一、概述

　　超精密加工機(jī)床的設(shè)計(jì)目前尚無(wú)一套成熟的設(shè)計(jì)方法，往往是在已有經(jīng)驗(yàn)和使用情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)床的設(shè)計(jì)。參考國(guó)內(nèi)外一些資料，把超精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本思想歸納如下：(1)結(jié)構(gòu)上盡可能地提高剛度;(2)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單;(3)床身形狀要簡(jiǎn)單、質(zhì)量要大、固有振動(dòng)頻率要低;(4)定位精度要很高，而且定位方式應(yīng)采用閉式控制方式，進(jìn)給的分辨率要高。

　　二、超精密車床的總體布局

　　超精密車床的總體布局直接影響機(jī)床的性能和精度。根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，現(xiàn)在超精密機(jī)床的總體布局有下面幾種。

　　1.十字形滑座結(jié)構(gòu) 十字形滑座結(jié)構(gòu)即主軸箱部分固定不動(dòng)，刀架裝在十字形滑板上。這種布局結(jié)構(gòu)要求十字形滑板的上下導(dǎo)軌，不僅要求有很高的直線運(yùn)動(dòng)精度，而且要有非常嚴(yán)格的相互垂直精度，這要求有很高的制造精度，才能滿足超精密機(jī)床的精度要求，否則下滑板的運(yùn)動(dòng)誤差將影響上滑板的運(yùn)動(dòng)精度。而且，現(xiàn)在的精密機(jī)床，都采用雙頻激光干涉儀作z、x方向運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)位置檢測(cè)。這時(shí)采用十字形滑座結(jié)構(gòu)很不方便，因?yàn)椋旱谝?，必須有一路雙頻激光干涉儀裝在移動(dòng)的十字形滑座上，這將降低測(cè)量精度;第二，雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)有一定的體積，使整個(gè)工作臺(tái)系統(tǒng)高度大大增加。采用這種布局時(shí)，主軸箱部分固定不動(dòng)，因此，主軸用傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)很方便，電動(dòng)機(jī)可以有單獨(dú)地基，可以減少電動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)主軸的影響。

　　2.T形布局 近年生產(chǎn)的超精密機(jī)床主軸，采用內(nèi)裝式同軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，沒(méi)有帶輪和單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)座，主軸箱成為可移動(dòng)的部件。采用橫、縱運(yùn)動(dòng)分離，由主軸箱部件(縱向)和刀架(橫向)共同完成，橫、縱向?qū)к壎挤旁跈C(jī)床的床身上，成T形布局，兩導(dǎo)軌可以基本在同一高度上。這種布局結(jié)構(gòu)，有利于提高導(dǎo)軌的制造精度和運(yùn)動(dòng)精度。同時(shí)，檢測(cè)z、x向運(yùn)動(dòng)位置的雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)可以裝在固定不動(dòng)的床身上，僅將測(cè)量位置的反射鏡裝在z、x方向的移動(dòng)部件上。這樣不僅使測(cè)量系統(tǒng)的安裝要簡(jiǎn)單得多，而且可以大大提高測(cè)量精度。現(xiàn)在的中小型超精密機(jī)床常采用這種布局。

　　3.R-θ布局 刀架溜板裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角θ和半徑r，可加工非球曲面。在加工的工件厚度改變時(shí)，主軸箱(或回轉(zhuǎn)工作臺(tái))需要在z向調(diào)整。這種布局的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工、調(diào)整、計(jì)算和習(xí)慣用的不一致，因此用的不多。

　　4.立式結(jié)構(gòu)布局 當(dāng)工件直徑較大并且重量較重時(shí)，超精密機(jī)床多采用立式結(jié)構(gòu)布局。超精密機(jī)床要求高的剛度，故多用龍門(mén)形式，滑板在橫梁上作x向運(yùn)動(dòng)，刀架在滑板上作z向的上下運(yùn)動(dòng)。這種十字滑板結(jié)構(gòu)x向的運(yùn)動(dòng)精度將直接影響z向的運(yùn)動(dòng)精度。在機(jī)床精度要求特別高時(shí)，可采取特殊的在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償措施，來(lái)補(bǔ)償消除運(yùn)動(dòng)誤差，如美國(guó)的LODTM大型超精密立式機(jī)床。根據(jù)要設(shè)計(jì)的車床的加工要求，故采用前述的第一種布局方式，即十字形滑座結(jié)構(gòu)。這種布局能夠保證主軸部分固定，降低因主軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差、振動(dòng)等對(duì)加工精度的影響。

　　三、模塊化設(shè)計(jì)

　　1.模塊化設(shè)計(jì)的概念及優(yōu)勢(shì) 模塊是具有獨(dú)立功能和輸入、輸出的標(biāo)準(zhǔn)部件。機(jī)床的部件一般指分部件、合成件和零件等基本元件的組合體。模塊具有以下特點(diǎn)： (l)標(biāo)準(zhǔn)化既有給定的功能，又有標(biāo)準(zhǔn)的繼承或組合連接方式(如連接結(jié)構(gòu)、尺寸等)。標(biāo)準(zhǔn)化的模塊可以在不同的產(chǎn)品及不同的企業(yè)中被廣泛應(yīng)用。(2)系列化為最大限度且經(jīng)濟(jì)合理地滿足市場(chǎng)對(duì)某類模塊化產(chǎn)品的要求，客觀上決定了組成該類產(chǎn)品的各具體模塊必須設(shè)計(jì)成相應(yīng)的系列化模塊，以使它們?cè)谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)得到應(yīng)用。(3)通用化由于系列化的模塊一般只局限于滿足某類產(chǎn)品，而標(biāo)準(zhǔn)化的模塊雖然能滿足不同類型的產(chǎn)品，但成本較高，為此，設(shè)計(jì)滿足在數(shù)類產(chǎn)品范圍內(nèi)的通用模塊是必要的，這就是模塊的通用化。 (4)組合化組合化是指模塊在結(jié)構(gòu)上的疊加。一定類型的模塊有其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)連接和尺寸，它通過(guò)模塊間的疊加連接，便會(huì)組合成具有不同功能的各類產(chǎn)品。 (5)集成化集成化是指模塊在功能上的有機(jī)融合。不同功能的模塊，通過(guò)先進(jìn)的集成處理方法可有機(jī)地集成為具有被處理各模塊主功能的新模塊，也就是說(shuō)模塊的集成化是具有不同功能模塊在結(jié)構(gòu)上的一體化。

　　2.模塊的劃分 在進(jìn)行模塊化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要把目標(biāo)產(chǎn)品劃分成若干模塊，然后再以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。模塊劃分應(yīng)遵循的原則：(l)盡量減少產(chǎn)品中包含的模塊數(shù)，減少模塊本身的復(fù)雜程度，以避免模塊在組合時(shí)產(chǎn)生混亂。(2)以有限的模塊數(shù)來(lái)獲得盡可能多的有用組合方案，以滿足用戶的需求。(3)劃分中務(wù)必使模塊具有一定的獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性。(4)要充分注意模塊間的結(jié)合要素，以便于結(jié)合與分離。(5)要充分考慮模塊劃分對(duì)產(chǎn)品精度、剛度的影響，超精密車床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真。(6)模塊的單元?jiǎng)澐謶?yīng)該考慮其經(jīng)濟(jì)性。

　　3.機(jī)床的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 床身要支撐整機(jī)的重量，它應(yīng)具有良好的剛度和強(qiáng)度，根據(jù)機(jī)床的性能不同，可以采取不同形式的床身，比如臺(tái)式、立式、臥式等型;也可以采用不同材料作床身，比如優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。1)優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵。鑄鐵是制造床身的傳統(tǒng)材料，它的優(yōu)點(diǎn)是工藝性好。選用耐磨性好，熱膨脹系數(shù)低，對(duì)振動(dòng)衰減能力強(qiáng)，并經(jīng)時(shí)效處理的優(yōu)質(zhì)合金鑄鐵作超精密機(jī)床的床身，可以得到滿意的結(jié)果。2)花崗巖?；◢弾r現(xiàn)在已是制造三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和超精密機(jī)床的床身的熱門(mén)材料，這是因?yàn)榛◢弾r比鑄鐵長(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，對(duì)振動(dòng)的衰減能力強(qiáng)，硬度高、耐磨并且不會(huì)生銹等。用花崗巖作床身時(shí)，一般都用整體方塊，鉆孔埋入螺母以便和其它件連接。但花崗巖加工比較困難，而且吸濕后會(huì)產(chǎn)生微量變形，影響精度。精密導(dǎo)軌的選擇。精密導(dǎo)軌是超精密機(jī)床的直線性基準(zhǔn)，對(duì)它的基本要求是：1)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈活，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)絕對(duì)沒(méi)有爬行等不連續(xù)動(dòng)作;2)有極高的直線運(yùn)動(dòng)精度，并且能長(zhǎng)期保持它的精度;3)在實(shí)際應(yīng)用中有與使用條件相適應(yīng)的剛度;4)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量要少;5)維護(hù)保養(yǎng)要容易。