超精密车床运动系统结构分析

0、引言

超精密车床在加工盘形零部件和圆锥形零部件等领域具有重要地位，在武器装备制造中也有广泛应用，是国家武器装备制造领域的实力的表现[1]，在民用领域也有重要作用。超精密车床的运动精度直接影响所加工零部件的加工质量，因此有必要针对超精密车床的各个运动系统进行结构分析。

1、超精密车床整体介绍

超精密车床的主要组成包括床身、主轴运动系统、刀具以及导轨运动系统，由于其结构特性，在加工反射镜等盘形零部件及圆锥形零件等领域具有重要应用。在进行超精密切削加工过程中，由于主轴系统的主轴系统负责装夹工件，并带动工件高速旋转，导轨系统带动刀具进行沿导轨方向的直线进给运动[2]，主轴系统的稳定性和回转精度以及导轨的直线度都对所加工零件的表面质量起着重要影响，为了有效降低主轴系统和导轨系统之间误差的耦合作用，因此将主轴运动系统与床身固连，这样的布局可将主轴系统和导轨系统的稳定性分别进行考虑，降低导轨系统运动对主轴系统精度的影响，提高加工精度。

超精密车床主要应用于端面及圆锥面的加工，主轴系统带动装夹在主轴端部的工件进行旋转实现主切削运动；背吃刀量由刀架进行调整；导轨系统带动刀架上的刀具进行沿 X 方向的直线进给运动；通过上述三个运动即可实现车削加工，其中主要的运动是主轴带动工件的主切削运动和导轨带动刀具的直线进给运动[3]，且两个运动的控制是相对独立的，可分开考虑。

2 主轴运动系统

精密主轴和主轴传动系统共同组成了主轴运动系统，精密主轴作为主轴传动系统上的一个执行部件，影响主轴运动系统精度的是精密主轴的制造精度。在切削过程中，由传统系统提供动力带动主轴上的工件转动，实现主切削运动，传动系统的控制精度直接影响到所加工工件的加工质量。

2.1 精密主轴

主轴系统的回转精度是保证超精密机床高精度运动的保障，一般情况下，超精密车床主轴系统的回转精度能达到 0.001mm。主轴系统的回转精度受支撑轴承的影响较大，空气静压轴承是滑动轴承当中的一种，其结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体（多为空气）作为润滑介质[4]。当外部压缩气体通过节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承中。空气轴承能够实现主轴与轴承之间不接触，从而减小摩擦磨损与生热等因素的影响，使精密主轴能够允许足够高的转速，同时保证较高回转精度。由于主轴与轴承之间有空气间隙，不直接接触，因此没有摩擦，能够保证主轴系统在较长运行时间后不会因摩擦而导致精度降低，使用寿命长；在主轴系统高速运转过程中，主轴仍然会产生热量，由于主轴与轴承之间有高速流动的空气，可将大部分热量直接带到空气中，通过强迫热对流进行散热，因此，主轴系统在运行过程中温升小，热变形较小；超精密切削过程中，一般背吃刀量都在微米级别，切削力较小，因此对主轴驱动电机的扭矩和功率要求不高；由于车床装夹工件为悬臂式装夹，对主轴的刚度和承载能力要求较高，因此主轴的尺寸和重量较大，由于主轴的重量远大于驱动电机转子的重量，因此，一般情况下主轴的转动惯量也远大于转子。主轴重量大的优点是能够使主轴系统在运行时具有较强的转动稳定性，抗外界干扰能力较强，缺点是在启动和停止时所需时间较长，特别是在主轴系统减速的过程中，由于主轴与轴承之间的摩擦力较小，减速所需制动力主要靠电机完成，因此对主轴电机的性能要求较高。

2.2 主轴传动方式     

主轴系统的动力来源于驱动电机，驱动电机具有调速范围大、无级变速等特点，使主轴系统的结构有了较大的简化。主轴动力传递系统根据其结构不同，可分为电机直驱、定比传动以及多档位变速传动。

①电机直驱。电机直驱的主轴系统是通过将主轴直接与电机输出轴连接或通过联轴器连接，这样的传动结构使用的传动部件较少，从而使主轴系统的结构得到大大简化，且主轴与电机直连，主轴的转速与电机输出的速度一致，因此可通过控制电机输出转速的方式直接控制主轴转速，控制简单直接，与此同时，由于电机性能直接影响主轴的运动参数，因此对电机的性能要求较高。

②定比传动。定比传动的主轴传动结构是通过驱动电机提供动力，电机输出轴将动力通过一个固定传动比的齿轮或带传动传递到主轴，带动主轴高速转动。其中，由于带传动属于挠性传动，能够吸收传动过程中的振动，具有噪音小、振动小等优点，但是带传动存在弹性滑动，使传动比不恒定，且传动能力不如齿轮传动，因此一般常用于中小型机床；齿轮传动具有传动比恒定、传动稳定、效率高等特点，具有较高的承载能力，因此在定比传动中应用广泛。主轴系统定比传动的结构，在一定程度上能够满足主轴功率与转矩的要求，但由于其传动比恒定，电机的转速直接对主轴转速具有决定性作用。

③多档位变速传动。多档位变速传动结构是指在电机输出轴与主轴之间通过多级变速器连接，能够实现变速调节，在电机转速一定的情况下，可通过传动比的调整从而改变主轴的转速，解决了主轴电动机的功率特性与机床主轴功率特性难以匹配的问题。目前已有的驱动电机一般可实现无级变速，本身的变速范围为 1 比 100 至 1000，配合变速机构基本能够满足目前大部分主轴的功率及转矩要求，若变速机构的级数太高会导致变速机构尺寸和重量大、结构复杂，因此级数不宜太高，一般取 2 级变速传动较为合适。

3、导轨运动系统

超精密车床导轨运动系统是带动刀具进行进给运动的重要运动方式，一般为沿 X 方向的直线运动，其运动精度和稳定性对所加工零件的表面质量具有决定性作用，导轨运动系统主要由导轨和传动系统组成。

3.1 精密导轨

目前，超精密机床中的导轨多为液体静压导轨和空气静压导轨[5]，在车削过程中，液压源的油泵为液态静压导轨供油，油泵的振动会传递到机床床身，这将导致超精密车床运动系统发生振动。振动导致刀尖点相对于工件发生相对偏移，在工件表面上产生不规则划痕，影响工件的表面质量。当使用空气静压导轨时，由于所提供的空气压力较为稳定，床身振动减小，加工工件的表面质量显着提高。空气静压导轨精度高、发热小、使用寿命长，是超精密车床导轨系统的理想构件，能够满足超精密车床的使用要求。因此，超精密车床导轨运动系统通常使用空气静压导轨。由于所需切削力较小，因此驱动电机的功率要求不高，导轨总体运动较平稳。在导轨系统中没有位置传感器，为了实现导轨的精确控制，采用半闭环伺服系统控制，伺服电机的转动情况是通过电机轴端的光电编码器进行检测[6]，从而反映出导轨的运动速度和位置，该半闭环伺服控制系统不包含滚珠丝杠的控制，滚珠丝杠的运动精度有其制造

精度和安装精度决定[7]。

3.2 导轨进给驱动方式

“伺服电机+滚珠丝杠副”、“伺服电机+摩擦传动”和“直线电机直接驱动”三种导轨进给驱动的方式是目前超精密机床导轨系统最为常用的驱动方式，他们各有优劣，可根据实际需求进行选取。

①伺服电机+滚珠丝杠副。“伺服电机+滚珠丝杠副”驱动结构是在超精密车床上使用最为广泛的导轨驱动方式，滚珠丝杠能将电机的旋转运动转换为直线运动，使用滚珠丝杠实现直线运动具有较长的历史，经过技术的不断更行和优化，滚珠丝杠技术越来越成熟，成本低廉、应用广泛，特别适用于载荷强度不高、进给速度低、行程小的超精密机床。但是，比如安装误差、丝杠受重力发生弯曲等因素都会影响滚珠丝杠运动精度，从而影响导轨的运动精度。因此导轨系统对滚珠丝杠的制造精度及其刚度具有较高要求。

②“伺服电机+摩擦传动”。由于摩擦驱动的传动方式能够保证导轨运动系统的传动平稳性，因此“伺服电机+摩擦传动”也被广泛应用于导轨驱动。使用摩擦传动具有传动稳定性好、没有反向间隙等优点，因此在一些转速要求较高同时要求没有反向间隙的超精密车床上应用广泛。由于其运动通过摩擦进行驱动，因此只适用于轻载的情况，在重载的情况下仍使用滚珠丝杠进行传动。

③直线电机直接驱动。随着超精密车床的加工高速化要求变化，直线电机直驱的驱动方式作为一种新型的进给驱动方式应运而生，与上述两种传动方式相比，直线电机直驱的传动方式是通过电机直接驱动导轨实现直线运动，没有中间的传动机构，传动部件少，结构简单，具有传动刚度高、运动平稳、重复定位精度高等特点。但是导轨系统对直线电机的要求较高，控制系统较为复杂，价格昂贵，同时需要考虑防护、自锁等安全问题。直线电机直驱的传动方式主要应用于定位运动多、进给速度高且加速频繁的场合。

4、总结

针对超精密车床运动系统结构复杂的问题，针对主轴系统及导轨运动系统，分别进行了传动原理分析，讲述了各类传动结构的优缺点及其适用场合，分析了主轴运动系统及导轨运动系统的不同结构设计对超精密车床控制系统的影响。为超精密车床运动的高精度控制提供了理论支撑。