本课题是集机,电,液一体化的高科技项目,所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴

　　承孔的超精密加工。此磨床的加工方式采用切入式磨削方式,工件安装在回转工作台上,随

　　工作台回转,同时砂轮回转,砂轮的径向进给靠回转工作台沿X方向位移实现,上面的轴承

　　孔及上端面加工好后,用同一砂轮加工下面的轴承孔及下端面,工件一次安装,以保证精

　　度。总体布局为立式磨床,主要分为磨头部分、回转工作台、床身、垂直立柱、拖板以及测量

　　机构。总体传动方案为:由外置步进电机驱动齿轮,然后通过齿轮传动带动滚珠丝杠,整个磨头装

　　置通过滚珠丝杠进行Z轴方向上的移动,磨头的旋转则通过另一个外置电机来驱动,回转工

　　作台的驱动则通过外置电机驱动皮带轮,由皮带轮的传动来使回转工作台的旋转,拖板的驱动

　　则由步进电机控制。同时,磨床的设计中运用了数控技术,现代测试手段,微量进给软件补偿技

　　回顾即将过去的20世纪,人类取得的每一项重大科技成果,无不与制造技术,尤其与超精

　　密加工技术密切相关。在某种意义上,超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使

　　命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对

　　海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究,发现其中在间谍卫星、

　　超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面,与超精密

　　加工技术有密切的关系.可以说,没有高水平的超精密加工技术,就不会有真正强大的国防。

　　超精密磨床要求其数控系统具有高编程分辨率(1 nm)和快速插补功能,插补周期0.1,

　　s, .基于PC机和数字信号处理芯片 ,(SP) 的主从式硬件结构是超精密数控的潮流,如美国

　　硬件运动控制模块,(M A),开发应用越来越广泛,使此类数控系统的可靠性和可重构性

　　得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH,1型数控系统采用,SW—824工业一体化PC

　　工作站为主机,用AD(P2) 81信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。

　　模块化、构件化是超精密磨床进入市场的重要技术手段,如美国AN O RAD公司生产各种

　　主轴、导轨和转台,用户可根据各自的需要组成一维、两维和多维超精密运动控制平台和磨床.

　　研制超精密磨床时,布局就显得非常关键。超精密磨床往往与传统磨床在结构布局上有很大

　　差别,流行的布局方式是“T型布局,这种布局使磨床整体刚度较高,控制也相对容易,如

　　Pneumo公司生产的大部分超精密磨床都采用这一布局.模块化使磨床布局更加灵活多变,如日

　　本超硅晶体研究株式会社研制的超精密磨床, 用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结

　　构, 用于提高刚度,德国蔡司公司研制了4轴精密磨床AS1 (0) 用于加工自由形式表面,该

　　磨床除了X、 Z和C轴外,附加了A轴, 用于加工自由表面时控制砂轮的磨削点。此外,一

　　超精密加工磨床是针对特殊零件而设计的,如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工,一

　　非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术(,,,,,加工,这些磨床都具有和通用磨床完全不同的结构。 由此可见,超精密磨床的结构有其鲜明的个性, 需要特殊的设计考虑

　　为保证超精密磨床有足够的定位精度和跟踪精度,数控系统必须采用全闭环结构,高精度运

　　动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率(如,YGO AX10MT, ,

　　(2)分辨率为1。 25,m)与高稳定性,测量范围大,适合作磨床运动线位移传感器使用。但是

　　双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻,使用和调整非常困难,使用不当会大大降低精度.根据我们

　　的使用经验,德国He (de) ,ain公司生产的光栅尺更适合超精密磨床运动检测,如该公司L

　　在数控软件方面,开放性是一个发展方向。 国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OS

　　,CA、美国的O(A)和日本的OS,,。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由

　　度运动控制软件,可根据磨床成形系统的布局任意组装软件,符合磨床模块化发展的方向。

　　超精密加工机床设计与制造的关键与核心问题是保证超精密加工工艺和目标的实现。 因

　　此,超精密加工机床的设计和制造的基本原则和要求是:消除或减少机床上的热源和振源,提

　　高机床的结构刚度和几何精度,减少机床的变形(含温度变形和力变形)对机床加工精度的影响

　　等。为了实现这些基本原则和要求,超精密加工机床设计时,经常采取的一些原则措施有,

　　(1)首先是尽量不用或少用摩擦发热量大的传动装置,如机械无级调速器, ,并把工作过程

　　中发热量大的热源,如电机、冷却润滑油箱等, 与机床本体结构分离或隔热, 以避免热量传

　　选用热胀系数α和导热系数λ值低的材料作机床的重要零部件材料.与此同时也要尽量采用热物理特性相同或相近的材料来制造机床的构件和零部件。

　　零部件的结构设计力求热对称, 而且应考虑采取强迫的风冷或液体冷却并预留相应的冷

　　(2)超精密加工机床不仅要考虑安装和工作在恒温室里, 而且在极高精度要求的情况下,还应

　　考虑控制机床工作在温度±0( 0) ° C的油淋浴的恒温箱中, 因此,机床的工作过程必须是完

　　, , ,为了避免振动影响加工精度,除了机床必须安装在由空气支承、 弹簧支承或其他有效的

　　隔振器支承的地基上外,机床上的旋转运动件也要严格进行动平衡,残馀不平衡量应小于0.5,

　　, ,。mm。 与此同时,为了消除和减少机床本身内部振源,要尽量采用运动平稳的传动系

　　统,如非接触的气动和液体传动,禁止或避免采用带有冲击力的传动,如有间隙的换向机构

　　通过振源振动频率的调整,如改变转速,或通过对机床工艺系统的质量(m)和弹簧刚度

　　(k)等动力参数的选择使振源的振动频率与机床工艺系统的固有频率相互远离,避开共振区,

　　选用具有高内阻尼系数的材料,如天然大理石、人造大理石、 陶瓷等或采用不清砂的双层

　　壁铸铁件作为机床的结构件,以保证高度衰减内部产生和外部传来的振动, 因为振动衰减的效

　　果正比于阻尼系数,即衰减指数, 。正常情况下,铸铁的衰减指数为, 。 (06),.0(8)而天然

　　大理石和人造大理石的衰减指数则分别为, 。 (2)0。 ,4和, 。 06,0.08,不清砂的双层壁

　　(4)进给传动的设计主要要求是,保证能有效进行误差动态补偿的换向精度,可实现最小,

　　μm的脉冲位移;采用修正系统後具有,μm的高定位精度。为此,可供选择的进给传动方式有以下几种,

　　-滚珠丝杠副。特点是刚度大,可实现的增量位移为100μm,即,.1µm, 。

　　,摩擦传动。传动刚度为50N,100N/μm,拉力达1 , (N)可实现的移动增量为5μm.缺点

　　,压电和磁致伸缩传动。移动量可小于5μm,但总的行程量很小,只有100(2) ,μm,故多

　　,自定位静压丝杠副。特点是由于齿形角小(只有10° , ,故刚度大,达10(N)1000,/μ

　　—电磁丝杠副传动。 它是由涂有稀有材料的磁性混合物的丝杠与带有线圈的螺母相互作

　　,5)导轨设计。导轨是超精密加工机床上保证实现精密微量进给的重要要素之一,

　　式可供选择,但采用得最为广泛的是液体静压导轨和气浮导轨。前者的刚度可达6KN~(KN)

　　气膜厚度为,µ,,8μm时,也能保证与液体静压导轨一样的位移精度。液体静压和气浮导轨的

　　, , ,在总体布局设计上,超精密加工机床的结构应分成承载部分和计量部分。此时,机床

　　高精度、高分辨率的仪器作测量装置,并将其单独安装在气浮支承的计量支架上,而且不仅安装

　　测量装置时要遵守阿贝原理,在更广义理解上,也要遵守阿贝原理。 阿贝原理要求,测量轴

　　要接近于刀尖, 以便消除按杠杆原理放大误差的可能性。从这一立场出发,导轨和测量装置

　　应位于同一水平面上,在机床的承载系统中要避开采用悬伸和刚度不恒定的构件。

　　一台机床只实现一种加工方法,每个部件也只完成一个固定的功能运动。这样做的目的是简化机床结构和更易于根据

　　精度指标进行优化,而无需采取妥协,折衷, 的办法。这一点是与目前一般机床的设计发展趋

　　(8)为了保证超精密加工的目标顺利实现,超精密加工机床设计必须考虑采用主动控制的隔振系

　　统和在线的误差自动补偿技术.这是因为很难保证所要求的零件制造精度, 同时也很难完全消

　　拟定磨床总体方案,包括以下三方面的内容, (1)调查分析, (2,工艺分析, (3)磨床

　　调查分析主要包括, , , ,对加工对象的了解;(2,对使用要求与制造条件的了解, , ,)

　　加工对象是主轴箱上两个同轴轴承孔,主要技术指标如图2。 ,所示:图2。 , 加工零件的主要技术指标

　　本课题所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴承孔的超精密加工.要求所加工的轴承

　　磨床的制造运用数控技术,现代测试手段,微量进给软件补偿技术,从而使精密机械设

　　(1)宁波市北仑倍力精密机械有限公司的,,1860型内圆磨床主要技术参数,

　　工艺方法对磨床的结构和性能的影响很大,工艺方法的改变常导致磨床的运动、传动、布

　　采取切入式磨削方式的加工工艺方案如图, , 2所示.砂轮回转,工件安装在工作台上,在

　　加工时回转。砂轮的径向进给,Fr)靠工作台沿,方向位移实现,上面的孔及上端面加工好

　　后,砂轮通过在垂直方向上的移动,继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装, 以保证精

　　单油石磨削:将1块油石沿轴向进入工件被加工孔。数控加工机床是采用轴向加工方式,油

　　石与工件内孔相接触,通过数控系统控制磨削部件内孔表面的质量。采取单油石磨削的加工工艺方案如图2.,所示。油石并不回转, 而是做往复直线运动,工

　　件安装在工作台上,在加工时随工作台一起回转。油石的径向进给靠拖板的水平方向位移实

　　现,以此来带动工作台上的工件,上面的孔及上端面加工好后,油石通过垂直方向上的移动,继

　　轴向方式加工, 油石与工件内孔相接触,通过数控系统控制磨削部件内孔表面的质量。

　　采取多油石磨削的加工工艺方案如图, , 4所示。油石回转,工件安装在工作台上,在加

　　工时工件并不回转。油石的径向进给靠数控部件参数的设置来实现,通过往复振动来进行磨削,

　　上面的孔及上端面加工好后,多油石装置通过垂直方向上的移动,继续加工下面的孔及下端面。

　　切入式磨削的特点是:排屑和散热相对比较容易,磨削液较易进入磨削区,适合加工小、

　　单油石磨削的特点是,排屑和散热相对比较容易,磨削液较易进入磨削区,适合加工中尺

　　寸类型的零件,但是控制相对复杂,加工得到的精度和表面粗糙度一般, 油石较易磨损。

　　多油石磨削的特点是, 内圆的加工条件相对比较苛刻,排屑、散热困难,磨削液不易进入磨

　　削区,油石易磨损,控制比较复杂,加工高精度和表面粗糙度的孔比较困难,成本也高,适合加

　　件, 由于本课题所加工的零件属于中小尺寸, 而且要求要求达到的精度比较苛刻,所以应避免

　　排屑和散热较为困难的工艺, 而且应该尽可能减少磨具本身由于磨损所带来的误差,所以多

　　削量较大, 由于本课题是精密加工,所以磨削量极小,所以并不十分合适。而且单油石磨削的

　　控制相对比较复杂, 由于控制复杂,执行元件也将增加,精度就更难以保证。所以本课题选

　　磨床的传动系统是由加工工艺来决定的。确定磨床的运动时,应当在满足工作要求的前

　　提下,尽可能减少运动数目,特别是减少要求高的运动数目 ,例如分度运动等, ,并尽可能简化

　　磨头是与加工零件直接接触的部件,加工零件的加工要求很大程度上取决于磨头自身的

　　精度,所以磨头运动的复杂程度越小越好,而且应该尽可能减免磨头电动机所散发的热量,所以

　　方案(2)并不适合本课题, 而方案,1)中电动机所产生的热量可以用散热片得以解决.综上所

　　由于磨头采用自身回转的运动方式,根据加工工艺方案,所以磨头主轴箱就负责磨头垂

　　根据加工工艺方案可知,回转工作台主要负责工件自身的回转,所以其运动的形式有两种

　　两者的区别在于是否有X方向 ,水平方向,上的直线移动, 由于加工工件就安装在回转

　　工作台上,鉴于加工要求,对回转工作台自身的误差要求就非常高,所以应该减少其运动数目以

　　由于回转工作台采用自身回转的运动方式,根据加工工艺方案,拖板的运动为X方向的直线。 , 运动分配分析的结论

　　确定磨床的运动分配如下,所有的运动由磨头、磨头主轴箱、 回转工作台、拖板四个执

　　磨头的运动是自身的回转,磨头主轴箱的运动是垂直方向上的直线移动, 回转工作台的

　　运动是自身的回转,拖板的运动是X方向 ,水平方向)上的直线磨床的总体布局

　　基于这一原则,考虑到磨头主轴箱的重量, 需要对其进行平衡.如果没有平衡装置的话,在

　　其上升阶段却需要相当大的拉力才能实现,这都是影响到加工要求的不良要素.所以在磨头主

　　轴箱的另一端加以平衡,钢丝绳的一端与磨头主轴箱连接, 而另一端吊以重物,重物的质量与磨头主轴箱的质量相当,这样磨头主轴箱的质量就被平衡,这样能使得精度等要求的保