超精密数控机床关键部件发展概况.pdf

超 精 密 数 控 机 床 关 键 部 件 发 展 概 况 口刘林枝 湖南机电职业技术学院 长沙4 1 0 1 5 1 摘要介绍 目前数控装置 、 进给 伺服 驱动装置、 主轴 电动机 、 位置检测和反馈元件 、 机床 导轨 等数控机床 关键 部件 的最新研 究水平和成果 ， 论述 了当今超精 密机床关键部件 的发展状况。 关键词 超精密数控机床关键部件 中图分类号 T P 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 1 0 0 1 0 0 0 8 0 2 随着现 代超精 密仪 器仪 表 、 超 精 密光学元 件 、 超精 密 控 制 部 件 以及 超 精 密 模 具 的 需 求 量 越 来 越 大 ， 对 现 代机 械 加 工设 备 的要 求 也越 来 越 高 1 。 超精 密数 控 机 床 的 出 现 ， 为 解 决 当 今 世 界 超 精 密 零 部 件 的 加 工 提 供 了有 力 的 保 证 。 超 精 密 数 控 机 床 关 键 部 件 对 机 床 精 度 具 有 决 定 性 的 影 响 ， 主 要 包 括 数 控 装 置 、 进 给 伺 服 驱 动 装 置 、 主 轴 部 件 、 位 置 检 测 和 反 馈 元 件 、 机 床 导 轨 等 。 1 超精密数控机床关键部件 1 数 控 装 置 。 目前 世 界 上 著 名 的 数 控 设 备 生 产 厂 家 主 要 有 日本 的 F ANUC、 德 国 的 S I E ME NS、 西 班 牙 的 F AGOR 以及 美 国 HA AS等 ， 其 中 最 早 生 产 的 主 要 是 日 本 的 F A Nuc和 德 国 的 S I E ME NS 。 日本 F AN UC 所 生 产 的 数 控 装 置 通 过 使 用 高 速 RI S C处 理 器 ， 以适 合 于 机 床 性 能 的 最 佳 进 给 速 度 进 行 纳 米 插 补 加 工 。 通 过 对 每 个 轴 分 别 设 定 加 速 度 ， 即 使 各 轴 惯 量 不 同 ． 也 可 以 实 现 准 确 且 平 滑 的 运 转 。 其 中 3 0 i 系 列 最 大 控 制 轴 数 达 到 3 2 轴 ， 可 同 时 控 制 的 轴 数 达 到 2 4 轴 ， 处 于 世 界 领 先 水 平 。 2 进 给 伺 服 驱 动 装 置 。 进 给 伺 服 驱 动 装 置 主 要 指 伺 服 电 动 机 和 伺 服 驱 动 器 。 日本 F A NUC生 产 的 仪 i系 列 伺 服 电 动 机 配 置 了 l 6 0 0 f 脉 冲 ／ r的 高 分 辨 率 编 码 器 精 度 达 到 纳 米 级 ； 其 生 产 的 直 线 电 机 F ANUC L I N E AR MO T OR L i S系 列 ， 在 机 械 结 构 上 无 须 使 用 如 滚 珠 丝 杠 等 执 行 元 件 ， 即 可 获 得 伺 服 系 统 的高 刚 性 ， 实 现 高 增 益 、 高 精 度 ， 同 时 简 化 机 械 结 构 的 维 修 。 对 于 大 行 程 进 给 轴 ， 可 以 通 过 在 一 块 磁 铁 板 上 安 装 多 个 线 圈 来 实 现 多 头 配 置 以及 增 加 推 力 ， 可 实 现 旋 转 电机 很 难 达 到 的 最 高 速 度 4 m／s 、 最 大 加 速 度 3 0 g 以上 。 埋 设 在 发 热 源 线 圈 绕 组 附 近 的 冷 却 配 管 可 有 效 地 散 热 ， 特 殊 的 冷 却 结 构 最 大 限 度 地 减 少 了 电 机 对 机 床 的 热 传 递 ， 保 证 机床 更 高 的精 度 。 而且 ， 通 过 处理 来 自线 性 编 码 器 的模 拟 信 号 的原 点 位 置 检 测 电路 ， 在 最 大4 m／ s 收稿 日期 2 0 0 9 年8 月 20 1 0／1 速 度 下 可 实 现 O ． 01 m 的 定 位 精 度 。 最 新 的 数 字 伺 服 控 制 技 术 如 S E RVO HRV 控 制 等 ， 可 获 得 高 速 度 下 的 高 平 滑 性 、 高 精 度 进 给 。 3 主轴 部件 。 高精 度 、 高转速 数控 机床 主轴 单元是 承 载 高 速 切 削 技 术 的 主 体 之 一 ， 是 高 精 度 、 高 效 率 、 高 档 数 控 机 床 的 核 心 功 能 部 件 ， 是 航 空 航 天 、 汽 车 、 船 舶 、 精 密模 具 、 精 密机 械等 尖 端 产 品制 造 领域 所需 高 档加 工 母 机 的 核 心 部 件 。 目前 超 精 密 机 床 所 采 用 的 主 轴 部 件 主 要 是 电 主 轴 和 空 气 主 轴 。 ] 。 国 内 外 电 主 轴 技 术 的 发 展 十 分 迅 速 ， 各 生 产 厂 商 都 在 高 可 靠 性 、 节 能 性 、 高 精 度 、 高 加 工 效 率 、 环 保 性 、 智 能 化 等 方 面 进 行 持 续 的 科 技 攻 关 ， 以 期 形 成 自身 的 特色 ， 占领 电主轴 技 术发展 的制 高点 。 国外 电主轴最早 用 于 内 圆 磨 床 ， 2 0 世 纪 8 0 年 代 ， 随 着 数 控 机 床 和 高 速 切 削 技 术 的 发 展 和 需 要 ， 逐 渐 将 电 主 轴 技 术 应 用 于 加 工 中 心 、 数 控 铣 床 等 高 档 数 控 机 床 ， 成 为 近 年 来 机 床 技 术 所 取得 的重 大成 就之 一 。 随着机 床技 术 、 高速切 削技术 的发 展 和实 际应 用 的 需要 ， 对 机 床 电主轴 的性 能 也提 出 了 越 来 越 高 的 要 求 ， 目前 国 外 从 事 高 速 数 控 机 床 电 主 轴 研 发 与 生 产 的 企 业 主 要 有 德 国 GMN、 西 门 子 、 瑞 士 I B AG、 美 国 S e t e o、 意 大 利 Oml e t 、 F a e m G a mf i o r 、 日 本 大 隈 等 ， 其 中尤 以 GMN、 I BAG、 Oml e t 、 S e t c o 、 G a mfi o r 等 几 家 的 技 术 水 平 代 表 了 这 个 领 域 的 世 界 先 进 水 平 。 瑞 士 I B AG 的 HF 4 2 的 转 速 达 到 1 4 0 0 0 0 r ／mi n ， 英 国 We s t Wi n d公 司 的 P CB钻 孔 机 电 主 轴 D1 7 3 3 更 是 达 到 了 2 5 0 0 0 0 r ／ rai n； 加 工 中 心 用 电 主 轴 ， 瑞 士 F I S C H ER最 高 转 速 达 到 4 2 0 0 0 r ／mi n ， 意 大 利 C a mf i o r达 到 了 7 5 0 0 0 r ／rai n 。 在 精 度 方 面 ， 主 轴 径 向 跳 动 在 0 ． 0 01 mm 以 内 、 轴 向 定 位 精 度 0 ． 0 0 0 5 ml T l 以 下 。 静 压 空 气 轴 承 主 轴 是 目前 研 制 开 发 的 超 精 密 加 工 机 床 的 主 轴 中精 度 最 高 的 。 静 压 空 气 轴 承 主 轴 具 有 良 好 的振 摆 回转精 度 。 主轴 振摆 回转 精 度是 除去 轴 的 圆 度 误 差 和 加 工 粗 糙 度 影 响 之 外 的 轴 心 线 振 摆 ， 即 非 重 复 径 向振 摆 ， 属 于 静 态 精 度 。 目前 高 精 度 空 气 轴 承 主 轴 机械制造4 8卷 第5 4 5期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 回 转 精 度 可 达 O ． 0 5 m， 最 高 可 达 O ． 0 3 m， 由 于 轴 承 中 支 承 回转 轴 的 压 力 膜 的 均 化 作 用 ， 空 气 轴 承 主 轴 能 够 得 到 高 于 轴 承 零 件 本 身 的 精 度 ] 。 我 国在 电 主 轴 与 空 气 主 轴 研 究 领 域 也 取 得 了很 大 进 展 。 国 内 电 主 轴 和 空 气 主 轴 的 转 速 分 别 达 到 了 6 0 0 0 0 r ／ rai n、 2 0 0 0 0 0 r ／ rai n， 但 精 度 与 国外 相 比还 有 很 大 的 差 距 。 4 位 置 检 测 和 反 馈 元 件 。目前 在 超 精 密 数 控 机 床 上 用 得 较 多 的 位 置 检 测 元 件 主 要 有 编 码 器 和 光 栅 尺 。 前 面 已 经 提 到 日本 F AN UC生 产 的 i 系 列 伺 服 电 动 机 配 备 的 编 码 器 达 到 了 纳 米 级 的 位 置 检 测 精 度 。 光 栅 尺 是 超 精 密 机 床 上 用 得 最 多 的 直 线 位 移 位 置 检 测 和 反 馈 元 件 。 近年来 ， 微 光学 器件 的 发展使 光 栅技 术有 了很 大 进 步 。 光 栅 过 去 能 达 到 的 分 辨 率 为 0 ． 1 m 左 右 ， 现 在 日本 的 三 丰 、 东 京 精 密 、 索 尼 等 公 司 均 达 到 0 ． 叭 m， 德 国海 德 汉 公 司 达 到 0 ． 0 0 5 m， 英 国 雷 尼 绍 公 司 则 可 达 到 0 ． O 0 1 Ix m， 为 目 前 能 达 到 的 最 高 水 平 。 其 中 德 国 海 德 汉 的 超 精 密 光 栅 尺 由 于 性 能 优 良 、 精 度 高 而 被 世 界 各超精 密设 备 厂家选 用得 最 多 。 5 机 床 导 轨 。 超 精 密 加 工 机 床 中 的 常 用 导 轨 有 v V型 滑 动 导 轨 和 滚 动 导 轨 、 液 体 静 压 导 轨 和 气 体 静 压 导 轨 ” 。 传 统 的 VV 型 滑 动 导 轨 和 滚 动 导 轨 在 美 国 和 德 国 的 应 用 都 取 得 了 良好 的 效 果 。 后 两 种 都 属 于 非 接 触 式 导 轨 ， 完 全 不 必 担 心 爬 行 的 产 生 。 从 精 度 方 面 来 考 虑 后 两 种 也 是 最 适 宜 的 导 轨 。 液 体 静 压 导 轨 由 于 油 的 黏 性 剪 切 阻 力 而 发 热 量 比 较 大 ， 因 此 必 须 对 液 压 油采 取冷 却措 施 。 另外 液压 装 置 比较 大 ， 而且 油 路 的维 修 保 养 也 麻 烦 。 气 体 静 压 导 轨 由于 支 承 部 分 是 平 面 ， 可 获 得较 大 的支承 刚度 ， 它几 乎 不存 在发 热 问题 ， 如果 最 初 的 设 计 合 理 ， 则 在 后 续 的 维 修 保 养 方 面 几 乎 不 会 发 生 什 么 问 题 。 但 必 须 注 意 导 轨 面 的 防 尘 。 空 气 导 轨 的 间 隙 仅 为 几 微 米 ， 而 对 如 此 大 小 的 尘 埃 ， 肉 眼 是 看 不 到 的 ， 这 样 的 尘 埃 即 使 是 洁 净 室 也 不 能 完 全 消 除 ， 尘 埃 落 入 空气导 轨 面 内会 引起 导 轨 面的损 伤 。 总体 看来 ， 空 气 静 压导轨 是 目前最 好 的导 轨 ， 但 若 不能 保证 防尘 条 件 ， 则 须 改 用 液 体 静 压 导 轨 。目前 空 气 静 压 直 线 导 轨 的 直 线 度 可 达 0 ． 1～0 ． 2 p a n ／ 2 5 0 m1 1 1 l 2 ] 。 2 结束语 当今 ， 超 精 密 机 床 及 其 加 工 技 术 已 成 为 一 个 国 家 在 国际竞 争 中取得 成 功 的关 键 技 术 ， 而 决 定超 精 密 机 床性 能 的主 要 因素 是 其所 采 用 的 关键 部 件 。 发 达 国家 在 超 精 密 机 床 关 键 部 件 的研 究 、 生 产 方 面 ， 远 远 领 先 于 发 展 中 国 家 。 近 年 来 ， 我 国 在 超 精 密 机 床 关 键 部 件 制 造 领 域 虽 然 取 得 了 一 定 的 进 展 ， 但 与 发 达 国家 相 比 还 有 很 大 差 距 。 因 此 ， 充 分 了 解 世 界 超 精 密 技 术 的 发 展 情 机械制造4 8 卷 第5 4 5 期 况 ， 对 于 我 们 认 清 国 际 超 精 密 加 工 形 势 ， 努 力 提 高 我 国 超 精 密 加 工 技 术 水 平 具 有 深 远 的 意 义 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李圣怡， 戴一帆． 超精密加工机床新进展[ J 】 ． 机械工程学 报 ， 2 0 0 3 ， 3 9 8 71 4 ． [ 2 】 陈训全 ， 刘小鹏， 尹业宏． 超精密机床的若干关键模块综述 [ J ] ． 湖北工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 1 3 8 68 8 ． [ 3 ] 刘家豪 ， 傅建 中， 陈子辰． 超精 密加工 的关键技术及发展趋 势 f J ] ． 机 电工程 ， 2 0 0 1 ， 1 8 5 1 92 1 ． [ 4 】 陈树海 ， 任文超． 超精密加工的关键技术及其发展趋势 【 J 1 ． 汽车工艺与材料 ， 2 0 0 8 3 5 7 5 9 ． i 5] Ya ma g a t a ， Mo r i y a s u Y， Mo r i t a S S ， e t a 1 ． De v e l o p me n t o f 4 De g r e e Fr e e do m Ul t r a h i g h Pr e c i s i o n Ma c hi ne To o l s a nd F a b r i c a t i o n Co nc ep t o f Ho l o g r a p hi c Op t i c a l El e me n t o n no n -Ax i s S y mme t ric S u r f a c e [ C】 ．P r o c e e d i n g s t h e F i r s t I n t e r n a t i o n E u r o p e a n S o c i e t y f o r Pr e c i s i o n En g i n e e r i n g Na no t e c hn o l o g y Co n f e r e nc e，Br e me n， Ge r ma n y ，1 9 991 3 21 3 4． △ 编 辑 小 前 2 0 1 0 ／ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m