五軸超精密加工機床底座設計技術研究
【摘要】: 機床底座是超精密加工機床的基礎，其穩定性、精度保持性對超精密加工機床的精度指標有較大影響。本文介紹了目前國內外超精密加工機床典型的底座結構，利用有限元工具分析設計了五軸超精密加工機床底座，經檢測，該機床底座的實際精度滿足指標要求。
【關鍵詞】: 超精密加工 ; 機床 ; 有限元分析
1. 序言
超精密加工技術代表著制造業的最前沿和發展方向，超精密加工技術的發展直接影響到一個國家尖端先進技術和國防工業的發展，因此，世界各國對超精密加工技術都非常重視，投入非常大的人力物力進行研究開發。隨著航空航天、高精密儀器、光學和激光等技術的迅速發展和在多個領域的廣泛應用，對各種高精度復雜零件、光學零件等超精密表面的加工需求日益迫切，因此，超精密加工設備成為新的開發熱點，目前，國外已開發了多種超精密車削、磨削、拋光等機床設備，并逐漸與新技術相融合，發展了新的超精密加工設備。
最近幾年，我國的機床設備制造業發展很快，成為世界機床最大消費國和第一大進口國，在精密機床設備研發、制造方面取得了很大的進展，但在超精密機床設備領域仍和國外有較大差距。由于國外對我們封鎖禁運一些重要的超精密、高精度機床設備和儀器，而這些超精密、高精度的設備儀器正是國防和尖端先進技術發展所迫切需要的，我們必須投入必要的人力物力，自主開發超精密、高精度的設備，使我國的國防和科技發展不會受制于人。我所多年來一直從事超精密加工機床的研究工作，最新研制的五軸超精密五軸加工機床如圖 1 所示，該機床的主要結構特點如下 :
1. 底座支架 2. 隔振氣墊 3. 花崗石底座 4. X 軸導軌 5. Z 軸導軌 6. Y 軸垂直導軌 7. 工件 C 軸 8. B 軸
圖 1 五軸超精密加工機床總體結構圖
① 利用花崗石底座支撐，采用T型布局方式，X、Z 采用液體靜壓導軌直線電機驅動，互相垂直布置。
② 垂直 Y 軸導軌采用液體靜壓導軌直線電機驅動，以及基于氣體靜壓技術的卸荷氣缸，Y軸導軌布置在 X 導軌上。
③ 工件主軸 C 軸采用氣體靜壓軸承，無框力矩電機直接驅動，采用圓光柵反饋控制，同時具備工件主軸和位置伺服軸的功能，C 軸布置在Y 拖板中間。
④ B 軸采用液體靜壓軸承，無框力矩電機直接驅動，采用圓光柵反饋控制，具備位置伺服控制功能，Y 軸布置在 Z 軸導軌之上。
⑤ 高速銑頭、刀架、工件位置檢測系統等布置在 B 軸之上。
⑥ 刀具位置非接觸檢測裝置、動平衡系統布置在 C 軸之上。
2. 超精密加工機床底座設計
機床底座是整個超精密加工機床的基礎，其穩定性、精度保持性等對整個超精密加工機床的精度指標有非常大的影響。天然花崗石材料由于良好的吸震性、穩定性等性能，是超精密加工機床首選的底座材料。根據現有國外機床和國內自研機床的相關資料，機床底座部件設計有兩種結構可以考慮 :
一是 4 個支點在花崗石底座外面，如圖 2 所示。這種結構的優點是支撐點與導軌面及整體質心位置靠近，有利于機床整體性能的提高，但占地面積較大，而且機床外罩的設計相對較難，一般來說大型超精密加工設備都采用此類結構。
圖 2 超精密機床床身結構 I
二是 4 個支點在花崗石下方，如圖 3 所示。這種結構的優缺點正好與第一方案相反，結構相對緊湊，但是支點離整體質心位置相距較遠，國外一般中小型超精密機床采用此類結構。同時針對此類結構的不足，也采取了相應的改進措施。如美國 Moore 公司的設備在床身底部加了降低機床重心用的鑄鐵底座。
圖 3 超精密機床床身結構 II
為此，本機床設計時可以采用如圖 4 的機床底座設計結構，花崗石底座不是一塊長方體的平板，而是在下面多了重約 1.8t 的一體花崗石，同樣起到了降低機床重心的作用，這樣就降低了整機重心與隔振支撐點的距離，有利于機床動態特性的提高。
圖 4 機床底座及隔振系統設計
具體實施方法如下 :
在2000mm×1400mm×500mm見方的花崗石 4 個角及四邊去除石料。其中 4 個角用于安放隔振氣墊，隔振氣墊安放在用型鋼連接而成的底座支架上，床身支架的左右側面及后面可以加掛類似氣控柜、電控過渡柜等柜體，如圖 5 所示，但是種結構由于采用的花崗石較厚，會增大整個機床底座的成本，同時由于其實心結構，一定程度上會影響整臺機床的布局。
圖 5 加配重塊的機床底座設計
因此，在上述方案的基礎上考慮采用配重塊（加鉛丸（或鉛塊））的方法降低機床底座的重心，如圖 5 所示，這種布置方式的優勢是降低了花崗石底座平臺的厚度，從而可以降低機床底座的成本，同時機床底座下方可以騰出空間，便于機床整體布局，因此在機床設計時擬采用這種底座結構方式。但是這種方式帶來的缺點是由于減小了花崗石平臺的厚度，加之加上了配重負載，同時由于機床導軌等部件增加的負載，可能會極大地增加花崗石底座的變量，因此需要對底座支點的位置及配重塊的布置位置進行優化設計，盡量減小底座的變形，下面利用有限元工具對設計的機床底座進行分析設計，得到滿足要求的機床底座。
3. 機床底座分析
3.1 靜態結構分析
機床底座分析模型如圖 6 所示，為簡化分析，利用質量單元模擬 X/Z 軸，Y 軸、B 軸及 C 軸等進行分析，施加標準重力載荷，按照底部四點支撐進行約束分析邊界條件，花崗石底座變形分析結果如圖 7 所示，最大變形為 0.13mm，最小變形 0.07mm，得到位移差 0.06mm 為花崗石底座的凈變形。
圖 6 機床床身部件分析模型
圖 7 花崗石底座分析結果
選取 X/Z 導軌所處位置兩條路徑，查看位移結果如圖 8 所示，由路徑結果有，Z 軸導軌處路徑凈變形差值 0.045mm，X 軸導軌處路徑凈變形差值為 0.013mm。這兩個變形結果包含花崗石底座自重變形結果與加載 ( 含 X/Z,Y 軸等重量 )
綜合結果。
圖 8 X/Z 軸導軌所在處路徑結果
花崗石底座如此大的變形無法滿足機床的要求，為減小底座變形對導軌精度的影響，擬采用更改配重布局及支撐點位置的方案來減小變形，將原有的 2 個配重更改為 4 個配重，并將每 2 個配重布置在支點的兩側，同時減小原長度方向的兩個支點之間的跨距，經多次優化后設計的機床底座的分析數模如圖 9 所示。
圖 9 優化后機床底座模型
整體變形分析結果如圖 10(a) 所示，最大變形發生在支架橫梁處 0.1mm; 由于實際工作時，精度主要體現在花崗石底座上平面上，去掉花崗石底座的底部支架后，花崗石底座變形分析結果如圖 10(b) 所示，最大變形為 4μm（消除了底座支架的影響結果），可以滿足機床設計指標需要，因此機床底座擬采用花崗石底座 +4 個配重塊的設計方案。
圖 10 優化后整體變形結果
同樣選取 X/Z 導軌所處位置兩條路徑，查看位移結果如圖 11 所示，由路徑結果有，Z 軸導軌處路徑凈變形差值 0.001mm，X 軸導軌處路徑凈變形差值為 0.0018mm，完全能夠滿足設計要求。
圖 11 X/Z 導軌所在處路徑結果
由于底座自重及負載重量作用，底座平面會發生變形，為消除此變形對平面度精度的影響，因此，根據分析結果，擬在后續加工時，要采取以下措施盡可能消重力變形趨勢的影響，提高各軸導軌的直線精度。
措施 1: 花崗石底座加工時采用與實際相同位置處支撐點支撐后，再進行精加工 ;措施 2: 將花崗石底座研磨加工成中間鼓出來約 2~3μm 左右，注意同時保證 X/Z 軸導軌固定處的直線度 ;措施 3: 將 X/Z 軸導軌底座固定到花崗石底座上后，再進行導軌底座的精加工。
3.2 隔振系統設計
綜合國內外相關產品的性能及價格，機床底座的隔振系統擬采用德國 BILZ 公司的 BiAir 系列隔振氣墊、以及配套的電 / 氣定位控制系統EPPC，如圖 12 所示。
圖 12 Bilz 隔振系統
根據機床總體設計的模型，計算出機床需要隔離振動的機床重量分配表如表 1 所示，機床總重共計 6907Kg，本機床底座擬采用 4 個氣墊支撐、三點調平方式，折算到每個氣墊上的載荷為1726.75kg。
表 1 機床重量分配表
根據上述計算結果，選取的隔振氣墊型號為BiAirED/-2.5，性能指標如下 :單個氣墊承載 :1967kg（氣體壓力 @4bar）、隔振頻率 2.5/2.8Hz，調平精度 ±0.01mm。
4. 機床底座精度檢測
根據上述分析設計的超精密機床底座，花崗石底座采用四點支撐進行現場研磨加工，加工后其精度測試結果如圖 13 所示，平面度 4.3μm，精度指標滿足設計的要求，同時加工成為中間略鼓的形狀，有利用在安裝各個運動軸后，保持整體的平面度精度，在此底座上安裝 X/Z 軸底座后，精度保持良好。
圖 13 機床底座精度檢測結果 4.3μm( 圖紙要求 5μm)
5. 結論
超精密加工機床底座設計，借鑒了之前較為成熟的技術，并最終采用了花崗石底座 +4 個配重塊設計，設計過程中采用了有限元計算及仿真，成了機床底座設計，根據實際的機床底座的檢測結果，設計方案完全可以滿足整臺機床的指標要求。
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