超精密加工机床的结构设计简述

超精密加工机床的结构设计简述

介绍了超精密加工机床设计遵循的基本思想，并分别从总体布局和模块化设计两个角度阐述了超精密加工机床设计采取的基本结构和模式，分析了其合理性和优越性。

标签：超精密加工机床结构设计总体布局模块化设计

一、概述

超精密加工机床的设计目前尚无一套成熟的设计方法，往往是在已有经验和使用情况的基础上，进行机床的设计。参考国内外一些资料，把超精密加工机床的结构设计基本思想归纳如下：（1）结构上尽可能地提高刚度；（2）结构要简单；（3）床身形状要简单、质量要大、固有振动频率要低；（4）定位精度要很高，而且定位方式应采用闭式控制方式，进给的分辨率要高。

二、超精密车床的总体布局

超精密车床的总体布局直接影响机床的性能和精度。根据运动要求，现在超精密机床的总体布局有下面几种。

1.十字形滑座结构十字形滑座结构即主轴箱部分固定不动，刀架装在十字形滑板上。这种布局结构要求十字形滑板的上下导轨，不仅要求有很高的直线运动精度，而且要有非常严格的相互垂直精度，这要求有很高的制造精度，才能满足超精密机床的精度要求，否则下滑板的运动误差将影响上滑板的运动精度。而且，现在的精密机床，都采用双频激光干涉仪作z、x方向运动的随机位置检测。这时采用十字形滑座结构很不方便，因为：第一，必须有一路双频激光干涉仪装在移动的十字形滑座上，这将降低测量精度；第二，双频激光干涉测量系统有一定的体积，使整个工作台系统高度大大增加。采用这种布局时，主轴箱部分固定不动，因此，主轴用传动带驱动很方便，电动机可以有单独地基，可以减少电动机振动对主轴的影响。

2.T形布局近年生产的超精密机床主轴，采用内装式同轴电动机带动，没有带轮和单独的电动机座，主轴箱成为可移动的部件。采用横、纵运动分离，由主轴箱部件（纵向）和刀架（横向）共同完成，横、纵向导轨都放在机床的床身上，成T形布局，两导轨可以基本在同一高度上。这种布局结构，有利于提高导轨的制造精度和运动精度。同时，检测z、x向运动位置的双频激光测量系统可以装在固定不动的床身上，仅将测量位置的反射镜装在z、x方向的移动部件上。这样不仅使测量系统的安装要简单得多，而且可以大大提高测量精度。现在的中小型超精密机床常采用这种布局。

3.R-θ布局刀架溜板装在回转工作台上，改变刀座导轨的转角θ和半径r，可加工非球曲面。在加工的工件厚度改变时，主轴箱（或回转工作台）需要在z

向调整。这种布局的机床结构比较复杂，加工、调整、计算和习惯用的不一致，因此用的不多。

4.立式结构布局当工件直径较大并且重量较重时，超精密机床多采用立式结构布局。超精密机床要求高的刚度，故多用龙门形式，滑板在横梁上作x向运动，刀架在滑板上作z向的上下运动。这种十字滑板结构x向的运动精度将直接影响z向的运动精度。在机床精度要求特别高时，可采取特殊的在线测量和误差补偿措施，来补偿消除运动误差，如美国的LODTM大型超精密立式机床。根据要设计的车床的加工要求，故采用前述的第一种布局方式，即十字形滑座结构。这种布局能够保证主轴部分固定，降低因主轴运动过程中产生的误差、振动等对加工精度的影响。

三、模块化设计

1.模块化设计的概念及优势模块是具有独立功能和输入、输出的标准部件。机床的部件一般指分部件、合成件和零件等基本元件的组合体。模块具有以下特点：（l）标准化既有给定的功能，又有标准的继承或组合连接方式（如连接结构、尺寸等）。标准化的模块可以在不同的产品及不同的企业中被广泛应用。（2）系列化为最大限度且经济合理地满足市场对某类模块化产品的要求，客观上决定了组成该类产品的各具体模块必须设计成相应的系列化模块，以使它们在一定的范围内得到应用。（3）通用化由于系列化的模块一般只局限于满足某类产品，而标准化的模块虽然能满足不同类型的产品，但成本较高，为此，设计满足在数类产品范围内的通用模块是必要的，这就是模块的通用化。（4）组合化组合化是指模块在结构上的叠加。一定类型的模块有其相应的标准连接和尺寸，它通过模块间的叠加连接，便会组合成具有不同功能的各类产品。（5）集成化集成化是指模块在功能上的有机融合。不同功能的模块，通过先进的集成处理方法可有机地集成为具有被处理各模块主功能的新模块，也就是说模块的集成化是具有不同功能模块在结构上的一体化。

2.模块的划分在进行模块化机械产品的设计时，首先要把目标产品划分成若干模块，然后再以模块为基本单元进行设计制造。模块划分应遵循的原则：（l）尽量减少产品中包含的模块数，减少模块本身的复杂程度，以避免模块在组合时产生混乱。（2）以有限的模块数来获得尽可能多的有用组合方案，以满足用户的需求。（3）划分中务必使模块具有一定的独立性和结构完整性。（4）要充分注意模块间的结合要素，以便于结合与分离。（5）要充分考虑模块划分对产品精度、刚度的影响，超精密车床结构设计及仿真。（6）模块的单元划分应该考虑其经济性。

3.机床的模块化结构设计床身要支撑整机的重量，它应具有良好的刚度和强度，根据机床的性能不同，可以采取不同形式的床身，比如台式、立式、卧式等型；也可以采用不同材料作床身，比如优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。1）优质耐磨铸铁。铸铁是制造床身的传统材料，它的优点是工艺性好。选用耐磨性好，热膨胀系数低，对振动衰减能力强，并经时效处理的优质合金铸铁作超精密机床的床身，可以得到满意的结果。2）花岗岩。花岗岩现在已是制造三坐

标测量机和超精密机床的床身的热门材料，这是因为花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并且不会生锈等。用花岗岩作床身时，一般都用整体方块，钻孔埋入螺母以便和其它件连接。但花岗岩加工比较困难，而且吸湿后会产生微量变形，影响精度。精密导轨的选择。精密导轨是超精密机床的直线性基准，对它的基本要求是：1）运动平稳，动作灵活，直线运动时绝对没有爬行等不连续动作；2）有极高的直线运动精度，并且能长期保持它的精度；3）在实际应用中有与使用条件相适应的刚度；4）高速运动时发热量要少；5）维护保养要容易。

参考文献

[1]王先逵.精密和超精密加工技术.机械工人（冷加工）[J].北京.2000，（8）.

[2]何雅全.吴明根.超精密加工基础[J].北京：1993.

作者简介：黄宝琦（1974-），男，陕西西安人，现供职于陕西东鑫垣化工有限责任公司。