超精密加工机床的关键部件技术（二）

 4 进给与微量进给系统

    进给系统中常用的是各种进给丝杠，在高精度加工机床中滚珠丝杠因其反向间隙小、传动效率高而广泛的应用。精度更高的静压丝杠和摩擦驱动装置也逐渐用于高精度加工机床。 
    高精度加工机床的滚珠丝杠一般的精度等级为C0级。由于是闭环控制，利用高等级的滚珠丝杠，可获得现行高水平0.01µm的定位精度。滚珠丝杠不需要静压丝杠所需的附属装置，是使用极为方便的丝杠。但作为亚微米级高精度加工机床的进给丝杠须考虑到由于滚珠的转动和滚珠间的接触滑动有微小的振动及与滑动丝杠等相比较振动衰减特性差等问题。HCM-Ⅰ高精度加工机床采用的滚珠丝杠，在严格保证伺服电动机与丝杠、丝杠和螺母与底座和溜板的联接装配的基础上，加大溜板气浮面积、提高其气浮刚度，从而减小由于丝杠的误差对溜板运动精度的影响。并且丝杠螺母与溜板采用了浮动连接结构，从而减小了溜板起伏造成滚珠丝杠受压波动而引起的丝杠瞬间或持久的变形。同时也避免了由于滚珠丝杠本身弯曲引起的因丝杠旋转而造成的溜板运动误差，因此实现了运动的小位移分辨率≤0.01µm。
    静压丝杠副的丝杠与螺母由于不直接接触，而是有一层高压液体膜相隔，所以没有由于摩擦而引起的爬行和反向间隙，因此可以长期保持精度，进给分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，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。但是静压丝杠装置较大，且须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，另外还存在环境污染问题。
    摩擦驱动是通过摩擦把伺服电动机的回转运动转换成从动杆的直线运动，实现无间隙传动，其工作原理如图1所示。从微观上看，压紧轮与从动杆之间的油膜处于液体润滑状态，润滑油的剪断特性决定牵引系统。因而要选择系数较高的润滑油。压紧轮滚动时实现进给，进给分辨率取决于伺服电动机回转一周的步进数。采用摩擦驱动进给的一个重要问题是预压，若预压力过小，则接触面有可能产生滑动；若预压力过大，由于弹性变形，则很难实现正确的驱动。另外由于预压力的存在，还容易产生磨损问题。新的研究表明，用扭曲滚轮摩擦驱动可以实现埃(µ)级定位。 
    高精度加工机床中还广泛应用微量进给机构，以满足对更高定位精度和进给分辨率的要求。常用的方法有采用滚动丝杠进给和弹性进给并用的方法和由粗调和微调压电元件组合的方法。HCM-Ⅰ高精度加工机床采用的是压电式微量进给刀架。

 5 环境条件

    高精度加工的环境条件有三。其一是污染，高精度加工机床须置于洁净的超净室内才能充分发挥其优势。室内的洁净度以一立方英尺中0.5µm以上的灰尘的数量表示。作为高精度加工机床的工作环境应为20000～3000级以下。 
    其二是振动。环境振动的干扰不仅会引起机床本体的振动，更主要的是会引起切削刀具与被加工零件间的相对振动位移，后者将直接反映到被加工零件的精度和表面质量上。因此高精度加工机床须设置性能优异的隔振装置。目前国外高精度加工机床中，大多数采用以空气弹簧为隔振元件的隔振系统，并取得了较好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧在具有较大承载能力的同时，具有较低的刚度。弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率，远离环境干扰频率，提高隔振效果。经理论分析研究和计算比较，HCM-Ⅰ高精度加工机床采用了直筒约束膜式结构，并取内、外变角均为0°。这样不仅弹簧刚度的线性度好，而且结构简单，便于模具的制造以及装置的安装和调整。

    其三是温度。高精度加工机床的加工须在恒温室内进行，加工过程中温度的变化，会造成机床运动精度下降，不能获得所定的加工精度。为了解决这一问题，通常从两个方面入手，一是选择合适的部件材料，高精度加工机床中使用的和候选的材料有氧化铝陶瓷、铸铁、钢、殷钢、花岗岩、树脂混凝土和零膨胀玻璃。