五軸超精密加工機床底座設(shè)計技術(shù)研究
2024-4-9 來源： 航空工業(yè)北京航空精密機械研究所 作者： 張 彬
【摘要】: 機床底座是超精密加工機床的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性、精度保持性對超精密加工機床的精度指標有較大影響。本文介紹了目前國內(nèi)外超精密加工機床典型的底座結(jié)構(gòu)，利用有限元工具分析設(shè)計了五軸超精密加工機床底座，經(jīng)檢測，該機床底座的實際精度滿足指標要求。
【關(guān)鍵詞】: 超精密加工 ; 機床 ; 有限元分析
1. 序言
超精密加工技術(shù)代表著制造業(yè)的最前沿和發(fā)展方向，超精密加工技術(shù)的發(fā)展直接影響到一個國家尖端先進技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展，因此，世界各國對超精密加工技術(shù)都非常重視，投入非常大的人力物力進行研究開發(fā)。隨著航空航天、高精密儀器、光學和激光等技術(shù)的迅速發(fā)展和在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對各種高精度復(fù)雜零件、光學零件等超精密表面的加工需求日益迫切，因此，超精密加工設(shè)備成為新的開發(fā)熱點，目前，國外已開發(fā)了多種超精密車削、磨削、拋光等機床設(shè)備，并逐漸與新技術(shù)相融合，發(fā)展了新的超精密加工設(shè)備。
最近幾年，我國的機床設(shè)備制造業(yè)發(fā)展很快，成為世界機床最大消費國和第一大進口國，在精密機床設(shè)備研發(fā)、制造方面取得了很大的進展，但在超精密機床設(shè)備領(lǐng)域仍和國外有較大差距。由于國外對我們封鎖禁運一些重要的超精密、高精度機床設(shè)備和儀器，而這些超精密、高精度的設(shè)備儀器正是國防和尖端先進技術(shù)發(fā)展所迫切需要的，我們必須投入必要的人力物力，自主開發(fā)超精密、高精度的設(shè)備，使我國的國防和科技發(fā)展不會受制于人。我所多年來一直從事超精密加工機床的研究工作，最新研制的五軸超精密五軸加工機床如圖 1 所示，該機床的主要結(jié)構(gòu)特點如下 :
1. 底座支架 2. 隔振氣墊 3. 花崗石底座 4. X 軸導(dǎo)軌 5. Z 軸導(dǎo)軌 6. Y 軸垂直導(dǎo)軌 7. 工件 C 軸 8. B 軸
圖 1 五軸超精密加工機床總體結(jié)構(gòu)圖
① 利用花崗石底座支撐，采用T型布局方式，X、Z 采用液體靜壓導(dǎo)軌直線電機驅(qū)動，互相垂直布置。
② 垂直 Y 軸導(dǎo)軌采用液體靜壓導(dǎo)軌直線電機驅(qū)動，以及基于氣體靜壓技術(shù)的卸荷氣缸，Y軸導(dǎo)軌布置在 X 導(dǎo)軌上。
③ 工件主軸 C 軸采用氣體靜壓軸承，無框力矩電機直接驅(qū)動，采用圓光柵反饋控制，同時具備工件主軸和位置伺服軸的功能，C 軸布置在Y 拖板中間。
④ B 軸采用液體靜壓軸承，無框力矩電機直接驅(qū)動，采用圓光柵反饋控制，具備位置伺服控制功能，Y 軸布置在 Z 軸導(dǎo)軌之上。
⑤ 高速銑頭、刀架、工件位置檢測系統(tǒng)等布置在 B 軸之上。
⑥ 刀具位置非接觸檢測裝置、動平衡系統(tǒng)布置在 C 軸之上。
2. 超精密加工機床底座設(shè)計
機床底座是整個超精密加工機床的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性、精度保持性等對整個超精密加工機床的精度指標有非常大的影響。天然花崗石材料由于良好的吸震性、穩(wěn)定性等性能，是超精密加工機床首選的底座材料。根據(jù)現(xiàn)有國外機床和國內(nèi)自研機床的相關(guān)資料，機床底座部件設(shè)計有兩種結(jié)構(gòu)可以考慮 :
一是 4 個支點在花崗石底座外面，如圖 2 所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是支撐點與導(dǎo)軌面及整體質(zhì)心位置靠近，有利于機床整體性能的提高，但占地面積較大，而且機床外罩的設(shè)計相對較難，一般來說大型超精密加工設(shè)備都采用此類結(jié)構(gòu)。
圖 2 超精密機床床身結(jié)構(gòu) I
二是 4 個支點在花崗石下方，如圖 3 所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點正好與第一方案相反，結(jié)構(gòu)相對緊湊，但是支點離整體質(zhì)心位置相距較遠，國外一般中小型超精密機床采用此類結(jié)構(gòu)。同時針對此類結(jié)構(gòu)的不足，也采取了相應(yīng)的改進措施。如美國 Moore 公司的設(shè)備在床身底部加了降低機床重心用的鑄鐵底座。
圖 3 超精密機床床身結(jié)構(gòu) II
為此，本機床設(shè)計時可以采用如圖 4 的機床底座設(shè)計結(jié)構(gòu)，花崗石底座不是一塊長方體的平板，而是在下面多了重約 1.8t 的一體花崗石，同樣起到了降低機床重心的作用，這樣就降低了整機重心與隔振支撐點的距離，有利于機床動態(tài)特性的提高。
圖 4 機床底座及隔振系統(tǒng)設(shè)計
具體實施方法如下 :
在2000mm×1400mm×500mm見方的花崗石 4 個角及四邊去除石料。其中 4 個角用于安放隔振氣墊，隔振氣墊安放在用型鋼連接而成的底座支架上，床身支架的左右側(cè)面及后面可以加掛類似氣控柜、電控過渡柜等柜體，如圖 5 所示，但是種結(jié)構(gòu)由于采用的花崗石較厚，會增大整個機床底座的成本，同時由于其實心結(jié)構(gòu)，一定程度上會影響整臺機床的布局。
圖 5 加配重塊的機床底座設(shè)計
因此，在上述方案的基礎(chǔ)上考慮采用配重塊（加鉛丸（或鉛塊））的方法降低機床底座的重心，如圖 5 所示，這種布置方式的優(yōu)勢是降低了花崗石底座平臺的厚度，從而可以降低機床底座的成本，同時機床底座下方可以騰出空間，便于機床整體布局，因此在機床設(shè)計時擬采用這種底座結(jié)構(gòu)方式。但是這種方式帶來的缺點是由于減小了花崗石平臺的厚度，加之加上了配重負載，同時由于機床導(dǎo)軌等部件增加的負載，可能會極大地增加花崗石底座的變量，因此需要對底座支點的位置及配重塊的布置位置進行優(yōu)化設(shè)計，盡量減小底座的變形，下面利用有限元工具對設(shè)計的機床底座進行分析設(shè)計，得到滿足要求的機床底座。
3. 機床底座分析
3.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析
機床底座分析模型如圖 6 所示，為簡化分析，利用質(zhì)量單元模擬 X/Z 軸，Y 軸、B 軸及 C 軸等進行分析，施加標準重力載荷，按照底部四點支撐進行約束分析邊界條件，花崗石底座變形分析結(jié)果如圖 7 所示，最大變形為 0.13mm，最小變形 0.07mm，得到位移差 0.06mm 為花崗石底座的凈變形。
圖 6 機床床身部件分析模型
圖 7 花崗石底座分析結(jié)果
選取 X/Z 導(dǎo)軌所處位置兩條路徑，查看位移結(jié)果如圖 8 所示，由路徑結(jié)果有，Z 軸導(dǎo)軌處路徑凈變形差值 0.045mm，X 軸導(dǎo)軌處路徑凈變形差值為 0.013mm。這兩個變形結(jié)果包含花崗石底座自重變形結(jié)果與加載 ( 含 X/Z,Y 軸等重量 )
綜合結(jié)果。
圖 8 X/Z 軸導(dǎo)軌所在處路徑結(jié)果
花崗石底座如此大的變形無法滿足機床的要求，為減小底座變形對導(dǎo)軌精度的影響，擬采用更改配重布局及支撐點位置的方案來減小變形，將原有的 2 個配重更改為 4 個配重，并將每 2 個配重布置在支點的兩側(cè)，同時減小原長度方向的兩個支點之間的跨距，經(jīng)多次優(yōu)化后設(shè)計的機床底座的分析數(shù)模如圖 9 所示。
圖 9 優(yōu)化后機床底座模型
整體變形分析結(jié)果如圖 10(a) 所示，最大變形發(fā)生在支架橫梁處 0.1mm; 由于實際工作時，精度主要體現(xiàn)在花崗石底座上平面上，去掉花崗石底座的底部支架后，花崗石底座變形分析結(jié)果如圖 10(b) 所示，最大變形為 4μm（消除了底座支架的影響結(jié)果），可以滿足機床設(shè)計指標需要，因此機床底座擬采用花崗石底座 +4 個配重塊的設(shè)計方案。
圖 10 優(yōu)化后整體變形結(jié)果
同樣選取 X/Z 導(dǎo)軌所處位置兩條路徑，查看位移結(jié)果如圖 11 所示，由路徑結(jié)果有，Z 軸導(dǎo)軌處路徑凈變形差值 0.001mm，X 軸導(dǎo)軌處路徑凈變形差值為 0.0018mm，完全能夠滿足設(shè)計要求。
圖 11 X/Z 導(dǎo)軌所在處路徑結(jié)果
由于底座自重及負載重量作用，底座平面會發(fā)生變形，為消除此變形對平面度精度的影響，因此，根據(jù)分析結(jié)果，擬在后續(xù)加工時，要采取以下措施盡可能消重力變形趨勢的影響，提高各軸導(dǎo)軌的直線精度。
措施 1: 花崗石底座加工時采用與實際相同位置處支撐點支撐后，再進行精加工 ;措施 2: 將花崗石底座研磨加工成中間鼓出來約 2~3μm 左右，注意同時保證 X/Z 軸導(dǎo)軌固定處的直線度 ;措施 3: 將 X/Z 軸導(dǎo)軌底座固定到花崗石底座上后，再進行導(dǎo)軌底座的精加工。
3.2 隔振系統(tǒng)設(shè)計
綜合國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的性能及價格，機床底座的隔振系統(tǒng)擬采用德國 BILZ 公司的 BiAir 系列隔振氣墊、以及配套的電 / 氣定位控制系統(tǒng)EPPC，如圖 12 所示。
圖 12 Bilz 隔振系統(tǒng)
根據(jù)機床總體設(shè)計的模型，計算出機床需要隔離振動的機床重量分配表如表 1 所示，機床總重共計 6907Kg，本機床底座擬采用 4 個氣墊支撐、三點調(diào)平方式，折算到每個氣墊上的載荷為1726.75kg。
表 1 機床重量分配表
根據(jù)上述計算結(jié)果，選取的隔振氣墊型號為BiAirED/-2.5，性能指標如下 :單個氣墊承載 :1967kg（氣體壓力 @4bar）、隔振頻率 2.5/2.8Hz，調(diào)平精度 ±0.01mm。
4. 機床底座精度檢測
根據(jù)上述分析設(shè)計的超精密機床底座，花崗石底座采用四點支撐進行現(xiàn)場研磨加工，加工后其精度測試結(jié)果如圖 13 所示，平面度 4.3μm，精度指標滿足設(shè)計的要求，同時加工成為中間略鼓的形狀，有利用在安裝各個運動軸后，保持整體的平面度精度，在此底座上安裝 X/Z 軸底座后，精度保持良好。
圖 13 機床底座精度檢測結(jié)果 4.3μm( 圖紙要求 5μm)
5. 結(jié)論
超精密加工機床底座設(shè)計，借鑒了之前較為成熟的技術(shù)，并最終采用了花崗石底座 +4 個配重塊設(shè)計，設(shè)計過程中采用了有限元計算及仿真，成了機床底座設(shè)計，根據(jù)實際的機床底座的檢測結(jié)果，設(shè)計方案完全可以滿足整臺機床的指標要求。
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