大口徑非球面銑磨機(jī)Z軸精密進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含23張CAD圖紙】,含23張CAD圖紙,口徑,球面,銑磨機(jī),精密,進(jìn)給,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),23,CAD,圖紙 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 姓 名 題 目 大口徑非球面銑磨機(jī)Z軸精密進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 1．外文翻譯，并且按學(xué)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(shè)計(jì)調(diào)研，完成調(diào)研報(bào)告，并且按學(xué)院規(guī)定的統(tǒng)一規(guī)范化要求撰寫調(diào)研報(bào)告； 3．總體方案設(shè)計(jì)與分析； 4．總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（三維和二維總裝配圖）； 5. 全部零件設(shè)計(jì)（二維圖）； 6．按學(xué)院規(guī)定的統(tǒng)一規(guī)范化要求撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 時(shí) 間 進(jìn) 度 2.21~3.06 （第1~2周） 畢業(yè)實(shí)習(xí)，完成實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告； 3.07~3.20 （第3~4周） 完成外文翻譯，設(shè)計(jì)方案規(guī)劃（提交開(kāi)題報(bào)告）； 3.21~4.03 （第5~6周） 總體設(shè)計(jì)； 4.04~5.22 （第7~13周） 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4周）、零件設(shè)計(jì)（2周）、撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書（1周）；（第10周進(jìn)行中期檢查，提交中期檢查報(bào)告和實(shí)績(jī)）； 5.23~5.29（第14周） 指導(dǎo)教師審查、修改定稿，準(zhǔn)備答辯PPT； 5.30~6.05（第15周） 評(píng)閱教師評(píng)閱、答辯； 6.06~6.12（第16周） 修改畢業(yè)設(shè)計(jì)。 原 要 始 參 資 考 料 文 和 獻(xiàn) 主 1. 聯(lián)合編寫組. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(1-6卷).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 2. 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）：常用設(shè)計(jì)資料[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 3. 肖云山. 最新數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)手冊(cè). 北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2009 4. 現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)(上、下). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 5. 吳宗澤. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 6. 趙則祥. 公差配合與質(zhì)量控制. 開(kāi)封：河南大學(xué)出版社，1999 7. GB/T 17421.1-1998 機(jī)床檢驗(yàn)通則 第1部分：在無(wú)負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度 8. 秦宇. ANSYS11.0基礎(chǔ)與實(shí)例教程. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009 9． 劉彥超. 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)及其工程應(yīng)用. 北京：北京機(jī)電研究所，2002 院（系主任）簽名長(zhǎng)： 指導(dǎo)教師： 生產(chǎn)實(shí)習(xí)報(bào)告書 姓名： 學(xué)號(hào)： 目錄 一．實(shí)習(xí)目的與任務(wù)······························ 1 二．上海機(jī)床廠有限公司·························· 1 三． 上海柴油機(jī)廠股份有限公司··················· 3 四．上海匯眾汽車制造有限公司·················· 4 五. 實(shí)習(xí)小結(jié)·································· 7 一、實(shí)習(xí)目的與任務(wù) 1、實(shí)習(xí)目的 1）：在實(shí)習(xí)期間，通過(guò)對(duì)典型零件機(jī)械加工工藝的分析，以及零件加工過(guò)程中所用的機(jī)床，夾具量具等工藝裝備，把理論知識(shí)和盛傳實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)我們的考察，分析和解決問(wèn)題的工作能力。 2）：通過(guò)下廠生產(chǎn)實(shí)習(xí)，深入生產(chǎn)第一線進(jìn)行觀察和調(diào)查研究，獲取必須的感性知識(shí)和使學(xué)生較全面地了解機(jī)械制造廠的生產(chǎn)組織及生產(chǎn)過(guò)程，了解和掌握本專業(yè)基礎(chǔ)的生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)，鞏固和加深已學(xué)過(guò)的理論知識(shí)，并為后續(xù)專業(yè)課的教學(xué)，課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 2、實(shí)習(xí)要求 首先對(duì)我進(jìn)行了一些安全教育以及實(shí)習(xí)過(guò)程中的安全事項(xiàng)和需注意的項(xiàng)目。比如在進(jìn)加工車間時(shí)，不允許穿涼鞋進(jìn)廠；進(jìn)廠必須穿長(zhǎng)褲子；禁止在廠內(nèi)吸煙，進(jìn)廠后衣服不準(zhǔn)敞開(kāi)，外套不準(zhǔn)亂掛在身上，不得背背包進(jìn)廠；女生必須戴帽子，把頭發(fā)盤起來(lái)；人在廠里不要成堆，不要站在生產(chǎn)主干道上；在沒(méi)有實(shí)習(xí)師傅的允許的情況下，不許亂按按鈕、開(kāi)關(guān)；指導(dǎo)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(xì)節(jié)，所以安全是第一位，我深深牢記于心，做事要認(rèn)真，嚴(yán)肅。生產(chǎn)實(shí)習(xí)是專業(yè)教學(xué)過(guò)程中一個(gè)重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，安排在教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的主要課程已經(jīng)結(jié)束的基礎(chǔ)上進(jìn)行。其目的是為了充實(shí)學(xué)生的實(shí)踐知識(shí)，擴(kuò)大知識(shí)面，理論聯(lián)系實(shí)際，鞏固所學(xué)的理論，并要求獲得與專業(yè)有關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)系統(tǒng)知識(shí)和管理知識(shí)。 二、實(shí)習(xí)內(nèi)容 1、上海機(jī)床廠有限公司 我們首先去到的是具有濃厚歷史底蘊(yùn)的上海機(jī)床廠有限公司，上海機(jī)床廠有限公司是我國(guó)最大的精密磨床制造企業(yè)；在國(guó)內(nèi)磨床業(yè)處于主導(dǎo)地位；產(chǎn)品的品種最為齊全，產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域范圍最廣泛；國(guó)內(nèi)磨床產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率第一。現(xiàn)為中國(guó)機(jī)床工具協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)單位和中國(guó)磨床分會(huì)理事長(zhǎng)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(jī)、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(shí)，由于上海機(jī)床廠過(guò)硬的企業(yè)底蘊(yùn)與不斷創(chuàng)新的生產(chǎn)技術(shù)，它也成為了我們本次實(shí)習(xí)期間占比重最大的一部分，也是最值得我們?nèi)W(xué)習(xí)的企業(yè)之一。 此次機(jī)床廠的學(xué)習(xí)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(shí)踐參觀。在兩天的理論學(xué)習(xí)中，富有經(jīng)驗(yàn)的工程師告訴我們機(jī)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(xì)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(xué)性、經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)來(lái)進(jìn)行加工，選擇基準(zhǔn)也有四個(gè)重要的原則需要牢記：（一）基準(zhǔn)不變的原則。（二）互為基準(zhǔn)的原則。（三）基準(zhǔn)重合的原則。（四）工藝定位基準(zhǔn)的原則。 基準(zhǔn)也確定后就可以進(jìn)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(shè)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(jī)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(dǎo)軌磨床。（五）銑床，銑床也是種類繁多的機(jī)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(duì)統(tǒng)一，多數(shù)只有立式與臥式。（七）鉆床，鉆床經(jīng)常見(jiàn)到的只有臺(tái)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(jī)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(tái)、頭架、尾架、墊板、砂輪架。因此，裝配過(guò)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(shè)計(jì)。（三）配刮或配磨。（四）組件裝配。（五）部件裝配分裝。（六）總裝。（七）機(jī)床精度的檢查。（八）產(chǎn)品鑒定。（九）裝箱。 經(jīng)過(guò)前兩天的理論學(xué)習(xí)后，第三天我們?cè)诮?jīng)驗(yàn)豐富的工程師的帶領(lǐng)下，實(shí)際走進(jìn)了裝配車間，液壓車間，軸套車間和大件車間進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。 至此，經(jīng)過(guò)前后共三天理論加實(shí)踐的學(xué)習(xí)，上海機(jī)床廠的生產(chǎn)實(shí)習(xí)也算是告一段落，不得不說(shuō)，以磨床為王牌的上海機(jī)床廠也是給我們這些即將進(jìn)入制造業(yè)的大學(xué)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(jìn)入了車間第一線，親眼目睹了外圓磨床，萬(wàn)能磨床的生產(chǎn)與裝配的過(guò)程。在資深工程師的帶領(lǐng)講解下，我們也第一次系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)到廣為認(rèn)可的產(chǎn)品質(zhì)量離不開(kāi)企業(yè)健全的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理等重要環(huán)節(jié)。 2、上海柴油機(jī)廠股份有限公司 本次生產(chǎn)實(shí)習(xí)的第二站，我們將目的地選在了上海柴油機(jī)廠股份有限公司，上海柴油機(jī)股份有限公司前身為上海柴油機(jī)廠，現(xiàn)隸屬于上汽集團(tuán)，是一家從事發(fā)動(dòng)機(jī)、零部件以及發(fā)電機(jī)組研發(fā)、制造的國(guó)家大型高新技術(shù)企業(yè)，擁有國(guó)家級(jí)技術(shù)中心和博士后工作站、國(guó)際一流的自動(dòng)化生產(chǎn)線和乘用車標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管理體系。在此之間就早已聽(tīng)說(shuō)上柴的貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)享譽(yù)全國(guó)，此次更是有幸能直接目睹到貨車用H系列發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)裝配，了解到上海柴油機(jī)廠不僅生產(chǎn)貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)，更是在旗下隸屬有工程機(jī)械、客車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、發(fā)電機(jī)、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(jiàn)企業(yè)價(jià)值觀的醒目標(biāo)語(yǔ)，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(yù)為“規(guī)范勞?！钡腄114發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)流水線，更有具備較強(qiáng)的柴油機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力，能滿足用戶的各種個(gè)性化的動(dòng)力配套設(shè)計(jì)要求的國(guó)家級(jí)技術(shù)中心。并且我們參觀的生產(chǎn)車間無(wú)論是規(guī)模、效率、環(huán)境都是本次生產(chǎn)實(shí)習(xí)中最高水準(zhǔn)。 并且我也不得不提到無(wú)時(shí)無(wú)刻出現(xiàn)在上柴廠區(qū)的企業(yè)價(jià)值觀，我認(rèn)為它所闡述的四點(diǎn)適用于每一個(gè)人：（一）精益求精，我們離完美永遠(yuǎn)只差一步，持續(xù)改進(jìn)，不斷創(chuàng)新，不驕傲自滿，不固步自封，并且要知道沒(méi)有最好，只有更好，干今天的活，想明天的事。（二）誠(chéng)信至上，說(shuō)實(shí)話，做實(shí)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(jià)值的產(chǎn)品和服務(wù)，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(lái)市場(chǎng)，市場(chǎng)帶來(lái)效益，效益帶來(lái)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(lè)，尊重員工，善待員工。這些總結(jié)出來(lái)的精神財(cái)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(jiǎn)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(shù)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(jī)加工、裝配、差壓鑄造、熱處理）以及工裝模具的設(shè)計(jì)制造能力。公司產(chǎn)品覆蓋A0級(jí)-C級(jí)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(yīng)商，并被美國(guó)通用汽車公司正式確認(rèn)成為其首個(gè)全球平臺(tái)項(xiàng)目——EPSILONⅡ副車架、后橋結(jié)構(gòu)件等零部件供應(yīng)商，是首次進(jìn)入北美OEM市場(chǎng)的中國(guó)轎車底盤生產(chǎn)企業(yè)。 在師傅的帶領(lǐng)下，我們參觀了沖壓，電泳，機(jī)加工等過(guò)程，學(xué)習(xí)了這些方法的基本理論。 沖壓 沖壓是靠壓力機(jī)和模具對(duì)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(jī)、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(jī)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(shè)備的動(dòng)力，使板料在模具里直接受到變形力并進(jìn)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(shù)。板料，模具和設(shè)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(jìn)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(shù)。 沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡(jiǎn)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(guān)重要，沒(méi)有符合要求的沖模，批量沖壓生產(chǎn)就難以進(jìn)行；沒(méi)有先進(jìn)的沖模，先進(jìn)的沖壓工藝就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設(shè)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(diǎn)，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(xì)特點(diǎn)： （1）采用水溶性涂料，以水為溶解介質(zhì)，節(jié)省了大量有機(jī)溶劑，大大降低了大氣污染和環(huán)境危害，安全衛(wèi)生，同時(shí)避免了火災(zāi)的隱患； （2）涂裝效率高，涂料損失小，涂料的利用率可達(dá)90%～95%； （3）涂膜厚度均勻，附著力強(qiáng)，涂裝質(zhì)量好，工件各個(gè)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(duì)復(fù) 雜形狀工件的涂裝難題； （4）生產(chǎn)效率高，施工可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，大大提高勞動(dòng)效率； （5）設(shè)備復(fù)雜，投資費(fèi)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(fù)雜，施工條件嚴(yán)格，并需進(jìn)行廢水處理； （6）只能采用水溶性涂料，在涂裝過(guò)程中不能改變顏色，涂料貯存過(guò)久穩(wěn)定性不易控制。 （7）電泳涂裝設(shè)備復(fù)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(yùn)動(dòng)，以數(shù)字和字母形式表示工件的形狀和尺寸等技術(shù)要求和加工工藝要求進(jìn)行的加工。它泛指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝過(guò)程。 數(shù)控機(jī)床是一種用計(jì)算機(jī)來(lái)控制的機(jī)床，用來(lái)控制機(jī)床的計(jì)算機(jī)，不管是專用計(jì)算機(jī)、還是通用計(jì)算機(jī)都統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和輔助動(dòng)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(yùn)行或終斷信息來(lái)控制機(jī)床的各種運(yùn)動(dòng)。當(dāng)零件的加工程序結(jié)束時(shí)，機(jī)床便會(huì)自動(dòng)停止。任何一種數(shù)控機(jī)床，在其數(shù)控系統(tǒng)中若沒(méi)有輸入程序指令，數(shù)控機(jī)床就不能工作。機(jī)床的受控動(dòng)作大致包括機(jī)床的起動(dòng)、停止；主軸的啟停、旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的變換；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度、方式；刀具的選擇、長(zhǎng)度和半徑的補(bǔ)償；刀具的更換，冷卻液的開(kāi)起、關(guān)閉等。 在本次參觀中，對(duì)一下基本的加工工藝有了更深層次的了解，開(kāi)闊了眼界，同時(shí)也看到了課堂學(xué)習(xí)的局限性。 5、實(shí)習(xí)小結(jié) 在以前的頭腦中，我認(rèn)為的工作都是很美好的，我想企業(yè)和工廠應(yīng)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(lái)的工作環(huán)境肯定是整潔美麗的，工作應(yīng)該也是有趣輕松的。我就是懷著這種憧憬到了我們的實(shí)習(xí)工廠。一下車我就傻眼了，天哪!這個(gè)地方到處都是刺鼻的氣味，第一天由工廠領(lǐng)導(dǎo)帶我們參觀了生產(chǎn)線、工人師傅給我們進(jìn)行了入廠安全講座。第二天我們就正式進(jìn)入車間參加生產(chǎn)。我們四人一組，每個(gè)車間的師傅負(fù)責(zé)帶我們生產(chǎn)學(xué)習(xí)，現(xiàn)在的化工廠自動(dòng)化程度比較高，工人勞動(dòng)相對(duì)比較輕松，但是一般一個(gè)崗位一班就一個(gè)人，一班的時(shí)間是8個(gè)小時(shí)，也就是說(shuō)，工人師傅要一個(gè)人在一個(gè)崗位上一呆就是八個(gè)小時(shí)。一開(kāi)始我們都覺(jué)得不可思議，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，在學(xué)校里有豐富多彩的娛樂(lè)活動(dòng)和同學(xué)朋友，這八個(gè)小時(shí)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(shí)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(huì)上，首先我們的自己養(yǎng)活自己!然后的為家庭擔(dān)起相應(yīng)的責(zé)任!我們必須靠自己的勞動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些!這時(shí)我們就不會(huì)覺(jué)得這八個(gè)小時(shí)是多么的漫長(zhǎng)了,因?yàn)檫@八個(gè)小時(shí)的背后是我們勞動(dòng)換來(lái)的收獲。 在實(shí)習(xí)時(shí)的工作學(xué)習(xí)同時(shí)讓我認(rèn)識(shí)到社會(huì)是殘酷的，沒(méi)有文化、沒(méi)有本領(lǐng)、懶惰，就注定你永遠(yuǎn)是社會(huì)的最底層!但同時(shí)社會(huì)又是美好的，只要你肯干、有進(jìn)取心，它就會(huì)給你回報(bào)、讓你得到自己想要的! 開(kāi)題報(bào)告 1.1 課題的背景和來(lái)源 “大口徑光學(xué)非球面超精密數(shù)控銑磨機(jī)”的開(kāi)發(fā)研制隸屬于“國(guó)家863計(jì)劃”攻關(guān)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目由北京微納精密機(jī)械有限公司承接。該公司是進(jìn)行精密制造技術(shù)方面產(chǎn)品制造和技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的制造實(shí)體，由一批國(guó)內(nèi)知名專家領(lǐng)隊(duì)和年富力強(qiáng)的中青年技術(shù)人員組成，具有很強(qiáng)的科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)能力。 為了響應(yīng)教育部的號(hào)召，實(shí)施大學(xué)本科教改計(jì)劃，北京微納精密機(jī)械有限公司與中原工學(xué)院聯(lián)合實(shí)施“卓越工程師”的培養(yǎng)計(jì)劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學(xué)院大四學(xué)生來(lái)公司實(shí)習(xí)并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，為學(xué)生走上工作崗位提供一個(gè)鍛煉自己的平臺(tái)。 1.2 研究的目的和意義 非球面光學(xué)元件是一種非常重要的光學(xué)零件，因其在光學(xué)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(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)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(yīng)用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機(jī)床的制造水平息息相關(guān)，因此，進(jìn)一步提高我國(guó)非球面超精密機(jī)床的制造水平勢(shì)在必行。 為了提高非球面超精密機(jī)床的整體性能，其主要構(gòu)件——Z軸的結(jié)構(gòu)特性也至關(guān)重要。為此開(kāi)展了對(duì)于大口徑非球面超精密光學(xué)銑磨機(jī)Z軸結(jié)構(gòu)特性的分析和優(yōu)化。以期通過(guò)對(duì)該梁的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，從而保證機(jī)床的Z軸的精密進(jìn)給，最終實(shí)現(xiàn)該銑磨機(jī)整體使用性能。 研制出加工口徑達(dá)900mm的光學(xué)非球曲面加工機(jī)床及成套應(yīng)用工藝，可以滿足國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域和國(guó)防工業(yè)的重大需求，部分解決禁運(yùn)和替代進(jìn)口問(wèn)題，提升我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力。打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，使我國(guó)的非球面曲面光學(xué)零件的超精密加工水平提升一個(gè)大的臺(tái)階，從整體上縮短與世界最先進(jìn)水平的差距。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著國(guó)防工業(yè)、航空、民用光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高精度的非球面光學(xué)元件越來(lái)越多地應(yīng)用于高性能要求的光學(xué)系統(tǒng)中。光學(xué)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(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。目前，高精度非球面光學(xué)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(chǎng)上對(duì)光學(xué)元件的需求促使各個(gè)國(guó)家致力于高精度非球面光學(xué)元件加工的技術(shù)研究。 1.3.1 國(guó)外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 80年代以來(lái)，國(guó)外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有： （1） 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)是由美國(guó)國(guó)防科研機(jī)構(gòu)于60年代率先開(kāi)發(fā)、80年代得以推廣應(yīng)用的非球面光學(xué)零件加工技術(shù)。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(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點(diǎn)車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。該技術(shù)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(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。采用該項(xiàng)金剛石車削技術(shù)加工出來(lái)的直徑120mm以下的光學(xué)零件，面形精度達(dá)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(shù)可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)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(wú)電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。 （2）計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)控制的精密機(jī)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(dá)到鏡面光潔度的光學(xué)零件制造技術(shù)。該技術(shù)主要用來(lái)加工中、大尺寸的非球面光學(xué)零件。工件加工精度主要取決于測(cè)量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學(xué)零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術(shù)是：小型磨床修正研磨拋光法。 小型磨床最早是由美國(guó)研究開(kāi)發(fā)的，其磨頭直徑不超過(guò)工件的1/3，由計(jì)算機(jī)計(jì)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(guó)亞里桑那大學(xué)的光學(xué)中心，已基本上用計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光加工技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學(xué)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(jī)，使用該研磨機(jī)加工出的光學(xué)零件，其面形精度達(dá)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(jìn)行加工，表面粗糙度的均方根值能達(dá)到0.035nm。最近，日本采用門型機(jī)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(xué)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(guó)的計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光技術(shù)也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機(jī)，不僅可以粗、精磨球面光學(xué)零件，而且還可以粗、精磨非球面光學(xué)零件。施耐德（SCHEIDER）光學(xué)機(jī)械公司90年代末制造的ALG100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面磨床和ALP100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面拋光機(jī)，可以高效率地進(jìn)行非球面光學(xué)零件的生產(chǎn)。 （3）計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù) 日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇正教授提出了一種用化學(xué)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(xué)反應(yīng)，獲得超精密表面的一種技術(shù)，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(yīng)，將之變成揮發(fā)性分子，并通過(guò)氣體蒸發(fā)實(shí)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(dá)到與機(jī)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(guò)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(dá)0.1nm(Rrms)。 （4） 非球面零件復(fù)制技術(shù) 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(xué)零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一有復(fù)制技術(shù)，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術(shù)，這種技術(shù)能夠制造一部分非球面透鏡。 近年來(lái)，國(guó)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(fù)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(fù)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(guó)內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 我國(guó)從80年代初才開(kāi)始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了20年。80年代中期，我國(guó)出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。如北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、中國(guó)科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位都在該領(lǐng)域取得了階段性的成果。 北京高華精密機(jī)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(guò)X-Z-B三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面透鏡的高效率、高精度磨削； 上海第三機(jī)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(bǔ)控制軸，分別控制機(jī)床工作臺(tái)的縱、橫向進(jìn)給，另二軸控制磨頭滑座的縱、橫向進(jìn)給，可以加工任意曲面； 我國(guó)九五期間在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立的國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)； 長(zhǎng)春光機(jī)所于1992年成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)實(shí)用型非球面數(shù)控光學(xué)加工中心FSGJ-I; 2002年，國(guó)防科技大學(xué)研制了一臺(tái)集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床。 由我國(guó)數(shù)控光學(xué)非球面加工第一人——蘇州大學(xué)研究員余景池與其創(chuàng)辦的蘇州大學(xué)明世光學(xué)有限公司，生產(chǎn)國(guó)際一流水平的非球面眼鏡模具，并廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、可視電話、計(jì)算機(jī)光驅(qū)、非球面透鏡等領(lǐng)域。它是國(guó)內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司，用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品代替了國(guó)外產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。 最近，中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所率先研制成功520mm國(guó)產(chǎn)碳化硅非球面鏡光學(xué)系統(tǒng)，并通過(guò)了專家組的驗(yàn)收，這標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域邁上了新的臺(tái)階。但是對(duì)于大口徑高精度非球面光學(xué)零件的加工，如果再加上數(shù)字化控制的要求，在國(guó)內(nèi)就是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題了。因此，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平與國(guó)際生產(chǎn)水平仍有差距。 為此，國(guó)家該863項(xiàng)目提出，在經(jīng)典高精度光學(xué)經(jīng)典加工工藝研究基礎(chǔ)上，吸收國(guó)際上先進(jìn)的加工工藝研究成果，研究?jī)?yōu)化的高精度數(shù)字化光學(xué)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?jī)?nèi)容如下： （1） 了解大口徑光學(xué)非球曲面零件的加工方法及應(yīng)用背景。 （2） 了解國(guó)內(nèi)外超精密加工機(jī)床發(fā)展水平及特點(diǎn)。 （3） 學(xué)習(xí)超精密加工技術(shù)的基本理論知識(shí)。 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)元件設(shè)計(jì)計(jì)算。 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 進(jìn)度安排 表5-1 進(jìn)度安排 順序 階段安排 計(jì)劃完成內(nèi)容 備注 1 1-4周 外文翻譯、開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述 2 4-7周 結(jié)束機(jī)械設(shè)計(jì)部分并完成大部分零件圖 3 8-12周 電氣設(shè)計(jì)并結(jié)束機(jī)械設(shè)計(jì)部分 4 13-14周 檢查、修改設(shè)計(jì)與計(jì)算 5 15-16周 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文及準(zhǔn)備答辯 參考文獻(xiàn) [1] 廖效果主編．?dāng)?shù)控技術(shù)．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社．2000.5 [2] 王貴明．?dāng)?shù)控實(shí)用技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．7 [3] 天津市機(jī)械工程學(xué)會(huì)．機(jī)床電氣設(shè)備及維修．1984．3 [4] 范超毅等編．?dāng)?shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)．武漢：華中科技大學(xué)出版社．2007.5 目 錄 目 錄 1 1. 緒論 3 1.1 課題的背景和來(lái)源 3 1.2 研究的目的和意義 3 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.1 國(guó)外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 4 1.3.2 國(guó)內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)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?jī)?nèi)容如下： 6 （1） 了解大口徑光學(xué)非球曲面零件的加工方法及應(yīng)用背景。 6 （2） 了解國(guó)內(nèi)外超精密加工機(jī)床發(fā)展水平及特點(diǎn)。 6 （3） 學(xué)習(xí)超精密加工技術(shù)的基本理論知識(shí)。 6 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 6 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)元件設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì) 7 2.1 Z軸部件技術(shù)方案設(shè)計(jì) 7 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.1.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 8 2.1.3 測(cè)量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 2.2 Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 2.2.1 滾珠絲杠副選型計(jì)算 13 2.2.2滾珠絲杠副選型計(jì)算[20]A736過(guò)程如下： 14 2.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)造型計(jì)算 22 2.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計(jì)算 30 2.2.4 測(cè)量反饋裝置選型 32 2.3 Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 2.3.1 非球曲面磨床對(duì)部件的技術(shù)要求 33 2.4 Z軸部件主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特點(diǎn) 34 2.5 液體靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 39 2.6 本章小結(jié) 44 3 大口徑非球面銑磨機(jī)Z軸部件靜、動(dòng)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(jiǎn)介 46 3.2 Z軸部件件結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 47 3.3 Z軸部件動(dòng)態(tài)特性分析 53 3.3.1 模態(tài)分析簡(jiǎn)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(xiàn) 61 6. 課題總結(jié) 61 7.致謝 64 1. 緒論 1.1 課題的背景和來(lái)源 “大口徑光學(xué)非球面超精密數(shù)控銑磨機(jī)”的開(kāi)發(fā)研制隸屬于“國(guó)家863計(jì)劃”攻關(guān)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目由北京微納精密機(jī)械有限公司承接。該公司是進(jìn)行精密制造技術(shù)方面產(chǎn)品制造和技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的制造實(shí)體，由一批國(guó)內(nèi)知名專家領(lǐng)隊(duì)和年富力強(qiáng)的中青年技術(shù)人員組成，具有很強(qiáng)的科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)能力。 為了響應(yīng)教育部的號(hào)召，實(shí)施大學(xué)本科教改計(jì)劃，北京微納精密機(jī)械有限公司與中原工學(xué)院聯(lián)合實(shí)施“卓越工程師”的培養(yǎng)計(jì)劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學(xué)院大四學(xué)生來(lái)公司實(shí)習(xí)并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，為學(xué)生走上工作崗位提供一個(gè)鍛煉自己的平臺(tái)。 1.2 研究的目的和意義 非球面光學(xué)元件是一種非常重要的光學(xué)零件，因其在光學(xué)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(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)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(yīng)用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機(jī)床的制造水平息息相關(guān)，因此，進(jìn)一步提高我國(guó)非球面超精密機(jī)床的制造水平勢(shì)在必行。 為了提高非球面超精密機(jī)床的整體性能，其主要構(gòu)件——Z軸的結(jié)構(gòu)特性也至關(guān)重要。為此開(kāi)展了對(duì)于大口徑非球面超精密光學(xué)銑磨機(jī)Z軸結(jié)構(gòu)特性的分析和優(yōu)化。以期通過(guò)對(duì)該梁的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，從而保證機(jī)床的Z軸的精密進(jìn)給，最終實(shí)現(xiàn)該銑磨機(jī)整體使用性能。 研制出加工口徑達(dá)900mm的光學(xué)非球曲面加工機(jī)床及成套應(yīng)用工藝，可以滿足國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域和國(guó)防工業(yè)的重大需求，部分解決禁運(yùn)和替代進(jìn)口問(wèn)題，提升我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力。打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，使我國(guó)的非球面曲面光學(xué)零件的超精密加工水平提升一個(gè)大的臺(tái)階，從整體上縮短與世界最先進(jìn)水平的差距。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著國(guó)防工業(yè)、航空、民用光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高精度的非球面光學(xué)元件越來(lái)越多地應(yīng)用于高性能要求的光學(xué)系統(tǒng)中。光學(xué)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(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。目前，高精度非球面光學(xué)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(chǎng)上對(duì)光學(xué)元件的需求促使各個(gè)國(guó)家致力于高精度非球面光學(xué)元件加工的技術(shù)研究。 1.3.1 國(guó)外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 80年代以來(lái)，國(guó)外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有： （1） 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)是由美國(guó)國(guó)防科研機(jī)構(gòu)于60年代率先開(kāi)發(fā)、80年代得以推廣應(yīng)用的非球面光學(xué)零件加工技術(shù)。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(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點(diǎn)車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。該技術(shù)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(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。采用該項(xiàng)金剛石車削技術(shù)加工出來(lái)的直徑120mm以下的光學(xué)零件，面形精度達(dá)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(shù)可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)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(wú)電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。 （2）計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)控制的精密機(jī)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(dá)到鏡面光潔度的光學(xué)零件制造技術(shù)。該技術(shù)主要用來(lái)加工中、大尺寸的非球面光學(xué)零件。工件加工精度主要取決于測(cè)量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學(xué)零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術(shù)是：小型磨床修正研磨拋光法。 小型磨床最早是由美國(guó)研究開(kāi)發(fā)的，其磨頭直徑不超過(guò)工件的1/3，由計(jì)算機(jī)計(jì)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(guó)亞里桑那大學(xué)的光學(xué)中心，已基本上用計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光加工技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學(xué)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(jī)，使用該研磨機(jī)加工出的光學(xué)零件，其面形精度達(dá)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(jìn)行加工，表面粗糙度的均方根值能達(dá)到0.035nm。最近，日本采用門型機(jī)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(xué)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(guó)的計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光技術(shù)也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機(jī)，不僅可以粗、精磨球面光學(xué)零件，而且還可以粗、精磨非球面光學(xué)零件。施耐德（SCHEIDER）光學(xué)機(jī)械公司90年代末制造的ALG100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面磨床和ALP100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面拋光機(jī)，可以高效率地進(jìn)行非球面光學(xué)零件的生產(chǎn)。 （3）計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù) 日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇正教授提出了一種用化學(xué)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(xué)反應(yīng)，獲得超精密表面的一種技術(shù)，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(yīng)，將之變成揮發(fā)性分子，并通過(guò)氣體蒸發(fā)實(shí)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(dá)到與機(jī)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(guò)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(dá)0.1nm(Rrms)。 （4） 非球面零件復(fù)制技術(shù) 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(xué)零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一有復(fù)制技術(shù)，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術(shù)，這種技術(shù)能夠制造一部分非球面透鏡。 近年來(lái)，國(guó)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(fù)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(fù)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(guó)內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 我國(guó)從80年代初才開(kāi)始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了20年。80年代中期，我國(guó)出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。如北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、中國(guó)科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位都在該領(lǐng)域取得了階段性的成果。 北京高華精密機(jī)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(guò)X-Z-B三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面透鏡的高效率、高精度磨削； 上海第三機(jī)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(bǔ)控制軸，分別控制機(jī)床工作臺(tái)的縱、橫向進(jìn)給，另二軸控制磨頭滑座的縱、橫向進(jìn)給，可以加工任意曲面； 我國(guó)九五期間在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立的國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)； 長(zhǎng)春光機(jī)所于1992年成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)實(shí)用型非球面數(shù)控光學(xué)加工中心FSGJ-I; 2002年，國(guó)防科技大學(xué)研制了一臺(tái)集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床。 由我國(guó)數(shù)控光學(xué)非球面加工第一人——蘇州大學(xué)研究員余景池與其創(chuàng)辦的蘇州大學(xué)明世光學(xué)有限公司，生產(chǎn)國(guó)際一流水平的非球面眼鏡模具，并廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、可視電話、計(jì)算機(jī)光驅(qū)、非球面透鏡等領(lǐng)域。它是國(guó)內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司，用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品代替了國(guó)外產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。 最近，中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所率先研制成功520mm國(guó)產(chǎn)碳化硅非球面鏡光學(xué)系統(tǒng)，并通過(guò)了專家組的驗(yàn)收，這標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域邁上了新的臺(tái)階。但是對(duì)于大口徑高精度非球面光學(xué)零件的加工，如果再加上數(shù)字化控制的要求，在國(guó)內(nèi)就是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題了。因此，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平與國(guó)際生產(chǎn)水平仍有差距。 為此，國(guó)家該863項(xiàng)目提出，在經(jīng)典高精度光學(xué)經(jīng)典加工工藝研究基礎(chǔ)上，吸收國(guó)際上先進(jìn)的加工工藝研究成果，研究?jī)?yōu)化的高精度數(shù)字化光學(xué)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?jī)?nèi)容如下： （1） 了解大口徑光學(xué)非球曲面零件的加工方法及應(yīng)用背景。 （2） 了解國(guó)內(nèi)外超精密加工機(jī)床發(fā)展水平及特點(diǎn)。 （3） 學(xué)習(xí)超精密加工技術(shù)的基本理論知識(shí)。 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)元件設(shè)計(jì)計(jì)算。 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 2. Z軸部件設(shè)計(jì) 2.1 Z軸部件技術(shù)方案設(shè)計(jì) 大口徑光學(xué)非球曲面磨床的Z軸部件是機(jī)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。Z軸部件的技術(shù)方案設(shè)計(jì)主要包括進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及Z軸部件平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Z軸部件的技術(shù)指標(biāo)如表2-1所示： 表2-1 Z軸部件技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng) 目 數(shù) 值 Z軸行程 400mm 定位精度 ±1μm 重復(fù)定位精度 ±0.5μm 直線度 0.1μm/100mm 導(dǎo)軌剛度 ＞1000N/μm 最小進(jìn)給量 0.01μm 切削進(jìn)給速度 ＜3m/min 快速移動(dòng)速度 6m/min 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 精密超精密機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要有滾珠絲杠副、靜壓絲杠副、摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、直線電機(jī)等。 1）精密滾珠絲杠副 精密滾珠絲杠副是精密超精密機(jī)床目前采用的主要進(jìn)給方式。精密滾珠絲杠副具有較高的分辨率和動(dòng)、靜態(tài)剛度，目前被廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工和精密測(cè)量等領(lǐng)域。隨著加工工藝的發(fā)展，滾珠絲杠副各項(xiàng)性能也在進(jìn)一步提高，它仍是超精密加工設(shè)備中主要的驅(qū)動(dòng)方式之一。超精密加工機(jī)床的滾珠絲杠副一般的精度等級(jí)為C0級(jí)，在高精度閉環(huán)控制和高等級(jí)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(jìn)給精度。目前這兩種靜壓絲杠副的最小分辨率都可以達(dá)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(chǎng)合。液體靜壓絲杠副需要輔助設(shè)備，調(diào)試和維修較復(fù)雜且價(jià)格較貴，一般精密和超精密機(jī)床應(yīng)用較少。 3）摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用摩擦力把伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。在摩擦驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效導(dǎo)程等于主動(dòng)摩擦輪的周長(zhǎng)，進(jìn)給分辨率則取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)回轉(zhuǎn)一周的步進(jìn)數(shù)。摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)反向間隙等特點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，因而彈性變形因素大為減少，所以一直被認(rèn)為是一種非常適合超精密機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)。一般應(yīng)用于輕載、超低速和高分辨率的超精密機(jī)床和測(cè)量機(jī)構(gòu)中。 4）直線電機(jī) 直線電機(jī)可以直接輸出直線運(yùn)動(dòng)，無(wú)需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而減少了因傳動(dòng)鏈而引入的誤差。直線電機(jī)適合于高速和高精度驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。因?yàn)檫M(jìn)給和定位精度高，在超精密測(cè)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(jī)具有強(qiáng)磁板磁場(chǎng)、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(yán)重，直接驅(qū)動(dòng)易引入振動(dòng)而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能變差等不足。平板直線電機(jī)具有齒槽效應(yīng)，直接影響加工質(zhì)量的高低。 Z軸部件的特點(diǎn)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(jìn)給方式的特點(diǎn)，而目前直線電機(jī)在豎直軸上的應(yīng)用還不夠成熟，摩擦驅(qū)動(dòng)主要用于輕載的場(chǎng)合，空氣靜壓絲杠剛度較小，液體靜壓絲杠較復(fù)雜。 Z軸伺服進(jìn)給系統(tǒng)采用全閉環(huán)反饋控制，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分辨率可以做得很高，從而降低對(duì)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(jìn)行生產(chǎn)和系列化，其標(biāo)準(zhǔn)化程度高，性能穩(wěn)定，價(jià)格相對(duì)低廉。綜合上述情況，選用精密滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)。這樣，既能滿足設(shè)計(jì)精度要求，又使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，并且大大降低了成木。 2.1.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) （1）導(dǎo)軌的功用 導(dǎo)軌主要用來(lái)支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。機(jī)床上兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的配合面組成一對(duì)導(dǎo)軌副，在導(dǎo)軌副（如工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動(dòng)的一方（如工作臺(tái)導(dǎo)軌）叫做動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的一方（如床身導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌[14]251。動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支承導(dǎo)軌只能做一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，以保證單一方向的導(dǎo)向性。通常動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支承導(dǎo)軌只能作直線運(yùn)動(dòng)或者回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)床導(dǎo)軌的基本要求 1）導(dǎo)軌精度 導(dǎo)向精度是指動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確度，它是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。主要影響因素有：導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型；導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度。導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的剛度；導(dǎo)軌的油膜厚度和油膜剛度；導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的熱變形等。 2）精度保持性 精度保持性主要是由導(dǎo)軌耐磨性決定的，它與導(dǎo)軌的摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌材料、工藝方法以及受力情況有關(guān)。另外，導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件上的殘余應(yīng)力，也會(huì)使導(dǎo)軌變形而影響導(dǎo)軌的精度保持性。 3）低速運(yùn)動(dòng)的平衡性 導(dǎo)軌低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，就是要保證導(dǎo)軌在低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。 4）剛度 導(dǎo)軌的剛度指導(dǎo)軌在外載荷的作用下，抵抗受力變形的能力。導(dǎo)軌受力后變形會(huì)影響部件之間的相對(duì)位置和導(dǎo)向精度。因此要求導(dǎo)軌具有足夠的剛度。導(dǎo)軌的變形主要有導(dǎo)軌受力后的接觸變形、扭轉(zhuǎn)彎曲變形以及由于導(dǎo)軌支承件的變形引起的導(dǎo)軌變形。導(dǎo)軌變形主要取決于導(dǎo)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(jiǎn)單、工藝性好 設(shè)計(jì)時(shí)要注意使得制造、維修方便，刮研勞動(dòng)量少，如果是鑲裝導(dǎo)軌則應(yīng)盡量做到容易更換。 （2）導(dǎo)軌的分類及特點(diǎn) （1）滑動(dòng)導(dǎo)軌 滑動(dòng)導(dǎo)軌主要包括普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三類。 ①普通滑動(dòng)導(dǎo)軌 普通滑動(dòng)導(dǎo)軌是基本導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)是滑動(dòng)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(dǎo)軌都是以它為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)，普通滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，便于保證精度、剛度，滑動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)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(diǎn)，故應(yīng)用于對(duì)低速均勻性和定位精度要求不高的機(jī)床中。 ②塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌是一種新型的滑動(dòng)導(dǎo)軌。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌分為注塑導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌兩種，導(dǎo)軌上的塑料常用環(huán)氧樹(shù)脂耐磨涂料和聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，與之相配的金屬導(dǎo)軌采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌具有耐磨性好，自潤(rùn)滑功能；動(dòng)、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(jiǎn)單，化學(xué)性能好，維修方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)[15]202。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是耐熱性差、導(dǎo)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(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌分為氣體靜壓導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌兩種，由于靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用于精密超精密及重型加工機(jī)床。 a) 氣體靜壓導(dǎo)軌 氣體靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的空氣經(jīng)過(guò)節(jié)流孔射入導(dǎo)軌間隙，在導(dǎo)軌間隙內(nèi)形成厚度為微米量級(jí)且基本保持恒定的潤(rùn)滑氣膜，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)單元在潤(rùn)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(dòng)導(dǎo)軌[17]。 由于氣體具有誤差均化效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)動(dòng)精度。氣體靜壓導(dǎo)軌摩擦力極小，又可以帶走部分熱量，適用于高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。氣體靜壓導(dǎo)軌工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔環(huán)保。氣體靜壓導(dǎo)軌的主要缺點(diǎn)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(fù)載的場(chǎng)合使用。 b) 液體靜壓導(dǎo)軌 液體靜壓導(dǎo)軌是在兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面之間通入壓力油，使運(yùn)動(dòng)件浮起，工作過(guò)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(dǎo)軌面間在液體摩擦狀態(tài)下工作[18]243。 液體靜壓導(dǎo)軌的主要優(yōu)點(diǎn)如下： l 摩擦系數(shù)小，一般為0.0005~0.001[15]203，減小拖動(dòng)功率 l 低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)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(yùn)動(dòng)精度 l 速度變化和載荷變化對(duì)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(yùn)動(dòng)副壽命長(zhǎng)，能長(zhǎng)期保持制造精度 液體靜壓導(dǎo)軌的主要缺點(diǎn)如下： l 液體靜壓導(dǎo)軌使用油作為介質(zhì)，需要一套液壓供油系統(tǒng) l 溫度對(duì)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(dǎo)軌須滿足導(dǎo)軌精度、耐磨性、剛度和運(yùn)動(dòng)均勻性的要求，即： l 導(dǎo)軌精度是運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)的直線性以及與其他機(jī)件或基面之間相 對(duì)位置的準(zhǔn)確性；要求導(dǎo)軌的平直度、扭曲度和平行度的總和應(yīng)小于導(dǎo)軌間隙 l 耐磨性決定導(dǎo)軌的磨損壽命，耐磨性是保持導(dǎo)軌工作質(zhì)量的關(guān)鍵 l 剛度是導(dǎo)軌工作質(zhì)量的主要指標(biāo)；導(dǎo)軌間隙不能過(guò)大，否則影響油膜剛度，對(duì)開(kāi)式導(dǎo)軌還容易產(chǎn)生漂移 l 運(yùn)動(dòng)的均勻性要求能準(zhǔn)確定位，即在低速或重載時(shí)，不發(fā)生不均運(yùn)的跳躍式運(yùn)動(dòng)（爬行） 液體靜壓導(dǎo)軌按所承受的載荷不同，可以分為開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)軌和閉式液體靜壓導(dǎo)軌[18]243。 開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)軌如圖2-1(a)所示，依靠運(yùn)動(dòng)件自重及外載荷來(lái)保持運(yùn)動(dòng)件不從床身上分離，開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)軌只能承受單向載荷[18]244。開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)軌往往只在導(dǎo)軌的一個(gè)方向上開(kāi)有油腔，只能水平或傾斜一個(gè)較小的角度放置。 開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)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(jiǎn)單制造調(diào)整容易。開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)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(chǎng)合。 閉式液體靜壓導(dǎo)軌如圖2-1(b)所示，夠防止工作臺(tái)與床身分離的導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌不僅能夠承受各個(gè)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(gè)方向上，閉式液體靜壓導(dǎo)軌都開(kāi)有對(duì)置油腔。閉式液體靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌加工制造及油膜調(diào)整較為復(fù)雜，對(duì)導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)剛度要求較高，尤其副導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)剛度要求較高。閉式液體導(dǎo)軌主要應(yīng)用于載荷分布不均勻、偏載大及有正、反方向載荷或立式導(dǎo)軌等場(chǎng)合。 (b) 閉式液體靜壓導(dǎo)軌 (a) 開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)軌 圖2-1 液體靜壓導(dǎo)軌 （2）滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌是指在兩導(dǎo)軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面之間的摩擦具有滾動(dòng)摩擦性質(zhì)。滾動(dòng)導(dǎo)軌的最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小（0.0025~0.005）；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近[16]243。滾動(dòng)導(dǎo)軌的主要優(yōu)點(diǎn)，是運(yùn)動(dòng)靈敏度高，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，無(wú)爬行現(xiàn)象，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維修方便。但其抗振性較差，防護(hù)要求高。滾動(dòng)體直徑的不一致或?qū)к壝娌黄剑紩?huì)使運(yùn)動(dòng)部件傾斜或高度發(fā)生變化，導(dǎo)向精度低。滾動(dòng)導(dǎo)軌與普通滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。目前，滾動(dòng)導(dǎo)軌主要用于實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給、精密定位和對(duì)運(yùn)動(dòng)靈敏度要求高的機(jī)床。 綜上各種導(dǎo)軌的特點(diǎn)，由于Z軸部件對(duì)導(dǎo)軌要求具有高的運(yùn)動(dòng)精度和剛度，Z軸部件導(dǎo)軌采用閉式液體靜壓導(dǎo)軌副，在保證導(dǎo)軌副本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)閉式液體靜壓導(dǎo)軌副的油膜厚度，使Z軸導(dǎo)軌副具有高精度、低速平穩(wěn)和高剛度的性能。同時(shí)，由于液體靜壓導(dǎo)軌副具有優(yōu)越的性能，可以有效地減小大口徑光學(xué)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(cè)量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)是對(duì)數(shù)控機(jī)床執(zhí)行件的實(shí)際位置進(jìn)行測(cè)量，不斷地將工作臺(tái)的位置量檢測(cè)出來(lái)并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，將計(jì)算理論值與實(shí)際反饋的位置進(jìn)行比較，以判斷進(jìn)給定位的正確與否，同時(shí)輔助伺服系統(tǒng)達(dá)到更精確的進(jìn)給定位，實(shí)現(xiàn)高精度控制。實(shí)際反饋位置的采集是由位置檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的位置檢測(cè)裝置有感應(yīng)同步器、光柵位置檢測(cè)裝置、光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、磁尺位置檢測(cè)裝置等。 對(duì)機(jī)床的直線位移采用直線型檢測(cè)裝置測(cè)量，即為直接測(cè)量。Z軸部件行程400mm，選用高精度直線光柵尺進(jìn)行位置測(cè)量，實(shí)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(cè)裝置，它將機(jī)械位移量或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖[15]153，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光柵主要有標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵檢測(cè)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(jī)構(gòu)等組成，如圖2-2所示。 圖2-2 光柵檢測(cè)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(jìn)行工作的。當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來(lái)放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)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(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)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(lái)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(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這個(gè)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(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量。經(jīng)過(guò)后續(xù)電路和數(shù)據(jù)處理，就可以進(jìn)行位移大小、位移方向和速度的檢測(cè)。 2.2 Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) Z軸部件的技術(shù)方案是采用伺服電機(jī)通過(guò)高負(fù)荷精密滾珠絲杠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌采用閉式液體靜壓導(dǎo)軌副，并通過(guò)高精度直線光柵尺的進(jìn)行閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)Z軸部件高精度、高剛度和高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 2.2.1 滾珠絲杠副選型計(jì)算 Z軸滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)Z軸運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量估計(jì)大約550kg，為保證進(jìn)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(fù)荷精密滾珠絲杠。 帶球保持器的HBN高負(fù)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(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)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(rùn)滑脂的保持性，因而實(shí)現(xiàn)了低噪音、低扭矩變動(dòng)以及長(zhǎng)期運(yùn)行而免維護(hù)的優(yōu)越性能[20]A749。 圖2-3 THK公司帶球保持器的HBN高負(fù)荷精密滾珠絲杠 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)使得滾珠沿螺旋滾道滾動(dòng)，帶動(dòng)螺母軸向移動(dòng)，具有較小的摩擦力，相近的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)，削弱了局部爬行現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)預(yù)緊可以消除軸向移動(dòng)產(chǎn)生的間隙，從而提高了傳動(dòng)精度和傳動(dòng)機(jī)械效率。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的實(shí)踐應(yīng)用，“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)成為傳統(tǒng)的精密驅(qū)動(dòng)方式，性價(jià)比高，動(dòng)、靜剛度高，傳動(dòng)精度好，控制技術(shù)成熟[21]。 2.2.2滾珠絲杠副選型計(jì)算[20]A736過(guò)程如下： 1）選擇條件 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量 （運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量550kg，平衡系統(tǒng)平衡Z軸運(yùn)動(dòng)質(zhì)量500kg） 行程長(zhǎng)度 最大速度 加速時(shí)間 減速時(shí)間 每分鐘往返次數(shù) 定位精度 重復(fù)定位精度 最小進(jìn)給量 工作壽命時(shí)間20000h AC伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm 液體靜壓導(dǎo)軌面上的摩擦系數(shù)[22]P1528 導(dǎo)向面的阻力（無(wú)負(fù)荷，液體靜壓摩擦系數(shù)，阻力較?。? 2）選擇項(xiàng)目 絲杠軸直徑 導(dǎo)程 螺母型號(hào) 軸向間隙 絲杠軸支撐方式 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3) 導(dǎo)程精度與軸向間隙（予壓）的選擇 （1）導(dǎo)程精度的選擇 為實(shí)現(xiàn)定位精度，行程為400mm，則有，參照文獻(xiàn)[20]A-678頁(yè)上表1，只能選擇C0精度等級(jí)。 （2）軸向間隙 由于絲杠垂直使用，軸向負(fù)荷常作用與一個(gè)方向，不論軸向間隙多大，使用時(shí)都不會(huì)有間隙，因此選用軸向無(wú)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(fù)荷精密滾珠絲杠，其額定負(fù)荷是傳統(tǒng)絲杠的2倍以上。 （1）假定絲杠軸長(zhǎng)度 假定螺母全長(zhǎng)為100mm，絲杠軸末端長(zhǎng)度為100mm。 所以根據(jù)行程長(zhǎng)度400mm決定全長(zhǎng)：400+200=600mm 即絲杠軸長(zhǎng)度假定為600mm （2）導(dǎo)程的選擇 因伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是3000rpm，最高進(jìn)給速度是，滾珠絲杠的導(dǎo)程如下： 因此，必須選擇2mm或2mm以上的導(dǎo)程。 為滿足最小進(jìn)給量，伺服電機(jī)分辨率應(yīng)符合如下： 導(dǎo)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(dǎo)程，以減小，但會(huì)增加伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)定位精度，選擇精密滾珠絲杠，參照文獻(xiàn)[20]693頁(yè)上表16，滿足導(dǎo)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(jī)床的特點(diǎn)是保證每個(gè)環(huán)節(jié)具有足夠高的剛性，每個(gè)元件處于性能最好的狀態(tài)，從而保證機(jī)床的高精度。 根據(jù)上述條件選擇滾珠絲杠直徑為40mm，導(dǎo)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(zhǎng)度400mm較短，并設(shè)計(jì)采用高精度光柵尺作為測(cè)量反饋裝置，為減小絲杠在工作過(guò)程中的熱伸長(zhǎng)，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(fù)荷的探討 a）最大軸向負(fù)荷的計(jì)算 導(dǎo)向面的阻力 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量 最大速度 加速時(shí)間 則有：加速度 上升加速時(shí) 上升等速時(shí) 上升減速時(shí) 下降加速時(shí) 下降等速時(shí) 下降減速時(shí) 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負(fù)荷： b）絲杠軸的挫曲栽荷的計(jì)算 參照文獻(xiàn)[20]A-694頁(yè)，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(guān)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(fù)荷 由此可見(jiàn)，，絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負(fù)荷大于最大軸向負(fù)荷，滿足滾珠絲杠的使用要求。 (1) 容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算 a）最高轉(zhuǎn)速 絲杠軸直徑：40mm；導(dǎo)程：10mm 最大速度 導(dǎo)程 b）由絲杠軸的危險(xiǎn)速度所決定的容許轉(zhuǎn)速 參照文獻(xiàn)[20]A-696頁(yè)，為考慮危險(xiǎn)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(guān)的系數(shù) 安裝間距（估算） 危險(xiǎn)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(xiàn)[20]A-697頁(yè)，HBN型容許轉(zhuǎn)速 由上述可見(jiàn)，絲杠最大轉(zhuǎn)速都小于絲杠軸的危險(xiǎn)速度和DN值，滿足使用要求 （2）螺母的選擇 a）螺母型號(hào)的選擇 選擇絲杠軸直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm的高負(fù)荷HBN型精密滾珠絲杠： HBN4010-7.5，。 b）容許軸向負(fù)荷計(jì)算 參考文獻(xiàn)[20]A-703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) 與最大軸向負(fù)荷相比，得到的容許軸向負(fù)荷較大，因而該絲杠型號(hào)可以使用。 （3）工作壽命計(jì)算 a）運(yùn)行距離的計(jì)算 最大速度 加速時(shí)間 減速時(shí)間 加速時(shí)的運(yùn)行距離 減速時(shí)的運(yùn)行距離 等速時(shí)的運(yùn)行距離 等速時(shí)間 根據(jù)以上條件，軸向負(fù)荷與運(yùn)行距離的關(guān)系如表2-2所示： 表3-2 軸向負(fù)荷與運(yùn)行距離的關(guān)系 動(dòng) 作 軸向負(fù)荷 運(yùn)行距離 No1：上升加速時(shí) 535 10 No2：上升等速時(shí) 510 380 No3：上升減速時(shí) 485 10 No4：下降加速時(shí) 445 10 No5：下降等速時(shí) 470 380 No6：下降減速時(shí) 495 10 b) 軸向平均負(fù)荷 賽 c) 額定壽命 動(dòng)額定負(fù)荷 參照文獻(xiàn)[20]A-704上的表19，負(fù)荷系數(shù) 平均負(fù)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(dǎo)程 d )根據(jù)額定壽命計(jì)算工作壽命時(shí)間 額定壽命 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) e ) 根據(jù)額定壽命計(jì)算運(yùn)行距離壽命 額定壽命 導(dǎo)程 由上述計(jì)算可知，HBN4010-7.5型能滿足希望壽命時(shí)間20000小時(shí)。 （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(méi)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(xiàn)[20]A-707頁(yè)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(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， b) 絲杠軸的軸向剛性引起的軸向變位量 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， c) 進(jìn)給絲杠軸向剛性引起的定位誤差 定位精度 因此由進(jìn)給絲杠軸向剛性而產(chǎn)生的定位誤差是1.14μm。 選擇高負(fù)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(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。 4）因發(fā)熱而引起的熱變形計(jì)算 如果在運(yùn)轉(zhuǎn)中絲杠軸的溫度上升，絲杠軸因熱而伸長(zhǎng)，會(huì)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(zhǎng)度（620mm） 當(dāng)溫度上升1℃時(shí)，絲杠軸伸長(zhǎng) 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。 （7 ) 旋轉(zhuǎn)扭矩計(jì)算 1）由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩 上升等速時(shí) 下降等速時(shí) 2）有滾珠絲杠予壓引起的扭矩 對(duì)絲杠沒(méi)有施加予壓 3）加速時(shí)所需的扭矩 慣性力矩(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)：查文獻(xiàn)[20]B-577頁(yè)的尺寸表，每單位長(zhǎng)度的絲杠軸慣性力矩為：，則絲杠軸全長(zhǎng)732mm的慣性力矩如下： 絲杠負(fù)載慣性力矩 （3-3） 式中： ， 角加速度： 根據(jù)上述計(jì)算，加速所需要的扭矩如下： 因此，所需扭矩如下： 上升加速時(shí)： 上升等速時(shí)： 上升減速時(shí)： 下降加速時(shí)： 下降等速時(shí)： 下降減速時(shí)： （8）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初步計(jì)算 1）旋轉(zhuǎn)速度 滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇，絲杠最高使用轉(zhuǎn)速600rpm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm。 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）電機(jī)扭矩 計(jì)算加速時(shí)所產(chǎn)生的扭矩為所需的最大扭矩： 4）電機(jī)扭矩有效值 電機(jī)扭矩的有效值為：2 即電機(jī)的額定扭矩必須大于 5）慣性力矩 作用在電機(jī)上的慣性力矩為：，通常電機(jī)有必要具有作用在電機(jī)上慣性力矩的1/10以上的慣性力矩。因此，AC伺服電機(jī)的慣性力矩必須為以上。 綜上計(jì)算，滾珠絲杠副的選擇完成，即為帶球保持器的高負(fù)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(hào) HBN4010-7.5 基本額定動(dòng)負(fù)荷 162.6KN 絲杠軸外徑 40mm 基本額定靜負(fù)荷 336KN 導(dǎo)程 10mm 容許負(fù)荷 50.4KN 精度等級(jí) C0 剛性 1910KN/μm 負(fù)荷圈數(shù)列×圈 3×2.5 絲杠軸慣性力矩 2.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)造型計(jì)算 伺服系統(tǒng)中的控制電機(jī)是伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行部件。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。為了能量轉(zhuǎn)換的高效率與信息轉(zhuǎn)換的高精度、快響應(yīng)和高度的穩(wěn)定性，對(duì)伺服系統(tǒng)中控制電機(jī)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(hù)；⑤散熱性好；⑥價(jià)格適中等。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)。 （1）進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇原則[23] l 當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。 l 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)。 l 對(duì)要求頻繁起動(dòng)、制動(dòng)以及周期性變化的負(fù)載必須校核它的在一個(gè)周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值，應(yīng)小于電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。 l 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。通常情況下，當(dāng)負(fù)載小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量時(shí)，上述影響不大；但當(dāng)負(fù)載慣量達(dá)到甚至超過(guò)轉(zhuǎn)子慣量的5倍時(shí)，會(huì)使靈敏度和響應(yīng)時(shí)間受到很大的影響。推薦負(fù)載慣量小于5倍的伺服電機(jī)慣量值。 （2）電機(jī)選擇步驟 1）驅(qū)動(dòng)方式說(shuō)明 以所需的扭矩為基礎(chǔ)進(jìn)行電機(jī)選型，該扭矩通過(guò)使用如行進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)、離心機(jī)、紙張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和軋機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者主主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定義。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。要確定電機(jī)所要提供的扭矩，除了由使用確定的負(fù)載力矩之外，還必須知道下列機(jī)械數(shù)據(jù)。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)。 2）確定負(fù)載情況，計(jì)算最大負(fù)載力矩 確定負(fù)載情況，計(jì)算最大負(fù)載力矩目標(biāo)是：找到扭矩和轉(zhuǎn)速的特征工作點(diǎn)，利用該特征工作點(diǎn)根據(jù)負(fù)載情況確定電機(jī)。 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。 一般情況下，在加速階段得出最大電機(jī)扭矩。 這里加上負(fù)載力矩和用于電機(jī)加速所需的扭矩。然后通過(guò)電機(jī)極限曲線確定最大電機(jī)扭矩。 在確定電機(jī)時(shí)必須考慮下列標(biāo)準(zhǔn)[24]63： l 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。 l 必須遵循熱態(tài)極限值，即對(duì)于同步電機(jī)，在由負(fù)載循環(huán)得出的平均電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，有效電機(jī)扭矩必須位于 S1 特性曲線（連續(xù)運(yùn)行）之下。 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。 l 對(duì)于同步電機(jī)必須注意，最大允許的電機(jī)扭矩在電壓極限特性曲線的 高轉(zhuǎn)速時(shí)減小。 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。 l 在使用異步電機(jī)時(shí)，允許的電機(jī)扭矩在電壓極限特性曲線（穩(wěn)定限度）的磁場(chǎng)減弱范圍中受限制。這里應(yīng)遵循30%的距離。 3）確定電機(jī) 可以通過(guò)變動(dòng)找到一個(gè)滿足運(yùn)行情況條件的電機(jī)。最后必須確定其它電機(jī)特性。 這些特性將作為電機(jī)選項(xiàng)配置進(jìn)行。 （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)?？紤]到機(jī)床要求較小的結(jié)構(gòu)體積、較高的動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)先選擇Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機(jī)，如圖2-5所示。1FK7 電機(jī)是一種非常緊湊的、永磁同步電機(jī)。與 SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起，1FK7電機(jī)可以構(gòu)成一種高功能、高效率的驅(qū)動(dòng)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(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。 圖2-5 Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機(jī) 選擇電機(jī)的計(jì)算條件如下，Z軸運(yùn)動(dòng)伺服軸為豎直使用狀態(tài)，如圖2-6所示： 圖2-6 Z軸運(yùn)動(dòng)伺服軸工作方式 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量（運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量500kg，配重平衡系統(tǒng)重450kg） 導(dǎo)向面的阻力（無(wú)負(fù)荷，液體靜壓摩擦系數(shù)，阻力較?。? 驅(qū)動(dòng)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(jìn)給量 減速比 加減速時(shí)間： 絲杠軸徑： 絲杠軸長(zhǎng)： 絲杠導(dǎo)程： （1）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)床快速行程速度?？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)。 （3-4） 式中： ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（rpm） ——直線運(yùn)動(dòng)最大速度（m/s） ——絲杠導(dǎo)程（mm） ——系統(tǒng)傳動(dòng)比， 則有： （2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 根據(jù)伺服電機(jī)的工作曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載力矩應(yīng)在電機(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過(guò)載時(shí)間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩： （2-5） 式中： ——加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩 ——沿坐標(biāo)軸移動(dòng)部件所需的力 ——電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)距離 ——滾珠絲杠加到電機(jī)軸上的摩擦力矩，由絲杠得 不切削時(shí)： 切削時(shí)： 根據(jù)負(fù)載力矩可見(jiàn)，伺服電機(jī)的額定力矩應(yīng)大于 （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)。 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 （2-6） 式中： ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的最大加速力矩（） ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（） ——由于絲杠折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（） 加速力矩： （2-7） 式中： ——折算到電機(jī)軸上的總慣量（） ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（） ——系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)， 則有： 摩擦力矩： （2-8） 式中： ——絲杠導(dǎo)程（cm） ——傳動(dòng)鏈總效率，一般取 ——傳動(dòng)比 ，查INA公司軸承樣本[25]1077 絲杠預(yù)緊附加的摩擦力矩： （絲杠計(jì)算得） 即快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩： 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩： （2-9） 式中： ——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩（） ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（） ——由于絲杠預(yù)緊引起的折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力（） ——折算到電機(jī)上的切削力矩（） 加速力矩： （2-10） 式中： ——折算到電機(jī)軸上的總慣量（） ——切削時(shí)的轉(zhuǎn)速（r/min） ——系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)， 切削力矩： （2-11） 式中： ——由切削力引起的反推力 ——傳動(dòng)鏈總效率，一般取 ——傳動(dòng)比 即最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 人快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： 加速轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降時(shí)的轉(zhuǎn)速： （2-12） 式中： ——快速移動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ——加減速時(shí)間 ——伺服位置增益，取 （4）負(fù)載慣量計(jì)算 與負(fù)載力矩不同，負(fù)載慣量可以精確地算出。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)。對(duì)各運(yùn)動(dòng)物體分別計(jì)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(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： （2-13） 式中： M ——質(zhì)量（kg） R——半徑（m） （2）圓柱體折算到電機(jī)軸上的慣量 （3）直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣量計(jì)算 （2-14） 式中： ——電機(jī)轉(zhuǎn)一弧度運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)的距離（m） （4）電機(jī)負(fù)載慣量計(jì)算 （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。負(fù)載慣量增加時(shí)，可能出現(xiàn)以下問(wèn)題：指令變化后，需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到新指令指定的速度。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。負(fù)載慣量小于或等于電機(jī)的慣量時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。若負(fù)載慣量為電機(jī)的2.5倍以上，控制特性就會(huì)降低。實(shí)際上這對(duì)普通金屬加工機(jī)床的工作的影響不大， 但對(duì)于精密超精密機(jī)床，負(fù)載慣量要小于電機(jī)的慣量。 即有電機(jī)慣量：， 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2.56N·m。 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，同時(shí)電機(jī)慣量，參照Siemens高緊湊型1FK7同步電機(jī)樣本，選擇1FK7080-5AF71-1電機(jī)，其扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3-7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，在伺服電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)。 圖2-7 同步伺服電機(jī)1FK7080-5AF71-1的扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線 （6）校核電機(jī)轉(zhuǎn)矩均方根值 當(dāng)工作機(jī)械作頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，必須檢查電機(jī)是否過(guò)熱，為此需計(jì)算在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應(yīng)使此均方根值小于電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。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。 （7）選擇電機(jī)編碼器 考慮到直線運(yùn)動(dòng)最小進(jìn)給量，需要對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，選擇可以進(jìn)行信號(hào)細(xì)分的增量式編碼器。 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：1FK7080-5AF71-1AH0，電機(jī)型號(hào)—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(jī)防護(hù)等級(jí)為IP64 電機(jī)主要參數(shù) Siemens的高緊湊同步伺服電機(jī)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(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 2.14kw 4.4A 2.2.3 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。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)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(méi)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(shè)計(jì)有彈性變形元件，可以依靠彈性元件的變形與儲(chǔ)能性來(lái)緩沖減振，并補(bǔ)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(jī)軸安裝和絲杠安裝中存在的不對(duì)中以及電機(jī)和絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)中的偏移等問(wèn)題，選用具有偏移量補(bǔ)償?shù)牡聡?guó)mayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器，如圖2-8所示。 圖2-8 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。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(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)。smartflex聯(lián)軸器具有低的反作用力，可以保護(hù)電機(jī)和絲杠軸承。具有低的瞬間慣量，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。 根據(jù)Z軸部件進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)的額定扭矩、轉(zhuǎn)速、和軸端直徑和長(zhǎng)度大小選擇聯(lián)軸器型號(hào)，綜合Z軸部件總體設(shè)計(jì)要求，選擇smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器的型號(hào)為：2/932.433/26/32。 （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。德國(guó)舍弗勒集團(tuán)旗下的INA軸承公司自成立以來(lái)，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(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。 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(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。除了徑向力，軸承還可以承受兩個(gè)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(yù)緊后，軸承可以實(shí)現(xiàn)軸向無(wú)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(fù)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(hào)為：ZARF3080-TV，選用INA公司的精密鎖緊螺母AM30。 2.2.4 測(cè)量反饋裝置選型