【導(dǎo)讀】關(guān)項(xiàng)目，這個(gè)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。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。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。個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)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。球面超精密機(jī)床的制造水平勢(shì)在必行。以期通過(guò)對(duì)該梁的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力。學(xué)零件的超精密加工水平提升一個(gè)大的臺(tái)階，從整體上縮短與世界最先進(jìn)水平的差距。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。目前，高精度非球面光學(xué)元件的使。采用該項(xiàng)金剛石車(chē)削。模進(jìn)行加工，表面粗糙度的均方根值能達(dá)到。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋。代中期，我國(guó)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(guó)航

　　

【正文】 14） 式中： iL —— 電機(jī)轉(zhuǎn)一弧度運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)的距離 （ m） 2 2 2 4 210( ) 5 0 ( ) 1 . 2 6 8 1 02 2 1 0 0 0Wi PhJ m L m k g m?? ?? ? ? ? ? ? ?? （ 4） 電機(jī)負(fù)載慣量計(jì)算 3 4 3 21. 56 6 10 1. 26 8 10 1. 69 3 10LWJ J J k g m? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 5） 對(duì)負(fù)載慣量的限制 負(fù)載慣量對(duì)電機(jī)的控制特性和快速移動(dòng)的加 /減速時(shí)間都有很大影響。負(fù)載慣量增 28 加時(shí)，可能出現(xiàn)以下問(wèn)題：指令變化后，需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到新指令指定的速度。若機(jī)床沿著兩個(gè)軸高速運(yùn)動(dòng)加工圓弧等曲線(xiàn)，會(huì)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(shí)，不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。若負(fù)載慣量為電機(jī)的 倍以上，控制特性就會(huì)降低。實(shí)際上這對(duì)普通金屬加工機(jī)床的工作的影響不大， 但對(duì)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 ： MJJ? ， 3 4 21 1 . 6 9 3 1 0 6 . 7 7 2 1 02 . 5MJ k g m??? ? ? ? ? ? 綜上計(jì)算電機(jī)力矩，快速空載起動(dòng)時(shí)所需最大力矩 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(guò)載系數(shù) 2，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩2 6 2VM N m? ? ? ?，同時(shí)電機(jī)慣量 426 .7 7 2 1 0MJ k g m?? ? ?，參照 Siemens 高緊湊型 1FK7 同步電機(jī)樣本，選擇 1FK70805AF711 電機(jī)， 其 扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)如圖 37所示 [24]117，由電機(jī) 特性曲線(xiàn)知該電機(jī)滿(mǎn)足負(fù)載力矩的要求，電機(jī)的負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩 N m??，在伺服電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)。 圖 27 同步伺服電機(jī) 1FK70805AF711 的 扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn) （ 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(dòng)、制動(dòng)時(shí)，必須檢查電機(jī)是否過(guò)熱，為此需計(jì)算在一個(gè)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(guò)程中無(wú)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)最小進(jìn)給量 /sm?? 脈 沖 ，需要對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，選擇可以進(jìn)行信號(hào)細(xì)分的增量式編碼器 sin/cos1 2048 /Vpp S R 。 根據(jù)西門(mén)子同步電機(jī)選型手冊(cè)，即文獻(xiàn) [24]18，選擇帶抱閘功能的 同步伺服電機(jī)，其型號(hào)為： 1FK70805AF711AH0， 電機(jī)型號(hào) — AH0 分別指： A—— 增量式編碼器 sin/cos1 2048 /Vpp S R H—— 不帶鍵槽的 圓柱軸端，帶抱閘功能 0—— 電機(jī)防護(hù)等級(jí)為 IP64 29 電機(jī)主要參數(shù) Siemens 的高緊湊同步伺服電機(jī) 1FK70805AF711AH0 主要參數(shù)如表 34 所示 ： 表 34 1FK70805AF711AH0 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 ? 10 kg m??? 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(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)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(méi)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(chǔ)能性來(lái)緩沖減振，并補(bǔ)償一定范圍內(nèi)的軸線(xiàn)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(duì)中 以及電機(jī)和絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)中的偏移 等問(wèn)題，選用具有偏移量補(bǔ)償?shù)牡聡?guó) mayr 公司的 smartflex 鋼制波紋管聯(lián)軸器 ，如圖 28 所示 。 圖 28 德國(guó) mayr 公司的 smartflex 鋼制波紋管聯(lián)軸器 紋管聯(lián)軸器由兩個(gè)轂和一個(gè)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(guó) 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， 30 允許更高的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)度大小選擇聯(lián)軸器型號(hào)，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(hào)為：2/。 （ 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(guó) 舍弗勒集團(tuán)旗下的 INA 軸承公司自成立以來(lái)，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(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向方向的沖擊和振動(dòng)，為提高整個(gè) 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 29 所示。滾針 /推力圓柱滾子軸承包括一個(gè)有徑向和軸向滾道的外圈、兩個(gè)軸圈、一個(gè)內(nèi)圈、一個(gè)徑向滾針保持架組件和兩個(gè)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(gè)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(wú)游隙 [25]1067。 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)尺寸圖 圖 29 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(hào)為： ZARF3080TV，選用 INA 公司的精密鎖緊螺母AM30。 測(cè)量反饋裝置選型 非球面磨床 Z 軸在機(jī)床磨削加工時(shí)，與 X 軸和轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)動(dòng)，其直接影響工件的加工精度，由于選用高負(fù)荷精密滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)高精 度，還需要高精度直線(xiàn)光柵尺作為測(cè)量反饋元件進(jìn)行閉環(huán)控制。 31 非球面磨床加工過(guò)程中環(huán)境非常惡劣，開(kāi)放式光柵尺容易被污染，并且難以防護(hù)，所以選擇用 HEIDENHAIN 封閉式絕對(duì)直線(xiàn)光柵尺，型號(hào)為 LC183，其分 辨率為177。采用絕對(duì)測(cè)量方法，當(dāng)編碼器通電時(shí)就可立即得到位置并提 供給后續(xù)電子設(shè)備，供其隨時(shí)讀取，因而無(wú)需移動(dòng)機(jī)床去找參考點(diǎn)位置。 HEIDENHAIN 封閉式絕對(duì)直線(xiàn)光柵尺的特點(diǎn)： ? 直線(xiàn)光柵尺動(dòng)態(tài)特性好，運(yùn)動(dòng)速度可靠性高，沿測(cè)量方向的運(yùn)動(dòng)加速度大 ? 高精度光柵尺可以檢測(cè)出機(jī)械傳遞誤差，并能在閉環(huán)控制 系統(tǒng)中給予修正，因此，能消除由于滾珠絲杠副溫度特性導(dǎo)致的位置誤差以及滾珠絲杠副螺距誤差導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)特性誤差 Z 軸部件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、鎖緊螺母和絲杠螺母副，具體型號(hào)如表 25 所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖 210 所示。 表 25 Z 軸部件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)元件 驅(qū)動(dòng) 元件 型 號(hào) Siemens 緊湊型交流同步伺服電機(jī) 1FK70805AF711AH0 mayr 公司 smartflex 鋼制波紋管聯(lián)軸器 2/INA 公司滾針 /推力圓柱滾子軸承 ZARF3080TV INA 公司精密鎖緊螺母 AM30 THK 公司高負(fù)荷精密滾珠絲杠 HBN +728LC0 32 Z 軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 非球曲面磨床對(duì)部件的技術(shù)要求 Z 軸部件是非球曲面磨床的關(guān)鍵部件，在加工零件時(shí)與其它軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，其精度直接影響加工零件的質(zhì)量。因此非球曲面磨床對(duì) Z 軸部件有如下設(shè)計(jì)要求： （ 1） Z 具有足夠的剛度 Z 軸部件的關(guān)鍵零件受力后的變形不得超過(guò)一定的數(shù)值，以保證刀具和工件間的相對(duì)移不超過(guò)加工允差， 也就是說(shuō)機(jī)床部件要有足夠的剛度。 （ 2） 抗 具有足夠的抗震性 抗 振性包括兩個(gè)方面： ? 抵抗受迫振動(dòng)能力，是受破振動(dòng)的振幅不超過(guò)允許值，也就是說(shuō)機(jī)械結(jié)構(gòu)要有足夠的動(dòng)剛度； ? 抵抗自激振動(dòng)的能力，在給定的切削條件下能保證切削的穩(wěn)定性。 （ 3） 應(yīng)具 有較小的熱變形和熱應(yīng)力。這一點(diǎn)對(duì)于超精密機(jī)床更為重要。 （ 4）應(yīng) 有較小的熱變形和熱應(yīng)力。這一點(diǎn)對(duì)于超精密機(jī)床更為重要。 （ 5）導(dǎo) 軌面設(shè)計(jì)剛度要高，受力要合理，局部變形要小，耐磨性要好。 （ 6）工 藝性好，易于制造，成本低，便于搬運(yùn)等。 Z 軸部件主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特點(diǎn) （ 1） Z 軸部件 鑄造件材料 Z 軸部件主要零件都采用球墨鑄鐵 QT500， 其具較高的強(qiáng)度，被切削性能好，內(nèi)部的球狀結(jié)構(gòu)能夠消除鑄鐵內(nèi)部的薄片石墨容易產(chǎn)生的裂縫現(xiàn)象。球磨鑄鐵既具有鑄鋼的強(qiáng)度，也具有鑄鐵優(yōu)異的減振、耐磨和抗腐蝕性，鑄件相對(duì)內(nèi)應(yīng)力小廣泛用于機(jī)伺服電機(jī) 鎖緊螺母 絲杠螺母副 聯(lián) 軸 器 軸 承 圖 210 Z 軸部件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 33 床結(jié)構(gòu)件，內(nèi)燃機(jī)零件和通用機(jī)械。 （ 2）從方箱型閉式液體靜壓導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu) 從高剛性、易調(diào)整的設(shè)計(jì)角度出發(fā)， Z 軸部件采用方箱型閉式液體靜壓導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)，如圖 211 所示。其主要由方形滑枕座、滑枕座蓋板、方形滑枕、液體靜壓塊以及液壓塊調(diào)整裝置組成。 圖 211 方箱型閉式液體靜壓導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu) （ 3） 電機(jī)座 電機(jī)座用來(lái)安裝電機(jī) 和 支承軸承 ，其結(jié)構(gòu) 如圖 212 所示，電機(jī)座設(shè)計(jì)主要保證有足夠的剛度和配合面的精度。配合面分別為電機(jī)安裝止口面，滾針 /推力圓柱滾子軸承端面配合面。 液壓塊 調(diào)整座 楔形液壓 塊 方 形 滑 枕 不可調(diào) 液壓塊 方形滑 枕座 滑枕座蓋板 34 圖 212 電機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 （ 4） Z 軸上連接座 Z 軸上連接座主要用于方形滑枕座與電機(jī)做的過(guò)渡連接， 如果電機(jī)座直接與方形滑枕座連接，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)零件在長(zhǎng)度方向過(guò)長(zhǎng)，剛度變差。 Z 軸上連接座的結(jié)構(gòu)如圖213 所示，為減輕質(zhì)量，在偏向連接座下端四周開(kāi)口。 圖 213 Z 軸上連接座 結(jié)構(gòu)圖 （ 5） 方形滑枕 Z 軸方形滑枕是 Z 軸部件的關(guān)鍵零件之一，由于受導(dǎo)軌行程影響， 方形 滑枕較長(zhǎng)。 35 滑枕連接砂輪連接座在絲杠螺母副的驅(qū)動(dòng)下做豎直方向的上下運(yùn)動(dòng)。 方形 滑枕的結(jié)構(gòu)形式主要有四種，如圖 214 所示。 圖 214 方形滑枕的結(jié)構(gòu)形式 圖 215 中 (a)、 (b)、 (c)的三種結(jié)構(gòu)，三面被滑枕座的導(dǎo)軌面包容， (d)圖所示結(jié)構(gòu)的滑枕四面均為導(dǎo)軌面，均被滑枕座導(dǎo)軌面包容，稱(chēng)為全包容結(jié)構(gòu)。在相同負(fù)載情況下，正方形、六角形結(jié)構(gòu)的變形較小，全包容結(jié)構(gòu)的剛度最好。 Z 軸部件采用閉式液液體靜壓導(dǎo)軌副，因此 Z 軸方形滑枕結(jié)構(gòu)為全包容結(jié)構(gòu)，與滑枕座構(gòu)成閉式液體靜壓導(dǎo)軌副。方形滑枕如圖 215 所示， 方形滑枕長(zhǎng) 1170mm， 滑枕截面大，尺寸為 300mm300mm，整體強(qiáng)度和剛性好。 圖 215 方形滑枕結(jié)構(gòu)圖 (a) 長(zhǎng)方形 (b) 正方形 (c) 六角形 (d) 全包容型 光柵尺 安裝面 絲 杠 螺 母 安 裝 面 導(dǎo)軌面 36 為最大程度減小質(zhì)量，且保證具有高剛性，采用圓口加強(qiáng)筋板和縱向的加強(qiáng)橫筋，提高方形滑枕的整體剛度和強(qiáng)度，如圖 216 所示。 圖 216 方形滑枕加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu) （ 6)方形滑枕座 方形滑枕座是 Z 軸部件的關(guān)鍵大件，直接決定著液體靜壓導(dǎo)軌副的高精度和高剛性的 實(shí)現(xiàn)，方形滑枕座結(jié)構(gòu)如圖 217 所示。方形滑枕與滑枕座蓋板連接，形成閉式液體靜壓導(dǎo)軌座，液體靜壓塊安裝在方形滑枕座和滑枕座蓋板上，與方形滑枕共同組成閉式液體靜壓導(dǎo)軌副。 圖 217 方形滑枕座結(jié)構(gòu) 圓 口 加 強(qiáng) 筋 板 縱 向 加 強(qiáng) 筋 板 液體靜壓塊安裝調(diào)整 面 液體靜壓塊安裝基準(zhǔn) 面 37 方形滑枕座設(shè)計(jì)主要考慮以下三方面要素： ? 液體靜壓塊的安裝方式，為方便進(jìn)行液體靜壓塊的調(diào)整，設(shè)計(jì)時(shí)方形滑枕座底面和一個(gè)側(cè)面為基準(zhǔn)面，另一側(cè)面為調(diào)整面，采用 1:100 的楔形調(diào)整方式，如圖 318 所示。 ? 方形滑枕座在安裝液壓塊附近，承受高壓液壓油，容易產(chǎn)生變形，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)在保證高剛性的條件下，通過(guò)不同加強(qiáng) 筋的形式，盡量減輕質(zhì)量。