大口径非球面铣磨机Z轴精密进给结构设计【含CAD图纸+PDF图】

喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有，请放心下载，文件全都包含在内，【有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763】 1. 绪论1.1 课题的背景和来源“大口径光学非球面超精密数控铣磨机”的开发研制隶属于“国家863计划”攻关项目，这个项目由北京微纳精密机械有限公司承接。该公司是进行精密制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体，由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年技术人员组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力。为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。具体施行方法就是由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。1.2 研究的目的和意义非球面光学元件是一种非常重要的光学零件，因其在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，且能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量而得到重要应用。其加工质量的好坏与非球面加工机床的制造水平息息相关，因此，进一步提高我国非球面超精密机床的制造水平势在必行。为了提高非球面超精密机床的整体性能，其主要构件Z轴的结构特性也至关重要。为此开展了对于大口径非球面超精密光学铣磨机Z轴结构特性的分析和优化。以期通过对该梁的结构静力学分析和结构动力学分析，对横梁的结构做出优化设计，改善其静力学和动力学特性，从而保证机床的Z轴的精密进给，最终实现该铣磨机整体使用性能。研制出加工口径达900mm的光学非球曲面加工机床及成套应用工艺，可以满足国家国民经济主要领域和国防工业的重大需求，部分解决禁运和替代进口问题，提升我国相关领域的核心竞争力和创新能力。打破国外的技术封锁，使我国的非球面曲面光学零件的超精密加工水平提升一个大的台阶，从整体上缩短与世界最先进水平的差距。1.3 国内外研究现状随着国防工业、航空、民用光学技术的发展，各种高精度的非球面光学元件越来越多地应用于高性能要求的光学系统中。光学元件因其具有矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力等优点而得到广泛应用。目前，高精度非球面光学元件的使用受到其加工精度、表面质量和制造成本的限制，但是市场上对光学元件的需求促使各个国家致力于高精度非球面光学元件加工的技术研究。1.3.1 国外非球面零件超精密加工技术的现状80年代以来，国外出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：（1） 计算机数控单点金刚石车削技术计算机数控单点金刚石车削技术是由美国国防科研机构于60年代率先开发、80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金刚石车削技术加工出来的直径120mm以下的光学零件，面形精度达l/21l，表面粗糙度的均方根值为0.020.06mm。目前采用金刚石车削技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、KDK晶体）无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。（2）计算机数控研磨和抛光技术计算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球面光学零件。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方法。非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是：小型磨床修正研磨抛光法。小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的1/3，由计算机计算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径15001800mm的大口径非球面。目前，美国亚里桑那大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。80年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了0.08m，表面粗糙度的均方根值为0.2nm。若用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方根值能达到0.035nm。最近，日本采用门型机械加工中心，使用4000#8000#铸铁丝结合金刚石砂轮，利用ELID（在线电解修正法）磨削法，磨削BK-7光学玻璃，所获得的非球面的面形精度为1m，表面粗糙度为43nmRmax。德国的计算机数控研磨抛光技术也很快。Loh公司生产的CNCSPM50和120研磨抛光机，不仅可以粗、精磨球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德（SCHEIDER）光学机械公司90年代末制造的ALG100型计算机数控非球面磨床和ALP100型计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。（3）计算机数控离子束成形技术日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺方法，称为等离子CVM法，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度。在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出0.01m精度的任意形状的零件，另外可以以50mmin的速度加工单晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可达0.1nm(Rrms)。（4） 非球面零件复制技术用控制除去厚度的抛光(研磨)方法能够制造出高精度的非球面零件，但和一般的光学零件加工方法相比，这种方法的加工效率很低，解决这个问题的方法之一有复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。近年来，国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如Rank Pneumo公司生产的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN603D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以使非球面零件的加工更加灵活。1.3.2 国内非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。80年代中期，我国出现了具有世界水平的超精密机床和部件。如北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、中国科技大学、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等单位都在该领域取得了阶段性的成果。北京高华精密机械有限公司生产的DHM-500全液体静压超精密数控非球面磨床，通过X-Z-B三轴联动，实现对非球面透镜的高效率、高精度磨削；上海第三机床厂生产的MK-9025型数控曲线磨床，采用西班牙FAGOR公司的CNC四轴控制系统，其中二轴为插补控制轴，分别控制机床工作台的纵、横向进给，另二轴控制磨头滑座的纵、横向进给，可以加工任意曲面；我国九五期间在中国航空精密机械研究所首先建立的国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密复合加工系统；长春光机所于1992年成功研制出国内首台实用型非球面数控光学加工中心FSGJ-I;2002年，国防科技大学研制了一台集铣磨成形、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床。由我国数控光学非球面加工第一人苏州大学研究员余景池与其创办的苏州大学明世光学有限公司，生产国际一流水平的非球面眼镜模具，并广泛应用于数码相机、可视电话、计算机光驱、非球面透镜等领域。它是国内第一家从产品的设计、加工到生产都由自己完成的公司，用完全自主知识产权的产品代替了国外产品，填补了国内空白。最近，中国科学院南京天文光学技术研究所率先研制成功520mm国产碳化硅非球面镜光学系统，并通过了专家组的验收，这标志着我国在该领域迈上了新的台阶。但是对于大口径高精度非球面光学零件的加工，如果再加上数字化控制的要求，在国内就是一个挑战性的课题了。因此，国内生产水平与国际生产水平仍有差距。为此，国家该863项目提出，在经典高精度光学经典加工工艺研究基础上，吸收国际上先进的加工工艺研究成果，研究优化的高精度数字化光学非球面元件加工工艺。1.4 本文研究的主要内容本论文的主要研究内容如下：（1） 了解大口径光学非球曲面零件的加工方法及应用背景。（2） 了解国内外超精密加工机床发展水平及特点。（3） 学习超精密加工技术的基本理论知识。（4） 大口径非球面磨床Z轴部件结构设计。（5） 大口径非球面磨床Z轴部件驱动传动元件设计计算。（6） Z轴部件主要零件有限元仿真分析。2. Z轴部件设计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1m重复定位精度0.5m直线度0.1m/100mm导轨刚度1000N/m最小进给量0.01m切削进给速度3m/min快速移动速度6m/min2.1.1 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0.01m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0.01m，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场、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14251。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。（2）导轨的分类及特点（1）滑动导轨滑动导轨主要包括普通滑动导轨、塑料滑动导轨和静压导轨三类。普通滑动导轨普通滑动导轨是基本导轨，两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦，大多处于边界摩擦或混合摩擦的状态。其它类型的导轨都是以它为基础而发展起来，普通滑动导轨结构简单，工艺性好，便于保证精度、刚度，滑动导轨的缺点是摩擦因数大、磨损快、使用寿命短、低速易产生爬行等缺点，故应用于对低速均匀性和定位精度要求不高的机床中。塑料滑动导轨塑料滑动导轨是一种新型的滑动导轨。塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨两种，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料滑动导轨具有耐磨性好，自润滑功能；动、静摩擦因数小；减振性好，具有良好的阻尼性；加工性好，工艺简单，化学性能好，维修方便，成本低等优点15202。塑料滑动导轨的缺点是耐热性差、导热率低、热膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性。静压导轨静压导轨分为气体静压导轨和液体静压导轨两种，由于静压导轨的优越性，广泛应用于精密超精密及重型加工机床。a) 气体静压导轨气体静压导轨是将具有一定压力的空气经过节流孔射入导轨间隙，在导轨间隙内形成厚度为微米量级且基本保持恒定的润滑气膜，导轨运动单元在润滑气膜的支撑下悬浮在固定单元上方，是一种纯空气摩擦的滑动导轨17。由于气体具有误差均化效应，可以实现很高的运动精度。气体静压导轨摩擦力极小，又可以带走部分热量，适用于高速运动的场合。气体静压导轨工作平稳，结构简单，清洁环保。气体静压导轨的主要缺点是刚度和阻尼较小，还还产生气振，不适合在重载荷和大冲击负载的场合使用。b) 液体静压导轨液体静压导轨是在两相对运动的导轨面之间通入压力油，使运动件浮起，工作过程中油膜压力随外载荷变化而变化，在不同速度下都能保证导轨面间在液体摩擦状态下工作18243。液体静压导轨的主要优点如下：l 摩擦系数小，一般为0.00050.00115203，减小拖动功率l 低速运动平稳，无爬行l 特优的抗振效果l 油膜具有误差均化作用，可提高运动精度l 速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小，工作稳定l 油膜承载能力大，刚度高l 几乎不造成磨损，运动副寿命长，能长期保持制造精度液体静压导轨的主要缺点如下：l 液体静压导轨使用油作为介质，需要一套液压供油系统l 温度对介质油的性能影响较大，需要高精度的冷却装置l 液压系统成本较高l 液压油膜厚度控制难度较大液体静压导轨须满足导轨精度、耐磨性、刚度和运动均匀性的要求，即：l 导轨精度是运动件沿导轨运动时的直线性以及与其他机件或基面之间相对位置的准确性；要求导轨的平直度、扭曲度和平行度的总和应小于导轨间隙l 耐磨性决定导轨的磨损寿命，耐磨性是保持导轨工作质量的关键l 刚度是导轨工作质量的主要指标；导轨间隙不能过大，否则影响油膜刚度，对开式导轨还容易产生漂移l 运动的均匀性要求能准确定位，即在低速或重载时，不发生不均运的跳跃式运动（爬行）液体静压导轨按所承受的载荷不同，可以分为开式液体静压导轨和闭式液体静压导轨18243。开式液体静压导轨如图2-1(a)所示，依靠运动件自重及外载荷来保持运动件不从床身上分离，开式液体静压导轨只能承受单向载荷18244。开式液体静压导轨往往只在导轨的一个方向上开有油腔，只能水平或倾斜一个较小的角度放置。开式液体静压导轨，承受正向载荷能力大；承受偏载荷及颠覆力矩的能力较差，不能承受反向力；结构简单制造调整容易。开式液体静压导轨主要用在载荷分布均匀、偏载小、颠覆力矩小的水平放置或仅有较小倾角的场合。闭式液体静压导轨如图2-1(b)所示，够防止工作台与床身分离的导轨。这种导轨不仅能够承受各个方向的载荷，而且具有承受很大倾覆力矩的能力。在上、下或左、右各个方向上，闭式液体静压导轨都开有对置油腔。闭式液体静压导轨能够承受正、反方向的载荷，油膜刚度高，承受偏载及颠覆力矩的能力较高。但闭式液体静压导轨加工制造及油膜调整较为复杂，对导轨本身的结构刚度要求较高，尤其副导轨的结构刚度要求较高。闭式液体导轨主要应用于载荷分布不均匀、偏载大及有正、反方向载荷或立式导轨等场合。(b) 闭式液体静压导轨(a) 开式液体静压导轨图2-1 液体静压导轨（2）滚动导轨滚动导轨是指在两导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小（0.00250.005）；动、静摩擦系数很接近16243。滚动导轨的主要优点，是运动灵敏度高，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，无爬行现象，润滑系统简单，维修方便。但其抗振性较差，防护要求高。滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使运动部件倾斜或高度发生变化，导向精度低。滚动导轨与普通滑动导轨相比，结构复杂，制造困难，成本高。目前，滚动导轨主要用于实现微量进给、精密定位和对运动灵敏度要求高的机床。综上各种导轨的特点，由于Z轴部件对导轨要求具有高的运动精度和刚度，Z轴部件导轨采用闭式液体静压导轨副，在保证导轨副本身结构强度和刚度的条件下，通过调节闭式液体静压导轨副的油膜厚度，使Z轴导轨副具有高精度、低速平稳和高刚度的性能。同时，由于液体静压导轨副具有优越的性能，可以有效地减小大口径光学非球面零件磨削加工的亚表面损伤层深度，提高零件的加工质量和效率。2.1.3 测量反馈系统设计数控机床测量系统是对数控机床执行件的实际位置进行测量，不断地将工作台的位置量检测出来并反馈给数控系统。数控系统进行插补计算，将计算理论值与实际反馈的位置进行比较，以判断进给定位的正确与否，同时辅助伺服系统达到更精确的进给定位，实现高精度控制。实际反馈位置的采集是由位置检测装置来实现的。常用的位置检测装置有感应同步器、光栅位置检测装置、光电脉冲编码器、旋转编码器、磁尺位置检测装置等。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，即为直接测量。Z轴部件行程400mm，选用高精度直线光栅尺进行位置测量，实现闭环控制。光栅是利用光的投射、衍射现象形成的莫尔条纹而制成的光电检测装置，它将机械位移量或模拟量转变为数字脉冲15153，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。光栅主要有标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅检测装置结构主要有由光源、聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成，如图2-2所示。图2-2 光栅检测装置结构示意图光栅的工作原理15153都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。经过后续电路和数据处理，就可以进行位移大小、位移方向和速度的检测。2.2 Z轴部件进给系统设计Z轴部件的技术方案是采用伺服电机通过高负荷精密滚珠丝杠进行驱动，导轨采用闭式液体静压导轨副，并通过高精度直线光栅尺的进行闭环控制，最终实现Z轴部件高精度、高刚度和高的动态响应性能。2.2.1 滚珠丝杠副选型计算Z轴滚珠丝杠副驱动Z轴运动部件移动，运动质量估计大约550kg，为保证进给系统具有高精度和足够的刚性，初步选择日本THK公司的带球保持器的HBN高负荷精密滚珠丝杠。带球保持器的HBN高负荷精密滚珠丝杠结构如图2-3所示，主要由丝杠、螺母、滚珠、球保持器和回球器组成。当丝杠旋转时，滚珠沿螺纹滚道滚动，在此运动过程中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。所以滚珠不但与丝杠、螺母间产生摩擦，而且相互间也产生摩擦。为了减小钢球之间的摩擦，带球保持器型滚珠丝杠使用球保持器，消除钢球之间的碰撞和相互摩擦并提高润滑脂的保持性，因而实现了低噪音、低扭矩变动以及长期运行而免维护的优越性能20A749。 图2-3 THK公司带球保持器的HBN高负荷精密滚珠丝杠滚珠丝杠的转动使得滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母轴向移动，具有较小的摩擦力，相近的动、静摩擦系数，削弱了局部爬行现象，经过预紧可以消除轴向移动产生的间隙，从而提高了传动精度和传动机械效率。经过一个多世纪的实践应用，“旋转电机+滚珠丝杠”驱动机构已经成为传统的精密驱动方式，性价比高，动、静刚度高，传动精度好，控制技术成熟21。2.2.2滚珠丝杠副选型计算20A736过程如下：1）选择条件运动部件质量（运动部件总质量550kg，平衡系统平衡Z轴运动质量500kg）行程长度最大速度加速时间减速时间每分钟往返次数定位精度重复定位精度最小进给量工作寿命时间20000hAC伺服电机额定转速3000rpm液体静压导轨面上的摩擦系数22P1528导向面的阻力（无负荷，液体静压摩擦系数，阻力较小）2）选择项目丝杠轴直径导程螺母型号轴向间隙丝杠轴支撑方式驱动电机3) 导程精度与轴向间隙（予压）的选择（1）导程精度的选择为实现定位精度，行程为400mm，则有，参照文献20A-678页上表1，只能选择C0精度等级。（2）轴向间隙由于丝杠垂直使用，轴向负荷常作用与一个方向，不论轴向间隙多大，使用时都不会有间隙，因此选用轴向无予压丝杠。4）丝杠轴的选择超精密磨床Z轴选择带球保持器的HBN高负荷精密滚珠丝杠，其额定负荷是传统丝杠的2倍以上。（1）假定丝杠轴长度假定螺母全长为100mm，丝杠轴末端长度为100mm。所以根据行程长度400mm决定全长：400+200=600mm即丝杠轴长度假定为600mm（2）导程的选择因伺服电机的额定转速是3000rpm，最高进给速度是，滚珠丝杠的导程如下：因此，必须选择2mm或2mm以上的导程。为满足最小进给量，伺服电机分辨率应符合如下：导程2mm20000p/rev 6mm60000p/rev 8mm80000p/rev10mm100000p/rev考虑到丝杠误差的影响，选用较大导程，以减小，但会增加伺服电机驱动器指令的脉冲数至100000p/rev。（3）丝杠轴直径的选择考虑到Z轴较高的定位精度和重复定位精度，选择精密滚珠丝杠，参照文献20693页上表16，满足导程10mm的滚珠丝杠轴外径如下：8，10，15，18，20，25，32，36，40，50mm。超精密机床的特点是保证每个环节具有足够高的刚性，每个元件处于性能最好的状态，从而保证机床的高精度。根据上述条件选择滚珠丝杠直径为40mm，导程为10mm。(1) 丝杠轴支撑方法的选择滚珠丝杠垂直使用，行程长度400mm较短，并设计采用高精度光栅尺作为测量反馈装置，为减小丝杠在工作过程中的热伸长，以及丝杠螺母的安装调节方便，支撑方法选择固定自由方式。(2) 容许轴向负荷的探讨a）最大轴向负荷的计算导向面的阻力运动部件质量最大速度加速时间则有：加速度上升加速时上升等速时上升减速时下降加速时下降等速时下降减速时作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷：b）丝杠轴的挫曲栽荷的计算参照文献20A-694页，为考虑挫曲因素，螺母和轴承之间的安装方法按固定固定方式。与安装方法相关的系数安装距离（估算）丝杠轴沟槽谷径c）丝杠轴的容许拉伸压缩负荷由此可见，丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷大于最大轴向负荷，满足滚珠丝杠的使用要求。(1) 容许转速的计算a）最高转速丝杠轴直径：40mm；导程：10mm最大速度导程b）由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速参照文献20A-696页，为考虑危险速度，螺母和轴承间的安装方法按固定支撑。与安装方法相关的系数安装间距（估算）危险速度c）由DN值所决定的容许转速钢球中心直径：D42mm参考文献20A-697页，HBN型容许转速由上述可见，丝杠最大转速都小于丝杠轴的危险速度和DN值，满足使用要求（2）螺母的选择a）螺母型号的选择选择丝杠轴直径为40mm，导程为10mm的高负荷HBN型精密滚珠丝杠：HBN4010-7.5，。b）容许轴向负荷计算参考文献20A-703页上表18，因加速、减速时有冲击负荷的作用，故静态安全系数 与最大轴向负荷相比，得到的容许轴向负荷较大，因而该丝杠型号可以使用。（3）工作寿命计算a）运行距离的计算最大速度加速时间减速时间加速时的运行距离减速时的运行距离等速时的运行距离等速时间根据以上条件，轴向负荷与运行距离的关系如表2-2所示：表3-2 轴向负荷与运行距离的关系动 作轴向负荷运行距离No1：上升加速时53510No2：上升等速时510380No3：上升减速时48510No4：下降加速时44510No5：下降等速时470380No6：下降减速时49510b) 轴向平均负荷 赛c) 额定寿命动额定负荷参照文献20A-704上的表19，负荷系数平均负荷额定寿命L（rev）c ) 每分钟平均转数每分钟往返次数行程导程d )根据额定寿命计算工作寿命时间额定寿命每分钟平均转数e ) 根据额定寿命计算运行距离寿命额定寿命导程由上述计算可知，HBN4010-7.5型能满足希望寿命时间20000小时。（6）定位精度分析1）导程精度选择丝杠导程精度等级为C0级，代表运行距离误差6m，变动/300值为4m2）轴向间隙因为滚珠丝杠是垂直使用，轴向负荷总是朝一个方向，没有轴向间隙。3）轴向刚性a）丝杠的轴向刚性安装方式：固定自由考文献20A-707页刚性探讨，丝杠的轴向刚性为： （2-1）式中：A：丝杠轴的断面面积E：杨氏模量（）L：安装间距（100mm500mm）当时，当时，b) 丝杠轴的轴向刚性引起的轴向变位量当时，当时，c) 进给丝杠轴向刚性引起的定位误差定位精度因此由进给丝杠轴向刚性而产生的定位误差是1.14m。选择高负荷HBN精密滚珠丝杠，轴向刚性为1910KN/m，具有足够大的刚性，通过高精度直线光栅尺进行闭环反馈控制，Z轴部件可以实现Z轴部件定位精度的要求。4）因发热而引起的热变形计算如果在运转中丝杠轴的温度上升，丝杠轴因热而伸长，会影响定位精度。因发热而引起的丝杠轴伸缩量： （2-2）式中：丝杠轴的轴向伸缩量：热膨胀系数：丝杠轴的温度改变：螺纹部分有效长度（620mm）当温度上升1时，丝杠轴伸长因此滚珠丝杠的使用时，一方面采取相应措施控制丝杠温升，另一方面通过高精度光栅尺进行测量反馈，保证精度要求。（7 ) 旋转扭矩计算1）由外部负荷引起的摩擦扭矩上升等速时下降等速时2）有滚珠丝杠予压引起的扭矩对丝杠没有施加予压3）加速时所需的扭矩惯性力矩(转动惯量)：查文献20B-577页的尺寸表，每单位长度的丝杠轴惯性力矩为：，则丝杠轴全长732mm的惯性力矩如下：丝杠负载惯性力矩 （3-3）式中：，角加速度：根据上述计算，加速所需要的扭矩如下：因此，所需扭矩如下：上升加速时：上升等速时：上升减速时：下降加速时：下降等速时：下降减速时：（8）驱动电机的初步计算1）旋转速度滚珠丝杠的导程根据电机的额定转速进行选择，丝杠最高使用转速600rpm，电机额定转速3000rpm。2）最小进给量最小进给量与电机角度测试仪的分辨率有关，计算得电机角度分辨率为：100000p/rev。3）电机扭矩计算加速时所产生的扭矩为所需的最大扭矩：4）电机扭矩有效值电机扭矩的有效值为：2即电机的额定扭矩必须大于5）惯性力矩作用在电机上的惯性力矩为：，通常电机有必要具有作用在电机上惯性力矩的1/10以上的惯性力矩。因此，AC伺服电机的惯性力矩必须为以上。综上计算，滚珠丝杠副的选择完成，即为带球保持器的高负荷HBN精密滚珠丝杠：HBN 4010-7.5RRG2+728LC0丝杠主要参数如表2-3所示：表2-3 滚珠丝杠的主要参数公称型号HBN4010-7.5基本额定动负荷162.6KN丝杠轴外径40mm基本额定静负荷336KN导程10mm容许负荷50.4KN精度等级C0刚性1910KN/m负荷圈数列圈32.5丝杠轴惯性力矩2.3.2 驱动电机造型计算伺服系统中的控制电机是伺服系统中的执行部件。它一方面像普通电动机一样是将电能转换为机械能的能量转换装置，另一方面也是将数控系统中的数字控制信号转换为机械与位移的信息转换装置。为了能量转换的高效率与信息转换的高精度、快响应和高度的稳定性，对伺服系统中控制电机的基本要求有：输出功率大；优良的调速性能；优良的控制特性；免于或便于维护；散热性好；价格适中等。目前在数控机床上常用的控制电机包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机三大类，由于交流伺服电机具有结构简单、坚固耐用、体积较小、重量较轻、输出功率大、转速高、便于维护等优点，近年来在数控机床中正在逐渐代替直流伺服电机，故选择交流伺服电机作为伺服系统中的控制电机。（1）进给伺服电机的选择原则23l 当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机连续额定转矩范围内。l 最大负载转矩、加载周期以及过载时间都在电机的准许范围以内。l 对要求频繁起动、制动以及周期性变化的负载必须校核它的在一个周期中的转矩均方根值，应小于电机的连续额定转矩。l 加在电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个伺服系统的精度将产生影响。通常情况下，当负载小于电机转子惯量时，上述影响不大；但当负载惯量达到甚至超过转子惯量的5倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大的影响。推荐负载惯量小于5倍的伺服电机惯量值。（2）电机选择步骤1）驱动方式说明以所需的扭矩为基础进行电机选型，该扭矩通过使用如行进驱动系统、提升驱动系统、试验台、离心机、纸张驱动系统和轧机驱动系统、进给驱动系统或者主主轴驱动系统定义。此外，还要考虑用于运动转换的变速器或者用于将电机转速和电机扭矩与负载系数相匹配的变速器。要确定电机所要提供的扭矩，除了由使用确定的负载力矩之外，还必须知道下列机械数据。当需要较小的结构体积、小的转子惯性矩并由此获得最高动态性能时，应优先考虑同步电机。2）确定负载情况，计算最大负载力矩确定负载情况，计算最大负载力矩目标是：找到扭矩和转速的特征工作点，利用该特征工作点根据负载情况确定电机。 在确定运行情况和其详细规格后计算最大电机扭矩。 一般情况下，在加速阶段得出最大电机扭矩。 这里加上负载力矩和用于电机加速所需的扭矩。然后通过电机极限曲线确定最大电机扭矩。在确定电机时必须考虑下列标准2463：l 遵循动态极限值，即负载情况的所有扭矩转速点必须位于相关的极限特性曲线之下。 l 必须遵循热态极限值，即对于同步电机，在由负载循环得出的平均电机转速时，有效电机扭矩必须位于 S1 特性曲线（连续运行）之下。 对于异步电机，电机电流的有效值在负载循环内必须小于电机额定电流。l 对于同步电机必须注意，最大允许的电机扭矩在电压极限特性曲线的 高转速时减小。 另外，为了防止电压波动，应遵循电压极限特性曲线10%的距离。 l 在使用异步电机时，允许的电机扭矩在电压极限特性曲线（稳定限度）的磁场减弱范围中受限制。这里应遵循30%的距离。3）确定电机可以通过变动找到一个满足运行情况条件的电机。最后必须确定其它电机特性。 这些特性将作为电机选项配置进行。（3）驱动方式说明综合考虑机床对Z轴部件的技术要求，Z轴采用伺服电机驱动高负荷精密滚珠丝杠的驱动方式，初步选择Siemens伺服电机。考虑到机床要求较小的结构体积、较高的动态性能，优先选择Siemens的1FK7紧凑型同步伺服电机，如图2-5所示。1FK7 电机是一种非常紧凑的、永磁同步电机。与 SINAMICS S120 驱动系统一起，1FK7电机可以构成一种高功能、高效率的驱动装置。用于速度和位置控制的集成编码器系统可以根据应用场合进行选择。图2-5 Siemens的1FK7紧凑型同步伺服电机选择电机的计算条件如下，Z轴运动伺服轴为竖直使用状态，如图2-6所示：图2-6 Z轴运动伺服轴工作方式运动部件质量（运动部件质量500kg，配重平衡系统重450kg）导向面的阻力（无负荷，液体静压摩擦系数，阻力较小）驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率由切削力引起的反推力最大速度最小进给量减速比加减速时间：丝杠轴径：丝杠轴长：丝杠导程：（1）电机最高转速电机选择首先依据机床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。 （3-4）式中：电机最高转速（rpm）直线运动最大速度（m/s）丝杠导程（mm）系统传动比，则有：（2）负载转矩的计算根据伺服电机的工作曲线，负载转矩应满足：当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载力矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加到电机轴上的负载力矩： （2-5）式中：加到电机轴上的负载力矩沿坐标轴移动部件所需的力电机转一转机床运动距离滚珠丝杠加到电机轴上的摩擦力矩，由丝杠得不切削时： 切削时：根据负载力矩可见，伺服电机的额定力矩应大于（3）加速力矩的计算对于数控机床，因为动态性能要求较高，系统时间常数小，而等效的转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，一般都为电动机力矩的30%90%，故常常用快速空载起动力矩作为依据来选择电动机。快速空载起动时所需力矩 （2-6）式中：空载启动时折算到电机轴上的最大加速力矩（）折算到电机轴上的摩擦力矩（）由于丝杠折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）加速力矩： （2-7）式中：折算到电机轴上的总惯量（）电机最高转速（）系统时间常数，则有：摩擦力矩： （2-8）式中：丝杠导程（cm）传动链总效率，一般取传动比，查INA公司轴承样本251077丝杠预紧附加的摩擦力矩：（丝杠计算得）即快速空载起动时所需力矩： 最大切削负载时所需力矩： （2-9）式中：切削时折算到电机轴上的加速力矩（）折算到电机轴上的摩擦力矩（）由于丝杠预紧引起的折算到电机轴上的附加摩擦力（）折算到电机上的切削力矩（）加速力矩： （2-10）式中：折算到电机轴上的总惯量（）切削时的转速（r/min）系统时间常数，切削力矩： （2-11）式中：由切削力引起的反推力传动链总效率，一般取传动比即最大切削负载时所需力矩人快速进给时所需力矩：加速转矩开始下降时的转速： （2-12）式中：快速移动时电机的转速加减速时间伺服位置增益，取（4）负载惯量计算与负载力矩不同，负载惯量可以精确地算出。由电机本身的转动而驱动的物体惯量形成电机的负载惯量， 无论该物体是转动还是沿直线运动。对各运动物体分别计算其惯量，然后按一定规则将各物体的惯量加在一起，即可得出总惯量。总惯量可按下述方法计算：（1）圆柱体（滚珠丝杠，联轴器）的惯量计算滚珠丝杠和联轴器，可近似按照圆柱体绕其中心轴回转的惯量计算： （2-13）式中：M 质量（kg）R半径（m）（2）圆柱体折算到电机轴上的惯量（3）直线运动质量的惯量计算 （2-14）式中：电机转一弧度运动部件移动的距离（m）（4）电机负载惯量计算（5）对负载惯量的限制负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间都有很大影响。负载惯量增加时，可能出现以下问题：指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线，会造成较大的加工误差。负载惯量小于或等于电机的惯量时，不会出现这些问题。若负载惯量为电机的2.5倍以上，控制特性就会降低。实际上这对普通金属加工机床的工作的影响不大， 但对于精密超精密机床，负载惯量要小于电机的惯量。 即有电机惯量：，综上计算电机力矩，快速空载起动时所需最大力矩2.56Nm。考虑到超精密机床的高精度和稳定性的特点，取安全过载系数2，则电机额定转矩，同时电机惯量，参照Siemens高紧凑型1FK7同步电机样本，选择1FK7080-5AF71-1电机，其扭矩转速特性曲线如图3-7所示24117，由电机特性曲线知该电机满足负载力矩的要求，电机的负载额定转矩，在伺服电机的连续额定转矩范围之内。图2-7 同步伺服电机1FK7080-5AF71-1的扭矩转速特性曲线（6）校核电机转矩均方根值当工作机械作频繁启动、制动时，必须检查电机是否过热，为此需计算在一个周期内电机转矩的均方根值，并且应使此均方根值小于电机的连续转矩。由于本超精密机床在加工过程中无频繁启动、制动工况，故不需要进行校核计算。（7）选择电机编码器考虑到直线运动最小进给量，需要对编码器输出信号进行细分，选择可以进行信号细分的增量式编码器。根据西门子同步电机选型手册，即文献2418，选择带抱闸功能的同步伺服电机，其型号为：1FK7080-5AF71-1AH0，电机型号AH0分别指：A增量式编码器H不带键槽的圆柱轴端，带抱闸功能0电机防护等级为IP64电机主要参数Siemens的高紧凑同步伺服电机1FK7080-5AF71-1AH0主要参数如表3-4所示：表3-4 1FK7080-5AF71-1AH0同步伺服电机主要参数额定转速额定功率额定转矩电机惯量额定电流3000rpm2.14kw4.4A2.2.3 联轴器和轴承造型计算（1）联轴器联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器一般可分为刚性联轴器和弹性联轴器。刚性联轴器全部由刚性零件组成，没有缓冲减振能力，只适用于载荷平稳或有轻微冲击的两轴的联接和同轴度很高的两轴的联接；弹性联轴器在结构中设计有弹性变形元件，可以依靠弹性元件的变形与储能性来缓冲减振，并补偿一定范围内的轴线位移。常用的精密联轴器有：弹性联轴器，膜片联轴器，波纹管联轴器，滑块联轴器，梅花联轴器，刚性联轴器。为减小电机轴安装和丝杠安装中存在的不对中以及电机和丝杠转动中的偏移等问题，选用具有偏移量补偿的德国mayr公司的smartflex钢制波纹管联轴器，如图2-8所示。图2-8 德国mayr公司的smartflex钢制波纹管联轴器纹管联轴器由两个毂和一个薄壁金属管组成，它们用或焊接或粘结的方式连接在一起。尽管很多其它的材料可用，但不锈钢和镍还是最常用的金属管材料。德国mayr公司的smartflex联轴器具有零背隙，高扭转刚度，可补偿轴更大的偏移量等优点。smartflex联轴器具有低的反作用力，可以保护电机和丝杠轴承。具有低的瞬间惯量，允许更高的动力驱动，在高速状态下依然能有安全的传输扭矩。根据Z轴部件进给系统电机的额定扭矩、转速、和轴端直径和长度大小选择联轴器型号，综合Z轴部件总体设计要求，选择smartflex钢制波纹管联轴器的型号为：2/932.433/26/32。（2）轴承选型轴承的性能直接影响着机床的Z轴部件的精度和刚度，考虑到Z轴部件的技术要求较高，因而选择高精度、高刚度的轴承。德国舍弗勒集团旗下的INA轴承公司自成立以来，一直致力于产品的创新，其轴承产品在全球享有盛名。Z轴丝杠在轴向有高精度和高刚度要求，由于使用液体静压导轨副，在每次机床供油工作和停机时会产生径向方向的冲击和振动，为提高整个Z轴部件进给系统的精度和刚度，选择INA公司的滚针/推力圆柱滚子轴承。滚针/推力圆柱滚子轴承选用轴承外圈为螺栓安装的ZARF滚针/推力圆柱滚子轴承，如图2-9所示。滚针/推力圆柱滚子轴承包括一个有径向和轴向滚道的外圈、两个轴圈、一个内圈、一个径向滚针保持架组件和两个推力圆柱滚子保持架组件。除了径向力，轴承还可以承受两个方向的轴向力和倾覆力矩。外圈、内圈和轴向保持架相互匹配，采用INA 精密锁紧螺母预紧后，轴承可以实现轴向无游隙251067。 (a)结构图 (b)尺寸图图2-9 ZARF滚针/推力圆柱滚子轴承根据Z轴部件负荷、转速、精度、刚度、丝杠尺寸以及安装要求，综合选择ZARF滚针/推力圆柱滚子轴承的型号为：ZARF3080-TV，选用INA公司的精密锁紧螺母AM30。2.2.4 测量反馈装置选型非球面磨床Z轴在机床磨削加工时，与X轴和转台联动，其直接影响工件的加工精度，由于选用高负荷精密滚珠丝杠进给系统，要实现高精度，还需要高精度直线光栅尺作为测量反馈元件进行闭环控制。非球面磨床加工过程中环境非常恶劣，开放式光栅尺容易被污染，并且难以防护，所以选择用HEIDENHAIN封闭式绝对直线光栅尺，型号为LC183，其分辨率为0.005m。采用绝对测量方法，当编码器通电时就可立即得到位置并提供给后续电子设备，供其随时读取，因而无需移动机床去找参考点位置。HEIDENHAIN封闭式绝对直线光栅尺的特点：l 直线光栅尺动态特性好，运动速度可靠性高，沿测量方向的运动加速度大l 高精度光栅尺可以检测出机械传递误差，并能在闭环控制系统中给予修正，因此，能消除由于滚珠丝杠副温度特性导致的位置误差以及滚珠丝杠副螺距误差导致的运动特性误差Z轴部件驱动传动系统包括伺服电机、联轴器、轴承、锁紧螺母和丝杠螺母副，具体型号如表2-5所示，驱动系统示意图如图2-10所示。表2-5 Z轴部件驱动传动系统元件驱动元件型 号Siemens紧凑型交流同步伺服电机1FK7080-5AF71-1AH0mayr公司smartflex钢制波纹管联轴器2/932.433/26/32INA公司滚针/推力圆柱滚子轴承ZARF3080-TVINA公司精密锁紧螺母AM30THK公司高负荷精密滚珠丝杠HBN 4010-7.5RRG2+728LC0伺服电机锁紧螺母丝杠螺母副联 轴 器轴 承图2-10 Z轴部件驱动传动系统示意图2.3 Z轴部件结构设计 2.3.1 非球曲面磨床对部件的技术要求Z轴部件是非球曲面磨床的关键部件，在加工零件时与其它轴进行联动，其精度直接影响加工零件的质量。因此非球曲面磨床对Z轴部件有如下设计要求：（1）Z具有足够的刚度Z轴部件的关键零件受力后的变形不得超过一定的数值，以保证刀具和工件间的相对移不超过加工允差，也就是