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大行程超精密工作台关键技术

发布时间:2019-07-28  发布者:亿创量具

1)总体方案

目前大行程超工作台的设计方案主要有两种设计思路:一是单级进给方式,采用直线电机非接触进给或利用静摩擦驱动进给;二是两级进给方式,即采用粗动与精动系统相结合,以达到高的定位精度和分辨率。两级进给的方案与单级进给相比,优点是可以结合目前成熟的大行程工作台技术与压电陶瓷驱动器的优点,降低技术难度和研制风险,但是不可避免的使工作台的结构复杂化并增加了控制系统的控制难度。因此单级进给实现纳米级分辨率是以后的发展方向。

2)工作台材料

超工作台要求工作台具有小质量、高刚度和低热变形。因此大理石平台的材料选择应遵循如下原则:密度小、低热传导率、低热膨胀、弹性模量大。目前传统工作台的材料仍然为钢材,但是其密度大、热导率与热膨胀系数大,使得工作台的性能受到影响。有些机床为了降低热变形的影响,在结构上采用了低热膨胀的殷钢,但综合性能仍然不够理想。

工程结构陶瓷由于其高强度、高硬度和、耐辐射、抗腐蚀等优点已逐渐成为工程技术特别是技术的关键材料,将工程结构陶瓷应用在平台上是一种发展趋势。氧化铝陶瓷的密度为钢的一半,热导率与热膨胀系数也均约为钢的一半,弹性模量比钢高一倍,综合性能比钢要好,因此如口本东京工业大学与住友重工研制的超工作台都采用了氧化铝陶瓷作为结构材料。因此开发新的结构材料成为提高超工作台性能的关键技术之一。

3)导轨

一般的导轨形式有滑动、滚动和静压三种形式。其中滑动导轨中导轨副之间是滑动摩擦,由于导轨副材料之间存在动、静摩擦系数的差异,会产生爬行现象,同时存在磨损,使用寿命不长,在高工作台中很少采用滑动导轨。滚动导轨中采用钢球或滚柱作为滚动体,具有较小的摩擦系数,动静摩擦系数的差异小,可以避免爬行现象的产生。但滚动导轨中由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触,其抗振性与滑动导轨相比较差。

磁悬浮导轨是近几年来兴起的一门新技术。它利用磁悬浮原理,与气垫技术相比,磁浮具有无声、易控、等优点。因此,磁浮技术在空间和高速列车等技术领域得到了应用。目前实现磁浮的方式主要有:利用永磁体之间的排斥力;利用超导技术产生磁浮;利用感应涡流产生悬浮;利用可控直流电磁铁实现悬浮。其中磁悬浮导轨主要利用感应涡流原理和可控直流电磁铁技术。但是磁悬浮导轨存在发热大,控制复杂等缺点,限制了其在超加工领域的应用。

大理石平台在已经研制的大行程工作台中多采用静压导轨,静压导轨又可以分为液体静压导轨和气体静压导轨。液体静压导轨由于油的勃性剪切阻力而发热量比较大,因此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。这些缺点限制了其在工作台中的应用。

从精度的角度看,空气静压导轨是现在较好的导轨。因此在已研制的超进给平台中得到了广泛应用。此外,气体静压导轨还具有以下优点:摩擦系数和摩擦力矩很小、气体支承可在较清洁的状态下工作、具有冷态工作的特点、运动精度高、寿命长、可以在很宽的温度范围和恶劣环境中工作、能够保持很小的间隙。

4)驱动方式

传统的驱动方式是采用滚珠丝杠结合旋转伺服电机的方式,但是由于存在螺纹空程和螺距误差的原因,导致进给的精度在微米级。因此为实现纳米级的进给,人们研究了静压丝杠传动、摩擦驱动、直线电机直接驱动。

静压丝杠传动由于螺母与丝杠之间并不直接接触,而是由一层高压液体隔开,因此没有了由于摩擦引起的爬行和反向间隙,可以长期保持精度,又由于油膜均化作用,可以提高进给精度,在较长的行程上,可以达到纳米级的定位分辨率。静压丝杠的缺点是结构复杂,轴向刚度和承载能力小。

摩擦传动具有正反空程小,传动平稳,噪音小等优点,适合定位。其不足之处是负载能力小,不能够产生太大的驱动力,否则传动过程容易产生打滑现象,因此限制了摩擦驱动的应用范围。

与传统机床进给驱动相比,直线电机驱动具有以下优点:省略了中间转换机构,减少了机械磨损,系统运行时可以保持高增益,实现的进给前馈,对给定的加工路径可以用高速进行准确跟随,从而保证了机床的高精度和使用寿命。运行时,直线电机不象旋转电机那样会受到离心力作用,因此其直线速度不受限制。直线驱动的惯性主要存在于滑台,因此加工时可以有很高的加速度。直线电机靠电磁推力驱动,故系统噪声很小,了工况环境。过去应用直线电机驱动主要集中在高速进给领域,利用了它可以有很高的加速度和运行速度的优点,但随着电机技术的发展,直线电机驱动开始向定位发展。


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