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浅谈超精密数控车床关键技术

发布日期: 2018-03-05
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   1、机床系统总体综合设计技术
  超精密数控车床的设计、制造技术已升华到一种艺术境界,非常规方法能及。
  常规机床在设计与制造等技术环节上要求相对较低,而超精密机床各环节基本都处于一种技术极限或临界应用状态,哪个环节考虑或处理不周就会导致整体失败。因此,设计上需对机床系统整体和各部分技术具有全面、深刻的了解,并依可行性,从整体zui优出发,周详地进行关联综合设计。否则,即便是全部采用的部件、子系统,堆砌方法仍会导致失败。如机床设计必须对误差源进行周详分析,识别其耦合机制并且以传递函数表达,用综合原则对主要误差进行分配和补偿。
  2、高刚性、高稳定机床本体结构设计和制造技术
  尤其是机床,由于机身大、自身重、承载工件重量变化大,任何微小的变形都会影响加工精度。结构设计除从材料、结构形式、工艺方面达到要求外,还须兼顾机床运行时的可操作性。
  如为了获得高稳定性能,床身设计成高整体性,尽量减少装配环节;整体热处理,需解决相应大尺寸的热处理设备、工艺;床体精加工时需严格模拟实际工作状态进行精密修正等。
  3、超精密工件主轴技术
  中小型机床常采用空气静压主轴方案。空气静压主轴阻尼小,适合高速回转加工应用,但承载能力较小。空气静压主轴回转精度可达0.05μm。
  超精密机床主轴承载工件尺寸、重量大,一般宜采用液体静压主轴。液体静压主轴阻尼大、抗振性好、承载力大,但主轴高速时发热多,需采取液体冷却恒温措施。液体静压主轴回转精度可达0.1μm。
  工件主轴用于速度控制模式时,主轴角度编码器分辨率要求不高。当用于XZC位置控制模式时,为了保证加工工件的表面质量,编码器分辨率要求非常高,可达0.06″。
  为了保证主轴精度和稳定性,无论气压源或液压源都需进行恒温、过滤和压力精密控制处理。
  4、超精密导轨技术
  早期的超精密数控车床采用气浮静压导轨技术。气浮静压导轨易于维护,但阻尼小,承载抗振性能差,现已较少采用。闭式液体静压导轨具有高抗振阻尼、高刚度、承载力大的优势。国外主要的超精密加工现在主要采用液体静压导轨。超精密的液体静压导轨的直线度可达到0.1μm。
  5、纳米(A°)级分辨率动态超精密坐标测量技术
  早期的超精密机床坐标测量系统采用激光干涉测量方式。激光干涉测量是一种高精度的标准几何量测量基准,但是易受环境因素(气压、湿度、温度、气流扰动等)影响。这类因素容易影响刀具控制,从而影响工件的表面加工质量。
  现今的超精密数控车床坐标测量系统大多采用衍射光栅。光栅测量系统稳定性高,分辨率可达纳米级。为了进一步获得较高的位置控制特性和表面加工质量,采用DSP细分,测量系统分辨率可达A°级。
  6、纳米级重复定位精度超精密传动、驱动控制技术
  为了实现光学级的确定性超精密加工,机床必须具有纳米级重复定位精度的刀具运动控制品质。伺服传动、驱动系统需消除一切非线性因素,特别是具有非线性特性的运动机构摩擦等效应。因此,采用气浮、液浮等方式应用于轴承、导轨、平衡机构成了必然的选择。
  伺服运动控制器除了具有高分辨率、高实时性要求外,在控制方程及模式技术上也需不断进步。实验证明:研制系统进行曲面加工控制时,高性能伺服运动控制器执行一阶无差、二阶有差控制,刀具轨迹动态跟踪有滞后现象。这种滞后量虽小,精密加工可不计,但超精密加工中不可忽略。
  7、开放式高性能CNC数控系统技术
  从加工精度和效能出发,数控系统除了满足超精密机床控制显示分辨率、精度、实时性等要求,还需扩展机测量、对刀、补偿等许多辅助功能。因为通用数控系统难以满足要求,所以国外的超精密机床现在基本都采用PC与运动控制器相结合研制开放式CNC数控系统模式。这种模式既可使数控系统实现高的轴控性能,还可获得高的功能可扩充性。
  超精加工与一般精度加工不同,加工需辅以测量反复迭代进行。为了减少工件再定位引入的安装误差,或解决大尺寸、复杂型面无有效测量仪器问题,机床在机需配置各种光学、电子测量仪器和补偿处理手段。对此,PC与运动控制器相结合的开放式CNC数控系统可发挥其优势。
  8、高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术
  (1)机床隔振及水平姿态控制。
  振动对超精密加工的影响非常明显。机床隔振需采取特殊的地基处理和机床本体气浮隔振复合措施。气浮隔振系统采用具有位置控制的主动式气垫。机床支撑在4个气垫上,并形成3点动态可调平支撑。
  机床体气浮隔振系统还需具备自动调平功能,以防止机床加工中水平状态变化对加工的影响。对于隔振要求高的机床,隔振系统的自然频率要求在1Hz以下。
  对于超精密数控车床的液压源、冷却水源的脉动也必须采取措施,如采取脉动滤波装置等。
  (2)温度控制。
  对机床来说,机床和工件尺寸大,受温度影响也大。在同样的切削量和线速度下,大工件的加工周期长,温度对加工精度的影响非常大。
  因此,机床温控要求非常高,机床床体恒温水、液压系统控温为0.0005℃,机房空气控温为0.003℃。
  对于小型商品化的机床,温度控制要求不需太高(0.5℃)。这是因为小零件的高速加工时间短,温度影响相对较小且易控。
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