【正文】 ? 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。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 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。 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。 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，稱為全包容結(jié)構(gòu)。 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)。 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口。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。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。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。 （ 6）工 藝性好，易于制造，成本低，便于搬運(yùn)等。這一點(diǎn)對(duì)于超精密機(jī)床更為重要。這一點(diǎn)對(duì)于超精密機(jī)床更為重要。 （ 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。 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。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。 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，還需要高精度直線光柵尺作為測(cè)量反饋元件進(jìn)行閉環(huán)控制。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。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。 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。 （ 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。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。 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)。 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。 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。 聯(lián)軸器一般可分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。 根據(jù)西門子同步電機(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。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。 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)速特性曲線如圖 37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 N m??，在伺服電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)。 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 若負(fù)載慣量為電機(jī)的 倍以上，控制特性就會(huì)降低。若機(jī)床沿著兩個(gè)軸高速運(yùn)動(dòng)加工圓弧等曲線，會(huì)造成較大的加工誤差。 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?qǐng)A柱體繞其中心軸回轉(zhuǎn)的慣量計(jì)算： 212bJ MR? （ 213） 式中： M —— 質(zhì)量（ kg） R—— 半徑（ m） 2 2 640( ) ( ) 7 3 2 6 8 7 . 8 1 0 7 . 8 322bdM l l k g? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?聯(lián) 軸 器（ ） （ ） 2 2 3 21 1 4 07 . 8 3 ( ) 1 . 5 6 6 1 02 2 2 1 0 0 0bJ M R k g m?? ? ? ? ? ? ?? （ 2） 圓柱體折算到電機(jī)軸上的慣量 321 1 1 . 5 6 6 1 02L b bZJ J J k g mZ ?? ? ? ? ? ? ? （ 3） 直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣量計(jì)算 2WiJ mL? （ 214） 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。由電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)的物體慣量形成電機(jī)的負(fù)載慣量， 無(wú)論該物體是轉(zhuǎn)動(dòng)還是沿直線運(yùn)動(dòng)。 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩： 2mfFLTT????? （ 25） 式中： mT —— 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩 F —— 沿坐標(biāo)軸移動(dòng)部件所需的 力 L —— 電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)距離 ( 1 / 2) 10L Ph Z Z Ph m m? ? ? ? fT —— 滾珠絲杠加到電機(jī)軸上的摩擦力矩 ， 由絲杠 得 1 T N mm? ? ? 不切削時(shí)： 50 0 9. 8 2. 5 49 03F m g f N? ? ? ? ? ? 5 1 0 1 0 8 5 4 . 4 4 1 7 5 6 . 7 8 1 . 7 5 72 2 0 . 9mfFLT T N m m N m? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? 切削時(shí)： 25 50 9. 8 20 50 56 0F m g f Fc N? ? ? ? ? ? ? ? 5 6 0 1 0 8 5 4 . 4 4 1 8 4 4 . 7 7 1 . 8 4 52 2 0 . 9mfFLT T N m m N m? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? 根據(jù)負(fù)載力矩可見，伺服電機(jī)的額定力矩應(yīng)大于 mN? （ 3） 加速力矩的計(jì)算 對(duì)于數(shù)控機(jī)床，因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能要求較高，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)小，而等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來(lái)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(dòng)機(jī)力矩的 30%~90%，故常常用快速空載起動(dòng)力矩作為依據(jù)來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)?？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)。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(chǎng)合進(jìn)行選擇。 1FK7 電機(jī)是一種非常緊湊的、永磁同步電機(jī)。 （ 3）驅(qū)動(dòng)方式說(shuō)明 綜合考慮機(jī)床對(duì) Z 軸部件的技術(shù)要求， Z 軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高負(fù)荷精密滾珠絲杠的驅(qū) 動(dòng)方式，初步選擇 Siemens 伺服電機(jī)。最后必須確定其它電機(jī)特性。這里應(yīng)遵循 30%的距離。 另外，為了防止電壓波動(dòng)，應(yīng)遵循電壓極限特性曲線 10%的距離。 對(duì)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。 在確定電機(jī)時(shí)必須考慮下列標(biāo)準(zhǔn) [24]63： ? 遵循動(dòng)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。 這里加上負(fù)載力矩和用于電機(jī)加速所需的扭矩。 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。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(dòng)態(tài)性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮同步電機(jī)。此外，還要考慮用于運(yùn)動(dòng)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。推薦負(fù)載慣量 小于 5 倍的 伺服電機(jī)慣量 值。 ? 加在電機(jī)軸上的負(fù)載慣量大小對(duì)電機(jī)的靈敏度和整個(gè)伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。 ? 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過(guò)載時(shí)間都在電機(jī)的準(zhǔn)許范圍以內(nèi)。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(jiǎn)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(lái)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)。它一方面像普通電動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械與位移的信息轉(zhuǎn) 換裝置。因此， AC 伺服電機(jī)的慣性力矩必須為 10 kg m???以上。 2）最小進(jìn)給量 最小進(jìn)給量與電機(jī)角度測(cè)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 1 4 .1 5 /6 0 6 0 0 .2N r a d stt? ? ?? ??? ? ? ??? 根據(jù)上述計(jì)算，加速所需要的扭矩如下： 33 39。因發(fā)熱而引起的絲杠軸伸縮量： l t l?? ? ?? ? （ 22） 式中： l? ：絲杠軸的軸向伸縮量 ? ：熱膨脹系數(shù) t? ：絲杠軸的溫度改變 l ：螺紋部分有效長(zhǎng)度（ 620mm） 當(dāng)溫度上升 1℃ 時(shí)，絲杠軸伸長(zhǎng) 612 10 1 620 t l m???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 因此滾珠絲杠的使用時(shí)，一方面采取相應(yīng)措施控制絲杠溫升，另一方面通過(guò)高精度光柵尺進(jìn)行測(cè)量反饋，保證精度要求。 選擇高負(fù)荷 HBN 精密滾珠絲杠，軸向剛性為 1910KN/μ m，具有足夠大的剛性，通過(guò)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 。 （ 6）定位精度分析 1）導(dǎo)程精度 選擇絲杠導(dǎo)程精度等級(jí)為 C0 級(jí)，代表運(yùn)行距離誤差 6μm，變動(dòng) /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(gè)方向，沒有軸向間隙。 b） 容許軸向負(fù)荷計(jì)算 參考 文獻(xiàn) [20]A703 頁(yè) 上表 18，因加速、減速時(shí)有沖擊負(fù)荷的作用，故靜態(tài)安全系數(shù) 2sf ? 與最大軸向負(fù)荷 NFa 535max ? 相比，得到的容許軸向負(fù)荷較大，因而該絲杠型號(hào)可以使用。 (1) 容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算