閉式靜壓導軌在精密平面磨床中的應用*

杜 雄 何雨倩 忻曉蔚

(上海機床廠有限公司 上海200093)

所謂超精密加工技術，它涵蓋了超精密車削技術、超精密銑削技術、超精密磨削技術、表面鏡面拋光技術和超精密特種加工技術等，這幾種超精密加工技術的共性技術基礎是超精密機床技術。為了實現高精度的要求，國內外機床的進給運動一般采用高運動精度的氣體或液體靜壓導軌結構。

光學玻璃是應用于激光技術、光電通訊、航空航天以及國防工業等領域的光學元件。某公司在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題資助下，研制了適應大尺寸光學玻璃磨削加工用的H402-AZ數控專用平面磨床。機床結構采用了液體靜壓導軌和靜壓電主軸技術。

對于機床所采用的靜壓導軌來說，其關鍵技術體現在如下幾個方面：（1）靜壓導軌參數計算技術；（2）靜壓導軌有限元仿真與性能優化技術；（3）靜壓導軌加工與裝配技術；（4）靜壓導軌精度保持性技術。本文在文獻[1]介紹工作臺采用雙層靜壓導軌結構的基礎上，對機床的Y軸和Z軸所采用的閉式靜壓導軌結構設計進行描述，并對機床靜壓所在的三個直線軸的裝配進行了說明。

1 機床閉式靜壓導軌總體設計

根據液體靜壓導軌的工作環境和所承受的載荷的情況不同，其結構形式上有開式和閉式之分。開式導軌依靠運動件自重和外載荷來保持運動件不從基礎靜導軌件上分離，顯而易見，開式導軌只能承受單向載荷，承受偏載和傾覆力矩的能力差。相反，閉式導軌不僅僅依靠運動件的自重和外載荷，同時其自身封閉的結構形式也可以保證運動件不從基礎靜導軌件上分離，通過在上下導軌面開設油腔承受雙向外載荷，承受偏載和傾覆力矩的能力明顯提高。目前靜壓導軌的驅動有直線電機直接驅動和伺服電機通過滾珠絲杠的間接驅動兩種。直線電機直接驅動具有運動慣量小、動態響應快等特點，其主要問題是電機發熱問題。伺服電機間接驅動由于受滾珠絲杠動態響應慢的影響，性能難以提升太多。這兩種驅動形式各有自身的優點，結構設計時都要考慮，對于動態響應要求高的地方，優先選用直線電機。

由于超精密大尺寸光學玻璃的磨削主要是上下兩個平面的加工，專用磨床采用龍門式臥軸矩臺的結構布局方式，工作臺實現X軸的運動，龍門式雙立柱橫梁實現砂輪架Y軸和Z軸運動，砂輪架底部掛有靜壓電主軸系統，實現S軸的主運動。

與鑄鐵相比，花崗巖在尺寸穩定性、熱膨脹系數、振動衰減能力、硬度、耐磨性和抗腐蝕性等方面的性能優越，床身、工作臺面和橫梁選用了整體花崗巖結構。為了實現工作臺在床身上大行程、平穩、可靠的X軸往復運動，在傳統閉式靜壓導軌的基礎上開發了高剛性、高精度的直線電機直接驅動的大平面閉式靜壓導軌[1]。為了實現Z軸橫向運動，設計了半閉式靜壓導軌結構，如圖1所示，砂輪架的滑座連接壓板后騎跨在大理石橫梁上，橫梁與壓板相對的表面、橫梁的頂面、橫梁與滑座下端側面相對的上下兩個凸起形成的右側面皆為平面，橫梁為外購件，采購進來前就做好了精度，已經滿足結構設計所需的尺寸和形位公差要求。壓板和滑座為自制件，與橫梁相對的壓板左側面上沿Z軸方向設有一對油腔7和8，與橫梁頂端相對的滑座下側表面、靠近橫梁的左側沿Z軸方向設有一對油腔1和2，與橫梁右側面相對的滑座左側表面沿 Z軸方向設有上下2組油腔，上面的一組為油腔3和4，下面的一組為油腔5和6。由于油腔1和2偏向橫梁的右側，可有效承受砂輪架的重力，也就是說，這對油腔的尺寸設計主要與砂輪架的重力外載相關。油腔5和6在橫梁右側表面的下端，形成的油腔壓力可承受砂輪架重力產生的力矩。設置在壓板上的油腔7和8，與油腔3和4形成閉式靜壓導軌結構就可保證砂輪架沿Z軸的運動精度。采用上述半閉式的靜壓導軌結構后，Z軸的驅動只能采用伺服電機驅動滾珠絲杠的傳動形式。

圖1 橫梁Z軸半閉式靜壓導軌結構示意圖

由于砂輪架實現鉛垂方向Y軸運動的過程中存在重力影響，采用直線電機驅動需要增加配重，因此Y軸驅動仍采用伺服電機驅動滾珠絲杠的傳動形式。以文獻[1]的閉式靜壓導軌形式為基礎上，設計了圖2所示的閉式靜壓導軌結構，在靠近滑座的砂輪架體殼兩側通過墊塊連接導軌壓板后再與滑座上固定連接的導軌板形成左右前后雙向的閉式靜壓導軌形式。

圖2 砂輪架Y軸閉式靜壓導軌

2 參數設計

由于高精密磨床對靜壓導軌的抗振性能有較高的要求，所以節流器選型的關鍵不僅要保證靜壓導軌具有足夠的承載能力，即具有夠高的支承剛度，而且還要使靜壓導軌具有良好的動靜態特性。如果采用常規的節流器，當油膜間隙變小后，封油邊的節流阻力增加，此時油腔壓力一般呈現上升趨勢，油腔壓力上升引起的流量增加無法彌補油膜間隙減小引起的流量減少，最終有可能造成運動導軌面和靜止導軌面直接接觸而形成爬行現象。PM 流量控制器是世界上頂級的靜壓功能部件供應商德國Hyprostatik公司的專利產品，結構內部設置毛細溝槽，通過它可反饋控制薄膜的變形，進而控制流量，是一種隨油腔壓力升高流量隨著增大的節流器，可解決上述問題。

為了確保機床研制成功，機床總體設計為自主研發，靜壓導軌內部的油腔結構參數和性能計算由德國Hyprostatik公司提供，其他零件的結構設計為自主研發。

機床總體設計中主要要為靜壓導軌結構留出相應的設計空間，其設計難點主要體現在PM流量控制器下油腔結構的參數計算，不僅需要導軌在承受機床整個外載下具有一定的油膜剛性，而且需要導軌具有一定的響應速度來滿足機床運動的需求。

根據機床總體設計經驗，構建了整機的三維模型，在此基礎上獲得工作臺X軸、砂輪架體殼Y軸和橫梁滑座Z軸三個靜壓導軌結構的設計要求。

根據三維結構獲取的部件重量、重心等相關信息，建立X軸主導軌、X1直線電機導軌、Z軸橫梁導軌和Y軸砂輪架導軌4個靜壓導軌的力學分析模型，通過受力分析獲得油腔的結構參數和液壓系統參數，表1是PM控制器液壓控制下部分參數。

3 裝配和調試

設計完成后進行投產，之后進行部件裝配和整機裝配和調試，有關靜壓導軌的裝配過程如下。

1）工作臺閉式靜壓導軌的裝配

將床身校水平后，按裝配工藝文件依次裝配零件，每個關鍵步驟進行精度測量。由于相關零件主要外購，裝配過程的重點是自制零件尺寸和形位公差的控制，通過調整油膜間隙來滿足PM流量控制器的參數要求。

2）Z軸橫梁半閉式靜壓導軌裝配

由于橫梁為大理石結構，其零件精度直接由供應商保證，而滑座和壓板為自制件，材料為灰鑄鐵，其接觸面按 GB/T 25373-2000《金屬切削機床 裝配通用技術條件》要求進行考核。由于橫梁和滑座兩個零件的自重較大，如果刮研采取配刮，實施難度較大，提出了文獻[2]的方法：

(1)采用圖3的一組內直角刮規和外直角刮規，將圖中各自貼合的90°的兩個表面進行刮配。

圖3 內直角刮規和外直角刮規

(2)如果滑座按安裝位置放置，刮削難度大，因此將滑座放平，通過修刮滑座表面上四個油腔的封油邊，使四個油腔的封油邊處于同一平面內并滿足平面度精度要求和滑動導軌副所需的接觸點數要求。

(3)修刮內直角刮規內直角所在的兩個平面，使這兩個平面與橫梁的頂面和右側面滿足接觸點數要求；之后用內直角刮規為基礎修刮外直角刮規外直角所在的兩個平面，使外直角刮規外直角所在的兩個平面滿足接觸點數要求。

(4)利用外直角刮規外直角所在的兩個平面再去修刮滑座油腔1和2所在的平面，使滑座油腔1和2的封油邊表面與外直角刮規的兩個平面滿足接觸點數要求。如果難以滿足接觸點數要求，返回第三步。

(5)再修刮滑座上的導軌安裝面，使安裝面滿足平面度要求以及與橫梁的四個油腔的平行度要求以及根據橫梁尺寸計算得到的油膜間隙要求。

(6)修刮壓板的油腔所在的整個側面，使之滿足平面度要求和接觸點數要求。

(7)將壓板固定到滑座上后再將滑座擱置在橫梁上，添加一定的配置模擬砂輪架的重力，測量油腔壓力，根據油腔壓力的情況，修刮壓板兩個油腔的封油面或修刮壓板與滑座連接的安裝面，使修刮余量滿足PM流量控制器油膜壓力要求。

3）Y軸靜壓導軌裝配

由于零件主要是自制，采用的仍是刮削方法，并按GB/T 25373-2000要求考核結合面，這里的接觸點數不小于16點/25 mm2。做好配刮后，先進行常規狀態下的油膜剛性和油腔壓力性能測試；滿足PM 控制器設計要求后，再安裝壓板后擱置到機床橫梁上進行實際工況測試，通過測量油腔的壓力數據找出裝配中存在的問題進行分析，調整閉式靜壓的油膜間隙，使之滿足設計工況使用要求。

4）整機裝配

完成三個方向靜壓導軌裝配后，將靜壓電主軸磨頭裝上，按機床總裝要求進行裝配調整。整機裝配完成后進行了電氣調試，之后按企業標準開展工件試磨，通過磨削工藝參數的調整完成機床加工性能的初步考核。最后按上述磨削工藝參數對光學玻璃進行磨削，利用平面度檢測儀和粗糙度儀檢測平面度和粗糙度，完成機床加工性能的精度考核。

4 結語

利用靜壓導軌技術自主研發的大尺寸光學玻璃數控專用平面磨床，為生產大尺寸光學玻璃提供了設備，提升了我國研制相關技術裝備的能力。同時還存在如下深入的研究內容：（1）對靜壓導軌的PM流量控制器參數進行反演計算；（2）在靜壓導軌加工與裝配過程中將尺寸鏈進行公差分配。