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淺談超精密數控車床關鍵技術

發布日期: 2018-03-05
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   1、機床係統總體綜合設計技術
  超精密數控車床的設計、製造技術已升華到一種藝術境界,非常規方法能及。
  常規機床在設計與製造等技術環節上要求相對較低,而超精密機床各環節基本都處於一種技術極限或臨界應用狀態,哪個環節考慮或處理不周就會導致整體失敗。因此,設計上需對機床係統整體和各部分技術具有全麵、深刻的了解,並依可行性,從整體zui優出發,周詳地進行關聯綜合設計。否則,即便是全部采用的部件、子係統,堆砌方法仍會導致失敗。如機床設計必須對誤差源進行周詳分析,識別其耦合機製並且以傳遞函數表達,用綜合原則對主要誤差進行分配和補償。
  2、高剛性、高穩定機床本體結構設計和製造技術
  尤其是機床,由於機身大、自身重、承載工件重量變化大,任何微小的變形都會影響加工精度。結構設計除從材料、結構形式、工藝方麵達到要求外,還須兼顧機床運行時的可操作性。
  如為了獲得高穩定性能,床身設計成高整體性,盡量減少裝配環節;整體熱處理,需解決相應大尺寸的熱處理設備、工藝;床體精加工時需嚴格模擬實際工作狀態進行精密修正等。
  3、超精密工件主軸技術
  中小型機床常采用空氣靜壓主軸方案。空氣靜壓主軸阻尼小,適合高速回轉加工應用,但承載能力較小。空氣靜壓主軸回轉精度可達0.05μm。
  超精密機床主軸承載工件尺寸、重量大,一般宜采用液體靜壓主軸。液體靜壓主軸阻尼大、抗振性好、承載力大,但主軸高速時發熱多,需采取液體冷卻恒溫措施。液體靜壓主軸回轉精度可達0.1μm。
  工件主軸用於速度控製模式時,主軸角度編碼器分辨率要求不高。當用於XZC位置控製模式時,為了保證加工工件的表麵質量,編碼器分辨率要求非常高,可達0.06″。
  為了保證主軸精度和穩定性,無論氣壓源或液壓源都需進行恒溫、過濾和壓力精密控製處理。
  4、超精密導軌技術
  早期的超精密數控車床采用氣浮靜壓導軌技術。氣浮靜壓導軌易於維護,但阻尼小,承載抗振性能差,現已較少采用。閉式液體靜壓導軌具有高抗振阻尼、高剛度、承載力大的優勢。國外主要的超精密加工現在主要采用液體靜壓導軌。超精密的液體靜壓導軌的直線度可達到0.1μm。
  5、納米(A°)級分辨率動態超精密坐標測量技術
  早期的超精密機床坐標測量係統采用激光幹涉測量方式。激光幹涉測量是一種高精度的標準幾何量測量基準,但是易受環境因素(氣壓、濕度、溫度、氣流擾動等)影響。這類因素容易影響刀具控製,從而影響工件的表麵加工質量。
  現今的超精密數控車床坐標測量係統大多采用衍射光柵。光柵測量係統穩定性高,分辨率可達納米級。為了進一步獲得較高的位置控製特性和表麵加工質量,采用DSP細分,測量係統分辨率可達A°級。
  6、納米級重複定位精度超精密傳動、驅動控製技術
  為了實現光學級的確定性超精密加工,機床必須具有納米級重複定位精度的刀具運動控製品質。伺服傳動、驅動係統需消除一切非線性因素,特別是具有非線性特性的運動機構摩擦等效應。因此,采用氣浮、液浮等方式應用於軸承、導軌、平衡機構成了必然的選擇。
  伺服運動控製器除了具有高分辨率、高實時性要求外,在控製方程及模式技術上也需不斷進步。實驗證明:研製係統進行曲麵加工控製時,高性能伺服運動控製器執行一階無差、二階有差控製,刀具軌跡動態跟蹤有滯後現象。這種滯後量雖小,精密加工可不計,但超精密加工中不可忽略。
  7、開放式高性能CNC數控係統技術
  從加工精度和效能出發,數控係統除了滿足超精密機床控製顯示分辨率、精度、實時性等要求,還需擴展機測量、對刀、補償等許多輔助功能。因為通用數控係統難以滿足要求,所以國外的超精密機床現在基本都采用PC與運動控製器相結合研製開放式CNC數控係統模式。這種模式既可使數控係統實現高的軸控性能,還可獲得高的功能可擴充性。
  超精加工與一般精度加工不同,加工需輔以測量反複迭代進行。為了減少工件再定位引入的安裝誤差,或解決大尺寸、複雜型麵無有效測量儀器問題,機床在機需配置各種光學、電子測量儀器和補償處理手段。對此,PC與運動控製器相結合的開放式CNC數控係統可發揮其優勢。
  8、高精度氣、液、溫度、振動等工作環境控製技術
  (1)機床隔振及水平姿態控製。
  振動對超精密加工的影響非常明顯。機床隔振需采取特殊的地基處理和機床本體氣浮隔振複合措施。氣浮隔振係統采用具有位置控製的主動式氣墊。機床支撐在4個氣墊上,並形成3點動態可調平支撐。
  機床體氣浮隔振係統還需具備自動調平功能,以防止機床加工中水平狀態變化對加工的影響。對於隔振要求高的機床,隔振係統的自然頻率要求在1Hz以下。
  對於超精密數控車床的液壓源、冷卻水源的脈動也必須采取措施,如采取脈動濾波裝置等。
  (2)溫度控製。
  對機床來說,機床和工件尺寸大,受溫度影響也大。在同樣的切削量和線速度下,大工件的加工周期長,溫度對加工精度的影響非常大。
  因此,機床溫控要求非常高,機床床體恒溫水、液壓係統控溫為0.0005℃,機房空氣控溫為0.003℃。
  對於小型商品化的機床,溫度控製要求不需太高(0.5℃)。這是因為小零件的高速加工時間短,溫度影響相對較小且易控。
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