大口徑非球面銑磨機Z軸精密進給結(jié)構(gòu)設計【含23張CAD圖紙】,含23張CAD圖紙,口徑,球面,銑磨機,精密,進給,結(jié)構(gòu)設計,23,CAD,圖紙 畢業(yè)設計（論文）任務書 姓 名 題 目 大口徑非球面銑磨機Z軸精密進給結(jié)構(gòu)設計 設 計 任 務 1．外文翻譯，并且按學院規(guī)定的統(tǒng)一規(guī)范化要求用譯文紙撰寫或打??； 2．畢業(yè)設計調(diào)研，完成調(diào)研報告，并且按學院規(guī)定的統(tǒng)一規(guī)范化要求撰寫調(diào)研報告； 3．總體方案設計與分析； 4．總體結(jié)構(gòu)設計（三維和二維總裝配圖）； 5. 全部零件設計（二維圖）； 6．按學院規(guī)定的統(tǒng)一規(guī)范化要求撰寫設計說明書。 時 間 進 度 2.21~3.06 （第1~2周） 畢業(yè)實習，完成實習調(diào)研報告； 3.07~3.20 （第3~4周） 完成外文翻譯，設計方案規(guī)劃（提交開題報告）； 3.21~4.03 （第5~6周） 總體設計； 4.04~5.22 （第7~13周） 總體結(jié)構(gòu)設計（4周）、零件設計（2周）、撰寫設計說明書（1周）；（第10周進行中期檢查，提交中期檢查報告和實績）； 5.23~5.29（第14周） 指導教師審查、修改定稿，準備答辯PPT； 5.30~6.05（第15周） 評閱教師評閱、答辯； 6.06~6.12（第16周） 修改畢業(yè)設計。 原 要 始 參 資 考 料 文 和 獻 主 1. 聯(lián)合編寫組. 機械設計手冊(1-6卷).北京：機械工業(yè)出版社，2004 2. 成大先. 機械設計手冊（單行本）：常用設計資料[S].北京：化學工業(yè)出版社，2004 3. 肖云山. 最新數(shù)控機床設計及優(yōu)化技術手冊. 北京：中國知識出版社，2009 4. 現(xiàn)代實用機床設計手冊編委會. 現(xiàn)代實用機床設計手冊(上、下). 北京：機械工業(yè)出版社，2006 5. 吳宗澤. 機械零件設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2003 6. 趙則祥. 公差配合與質(zhì)量控制. 開封：河南大學出版社，1999 7. GB/T 17421.1-1998 機床檢驗通則 第1部分：在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度 8. 秦宇. ANSYS11.0基礎與實例教程. 北京：化學工業(yè)出版社，2009 9． 劉彥超. 虛擬設計技術及其工程應用. 北京：北京機電研究所，2002 院（系主任）簽名長： 指導教師： 生產(chǎn)實習報告書 姓名： 學號： 目錄 一．實習目的與任務······························ 1 二．上海機床廠有限公司·························· 1 三． 上海柴油機廠股份有限公司··················· 3 四．上海匯眾汽車制造有限公司·················· 4 五. 實習小結(jié)·································· 7 一、實習目的與任務 1、實習目的 1）：在實習期間，通過對典型零件機械加工工藝的分析，以及零件加工過程中所用的機床，夾具量具等工藝裝備，把理論知識和盛傳實踐相結(jié)合起來，培養(yǎng)我們的考察，分析和解決問題的工作能力。 2）：通過下廠生產(chǎn)實習，深入生產(chǎn)第一線進行觀察和調(diào)查研究，獲取必須的感性知識和使學生較全面地了解機械制造廠的生產(chǎn)組織及生產(chǎn)過程，了解和掌握本專業(yè)基礎的生產(chǎn)實際知識，鞏固和加深已學過的理論知識，并為后續(xù)專業(yè)課的教學，課程設計，畢業(yè)設計打下基礎。 2、實習要求 首先對我進行了一些安全教育以及實習過程中的安全事項和需注意的項目。比如在進加工車間時，不允許穿涼鞋進廠；進廠必須穿長褲子；禁止在廠內(nèi)吸煙，進廠后衣服不準敞開，外套不準亂掛在身上，不得背背包進廠；女生必須戴帽子，把頭發(fā)盤起來；人在廠里不要成堆，不要站在生產(chǎn)主干道上；在沒有實習師傅的允許的情況下，不許亂按按鈕、開關；指導老師給我們講了很多在廠里發(fā)生的意外事故，都是不注意安全，忽略了細節(jié)，所以安全是第一位，我深深牢記于心，做事要認真，嚴肅。生產(chǎn)實習是專業(yè)教學過程中一個重要的實踐性環(huán)節(jié)，安排在教學計劃規(guī)定的主要課程已經(jīng)結(jié)束的基礎上進行。其目的是為了充實學生的實踐知識，擴大知識面，理論聯(lián)系實際，鞏固所學的理論，并要求獲得與專業(yè)有關的生產(chǎn)技術系統(tǒng)知識和管理知識。 二、實習內(nèi)容 1、上海機床廠有限公司 我們首先去到的是具有濃厚歷史底蘊的上海機床廠有限公司，上海機床廠有限公司是我國最大的精密磨床制造企業(yè)；在國內(nèi)磨床業(yè)處于主導地位；產(chǎn)品的品種最為齊全，產(chǎn)品應用的領域范圍最廣泛；國內(nèi)磨床產(chǎn)品的市場占有率第一?，F(xiàn)為中國機床工具協(xié)會理事長單位和中國磨床分會理事長單位。其主要產(chǎn)品有：外圓磨床、平面磨床、軋輥磨床、曲軸磨床、雙端面磨床、花鍵軸磨床、磨齒機、螺紋絲桿磨床、凸輪軸磨床等各類普通、數(shù)控、大型、專用等磨床。同時，由于上海機床廠過硬的企業(yè)底蘊與不斷創(chuàng)新的生產(chǎn)技術，它也成為了我們本次實習期間占比重最大的一部分，也是最值得我們?nèi)W習的企業(yè)之一。 此次機床廠的學習共分為三天，前兩天分別是磨床裝配工藝與箱體類零件加工工藝的理論授課，最后一天是車間的實踐參觀。在兩天的理論學習中，富有經(jīng)驗的工程師告訴我們機械制造工藝分為熱加工工藝與冷加工工藝，這其中冷加工工藝又可細分為軸套類加工工藝、箱體類加工工藝與裝配工藝。不同零件要擬定不同的加工工藝，這就牽扯到了擬定工藝的原則，合理性、科學性、經(jīng)濟性并稱擬定工藝的三大原則。 既然加工工藝確定了，隨后就要選擇合適的基準來進行加工，選擇基準也有四個重要的原則需要牢記：（一）基準不變的原則。（二）互為基準的原則。（三）基準重合的原則。（四）工藝定位基準的原則。 基準也確定后就可以進行零件加工了，這里老師也向我們介紹了零件加工的種種設備。這其中有（一）車床，車床大體分為立式、臥式、數(shù)控三種。（二）鉗床，鉗床按功能可分為劃線、銼、刮和裝配。（三）刨床，刨床也是我們經(jīng)常接觸到的機床，著名的有牛頭刨床和龍門刨床。（四）磨床，磨床按加工面可分為平面磨床、工具磨床、內(nèi)外具磨床、導軌磨床。（五）銑床，銑床也是種類繁多的機床之一，大體有立式、臥式、龍門、數(shù)控這幾種。（六）鏜床，鏜床就相對統(tǒng)一，多數(shù)只有立式與臥式。（七）鉆床，鉆床經(jīng)常見到的只有臺式鉆與橫臂鉆兩種。（八）研磨。（九）線切割。 之后，老師又向我們介紹了作為上海機床廠最具盛名的磨床的裝配工藝。首先磨床雖然種類稍有不同，但結(jié)構(gòu)基本可分為：床身、工作臺、頭架、尾架、墊板、砂輪架。因此，裝配過程就可以總結(jié)為：（一）裝配工藝的編制。（二）工裝夾具、工具、量具的設計。（三）配刮或配磨。（四）組件裝配。（五）部件裝配分裝。（六）總裝。（七）機床精度的檢查。（八）產(chǎn)品鑒定。（九）裝箱。 經(jīng)過前兩天的理論學習后，第三天我們在經(jīng)驗豐富的工程師的帶領下，實際走進了裝配車間，液壓車間，軸套車間和大件車間進行參觀學習。 至此，經(jīng)過前后共三天理論加實踐的學習，上海機床廠的生產(chǎn)實習也算是告一段落，不得不說，以磨床為王牌的上海機床廠也是給我們這些即將進入制造業(yè)的大學生好好上了一課，在這里我們不僅了解了各類磨床的裝配工藝，還進入了車間第一線，親眼目睹了外圓磨床，萬能磨床的生產(chǎn)與裝配的過程。在資深工程師的帶領講解下，我們也第一次系統(tǒng)的認識到廣為認可的產(chǎn)品質(zhì)量離不開企業(yè)健全的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等重要環(huán)節(jié)。 2、上海柴油機廠股份有限公司 本次生產(chǎn)實習的第二站，我們將目的地選在了上海柴油機廠股份有限公司，上海柴油機股份有限公司前身為上海柴油機廠，現(xiàn)隸屬于上汽集團，是一家從事發(fā)動機、零部件以及發(fā)電機組研發(fā)、制造的國家大型高新技術企業(yè)，擁有國家級技術中心和博士后工作站、國際一流的自動化生產(chǎn)線和乘用車標準的質(zhì)量管理體系。在此之間就早已聽說上柴的貨車用發(fā)動機享譽全國，此次更是有幸能直接目睹到貨車用H系列發(fā)動機的現(xiàn)場裝配，了解到上海柴油機廠不僅生產(chǎn)貨車用發(fā)動機，更是在旗下隸屬有工程機械、客車、農(nóng)業(yè)機械、發(fā)電機、船舶五大模塊。 隨后我們分別參觀了上柴的A、B兩廠，參觀途中隨處可見企業(yè)價值觀的醒目標語，提醒著員工們事半功倍。也感慨上柴公司體系的完整，這里不僅有被譽為“規(guī)范勞?！钡腄114發(fā)動機生產(chǎn)流水線，更有具備較強的柴油機開發(fā)設計能力，能滿足用戶的各種個性化的動力配套設計要求的國家級技術中心。并且我們參觀的生產(chǎn)車間無論是規(guī)模、效率、環(huán)境都是本次生產(chǎn)實習中最高水準。 并且我也不得不提到無時無刻出現(xiàn)在上柴廠區(qū)的企業(yè)價值觀，我認為它所闡述的四點適用于每一個人：（一）精益求精，我們離完美永遠只差一步，持續(xù)改進，不斷創(chuàng)新，不驕傲自滿，不固步自封，并且要知道沒有最好，只有更好，干今天的活，想明天的事。（二）誠信至上，說實話，做實事，言出必行，行必有果，海納百川，有容乃大。（三）客戶第一，不斷提供客戶有價值的產(chǎn)品和服務，用我們的努力讓客戶獲得成功，與客戶共發(fā)展、共繁榮，客戶滿意帶來市場，市場帶來效益，效益帶來發(fā)展。（四）以人為本，員工的努力創(chuàng)造企業(yè)的繁榮，讓員工享受成功的快樂，尊重員工，善待員工。這些總結(jié)出來的精神財富，在我們今后入職的道路上同樣值得被銘記。 3、上海匯眾汽車制造有限公司 上海匯眾汽車制造有限公司(以下簡稱上海匯眾)是汽車底盤系統(tǒng)生產(chǎn)的企業(yè)，上海市高新技術企業(yè)，成立于1992年1月11日。公司生產(chǎn)各類乘用車底盤，具備底盤研發(fā)制造（沖壓、焊接、電泳、機加工、裝配、差壓鑄造、熱處理）以及工裝模具的設計制造能力。公司產(chǎn)品覆蓋A0級-C級轎車、SUV、MPV，是上海大眾、上汽通用和上海汽車各款轎車底盤系統(tǒng)的骨干配套供應商，并被美國通用汽車公司正式確認成為其首個全球平臺項目——EPSILONⅡ副車架、后橋結(jié)構(gòu)件等零部件供應商，是首次進入北美OEM市場的中國轎車底盤生產(chǎn)企業(yè)。 在師傅的帶領下，我們參觀了沖壓，電泳，機加工等過程，學習了這些方法的基本理論。 沖壓 沖壓是靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工方法。沖壓和鍛造同屬塑性加工（或稱壓力加工），合稱鍛壓。沖壓的坯料主要是熱軋和冷軋的鋼板和鋼帶。汽車的車身、底盤、油箱、散熱器片，鍋爐的汽包，容器的殼體，電機、電器的鐵芯硅鋼片等都是沖壓加工的。儀器儀表、家用電器、自行車、辦公機械、生活器皿等產(chǎn)品中，也有大量沖壓件。 沖壓加工是借助于常規(guī)或?qū)Ｓ脹_壓設備的動力，使板料在模具里直接受到變形力并進行變形，從而獲得一定形狀,尺寸和性能的產(chǎn)品零件的生產(chǎn)技術。板料，模具和設備是沖壓加工的三要素。按沖壓加工溫度分為熱沖壓和冷沖壓。前者適合變形抗力高，塑性較差的板料加工；后者則在室溫下進行，是薄板常用的沖壓方法。它是金屬塑性加工（或壓力加工）的主要方法之一，也隸屬于材料成型工程技術。 沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產(chǎn)就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構(gòu)成沖壓加工的三要素，只有它們相互結(jié)合才能得出沖壓件。 電泳 電泳漆膜具有涂層豐滿、均勻、平整、光滑的優(yōu)點，電泳漆膜的硬度、附著力、耐腐、沖擊性能、滲透性能明顯優(yōu)于其它涂裝工藝。 詳細特點： （1）采用水溶性涂料，以水為溶解介質(zhì)，節(jié)省了大量有機溶劑，大大降低了大氣污染和環(huán)境危害，安全衛(wèi)生，同時避免了火災的隱患； （2）涂裝效率高，涂料損失小，涂料的利用率可達90%～95%； （3）涂膜厚度均勻，附著力強，涂裝質(zhì)量好，工件各個部位如內(nèi)層、凹陷、焊縫等處都能獲得均勻、平滑的漆膜，解決了其他涂裝方法對復 雜形狀工件的涂裝難題； （4）生產(chǎn)效率高，施工可實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，大大提高勞動效率； （5）設備復雜，投資費用高，耗電量大，其烘干固化要求的溫度較高，涂料、涂裝的管理復雜，施工條件嚴格，并需進行廢水處理； （6）只能采用水溶性涂料，在涂裝過程中不能改變顏色，涂料貯存過久穩(wěn)定性不易控制。 （7）電泳涂裝設備復雜，科技含量較高，適用于顏色固定的生產(chǎn)。 數(shù)控加工 數(shù)控加工是指，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令使刀具作符合要求的各種運動，以數(shù)字和字母形式表示工件的形狀和尺寸等技術要求和加工工藝要求進行的加工。它泛指在數(shù)控機床上進行零件加工的工藝過程。 數(shù)控機床是一種用計算機來控制的機床，用來控制機床的計算機，不管是專用計算機、還是通用計算機都統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床的運動和輔助動作均受控于數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序指令向伺服裝置和其它功能部件發(fā)出運行或終斷信息來控制機床的各種運動。當零件的加工程序結(jié)束時，機床便會自動停止。任何一種數(shù)控機床，在其數(shù)控系統(tǒng)中若沒有輸入程序指令，數(shù)控機床就不能工作。機床的受控動作大致包括機床的起動、停止；主軸的啟停、旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的變換；進給運動的方向、速度、方式；刀具的選擇、長度和半徑的補償；刀具的更換，冷卻液的開起、關閉等。 在本次參觀中，對一下基本的加工工藝有了更深層次的了解，開闊了眼界，同時也看到了課堂學習的局限性。 5、實習小結(jié) 在以前的頭腦中，我認為的工作都是很美好的，我想企業(yè)和工廠應該都是挺漂亮、挺大起的。現(xiàn)在不都是在講環(huán)保、講生態(tài)化嗎，將來的工作環(huán)境肯定是整潔美麗的，工作應該也是有趣輕松的。我就是懷著這種憧憬到了我們的實習工廠。一下車我就傻眼了，天哪!這個地方到處都是刺鼻的氣味，第一天由工廠領導帶我們參觀了生產(chǎn)線、工人師傅給我們進行了入廠安全講座。第二天我們就正式進入車間參加生產(chǎn)。我們四人一組，每個車間的師傅負責帶我們生產(chǎn)學習，現(xiàn)在的化工廠自動化程度比較高，工人勞動相對比較輕松，但是一般一個崗位一班就一個人，一班的時間是8個小時，也就是說，工人師傅要一個人在一個崗位上一呆就是八個小時。一開始我們都覺得不可思議，對于我們來說，在學校里有豐富多彩的娛樂活動和同學朋友，這八個小時單調(diào)的工作難以想象，但是隨著與工人師傅共同工作的時間久了才知道自己的想法是多么的幼稚，我們現(xiàn)在吃穿不愁，但是真正到了社會上，首先我們的自己養(yǎng)活自己!然后的為家庭擔起相應的責任!我們必須靠自己的勞動來實現(xiàn)這些!這時我們就不會覺得這八個小時是多么的漫長了,因為這八個小時的背后是我們勞動換來的收獲。 在實習時的工作學習同時讓我認識到社會是殘酷的，沒有文化、沒有本領、懶惰，就注定你永遠是社會的最底層!但同時社會又是美好的，只要你肯干、有進取心，它就會給你回報、讓你得到自己想要的! 開題報告 1.1 課題的背景和來源 “大口徑光學非球面超精密數(shù)控銑磨機”的開發(fā)研制隸屬于“國家863計劃”攻關項目，這個項目由北京微納精密機械有限公司承接。該公司是進行精密制造技術方面產(chǎn)品制造和技術研究開發(fā)的制造實體，由一批國內(nèi)知名專家領隊和年富力強的中青年技術人員組成，具有很強的科學研究和技術攻關能力。 為了響應教育部的號召，實施大學本科教改計劃，北京微納精密機械有限公司與中原工學院聯(lián)合實施“卓越工程師”的培養(yǎng)計劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學院大四學生來公司實習并完成畢業(yè)設計，為學生走上工作崗位提供一個鍛煉自己的平臺。 1.2 研究的目的和意義 非球面光學元件是一種非常重要的光學零件，因其在光學系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，且能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量而得到重要應用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機床的制造水平息息相關，因此，進一步提高我國非球面超精密機床的制造水平勢在必行。 為了提高非球面超精密機床的整體性能，其主要構(gòu)件——Z軸的結(jié)構(gòu)特性也至關重要。為此開展了對于大口徑非球面超精密光學銑磨機Z軸結(jié)構(gòu)特性的分析和優(yōu)化。以期通過對該梁的結(jié)構(gòu)靜力學分析和結(jié)構(gòu)動力學分析，對橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設計，改善其靜力學和動力學特性，從而保證機床的Z軸的精密進給，最終實現(xiàn)該銑磨機整體使用性能。 研制出加工口徑達900mm的光學非球曲面加工機床及成套應用工藝，可以滿足國家國民經(jīng)濟主要領域和國防工業(yè)的重大需求，部分解決禁運和替代進口問題，提升我國相關領域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。打破國外的技術封鎖，使我國的非球面曲面光學零件的超精密加工水平提升一個大的臺階，從整體上縮短與世界最先進水平的差距。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著國防工業(yè)、航空、民用光學技術的發(fā)展，各種高精度的非球面光學元件越來越多地應用于高性能要求的光學系統(tǒng)中。光學元件因其具有矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力等優(yōu)點而得到廣泛應用。目前，高精度非球面光學元件的使用受到其加工精度、表面質(zhì)量和制造成本的限制，但是市場上對光學元件的需求促使各個國家致力于高精度非球面光學元件加工的技術研究。 1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 80年代以來，國外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術，主要有： （1） 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術是由美國國防科研機構(gòu)于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術。它是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質(zhì)量要求的非球面光學零件。該技術主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學零件，其特點是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術明顯降低。采用該項金剛石車削技術加工出來的直徑120mm以下的光學零件，面形精度達l/2～1l，表面粗糙度的均方根值為0.02～0.06mm。目前采用金剛石車削技術可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體（碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體）無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。 （2）計算機數(shù)控研磨和拋光技術 計算機數(shù)控研磨和拋光技術是一種由計算機控制的精密機床將工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性拋光模拋光，使工件在不改變精磨面形精度的條件下達到鏡面光潔度的光學零件制造技術。該技術主要用來加工中、大尺寸的非球面光學零件。工件加工精度主要取決于測量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術是：小型磨床修正研磨拋光法。 小型磨床最早是由美國研究開發(fā)的，其磨頭直徑不超過工件的1/3，由計算機計算去除量，加工精度比較高?？梢愿呔鹊丶庸ぶ睆?500～1800mm的大口徑非球面。目前，美國亞里桑那大學的光學中心，已基本上用計算機數(shù)控研磨拋光加工技術取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學零件。 80年代末，日本研制出了的超精密數(shù)控范成法研磨機，使用該研磨機加工出的光學零件，其面形精度達到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進行加工，表面粗糙度的均方根值能達到0.035nm。最近，日本采用門型機械加工中心，使用4000#～8000#鑄鐵絲結(jié)合金剛石砂輪，利用ELID（在線電解修正法）磨削法，磨削BK-7光學玻璃，所獲得的非球面的面形精度為1μm，表面粗糙度為43nmRmax。 德國的計算機數(shù)控研磨拋光技術也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機，不僅可以粗、精磨球面光學零件，而且還可以粗、精磨非球面光學零件。施耐德（SCHEIDER）光學機械公司90年代末制造的ALG100型計算機數(shù)控非球面磨床和ALP100型計算機數(shù)控非球面拋光機，可以高效率地進行非球面光學零件的生產(chǎn)。 （3）計算機數(shù)控離子束成形技術 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工工藝方法，稱為等離子CVM法，這是一種利用原子化學反應，獲得超精密表面的一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下，由于氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電極附近。所以可以通過電極掃描，加工出0.01μm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0.1nm(Rrms)。 （4） 非球面零件復制技術 用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件，但和一般的光學零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個問題的方法之一有復制技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種技術能夠制造一部分非球面透鏡。 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。 1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 我國從80年代初才開始超精密加工技術的研究，比國外整整落后了20年。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。如北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、中國科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、中科院長春光機所應用光學重點實驗室等單位都在該領域取得了階段性的成果。 北京高華精密機械有限公司生產(chǎn)的DHM-500全液體靜壓超精密數(shù)控非球面磨床，通過X-Z-B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MK-9025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研究的重點實驗室成功地研制出了Nanosys-300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FSGJ-I; 2002年，國防科技大學研制了一臺集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學非球面復合加工機床。 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)、非球面透鏡等領域。它是國內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設計、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司，用完全自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品代替了國外產(chǎn)品，填補了國內(nèi)空白。 最近，中國科學院南京天文光學技術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域邁上了新的臺階。但是對于大口徑高精度非球面光學零件的加工，如果再加上數(shù)字化控制的要求，在國內(nèi)就是一個挑戰(zhàn)性的課題了。因此，國內(nèi)生產(chǎn)水平與國際生產(chǎn)水平仍有差距。 為此，國家該863項目提出，在經(jīng)典高精度光學經(jīng)典加工工藝研究基礎上，吸收國際上先進的加工工藝研究成果，研究優(yōu)化的高精度數(shù)字化光學非球面元件加工工藝。 1.4 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。 （2） 了解國內(nèi)外超精密加工機床發(fā)展水平及特點。 （3） 學習超精密加工技術的基本理論知識。 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設計。 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設計計算。 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 進度安排 表5-1 進度安排 順序 階段安排 計劃完成內(nèi)容 備注 1 1-4周 外文翻譯、開題報告、文獻綜述 2 4-7周 結(jié)束機械設計部分并完成大部分零件圖 3 8-12周 電氣設計并結(jié)束機械設計部分 4 13-14周 檢查、修改設計與計算 5 15-16周 撰寫畢業(yè)設計論文及準備答辯 參考文獻 [1] 廖效果主編．數(shù)控技術．武漢：湖北科學技術出版社．2000.5 [2] 王貴明．數(shù)控實用技術．北京：機械工業(yè)出版社，2000．7 [3] 天津市機械工程學會．機床電氣設備及維修．1984．3 [4] 范超毅等編．數(shù)控技術課程設計．武漢：華中科技大學出版社．2007.5 目 錄 目 錄 1 1. 緒論 3 1.1 課題的背景和來源 3 1.2 研究的目的和意義 3 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 4 1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 5 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 6 本論文的主要研究內(nèi)容如下： 6 （1） 了解大口徑光學非球曲面零件的加工方法及應用背景。 6 （2） 了解國內(nèi)外超精密加工機床發(fā)展水平及特點。 6 （3） 學習超精密加工技術的基本理論知識。 6 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設計。 6 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設計計算。 6 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 6 2. Z軸部件設計 7 2.1 Z軸部件技術方案設計 7 2.1.1 進給系統(tǒng)設計 7 2.1.2 導軌設計 8 2.1.3 測量反饋系統(tǒng)設計 12 2.2 Z軸部件進給系統(tǒng)設計 13 2.2.1 滾珠絲杠副選型計算 13 2.2.2滾珠絲杠副選型計算[20]A736過程如下： 14 2.3.2 驅(qū)動電機造型計算 22 2.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計算 30 2.2.4 測量反饋裝置選型 32 2.3 Z軸部件結(jié)構(gòu)設計 33 2.3.1 非球曲面磨床對部件的技術要求 33 2.4 Z軸部件主要零件結(jié)構(gòu)設計和特點 34 2.5 液體靜壓導軌設計 39 2.6 本章小結(jié) 44 3 大口徑非球面銑磨機Z軸部件靜、動態(tài)特性分析 45 3.1 Z軸部件靜態(tài)特性分析 45 3.1.1 有限元法概述 45 3.1.2 ANSYS WORKBENCH 軟件簡介 46 3.2 Z軸部件件結(jié)構(gòu)靜力學分析 47 3.3 Z軸部件動態(tài)特性分析 53 3.3.1 模態(tài)分析簡介 53 3.3 本章小結(jié) 58 4 結(jié)論與展望 59 4.1 結(jié)論 59 4.2 展望 59 5.參考文獻 61 6. 課題總結(jié) 61 7.致謝 64 1. 緒論 1.1 課題的背景和來源 “大口徑光學非球面超精密數(shù)控銑磨機”的開發(fā)研制隸屬于“國家863計劃”攻關項目，這個項目由北京微納精密機械有限公司承接。該公司是進行精密制造技術方面產(chǎn)品制造和技術研究開發(fā)的制造實體，由一批國內(nèi)知名專家領隊和年富力強的中青年技術人員組成，具有很強的科學研究和技術攻關能力。 為了響應教育部的號召，實施大學本科教改計劃，北京微納精密機械有限公司與中原工學院聯(lián)合實施“卓越工程師”的培養(yǎng)計劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學院大四學生來公司實習并完成畢業(yè)設計，為學生走上工作崗位提供一個鍛煉自己的平臺。 1.2 研究的目的和意義 非球面光學元件是一種非常重要的光學零件，因其在光學系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，且能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量而得到重要應用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機床的制造水平息息相關，因此，進一步提高我國非球面超精密機床的制造水平勢在必行。 為了提高非球面超精密機床的整體性能，其主要構(gòu)件——Z軸的結(jié)構(gòu)特性也至關重要。為此開展了對于大口徑非球面超精密光學銑磨機Z軸結(jié)構(gòu)特性的分析和優(yōu)化。以期通過對該梁的結(jié)構(gòu)靜力學分析和結(jié)構(gòu)動力學分析，對橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設計，改善其靜力學和動力學特性，從而保證機床的Z軸的精密進給，最終實現(xiàn)該銑磨機整體使用性能。 研制出加工口徑達900mm的光學非球曲面加工機床及成套應用工藝，可以滿足國家國民經(jīng)濟主要領域和國防工業(yè)的重大需求，部分解決禁運和替代進口問題，提升我國相關領域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。打破國外的技術封鎖，使我國的非球面曲面光學零件的超精密加工水平提升一個大的臺階，從整體上縮短與世界最先進水平的差距。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著國防工業(yè)、航空、民用光學技術的發(fā)展，各種高精度的非球面光學元件越來越多地應用于高性能要求的光學系統(tǒng)中。光學元件因其具有矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力等優(yōu)點而得到廣泛應用。目前，高精度非球面光學元件的使用受到其加工精度、表面質(zhì)量和制造成本的限制，但是市場上對光學元件的需求促使各個國家致力于高精度非球面光學元件加工的技術研究。 1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 80年代以來，國外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術，主要有： （1） 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術是由美國國防科研機構(gòu)于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術。它是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質(zhì)量要求的非球面光學零件。該技術主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學零件，其特點是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術明顯降低。采用該項金剛石車削技術加工出來的直徑120mm以下的光學零件，面形精度達l/2～1l，表面粗糙度的均方根值為0.02～0.06mm。目前采用金剛石車削技術可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體（碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體）無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。 （2）計算機數(shù)控研磨和拋光技術 計算機數(shù)控研磨和拋光技術是一種由計算機控制的精密機床將工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性拋光模拋光，使工件在不改變精磨面形精度的條件下達到鏡面光潔度的光學零件制造技術。該技術主要用來加工中、大尺寸的非球面光學零件。工件加工精度主要取決于測量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術是：小型磨床修正研磨拋光法。 小型磨床最早是由美國研究開發(fā)的，其磨頭直徑不超過工件的1/3，由計算機計算去除量，加工精度比較高?？梢愿呔鹊丶庸ぶ睆?500～1800mm的大口徑非球面。目前，美國亞里桑那大學的光學中心，已基本上用計算機數(shù)控研磨拋光加工技術取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學零件。 80年代末，日本研制出了的超精密數(shù)控范成法研磨機，使用該研磨機加工出的光學零件，其面形精度達到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進行加工，表面粗糙度的均方根值能達到0.035nm。最近，日本采用門型機械加工中心，使用4000#～8000#鑄鐵絲結(jié)合金剛石砂輪，利用ELID（在線電解修正法）磨削法，磨削BK-7光學玻璃，所獲得的非球面的面形精度為1μm，表面粗糙度為43nmRmax。 德國的計算機數(shù)控研磨拋光技術也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機，不僅可以粗、精磨球面光學零件，而且還可以粗、精磨非球面光學零件。施耐德（SCHEIDER）光學機械公司90年代末制造的ALG100型計算機數(shù)控非球面磨床和ALP100型計算機數(shù)控非球面拋光機，可以高效率地進行非球面光學零件的生產(chǎn)。 （3）計算機數(shù)控離子束成形技術 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工工藝方法，稱為等離子CVM法，這是一種利用原子化學反應，獲得超精密表面的一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下，由于氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電極附近。所以可以通過電極掃描，加工出0.01μm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0.1nm(Rrms)。 （4） 非球面零件復制技術 用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件，但和一般的光學零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個問題的方法之一有復制技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種技術能夠制造一部分非球面透鏡。 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。 1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 我國從80年代初才開始超精密加工技術的研究，比國外整整落后了20年。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。如北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、中國科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、中科院長春光機所應用光學重點實驗室等單位都在該領域取得了階段性的成果。 北京高華精密機械有限公司生產(chǎn)的DHM-500全液體靜壓超精密數(shù)控非球面磨床，通過X-Z-B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MK-9025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研究的重點實驗室成功地研制出了Nanosys-300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FSGJ-I; 2002年，國防科技大學研制了一臺集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學非球面復合加工機床。 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)、非球面透鏡等領域。它是國內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設計、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司，用完全自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品代替了國外產(chǎn)品，填補了國內(nèi)空白。 最近，中國科學院南京天文光學技術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域邁上了新的臺階。但是對于大口徑高精度非球面光學零件的加工，如果再加上數(shù)字化控制的要求，在國內(nèi)就是一個挑戰(zhàn)性的課題了。因此，國內(nèi)生產(chǎn)水平與國際生產(chǎn)水平仍有差距。 為此，國家該863項目提出，在經(jīng)典高精度光學經(jīng)典加工工藝研究基礎上，吸收國際上先進的加工工藝研究成果，研究優(yōu)化的高精度數(shù)字化光學非球面元件加工工藝。 1.4 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。 （2） 了解國內(nèi)外超精密加工機床發(fā)展水平及特點。 （3） 學習超精密加工技術的基本理論知識。 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設計。 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設計計算。 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 2. Z軸部件設計 2.1 Z軸部件技術方案設計 大口徑光學非球曲面磨床的Z軸部件是機床的關鍵部件，其性能的高低直接影響到被加工零件的質(zhì)量。Z軸部件的技術方案設計主要包括進給系統(tǒng)設計、導軌系統(tǒng)設計、測量反饋系統(tǒng)設計以及Z軸部件平衡系統(tǒng)設計。Z軸部件的技術指標如表2-1所示： 表2-1 Z軸部件技術指標 項 目 數(shù) 值 Z軸行程 400mm 定位精度 ±1μm 重復定位精度 ±0.5μm 直線度 0.1μm/100mm 導軌剛度 ＞1000N/μm 最小進給量 0.01μm 切削進給速度 ＜3m/min 快速移動速度 6m/min 2.1.1 進給系統(tǒng)設計 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。 1）精密滾珠絲杠副 精密滾珠絲杠副是精密超精密機床目前采用的主要進給方式。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域。隨著加工工藝的發(fā)展，滾珠絲杠副各項性能也在進一步提高，它仍是超精密加工設備中主要的驅(qū)動方式之一。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0.01μm的定位精度[13]。 2）靜壓絲杠副 靜壓絲杠副包括兩種方式：空氣靜壓絲杠副和液體靜壓絲杠副。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。目前這兩種靜壓絲杠副的最小分辨率都可以達到0.01μm，但空氣靜壓絲杠副的剛度較小，只適用于輕載荷的場合。液體靜壓絲杠副需要輔助設備，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。 3）摩擦驅(qū)動機構(gòu) 摩擦驅(qū)動機構(gòu)是利用摩擦力把伺服電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成為直線運動的機構(gòu)。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)。摩擦驅(qū)動機構(gòu)具有運動平穩(wěn)、無反向間隙等特點。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)。一般應用于輕載、超低速和高分辨率的超精密機床和測量機構(gòu)中。 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。直線電機適合于高速和高精度驅(qū)動場合。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。但直線電機具有強磁板磁場、裝配和拆卸不方便，易吸引鐵屑和其他金屬碎屑，線圈發(fā)熱現(xiàn)象嚴重，直接驅(qū)動易引入振動而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能變差等不足。平板直線電機具有齒槽效應，直接影響加工質(zhì)量的高低。 Z軸部件的特點是豎直軸，承受較大載荷，要求具有高的定位精度和剛度。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。 Z軸伺服進給系統(tǒng)采用全閉環(huán)反饋控制，系統(tǒng)運動分辨率可以做得很高，從而降低對滾珠絲杠的軸向綜合精度的要求。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，性能穩(wěn)定，價格相對低廉。綜合上述情況，選用精密滾珠絲杠副進給系統(tǒng)。這樣，既能滿足設計精度要求，又使設計簡化，并且大大降低了成木。 2.1.2 導軌設計 （1）導軌的功用 導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的軌跡運動。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]251。動導軌相對于支承導軌只能做一個自由度的運動，以保證單一方向的導向性。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。 機床導軌的基本要求 1）導軌精度 導向精度是指動導軌運動軌跡的準確度，它是保證導軌工作質(zhì)量的前提。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。導軌和基礎件的剛度；導軌的油膜厚度和油膜剛度；導軌和基礎件的熱變形等。 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。另外，導軌和基礎件上的殘余應力，也會使導軌變形而影響導軌的精度保持性。 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。低速運動的平穩(wěn)性與導軌的結(jié)構(gòu)和潤滑，動、靜摩擦因數(shù)的差值，以及導軌的剛度等有關。 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。導軌受力后變形會影響部件之間的相對位置和導向精度。因此要求導軌具有足夠的剛度。導軌的變形主要有導軌受力后的接觸變形、扭轉(zhuǎn)彎曲變形以及由于導軌支承件的變形引起的導軌變形。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。 5）結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好 設計時要注意使得制造、維修方便，刮研勞動量少，如果是鑲裝導軌則應盡量做到容易更換。 （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。 ①普通滑動導軌 普通滑動導軌是基本導軌，兩導軌面間的摩擦性質(zhì)是滑動摩擦，大多處于邊界摩擦或混合摩擦的狀態(tài)。其它類型的導軌都是以它為基礎而發(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塑料滑動導軌 塑料滑動導軌是一種新型的滑動導軌。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。塑料滑動導軌常用在導軌副的運動導軌上，與之相配的金屬導軌采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料。塑料滑動導軌具有耐磨性好，自潤滑功能；動、靜摩擦因數(shù)??；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。塑料滑動導軌的缺點是耐熱性差、導熱率低、熱膨脹系數(shù)比金屬大、在外力作用下易產(chǎn)生變形、剛性差、吸濕性大、影響尺寸穩(wěn)定性。 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。 a) 氣體靜壓導軌 氣體靜壓導軌是將具有一定壓力的空氣經(jīng)過節(jié)流孔射入導軌間隙，在導軌間隙內(nèi)形成厚度為微米量級且基本保持恒定的潤滑氣膜，導軌運動單元在潤滑氣膜的支撐下懸浮在固定單元上方，是一種純空氣摩擦的滑動導軌[17]。 由于氣體具有誤差均化效應，可以實現(xiàn)很高的運動精度。氣體靜壓導軌摩擦力極小，又可以帶走部分熱量，適用于高速運動的場合。氣體靜壓導軌工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，清潔環(huán)保。氣體靜壓導軌的主要缺點是剛度和阻尼較小，還還產(chǎn)生氣振，不適合在重載荷和大沖擊負載的場合使用。 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。 液體靜壓導軌的主要優(yōu)點如下： l 摩擦系數(shù)小，一般為0.0005~0.001[15]203，減小拖動功率 l 低速運動平穩(wěn)，無爬行 l 特優(yōu)的抗振效果 l 油膜具有誤差均化作用，可提高運動精度 l 速度變化和載荷變化對油膜剛度影響小，工作穩(wěn)定 l 油膜承載能力大，剛度高 l 幾乎不造成磨損，運動副壽命長，能長期保持制造精度 液體靜壓導軌的主要缺點如下： l 液體靜壓導軌使用油作為介質(zhì)，需要一套液壓供油系統(tǒng) l 溫度對介質(zhì)油的性能影響較大，需要高精度的冷卻裝置 l 液壓系統(tǒng)成本較高 l 液壓油膜厚度控制難度較大 液體靜壓導軌須滿足導軌精度、耐磨性、剛度和運動均勻性的要求，即： l 導軌精度是運動件沿導軌運動時的直線性以及與其他機件或基面之間相 對位置的準確性；要求導軌的平直度、扭曲度和平行度的總和應小于導軌間隙 l 耐磨性決定導軌的磨損壽命，耐磨性是保持導軌工作質(zhì)量的關鍵 l 剛度是導軌工作質(zhì)量的主要指標；導軌間隙不能過大，否則影響油膜剛度，對開式導軌還容易產(chǎn)生漂移 l 運動的均勻性要求能準確定位，即在低速或重載時，不發(fā)生不均運的跳躍式運動（爬行） 液體靜壓導軌按所承受的載荷不同，可以分為開式液體靜壓導軌和閉式液體靜壓導軌[18]243。 開式液體靜壓導軌如圖2-1(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。開式液體靜壓導軌往往只在導軌的一個方向上開有油腔，只能水平或傾斜一個較小的角度放置。 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。開式液體靜壓導軌主要用在載荷分布均勻、偏載小、顛覆力矩小的水平放置或僅有較小傾角的場合。 閉式液體靜壓導軌如圖2-1(b)所示，夠防止工作臺與床身分離的導軌。這種導軌不僅能夠承受各個方向的載荷，而且具有承受很大傾覆力矩的能力。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。閉式液體靜壓導軌能夠承受正、反方向的載荷，油膜剛度高，承受偏載及顛覆力矩的能力較高。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。閉式液體導軌主要應用于載荷分布不均勻、偏載大及有正、反方向載荷或立式導軌等場合。 (b) 閉式液體靜壓導軌 (a) 開式液體靜壓導軌 圖2-1 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)。滾動導軌的最大優(yōu)點是摩擦系數(shù)?。?.0025~0.005）；動、靜摩擦系數(shù)很接近[16]243。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。但其抗振性較差，防護要求高。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。滾動導軌與普通滑動導軌相比，結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高。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。 綜上各種導軌的特點，由于Z軸部件對導軌要求具有高的運動精度和剛度，Z軸部件導軌采用閉式液體靜壓導軌副，在保證導軌副本身結(jié)構(gòu)強度和剛度的條件下，通過調(diào)節(jié)閉式液體靜壓導軌副的油膜厚度，使Z軸導軌副具有高精度、低速平穩(wěn)和高剛度的性能。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。 2.1.3 測量反饋系統(tǒng)設計 數(shù)控機床測量系統(tǒng)是對數(shù)控機床執(zhí)行件的實際位置進行測量，不斷地將工作臺的位置量檢測出來并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。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。實際反饋位置的采集是由位置檢測裝置來實現(xiàn)的。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。 對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，即為直接測量。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。光柵是利用光的投射、衍射現(xiàn)象形成的莫爾條紋而制成的光電檢測裝置，它將機械位移量或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖[15]153，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。光柵主要有標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)主要有由光源、聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機構(gòu)等組成，如圖2-2所示。 圖2-2 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。當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。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。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。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。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。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。經(jīng)過后續(xù)電路和數(shù)據(jù)處理，就可以進行位移大小、位移方向和速度的檢測。 2.2 Z軸部件進給系統(tǒng)設計 Z軸部件的技術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。 2.2.1 滾珠絲杠副選型計算 Z軸滾珠絲杠副驅(qū)動Z軸運動部件移動，運動質(zhì)量估計大約550kg，為保證進給系統(tǒng)具有高精度和足夠的剛性，初步選擇日本THK公司的帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠。 帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，主要由絲杠、螺母、滾珠、球保持器和回球器組成。當絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠沿螺紋滾道滾動，在此運動過程中，滾珠不但繞絲杠公轉(zhuǎn)，其自身還在自轉(zhuǎn)。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。為了減小鋼球之間的摩擦，帶球保持器型滾珠絲杠使用球保持器，消除鋼球之間的碰撞和相互摩擦并提高潤滑脂的保持性，因而實現(xiàn)了低噪音、低扭矩變動以及長期運行而免維護的優(yōu)越性能[20]A749。 圖2-3 THK公司帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠 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。經(jīng)過一個多世紀的實踐應用，“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”驅(qū)動機構(gòu)已經(jīng)成為傳統(tǒng)的精密驅(qū)動方式，性價比高，動、靜剛度高，傳動精度好，控制技術成熟[21]。 2.2.2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 最大速度 加速時間 減速時間 每分鐘往返次數(shù) 定位精度 重復定位精度 最小進給量 工作壽命時間20000h 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（無負荷，液體靜壓摩擦系數(shù)，阻力較?。? 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，行程為400mm，則有，參照文獻[20]A-678頁上表1，只能選擇C0精度等級。 （2）軸向間隙 由于絲杠垂直使用，軸向負荷常作用與一個方向，不論軸向間隙多大，使用時都不會有間隙，因此選用軸向無予壓絲杠。 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。 （1）假定絲杠軸長度 假定螺母全長為100mm，絲杠軸末端長度為100mm。 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，滾珠絲杠的導程如下： 因此，必須選擇2mm或2mm以上的導程。 為滿足最小進給量，伺服電機分辨率應符合如下： 導程2mm——20000p/rev 6mm——60000p/rev 8mm——80000p/rev 10mm——100000p/rev 考慮到絲杠誤差的影響，選用較大導程，以減小，但會增加伺服電機驅(qū)動器指令的脈沖數(shù)至100000p/rev。 （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。超精密機床的特點是保證每個環(huán)節(jié)具有足夠高的剛性，每個元件處于性能最好的狀態(tài)，從而保證機床的高精度。 根據(jù)上述條件選擇滾珠絲杠直徑為40mm，導程為10mm。 (1) 絲杠軸支撐方法的選擇 滾珠絲杠垂直使用，行程長度400mm較短，并設計采用高精度光柵尺作為測量反饋裝置，為減小絲杠在工作過程中的熱伸長，以及絲杠螺母的安裝調(diào)節(jié)方便，支撐方法選擇固定—自由方式。 (2) 容許軸向負荷的探討 a）最大軸向負荷的計算 導向面的阻力 運動部件質(zhì)量 最大速度 加速時間 則有：加速度 上升加速時 上升等速時 上升減速時 下降加速時 下降等速時 下降減速時 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負荷： b）絲杠軸的挫曲栽荷的計算 參照文獻[20]A-694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。 與安裝方法相關的系數(shù) 安裝距離（估算） 絲杠軸溝槽谷徑 c）絲杠軸的容許拉伸壓縮負荷 由此可見，，絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負荷大于最大軸向負荷，滿足滾珠絲杠的使用要求。 (1) 容許轉(zhuǎn)速的計算 a）最高轉(zhuǎn)速 絲杠軸直徑：40mm；導程：10mm 最大速度 導程 b）由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速 參照文獻[20]A-696頁，為考慮危險速度，螺母和軸承間的安裝方法按固定—支撐。 與安裝方法相關的系數(shù) 安裝間距（估算） 危險速度 c）由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速 鋼球中心直徑：D＝42mm 參考文獻[20]A-697頁，HBN型容許轉(zhuǎn)速 由上述可見，絲杠最大轉(zhuǎn)速都小于絲杠軸的危險速度和DN值，滿足使用要求 （2）螺母的選擇 a）螺母型號的選擇 選擇絲杠軸直徑為40mm，導程為10mm的高負荷HBN型精密滾珠絲杠： HBN4010-7.5，。 b）容許軸向負荷計算 參考文獻[20]A-703頁上表18，因加速、減速時有沖擊負荷的作用，故靜態(tài)安全系數(shù) 與最大軸向負荷相比，得到的容許軸向負荷較大，因而該絲杠型號可以使用。 （3）工作壽命計算 a）運行距離的計算 最大速度 加速時間 減速時間 加速時的運行距離 減速時的運行距離 等速時的運行距離 等速時間 根據(jù)以上條件，軸向負荷與運行距離的關系如表2-2所示： 表3-2 軸向負荷與運行距離的關系 動 作 軸向負荷 運行距離 No1：上升加速時 535 10 No2：上升等速時 510 380 No3：上升減速時 485 10 No4：下降加速時 445 10 No5：下降等速時 470 380 No6：下降減速時 495 10 b) 軸向平均負荷 賽 c) 額定壽命 動額定負荷 參照文獻[20]A-704上的表19，負荷系數(shù) 平均負荷 額定壽命L（rev） c ) 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) 每分鐘往返次數(shù) 行程 導程 d )根據(jù)額定壽命計算工作壽命時間 額定壽命 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) e ) 根據(jù)額定壽命計算運行距離壽命 額定壽命 導程 由上述計算可知，HBN4010-7.5型能滿足希望壽命時間20000小時。 （6）定位精度分析 1）導程精度 選擇絲杠導程精度等級為C0級，代表運行距離誤差6μm，變動/300值為4μm 2）軸向間隙 因為滾珠絲杠是垂直使用，軸向負荷總是朝一個方向，沒有軸向間隙。 3）軸向剛性 a）絲杠的軸向剛性 安裝方式：固定—自由 考文獻[20]A-707頁剛性探討，絲杠的軸向剛性為： （2-1） 式中： A：絲杠軸的斷面面積 E：楊氏模量（） L：安裝間距（100mm~500mm） 當時， 當時， b) 絲杠軸的軸向剛性引起的軸向變位量 當時， 當時， c) 進給絲杠軸向剛性引起的定位誤差 定位精度 因此由進給絲杠軸向剛性而產(chǎn)生的定位誤差是1.14μm。 選擇高負荷HBN精密滾珠絲杠，軸向剛性為1910KN/μm，具有足夠大的剛性，通過高精度直線光柵尺進行閉環(huán)反饋控制，Z軸部件可以實現(xiàn)Z軸部件定位精度的要求。 4）因發(fā)熱而引起的熱變形計算 如果在運轉(zhuǎn)中絲杠軸的溫度上升，絲杠軸因熱而伸長，會影響定位精度。因發(fā)熱而引起的絲杠軸伸縮量： （2-2） 式中： ：絲杠軸的軸向伸縮量 ：熱膨脹系數(shù) ：絲杠軸的溫度改變 ：螺紋部分有效長度（620mm） 當溫度上升1℃時，絲杠軸伸長 因此滾珠絲杠的使用時，一方面采取相應措施控制絲杠溫升，另一方面通過高精度光柵尺進行測量反饋，保證精度要求。 （7 ) 旋轉(zhuǎn)扭矩計算 1）由外部負荷引起的摩擦扭矩 上升等速時 下降等速時 2）有滾珠絲杠予壓引起的扭矩 對絲杠沒有施加予壓 3）加速時所需的扭矩 慣性力矩(轉(zhuǎn)動慣量)：查文獻[20]B-577頁的尺寸表，每單位長度的絲杠軸慣性力矩為：，則絲杠軸全長732mm的慣性力矩如下： 絲杠負載慣性力矩 （3-3） 式中： ， 角加速度： 根據(jù)上述計算，加速所需要的扭矩如下： 因此，所需扭矩如下： 上升加速時： 上升等速時： 上升減速時： 下降加速時： 下降等速時： 下降減速時： （8）驅(qū)動電機的初步計算 1）旋轉(zhuǎn)速度 滾珠絲杠的導程根據(jù)電機的額定轉(zhuǎn)速進行選擇，絲杠最高使用轉(zhuǎn)速600rpm，電機額定轉(zhuǎn)速3000rpm。 2）最小進給量 最小進給量與電機角度測試儀的分辨率有關，計算得電機角度分辨率為：100000p/rev。 3）電機扭矩 計算加速時所產(chǎn)生的扭矩為所需的最大扭矩： 4）電機扭矩有效值 電機扭矩的有效值為：2 即電機的額定扭矩必須大于 5）慣性力矩 作用在電機上的慣性力矩為：，通常電機有必要具有作用在電機上慣性力矩的1/10以上的慣性力矩。因此，AC伺服電機的慣性力矩必須為以上。 綜上計算，滾珠絲杠副的選擇完成，即為帶球保持器的高負荷HBN精密滾珠絲杠：HBN 4010-7.5RRG2+728LC0 絲杠主要參數(shù)如表2-3所示： 表2-3 滾珠絲杠的主要參數(shù) 公稱型號 HBN4010-7.5 基本額定動負荷 162.6KN 絲杠軸外徑 40mm 基本額定靜負荷 336KN 導程 10mm 容許負荷 50.4KN 精度等級 C0 剛性 1910KN/μm 負荷圈數(shù)列×圈 3×2.5 絲杠軸慣性力矩 2.3.2 驅(qū)動電機造型計算 伺服系統(tǒng)中的控制電機是伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行部件。它一方面像普通電動機一樣是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，另一方面也是將數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為機械與位移的信息轉(zhuǎn)換裝置。為了能量轉(zhuǎn)換的高效率與信息轉(zhuǎn)換的高精度、快響應和高度的穩(wěn)定性，對伺服系統(tǒng)中控制電機的基本要求有：①輸出功率大；②優(yōu)良的調(diào)速性能；③優(yōu)良的控制特性；④免于或便于維護；⑤散熱性好；⑥價格適中等。目前在數(shù)控機床上常用的控制電機包括直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機三大類，由于交流伺服電機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、體積較小、重量較輕、輸出功率大、轉(zhuǎn)速高、便于維護等優(yōu)點，近年來在數(shù)控機床中正在逐漸代替直流伺服電機，故選擇交流伺服電機作為伺服系統(tǒng)中的控制電機。 （1）進給伺服電機的選擇原則[23] l 當機床作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應在電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。 l 最大負載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過載時間都在電機的準許范圍以內(nèi)。 l 對要求頻繁起動、制動以及周期性變化的負載必須校核它的在一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值，應小于電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。 l 加在電機軸上的負載慣量大小對電機的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。通常情況下，當負載小于電機轉(zhuǎn)子慣量時，上述影響不大；但當負載慣量達到甚至超過轉(zhuǎn)子慣量的5倍時，會使靈敏度和響應時間受到很大的影響。推薦負載慣量小于5倍的伺服電機慣量值。 （2）電機選擇步驟 1）驅(qū)動方式說明 以所需的扭矩為基礎進行電機選型，該扭矩通過使用如行進驅(qū)動系統(tǒng)、提升驅(qū)動系統(tǒng)、試驗臺、離心機、紙張驅(qū)動系統(tǒng)和軋機驅(qū)動系統(tǒng)、進給驅(qū)動系統(tǒng)或者主主軸驅(qū)動系統(tǒng)定義。此外，還要考慮用于運動轉(zhuǎn)換的變速器或者用于將電機轉(zhuǎn)速和電機扭矩與負載系數(shù)相匹配的變速器。要確定電機所要提供的扭矩，除了由使用確定的負載力矩之外，還必須知道下列機械數(shù)據(jù)。當需要較小的結(jié)構(gòu)體積、小的轉(zhuǎn)子慣性矩并由此獲得最高動態(tài)性能時，應優(yōu)先考慮同步電機。 2）確定負載情況，計算最大負載力矩 確定負載情況，計算最大負載力矩目標是：找到扭矩和轉(zhuǎn)速的特征工作點，利用該特征工作點根據(jù)負載情況確定電機。 在確定運行情況和其詳細規(guī)格后計算最大電機扭矩。 一般情況下，在加速階段得出最大電機扭矩。 這里加上負載力矩和用于電機加速所需的扭矩。然后通過電機極限曲線確定最大電機扭矩。 在確定電機時必須考慮下列標準[24]63： l 遵循動態(tài)極限值，即負載情況的所有扭矩轉(zhuǎn)速點必須位于相關的極限特性曲線之下。 l 必須遵循熱態(tài)極限值，即對于同步電機，在由負載循環(huán)得出的平均電機轉(zhuǎn)速時，有效電機扭矩必須位于 S1 特性曲線（連續(xù)運行）之下。 對于異步電機，電機電流的有效值在負載循環(huán)內(nèi)必須小于電機額定電流。 l 對于同步電機必須注意，最大允許的電機扭矩在電壓極限特性曲線的 高轉(zhuǎn)速時減小。 另外，為了防止電壓波動，應遵循電壓極限特性曲線10%的距離。 l 在使用異步電機時，允許的電機扭矩在電壓極限特性曲線（穩(wěn)定限度）的磁場減弱范圍中受限制。這里應遵循30%的距離。 3）確定電機 可以通過變動找到一個滿足運行情況條件的電機。最后必須確定其它電機特性。 這些特性將作為電機選項配置進行。 （3）驅(qū)動方式說明 綜合考慮機床對Z軸部件的技術要求，Z軸采用伺服電機驅(qū)動高負荷精密滾珠絲杠的驅(qū)動方式，初步選擇Siemens伺服電機?？紤]到機床要求較小的結(jié)構(gòu)體積、較高的動態(tài)性能，優(yōu)先選擇Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機，如圖2-5所示。1FK7 電機是一種非常緊湊的、永磁同步電機。與 SINAMICS S120 驅(qū)動系統(tǒng)一起，1FK7電機可以構(gòu)成一種高功能、高效率的驅(qū)動裝置。用于速度和位置控制的集成編碼器系統(tǒng)可以根據(jù)應用場合進行選擇。 圖2-5 Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機 選擇電機的計算條件如下，Z軸運動伺服軸為豎直使用狀態(tài)，如圖2-6所示： 圖2-6 Z軸運動伺服軸工作方式 運動部件質(zhì)量（運動部件質(zhì)量500kg，配重平衡系統(tǒng)重450kg） 導向面的阻力（無負荷，液體靜壓摩擦系數(shù)，阻力較小） 驅(qū)動系統(tǒng)（包括滾珠絲杠）的效率 由切削力引起的反推力 最大速度 最小進給量 減速比 加減速時間： 絲杠軸徑： 絲杠軸長： 絲杠導程： （1）電機最高轉(zhuǎn)速 電機選擇首先依據(jù)機床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C轉(zhuǎn)速應嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 （3-4） 式中： ——電機最高轉(zhuǎn)速（rpm） ——直線運動最大速度（m/s） ——絲杠導程（mm） ——系統(tǒng)傳動比， 則有： （2）負載轉(zhuǎn)矩的計算 根據(jù)伺服電機的工作曲線，負載轉(zhuǎn)矩應滿足：當機床作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機軸上的負載力矩應在電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時間應在特性曲線的允許范圍內(nèi)。 加到電機軸上的負載力矩： （2-5） 式中： ——加到電機軸上的負載力矩 ——沿坐標軸移動部件所需的力 ——電機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機床運動距離 ——滾珠絲杠加到電機軸上的摩擦力矩，由絲杠得 不切削時： 切削時： 根據(jù)負載力矩可見，伺服電機的額定力矩應大于 （3）加速力矩的計算 對于數(shù)控機床，因為動態(tài)性能要求較高，系統(tǒng)時間常數(shù)小，而等效的轉(zhuǎn)動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，一般都為電動機力矩的30%~90%，故常常用快速空載起動力矩作為依據(jù)來選擇電動機。 快速空載起動時所需力矩 （2-6） 式中： ——空載啟動時折算到電機軸上的最大加速力矩（） ——折算到電機軸上的摩擦力矩（） ——由于絲杠折算到電機軸上的附加摩擦力矩（） 加速力矩： （2-7） 式中： ——折算到電機軸上的總慣量（） ——電機最高轉(zhuǎn)速（） ——系統(tǒng)時間常數(shù)， 則有： 摩擦力矩： （2-8） 式中： ——絲杠導程（cm） ——傳動鏈總效率，一般取 ——傳動比 ，查INA公司軸承樣本[25]1077 絲杠預緊附加的摩擦力矩： （絲杠計算得） 即快速空載起動時所需力矩： 最大切削負載時所需力矩： （2-9） 式中： ——切削時折算到電機軸上的加速力矩（） ——折算到電機軸上的摩擦力矩（） ——由于絲杠預緊引起的折算到電機軸上的附加摩擦力（） ——折算到電機上的切削力矩（） 加速力矩： （2-10） 式中： ——折算到電機軸上的總慣量（） ——切削時的轉(zhuǎn)速（r/min） ——系統(tǒng)時間常數(shù)， 切削力矩： （2-11） 式中： ——由切削力引起的反推力 ——傳動鏈總效率，一般取 ——傳動比 即最大切削負載時所需力矩 人快速進給時所需力矩： 加速轉(zhuǎn)矩開始下降時的轉(zhuǎn)速： （2-12） 式中： ——快速移動時電機的轉(zhuǎn)速 ——加減速時間 ——伺服位置增益，取 （4）負載慣量計算 與負載力矩不同，負載慣量可以精確地算出。由電機本身的轉(zhuǎn)動而驅(qū)動的物體慣量形成電機的負載慣量， 無論該物體是轉(zhuǎn)動還是沿直線運動。對各運動物體分別計算其慣量，然后按一定規(guī)則將各物體的慣量加在一起，即可得出總慣量。 總慣量可按下述方法計算： （1）圓柱體（滾珠絲杠，聯(lián)軸器）的慣量計算 滾珠絲杠和聯(lián)軸器，可近似按照圓柱體繞其中心軸回轉(zhuǎn)的慣量計算： （2-13） 式中： M ——質(zhì)量（kg） R——半徑（m） （2）圓柱體折算到電機軸上的慣量 （3）直線運動質(zhì)量的慣量計算 （2-14） 式中： ——電機轉(zhuǎn)一弧度運動部件移動的距離（m） （4）電機負載慣量計算 （5）對負載慣量的限制 負載慣量對電機的控制特性和快速移動的加/減速時間都有很大影響。負載慣量增加時，可能出現(xiàn)以下問題：指令變化后，需要較長的時間達到新指令指定的速度。若機床沿著兩個軸高速運動加工圓弧等曲線，會造成較大的加工誤差。負載慣量小于或等于電機的慣量時，不會出現(xiàn)這些問題。若負載慣量為電機的2.5倍以上，控制特性就會降低。實際上這對普通金屬加工機床的工作的影響不大， 但對于精密超精密機床，負載慣量要小于電機的慣量。 即有電機慣量：， 綜上計算電機力矩，快速空載起動時所需最大力矩2.56N·m。 考慮到超精密機床的高精度和穩(wěn)定性的特點，取安全過載系數(shù)2，則電機額定轉(zhuǎn)矩，同時電機慣量，參照Siemens高緊湊型1FK7同步電機樣本，選擇1FK7080-5AF71-1電機，其扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3-7所示[24]117，由電機特性曲線知該電機滿足負載力矩的要求，電機的負載額定轉(zhuǎn)矩，在伺服電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)。 圖2-7 同步伺服電機1FK7080-5AF71-1的扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線 （6）校核電機轉(zhuǎn)矩均方根值 當工作機械作頻繁啟動、制動時，必須檢查電機是否過熱，為此需計算在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。由于本超精密機床在加工過程中無頻繁啟動、制動工況，故不需要進行校核計算。 （7）選擇電機編碼器 考慮到直線運動最小進給量，需要對編碼器輸出信號進行細分，選擇可以進行信號細分的增量式編碼器。 根據(jù)西門子同步電機選型手冊，即文獻[24]18，選擇帶抱閘功能的同步伺服電機，其型號為：1FK7080-5AF71-1AH0，電機型號—AH0分別指： A——增量式編碼器 H——不帶鍵槽的圓柱軸端，帶抱閘功能 0——電機防護等級為IP64 電機主要參數(shù) Siemens的高緊湊同步伺服電機1FK7080-5AF71-1AH0主要參數(shù)如表3-4所示： 表3-4 1FK7080-5AF71-1AH0同步伺服電機主要參數(shù) 額定轉(zhuǎn)速 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 電機慣量 額定電流 3000rpm 2.14kw 4.4A 2.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計算 （1）聯(lián)軸器 聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇，用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(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)中設計有彈性變形元件，可以依靠彈性元件的變形與儲能性來緩沖減振，并補償一定范圍內(nèi)的軸線位移。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。 為減小電機軸安裝和絲杠安裝中存在的不對中以及電機和絲杠轉(zhuǎn)動中的偏移等問題，選用具有偏移量補償?shù)牡聡鴐ayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器，如圖2-8所示。 圖2-8 德國mayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器 紋管聯(lián)軸器由兩個轂和一個薄壁金屬管組成，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mayr公司的smartflex聯(lián)軸器具有零背隙，高扭轉(zhuǎn)剛度，可補償軸更大的偏移量等優(yōu)點。smartflex聯(lián)軸器具有低的反作用力，可以保護電機和絲杠軸承。具有低的瞬間慣量，允許更高的動力驅(qū)動，在高速狀態(tài)下依然能有安全的傳輸扭矩。 根據(jù)Z軸部件進給系統(tǒng)電機的額定扭矩、轉(zhuǎn)速、和軸端直徑和長度大小選擇聯(lián)軸器型號，綜合Z軸部件總體設計要求，選擇smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器的型號為：2/932.433/26/32。 （2）軸承選型 軸承的性能直接影響著機床的Z軸部件的精度和剛度，考慮到Z軸部件的技術要求較高，因而選擇高精度、高剛度的軸承。德國舍弗勒集團旗下的INA軸承公司自成立以來，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軌副，在每次機床供油工作和停機時會產(chǎn)生徑向方向的沖擊和振動，為提高整個Z軸部件進給系統(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2-9所示。滾針/推力圓柱滾子軸承包括一個有徑向和軸向滾道的外圈、兩個軸圈、一個內(nèi)圈、一個徑向滾針保持架組件和兩個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 精密鎖緊螺母預緊后，軸承可以實現(xiàn)軸向無游隙[25]1067。 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)尺寸圖 圖2-9 ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承 根據(jù)Z軸部件負荷、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為：ZARF3080-TV，選用INA公司的精密鎖緊螺母AM30。 2.2.4 測量反饋裝置選型