《精密和超精密加工技術(shù)(第3版)》第4章精密和超精密加工的機床設(shè)備課件

4.1精密和超精密機床發(fā)展概況及

4.2典型超精密機床的簡介

4.3精密主軸部件

4.4床身和精密導軌部件

4.5進給驅(qū)動系統(tǒng)

4.6微量進給裝置

4.7機床運動部件位移的激光在線檢測系統(tǒng)

4.8機床的穩(wěn)定性和減振隔振

4.9減少變形和恒溫控制2023/6/5第4章精密和超精密加工的機床設(shè)備2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況

精密機床是實現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件。1）美國：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)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床；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：1991粘研制成功大型超精密機床OAGM2500。3）日本：現(xiàn)在在中小型超精密機床生產(chǎn)上已經(jīng)具有一定的優(yōu)勢，甚至超過了美國。4）中國：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)展情況2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況1.美國POMA計劃要求的精度美國UnionCarbide公司、MooreSpecialTool公司和美國空軍兵器研究所一起于20世紀90年代制訂了一個形狀精度0.1μm,加工直徑為800mm的大型球面光學零件的超精加工規(guī)劃,即舉世聞名的POMA規(guī)劃(PointOneMicrometerAccuracy)。它對機床提出了極嚴格的要求。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況表4-1是POMA規(guī)劃對精度的具體要求,該規(guī)劃已經(jīng)實現(xiàn)。例如,美國Moore公司現(xiàn)在生產(chǎn)的Nanotech-500FG五軸數(shù)控超精密機床的主要精度指標都已達到上述要求。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃表4-1美國POMA規(guī)劃的要求精度(單位:μm)2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況2.日本提出的“超超精密機床”規(guī)劃日本也在原來超精密機床的基礎(chǔ)上,再進一步規(guī)劃更高精度的機床。按日本的提法,也就是研制“超超精密機床”。表4-2是日本提出的該規(guī)劃的各項指標。該規(guī)劃主要圍繞提高超精密機床精度性能而提出的設(shè)想,共有13個子課題,并已在20世紀內(nèi)完成。該規(guī)劃是以納米級精度作為目標的。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃表4-2日本提出的“超超精密機床”精度規(guī)劃2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況3.中國精密機床和超精密機床的發(fā)展情況我國在20世紀60年代起開始發(fā)展精密機床,經(jīng)過40多年的努力,現(xiàn)在我國的精密機床生產(chǎn)已具有相當規(guī)模,不僅大部分品種都已能夠生產(chǎn),而且在精度質(zhì)量上也已達到一定的水平。例如昆明機床廠、寧江機床廠和漢川機床廠能生產(chǎn)多種坐標鏜床,有立式的并且有臥式的,都已裝有精密數(shù)控系統(tǒng),坐標鏜床的定位精度達到±(2~5)μm。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況3.中國精密機床和超精密機床的發(fā)展情況寧江機床廠還生產(chǎn)連續(xù)軌跡數(shù)控坐標磨床,定位精度±2μm。重慶機床廠生產(chǎn)高精度滾齒機,武漢重型機床廠生產(chǎn)大型高精度滾齒機。重慶機床廠、武漢機床廠、上海機床廠等均研制成功高精度蝸輪母機,使加工的蝸輪精度明顯提高。上海機床廠和秦川機床廠生產(chǎn)多種磨齒機,其中Maag型磨齒機可加工4~5級精度的齒輪,漢中機床廠生產(chǎn)螺紋磨床和高精度蝸桿磨床。國內(nèi)現(xiàn)在有多家工廠生產(chǎn)三坐標測量機,都已批量生產(chǎn)多種規(guī)格的三坐標測量機,據(jù)用戶反映性能良好。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況3.中國精密機床和超精密機床的發(fā)展情況1987年北京機床研究所研制成功加工球面的JSC-027型超精密車床。后來又研制成功JSC-035型數(shù)控超精密車床。1998年,北京機床研究所制成的加工直徑800mm的NAM-800型CNC超精密金剛石車床(圖4-1)和SQUARE-200型等超精密銑床,哈爾濱工業(yè)大學研制成加工直徑300mm的CNC超精密車床,

2006年,哈爾濱工業(yè)大學研制成加工KDP晶體的大平面超精密飛刀切削機床(圖4-2)。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃2023/6/5第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況3.中國精密機床和超精密機床的發(fā)展情況我國超精密機床的生產(chǎn)和研制雖已取得不小的成績,但和國外相比仍有相當大的差距。要從國外引進受保密、禁運的限制,只能靠自己開發(fā)研究,因此必須大力加強我國自己的開發(fā)研究能力。二、超精密機床進一步發(fā)展的規(guī)劃圖4-1

NAM-800型CNC超精密金剛石車床圖4-2加工KDP晶體的大平面超精密飛刀切削機床2023/6/5二、典型超精密機床簡介第2節(jié)典型超精密機床的簡介UnionCarbide公司的半球車床能加工直徑?100mm的半球，達到尺寸精度±0.6μm，表面粗糙度Ra=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)整自動定心，可提高前后軸承的同心度，以提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。2023/6/5二、典型超精密機床簡介Moore車床由Moore3型坐標測量機改造而成。采用臥式主軸，三坐標精密數(shù)控，消振和防振措施，加強恒溫控制等。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、氣浮導軌、雙坐標雙頻激光測量系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身，有恒溫油澆淋機和空氣隔振墊支承。2023/6/5二、典型超精密機床簡介Moore車床該機床可高精度地加工各種光學部件和激光光學系統(tǒng)的各種反射鏡。其加工精度見表。表4-3

Moore車床加工的激光反射鏡精度(1976年)2023/6/5二、典型機床簡介Ex-Cell-O公司的2m鏡面立式車床

1976年美國Ex-Cell-O公司開發(fā)了加工金屬反射鏡直徑達2m的金剛石鏡面切削車床。Ex-Cell-O公司原來已擁有最高精度的滾動軸承機床的制造技術(shù),但對于加工直徑為2m的光學部件來說,滾動軸承機床加工的反射鏡達不到要求的精度,因而開發(fā)了新的空氣靜壓軸承回轉(zhuǎn)軸的超精密車床,制成用雙半球結(jié)構(gòu)空氣軸承主軸的Ⅱ-G型臥式車床,和用端面止推軸承、半球空氣靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)的Ⅲ-B型立式車床。這種立式車床主軸的徑向圓跳動為0.10~0.13μm,軸向圓跳動為0.15~0.18μm,2000r/min運轉(zhuǎn)8h的溫升在5.6℃以內(nèi),徑向剛度為361N/μm。LosAlamos科學實驗室(LANL)使用這種車床切削8個波束CO2激光Helicos系統(tǒng)上的金屬反射鏡,均達到要求的精度。2023/6/5二、典型機床簡介美國RankPneumo公司的MSG-325超精密車床采用T形布局,即主軸箱下有導軌,做z向運動,刀架滑板做x向運動,這樣有利于提高精度。機床空氣主軸的徑向圓跳動和軸向圓跳動均≤0.05μm。床身和溜板均用花崗巖制造,床身用重7t的2m×1.2m×0.6m的花崗巖,導軌為氣浮導軌。機床用滾珠絲杠和分辨力為0.01μm的雙坐標精密數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動,用HP5501A雙頻激光干涉儀精密檢測主軸箱和刀架的位移,作為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的反饋。使用精密的圓弧刃金剛石刀具加工非球曲面的反射鏡,可以達到很高的形狀精度和很小的表面粗糙度值。2023/6/5二、典型機床簡介美國LLL實驗室DTM-3大型超精密車床用于加工激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡的反射鏡(包括X光天體望遠鏡)等。該機床可加工最大?2100mm,質(zhì)量4500kg的零件。圖4-5所示為該機床的外觀圖。該機床的設(shè)計精度為:半徑方向形狀精度27.9nm,圓度、平面度12.5nm(p-v值),加工表面粗糙度Ra≤4.2nm。2023/6/5二、典型機床簡介美國LLL實驗室DTM-3大型超精密車床超精密機床中最重要的問題是超精密運動位置的確定技術(shù)。采用了精密數(shù)控伺服方式,控制部分為內(nèi)裝式CNC裝置和激光干涉測長儀,精確測量定位。為了實現(xiàn)刀具的微量進給,在DC伺服機構(gòu)內(nèi)裝有壓電微位移機構(gòu),可實現(xiàn)納米級微位移。該機床和該實驗室1984年研制的另一臺大型超精密車床LODTM一起是現(xiàn)在世界上公認技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。2023/6/5二、典型機床簡介美國LLL實驗室DTM-3大型超精密車床該機床的主要技術(shù)性能如下:(1)檢測系統(tǒng)(MetrologyLoop)長距離測定用分辨力2.5nm的He-Ne激光干涉儀,短距離測定用分辨力0.625nm的差動式電容測微儀。(2)主軸與導軌主軸采用油靜壓徑向軸承,空氣靜壓推力軸承,主軸剛度>500N/μm。x向采用平面液體靜壓導軌,z向采用平面空氣靜壓導軌。(3)導軌運動系統(tǒng)的驅(qū)動與控制

x軸、z軸的驅(qū)動由DC電動機與有靜壓軸承的?50mm的摩擦驅(qū)動輪驅(qū)動,頻帶寬10Hz,最大進給量2.5mm/s。并有PZT(PbZrO-PbT)陶瓷壓電元件驅(qū)動刀具的微位移機構(gòu)(范圍:2.5μm)進行誤差修正。(4)恒溫控制及底座在6m2空間內(nèi)流體溫度控制可達(20±0.0006)℃,空氣溫度控制可達(20±0.005)℃。2023/6/5二、典型機床簡介大型光學金剛石車床LODTM

機床采用立式結(jié)構(gòu)，采用止推軸承，7路高分辨力雙頻激光測量系統(tǒng)，使用He-Ne雙頻激光測量器,分辨力為0.625nm。4路激光檢測橫梁上溜板的運動，3路激光檢測刀架上下運動位置，使用在線測量和誤差補償，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，且整個機床用4個大空氣彈簧支承。圖4-6美國LLL實驗室的大型光學金剛石車床(LODTM)2023/6/5二、典型機床簡介大型光學金剛石車床LODTM為避免機床受水泵振動的影響,恒溫冷卻水是用水泵打入儲水罐,恒溫水是靠重力流到機床需要冷卻的部分。這臺大型超精密車床精度很高,經(jīng)美國原國家標準局(NBS)進行精度檢測,實測的結(jié)果見表。表4-4美國LODTM大型超精密機床實測精度(單位:μm)2023/6/5二、典型機床簡介英國Cranfield公司的OAGM2500大型超精密機床機床的x和y向?qū)к壊捎靡后w靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，中間用人造花崗巖填充，機床用精密數(shù)控驅(qū)動，雙頻激光測量系統(tǒng)檢測運動位置，并向數(shù)控系統(tǒng)反饋控制。2023/6/5二、典型機床簡介美國Moore公司的500FG超精密機床該機床不僅可加工精密回轉(zhuǎn)體非球曲面,并可加工精密自由曲面。機床空氣軸承主軸轉(zhuǎn)速20~2000r/min,回轉(zhuǎn)誤差≤0.025μm。液體靜壓導軌由無刷直線電動機驅(qū)動,直線度誤差≤0.3μm/300mm。機床采用T形布局:主軸箱做z向運動,工作臺做x向運動。工作臺上裝有轉(zhuǎn)臺,為數(shù)控聯(lián)動的B軸,超精密車削時轉(zhuǎn)臺上裝金剛石車刀,加工自由曲面時可裝砂輪磨頭或銑刀。加工自由曲面時,裝工件的主軸除有z向運動外,還可做垂直的y向運動(即工件可做z向和y向運動),主軸的轉(zhuǎn)動作為數(shù)控聯(lián)動的C軸(即工件相當于裝在C軸的轉(zhuǎn)臺上)。機床裝有高精度光柵尺測量系統(tǒng)和高分辨率數(shù)控閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。2023/6/5二、典型機床簡介美國Moore公司的500FG超精密機床圖4-8美國Moore公司五軸聯(lián)動500FG超精密機床2023/6/5二、典型機床簡介日本TOYOTA公司AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床有一個x和y向調(diào)整的刀架及作B軸轉(zhuǎn)動的高精度轉(zhuǎn)臺，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)計滑板結(jié)構(gòu)，直線移動分辨力0.01μm，激光測量反饋，定位精度全行程0.03μm。刀具的切削刃通過顯微鏡放大顯示在屏幕上,易于定位,提高加工精度。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、液體靜壓軸承主軸液體靜壓軸承常用的油壓為0.6~1MPa。液壓油通過節(jié)流孔進入軸承耦合面間的油腔,使軸在軸套內(nèi)懸浮,不產(chǎn)生固體摩擦。當軸受力偏斜時,耦合面間泄油的間隙改變,造成相對油腔中油壓不等,該油的壓力差將推動軸回到原來的中心位置。液體靜壓軸承可達到較高的剛度。液體靜壓推力軸承一般由兩個相對的止推面做在軸的同一端,如圖。

圖4-10典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖1—徑向軸承2—推力軸承3—真空吸盤2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、液體靜壓軸承主軸液體靜壓軸承有較高的剛度和回轉(zhuǎn)精度,但有下列缺點不易解決:1)液體靜壓軸承的油溫升高。在不同轉(zhuǎn)速時溫度升高值不等,因此要控制恒溫較難。溫度升高將造成熱變形,影響主軸精度。2)靜壓油回油時將空氣帶入油源,形成微小氣泡懸浮在油中,不易排出,因此將降低液體靜壓軸承的剛度和動特性。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、液體靜壓軸承主軸為解決前面提到的兩個難題,該機床采用如下措施:1)提高靜壓油的壓力到6~8MPa,使油中微小氣泡的影響減小,提高了靜壓軸承的剛度和動特性。2)靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制,基本達到恒溫,減小軸承的溫升。3)軸承用恒溫水冷卻,減小軸承的溫升。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸空氣靜壓軸承有很高的回轉(zhuǎn)精度,在高速轉(zhuǎn)動時溫升很小,因此造成的熱變形誤差很小?？諝忪o壓軸承的應用促進了超精密機床的發(fā)展?？諝忪o壓軸承的主要問題是剛度低,阻尼系數(shù)小,只能承受較小的載荷。超精密切削時切削力很小,空氣靜壓軸承能滿足要求,故在超精密機床中得到廣泛的應用。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸空氣靜壓軸承的工作原理和液體靜壓軸承類似,軸由壓力空氣浮在軸套內(nèi),軸的中心位置由兩相對表面的靜壓空氣壓力差維持。由于空氣的流動性很好,因此軸承兩耦合面間(軸與套之間)的空氣泄氣間隙很小(常用間隙單邊6~15μm)。軸套中的空氣腔面積很小,或在空氣輸入的節(jié)流孔端做一倒棱,或沿軸向做一窄槽,兩端均留較長的無槽泄氣面。由于這種軸承的軸與套之間的間隙很小,回轉(zhuǎn)精度要求又高,故軸與軸套均要求很高的制造精度。如同一軸上有兩個徑向軸承,兩軸承要求很高的同軸度;同一軸上的徑向軸承和推力軸承之間垂直度也要求很高,否則空氣軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度就受到影響。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸1.圓柱徑向軸承和端面止推空氣靜壓軸承這種空氣軸承主軸結(jié)構(gòu)比較簡單,但要求前后徑向軸承有很高的同軸度,徑向軸承和推力軸承有很高的垂直度,因此要求很高的制造工藝水平。日立精機的超精密車床使用這種結(jié)構(gòu)的空氣軸承主軸,獲得較好效果。這種結(jié)構(gòu)的空氣軸承可以有較高的軸向剛度。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸1.圓柱徑向軸承和端面止推空氣靜壓軸承該結(jié)構(gòu)中徑向軸承的軸套制成外面鼓形,能自動調(diào)整定心。先通氣使軸套自動將位置調(diào)好后再固定,這樣可提高前后軸套的同軸度,以提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。這種結(jié)構(gòu)的空氣軸承,采用多孔石墨的軸襯來代替輸入空氣的小孔節(jié)流,使用效果良好。使用多孔石墨作為空氣節(jié)流的襯套還有很大好處,即在沒有空氣狀態(tài)下軸如少量旋轉(zhuǎn),不會和軸套咬住使主軸損壞。現(xiàn)在國外很多空氣軸承都使用多孔石墨來作為空氣節(jié)流的襯套。但用這種方法要求所用的多孔石墨組織均勻,各處透氣率相同;這種多孔石墨制造技術(shù)難度很大。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸2.雙半球空氣軸承主軸前后軸承均采用半球狀,既是徑向軸承又是推力軸承。由于軸承的氣浮面是球面,有自動調(diào)心作用,因此可以提高前后軸承的同軸度,從而提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。圖4-11內(nèi)裝式雙半球空氣軸承同軸電動機驅(qū)動

主軸箱(CUPE)1—前軸承2—供氣孔3—后軸承4—定位環(huán)5—旋轉(zhuǎn)變壓器6—無刷電動機7—外殼8—軸9—多孔石墨2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸3.前部用球形,后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸這種結(jié)構(gòu)因一端為球形,同時起到徑向和軸向推力軸承的作用,并有自動調(diào)心的作用,可以提高前軸承和后軸承(圓柱徑向軸承)的同軸度,從而提高了主軸回轉(zhuǎn)精度。圖4-12一端為球形軸承一端為圓柱徑向軸承的空氣軸承主軸(東芝機械)1—球軸承2—主軸3—徑向軸承4—電磁聯(lián)軸器5—徑向及推力軸承6—帶輪2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸3.前部用球形,后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸這種空氣軸承主軸的主要性能見下表。從表中的數(shù)值可看到,這種球形軸承主軸的剛度和承載能力均不高,優(yōu)化軸承參數(shù)可以提高其剛度和承載能力。在有更高要求時,可加大球形軸承的尺寸。表4-5一端用球形軸承的空氣軸承主軸的性能(東芝機械)2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸4.立式空氣軸承對于大型超精密車床,空氣軸承主軸常采用立式結(jié)構(gòu),如圖。這種立式主軸結(jié)構(gòu)的空氣靜壓軸承有如下特點:①空氣推力軸承的下止推面都大于上止推面,以平衡主軸的重量,使上下止推面的空氣間隙相等,都處于最佳狀態(tài);②徑向軸承制成圓弧面,可起到自動調(diào)心、提高精度的作用

圖4-13垂直軸空氣軸承工作臺結(jié)構(gòu)

(Ex-Cell-O公司的Ⅲ-B型立軸車床用)

1—多孔石墨軸襯2—驅(qū)動軸3—氣隙2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件一、空氣靜壓軸承主軸5.大平面銑床的主軸軸承加工KDP晶體的超精密大平面銑床,一般都采用大直徑的單刃銑刀(飛刀)而無橫向進給。為提高加工平面的精度,這種機床主軸要求極小的軸向圓跳動和較大的角剛度。這種機床主軸的空氣軸承結(jié)構(gòu),可以有兩種不同的方案:第一方案是采用大直徑的推力軸承,而較短的軸向長度;第二方案是加大主軸兩個徑向軸承間的距離(即主軸采用較大長度),而采用直徑較小的推力軸承。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件三、超精密主軸和軸承的材料3.前部用球形,后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸機床主軸和軸承的材料選取:首先,不易磨損?？諝忪o壓軸承主軸正常工作時雖不會產(chǎn)生磨損,但偶然不通氣時會發(fā)生接觸轉(zhuǎn)動,要求主軸和軸套不易咬住或磨損。其次,材料應不易生銹腐蝕?？諝廨S承工作時無潤滑劑,工作時通入的壓縮空氣雖是干燥的,不致生銹腐蝕,但在軸承不工作時,潮濕空氣會進入軸承內(nèi),因此要求軸承材料不易生銹腐蝕。第三,材料要穩(wěn)定并且線膨脹系數(shù)要小?？諝廨S承工作時雖溫升不大,僅1°~3℃,但仍會改變空氣軸承的氣隙,使主軸產(chǎn)生熱變形,影響其性能和回轉(zhuǎn)精度,故應采用線膨脹系數(shù)小的材料,主軸和軸套應用線膨脹系數(shù)接近的材料,并且可采用恒溫油澆淋降溫。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件四、主軸的驅(qū)動方式1.電動機通過帶傳動驅(qū)動機床主軸早期的超精密機床都采用這種驅(qū)動方式,現(xiàn)在仍有部分超精密機床采用這種驅(qū)動方式。采用這種驅(qū)動方式,電動機采用直流電動機或交流變頻電動機,這種電動機可以無級調(diào)速,不用齒輪調(diào)速,以減少振動。電動機要求經(jīng)過精密動平衡并用單獨地基,以免振動影響超精密機床。傳動帶用柔軟的無接縫的絲質(zhì)材料制成。帶輪由自己的軸承支承,經(jīng)過精密動平衡,通過柔性聯(lián)軸器(常用電磁聯(lián)軸器)和機床主軸相連。采用上述措施主要是使主軸盡可能和振動隔離。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件四、主軸的驅(qū)動方式2.電動機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動機床主軸現(xiàn)在采用T形總體布局的超精密機床多數(shù)采用電動機和機床主軸通過柔性聯(lián)軸器相連的驅(qū)動方案。采用這種驅(qū)動方案時,電動機和機床主軸在同一條軸線上,通過電磁聯(lián)軸器或其他柔性聯(lián)軸器和超精密機床的主軸相連,這時機床的主軸部件要比通過傳動帶驅(qū)動緊湊得多,這種驅(qū)動方式現(xiàn)在在超精密機床中用得較多。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件四、主軸的驅(qū)動方式2.電動機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動機床主軸采用這種主軸驅(qū)動方式時,電動機采用直流電動機或交流變頻電動機,可以很方便地實現(xiàn)無級調(diào)速。電動機應經(jīng)過精密動平衡,電動機安裝時盡量使電動機軸和機床主軸同軸,再用柔性聯(lián)軸器消除電動機軸和機床軸不同軸引起的振動和回轉(zhuǎn)誤差,這樣可以盡量提高超精密機床主軸的回轉(zhuǎn)精度。采用這種主軸驅(qū)動方式時,主軸部件的軸向長度較長,使整個機床的尺寸加大。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件四、主軸的驅(qū)動方式3.采用內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸電動機是專制的內(nèi)裝式的,電動機軸即為機床主軸。電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在機床主軸上,電動機的定子裝在主軸箱內(nèi),電動機自己沒有軸承,而是依靠機床的高精度空氣靜壓軸承支承轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。電動機現(xiàn)在都采用無刷直流電動機,可以很方便地進行主軸轉(zhuǎn)速的無級變速,同時電動機沒有電刷,不僅可以消除電刷引起的摩擦振動,而且免除了電刷磨損對電動機運轉(zhuǎn)的影響。為使主軸能獲得盡量高的回轉(zhuǎn)精度,電動機轉(zhuǎn)子裝上主軸后要求轉(zhuǎn)子和主軸高度同軸,并且轉(zhuǎn)子應經(jīng)過精密動平衡。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件四、主軸的驅(qū)動方式3.采用內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸電動機定子也要求和主軸高度同軸,電動機裝配后轉(zhuǎn)子和定子間的間隙均勻,使電動機驅(qū)動時的徑向力盡量小。因為電動機徑向力直接影響主軸的回轉(zhuǎn)精度。現(xiàn)在一般的直流電動機都是方波驅(qū)動,這時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變化大致在8%~10%。這將使主軸的瞬時轉(zhuǎn)速有波動,主軸轉(zhuǎn)速低時,轉(zhuǎn)速波動更明顯。在要求主軸轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)時,直流電動機可以采用正弦波驅(qū)動,這時驅(qū)動轉(zhuǎn)矩波動可以控制在5%以內(nèi),但這時直流電動機的控制電路要復雜不少。2023/6/5第3節(jié)精密機床主軸部件四、主軸的驅(qū)動方式3.采用內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸存在的一個問題是:電動機工作時定子將發(fā)熱產(chǎn)生溫升,使主軸部件產(chǎn)生熱變形。為減小熱變形,電動機定子應強制通氣冷卻或?qū)⒍ㄗ油鈿ぷ龀蓨A層,通恒溫油(或水)冷卻。采取以上措施后,可以基本解決內(nèi)裝式電動機的發(fā)熱問題。主軸電動機做成內(nèi)裝式,電動機和機床主軸同軸,不僅可提高主軸的回轉(zhuǎn)精度,而且主軸箱的軸向長度縮短,主軸箱成為一個獨立的、很方便移動的部件。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局1.十字形滑板工作臺布局這種布局中主軸箱位置固定,刀架裝在十字形滑板(或溜板)工作臺上,做z向和x向運動?，F(xiàn)在的精密機床,如坐標鏜床和三坐標測量機等,多數(shù)采用這種結(jié)構(gòu)布局。圖4-14所示為Moore公司三坐標測量機所用的十字形滑板構(gòu)成的z、x雙向工作臺。Moore公司生產(chǎn)的M-18AG型超精密非球曲面車床采用這種結(jié)構(gòu)布局。圖4-14十字形滑板構(gòu)成的x、z雙向工作臺(Moore3號坐標測量機)2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局1.十字形滑板工作臺布局這種結(jié)構(gòu)布局將使下滑板的運動誤差疊加到上滑板的運動誤差中,故要求十字形滑板的上下導軌都有很高的精度,不僅要求有很高的直線運動精度,而且要求有非常嚴格的垂直度。此外,現(xiàn)在的超精密機床,采用雙頻激光干涉儀或光柵尺做z、x方向運動的隨機位置檢測,采用十字形滑板結(jié)構(gòu)時,必有一路測量系統(tǒng)裝在移動的導軌上,這將增加測量誤差。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局2.T形布局T形機床總體布局,即主軸箱完成縱向運動(z向),刀架完成橫向運動(x向),如圖所示。這種T形布局,使z向和x向運動分離,有很多優(yōu)點。z向和x向運動的導軌都做在機床的床身上,相互獨立,故誤差不疊加,無相互干擾,z向和x向?qū)к壙梢哉{(diào)整到很高的垂直度。此外,檢測z、x向運動位置的雙頻激光在線測量系統(tǒng)都可以裝在固定不動的床身上,僅測量移動位置用的反射鏡裝在z、x方向的移動部件上。圖4-15

T形機床總體布局1—橫滑板(刀架)

2—縱滑板(主軸箱)3—床身4—工件2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局3.R-θ布局刀架滑板裝在回轉(zhuǎn)工作臺上,改變刀座半徑R可加工一定范圍曲率半徑的球面?；剞D(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)角θ和半徑R數(shù)控聯(lián)動,可加工平面和各種凹凸非球曲面。在工件的厚度改變時,主軸箱(或回轉(zhuǎn)工作臺中心)需要在z向調(diào)整。這種R-θ布局因高精度圓弧導軌制造不易,且加工調(diào)整用極坐標計算,和習慣用的直角坐標不一致,故用得不多。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局4.偏心圓轉(zhuǎn)角布局其工作原理如圖4-16所示。工作時金剛石車刀3圍繞刀具轉(zhuǎn)軸O-O2擺動,刀尖的運動軌跡為一段圓弧(在平面6內(nèi)),刀尖運動軌跡圓必須嚴格通過工件的中心點,該運動為切削時的進給運動。車刀主軸箱5可繞垂直軸心O擺動,以得到不同的轉(zhuǎn)角θ,O點偏離工件軸線O1-O1的距離為固定值A(chǔ)。當?shù)毒咿D(zhuǎn)軸O-O2和工件軸線O1-O1平行時(θ

=0),刀尖運動平面6和工件軸線垂直,和工件旋轉(zhuǎn)運動配合,可切出工件的平端面。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局4.偏心圓轉(zhuǎn)角布局該機床的主要優(yōu)點是加工球面和平面時,完全不需要導軌的直線運動(直線導軌很難加工到很高精度),故加工精度和表面質(zhì)量都很高。此外,這種機床結(jié)構(gòu)比較簡單和緊湊。圖4-16偏心圓轉(zhuǎn)角布局機床工作原理1—工件主軸2—工件3—金剛石車刀4—刀架臂5—車刀主軸箱6—刀尖運動平面2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌一、超精密機床的總體布局5.立式結(jié)構(gòu)布局當工件直徑較大并且重量較重時,超精密機床多采用立式結(jié)構(gòu)布局。常用的立式布局結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。超精密機床要求高的剛度,故多用龍門形式,滑板在橫梁上做x向運動,刀架在滑板上沿z向上下運動。這種十字滑板結(jié)構(gòu)x向的運動精度將直接影響z向運動的精度。在機床精度要求特別高時,如美國的LODTM大型超精密立式機床,它采取了特殊的在線測量和誤差補償措施,來消除運動誤差。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌二、床身和導軌的材料鑄鐵是傳統(tǒng)的制造床身和導軌的材料,它的優(yōu)點是工藝性好。應選用耐磨性好、熱膨脹系數(shù)低、對振動衰減能力強、并經(jīng)時效消除內(nèi)應力的優(yōu)質(zhì)合金鑄鐵作為精密機床的床身和導軌,可以得到滿意的結(jié)果。近年來多數(shù)精密坐標測量機和超精密機床改用花崗巖。但美國Moore公司和瑞士SIP公司有些機床仍使用鑄鐵床身導軌,他們認為,天然花崗巖有吸濕性,會導致微量變形,降低機床的精度,反不如鑄鐵好。優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，對振動的衰減能力強，硬度高、耐磨并不會生銹?；◢弾r和鑄鐵等材料的性能對比見表。表4-6幾種機床結(jié)構(gòu)材料的性能對比2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌人造花崗巖由花崗巖碎粒用樹脂粘結(jié)而成，用不同粒度的花崗巖碎粒組合,可提高人造花崗巖的體積分數(shù)(可達90%~95%),使人造花崗巖有優(yōu)良的性能可鑄造成形，吸濕性低，并對振動的衰減能力加強。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌三、滾動導軌超精密機床導軌部件要求有極高的直線運動精度,不能有爬行,導軌耦合面不能有磨損。這一方面要求導軌有很高的制造精度,另一方面要求導軌的材料要有很高的穩(wěn)定性和耐磨性。導軌的耦合形式中,滑動摩擦接觸已很少采用。精密和超精密機床現(xiàn)在常采用的導軌有:滾動導軌、液體靜壓導軌、氣浮導軌、空氣靜壓導軌。滾動導軌在一般機床和精密機床中已應用多年,近年來滾動導軌技術(shù)的提高使其應用又得到擴大。過去滾動導軌用的都為滾柱直線滾動軸承,現(xiàn)在又增加了再循環(huán)滾柱滾動組件和再循環(huán)滾珠滾動組件。直線運動的精度比過去大為提高,可以達到微米級精度,摩擦因數(shù)極低,僅0.002~0.003。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌三、滾動導軌1.直線滾柱滾動軸承這是過去長期使用的。滾柱帶保持架在導軌的耦合面間做直線滾動,軸承長度根據(jù)工作行程長度決定。使用高精度滾柱和一定的預載應力時,可以得到較高的直線運動精度。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌三、滾動導軌2.再循環(huán)滾柱滾動組件直線滾柱滾動軸承的工作長度受到軸承長度的限制。再循環(huán)滾動組件由于滾柱的再循環(huán),它的工作行程長度可以無限,沒有任何限制。圖4-17所示為單列滾柱再循環(huán)滾動組件的外觀圖和該組件使用在矩形導軌時,再循環(huán)滾柱組件的安裝情況。為保證導軌的兩側(cè)面導向準確,消除間隙,用調(diào)整螺釘側(cè)面給再循環(huán)滾動組件加一定的預載應力,如圖4-17b所示。圖4-17單列滾柱再循環(huán)滾動組件及其應用a)外觀圖b)安裝圖2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌三、滾動導軌3.再循環(huán)滾珠滾動組件再循環(huán)滾珠滾動組件和再循環(huán)滾柱滾動組件相比可以制成更高的精度。過去認為,滾珠滾動組件的承載能力低,現(xiàn)在由于滾珠的滾道制成凹圓弧截形,使承載能力大為提高。根據(jù)日本THK公司報道,可取滾道截面圓弧半徑r和滾珠半徑R之比為r=1.04R,接觸區(qū)受載彈性變形后形成一定面積的橢圓接觸區(qū),大大提高允許載荷。以滾珠直徑in(?6.35mm)時為例,在允許接觸應力為4200N/m2時,平滾道允許載荷僅為285N,而凹圓弧滾道的允許載荷高達3680N,允許載荷提高了12倍。當精密級滾珠再循環(huán)滾動組件用于精密導軌時,預載力不宜很大,一般為3~4N,摩擦因數(shù)為0.002,直線運動精度可以達到1μm。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌三、滾動導軌2.再循環(huán)滾柱滾動組件還有一種雙列滾柱的再循環(huán)滾動組件,這種滾動組件用于機床導軌可得到良好的效果。滾柱再循環(huán)滾動組件有較大的承載能力,摩擦因數(shù)很小,能制成較高精度,適合在精密機床和精密加工中心的導軌上使用。滾柱的制造精度很難達到極高,且同一滾動組件中的滾柱也很難達到直徑完全相同,因此高精度的精密機床和超精密機床使用再循環(huán)滾柱滾動組件不易達到很高精度。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌四、液體靜壓導軌圖4-18所示是不同結(jié)構(gòu)的液體靜壓導軌。由于導軌運動速度不高,液體靜壓導軌的溫度升高不嚴重,而液體靜壓導軌剛度高,能承受大的載重,直線運動精度高并且平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象,所以現(xiàn)在有不少超精密機床使用液體靜壓導軌。圖4-18a所示為平面型液體靜壓導軌,要求導軌的運動件上下、左右面都在靜壓油的作用下,可保證很高的導軌運動精度和很高的剛度。圖4-18b所示為雙圓柱型液體靜壓導軌。圓柱靜壓導軌本身可制成很高精度,但兩個圓柱導軌要制造調(diào)整到嚴格平行是相當難的。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌四、液體靜壓導軌現(xiàn)在很多超精密機床和導軌部件是用天然花崗巖制造的,天然花崗巖由于加工困難無法做成整體,兩側(cè)面塊和兩個下油腔塊都需要用螺釘緊固在臺面上,由于油壓力的作用,很容易產(chǎn)生變形,導致下油腔間隙加大。要減小變形,需加大側(cè)塊的寬度,有時會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難。因此,有的液體靜壓導軌做成花崗巖和鋼的組合體,油路和節(jié)油孔做在鋼件內(nèi),這樣不僅解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計上的困難,并且加工制造也比較容易。該問題對后面講的空氣靜壓導軌也同樣存在。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌五、氣浮導軌和空氣靜壓導軌1.氣浮導軌當導軌上的運動部件重量很重并且壓縮空氣壓力非常穩(wěn)定時,可采用氣浮導軌。氣浮導軌常用平導軌,運動導軌的底平面和兩側(cè)導軌面有壓縮空氣,使運動部件(滑板或工作臺)浮起,如圖所示。圖4-19氣浮導軌1—床身2—運動部件2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌五、氣浮導軌和空氣靜壓導軌2.空氣靜壓導軌空氣靜壓導軌運動件的導軌面,上下、左右均在靜壓空氣的約束下,因此和氣浮導軌相比有較高的剛度和運動精度。圖4-20所示為日立精工超精密機床的空氣靜壓導軌的結(jié)構(gòu)示意圖。這是比較典型的空氣靜壓導軌的結(jié)構(gòu),工作臺導軌面的上下、左右均在靜壓作用下,移動導軌浮在中間,基本沒有摩擦力。圖4-20平面型空氣靜壓導軌(日立精工)

1—靜壓空氣2—移動工作臺,約200kg

3—底座2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌五、氣浮導軌和空氣靜壓導軌2.空氣靜壓導軌空氣靜壓導軌要得到良好的工作效果,靜壓空氣的節(jié)流方式是一個重要因素?，F(xiàn)在實際采用的節(jié)流方式有:多孔石墨節(jié)流、小孔節(jié)流、毛細管節(jié)流、狹縫節(jié)流、表面節(jié)流等。以多孔石墨節(jié)流效果較好,國外用得較多。但多孔石墨要求透氣性均勻、制造不易,在國內(nèi)還較少采用。小孔節(jié)流工藝性好,實際使用效果較好,國內(nèi)用得較多。毛細管節(jié)流和狹縫節(jié)流原理和小孔節(jié)流相同,但工藝性不如小孔節(jié)流好,用得不多。表面節(jié)流是在表面開極淺的等壓槽,增大氣體高壓區(qū)的面積,一般用作小孔節(jié)流方式的補充?，F(xiàn)在常用的靜壓空氣壓力為0.4~0.6MPa,氣壓再高容易產(chǎn)生振蕩。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌五、氣浮導軌和空氣靜壓導軌2.空氣靜壓導軌要使空氣靜壓導軌剛度高、運動平穩(wěn)、工作效果好,要求移動部件(工作臺或滑板)有一定重量。采用小孔節(jié)流時,節(jié)流孔離排氣邊緣不可太近,節(jié)流孔間可用深10~20μm、寬1~2mm的槽相連,以增加高壓區(qū)的面積,節(jié)流孔直徑、位置、孔數(shù)和耦合面間間隙等應經(jīng)優(yōu)化計算,使導軌的剛度高、承載能力大、運動平穩(wěn)。按空氣靜壓軸承的原理,當運動部件在正中位置,即上、下兩靜壓氣隙相等時,剛度最高。對空氣靜壓導軌,移動部件(溜板或工作臺)有相當重量,將使其偏離中間位置,剛度下降。故設(shè)計空氣靜壓導軌時,可將下氣浮面的面積設(shè)計成大于上氣浮面,使相差的空氣浮力正好抵消工作臺的重量,從而使移動部件正好處在中間位置,即最大剛度的位置。2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌五、氣浮導軌和空氣靜壓導軌2.空氣靜壓導軌空氣靜壓導軌的剛度和允許載荷的高低,主要是由空氣靜壓導軌的設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化好壞決定的?？諝忪o壓導軌的運動精度主要由導軌的制造精度決定?，F(xiàn)在高精密空氣靜壓導軌可達到的直線運動精度約為0.1μm/100mm。當機床的空氣靜壓導軌(床身和工作臺)采用花崗巖制造時,由于花崗巖加工困難,一般都不做成整體,而做成花崗巖塊用螺釘緊固在一起。應注意側(cè)氣浮面塊的夾固面應有一定寬度,最好能容納兩排螺釘,以保證緊固的剛性,如圖。圖4-21花崗巖空氣靜壓導軌的結(jié)構(gòu)a)三塊式b)二塊式1—床身2—運動件2023/6/5第4節(jié)機床的總體布局和床身導軌五、氣浮導軌和空氣靜壓導軌3.液體靜壓導軌表4-7為日本幾個工廠的液體靜壓導軌和空氣靜壓導軌的性能對比,可在選擇導軌形式時作為參考。表中未給出液體靜壓導軌的剛度和允許載荷,這是因為液體靜壓導軌的剛度和允許載荷都很高,不需要再特殊考慮。表4-7日本有代表性的超精密靜壓導軌性能2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)一、精密數(shù)控系統(tǒng)對超精密機床,刀具相對于工件需做縱向(z向)和橫向(x向)運動。因此需要有z向和x向的精密數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動。超精密機床都需要用來加工非球曲面,因此需要雙坐標聯(lián)動的精密數(shù)控系統(tǒng)。某些機床,如Moore公司的M-18AG非球面超精密車床,還增加一個精密回轉(zhuǎn)工作臺,使上面的金剛石刀具在加工非球曲面時,始終垂直于加工表面,以減小圓弧刃刀具誤差對工件形狀的影響。這時除有z向和x向精密數(shù)控系統(tǒng)外,還增加一個圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的B軸精密數(shù)控系統(tǒng),并要求三軸聯(lián)動,以加工出所要求的非球曲面。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)一、精密數(shù)控系統(tǒng)為了要加工出形狀精度很高的非球曲面,要求精密數(shù)控系統(tǒng)有很高的分辨力,達到數(shù)控系統(tǒng)每脈沖在z向或x向的移動量小于0.01μm?，F(xiàn)在國外的幾個著名的生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司都有分辨力很高的精密數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品,但在國內(nèi)因受禁運的限制,不易買到。精密數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)在使用直流伺服電動機或交流伺服電動機,用精密在線雙頻激光測量系統(tǒng)或精密光柵尺檢測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),以達到要求的位移精度。最近步進電動機脈沖轉(zhuǎn)角細分技術(shù)有了進一步的進展,實現(xiàn)了更小角度轉(zhuǎn)動,提高了轉(zhuǎn)角位移的分辨力。但要完全滿足超精密機床精密位移分辨力的要求,步進電動機尚需繼續(xù)提高。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)二、滾珠絲杠副驅(qū)動1.精密滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理現(xiàn)在相當多的精密和超精密機床采用精密滾珠絲杠副(見圖作為進給系統(tǒng)的驅(qū)動元件。圖4-22b所示為精密滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4-22精密滾珠絲杠副a)外觀圖b)結(jié)構(gòu)原理圖1—油孔2—絲杠3—密封圈4—油罩5—滾珠通道6—螺母2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)二、滾珠絲杠副驅(qū)動1.精密滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理滾珠絲杠副要求正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)沒有回程間隙,否則數(shù)控系統(tǒng)控制進給將得不到要求的精度,這要求滾珠絲杠和配合的螺母有一定的預載過盈。由于絲杠的螺距有一定制造誤差,故螺母在絲杠上不同位置過盈量將有變化。如預載應力太小,則有可能在絲杠的某一位置有間隙;如預載應力太大,在絲杠的某些位置可能轉(zhuǎn)動不靈活。為能方便精確地調(diào)整預載應力,精密級和高精密級滾珠絲杠的螺母常做成兩段組合,如圖4-22a所示,改變中間墊片厚度可以很方便地調(diào)整它的預載應力。現(xiàn)在高精密級的滾珠絲杠副可以做到相鄰螺距誤差0.5~1μm,積累螺距誤差3~5μm/300mm。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)二、滾珠絲杠副驅(qū)動1.精密滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理現(xiàn)在超精密機床中使用滾珠絲杠副驅(qū)動時,都有精密在線檢測系統(tǒng)作為進給量的檢測和反饋,故絲杠積累誤差稍大,問題并不嚴重。使用滾珠絲杠副的最主要問題是:由于絲杠螺距誤差的影響,在進給全行程中絲杠和螺母配合的松緊程度有變化,影響進給運動的平穩(wěn)性。因此,雖然現(xiàn)在不少超精密機床仍使用滾珠絲杠副作為進給的驅(qū)動元件,但已經(jīng)開始使用摩擦驅(qū)動或直線電動機來取代滾珠絲杠副。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)二、滾珠絲杠副驅(qū)動2.滾珠絲杠傳動副的連接滾珠絲杠傳動副中絲杠一般是和伺服電動機相連,螺母則和工作臺(或溜板)相連,電動機轉(zhuǎn)動時使絲杠轉(zhuǎn)動,螺母帶動工作臺做前進或后退的直線運動(當然也可螺母固定,絲杠帶動工作臺運動)。超精密機床要求滾珠絲杠的徑向振擺極小且絲杠的軸線和進給方向嚴格平行,否則將使工作臺承受上下或左右的作用力,將影響導軌運動的直線性。2023/6/5

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機（直流、交流伺服電機、功率步進電機等）和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動。第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)位置控制模塊速度控制單元伺服電機

工作臺

位置檢測測量反饋伺服驅(qū)動裝置指令速度環(huán)位置環(huán)速度檢測一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(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4、調(diào)速范圍寬5、低速大扭矩2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)二、精密數(shù)控系統(tǒng)對超精密機床，刀具和工件的z向和x向運動以及加工非球曲面的精密回轉(zhuǎn)工作臺都是由精密數(shù)控系統(tǒng)進行控制的。精密數(shù)控系統(tǒng)通過直流伺服電機或交流伺服電機，雙頻激光測量系統(tǒng)檢測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)，達到要求的位移精度。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)三、滾珠絲杠副驅(qū)動

進給的驅(qū)動元件，滾珠在絲杠和螺紋槽內(nèi)滾動，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載過盈。精密級和高精密級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和軸向跳動對導軌直線運動的影響，采用螺母和工作臺柔性連接，即螺母裝在柔性的過渡連接塊上再和工作臺固定。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)四、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅(qū)動提高進給運動的平穩(wěn)性。液體靜壓軸承的間隙大，氣體靜壓軸承的間隙小。2023/6/5第5節(jié)進給驅(qū)動系統(tǒng)五、摩擦驅(qū)動進一步提高導軌運動的平穩(wěn)性和精度，優(yōu)于滾珠絲杠副的驅(qū)動。2023/6/5第6節(jié)微量進給裝置一、對微量進給裝置的要求

微量進給裝置具有微量移動或微量轉(zhuǎn)動及微量進給等功用。微量進給機構(gòu)應滿足的要求：

1）精微進給和粗進給應分開；

2）運動部分必須是低摩擦和高穩(wěn)定度的；

3）末級傳動元件必須具有很高的剛度；

4）微量進給機構(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）微量進給機構(gòu)具有好的動特性；

7）微量進給機構(gòu)應能實現(xiàn)微量進給的自動控制。2023/6/5第6節(jié)微量進給裝置二、對微量進給裝置的應用1）實現(xiàn)微量進給；2）實現(xiàn)超薄切削；3）在線誤差補償；4）用于切削加工非軸對稱特殊型面。2023/6/5第6節(jié)微量進給裝置三、機械結(jié)構(gòu)彈性變形微量進給裝置2023/6/5第6節(jié)微量進給裝置四、壓電和電致伸縮傳感器進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、振動等迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺驅(qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)檎駝有盘?，也就是說壓電材料在外電場的作用下可以產(chǎn)生微小變形，同時也可以將微小變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由于壓電材料對于所加應力能產(chǎn)生可測量的電信號，因此在高智能材料系統(tǒng)中可用做傳感器。在機器人上做觸覺傳