大口徑非球面銑磨機(jī)Z軸精密進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含23張CAD圖紙】

大口徑非球面銑磨機(jī)Z軸精密進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含23張CAD圖紙】,含23張CAD圖紙,口徑,球面,銑磨機(jī),精密,進(jìn)給,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),23,CAD,圖紙 目 錄 目 錄 1 1. 緒論 3 1.1 課題的背景和來源 3 1.2 研究的目的和意義 3 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 4 1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 5 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 6 本論文的主要研究內(nèi)容如下： 6 （1） 了解大口徑光學(xué)非球曲面零件的加工方法及應(yīng)用背景。 6 （2） 了解國內(nèi)外超精密加工機(jī)床發(fā)展水平及特點(diǎn)。 6 （3） 學(xué)習(xí)超精密加工技術(shù)的基本理論知識。 6 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 6 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設(shè)計(jì)計(jì)算。 6 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 6 2. Z軸部件設(shè)計(jì) 7 2.1 Z軸部件技術(shù)方案設(shè)計(jì) 7 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.1.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 8 2.1.3 測量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 2.2 Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 2.2.1 滾珠絲杠副選型計(jì)算 13 2.2.2滾珠絲杠副選型計(jì)算[20]A736過程如下： 14 2.3.2 驅(qū)動電機(jī)造型計(jì)算 22 2.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計(jì)算 30 2.2.4 測量反饋裝置選型 32 2.3 Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 2.3.1 非球曲面磨床對部件的技術(shù)要求 33 2.4 Z軸部件主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特點(diǎn) 34 2.5 液體靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 39 2.6 本章小結(jié) 44 3 大口徑非球面銑磨機(jī)Z軸部件靜、動態(tài)特性分析 45 3.1 Z軸部件靜態(tài)特性分析 45 3.1.1 有限元法概述 45 3.1.2 ANSYS WORKBENCH 軟件簡介 46 3.2 Z軸部件件結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 47 3.3 Z軸部件動態(tài)特性分析 53 3.3.1 模態(tài)分析簡介 53 3.3 本章小結(jié) 58 4 結(jié)論與展望 59 4.1 結(jié)論 59 4.2 展望 59 5.參考文獻(xiàn) 61 6. 課題總結(jié) 61 7.致謝 64 1. 緒論 1.1 課題的背景和來源 “大口徑光學(xué)非球面超精密數(shù)控銑磨機(jī)”的開發(fā)研制隸屬于“國家863計(jì)劃”攻關(guān)項(xiàng)目，這個項(xiàng)目由北京微納精密機(jī)械有限公司承接。該公司是進(jìn)行精密制造技術(shù)方面產(chǎn)品制造和技術(shù)研究開發(fā)的制造實(shí)體，由一批國內(nèi)知名專家領(lǐng)隊(duì)和年富力強(qiáng)的中青年技術(shù)人員組成，具有很強(qiáng)的科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)能力。 為了響應(yīng)教育部的號召，實(shí)施大學(xué)本科教改計(jì)劃，北京微納精密機(jī)械有限公司與中原工學(xué)院聯(lián)合實(shí)施“卓越工程師”的培養(yǎng)計(jì)劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學(xué)院大四學(xué)生來公司實(shí)習(xí)并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，為學(xué)生走上工作崗位提供一個鍛煉自己的平臺。 1.2 研究的目的和意義 非球面光學(xué)元件是一種非常重要的光學(xué)零件，因其在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，且能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量而得到重要應(yīng)用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機(jī)床的制造水平息息相關(guān)，因此，進(jìn)一步提高我國非球面超精密機(jī)床的制造水平勢在必行。 為了提高非球面超精密機(jī)床的整體性能，其主要構(gòu)件——Z軸的結(jié)構(gòu)特性也至關(guān)重要。為此開展了對于大口徑非球面超精密光學(xué)銑磨機(jī)Z軸結(jié)構(gòu)特性的分析和優(yōu)化。以期通過對該梁的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，對橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其靜力學(xué)和動力學(xué)特性，從而保證機(jī)床的Z軸的精密進(jìn)給，最終實(shí)現(xiàn)該銑磨機(jī)整體使用性能。 研制出加工口徑達(dá)900mm的光學(xué)非球曲面加工機(jī)床及成套應(yīng)用工藝，可以滿足國家國民經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域和國防工業(yè)的重大需求，部分解決禁運(yùn)和替代進(jìn)口問題，提升我國相關(guān)領(lǐng)域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。打破國外的技術(shù)封鎖，使我國的非球面曲面光學(xué)零件的超精密加工水平提升一個大的臺階，從整體上縮短與世界最先進(jìn)水平的差距。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著國防工業(yè)、航空、民用光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高精度的非球面光學(xué)元件越來越多地應(yīng)用于高性能要求的光學(xué)系統(tǒng)中。光學(xué)元件因其具有矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。目前，高精度非球面光學(xué)元件的使用受到其加工精度、表面質(zhì)量和制造成本的限制，但是市場上對光學(xué)元件的需求促使各個國家致力于高精度非球面光學(xué)元件加工的技術(shù)研究。 1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 80年代以來，國外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有： （1） 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)是由美國國防科研機(jī)構(gòu)于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應(yīng)用的非球面光學(xué)零件加工技術(shù)。它是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點(diǎn)車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。該技術(shù)主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。采用該項(xiàng)金剛石車削技術(shù)加工出來的直徑120mm以下的光學(xué)零件，面形精度達(dá)l/2～1l，表面粗糙度的均方根值為0.02～0.06mm。目前采用金剛石車削技術(shù)可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)晶體（碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體）無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。 （2）計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)控制的精密機(jī)床將工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性拋光模拋光，使工件在不改變精磨面形精度的條件下達(dá)到鏡面光潔度的光學(xué)零件制造技術(shù)。該技術(shù)主要用來加工中、大尺寸的非球面光學(xué)零件。工件加工精度主要取決于測量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學(xué)零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術(shù)是：小型磨床修正研磨拋光法。 小型磨床最早是由美國研究開發(fā)的，其磨頭直徑不超過工件的1/3，由計(jì)算機(jī)計(jì)算去除量，加工精度比較高?？梢愿呔鹊丶庸ぶ睆?500～1800mm的大口徑非球面。目前，美國亞里桑那大學(xué)的光學(xué)中心，已基本上用計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光加工技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學(xué)零件。 80年代末，日本研制出了的超精密數(shù)控范成法研磨機(jī)，使用該研磨機(jī)加工出的光學(xué)零件，其面形精度達(dá)到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進(jìn)行加工，表面粗糙度的均方根值能達(dá)到0.035nm。最近，日本采用門型機(jī)械加工中心，使用4000#～8000#鑄鐵絲結(jié)合金剛石砂輪，利用ELID（在線電解修正法）磨削法，磨削BK-7光學(xué)玻璃，所獲得的非球面的面形精度為1μm，表面粗糙度為43nmRmax。 德國的計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光技術(shù)也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機(jī)，不僅可以粗、精磨球面光學(xué)零件，而且還可以粗、精磨非球面光學(xué)零件。施耐德（SCHEIDER）光學(xué)機(jī)械公司90年代末制造的ALG100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面磨床和ALP100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面拋光機(jī)，可以高效率地進(jìn)行非球面光學(xué)零件的生產(chǎn)。 （3）計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù) 日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇正教授提出了一種用化學(xué)氣體加工的新的加工工藝方法，稱為等離子CVM法，這是一種利用原子化學(xué)反應(yīng)，獲得超精密表面的一種技術(shù)，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應(yīng)，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達(dá)到與機(jī)械加工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下，由于氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電極附近。所以可以通過電極掃描，加工出0.01μm精度的任意形狀的零件，另外可以以50μm／min的速度加工單晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可達(dá)0.1nm(Rrms)。 （4） 非球面零件復(fù)制技術(shù) 用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件，但和一般的光學(xué)零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個問題的方法之一有復(fù)制技術(shù)，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術(shù)，這種技術(shù)能夠制造一部分非球面透鏡。 近年來，國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有復(fù)合加工功能，這樣可以使非球面零件的加工更加靈活。 1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 我國從80年代初才開始超精密加工技術(shù)的研究，比國外整整落后了20年。80年代中期，我國出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。如北京機(jī)床研究所、中國航空精密機(jī)械研究所、中國科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位都在該領(lǐng)域取得了階段性的成果。 北京高華精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DHM-500全液體靜壓超精密數(shù)控非球面磨床，通過X-Z-B三軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)對非球面透鏡的高效率、高精度磨削； 上海第三機(jī)床廠生產(chǎn)的MK-9025型數(shù)控曲線磨床，采用西班牙FAGOR公司的CNC四軸控制系統(tǒng)，其中二軸為插補(bǔ)控制軸，分別控制機(jī)床工作臺的縱、橫向進(jìn)給，另二軸控制磨頭滑座的縱、橫向進(jìn)給，可以加工任意曲面； 我國九五期間在中國航空精密機(jī)械研究所首先建立的國內(nèi)第一個從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)； 長春光機(jī)所于1992年成功研制出國內(nèi)首臺實(shí)用型非球面數(shù)控光學(xué)加工中心FSGJ-I; 2002年，國防科技大學(xué)研制了一臺集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床。 由我國數(shù)控光學(xué)非球面加工第一人——蘇州大學(xué)研究員余景池與其創(chuàng)辦的蘇州大學(xué)明世光學(xué)有限公司，生產(chǎn)國際一流水平的非球面眼鏡模具，并廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、可視電話、計(jì)算機(jī)光驅(qū)、非球面透鏡等領(lǐng)域。它是國內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司，用完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品代替了國外產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。 最近，中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所率先研制成功520mm國產(chǎn)碳化硅非球面鏡光學(xué)系統(tǒng)，并通過了專家組的驗(yàn)收，這標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域邁上了新的臺階。但是對于大口徑高精度非球面光學(xué)零件的加工，如果再加上數(shù)字化控制的要求，在國內(nèi)就是一個挑戰(zhàn)性的課題了。因此，國內(nèi)生產(chǎn)水平與國際生產(chǎn)水平仍有差距。 為此，國家該863項(xiàng)目提出，在經(jīng)典高精度光學(xué)經(jīng)典加工工藝研究基礎(chǔ)上，吸收國際上先進(jìn)的加工工藝研究成果，研究優(yōu)化的高精度數(shù)字化光學(xué)非球面元件加工工藝。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容如下： （1） 了解大口徑光學(xué)非球曲面零件的加工方法及應(yīng)用背景。 （2） 了解國內(nèi)外超精密加工機(jī)床發(fā)展水平及特點(diǎn)。 （3） 學(xué)習(xí)超精密加工技術(shù)的基本理論知識。 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設(shè)計(jì)計(jì)算。 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 2. Z軸部件設(shè)計(jì) 2.1 Z軸部件技術(shù)方案設(shè)計(jì) 大口徑光學(xué)非球曲面磨床的Z軸部件是機(jī)床的關(guān)鍵部件，其性能的高低直接影響到被加工零件的質(zhì)量。Z軸部件的技術(shù)方案設(shè)計(jì)主要包括進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及Z軸部件平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Z軸部件的技術(shù)指標(biāo)如表2-1所示： 表2-1 Z軸部件技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng) 目 數(shù) 值 Z軸行程 400mm 定位精度 ±1μm 重復(fù)定位精度 ±0.5μm 直線度 0.1μm/100mm 導(dǎo)軌剛度 ＞1000N/μm 最小進(jìn)給量 0.01μm 切削進(jìn)給速度 ＜3m/min 快速移動速度 6m/min 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 精密超精密機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要有滾珠絲杠副、靜壓絲杠副、摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)、直線電機(jī)等。 1）精密滾珠絲杠副 精密滾珠絲杠副是精密超精密機(jī)床目前采用的主要進(jìn)給方式。精密滾珠絲杠副具有較高的分辨率和動、靜態(tài)剛度，目前被廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工和精密測量等領(lǐng)域。隨著加工工藝的發(fā)展，滾珠絲杠副各項(xiàng)性能也在進(jìn)一步提高，它仍是超精密加工設(shè)備中主要的驅(qū)動方式之一。超精密加工機(jī)床的滾珠絲杠副一般的精度等級為C0級，在高精度閉環(huán)控制和高等級滾珠絲杠副的配合下，可以獲得0.01μm的定位精度[13]。 2）靜壓絲杠副 靜壓絲杠副包括兩種方式：空氣靜壓絲杠副和液體靜壓絲杠副。靜壓絲杠利用高壓介質(zhì)使絲杠和螺母不直接接觸，由于介質(zhì)膜的均化作用，螺紋的積累誤差可以大幅度地減小，可以獲得很高的進(jìn)給精度。目前這兩種靜壓絲杠副的最小分辨率都可以達(dá)到0.01μm，但空氣靜壓絲杠副的剛度較小，只適用于輕載荷的場合。液體靜壓絲杠副需要輔助設(shè)備，調(diào)試和維修較復(fù)雜且價格較貴，一般精密和超精密機(jī)床應(yīng)用較少。 3）摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu) 摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)是利用摩擦力把伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成為直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。在摩擦驅(qū)動實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動時，驅(qū)動系統(tǒng)的等效導(dǎo)程等于主動摩擦輪的周長，進(jìn)給分辨率則取決于驅(qū)動電機(jī)回轉(zhuǎn)一周的步進(jìn)數(shù)。摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動平穩(wěn)、無反向間隙等特點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)上比較簡單，因而彈性變形因素大為減少，所以一直被認(rèn)為是一種非常適合超精密機(jī)床的傳動系統(tǒng)。一般應(yīng)用于輕載、超低速和高分辨率的超精密機(jī)床和測量機(jī)構(gòu)中。 4）直線電機(jī) 直線電機(jī)可以直接輸出直線運(yùn)動，無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而減少了因傳動鏈而引入的誤差。直線電機(jī)適合于高速和高精度驅(qū)動場合。因?yàn)檫M(jìn)給和定位精度高，在超精密測量裝置及高精度的特種加工裝置中被廣泛地使用。但直線電機(jī)具有強(qiáng)磁板磁場、裝配和拆卸不方便，易吸引鐵屑和其他金屬碎屑，線圈發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，直接驅(qū)動易引入振動而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能變差等不足。平板直線電機(jī)具有齒槽效應(yīng)，直接影響加工質(zhì)量的高低。 Z軸部件的特點(diǎn)是豎直軸，承受較大載荷，要求具有高的定位精度和剛度。綜上各種進(jìn)給方式的特點(diǎn)，而目前直線電機(jī)在豎直軸上的應(yīng)用還不夠成熟，摩擦驅(qū)動主要用于輕載的場合，空氣靜壓絲杠剛度較小，液體靜壓絲杠較復(fù)雜。 Z軸伺服進(jìn)給系統(tǒng)采用全閉環(huán)反饋控制，系統(tǒng)運(yùn)動分辨率可以做得很高，從而降低對滾珠絲杠的軸向綜合精度的要求。而且滾珠絲杠由專業(yè)廠家進(jìn)行生產(chǎn)和系列化，其標(biāo)準(zhǔn)化程度高，性能穩(wěn)定，價格相對低廉。綜合上述情況，選用精密滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)。這樣，既能滿足設(shè)計(jì)精度要求，又使設(shè)計(jì)簡化，并且大大降低了成木。 2.1.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) （1）導(dǎo)軌的功用 導(dǎo)軌主要用來支承和引導(dǎo)運(yùn)動部件沿一定的軌跡運(yùn)動。機(jī)床上兩相對運(yùn)動部件的配合面組成一對導(dǎo)軌副，在導(dǎo)軌副（如工作臺和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動的一方（如工作臺導(dǎo)軌）叫做動導(dǎo)軌，不動的一方（如床身導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌[14]251。動導(dǎo)軌相對于支承導(dǎo)軌只能做一個自由度的運(yùn)動，以保證單一方向的導(dǎo)向性。通常動導(dǎo)軌相對于支承導(dǎo)軌只能作直線運(yùn)動或者回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 機(jī)床導(dǎo)軌的基本要求 1）導(dǎo)軌精度 導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確度，它是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。主要影響因素有：導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型；導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度。導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的剛度；導(dǎo)軌的油膜厚度和油膜剛度；導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的熱變形等。 2）精度保持性 精度保持性主要是由導(dǎo)軌耐磨性決定的，它與導(dǎo)軌的摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌材料、工藝方法以及受力情況有關(guān)。另外，導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件上的殘余應(yīng)力，也會使導(dǎo)軌變形而影響導(dǎo)軌的精度保持性。 3）低速運(yùn)動的平衡性 導(dǎo)軌低速運(yùn)動的平穩(wěn)性，就是要保證導(dǎo)軌在低速運(yùn)動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。低速運(yùn)動的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤滑，動、靜摩擦因數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。 4）剛度 導(dǎo)軌的剛度指導(dǎo)軌在外載荷的作用下，抵抗受力變形的能力。導(dǎo)軌受力后變形會影響部件之間的相對位置和導(dǎo)向精度。因此要求導(dǎo)軌具有足夠的剛度。導(dǎo)軌的變形主要有導(dǎo)軌受力后的接觸變形、扭轉(zhuǎn)彎曲變形以及由于導(dǎo)軌支承件的變形引起的導(dǎo)軌變形。導(dǎo)軌變形主要取決于導(dǎo)軌的形狀、尺寸及與支承的連接方式、受力情況等。 5）結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好 設(shè)計(jì)時要注意使得制造、維修方便，刮研勞動量少，如果是鑲裝導(dǎo)軌則應(yīng)盡量做到容易更換。 （2）導(dǎo)軌的分類及特點(diǎn) （1）滑動導(dǎo)軌 滑動導(dǎo)軌主要包括普通滑動導(dǎo)軌、塑料滑動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三類。 ①普通滑動導(dǎo)軌 普通滑動導(dǎo)軌是基本導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)是滑動摩擦，大多處于邊界摩擦或混合摩擦的狀態(tài)。其它類型的導(dǎo)軌都是以它為基礎(chǔ)而發(fā)展起來，普通滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于保證精度、剛度，滑動導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是摩擦因數(shù)大、磨損快、使用壽命短、低速易產(chǎn)生爬行等缺點(diǎn)，故應(yīng)用于對低速均勻性和定位精度要求不高的機(jī)床中。 ②塑料滑動導(dǎo)軌 塑料滑動導(dǎo)軌是一種新型的滑動導(dǎo)軌。塑料滑動導(dǎo)軌分為注塑導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌兩種，導(dǎo)軌上的塑料常用環(huán)氧樹脂耐磨涂料和聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。塑料滑動導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運(yùn)動導(dǎo)軌上，與之相配的金屬導(dǎo)軌采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料。塑料滑動導(dǎo)軌具有耐磨性好，自潤滑功能；動、靜摩擦因數(shù)小；減振性好，具有良好的阻尼性；加工性好，工藝簡單，化學(xué)性能好，維修方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)[15]202。塑料滑動導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是耐熱性差、導(dǎo)熱率低、熱膨脹系數(shù)比金屬大、在外力作用下易產(chǎn)生變形、剛性差、吸濕性大、影響尺寸穩(wěn)定性。 ③靜壓導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌分為氣體靜壓導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌兩種，由于靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用于精密超精密及重型加工機(jī)床。 a) 氣體靜壓導(dǎo)軌 氣體靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的空氣經(jīng)過節(jié)流孔射入導(dǎo)軌間隙，在導(dǎo)軌間隙內(nèi)形成厚度為微米量級且基本保持恒定的潤滑氣膜，導(dǎo)軌運(yùn)動單元在潤滑氣膜的支撐下懸浮在固定單元上方，是一種純空氣摩擦的滑動導(dǎo)軌[17]。 由于氣體具有誤差均化效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)動精度。氣體靜壓導(dǎo)軌摩擦力極小，又可以帶走部分熱量，適用于高速運(yùn)動的場合。氣體靜壓導(dǎo)軌工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，清潔環(huán)保。氣體靜壓導(dǎo)軌的主要缺點(diǎn)是剛度和阻尼較小，還還產(chǎn)生氣振，不適合在重載荷和大沖擊負(fù)載的場合使用。 b) 液體靜壓導(dǎo)軌 液體靜壓導(dǎo)軌是在兩相對運(yùn)動的導(dǎo)軌面之間通入壓力油，使運(yùn)動件浮起，工作過程中油膜壓力隨外載荷變化而變化，在不同速度下都能保證導(dǎo)軌面間在液體摩擦狀態(tài)下工作[18]243。 液體靜壓導(dǎo)軌的主要優(yōu)點(diǎn)如下： l 摩擦系數(shù)小，一般為0.0005~0.001[15]203，減小拖動功率 l 低速運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行 l 特優(yōu)的抗振效果 l 油膜具有誤差均化作用，可提高運(yùn)動精度 l 速度變化和載荷變化對油膜剛度影響小，工作穩(wěn)定 l 油膜承載能力大，剛度高 l 幾乎不造成磨損，運(yùn)動副壽命長，能長期保持制造精度 液體靜壓導(dǎo)軌的主要缺點(diǎn)如下： l 液體靜壓導(dǎo)軌使用油作為介質(zhì)，需要一套液壓供油系統(tǒng) l 溫度對介質(zhì)油的性能影響較大，需要高精度的冷卻裝置 l 液壓系統(tǒng)成本較高 l 液壓油膜厚度控制難度較大 液體靜壓導(dǎo)軌須滿足導(dǎo)軌精度、耐磨性、剛度和運(yùn)動均勻性的要求，即： l 導(dǎo)軌精度是運(yùn)動件沿導(dǎo)軌運(yùn)動時的直線性以及與其他機(jī)件或基面之間相 對位置的準(zhǔn)確性；要求導(dǎo)軌的平直度、扭曲度和平行度的總和應(yīng)小于導(dǎo)軌間隙 l 耐磨性決定導(dǎo)軌的磨損壽命，耐磨性是保持導(dǎo)軌工作質(zhì)量的關(guān)鍵 l 剛度是導(dǎo)軌工作質(zhì)量的主要指標(biāo)；導(dǎo)軌間隙不能過大，否則影響油膜剛度，對開式導(dǎo)軌還容易產(chǎn)生漂移 l 運(yùn)動的均勻性要求能準(zhǔn)確定位，即在低速或重載時，不發(fā)生不均運(yùn)的跳躍式運(yùn)動（爬行） 液體靜壓導(dǎo)軌按所承受的載荷不同，可以分為開式液體靜壓導(dǎo)軌和閉式液體靜壓導(dǎo)軌[18]243。 開式液體靜壓導(dǎo)軌如圖2-1(a)所示，依靠運(yùn)動件自重及外載荷來保持運(yùn)動件不從床身上分離，開式液體靜壓導(dǎo)軌只能承受單向載荷[18]244。開式液體靜壓導(dǎo)軌往往只在導(dǎo)軌的一個方向上開有油腔，只能水平或傾斜一個較小的角度放置。 開式液體靜壓導(dǎo)軌，承受正向載荷能力大；承受偏載荷及顛覆力矩的能力較差，不能承受反向力；結(jié)構(gòu)簡單制造調(diào)整容易。開式液體靜壓導(dǎo)軌主要用在載荷分布均勻、偏載小、顛覆力矩小的水平放置或僅有較小傾角的場合。 閉式液體靜壓導(dǎo)軌如圖2-1(b)所示，夠防止工作臺與床身分離的導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌不僅能夠承受各個方向的載荷，而且具有承受很大傾覆力矩的能力。在上、下或左、右各個方向上，閉式液體靜壓導(dǎo)軌都開有對置油腔。閉式液體靜壓導(dǎo)軌能夠承受正、反方向的載荷，油膜剛度高，承受偏載及顛覆力矩的能力較高。但閉式液體靜壓導(dǎo)軌加工制造及油膜調(diào)整較為復(fù)雜，對導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)剛度要求較高，尤其副導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)剛度要求較高。閉式液體導(dǎo)軌主要應(yīng)用于載荷分布不均勻、偏載大及有正、反方向載荷或立式導(dǎo)軌等場合。 (b) 閉式液體靜壓導(dǎo)軌 (a) 開式液體靜壓導(dǎo)軌 圖2-1 液體靜壓導(dǎo)軌 （2）滾動導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌是指在兩導(dǎo)軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導(dǎo)軌面之間的摩擦具有滾動摩擦性質(zhì)。滾動導(dǎo)軌的最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小（0.0025~0.005）；動、靜摩擦系數(shù)很接近[16]243。滾動導(dǎo)軌的主要優(yōu)點(diǎn)，是運(yùn)動靈敏度高，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動平穩(wěn)性好，無爬行現(xiàn)象，潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便。但其抗振性較差，防護(hù)要求高。滾動體直徑的不一致或?qū)к壝娌黄?，都會使運(yùn)動部件傾斜或高度發(fā)生變化，導(dǎo)向精度低。滾動導(dǎo)軌與普通滑動導(dǎo)軌相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。目前，滾動導(dǎo)軌主要用于實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給、精密定位和對運(yùn)動靈敏度要求高的機(jī)床。 綜上各種導(dǎo)軌的特點(diǎn)，由于Z軸部件對導(dǎo)軌要求具有高的運(yùn)動精度和剛度，Z軸部件導(dǎo)軌采用閉式液體靜壓導(dǎo)軌副，在保證導(dǎo)軌副本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的條件下，通過調(diào)節(jié)閉式液體靜壓導(dǎo)軌副的油膜厚度，使Z軸導(dǎo)軌副具有高精度、低速平穩(wěn)和高剛度的性能。同時，由于液體靜壓導(dǎo)軌副具有優(yōu)越的性能，可以有效地減小大口徑光學(xué)非球面零件磨削加工的亞表面損傷層深度，提高零件的加工質(zhì)量和效率。 2.1.3 測量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床測量系統(tǒng)是對數(shù)控機(jī)床執(zhí)行件的實(shí)際位置進(jìn)行測量，不斷地將工作臺的位置量檢測出來并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，將計(jì)算理論值與實(shí)際反饋的位置進(jìn)行比較，以判斷進(jìn)給定位的正確與否，同時輔助伺服系統(tǒng)達(dá)到更精確的進(jìn)給定位，實(shí)現(xiàn)高精度控制。實(shí)際反饋位置的采集是由位置檢測裝置來實(shí)現(xiàn)的。常用的位置檢測裝置有感應(yīng)同步器、光柵位置檢測裝置、光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、磁尺位置檢測裝置等。 對機(jī)床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，即為直接測量。Z軸部件行程400mm，選用高精度直線光柵尺進(jìn)行位置測量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。光柵是利用光的投射、衍射現(xiàn)象形成的莫爾條紋而制成的光電檢測裝置，它將機(jī)械位移量或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖[15]153，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光柵主要有標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)主要有由光源、聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成，如圖2-2所示。 圖2-2 光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖 光柵的工作原理[15]153都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。經(jīng)過后續(xù)電路和數(shù)據(jù)處理，就可以進(jìn)行位移大小、位移方向和速度的檢測。 2.2 Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) Z軸部件的技術(shù)方案是采用伺服電機(jī)通過高負(fù)荷精密滾珠絲杠進(jìn)行驅(qū)動，導(dǎo)軌采用閉式液體靜壓導(dǎo)軌副，并通過高精度直線光柵尺的進(jìn)行閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)Z軸部件高精度、高剛度和高的動態(tài)響應(yīng)性能。 2.2.1 滾珠絲杠副選型計(jì)算 Z軸滾珠絲杠副驅(qū)動Z軸運(yùn)動部件移動，運(yùn)動質(zhì)量估計(jì)大約550kg，為保證進(jìn)給系統(tǒng)具有高精度和足夠的剛性，初步選擇日本THK公司的帶球保持器的HBN高負(fù)荷精密滾珠絲杠。 帶球保持器的HBN高負(fù)荷精密滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，主要由絲杠、螺母、滾珠、球保持器和回球器組成。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠沿螺紋滾道滾動，在此運(yùn)動過程中，滾珠不但繞絲杠公轉(zhuǎn)，其自身還在自轉(zhuǎn)。所以滾珠不但與絲杠、螺母間產(chǎn)生摩擦，而且相互間也產(chǎn)生摩擦。為了減小鋼球之間的摩擦，帶球保持器型滾珠絲杠使用球保持器，消除鋼球之間的碰撞和相互摩擦并提高潤滑脂的保持性，因而實(shí)現(xiàn)了低噪音、低扭矩變動以及長期運(yùn)行而免維護(hù)的優(yōu)越性能[20]A749。 圖2-3 THK公司帶球保持器的HBN高負(fù)荷精密滾珠絲杠 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動使得滾珠沿螺旋滾道滾動，帶動螺母軸向移動，具有較小的摩擦力，相近的動、靜摩擦系數(shù)，削弱了局部爬行現(xiàn)象，經(jīng)過預(yù)緊可以消除軸向移動產(chǎn)生的間隙，從而提高了傳動精度和傳動機(jī)械效率。經(jīng)過一個多世紀(jì)的實(shí)踐應(yīng)用，“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動機(jī)構(gòu)已經(jīng)成為傳統(tǒng)的精密驅(qū)動方式，性價比高，動、靜剛度高，傳動精度好，控制技術(shù)成熟[21]。 2.2.2滾珠絲杠副選型計(jì)算[20]A736過程如下： 1）選擇條件 運(yùn)動部件質(zhì)量 （運(yùn)動部件總質(zhì)量550kg，平衡系統(tǒng)平衡Z軸運(yùn)動質(zhì)量500kg） 行程長度 最大速度 加速時間 減速時間 每分鐘往返次數(shù) 定位精度 重復(fù)定位精度 最小進(jìn)給量 工作壽命時間20000h AC伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm 液體靜壓導(dǎo)軌面上的摩擦系數(shù)[22]P1528 導(dǎo)向面的阻力（無負(fù)荷，液體靜壓摩擦系數(shù)，阻力較?。? 2）選擇項(xiàng)目 絲杠軸直徑 導(dǎo)程 螺母型號 軸向間隙 絲杠軸支撐方式 驅(qū)動電機(jī) 3) 導(dǎo)程精度與軸向間隙（予壓）的選擇 （1）導(dǎo)程精度的選擇 為實(shí)現(xiàn)定位精度，行程為400mm，則有，參照文獻(xiàn)[20]A-678頁上表1，只能選擇C0精度等級。 （2）軸向間隙 由于絲杠垂直使用，軸向負(fù)荷常作用與一個方向，不論軸向間隙多大，使用時都不會有間隙，因此選用軸向無予壓絲杠。 4）絲杠軸的選擇 超精密磨床Z軸選擇帶球保持器的HBN高負(fù)荷精密滾珠絲杠，其額定負(fù)荷是傳統(tǒng)絲杠的2倍以上。 （1）假定絲杠軸長度 假定螺母全長為100mm，絲杠軸末端長度為100mm。 所以根據(jù)行程長度400mm決定全長：400+200=600mm 即絲杠軸長度假定為600mm （2）導(dǎo)程的選擇 因伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是3000rpm，最高進(jìn)給速度是，滾珠絲杠的導(dǎo)程如下： 因此，必須選擇2mm或2mm以上的導(dǎo)程。 為滿足最小進(jìn)給量，伺服電機(jī)分辨率應(yīng)符合如下： 導(dǎo)程2mm——20000p/rev 6mm——60000p/rev 8mm——80000p/rev 10mm——100000p/rev 考慮到絲杠誤差的影響，選用較大導(dǎo)程，以減小，但會增加伺服電機(jī)驅(qū)動器指令的脈沖數(shù)至100000p/rev。 （3）絲杠軸直徑的選擇 考慮到Z軸較高的定位精度和重復(fù)定位精度，選擇精密滾珠絲杠，參照文獻(xiàn)[20]693頁上表16，滿足導(dǎo)程10mm的滾珠絲杠軸外徑如下：8，10，15，18，20，25，32，36，40，50mm。超精密機(jī)床的特點(diǎn)是保證每個環(huán)節(jié)具有足夠高的剛性，每個元件處于性能最好的狀態(tài)，從而保證機(jī)床的高精度。 根據(jù)上述條件選擇滾珠絲杠直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm。 (1) 絲杠軸支撐方法的選擇 滾珠絲杠垂直使用，行程長度400mm較短，并設(shè)計(jì)采用高精度光柵尺作為測量反饋裝置，為減小絲杠在工作過程中的熱伸長，以及絲杠螺母的安裝調(diào)節(jié)方便，支撐方法選擇固定—自由方式。 (2) 容許軸向負(fù)荷的探討 a）最大軸向負(fù)荷的計(jì)算 導(dǎo)向面的阻力 運(yùn)動部件質(zhì)量 最大速度 加速時間 則有：加速度 上升加速時 上升等速時 上升減速時 下降加速時 下降等速時 下降減速時 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負(fù)荷： b）絲杠軸的挫曲栽荷的計(jì)算 參照文獻(xiàn)[20]A-694頁，為考慮挫曲因素，螺母和軸承之間的安裝方法按固定—固定方式。 與安裝方法相關(guān)的系數(shù) 安裝距離（估算） 絲杠軸溝槽谷徑 c）絲杠軸的容許拉伸壓縮負(fù)荷 由此可見，，絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負(fù)荷大于最大軸向負(fù)荷，滿足滾珠絲杠的使用要求。 (1) 容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算 a）最高轉(zhuǎn)速 絲杠軸直徑：40mm；導(dǎo)程：10mm 最大速度 導(dǎo)程 b）由絲杠軸的危險(xiǎn)速度所決定的容許轉(zhuǎn)速 參照文獻(xiàn)[20]A-696頁，為考慮危險(xiǎn)速度，螺母和軸承間的安裝方法按固定—支撐。 與安裝方法相關(guān)的系數(shù) 安裝間距（估算） 危險(xiǎn)速度 c）由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速 鋼球中心直徑：D＝42mm 參考文獻(xiàn)[20]A-697頁，HBN型容許轉(zhuǎn)速 由上述可見，絲杠最大轉(zhuǎn)速都小于絲杠軸的危險(xiǎn)速度和DN值，滿足使用要求 （2）螺母的選擇 a）螺母型號的選擇 選擇絲杠軸直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm的高負(fù)荷HBN型精密滾珠絲杠： HBN4010-7.5，。 b）容許軸向負(fù)荷計(jì)算 參考文獻(xiàn)[20]A-703頁上表18，因加速、減速時有沖擊負(fù)荷的作用，故靜態(tài)安全系數(shù) 與最大軸向負(fù)荷相比，得到的容許軸向負(fù)荷較大，因而該絲杠型號可以使用。 （3）工作壽命計(jì)算 a）運(yùn)行距離的計(jì)算 最大速度 加速時間 減速時間 加速時的運(yùn)行距離 減速時的運(yùn)行距離 等速時的運(yùn)行距離 等速時間 根據(jù)以上條件，軸向負(fù)荷與運(yùn)行距離的關(guān)系如表2-2所示： 表3-2 軸向負(fù)荷與運(yùn)行距離的關(guān)系 動 作 軸向負(fù)荷 運(yùn)行距離 No1：上升加速時 535 10 No2：上升等速時 510 380 No3：上升減速時 485 10 No4：下降加速時 445 10 No5：下降等速時 470 380 No6：下降減速時 495 10 b) 軸向平均負(fù)荷 賽 c) 額定壽命 動額定負(fù)荷 參照文獻(xiàn)[20]A-704上的表19，負(fù)荷系數(shù) 平均負(fù)荷 額定壽命L（rev） c ) 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) 每分鐘往返次數(shù) 行程 導(dǎo)程 d )根據(jù)額定壽命計(jì)算工作壽命時間 額定壽命 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) e ) 根據(jù)額定壽命計(jì)算運(yùn)行距離壽命 額定壽命 導(dǎo)程 由上述計(jì)算可知，HBN4010-7.5型能滿足希望壽命時間20000小時。 （6）定位精度分析 1）導(dǎo)程精度 選擇絲杠導(dǎo)程精度等級為C0級，代表運(yùn)行距離誤差6μm，變動/300值為4μm 2）軸向間隙 因?yàn)闈L珠絲杠是垂直使用，軸向負(fù)荷總是朝一個方向，沒有軸向間隙。 3）軸向剛性 a）絲杠的軸向剛性 安裝方式：固定—自由 考文獻(xiàn)[20]A-707頁剛性探討，絲杠的軸向剛性為： （2-1） 式中： A：絲杠軸的斷面面積 E：楊氏模量（） L：安裝間距（100mm~500mm） 當(dāng)時， 當(dāng)時， b) 絲杠軸的軸向剛性引起的軸向變位量 當(dāng)時， 當(dāng)時， c) 進(jìn)給絲杠軸向剛性引起的定位誤差 定位精度 因此由進(jìn)給絲杠軸向剛性而產(chǎn)生的定位誤差是1.14μm。 選擇高負(fù)荷HBN精密滾珠絲杠，軸向剛性為1910KN/μm，具有足夠大的剛性，通過高精度直線光柵尺進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，Z軸部件可以實(shí)現(xiàn)Z軸部件定位精度的要求。 4）因發(fā)熱而引起的熱變形計(jì)算 如果在運(yùn)轉(zhuǎn)中絲杠軸的溫度上升，絲杠軸因熱而伸長，會影響定位精度。因發(fā)熱而引起的絲杠軸伸縮量： （2-2） 式中： ：絲杠軸的軸向伸縮量 ：熱膨脹系數(shù) ：絲杠軸的溫度改變 ：螺紋部分有效長度（620mm） 當(dāng)溫度上升1℃時，絲杠軸伸長 因此滾珠絲杠的使用時，一方面采取相應(yīng)措施控制絲杠溫升，另一方面通過高精度光柵尺進(jìn)行測量反饋，保證精度要求。 （7 ) 旋轉(zhuǎn)扭矩計(jì)算 1）由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩 上升等速時 下降等速時 2）有滾珠絲杠予壓引起的扭矩 對絲杠沒有施加予壓 3）加速時所需的扭矩 慣性力矩(轉(zhuǎn)動慣量)：查文獻(xiàn)[20]B-577頁的尺寸表，每單位長度的絲杠軸慣性力矩為：，則絲杠軸全長732mm的慣性力矩如下： 絲杠負(fù)載慣性力矩 （3-3） 式中： ， 角加速度： 根據(jù)上述計(jì)算，加速所需要的扭矩如下： 因此，所需扭矩如下： 上升加速時： 上升等速時： 上升減速時： 下降加速時： 下降等速時： 下降減速時： （8）驅(qū)動電機(jī)的初步計(jì)算 1）旋轉(zhuǎn)速度 滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇，絲杠最高使用轉(zhuǎn)速600rpm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm。 2）最小進(jìn)給量 最小進(jìn)給量與電機(jī)角度測試儀的分辨率有關(guān)，計(jì)算得電機(jī)角度分辨率為：100000p/rev。 3）電機(jī)扭矩 計(jì)算加速時所產(chǎn)生的扭矩為所需的最大扭矩： 4）電機(jī)扭矩有效值 電機(jī)扭矩的有效值為：2 即電機(jī)的額定扭矩必須大于 5）慣性力矩 作用在電機(jī)上的慣性力矩為：，通常電機(jī)有必要具有作用在電機(jī)上慣性力矩的1/10以上的慣性力矩。因此，AC伺服電機(jī)的慣性力矩必須為以上。 綜上計(jì)算，滾珠絲杠副的選擇完成，即為帶球保持器的高負(fù)荷HBN精密滾珠絲杠：HBN 4010-7.5RRG2+728LC0 絲杠主要參數(shù)如表2-3所示： 表2-3 滾珠絲杠的主要參數(shù) 公稱型號 HBN4010-7.5 基本額定動負(fù)荷 162.6KN 絲杠軸外徑 40mm 基本額定靜負(fù)荷 336KN 導(dǎo)程 10mm 容許負(fù)荷 50.4KN 精度等級 C0 剛性 1910KN/μm 負(fù)荷圈數(shù)列×圈 3×2.5 絲杠軸慣性力矩 2.3.2 驅(qū)動電機(jī)造型計(jì)算 伺服系統(tǒng)中的控制電機(jī)是伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行部件。它一方面像普通電動機(jī)一樣是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，另一方面也是將數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械與位移的信息轉(zhuǎn)換裝置。為了能量轉(zhuǎn)換的高效率與信息轉(zhuǎn)換的高精度、快響應(yīng)和高度的穩(wěn)定性，對伺服系統(tǒng)中控制電機(jī)的基本要求有：①輸出功率大；②優(yōu)良的調(diào)速性能；③優(yōu)良的控制特性；④免于或便于維護(hù)；⑤散熱性好；⑥價格適中等。目前在數(shù)控機(jī)床上常用的控制電機(jī)包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)三大類，由于交流伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、體積較小、重量較輕、輸出功率大、轉(zhuǎn)速高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在數(shù)控機(jī)床中正在逐漸代替直流伺服電機(jī)，故選擇交流伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)中的控制電機(jī)。 （1）進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇原則[23] l 當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。 l 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過載時間都在電機(jī)的準(zhǔn)許范圍以內(nèi)。 l 對要求頻繁起動、制動以及周期性變化的負(fù)載必須校核它的在一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值，應(yīng)小于電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。 l 加在電機(jī)軸上的負(fù)載慣量大小對電機(jī)的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。通常情況下，當(dāng)負(fù)載小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量時，上述影響不大；但當(dāng)負(fù)載慣量達(dá)到甚至超過轉(zhuǎn)子慣量的5倍時，會使靈敏度和響應(yīng)時間受到很大的影響。推薦負(fù)載慣量小于5倍的伺服電機(jī)慣量值。 （2）電機(jī)選擇步驟 1）驅(qū)動方式說明 以所需的扭矩為基礎(chǔ)進(jìn)行電機(jī)選型，該扭矩通過使用如行進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)、提升驅(qū)動系統(tǒng)、試驗(yàn)臺、離心機(jī)、紙張驅(qū)動系統(tǒng)和軋機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)或者主主軸驅(qū)動系統(tǒng)定義。此外，還要考慮用于運(yùn)動轉(zhuǎn)換的變速器或者用于將電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)扭矩與負(fù)載系數(shù)相匹配的變速器。要確定電機(jī)所要提供的扭矩，除了由使用確定的負(fù)載力矩之外，還必須知道下列機(jī)械數(shù)據(jù)。當(dāng)需要較小的結(jié)構(gòu)體積、小的轉(zhuǎn)子慣性矩并由此獲得最高動態(tài)性能時，應(yīng)優(yōu)先考慮同步電機(jī)。 2）確定負(fù)載情況，計(jì)算最大負(fù)載力矩 確定負(fù)載情況，計(jì)算最大負(fù)載力矩目標(biāo)是：找到扭矩和轉(zhuǎn)速的特征工作點(diǎn)，利用該特征工作點(diǎn)根據(jù)負(fù)載情況確定電機(jī)。 在確定運(yùn)行情況和其詳細(xì)規(guī)格后計(jì)算最大電機(jī)扭矩。 一般情況下，在加速階段得出最大電機(jī)扭矩。 這里加上負(fù)載力矩和用于電機(jī)加速所需的扭矩。然后通過電機(jī)極限曲線確定最大電機(jī)扭矩。 在確定電機(jī)時必須考慮下列標(biāo)準(zhǔn)[24]63： l 遵循動態(tài)極限值，即負(fù)載情況的所有扭矩轉(zhuǎn)速點(diǎn)必須位于相關(guān)的極限特性曲線之下。 l 必須遵循熱態(tài)極限值，即對于同步電機(jī)，在由負(fù)載循環(huán)得出的平均電機(jī)轉(zhuǎn)速時，有效電機(jī)扭矩必須位于 S1 特性曲線（連續(xù)運(yùn)行）之下。 對于異步電機(jī)，電機(jī)電流的有效值在負(fù)載循環(huán)內(nèi)必須小于電機(jī)額定電流。 l 對于同步電機(jī)必須注意，最大允許的電機(jī)扭矩在電壓極限特性曲線的 高轉(zhuǎn)速時減小。 另外，為了防止電壓波動，應(yīng)遵循電壓極限特性曲線10%的距離。 l 在使用異步電機(jī)時，允許的電機(jī)扭矩在電壓極限特性曲線（穩(wěn)定限度）的磁場減弱范圍中受限制。這里應(yīng)遵循30%的距離。 3）確定電機(jī) 可以通過變動找到一個滿足運(yùn)行情況條件的電機(jī)。最后必須確定其它電機(jī)特性。 這些特性將作為電機(jī)選項(xiàng)配置進(jìn)行。 （3）驅(qū)動方式說明 綜合考慮機(jī)床對Z軸部件的技術(shù)要求，Z軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動高負(fù)荷精密滾珠絲杠的驅(qū)動方式，初步選擇Siemens伺服電機(jī)?？紤]到機(jī)床要求較小的結(jié)構(gòu)體積、較高的動態(tài)性能，優(yōu)先選擇Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機(jī)，如圖2-5所示。1FK7 電機(jī)是一種非常緊湊的、永磁同步電機(jī)。與 SINAMICS S120 驅(qū)動系統(tǒng)一起，1FK7電機(jī)可以構(gòu)成一種高功能、高效率的驅(qū)動裝置。用于速度和位置控制的集成編碼器系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用場合進(jìn)行選擇。 圖2-5 Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機(jī) 選擇電機(jī)的計(jì)算條件如下，Z軸運(yùn)動伺服軸為豎直使用狀態(tài)，如圖2-6所示： 圖2-6 Z軸運(yùn)動伺服軸工作方式 運(yùn)動部件質(zhì)量（運(yùn)動部件質(zhì)量500kg，配重平衡系統(tǒng)重450kg） 導(dǎo)向面的阻力（無負(fù)荷，液體靜壓摩擦系數(shù)，阻力較小） 驅(qū)動系統(tǒng)（包括滾珠絲杠）的效率 由切削力引起的反推力 最大速度 最小進(jìn)給量 減速比 加減速時間： 絲杠軸徑： 絲杠軸長： 絲杠導(dǎo)程： （1）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 （3-4） 式中： ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（rpm） ——直線運(yùn)動最大速度（m/s） ——絲杠導(dǎo)程（mm） ——系統(tǒng)傳動比， 則有： （2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 根據(jù)伺服電機(jī)的工作曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載力矩應(yīng)在電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩： （2-5） 式中： ——加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩 ——沿坐標(biāo)軸移動部件所需的力 ——電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床運(yùn)動距離 ——滾珠絲杠加到電機(jī)軸上的摩擦力矩，由絲杠得 不切削時： 切削時： 根據(jù)負(fù)載力矩可見，伺服電機(jī)的額定力矩應(yīng)大于 （3）加速力矩的計(jì)算 對于數(shù)控機(jī)床，因?yàn)閯討B(tài)性能要求較高，系統(tǒng)時間常數(shù)小，而等效的轉(zhuǎn)動慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，一般都為電動機(jī)力矩的30%~90%，故常常用快速空載起動力矩作為依據(jù)來選擇電動機(jī)。 快速空載起動時所需力矩 （2-6） 式中： ——空載啟動時折算到電機(jī)軸上的最大加速力矩（） ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（） ——由于絲杠折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（） 加速力矩： （2-7） 式中： ——折算到電機(jī)軸上的總慣量（） ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（） ——系統(tǒng)時間常數(shù)， 則有： 摩擦力矩： （2-8） 式中： ——絲杠導(dǎo)程（cm） ——傳動鏈總效率，一般取 ——傳動比 ，查INA公司軸承樣本[25]1077 絲杠預(yù)緊附加的摩擦力矩： （絲杠計(jì)算得） 即快速空載起動時所需力矩： 最大切削負(fù)載時所需力矩： （2-9） 式中： ——切削時折算到電機(jī)軸上的加速力矩（） ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（） ——由于絲杠預(yù)緊引起的折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力（） ——折算到電機(jī)上的切削力矩（） 加速力矩： （2-10） 式中： ——折算到電機(jī)軸上的總慣量（） ——切削時的轉(zhuǎn)速（r/min） ——系統(tǒng)時間常數(shù)， 切削力矩： （2-11） 式中： ——由切削力引起的反推力 ——傳動鏈總效率，一般取 ——傳動比 即最大切削負(fù)載時所需力矩 人快速進(jìn)給時所需力矩： 加速轉(zhuǎn)矩開始下降時的轉(zhuǎn)速： （2-12） 式中： ——快速移動時電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ——加減速時間 ——伺服位置增益，取 （4）負(fù)載慣量計(jì)算 與負(fù)載力矩不同，負(fù)載慣量可以精確地算出。由電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動而驅(qū)動的物體慣量形成電機(jī)的負(fù)載慣量， 無論該物體是轉(zhuǎn)動還是沿直線運(yùn)動。對各運(yùn)動物體分別計(jì)算其慣量，然后按一定規(guī)則將各物體的慣量加在一起，即可得出總慣量。 總慣量可按下述方法計(jì)算： （1）圓柱體（滾珠絲杠，聯(lián)軸器）的慣量計(jì)算 滾珠絲杠和聯(lián)軸器，可近似按照圓柱體繞其中心軸回轉(zhuǎn)的慣量計(jì)算： （2-13） 式中： M ——質(zhì)量（kg） R——半徑（m） （2）圓柱體折算到電機(jī)軸上的慣量 （3）直線運(yùn)動質(zhì)量的慣量計(jì)算 （2-14） 式中： ——電機(jī)轉(zhuǎn)一弧度運(yùn)動部件移動的距離（m） （4）電機(jī)負(fù)載慣量計(jì)算 （5）對負(fù)載慣量的限制 負(fù)載慣量對電機(jī)的控制特性和快速移動的加/減速時間都有很大影響。負(fù)載慣量增加時，可能出現(xiàn)以下問題：指令變化后，需要較長的時間達(dá)到新指令指定的速度。若機(jī)床沿著兩個軸高速運(yùn)動加工圓弧等曲線，會造成較大的加工誤差。負(fù)載慣量小于或等于電機(jī)的慣量時，不會出現(xiàn)這些問題。若負(fù)載慣量為電機(jī)的2.5倍以上，控制特性就會降低。實(shí)際上這對普通金屬加工機(jī)床的工作的影響不大， 但對于精密超精密機(jī)床，負(fù)載慣量要小于電機(jī)的慣量。 即有電機(jī)慣量：， 綜上計(jì)算電機(jī)力矩，快速空載起動時所需最大力矩2.56N·m。 考慮到超精密機(jī)床的高精度和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，取安全過載系數(shù)2，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，同時電機(jī)慣量，參照Siemens高緊湊型1FK7同步電機(jī)樣本，選擇1FK7080-5AF71-1電機(jī)，其扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3-7所示[24]117，由電機(jī)特性曲線知該電機(jī)滿足負(fù)載力矩的要求，電機(jī)的負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩，在伺服電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)。 圖2-7 同步伺服電機(jī)1FK7080-5AF71-1的扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線 （6）校核電機(jī)轉(zhuǎn)矩均方根值 當(dāng)工作機(jī)械作頻繁啟動、制動時，必須檢查電機(jī)是否過熱，為此需計(jì)算在一個周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應(yīng)使此均方根值小于電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。由于本超精密機(jī)床在加工過程中無頻繁啟動、制動工況，故不需要進(jìn)行校核計(jì)算。 （7）選擇電機(jī)編碼器 考慮到直線運(yùn)動最小進(jìn)給量，需要對編碼器輸出信號進(jìn)行細(xì)分，選擇可以進(jìn)行信號細(xì)分的增量式編碼器。 根據(jù)西門子同步電機(jī)選型手冊，即文獻(xiàn)[24]18，選擇帶抱閘功能的同步伺服電機(jī)，其型號為：1FK7080-5AF71-1AH0，電機(jī)型號—AH0分別指： A——增量式編碼器 H——不帶鍵槽的圓柱軸端，帶抱閘功能 0——電機(jī)防護(hù)等級為IP64 電機(jī)主要參數(shù) Siemens的高緊湊同步伺服電機(jī)1FK7080-5AF71-1AH0主要參數(shù)如表3-4所示： 表3-4 1FK7080-5AF71-1AH0同步伺服電機(jī)主要參數(shù) 額定轉(zhuǎn)速 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 電機(jī)慣量 額定電流 3000rpm 2.14kw 4.4A 2.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計(jì)算 （1）聯(lián)軸器 聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇，用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。 聯(lián)軸器一般可分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器全部由剛性零件組成，沒有緩沖減振能力，只適用于載荷平穩(wěn)或有輕微沖擊的兩軸的聯(lián)接和同軸度很高的兩軸的聯(lián)接；彈性聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有彈性變形元件，可以依靠彈性元件的變形與儲能性來緩沖減振，并補(bǔ)償一定范圍內(nèi)的軸線位移。常用的精密聯(lián)軸器有：彈性聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器，波紋管聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，剛性聯(lián)軸器。 為減小電機(jī)軸安裝和絲杠安裝中存在的不對中以及電機(jī)和絲杠轉(zhuǎn)動中的偏移等問題，選用具有偏移量補(bǔ)償?shù)牡聡鴐ayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器，如圖2-8所示。 圖2-8 德國mayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器 紋管聯(lián)軸器由兩個轂和一個薄壁金屬管組成，它們用或焊接或粘結(jié)的方式連接在一起。盡管很多其它的材料可用，但不銹鋼和鎳還是最常用的金屬管材料。德國mayr公司的smartflex聯(lián)軸器具有零背隙，高扭轉(zhuǎn)剛度，可補(bǔ)償軸更大的偏移量等優(yōu)點(diǎn)。smartflex聯(lián)軸器具有低的反作用力，可以保護(hù)電機(jī)和絲杠軸承。具有低的瞬間慣量，允許更高的動力驅(qū)動，在高速狀態(tài)下依然能有安全的傳輸扭矩。 根據(jù)Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)的額定扭矩、轉(zhuǎn)速、和軸端直徑和長度大小選擇聯(lián)軸器型號，綜合Z軸部件總體設(shè)計(jì)要求，選擇smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器的型號為：2/932.433/26/32。 （2）軸承選型 軸承的性能直接影響著機(jī)床的Z軸部件的精度和剛度，考慮到Z軸部件的技術(shù)要求較高，因而選擇高精度、高剛度的軸承。德國舍弗勒集團(tuán)旗下的INA軸承公司自成立以來，一直致力于產(chǎn)品的創(chuàng)新，其軸承產(chǎn)品在全球享有盛名。 Z軸絲杠在軸向有高精度和高剛度要求，由于使用液體靜壓導(dǎo)軌副，在每次機(jī)床供油工作和停機(jī)時會產(chǎn)生徑向方向的沖擊和振動，為提高整個Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)的精度和剛度，選擇INA公司的滾針/推力圓柱滾子軸承。 滾針/推力圓柱滾子軸承選用軸承外圈為螺栓安裝的ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承，如圖2-9所示。滾針/推力圓柱滾子軸承包括一個有徑向和軸向滾道的外圈、兩個軸圈、一個內(nèi)圈、一個徑向滾針保持架組件和兩個推力圓柱滾子保持架組件。除了徑向力，軸承還可以承受兩個方向的軸向力和傾覆力矩。外圈、內(nèi)圈和軸向保持架相互匹配，采用INA 精密鎖緊螺母預(yù)緊后，軸承可以實(shí)現(xiàn)軸向無游隙[25]1067。 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)尺寸圖 圖2-9 ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承 根據(jù)Z軸部件負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、精度、剛度、絲杠尺寸以及安裝要求，綜合選擇ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承的型號為：ZARF3080-TV，選用INA公司的精密鎖緊螺母AM30。 2.2.4 測量反饋裝置選型