作速度低。2）導(dǎo)軌的工作部分既長(zhǎng)又薄，剛度差，是機(jī)床最薄弱的環(huán)節(jié)之一。3）受力情況比較復(fù)雜，這樣給計(jì)算帶來(lái)困難。4）導(dǎo)軌的加工工作量較大，需配備專用導(dǎo)軌磨床進(jìn)行加工，甚至需用手工刮研方法以取得較高的導(dǎo)軌精度。2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件導(dǎo)軌的基本要求（一）導(dǎo)向精度高1、導(dǎo)軌在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的直線度2、導(dǎo)軌的平行度3、導(dǎo)軌間的垂直度（二）足夠的剛度外力作用下導(dǎo)軌本身抵抗變形的能力三、導(dǎo)軌分類2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件導(dǎo)軌的基本要求（三）精度保持性（耐磨性）好1、降低導(dǎo)軌面的比壓；2、良好的防護(hù)與潤(rùn)滑；3、正確選擇導(dǎo)軌副的材料和熱處理；4、選擇合理的加工方法。（四）運(yùn)動(dòng)的靈敏度是運(yùn)動(dòng)部件從靜止到開始移動(dòng)期間，進(jìn)給機(jī)構(gòu)刻度盤轉(zhuǎn)過(guò)值的大小?？潭戎翟叫?，靈敏度越高。三、導(dǎo)軌分類2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件按兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)分類1）滑動(dòng)導(dǎo)軌兩導(dǎo)軌面間是滑動(dòng)摩擦。又可按兩導(dǎo)軌面間的摩擦狀態(tài)的不同而分為液體或氣體靜壓導(dǎo)軌及流體動(dòng)壓導(dǎo)軌。2）滾動(dòng)導(dǎo)軌兩導(dǎo)軌面間是滾動(dòng)摩擦。又可按中間滾動(dòng)體的不同而分為：滾珠導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌、滾針導(dǎo)軌及滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌等。2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件滑動(dòng)導(dǎo)軌按導(dǎo)軌的截面形式分滑動(dòng)導(dǎo)軌分兩大類——凸形和凹形凸形導(dǎo)軌不易積存切屑，但難以保存潤(rùn)滑油，只適合于低速運(yùn)動(dòng)凹形導(dǎo)軌潤(rùn)滑性能良好，適合于高速運(yùn)動(dòng)，為防止落入切屑等，必須配備良好的防護(hù)裝置2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件四、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式三角形導(dǎo)軌支承導(dǎo)軌為凸形時(shí)——山形導(dǎo)軌支承導(dǎo)軌為凹形時(shí)——V形尋軌三角形導(dǎo)軌依靠三角形的兩個(gè)側(cè)面導(dǎo)向，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，不影響導(dǎo)向精度支承導(dǎo)軌為山形時(shí)，不易積存較大的切屑，也不易存留潤(rùn)滑油適用于不易防護(hù)、速度較低的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌支承導(dǎo)軌為V形時(shí)，由于能得到較充足的潤(rùn)滑，除用于精密和大型機(jī)床的進(jìn)給導(dǎo)軌外，還可用于主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，如龍門刨床床身導(dǎo)軌必須很好地防護(hù)，以防落入切屑和灰塵2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式矩形導(dǎo)軌矩形導(dǎo)軌制造簡(jiǎn)單、剛度高、承載能力大，具有水平和垂直兩個(gè)方向的導(dǎo)軌面，而且兩個(gè)導(dǎo)軌面的誤差不會(huì)相互影響，便于安裝調(diào)整側(cè)面磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，需要有間隙調(diào)整裝置，因此導(dǎo)向性較差適用于載荷較大而導(dǎo)向性要求不高的機(jī)床矩形導(dǎo)軌2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式燕尾形導(dǎo)軌燕尾形導(dǎo)軌——結(jié)構(gòu)緊湊、高度尺寸較小，可承受顛覆力矩磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，需用鑲條調(diào)整，剛性較差，摩擦力較大，制造和檢修都比較復(fù)雜一般用作中、低速的多層導(dǎo)軌圓柱形導(dǎo)軌制造簡(jiǎn)單要求加工時(shí)就直接達(dá)到較高精度磨損后很難調(diào)整和補(bǔ)償間隙圓柱形導(dǎo)軌具有兩個(gè)自由度，通常多用在承受軸向載荷的場(chǎng)合燕尾形導(dǎo)軌圓柱形導(dǎo)軌2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式雙三角形組合導(dǎo)向精度高，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，具有較好的精度保持性，很難達(dá)到四個(gè)表面同時(shí)接觸的要求，制造困難適用于精度要求較高的機(jī)床在載重偏離中央時(shí)，仍能保持良好導(dǎo)向，美國(guó)Moore公司生產(chǎn)的坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用雙三角形導(dǎo)軌。2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式具有較大的承載能力、制造調(diào)整比較簡(jiǎn)單導(dǎo)向性差，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)加工精度有較大影響多用于普通精度機(jī)床和重型機(jī)床，如X6132工作臺(tái)導(dǎo)軌。雙矩形組合2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向性好、制造方便和剛度高應(yīng)用最廣泛如CA6140型普通車床溜板、B2020工作臺(tái)導(dǎo)軌、M1432A砂輪架導(dǎo)軌等。三角形－矩形組合2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件三、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式兩個(gè)燕尾平面同時(shí)起導(dǎo)向及壓板作用不能承受過(guò)大的顛覆力矩，摩擦損失較大用于要求層次多、尺寸小、調(diào)整間隙方便和移動(dòng)速度不大的場(chǎng)合如CA6140刀架、B6050滑枕導(dǎo)軌等燕尾形組合2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件四、滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)滾動(dòng)導(dǎo)軌就是在導(dǎo)軌面之間裝有一定數(shù)量的滾動(dòng)體，兩個(gè)導(dǎo)軌面只和滾動(dòng)體接觸，使導(dǎo)軌面之間的摩擦性質(zhì)成為滾動(dòng)摩擦。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)?。?.0025～0.005）靜、動(dòng)摩擦系數(shù)很接近運(yùn)動(dòng)輕便靈活；運(yùn)動(dòng)所需功率?。荒Σ涟l(fā)熱少；磨損??；精度保持性好(鋼制淬硬導(dǎo)軌修理期間隔可達(dá)10～15年)

低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，一般沒有爬行現(xiàn)象2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件四、滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)

移動(dòng)精度和定位精度高（一般重復(fù)定位誤差約0.1～0.2μm）。滾動(dòng)導(dǎo)軌潤(rùn)滑簡(jiǎn)單（可用油脂潤(rùn)滑）；維護(hù)方便（只需更換滾動(dòng)體）；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)象滑動(dòng)導(dǎo)軌那樣因動(dòng)壓效應(yīng)而浮起2024/12/6滾動(dòng)導(dǎo)軌的應(yīng)用

需要實(shí)現(xiàn)精密位移的機(jī)床，如坐標(biāo)鏜床、數(shù)控機(jī)床、仿形機(jī)床等。外圓磨床砂輪架為實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給：工具磨床為手搖工作臺(tái)輕便；立式車床為提高速度；平面磨床工作臺(tái)導(dǎo)軌為防止高速移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生浮起，以提高加工精度；大型外圓磨床工作臺(tái)導(dǎo)軌為了減輕阻力和減少發(fā)熱等也采用滾動(dòng)導(dǎo)軌。第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件四、滾動(dòng)導(dǎo)軌2024/12/6滾珠導(dǎo)軌第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件滾珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊，容易制造，成本較低導(dǎo)軌表面屬于點(diǎn)接觸，剛度低，承載能力較小適用于載荷較小的機(jī)床2024/12/6滾柱導(dǎo)軌第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件承載能力和剛度：都比滾珠導(dǎo)軌大應(yīng)用：載荷較大的機(jī)床，應(yīng)用最廣泛對(duì)導(dǎo)軌不平行度（扭曲）要求較高，否則要造成滾柱的偏移和側(cè)向滑動(dòng)，使導(dǎo)軌磨損加劇和降低精度。因此，滾柱最好做成腰鼓形，中間直徑比兩端大0.02mm左右。2024/12/62024/12/6再循環(huán)滾柱滾動(dòng)組件第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件2024/12/6再循環(huán)滾珠滾動(dòng)組件第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件2024/12/6滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊

在滾動(dòng)體與導(dǎo)軌面之間預(yù)加一定載荷，可增加滾動(dòng)體與導(dǎo)軌面的接觸，以減小導(dǎo)軌面平面度、滾子直線度及滾動(dòng)體直徑不一致誤差的影響，使大多數(shù)滾動(dòng)體均能參加工作。由于有預(yù)加接觸變形，接觸剛度增加。因而滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊提高了導(dǎo)軌的精度和剛度。阻尼性能也有所增加，提高了導(dǎo)軌的抗振性。第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件五、液體靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌特點(diǎn)工作原理與靜壓軸承相同。將具有一定壓力的潤(rùn)滑油，經(jīng)節(jié)流器輸入到導(dǎo)軌面上的油腔，即可形成承載油膜，使導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)速度的變化對(duì)油膜厚度的影響很?。惠d荷的變化對(duì)油膜厚度的影響很??；液體摩檫，摩檫系數(shù)僅為0.005左右，油膜抗振性好。缺點(diǎn)：導(dǎo)軌自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；需要增加一套供油系統(tǒng)；對(duì)潤(rùn)滑油的清潔程度要求很高。主要應(yīng)用：精密機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和低速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件五、液體靜壓導(dǎo)軌2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件六、氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌常用平導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的底平面和兩側(cè)導(dǎo)軌有壓縮空氣，使滑板或工作臺(tái)浮起，工作臺(tái)的浮起是氣浮作用，但側(cè)面是氣體靜壓作用。美國(guó)Pneumo公司的MSG－325使用氣浮導(dǎo)軌。2024/12/6第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件六、氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌空氣靜壓導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)件的導(dǎo)軌面，上下、左右均在靜壓空氣的約束下，比氣浮導(dǎo)軌的剛度和運(yùn)動(dòng)精度高。靜壓空氣的節(jié)流方式：多孔石墨節(jié)流、小孔節(jié)流、毛細(xì)管節(jié)流、狹縫節(jié)流、表面節(jié)流。靜壓空氣壓力4～6大氣壓。2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的組成

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。2024/12/6

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位置控制模塊速度控制單元伺服電機(jī)

工作臺(tái)

位置檢測(cè)測(cè)量反饋伺服驅(qū)動(dòng)裝置指令速度環(huán)位置環(huán)速度檢測(cè)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的基本要求1、位移精度高2、穩(wěn)定性好3、快速響應(yīng)4、調(diào)速范圍寬5、低速大扭矩2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二、精密數(shù)控系統(tǒng)對(duì)超精密機(jī)床，刀具和工件的z向和x向運(yùn)動(dòng)以及加工非球曲面的精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)都是由精密數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制的。精密數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)，雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)z向和x向的位移反饋給精密數(shù)控系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到要求的位移精度。2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三、滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)

進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)元件，滾珠在絲杠和螺紋槽內(nèi)滾動(dòng)，摩擦力小，且滾珠在螺母內(nèi)有再循環(huán)通道。滾珠絲杠副要求正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)沒有回程間隙，要求滾珠絲杠和螺母間有一定的預(yù)載過(guò)盈。精密級(jí)和高精密級(jí)滾珠絲杠的螺母常做成兩段組合。為減小滾珠絲杠的徑向圓跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)對(duì)導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)的影響，采用螺母和工作臺(tái)柔性連接，即螺母裝在柔性的過(guò)渡連接塊上再和工作臺(tái)固定。2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅(qū)動(dòng)提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。液體靜壓軸承的間隙大，氣體靜壓軸承的間隙小。2024/12/6第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步提高導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度，優(yōu)于滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)。2024/12/6第5節(jié)微量進(jìn)給裝置一、對(duì)微量進(jìn)給裝置的要求

微量進(jìn)給裝置具有微量移動(dòng)或微量轉(zhuǎn)動(dòng)及微量進(jìn)給等功用。微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足的要求：

1）精微進(jìn)給和粗進(jìn)給應(yīng)分開；

2）運(yùn)動(dòng)部分必須是低摩擦和高穩(wěn)定度的；

3）末級(jí)傳動(dòng)元件必須具有很高的剛度；

4）微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)內(nèi)部聯(lián)接必須是可靠聯(lián)接；

5）工藝性好，容易制造；

6）微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)具有好的動(dòng)特性；

7）微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給的自動(dòng)控制。2024/12/6第5節(jié)微量進(jìn)給裝置二、對(duì)微量進(jìn)給裝置的應(yīng)用1）實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給；2）實(shí)現(xiàn)超薄切削；3）在線誤差補(bǔ)償；4）用于切削加工非軸對(duì)稱特殊型面。2024/12/6第5節(jié)微量進(jìn)給裝置三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形微量進(jìn)給裝置2024/12/6第5節(jié)微量進(jìn)給裝置四、壓電和電致伸縮傳感器進(jìn)給裝置壓電和電致伸縮傳感器的材料

壓電材料可以將壓強(qiáng)、振動(dòng)等迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)信號(hào)，也就是說(shuō)壓電材料在外電場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微小變形，同時(shí)也可以將微小變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由于壓電材料對(duì)于所加應(yīng)力能產(chǎn)生可測(cè)量的電信號(hào)，因此在高智能材料系統(tǒng)中可用做傳感器。在機(jī)器人上做觸覺傳感器可感知溫度、壓力，采用不同模式可以識(shí)別邊角、棱等幾何特征。同時(shí)這種材料具有熱釋電效應(yīng)，可用作溫度傳感器。壓電陶瓷是一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的陶瓷，在機(jī)械力的作用下發(fā)生形變時(shí)，會(huì)引起表面帶電。帶電強(qiáng)度的大小，可以和施加電場(chǎng)的強(qiáng)度成正比，也可以成反比。因此，能夠在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷PZT。2024/12/6第5節(jié)微量進(jìn)給裝置電致伸縮傳感器的結(jié)構(gòu)和性能兩片成一對(duì)，中間通正電，兩側(cè)通負(fù)電，將很多對(duì)陶瓷片疊在一起，正極聯(lián)在一起，負(fù)極聯(lián)在一起。要提高電致伸縮傳感器的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)減少傳感器中的陶瓷片，減少傳感器的電容量。2024/12/6電致伸縮式微量進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)第5節(jié)微量進(jìn)給裝置2024/12/6電致伸縮式微量進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)第5節(jié)微量進(jìn)給裝置2024/12/6第6節(jié)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件位移的激光在線檢測(cè)系統(tǒng)一、激光在線檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

超精密機(jī)床的工件的形狀由機(jī)床的兩坐標(biāo)（z向和x向）的精密數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制工件和刀具的相對(duì)位置。精密數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)在采用閉環(huán)控制，即機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件的位移用裝在機(jī)床內(nèi)部的雙頻激光干涉測(cè)距系統(tǒng)隨機(jī)精確檢測(cè)，將數(shù)據(jù)反饋給精密數(shù)控系統(tǒng)，保證位移運(yùn)動(dòng)的高精度。2024/12/6第6節(jié)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件位移的激光在線檢測(cè)系統(tǒng)二、MSG－325超精密機(jī)床的激光檢測(cè)系統(tǒng)美國(guó)HP公司生產(chǎn)的HP5501兩坐標(biāo)雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)。主軸箱作z向運(yùn)動(dòng)，刀架作x向運(yùn)動(dòng)。激光測(cè)量系統(tǒng)的分辨率為0.01微米，大部分激光光路采用封閉。2024/12/6第6節(jié)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件位移的激光在線檢測(cè)系統(tǒng)三、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)激光位移測(cè)量系統(tǒng)2024/12/6第6節(jié)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件位移的激光在線檢測(cè)系統(tǒng)四、LODTM大型光學(xué)金剛石車床激光測(cè)量系統(tǒng)2024/12/6第7節(jié)機(jī)床的穩(wěn)定性和減振隔振一、機(jī)床的穩(wěn)定性1、各部件的尺寸穩(wěn)定性好

1）采用尺寸穩(wěn)定性好的材料制造機(jī)床部件；

2）各部件經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力；2、結(jié)構(gòu)剛度高，變形小

1）結(jié)構(gòu)剛度高、變形量極小，基本不影響加工精度；

2）各接觸面和聯(lián)接面的接觸良好，接觸剛度高，變形極小。2024/12/6第7節(jié)機(jī)床