金國偉 杜 雄

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

光學(xué)玻璃廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域，從精度方面，要求光學(xué)玻璃具有面形精度高（≤0.1 μm）、表面粗糙度（Ra≤12 nm）以及亞表面裂紋少的特點(diǎn)。由于光學(xué)玻璃具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，在加工過程中極易產(chǎn)生表面疵病與亞表面損傷，屬于典型的難加工材料。對(duì)于光學(xué)玻璃等硬脆材料，超精密磨削技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超光滑表面的最佳手段[1-2]。

本文介紹了光學(xué)玻璃專用平面磨床整機(jī)結(jié)構(gòu)中的工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。

1 機(jī)床整機(jī)設(shè)計(jì)總體方案

光學(xué)玻璃工件一般為長(zhǎng)方體外形，上下兩個(gè)平面為加工表面，因而光學(xué)玻璃專用平面磨床整體設(shè)計(jì)方案采用龍門式臥軸矩臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局方式，加工工具采用具有剛性高的高精度砂輪靜壓主軸系統(tǒng)。此外，配置了高分辨率測(cè)量與反饋系統(tǒng)、高性能數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及在位測(cè)量系統(tǒng)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)床主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)：

工作臺(tái)面尺寸 1300×500 mm

工作臺(tái)最大縱向行程 1700 mm

機(jī)床加工零件規(guī)格 450 mm×1200 mm

機(jī)床主軸軸向、徑向跳動(dòng) ≤0.2 μm

加工表面粗糙度Ra ≤10 nm

加工工件的面形精度（表面平度）PV 3 μm

圖1 光學(xué)玻璃專用平面磨床結(jié)構(gòu)

2 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證磨床高剛度和高穩(wěn)定性，機(jī)床床身采用了具有高阻尼、小振動(dòng)、熱穩(wěn)定性佳等特性的整體花崗巖結(jié)構(gòu)。床身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 床身結(jié)構(gòu)

基于機(jī)床整體性能的考慮，機(jī)床工作臺(tái)面也采用了整體花崗巖結(jié)構(gòu)。工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

機(jī)床導(dǎo)軌按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌[3]。由于液體靜壓導(dǎo)軌具有摩擦阻力極小、運(yùn)動(dòng)精度的保持性好、抗振性能好、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)加工對(duì)象，工作臺(tái)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用滑動(dòng)導(dǎo)軌中的液體靜壓導(dǎo)軌。

液體靜壓導(dǎo)軌又可分為開式靜壓導(dǎo)軌和閉式靜壓導(dǎo)軌兩大類。開式靜壓導(dǎo)軌依靠運(yùn)動(dòng)件的自重及外載荷保持移動(dòng)件不從床身分離，屬于力封閉形式，它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能承受單向載荷，承受偏載和傾覆力矩的能力較差。閉式靜壓導(dǎo)軌只有移動(dòng)方向的一個(gè)自由度，其余自由度都由導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)所約束，屬于結(jié)構(gòu)封閉形式，它可以承受不同方向的載荷和承受很大的傾覆力矩，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝拆卸較困難。

直線電機(jī)由于能直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，且具有響應(yīng)速度快、定位精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是高速精密機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的理想部件。

對(duì)于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的力封閉靜壓導(dǎo)軌來說，由于直線電機(jī)次級(jí)鐵芯的結(jié)構(gòu)原因，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)在非運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生波動(dòng)，且速度越快波動(dòng)越大，無法保證機(jī)床加工精度。對(duì)于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)封閉式靜壓導(dǎo)軌來說[4]，雖然通過結(jié)構(gòu)限制了運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌在非運(yùn)動(dòng)方向上的波動(dòng)，但導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)由直線電機(jī)磁吸力對(duì)導(dǎo)軌壓板的沖擊較大，運(yùn)動(dòng)不夠平穩(wěn)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對(duì)上述情況，提出了如圖4所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖4 閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)中，工作臺(tái)、工作臺(tái)導(dǎo)軌壓板、工作臺(tái)導(dǎo)軌側(cè)板以及機(jī)床床身組成結(jié)構(gòu)封閉的閉式靜壓導(dǎo)軌，與工作臺(tái)導(dǎo)軌壓板、工作臺(tái)導(dǎo)軌側(cè)板和床身的接觸面的工作臺(tái)表面上開設(shè)有靜壓油腔。直線電機(jī)拖板、直線電機(jī)導(dǎo)軌側(cè)板、直線電機(jī)導(dǎo)軌底板組成力封閉的開式靜壓導(dǎo)軌，直線電機(jī)初級(jí)與直線電機(jī)拖板相連接，次級(jí)與直線電機(jī)導(dǎo)軌底板相連接，與直線電機(jī)導(dǎo)軌側(cè)板和直線電機(jī)導(dǎo)軌底板接觸的直線電機(jī)拖板表面上開設(shè)有靜壓油腔。閉式靜壓導(dǎo)軌與開式靜壓導(dǎo)軌之間通過連接器連接。連接器結(jié)構(gòu)中，底部連接板與上部連接板之間為彈性連接板，底部連接板與直線電機(jī)拖板直連，上部連接板通過墊板后與工作臺(tái)連接，如圖5所示。

具有吸振穩(wěn)定功能的彈性連接器，裝配時(shí)通過改變墊板的厚度保證正確連接，從而將力封閉的開式靜壓導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)傳遞給結(jié)構(gòu)封閉的閉式靜壓導(dǎo)軌。

圖5 連接器結(jié)構(gòu)示意圖

為了避免溫升的影響，工作臺(tái)、工作臺(tái)導(dǎo)軌板、工作臺(tái)導(dǎo)軌壓板和床身均為花崗巖材料。

3 結(jié)語

在傳統(tǒng)閉式靜壓導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上，綜合利用結(jié)構(gòu)封閉靜壓導(dǎo)軌和力封閉靜壓導(dǎo)軌各自的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了高剛性、高精度的雙層閉式大平面靜壓導(dǎo)軌，具有如下特點(diǎn)：

（1）力封閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于直線電機(jī)安裝拆卸。

（2）結(jié)構(gòu)封閉式靜壓導(dǎo)軌限制了工作臺(tái)在非運(yùn)動(dòng)方向上的波動(dòng)，保證了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的高精度。

（3）結(jié)構(gòu)封閉式靜壓導(dǎo)軌與力封閉式靜壓導(dǎo)軌之間的連接器起吸振作用，防止了直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面的影響，確保了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

兩套獨(dú)立的靜壓導(dǎo)軌不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且保證了在大行程、平穩(wěn)可靠、高精度、快速響應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中直線電機(jī)超精密驅(qū)動(dòng)要求，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。