【正文】 a） 最高轉(zhuǎn)速 絲杠軸直徑： 40mm；導程 ： 10mm 最大速度 max /V m s? 導程 10Ph mm? 3 3m a xm a x 6 0 1 0 0 . 1 6 0 1 0 60010VN r p mPh?? ??? ? ? b） 由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速 參照 文獻 [20]A696 頁 ，為考慮危險速度，螺母和軸承間的安裝方法按固定 — 支撐。 (2) 容許軸向負荷的探討 15 a） 最大軸向負荷的計算 導向面的阻力 20 ( )fN? 無 負 荷 時 運動部件質(zhì)量 50m kg? 最大速度 max /V m s? 加速時間 1 ? 則有：加速度 21m a x / smtVa ??? 上升加速時 1 50 20 50 535F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上升等速時 2 5 0 9 .8 2 0 5 1 0F a m g f N? ? ? ? ? ? ? 上升減速時 3 50 20 50 485F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 下降加速時 4 50 20 50 445F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 下降等速時 5 5 0 9 .8 2 0 4 7 0F a m g f N? ? ? ? ? ? ? 下降減速時 6 50 20 50 495F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負荷： m ax 1 535Fa Fa N?? b） 絲杠軸的挫曲栽荷的計算 參照 文獻 [20]A694 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。 根據(jù)上述條件選擇滾珠絲杠直徑為 40mm，導程為 10mm。 （ 3） 絲杠軸直徑的選擇 考慮 到 Z 軸較高的定位精度和重復定位精度，選擇精密滾珠絲杠，參照 文獻 [20]693頁 上表 16，滿足導程 10mm 的滾珠絲杠軸外徑如下： 8， 10， 15， 18， 20， 25， 32， 36，40， 50mm。 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） 導程的選擇 因伺服電機的額定轉(zhuǎn)速是 3000rpm，最高進給速度是 max /V m s? ，滾珠絲杠的導程如下： 因此，必須 選擇 2mm 或 2mm 以上的導程。 4）絲杠軸的選擇 超精密磨床 Z 軸選擇帶球保持器的 HBN 高負荷 精密滾珠絲杠，其額定負荷是傳統(tǒng)絲杠的 2 倍以上。 滾珠絲杠副選型計算 [20]A736過程如下： 1）選擇條件 運 動部件質(zhì)量 （運動部件 總 質(zhì)量 550kg，平衡系統(tǒng) 平衡 Z 軸運動質(zhì)量 500kg） 行程長度 400l mm? 最大速度 max /V m s? 加速時間 1 ? 減速時間 3 ? 每分鐘往返次數(shù) 110minn ?? 定位精度 1m?? 重復定位精度 m?? 最小進給量 /sm?? 脈 沖 工作壽命時間 20210h AC 伺服電機額定轉(zhuǎn)速 3000rpm 液體靜壓導軌面上的摩擦系數(shù) ?? [22]P1528 導向面的阻力 20fN? （無負荷，液體靜壓摩擦系數(shù) ?? ，阻力較小） 2）選擇項目 絲杠軸直徑 導程 螺母型號 軸向間隙 絲杠軸支撐方式 驅(qū)動電機 3) 導程精度與軸向間隙（予壓）的選擇 （ 1） 導程精度的選擇 為實現(xiàn)定位精度 1m?? ，行程為 400mm，則有 ，參照 文獻 [20]A678 頁 上表 1， 只能選擇 C0 精度等級 。 圖 23 THK 公司帶球保持器的 HBN 高負荷精密滾珠絲杠 13 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械效率。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。 帶球保持器的 HBN 高負荷精密滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖 23 所示，主要由絲杠、螺母、滾珠、球保持器和回球器組成。 Z 軸部件進給系統(tǒng)設(shè)計 Z 軸部件的技術(shù)方案是采用伺服電機通過高負荷精密 滾珠絲杠進行驅(qū)動，導軌采用閉式液體靜壓導軌副，并通過高精度直線光柵尺的進行閉環(huán)控制，最終實現(xiàn) Z 軸部件高精度、高剛度和高的動態(tài)響應性能。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。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。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。 圖 22 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行工作的。 光柵主要有標尺光柵 和光柵讀數(shù)頭兩部分組 成。 Z 軸部件行程400mm，選用高精度直線光柵尺進行位置測量，實現(xiàn)閉環(huán)控制。常用的位置檢測裝置有感應同步器、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。數(shù)控系統(tǒng)進行插補計算，將計算理論值與實際反饋的位置進行比較，以判斷進給定位的正 確與否，同時輔助伺服系統(tǒng)達到更精確的進給定位，實現(xiàn)高精度控制。同時，由于液體靜壓導軌副具有優(yōu)越的性能，可以有效地減小大口徑光學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。目前，滾動導軌主要用于實現(xiàn)微量進給、精密定位和對運動靈敏度要求高的機床。滾動體直徑的不一致或?qū)к壝娌黄?，都會使運動部件傾斜或高度發(fā)生變化，導向精度低。滾動導軌的主要優(yōu)點，是運動靈敏度高，磨損小，精度保持性好，低速運動平穩(wěn)性好，無爬行現(xiàn)象，潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便。 10 圖 21 液體靜壓導軌 （ 2）滾動導軌 滾動導軌是指在兩導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌面之間的摩擦具有滾動 摩擦性質(zhì) 。但閉式液體靜壓導軌加工制造及油膜調(diào)整較為復雜，對導軌本身的結(jié)構(gòu)剛度要求較高，尤其副導軌的結(jié)構(gòu)剛度要求較高。在上、下或左、右各個方向上，閉式液體靜壓導軌都開有對置油腔。 閉式液體靜壓導軌如圖 21(b)所示，夠防止工作臺與床身分離的導軌。 開式液體靜壓導軌，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 靜壓導軌如圖 21(a)所示，依靠運動件自重及外載荷來保持運動件不從床身上分離，開式液體靜壓導軌只能承受單向載荷 [18]244。 b) 液體靜壓導軌 液體靜壓導軌是在兩相對運動的導軌面之間通入壓力油，使運動件浮起，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軌面間在液體摩擦狀態(tài)下 工作 [18]243。氣體靜壓導軌工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，清潔環(huán)保。 由于氣體具有誤差均化效應，可以實現(xiàn)很高的運動精度。 ③靜壓導軌 靜壓導軌分為氣體靜壓導軌和液體靜壓導軌兩種，由于靜壓導軌的優(yōu)越性，廣泛應用于精密超精密及重型加工機床。塑料滑 動導軌具有耐磨性好，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，化學性能好，維修方便，成本低等優(yōu)點 [15]202。塑料滑動導軌分為注塑導軌和貼塑導軌兩種，導軌上的塑料常用環(huán)氧樹脂耐磨涂料和聚四氟乙烯導軌軟帶。其它類型的導軌都是以它為基礎(chǔ)而發(fā)展起來，普通滑動導軌結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于保證精度、剛度，滑動導軌的缺點是摩擦因數(shù)大、磨損快、使用壽命短、低速易產(chǎn)生爬行等缺點，故應用于對低速均勻性和定位精度要求不高的機床中。 （ 2）導軌的分類及特點 （ 1）滑動導軌 滑動導軌主要包括普通滑動導軌、塑料滑動導軌和靜壓導軌三類。導軌變形主要取決于導軌的形狀、尺寸及與支承的連接方式、受力情況等。因此要求導軌具有足夠的剛度。 4）剛度 導軌的剛度指導軌在 外載荷的作用下，抵抗受力變形的能力。 3）低速運動的平衡性 導軌低速運動的平穩(wěn)性，就是要保證導軌在低速運動或微量位移時不出現(xiàn) 爬行現(xiàn)象。 2）精度保持性 精度保持性主要是由導軌耐磨性決定的，它與導軌的摩擦性質(zhì)、導軌材料、工藝方法以及受力情況有關(guān)。主要 影響因素有：導軌的結(jié)構(gòu)類型；導軌的幾何精度和接觸精度。通常動導軌相對于支承導軌只能作直線運動或者回轉(zhuǎn)運動。機床上兩相對運動部件的配合面組成一對導軌副，在導軌副（如工作臺和床身導軌）中，運動的一方（如工作臺導軌）叫做動導軌，不動的一方（如床身導軌）叫做支承導軌 [14]這樣，既能滿足設(shè)計精度要求，又使設(shè) 計簡化，并且大大降低了成木。而且滾珠絲杠由專業(yè)廠家進行生產(chǎn)和系列化，其標準化程度高，性能 7 穩(wěn)定，價格相對低廉。綜上各種進 給方式的特 點， 而目前直線電機在豎直軸上的應用還不夠成熟，摩擦驅(qū)動主要用于輕載的場合，空氣靜壓絲杠剛度較小，液體靜壓絲杠較復雜。平板 直線電機具有齒槽效應，直接影響加工質(zhì)量的高低。因為進給和定位精度高，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。 4）直線電機 直線電機可以直接輸出直線運動，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。由于結(jié)構(gòu)上比較簡單，因而彈性變形因素大為減少，所以一直被認為是一種非常適合超精密機床的傳動系統(tǒng)。在摩擦驅(qū)動實現(xiàn)直線運動時，驅(qū)動系統(tǒng)的等效導程等于主動摩擦輪的周長，進給分辨率則取決于驅(qū)動電機回轉(zhuǎn)一周的步進數(shù)。 液體靜壓絲杠副需要輔助設(shè)備，調(diào)試和維修較復雜且價格較貴，一般精密和超精密機床應用較少。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，可以獲得很高的進給精度。超精密加工機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 [13]。精密滾珠絲杠副具有較高的分辨率和動、靜態(tài)剛度，目前被廣泛應用于數(shù)控加工和精密測量等領(lǐng)域。 直線度 導軌剛度 ＞ 1000N/μm 最小進給量 切削進給速度 ＜ 3m/min 快速移動速度 6m/min 6 進給系統(tǒng)設(shè)計 精密超精密機床的進給系統(tǒng)主要有滾珠絲杠副、靜壓絲杠副、摩擦驅(qū)動機構(gòu)、直線電機等 。 Z 軸部件的技術(shù)指標如表 21 所示： 表 21 Z 軸部件技術(shù)指標 項 目 數(shù) 值 Z 軸行程 400mm 定位精度 177。 2. Z軸部件設(shè)計 Z 軸部件技術(shù)方案設(shè)計 大口徑光學非球曲面磨床的 Z 軸部件是機床的關(guān)鍵部件，其性能的高低直接影響到被加工零件的質(zhì)量。 （ 5） 大口徑非球面磨床 Z 軸部件驅(qū)動傳動元件設(shè)計計算。 5 （ 3） 學習超精密加工技術(shù)的基本理論知識。 本文研究的主要內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容如下： （ 1） 了解大口徑光學非 球曲面零件的加工方法及應用背景。因此，國內(nèi)生產(chǎn)水平與國際生產(chǎn)水平仍有差距。 最近，中國科學院南京天文光學技術(shù)研究所率先研制成功 520mm 國產(chǎn)碳化硅非球面鏡光學系統(tǒng)，并通過了專家組的驗收，這標志著我國在該領(lǐng)域邁上了新的臺階。 由我國數(shù)控光學非球面加工第一人 —— 蘇州大學研究員余景池與其創(chuàng)辦的蘇州大學明世光學有限公司，生產(chǎn)國際一流水平的非球面眼鏡模具，并廣泛應用于數(shù)碼相機、可視電話、計算機光驅(qū)、非球面透鏡等領(lǐng)域。 北京高華精密機械有限公司生產(chǎn)的 DHM500 全液體靜壓超精密數(shù)控非球面磨床，通過 XZB 三軸聯(lián)動，實現(xiàn)對非球面透鏡的高效率、高精度磨削； 上海第三機床廠生產(chǎn)的 MK9025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)，其中二軸為插補控制軸，分別控制機床工作臺的縱、橫向進給，另二軸控制磨頭滑座的縱、橫向進給，可以加工任意曲面； 我國九五期間 在中國航空 精密機械研究所首先建立 的 國內(nèi)第一個從事超精密加工技術(shù)研究的重點實驗室 成功地研制出了 Nanosys300 非球面超精密復合加工系統(tǒng)； 長春光機所于 1992 年成功研制出國內(nèi)首臺實用型非球面數(shù)控光學加工中心FSGJI。 80 年代中期，我國出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。 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)都具有復合加工功能，這樣可以 使 非球面零件的加工更加靈活。所以可以通過電極掃描，加工出 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 (Rrms)。 （ 3） 計算機數(shù)控離子束成形技術(shù) 日本大阪大學工學部森勇正教授提出了一種用化學氣體加工的新的加