机械5

2.1 Z轴部件技术方案设计 大口径光学非球曲面磨床的Z轴部件是机床的关键部件，其性能的高低直接影响到被加工零件的质量。Z轴部件的技术方案设计主要包括进给系统设计、导轨系统设计、测量反馈系统设计以及Z轴部件平衡系统设计。Z轴部件的技术指标如表2-1所示： 表2-1 Z轴部件技术指标 项目数值 Z轴行程400mm 定位精度±1μm 重复定位精度±0.5μm 直线度0.1μm/100mm 导轨刚度＞1000N/μm 最小进给量0.01μm 切削进给速度＜3m/mi
n 快速移动速度6m/mi
n 2.1.1进给系统设计 精密超精密机床的进给系统主要有滚珠丝杠副、静压丝杠副、摩擦驱动机构、直线电机等。 1）精密滚珠丝杠副 精密滚珠丝杠副是精密超精密机床目前采用的主要进给方式。精密滚珠丝杠副具有较高的分辨率和动、静态刚度，目前被广泛应用于数控加工和精密测量等领域。随着加工工艺的发展，滚珠丝杠副各项性能也在进一步提高，它仍是超精密加工设备中主要的驱动方式之一。超精密加工机床的滚珠丝杠副一般的精度等级为C0级，在高精度闭环控制和高等级滚珠丝杠副的配合下，可以获得0.01μm的定位精度[13]。 2）静压丝杠副 静压丝杠副包括两种方式：空气静压丝杠副和液体静压丝杠副。静压丝杠利用高压介质使丝杠和螺母不直接接触，由于介质膜的均化作用，螺纹的积累误差可以大幅度地减小，可以获得很高的进给精度。目前这两种静压丝杠副的最小分辨率都可以达到0.01μm，但空气静压丝杠副的刚度较小，只适用于轻载荷的场合。液体静压丝杠副需要辅助设备，调试和维修较复杂且价格较贵，一般精密和超精密机床应用较少。 3）摩擦驱动机构 摩擦驱动机构是利用摩擦力把伺服电机的回转运动转换成为直线运动的机构。在摩擦驱动实现直线运动时，驱动系统的等效导程等于主动摩擦轮的周长，进给分辨率则取决于驱动电机回转一周的步进数。摩擦驱动机构具有运动平稳、无反向间隙等特点。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机床的传动系统。一般应用于轻载、超低速和高分辨率的超精密机床和测量机构中。 4）直线电机 直线电机可以直接输出直线运动，无需中间转换环节，从而减少了因传动链而引入的误差。直线电机适合于高速和高精度驱动场合。因为进给和定位精度高，在超精密测量装置及高精度的特种加工装置中被广泛地使用。但直线电机具有强磁板磁尝装配和拆卸不方便，易吸引铁屑和其他金属碎屑，线圈发热现象严重，直接驱动易引入振动而使系统的稳定性和动态性能变差等不足。平板直线电机具有齿槽效应，直接影响加工质量的高低。 Z轴部件的特点是竖直轴，承受较大载荷，要求具有高的定位精度和刚度。综上各种进给方式的特点，而目前直线电机在竖直轴上的应用还不够成熟，摩擦驱动主要用于轻载的场合，空气静压丝杠刚度较小，液体静压丝杠较复杂。 Z轴伺服进给系统采用全闭环反馈控制，系统运动分辨率可以做得很高，从而降低对滚珠丝杠的轴向综合精度的要求。而且滚珠丝杠由专业厂家进行生产和系列化，其标准化程度高，性能稳定，价格相对低廉。综合上述情况，选用精密滚珠丝杠副进给系统。这样，既能满足设计精度要求，又使设计简化，并且大大降低了成木。 2.1.2导轨设计 （1）导轨的功用 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨迹运动。机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方（如工作台导轨）叫做动导轨，不动的一方（如床身导轨）叫做支承导轨[14]251。动导轨相对于支承导轨只能做一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性。通常动导轨相对于支承导轨只能作直线运动或者回转运动。 机床导轨的基本要求 1）导轨精度 导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度，它是保证导轨工作质量的前提。主要影响因素有：导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度。导轨和基础件的刚度；导轨的油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的热变形等。 2）精度保持性 精度保持性主要是由导轨耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、工艺方法以及受力情况有关。另外，导轨和基础件上的残余应力，也会使导轨变形而影响导轨的精度保持性。 3）低速运动的平衡性 导轨低速运动的平稳性，就是要保证导轨在低速运动或微量位移时不出现爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦因数的差值，以及导轨的刚度等有关。 4）刚度 导轨的刚度指导轨在外载荷的作用下，抵抗受力变形的能力。导轨受力后变形会影响部件之间的相对位置和导向精度。因此要求导轨具有足够的刚度。导轨的变形主要有导轨受力后的接触变形、扭转弯曲变形以及由于导轨支承件的变形引起的导轨变形。导轨变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承的连接方式、受力情况等。 5）结构简单、工艺性好 设计时要注意使得制造、维修方便，刮研劳动量少，如果是镶装导轨则应尽量做到容易更换。