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精密制造技术

日期:2020-04-12 10:23 作者:摩纳哥城赌场

  第3章 精密和超加工的机床设备 3-3 精密制造技术 机电工程学院 制造工程系 Guangdong University of Technology July,27, 2013 3.6 微量进给装置 1. 对微量进给装置的要求 1) 精微进给和粗进给应分开,以提高微位移的精度、分辨力和稳定性。 2) 运动部分必须是低摩擦和高稳定度的,以便实现很高的重复精度。 3) 末级传动元件必须有很高的刚度,即夹金刚石刀具处必须是高刚度的。 4) 微量进给机构内部联接必须是可靠联接,尽量采用整体结构或刚性联接, 否则这微量进给机构很难实现很高的重复精度。 5) 工艺性好,容易制造。例如要实现0.005~0.01μm的微进给,微量进给机构 本身各部分的精度,应是一般设备和工艺能保证的制造精度。 6) 微量进给机构应具有好的动特性,即具有高的频响。 7) 微量进给机构应能实现微进给的自动控制。 3.6 微量进给装置 1) 机械传动或 液压传动式 2) 弹性变形式 3) 热变形式 工作原理 4) 流体膜变形式 5) 磁致伸缩式 6) 电致伸缩式 弹性变形式和电致伸缩 式微量进给机构比较成熟适用 3.6 微量进给装置 2. 电致伸缩传感器 1).压电和电致伸缩传感器的材料 ? 电致伸缩陶瓷片的伸长量实际是和它的表面的电荷量成比例 ? 压电陶瓷PZT(PbZnO—PbT陶瓷) ? 美国AVX公司推出一种新的电致伸缩陶瓷材料 ? 电致伸缩传感器用于制造微量进给机构有很多优点: ? 能够实现高刚度无间隙位移; ? 能实现极精细的微量位移,分辨力可达1.0~2.5nm; ? 变形系数较大; ? 有很高的响应频率,其响应时间达100μs; ? 无空耗电流发热问题。 3.6 微量进给装置 3.电致伸缩传感器的结构和性能 ? 日本冈崎佑一研究的微量进给装置 ? 美国FTS微量进给装置 ? 英国Cranfield公司微量进给装置 电致伸缩传感器工作原理 电致伸缩传感器外形尺寸 a)方柱形 b)圆柱形 3.6 微量进给装置 表4.9 典型电致伸缩传感器 (Φ6mm,长15mm)的主要性 能 图4-28 电致伸缩和压电陶瓷 传感器的电压——伸长量关系 3.6 微量进给装置 图4-29 日本冈崎佑一的微量进给装置 1—压电伸缩传感器 2—金刚石刀具 3—测微仪 3.6 微量进给装置 ? 新结构微量进给装置 英国Cranfield的微量进给装置 1—压电伸缩传感器 2—弹性薄膜 3—差动电容 测微仪 4—金刚石刀具 图4-30 美国LLL实验室的微量进给装置 1—压电伸缩传感器 2—支承弹性膜 3—差动电容测微仪 4—基体 5—微位移部分 图4-32 整体结构电致伸缩微量进给装置 1一电致伸缩传感器 2一支承弹性膜 3一钢球4一金刚石刀具 5一预载螺钉 6一锁紧螺母 3.6 微量进给装置 4. 电致伸缩式微量进给装置的驱动电源 ? 要电致伸缩式微量进给装置有良好的动态特性,它的驱动电源必须有很好 的动态特性、高度的稳定性和极小的波纹系数。 ? 根据电致伸缩传感器的工作动特性要求,驱动电源在接上电容负载后,输 出电压的升高与降低应在极小的时间滞后下完成,即驱动电源应有极好的 动特性。 图4-33 驱动电源的动态性能 图4-34 电致伸缩微位移系统的动态响应 a)驱动电源输入(200Hz) b)驱动 电源输出 c)系统微位移输出 3.7 机床运动部件位移的激光在线. 超精密机床的在线检测系统 ? 超精密机床,都装有在线检测系统,检测机床运动部件的位移位置,并和 精密数控系统组成精密反馈闭环控制系统,以保证加工的尺寸精度。 ? 现在超精密机床的在线测量系统大部分都是使用双路双频激光干涉测距仪 ,因为它有很高的测量分辨率和测量精度,使用分光镜很容易实现多路测 量。 ? 高精度光栅尺 3.7 机床运动部件位移的激光在线. 美国Pneumo公司MSG-325超精密机床的激光检测系统 图4-35 美国Pneumo公司MSC-325超精密 金刚石车床的位移激光检测系统 1—激光器 2—分光镜 3—移动棱镜 4—接收器 5—横滑板 6—纵滑板 7—封闭罩 3.7 机床运动部件位移的激光在线. 三坐标测量机用激光位移测量系统 4. 美国LLL国家实验室LODTM大型光学金刚石车床激光测量系统 3.8 机床的稳定性和减振隔振 1. 机床的稳定性 ? 各部件的尺寸稳定性好 1) 采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件,如用陶瓷、花岗岩、尺寸稳 定性好的钢材、合金铸铁等。 2) 各部件经过消除应力(时效、冰冷处理、铸件缓慢冷却等方法)使部件 有高度的尺寸稳定性。 ? 结构刚性高,变形小 1) 要求结构刚度高、变形量极小,基本不影响加工精度。 2) 各接触面和联接面的接触良好,接触刚度高,变形极小。 3.8 机床的稳定性和减振隔振 2. 提高机床结构的抗振性和消除、减少机床内的振动 ? 各运动部件都应经过精密动平衡,消灭或减少机床内部的振源 机床内的主要振源是高速转动的部件,如电动机、主轴等,这些转动的部 件必须经过精密动平衡,使振动减小到最小; ? 提高机床结构的抗振性 ? 在机床结构的易振动部分,人为的加入阻尼,减小振动 ? 使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件 铸铁对振动的衰减率高于钢材,花岗岩对振 动的衰减率大大高于钢铁。人造花岗岩的振 动衰减率又高于天然花岗岩。 CF-5铸铁的振动衰减能力 3.8 机床的稳定性和减振隔振 树脂混凝土(人造花岗岩)是近年来国际上新兴起的用于代替机床基础材料--铸铁 的一种新型优良材料。目前,欧洲、美国、日本、台湾等发达国家和地区已普遍将其 应用于高精度的高速加工中心、超精加工设备和高速检测影像扫描设备等项目上。 结构件填充人造花岗岩前后的动态特性 3.8 机床的稳定性和减振隔振 3. 隔离振源,使用隔振沟、隔振墙和空气隔振垫以减少外界振 动的影响 ? 超精密机床应尽量远离振源 LODTM大型超精密车床使用大量的恒温水通到机床 的各部分,以保持机床的恒温。为避免恒温水的水泵 的振动影响超精密机床,采取如下措施:水泵 将恒温水打到水箱中,靠自重恒温水从水箱流 到超精密机床的各有关部分,这样水泵的振动 将不影响超精密机床。 ? 超精密机床采用单独地基、隔振沟、隔振墙等 ? 使用空气隔振垫(亦称空气弹簧) 3.8 机床的稳定性和减振隔振 空气隔振垫的位置不同对抗震性的影响 a) 床底支承 b) 上部支承 3.8 机床的稳定性和减振隔振 3.9 减少热变形和恒温控制 1. 温度变化对精密机床和精密加工误差的影响 ? 由于材料的热胀冷缩物理现象,温度的变化对精密、超精密加工的影响非常 严重。 ?L ? ? ? L ? ?t 其中: ?L — —尺寸变化值 ? — —材料的热变形系数 L — —材料的长度 ?t — —温度变化 ? 据文献统计,精密加工中机床热变形和工件温升引起的加工误差占总误差 的40%~70%。 ? 现在许多精密和超精密机床都装有高精度温控系统和热误差自动补偿装置 3.9 减少热变形和恒温控制 2. 减小机床热变形的措施 1) 尽量减少机床中的热源。 2) 采用热膨胀系数小的材料制造机床部件 3) 结构合理化使在同样的温度变化条件下,机床的热变形最小。 4) 使机床长期处在热平衡状态,使热变形量成为恒定。 5) 使用大量恒温液体浇淋,形成机床附近局部地区小环境的精密恒温。 3.9 减少热变形和恒温控制 3. 美LLL实验室LODTM大型超精密车床的恒温控制 ? LLL实验室放置超精密车床的恒温室,一般是用铝制框架和绝热塑料护墙 板做成的。操作者和机床间有透明塑料窗帘隔开 ? 安装LODTM机床的恒温室内,通循环的恒温空气,气流量90m3/min 。 ? 使用两级水冷式热交换器,用测热传感器测量进入的空气的温度,反馈控 制热交换器的水流量,空气温度可控制在±0.005℃的变化范围内。 ? LODTM机床的重要部件的温度是直接用恒温水流来控制。主轴的径向和 推力轴承都是带夹层的,可以通过恒温水流 Thank You! July,22,2013 Guangdong University of Technology

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