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大口径非球面铣磨机Z轴精密进给结构设计【优秀含23张CAD图纸+全套机床毕业设计】

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钢件
30301-Z轴流量控制器安装座A4.dwg
30302-Z轴电机连接座挡板A4改.dwg
30303-电机座挡板A4改.dwg
30304-限位开关安装座A4改.dwg
30305-限位开关调整块A4改.dwg
30306-光栅尺读数头安装板A4改.dwg
30307-Z轴行程挡块安装座A4改.dwg
30308-Z轴行程撞块A4改.dwg
30309-限位开关撞块A4改.dwg
30310-液压块微调螺杆A4改.dwg
30311-液压块调节座A4改.dwg
30312-油缸连接板A4改.dwg
30313-浮动接头连接座A4改.dwg
铸件图
30102-Z轴滑枕座A0.dwg
30103-Z轴滑枕座盖板A0.dwg
30104-Z轴上连接座A3.dwg
30105-Z轴电机座A2.dwg
30106-Z轴方形滑枕A2.dwg
30701-Z轴液压块A3.dwg
30702-Z轴楔形液压块A3.dwg
30802Z轴行程安全撞块A4改.dwg
Z轴部件液压原理图1A0.dwg
Z轴部件附件装配图1A0.dwg
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口径 球面 铣磨机 精密 进给 结构设计 优秀 优良 23 cad 图纸 全套 机床 毕业设计
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Z轴部件液压原理图1A0.dwg

Z轴部件附件装配图1A0.dwg

30102-Z轴滑枕座A0.dwg

30103-Z轴滑枕座盖板A0.dwg

30104-Z轴上连接座A3.dwg

30105-Z轴电机座A2.dwg

30106-Z轴方形滑枕A2.dwg

30701-Z轴液压块A3.dwg

30702-Z轴楔形液压块A3.dwg

30802Z轴行程安全撞块A4改.dwg

30301-Z轴流量控制器安装座A4.dwg

30302-Z轴电机连接座挡板A4改.dwg

30303-电机座挡板A4改.dwg

30304-限位开关安装座A4改.dwg

30305-限位开关调整块A4改.dwg

30306-光栅尺读数头安装板A4改.dwg

30307-Z轴行程挡块安装座A4改.dwg

30308-Z轴行程撞块A4改.dwg

30309-限位开关撞块A4改.dwg

30310-液压块微调螺杆A4改.dwg

30311-液压块调节座A4改.dwg

30312-油缸连接板A4改.dwg

30313-浮动接头连接座A4改.dwg


实习报告.doc

开题报告.doc

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毕业设计任务书-7.doc

毕业设计选题审批表.doc

1.  绪论

1.1  课题的背景和来源

“大口径光学非球面超精密数控铣磨机”的开发研制隶属于“国家863计划”攻关项目，这个项目由北京微纳精密机械有限公司承接。该公司是进行精密制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体，由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年技术人员组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力。

为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。具体施行方法就是由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。

1.2  研究的目的和意义

非球面光学元件是一种非常重要的光学零件，因其在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，且能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量而得到重要应用。其加工质量的好坏与非球面加工机床的制造水平息息相关，因此，进一步提高我国非球面超精密机床的制造水平势在必行。

为了提高非球面超精密机床的整体性能，其主要构件——Z轴的结构特性也至关重要。为此开展了对于大口径非球面超精密光学铣磨机Z轴结构特性的分析和优化。以期通过对该梁的结构静力学分析和结构动力学分析，对横梁的结构做出优化设计，改善其静力学和动力学特性，从而保证机床的Z轴的精密进给，最终实现该铣磨机整体使用性能。

研制出加工口径达900mm的光学非球曲面加工机床及成套应用工艺，可以满足国家国民经济主要领域和国防工业的重大需求，部分解决禁运和替代进口问题，提升我国相关领域的核心竞争力和创新能力。打破国外的技术封锁，使我国的非球面曲面光学零件的超精密加工水平提升一个大的台阶，从整体上缩短与世界最先进水平的差距。

1.3  国内外研究现状

随着国防工业、航空、民用光学技术的发展，各种高精度的非球面光学元件越来越多地应用于高性能要求的光学系统中。光学元件因其具有矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力等优点而得到广泛应用。目前，高精度非球面光学元件的使用受到其加工精度、表面质量和制造成本的限制，但是市场上对光学元件的需求促使各个国家致力于高精度非球面光学元件加工的技术研究。

1.3.1  国外非球面零件超精密加工技术的现状

80年代以来，国外出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：

（1）计算机数控单点金刚石车削技术

计算机数控单点金刚石车削技术是由美国国防科研机构于60年代率先开发、80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金刚石车削技术加工出来的直径120mm以下的光学零件，面形精度达l/2～1l，表面粗糙度的均方根值为0.02～0.06mm。目前采用金刚石车削技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、KDK晶体）无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。

（2）计算机数控研磨和抛光技术

计算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球面光学零件。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方法。非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是：小型磨床修正研磨抛光法。

小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的1/3，由计算机计算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径1500～1800mm的大口径非球面。目前，美国亚里桑那大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。

80年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值为0.2nm。若用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方根值能达到0.035nm。最近，日本采用门型机械加工中心，使用4000#～8000#铸铁丝结合金刚石砂轮，利用ELID（在线电解修正法）磨削法，磨削BK-7光学玻璃，所获得的非球面的面形精度为1μm，表面粗糙度为43nmRmax。

德国的计算机数控研磨抛光技术也很快。Loh公司生产的CNCSPM50和120研磨抛光机，不仅可以粗、精磨球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德（SCHEIDER）光学机械公司90年代末制造的ALG100型计算机数控非球面磨床和ALP100型计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。

（3）计算机数控离子束成形技术

日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺方法，称为等离子CVM法，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度。在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出0.01μm精度的任意形状的零件，另外可以以50μm／min的速度加工单晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可达0.1nm(Rrms)。

（4）非球面零件复制技术

用控制除去厚度的抛光(研磨)方法能够制造出高精度的非球面零件，但和一般的光学零件加工方法相比，这种方法的加工效率很低，解决这个问题的方法之一有复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。

近年来，国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如Rank Pneumo公司生产的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以使非球面零件的加工更加灵活。

1.3.2  国内非球面零件超精密加工技术的现状

我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。80年代中期，我国出现了具有世界水平的超精密机床和部件。如北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、中国科技大学、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等单位都在该领域取得了阶段性的成果。

北京高华精密机械有限公司生产的DHM-500全液体静压超精密数控非球面磨床，通过X-Z-B三轴联动，实现对非球面透镜的高效率、高精度磨削；

上海第三机床厂生产的MK-9025型数控曲线磨床，采用西班牙FAGOR公司的CNC四轴控制系统，其中二轴为插补控制轴，分别控制机床工作台的纵、横向进给，另二轴控制磨头滑座的纵、横向进给，可以加工任意曲面；

我国九五期间在中国航空精密机械研究所首先建立的国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密复合加工系统；

长春光机所于1992年成功研制出国内首台实用型非球面数控光学加工中心FSGJ-I;

2002年，国防科技大学研制了一台集铣磨成形、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床。

由我国数控光学非球面加工第一人——苏州大学研究员余景池与其创办的苏州大学明世光学有限公司，生产国际一流水平的非球面眼镜模具，并广泛应用于数码相机、可视电话、计算机光驱、非球面透镜等领域。它是国内第一家从产品的设计、加工到生产都由自己完成的公司，用完全自主知识产权的产品代替了国外产品，填补了国内空白。

最近，中国科学院南京天文光学技术研究所率先研制成功520mm国产碳化硅非球面镜光学系统，并通过了专家组的验收，这标志着我国在该领域迈上了新的台阶。但是对于大口径高精度非球面光学零件的加工，如果再加上数字化控制的要求，在国内就是一个挑战性的课题了。因此，国内生产水平与国际生产水平仍有差距。

为此，国家该863项目提出，在经典高精度光学经典加工工艺研究基础上，吸收国际上先进的加工工艺研究成果，研究优化的高精度数字化光学非球面元件加工工艺。

1.4 本文研究的主要内容

本论文的主要研究内容如下：

（1）了解大口径光学非球曲面零件的加工方法及应用背景。

（2）了解国内外超精密加工机床发展水平及特点。

（3）学习超精密加工技术的基本理论知识。

（4）大口径非球面磨床Z轴部件结构设计。

（5）大口径非球面磨床Z轴部件驱动传动元件设计计算。

（6）Z轴部件主要零件有限元仿真分析。


内容简介：
毕业设计实习报告 题目名称 : 大口径非球面铣磨机 Z 轴精密进给结构设计 院系名称： 机电学院 班 级： 机自 074 学 号： 200600314427 学生姓名： 魏 义 坤 指导教师： 乔 雪 涛 2011年 3月 nts中原工学院毕业设计实习报告 前言 实习是每一个大学毕业生必须拥有的一段经历，它使我们在实践中了解社会、在实践中巩固知识；实习又是对每一位大学毕业生专业知识的一种检验，它让我们学到了很多在课堂上根本就学不到的知识，既开阔了视野，又增长了见识，为我们走向社会打下坚实的基础，也是我们走向工作岗位的第一步。 大四下学期开学不久，我来到了 北京微纳精密机械有限公司进行 实习。经过实习，我渐渐明白有时实际要比理论直接的多，但大多数情况下实际操作还是比理论要复杂、要间接。通常自已所设计的东西在实际的装配中没有思考的太多，理论上成立的东西实 际中很可能是造不出来的，在这个过程中我学到了很多的经验。值得庆幸的是在这段时间里，公司的领导与技师给予了我热情的指导和帮助，而我也虚心向他们请教学习，把大学所学的知识加以运用，在理论运用于实践的同时，也在实践中更加深刻地理解了以前没有理解透彻的知识。更重要的是，这是我踏入社会的第一步，虽然只有短短的两个半月时间，但是也让我看到了自己的很多欠缺，在这里我不仅学到的是学问上的知识，还有待人接物的一些必备的礼仪和知识，让我深知出身社会，还需要很多学校里学不到的能力，年少的我们，还应该更加努力。这次实习给了我一次成 长的机会，让我受益匪浅。 以下是对自己在实习期间的简单汇报： nts中原工学院毕业设计实习报告 2 目录 前言 . 1 一、实习内容 . 3 北京微纳精密机械有限公司 . 3 1.1 公司简介 . 3 1.2 公司主要产品概述 . 3 1.3 教学指导 . 10 二、毕业设计调研情况总结 . 11 2.1 设计方案初步拟定 . 11 2.2 可行性分析 . 13 三、实习总结 . 14 参考文献 . 15 nts中原工学院毕业设计实习报告 3 一、 实习内容 开 学 不 久 我 们 就 在 老 师 的 安 排 下 来 到 了 北 京 微 纳 精 密 机 械 有限公司 ，这次实习主要围绕以下几个方面进行的： 了解公司实际环境和主要的管理模式。 了解当今的机械行业的走向，学习机械制造设计、装配的过程。 了解精密仪器的构造，设计，以及一些标准件的选用。 了解先进科技在生产实际中的应用。 了解大口径非球面铣磨机的结构和应用。 在实习期间，我们见识了先进的企业管理，先进仪器，高精密仪器。在实习期间还给我们开了一些精密制造方面的讲座，对我们毕业设计起到了很好的指导作用。 北京微纳精密机械有限公 司 1.1 公 司 简介 北京微纳精密机械有限公司是进行精密 制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体，北京微纳精密机械有限公司 通过多年的努力与积累，在超精密加工方面形成了结构合理的科研梯队，由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年 技术人员 组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力 ，并 拥有 600 的恒温实验室 。 公司产品包括精密光学和机械加工装备、精密检测装备；公司的研究开发内容包括精密机械和光学加工制造装备及应用工艺。 公司具备高精度加工设备、高精度检测设备等一批用于精密制造的相关制造手段，具备量块检测、长度检测、形状检测、线胀系数检测、定位精度检测等高档检测手段； 具备高精度外圆加工、平面加工、坐标镗铣、车削等高档加工手段。 1.2 公司主要产品概述 nts中原工学院毕业设计实习报告 4 1. 万能外圆磨床 主机由床身，车头，车尾，磨头，传动吸尘装置等部件构成。车 头 ， 磨 头 可 转 角 度 、 用 于 修 磨 顶 针 及 皮 辊 倒 角 用 专 用 夹 具 外 圆 磨 床 的 特点 ： 1) 砂 轮 主 轴 轴 承 采 用 锥 形 成 型 油 楔 动 压 轴 承 、 砂 轮 主 轴 在 低 速是 仍 具 有 高 的 轴 承 刚 度 。 2) 砂 轮 架 导 轨 采 用 交 叉 滚 柱 刚 导 轨 ， 半 自 动 进 给 机 构 采 用 回 转式 油 缸 实 现 。 3) 尾 架 轴 系 具 有 无 间 隙 刚 度 的 特 点 ， 电 器 箱 ， 液 压 箱 冷 却 箱 与机 床 分 离 。 4) 富 有 磨 削 指 示 仪 及 冷 却 液 过 滤 器 。 5) 头 架 速 度 才 有 那 个 交 流 变 频 无 级 调 速 。 6) 电 气 采 用 可 编 程 序 控 制 器 （ pc） ， 具 有 自 诊 断 功 能 、 维 修 十分 方 便 。 7) 可 选 配 自 动 测 量 仪 。 2. CY6140 车床 CY6140 是 一 种 通 用 的 普 通 机 床 ， 它 的 加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种nts中原工学院毕业设计实习报告 5 车床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。 主要有以下特点： 1) 车 床 的 床 身 、 床 脚 、 油 盘 等 采 用 整 体 铸 造 结 构 ， 刚 性 高 ， 抗震 性 好 ， 符 合 高 速 切 削 机 床 的 特 点 。 2) 床 头 箱 采 用 三 支 承 结 构 ， 三 支 承 均 为 圆 锥 滚 子 轴 承 ， 主 轴 调节方 便 ， 回 转 精 度 高 ， 精 度 保 持 性 好 。 3) 进 给 箱 设 有 公 英 制 螺 纹 转 换 机 构 ， 螺 纹 种 类 的 选 择 转 换 方 便 、可靠。 4) 溜 板 箱 内 设 有 锥 形 离 合 器 安 全 装 置 ， 可 防 止 自 动 走 刀 过 载 后的 机 件 损 坏 。 5) 车 机 床 纵 向 设 有 四 工 位 自 动 进 给 机 械 碰 停 装 置 ， 可 通 过 调 节碰 停 杆 上 的 凸 轮 纵 向 位 置 ， 设 定 工 件 加 工 所 需 长 度 ， 实 现 零件 的 纵 向 定 尺 寸 加 工 。 6) 尾 座 设 有 变 速 装 置 ， 可 满 足 钻 孔 、 铰 孔 的 需 要 。 3. T4240 双立柱坐标镗床 双立柱 坐 标 镗 床 ， 是 具 有 精 密 坐 标 定 位 装 置 ， 用 于 加 工 高 精 度 孔 或nts中原工学院毕业设计实习报告 6 孔 系 的 一 种 镗 床 。 在 坐 标 镗 床 上 还 可 进 行 钻 孔 、 扩 孔 （ 见 钻 削 ） 、铰 孔 （ 见 铰 削 ） 、 铣 削 、 精 密 刻 线 和 精 密 划 线 等 工 作 ， 也 可 作 孔 距和 轮 廓 尺 寸 的 精 密 测 量 。 坐 标 镗 床 适 于 在 工 具 车 间 加 工 钻 模 、 镗 模和 量 具 等 ， 也 用 在 生 产 车 间 加 工 精 密 工 件 ， 是 一 种 用 途 较 广 泛 的 高精 度 机 床 。 双 柱 式 坐 标 镗 床 两 立 柱 上 部 通 过 顶 梁 连 接 ， 横 梁 可 沿 立柱 导 轨 上 下 调 整 位 置 。 主 轴 箱 沿 横 梁 导 轨 作 横 向 移 动 ，工 作 台 沿 床 身 导 轨 作 纵 向 移 动 ，以 配 合 坐 标 定 位 。大 型 的 双 柱 坐 标 镗 床 在 立 柱 上 还 配 有 水 平 主 轴 箱 。采 用 双 柱 框 架 式 结 构 ， 刚 度 很 高 ， 大 中 型 坐 标 镗 床 多 为 这 种 形 式 ，坐 标 定 位 精 度 为 3 10 微 米 。 主 轴 上 安 装 刀 具 作 主 运 动 ， 工 件 安 装在 工 作 台 上 随 工 作 台 沿 床 身 导 轨 作 纵 向 直 线 移 动 。 它 的 刚 性 较 好 ，目 前 大 型 坐 标 镗 床 都 采 用 这 种 结 构 。 双 柱 式 坐 标 镗 床 的 主 参 数 为 工作 台 面 宽 度 。 4. 大口径非球面小磨头数控抛光机 龙门框架：龙门框架由基座、左右立柱、横梁等组成，采用优质天然花岗岩制成。 横梁拖板：该拖板可带动磨头系统和测量头做上下运动。 nts中原工学院毕业设计实习报告 7 磨头部套：此部套安装在竖直拖板上，共有六个功能机构。 工作台：工作台可实现正反向转动。台面上有装夹工件用 T 型槽。 测量拖板：用于细磨时工件面型的测量和数据采集。 电控系统：本机床数控系统为美国 parker 数控系统。 润 滑系统：机床所有运动部件均根据需要安装有润滑系统。 5. CLZ866U 三坐标测量仪 nts中原工学院毕业设计实习报告 8 三坐标测量机是先进制造技术中重要的大型精密仪器，它可以方便的进行空间三维尺寸的测量，也可以实现在线检测和自动化测量。 三坐标测量机具有如下优点：（ 1）通用性强，可实现空间坐标点位的测量，方便地测出各种工件的三维轮廓尺寸和位置精度；（ 2）测量精度高而可靠；（ 3）可以方便地进行数据处理和程序控制。上 图是由北京机床研究所自主研发的 CLZ866U 三坐标测量仪。它的技术特点是利用坐标测量技术，计算机测控技术及最先进 的动态测量系统进行工作表面的采集点和数据处理，可使用双旋转侧头系统及不同测杆，测头的组合，配合各种通用或专用测量软件，方便实现对三维工件的测量应用领域。主要应用于机械、汽车、航空、军工、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、螺纹、凸轮、蜗杆、涡蜗轮、叶片、曲线、曲面等的测量。 花岗岩工作台，陶瓷横梁及 Z 轴精度稳定，移动龙门式结构，操作性能好，全气浮支承导轨无磨损，无间隙摩擦传动，气缸式 Z 轴重量平衡及防滑落系统安全可靠，精密光栅系统及 Renishaw 测头系统微整机提供了准确的测量定位数据。 通过相关资料的查阅，对三坐标 测量仪（ CMM）有了初步的整体认识： (一 ) CMM 的组成 三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。 1） 机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图 9-1 所示结构中， X 向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是 Y 向导轨系统， Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在 Z 轴端部。 2） 电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算 机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。 (二 ) CMM 的工作原理 三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。 nts中原工学院毕业设计实习报告 9 (三 ) CMM 的分类 按 CMM 的测量范围分类 1. 小型坐标测量机 这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向（一般为 X 轴方向）上的测量范围小于 500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。 2. 中型坐标测量机 这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为 5002000mm，是应用最多的机型，主要用于箱体、模具类零件的测量。 3. 大型坐标测量机 这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于 2000mm，主要用于汽车与发动机外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。 按 CMM 的精度分类 1. 精密型 CMM 其单轴最大测量不确定度小于 110 6L（ L 为最大量程，单位为mm），空间最大测量不确定度小于（ 2 3） 10 6L，一般放在具有恒温条件的计量室内，用于精密测量。 2. 中、低精度 CMM 低精度 CMM 的单轴最大测量不确定度大体在 110 4L 左右，空间最大测量不确定度为（ 2 3） 10 4L，中等精度 CMM 的单轴最大测量不确定度约为 110 5L，空间最大测量不确定度为（ 2 3） 10 5L。这类 CMM 一般放在生产车间内，用于生产过程检测。 (四 ) 三坐标测量机的机械结构 1. 结构形式 三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴构成的，这三个坐标轴的相互配置位置（即总体结构形式）对测量机的精度以及对被测工件的适用性影响较大。 2. 工作台 早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形nts中原工学院毕业设计实习报告 10 小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台，以扩大 Z 轴的测量范围，还有些测量机备有旋转工作台，以扩大测量功能。 3. 导轨 导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。在三坐标测量机上使用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和气 浮动 导轨，但常用的为滑动导轨和气浮导轨 。 1.3 教学指导 在 3 月 23 日，我们有幸迎来了清华大学的王 先逵老师给我讲解当今精密加工技术的发展现状和方向。主要就是这两部分（ 1）精密工程和纳米技术，（ 2）精密加工和超精密加工等等。 由于时间的关系，王老师讲解的内容不是太深入，但非常的多，这对于接触这方面较少的我们来说是最好不过的了。 在这次课中，我们接触了很多新的知识新的概念，其中印象最深刻的就是王老师给我们讲解纳米技术，它是科技发展的一个新兴领域，不是简单的“精度提高”和“尺寸缩小”，而“是从物理的宏观领域进入到微观领域”，宏观的物理、化学已经不适用于微观领域，这是新的。之后又对当今世界上最先进的车床进行了讲 解，让我们对当今世界的最高加工技术水平有一个全新的认识。 在第二部分精密加工和超精密加工中，又讲了机械超精密加工技术，超硬微粉砂轮超精密磨削，砂轮修整等机械加工方法；其中对于砂轮它的磨料要求较多，首先它要求磨料要硬，现在用的比较多的是金刚石微粉和立方氮化硼，在砂轮的加工中一定会有磨损，这就需要砂轮的修整了，其中包括整形，修锐和电解三种方法。另外还有非机械超精密加工技术包括微细电火花，微激光束，微粒子束这三束的加工方法。 这个讲座让我受益良多，尤其是了开阔我们的眼界，让我们从书本那些纯理论的知识中走了出来，对 此非常感谢实习单位的赵惠英老师安排的这个讲座，在随后的实习中赵老师又安排了几次讲座，由于篇幅关系就不一一叙述。 nts中原工学院毕业设计实习报告 11 二、 毕业设计调研情况总结 课题概述 关于本课题“大口径光学非球面超精密数控铣磨机”的开发研制隶属于“国家 863 计划”攻关项目，这个项目由北京微纳精密机械有限公司承接。该公司是进行精密制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体， 由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年 技术人员 组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力 。 为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学 院联合实施“卓越工程师”的培养计划。具体施行方法就是由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。 我的毕业设计课题是 大口径非球面铣磨机 Z 轴的精密进给 ， 由于本毕业设计在大学中涉及的知识较少，所以在毕业设计前的调研时十分重要的。调研主要分为两部分：一是查阅相关的文献从中收集到必要的知识。二是通过对市场的收集到对毕业设计有用的资料。 以下就是在毕业设计通过以上两种方法收集到得资料综述： 2.1 设计方案初步拟定 我的课题主要是 Z 轴部分的精确进给，我采用伺服电机提供 动力、滚珠丝杠传动、液体静压导轨导向和光栅尺反馈测量配合使用以达到精密进给的目的。下面是我收集到相关的一些信息，由于篇幅问题就不多述。 对于电机的选择，主要有两个，一是直线电机，因其是直接传动无中间部件，精度高，可以提供较大的转矩；二是伺服电机 其主要有以下优点：（ 1） 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 （ 2）定子绕组散热比较方便。 （ 3） 惯量小，易于提高系统的快速性。 （ 4）适应于高速大力矩工作状态 。 （ 5） 同功率下有较小的体积和重量 。 但是nts中原工学院毕业设计实习报告 12 直流电机外部配套设备太复杂，需要配置整流变压器，整流装置等 设备 。Z 轴方向有重量要求，所以选用伺服电机 选用液体静压导轨是因其刚度高，承载能力大，直线运动精度高，运行平稳，无爬行现象。对导轨的要求不是太苛刻 对导轨的材料，精度和光洁度要求远不象一般静压导轨那么严，可采用较大的间隙，但不影响机床的加工精度，特别适用于凸三角山形导轨 。其次，空气静压导轨的精度更好，但它对于使用环境的要求较高，现选定液体静压导轨。 滚珠丝杠的技术已非常成熟，它主要 由 螺 杆 、 螺 母 和 滚 珠 组 成 。它 的 功 能 是 将 旋 转 运 动 转 化 成 直 线 运 动 ， 这 是 滚 珠 螺 丝 的 进 一 步 延伸 和 发 展 ， 这 项 发 展 的 重 要 意 义 就 是 将 轴承从 滑 动 动 作 变 成 滚 动 动作。由于具有很小的 摩擦阻力主要 有以下特点：（ 1） 与滑动 丝杠副 相比驱动力矩为 1/3（ 2）滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。（ 3）滚动丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。完全可以满足设计需要。 采用丝杠还达不到设计要求，所以加入光栅尺来实现在精确进给，利用光 栅来进行位移测量要追朔到上个世纪 50年代 , 在相当长时间里 , 仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定 , 最开始是基于 双光栅的莫尔条 (Moire fringes)技术 , 其栅距在20um左右 , 精度一般为几个微米 , 但是随着制造技术的进步 ,现在的光栅栅距可以达到 0.8um, 分辨力达到 1nm, 在生产、制造业的发展中扮演了重要角色。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅 , 光栅栅距是 1um或0.8um, 栅线的宽度与光的波长很接近 (红外激光 632.8um), 则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹 , 其测量原理称干涉原理 。 HEIDENHAIN公司生产的用于数控机床的直线光栅尺几乎可以适应任何应用。它是所有采用闭环控制机床和设备上进给轴的 最佳选择，例如铣床、加工中心、镗床、车床和磨磨床。直线光栅尺动态性能好，运动速度可靠性高，沿测量方向的运动加速度大，这些特性使它不仅能满足常规轴动态性能要求，也能满足直接驱动设备的高动态性能要求。现 采用 HEIDENHAIN公司的LIP372型光栅尺可达到要求。 nts中原工学院毕业设计实习报告 13 2.2 可行性分析 在毕业设计的过程中难免会遇到各种各样的问题，现在我对自已的课题有了一定的研究，在这个过程也得到了指导老师的帮助。确立自已的设计方向，刚开始的设计中出现了一些错误，这也是正常的，我会努力完善自己的设计。 在毕业设计的过程中也会搜集相关的资 料，还有指导老师的帮助，对遇到的问题肯定都能一一克服。现在还处在论证阶段，我相信只要有决心做好，就一定会取得自自己想要的结果。 nts中原工学院毕业设计实习报告 14 三、 实习总结 首先，在工作中要有良好的学习能力，要有一套学习知识的系统，遇到问题自己能通过相关途径自行解决能力。 因为在工作中遇到问题各种各样，并不是每一种情况都能把握。在这个时候要想把工作做好一定要有良好的学习能力，通过不断的学习从而掌握相应技术，来解决工来中遇到的每一个问题。这样的学习能力，一方面来自向师傅们的学习，向工作经验丰富的人学 习。另一方面就是自学的能力，在没有另人帮助的情况下自己也能通过努力，寻找相关途径来解决问题。 其次、良好的人际关系是我们顺利工作的保障。 在工作之中不只是同技术、同设备打交道，更重要的是同人的交往。所以一定要掌握好同事之间的交往原则和社交礼仪。这也是我们平时要注意的。 另外在工作之中自己也有很多不足的地方。例如：缺乏实践经验，缺乏对相关行业的标准掌握等。所在我常提醒自己一定不要怕苦怕累，在掌握扎实的理论知识的同时加强实践，做到理论联系实际。另一方面要不断的加强学习，学习新知识、新技术更好的为人民服务。 通过 这次毕业实习，把自己在学校学习的到理论知识运用到社会的实践中去。一方面巩固所学知识，提高处理实际问题的能力。另一方面为顺利进行毕业设计做好准备，并为自己能顺利与社会接轨做好准备。毕业实习是我们从学校走向社会的一个过渡，它为我们顺利的走出校园，走向社会为国家、为人民更好服务做好了准备。 nts中原工学院毕业设计实习报告 15 参考文献 1 花国梁 . 精密测量技术 . 北京 : 中国计量出版社 , 1990, 23 (2): 81-86. 2 联合编写组 . 机械设计手册 (1-6 卷 ).北京：机械工业出版社， 2004 3 成大 先 . 机械设计手册（单行本）：常用设计资料 S.北京：化学工业出版社，2004 4 现代实用机床设计手册 编委会 . 现代实用机床设计手册 (上、下 ). 北京：机械工业出版社， 2006 5 赵则祥 . 公差配合与质量控制 . 开封：河南大学出版社， 1999 6 王海涛 . 超精密车床结构设计及仿真 , 河北工业大学 , 2007, 5: 32-35 7 倪晓弊 . 形 状 误 差 测 量 结 果 不 确 定 度 的 研 究 及 应 用 , 合肥工业大学 , 2002, 6(5): 26-31 8 潘敏 . 激光圆度仪研究 . 长春理工 大学 , 2007, 8: 36-41 9 王欣 . 三坐标测量机动态误差分析 , 西安理工大学 , 2007, 4-9 nts 毕业设计开题报告 题目名称 : 大口径非球面铣磨机 Z 轴精密进给结构设计 院系名称： 机电学院 班 级： 机自 064 学 号： 200600314222 学生姓名： 魏 义 坤 指导教师： 乔 雪 涛 2011 年 3 月 nts中原工学院 毕业设计开题报告 1 一、 课题来源及研究的目的和意义 1.1 课题来源 “大口径光学非球面超精密数控铣磨机”的开发研制隶属于“国家 863 计划”攻关项目，这个项目由北京微纳精密机械有限公司承接。该公司是进行精密制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体， 由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年 技术人员 组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力 。 为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。具体施行方法就是由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设 计，为学生走上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。 1.2 研究的目的和意义 近年来，随着光电子学的发展，非球面光学零件在军用和民用产品上的应用也越来越普及，如在电视摄像管、卫星红外望远镜、录像机镜头、激光视盘装置、光纤通信的接头、医疗仪器等中都有广泛的应用。非球面加工已经发展为一个研究热点非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，从而获得高质量的图象效果和高品质的光学特征。一般来说，在光学仪器上，一块非球面透 镜的作用相当于三块球面镜，因此，光学仪器设备采用非球面镜片具有重量轻、透光性能好、成本低、且使光学系统设计更具灵活性的优点。 为了实现非球面精密机床的加工精度，其中的 Z 轴方向的精密进给是非常重要的一部分。对于 Z 轴方向的进给则提出了很高的要求，以确保实现加工精度要求。 这个成果如果能被广泛的应用，可实现 Z 轴这个部件的规模生产，做为一个单独的产品，实现商品价值。 二、 本课题所涉及的内容国内 (外 )研究现状综述 2.1 国内外相关精密进给设备现状 精密进给的研究不仅关系到超精密车床研制、而且是精密机械、微电子、生物工程等多种 学科赖以发展的基础。要实现精密进给，不仅需要机械部分的保证，还要有数控系统方面的信号补偿；由于本课题是关于 Z 轴精密进给，涉及到的包括滚珠丝杠幅、液体静压导轨、光栅相位传感器这些方面。 2.2 国外滚珠丝杠幅的发展现状 由于 滚珠丝杠 副具有高效率、 高精度、 高刚度等特点， 被广泛应用于机械、 航 天、nts中原工学院 毕业设计开题报告 2 航空、核工业等领域。现在， 滚珠丝杠幅 已成为机械传动与定位的首选部 件 非球面车削技术及设备状况。 日本、英国、美国都能制造基本导程极限偏差为 2 m、任意 300mm 螺纹长度内导程公差为 5 m 的滚珠丝杠幅。其应用实例有螺纹磨床的母 丝杠和精密量仪器的基准进给丝械。 日本 NSK 公司已开 发出公称直径 d0=4mm，导程 Ph=0.5mm 的世界最小导程微型 滚珠丝杠幅。以对应航天领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置要求。 随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加 工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导 程滚珠丝杠幅 的出现，满足了高速化的要求。日本 NSK 公司已开发出公称直径 导程为： 15mm40mm、16mm50mm、 20mm60mm、 25mm 80mm 超大 导程 滚珠丝杠幅 ，快速进给速度达 180m/min。 2.2 国内 滚珠丝杠幅 的发展现状 我国滚动功能部件行业生产不集中、产品品种单一、含金量低，尚无在国际上有影响力的知名品牌，已成为国产数控机床发展的瓶颈。目前我国滚动功能部件生产企业有 50 家（不含台湾省），研究院所、高校共 3 家，企业附属研究机构 3 个。生产滚珠丝杠的企业48 家，年产值可达 6.5 亿元，生产滚动直线导轨的企业有 6 家（其中 4 家同时生产滚珠丝杠），年产值可达 1.5 亿元。在 50 家企业中，生产规模大、工艺装备较齐全、产量大、品种多的只有 6 家，而且企业存在对用户市场缺乏 战略研究，产业技术开发的工作跟不上形势发展的要求，企业的核心竞争力不强，创新能力较差等问题。我国滚动功能部件产业与国外的主要差距是：专业生产水平不高，信息化管理滞后，产业化进程缓慢，个性化服务跟不上。中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但生产效率却远远低于国外。而高性能、高档次的产品与 NSK、 THK、 INA 等知名企业有明显差距，成为制约国产高档数控机床发展的瓶颈。 2本课题有待解决的主要关键问题 2 1 根据 Z 轴高精密进给的设计要求，需注意以下几点问题： 1） 根据设计要求，完成 Z 轴的三维造型。 2） 根据 三维造型，采用 SolidWorks 进行分析。 3） 造型分析之后，进行二维图纸的绘制，利用 AutoCAD 来进行。 4） 进行整体机构的优化设计与结构分析。 nts中原工学院 毕业设计开题报告 3 3对课题要求及预期目标的可行性分析 (解决关键问题技术和所需条件 ) 3.1课题任务介绍 1） 市场调查，对该 Z 轴进行结构合理性分析。 2） 查阅资料，确定 Z 轴总体设计方案。 3） 采用三维参数化造型软件完成该 Z 轴的设计。 4） 绘制二维零件图及装配图。 5） 撰写毕业设计说明书。 3.2 关键问题的技术解决 1） 在 转台结构 设计 完成后， Z 轴的 性能以及工作过程进行分 析是本次设计的一个关键，它直接关系到后续加工 制造 出来的 机构部件 能否 满足 要求，是否能 够制造生产 。 2）完成转台的三维造型后，进行转台三维模型分析。 3） Z 轴的设计需严格按照设计指标进行。 4完成本课题的工作计划及进度安排 2.213.06（第 12 周） 毕业实习，完成调研报告； 3.073.20（第 34 周） 完成外文翻译，方案论证（提交开题报告）； 3.214.03（第 34 周） 测量系统 总体设计； 4.045.22（第 713 周） 部件和主要 零件设计、测量误差分析、直线运动精度编制 （第 10周进行中期检查） ；按学院规定的统一规范化要求撰写设计说明书； 5.235.29（第 14 周） 指导教师审查、修改定稿，准备答辩 PPT； 5.306.05（第 15 周） 评阅教师评阅、答辩； 6.066.12（第 16 周） 修改毕业设计 。 nts中原工学院 毕业设计开题报告 4 5指导教师审阅意见 指导教师 (签字 )： 年 月 日 6 指导小组意见 指导小 组组长 (签字 )： nts中原工学院 毕业设计开题报告 5 年 月 日 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 1 1. 绪论 1.1 课题的背景和来源 “大口径光学非球面超精密数控铣磨机”的开发研制隶属于“国家 863 计划”攻关项目，这个项目由北京微纳精密机械有限公司承接。该公司是进行精密制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体， 由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年 技术人员 组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力 。 为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。具体施行方法就是由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工 作岗位提供一个锻炼自己的平台。 1.2 研究的目的和意义 非球面光学 元件 是一种非常重要的光学零件， 因其 在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力， 且 能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量 而得到重要应用。其加工质量的好坏与非球面加工机床的制造水平息息相关，因此，进一步提高我国非球面超精密机床的制造水平势在必行。 为了提高非球面超精密机床的整体性能，其主要构件 Z 轴的结构特性也至关重要。为此开展了对于大口径非球面超精密光学铣磨机 Z 轴结 构特性的分析和优化。以期通过对该梁的结构静力学分析和结构动力学分析，对横梁的结构做出优化设计，改善其静力学和动力学特性，从而保证机床的 Z 轴的精密进给，最终实现该铣磨机整体使用性能。 研制出加工口径达 900mm 的光学非球曲面加工机床及成套应用工艺，可以满足国家国民经济主要领域和国防工业的重大需求，部分解决禁运和替代进口问题，提升我国相关领域的核心竞争力和创新能力。 打破国外的技术封锁，使我国的非球面曲面光学零件的超精密加工水平 提升 一个大的台阶，从整体上缩短与世界最先进水平的差距 。 1.3 国内外研究现状 随着 国防工业、航空、民用光学技术的发展，各种高精度的非球面光学元件越来越多地应用于高性能要求的光学系统中。光学元件因其具有 矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力 等优点而得到广泛应用。目前，高精度非球面光学元件的使用受到其加工精度、表面质量和制造成本的限制，但是市场上对光学元件的需求促使各个国家致力于高精度非球面光学元件加工的技术研究。 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 2 1.3.1 国外非 球面零件超精密加工技术的现状 80 年代以来， 国外 出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有： （ 1） 计算 机 数控单点金刚石车削技术 计算机数控单点金刚石车削技 术是由美国国防科研机构于 60 年代率先开发、 80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金刚石车削技术加工出来的直径 120mm 以下的光学零件，面形精度达 l/2 1l，表面粗糙度的均方根值为 0.02 0.06mm。目前采用金刚石车削技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、 KDK 晶体）无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。 （ 2） 计算机数控研磨和抛光技术 计 算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球面光学零件。工件加工精度主要取决于测量精度和 所采用的误差校正方法。非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是：小型磨床修正研磨抛光法。 小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的 1/3，由计算机计算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径 1500 1800mm 的大口径非球面。目前，美国亚里桑那大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。 80 年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了 0.08m ，表面粗糙度的均方根值为 0.2nm。若用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方 根值能达到 0.035nm。最近，日本采用门型机械加工中心，使用 4000# 8000#铸铁丝结合金刚石砂轮，利用 ELID（在线电解修正法）磨削法，磨削 BK-7 光学玻璃，所获得的非球面的面形精度为 1m ，表面粗糙度为 43nmRmax。 德国的计算机数控研磨抛光技术 也 很快。 Loh 公司生产的 CNCSPM50 和 120 研磨抛光机，不仅可以粗、精磨球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德（ SCHEIDER）光学机械公司 90 年代末制造的 ALG100 型计算机数控非球 面磨床和ALP100 型计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。 （ 3） 计算机数控离子束成形技术 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 3 日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺方法，称为等离子 CVM 法，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度。在高压力下，由 于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出 0.01m 精度的任意形状的零件，另外可以以 50m min 的速度加工 单晶硅 平面，加工工件的表面粗糙度可达 0.1nm(Rrms)。 （ 4） 非球面 零件 复 制 技术 用控制除去厚度的抛光 (研磨 )方法能够制造出高精度的非球面零件，但和一般的光学零件加工方法相比，这种方法的加工效率很低，解决这个问题的方法之一有复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。 近年来， 国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光 加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如 Rank Pneumo 公司生产的 Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE 研制的 Nanocentre、日本的 AHN603D 、 ULP 一 100A(H)都具有复合加工功能，这样可以 使 非球面零件的加工更加灵活。 1.3.2 国内非球面零件超精密加工技术的现状 我国从 80 年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了 20 年。 80 年代中期，我国出现了具有世界水平的超精密机床和部件。如 北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、 中国科技大学、 哈尔滨 工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等 单位都在该领域取得了阶段性的成果。 北京高华精密机械有限公司生产的 DHM-500 全液体静压超精密数控非球面磨床，通过 X-Z-B 三轴联动，实现对非球面透镜的高效率、高精度磨削； 上海第三机床厂生产的 MK-9025型数控曲线磨床，采用西班牙 FAGOR 公司的 CNC四轴控制系统，其中二轴为插补控制轴，分别控制机床工作台的纵、横向进给，另二轴控制磨头滑座的纵、横向进给，可以加工任意曲面； 我国九五期间 在中国航空精密机械研究所首先建立 的 国内第一个从事超精密加工技术研究的重点 实验室 成功地研制出了 Nanosys-300 非球面超精密复合加工系统； 长春光机所于 1992 年成功研制出国内首台实用型非球面数控光学加工中心FSGJ-I; 2002 年，国防科技大学研制了一台集铣磨成形、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床。 由我国数控光学非球面加工第一人 苏州大学研究员余景池与其创办的苏州大nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 4 学明世光学有限公司，生产国际一流水平的非球面眼镜模具，并广泛应用于数码相机、可视电话、计算机光驱、非球面透镜等领域。它是国内第一家从产品的设计、加工到生产都由自己完成的公司，用完全自主知识产权的产品 代替了国外产品，填补了国内空白。 最近，中国科学院南京天文光学技术研究所率先研制成功 520mm 国产碳化硅非球面镜光学系统，并通过了专家组的验收，这标志着我国在该领域迈上了新的台阶。但是对于大口径高精度非球面光学零件的加工，如果再加上数字化控制的要求，在国内就是一个挑战性的课题了。因此，国内生产水平与国际生产水平仍有差距。 为此，国家该 863 项目提出，在经典高精度光学经典加工工艺研究基础上，吸收国际上先进的加工工艺研究成果，研究优化的高精度数字化光学非球面元件加工工艺。 1.4 本文研究的主要内容 本论文的主要研究 内容如下： （ 1） 了解大口径光学非 球曲面零件的加工方法及应用背景。 （ 2） 了解国内外超精密加工机床发展水平及特点。 （ 3） 学习超精密加工技术的基本理论知识。 （ 4） 大口径非球面磨床 Z 轴部件结构设计。 （ 5） 大口径非球面磨床 Z 轴部件驱动传动元件设计计算。 （ 6） Z 轴部件主要零件有限元仿真分析。 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 5 2. Z 轴部件设计 2.1 Z 轴部件技术方案设计 大口径光学非球曲面磨床的 Z 轴部件是机床的关键部件，其性能的高低直接影响到被加工零件的质量。 Z 轴部件的技术方案设计主要包括进给系统设计、导轨系统设计、测量反馈系统设计以及 Z 轴部件平 衡系统设计。 Z 轴部件的技术指标如表 2-1 所示： 表 2-1 Z 轴部件技术指标 项 目 数 值 Z 轴行程 400mm 定位精度 1m 重复定位精度 0.5m 直线度 0.1m/100mm 导轨刚度 1000N/m 最小进给量 0.01m 切削进给速度 3m/min 快速移动速度 6m/min 2.1.1 进给系统设计 精密超精密机床的进给系统主要有滚珠丝杠副、静压丝杠副、摩擦驱动机构、直线电机等。 1）精密滚珠丝杠副 精密滚珠丝杠副是精密超精密机床目前采用 的主要进给方式。精密滚珠丝杠副具有较高的分辨率和动、静态刚度，目前被广泛应用于数控加工和精密测量等领域。随着加工工艺的发展，滚珠丝杠副各项性能也在进一步提高，它仍是超精密加工设备中主要的驱动方式之一。超精密加工机床的滚珠丝杠副一般的精度等级为 C0 级，在高精度闭环控制和高等级滚珠丝杠副的配合下，可以获得 0.01m 的定位精度 13。 2）静压丝杠副 静压丝杠副包括两种方式：空气静压丝杠副和液体静压丝杠副。静压丝杠利用高压介质使丝杠和螺母不直接接触，由于介质膜的均化作用，螺纹的积累误差可以大幅度地减小，可以获 得很高的进给精度。目前这两种静压丝杠副的最小分辨率都可以达到 0.01m，但空气静压丝杠副的刚度较小，只适用于轻载荷的场合。 液体静压丝杠副需要辅助设备，调试和维修较复杂且价格较贵，一般精密和超精密机床应用较少。 3）摩擦驱动机构 摩擦驱动机构是利用摩擦力把伺服电机的回转运动转换成为直线运动的机构。在nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 6 摩擦驱动实现直线运动时，驱动系统的等效导程等于主动摩擦轮的周长，进给分辨率则取决于驱动电机回转一周的步进数。摩擦驱动机构具有运动平稳、无反向间隙等特点。由于结构上比较简单，因而弹性变形因素大为减少，所以一直被认为 是一种非常适合超精密机床的传动系统。一般应用于轻载、超低速和高分辨率的超精密机床和测量机构中。 4）直线电机 直线电机可以直接输出直线运动，无需中间转换环节，从而减少了因传动链而引入的误差。直线电机适合于高速和高精度驱动场合。因为进给和定位精度高，在超精密测量装置及高精度的特种加工装置中被广泛地使用。但直线电机具有强磁板磁场、装配和拆卸不方便，易吸引铁屑和其他金属碎屑，线圈发热现象严重，直接驱动易引入振动而使系统的稳定性和动态性能变差等不足。平板直线电机具有齿槽效应，直接影响加工质量的高低。 Z 轴部件的特点 是竖直轴，承受较大载荷，要求具有高的定位精度 和刚度 。综上各种进 给方式的特 点， 而目前直线电机在竖直轴上的应用还不够成熟，摩擦驱动主要用于轻载的场合，空气静压丝杠刚度较小，液体静压丝杠较复杂。 Z 轴伺服进给系统采用全闭环反馈控制，系统运动分辨率可以做得很高，从而降低对滚珠丝杠的轴向综合精度的要求。而且滚珠丝杠由专业厂家进行生产和系列化，其标准化程度高，性能稳定，价格相对低廉。综合上述情况，选用精密滚珠丝杠副进给系统。这样，既能满足设计精度要求，又使设计简化，并且大大降低了成木。 2.1.2 导轨设计 （ 1）导 轨的功用 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨迹运动。机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方（如工作台导轨）叫做动导轨，不动的一方（如床身导轨）叫做支承导轨 14251。动导轨相对于支承导轨只能做一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性。通常动导轨相对于支承导轨只能作直线运动或者回转运动。 机床导轨的基本要求 1）导轨精度 导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度，它是保证导轨工作质量的前提。主要影响因素有：导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度。导轨和基 础件的刚度；导轨的油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的热变形等。 2）精度保持性 精度保持性主要是由导轨耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、工艺nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 7 方法以及受力情况有关。另外，导轨和基础件上的残余应力，也会使导轨变形而影响导轨的精度保持性。 3）低速运动的平衡性 导轨低速运动的平稳性，就是要保证导轨在低速运动或微量位移时不出现 爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦因数的差值，以及导轨的刚度等有关。 4）刚度 导轨的刚度指导轨在外载荷的作用下，抵抗受力变形的能力。导轨受力后变形会影响部件之 间的相对位置和导向精度。因此要求导轨具有足够的刚度。导轨的变形主要有导轨受力后的接触变形、扭转弯曲变形以及由于导轨支承件的变形引起的导轨变形。导轨变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承的连接方式、受力情况等。 5）结构简单、工艺性好 设计时要注意使得制造、维修方便，刮研劳动量少，如果是镶装导轨则应尽量做到容易更换。 （ 2）导轨的分类及特点 （ 1）滑动导轨 滑动导轨主要包括普通滑动导轨、塑料滑动导轨和静压导轨三类。 普通滑动导轨 普通 滑动导轨是基本导轨，两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦，大多处于边界摩擦或混合 摩擦的状态。其它类型的导轨都是以它为基础而发展起来，普通滑动导轨结构简单，工艺性好，便于保证精度、刚度，滑动导轨的缺点是摩擦因数大、磨损快、使用寿命短、低速易产生爬行等缺点，故应用于对低速均匀性和定位精度要求不高的机床中。 塑料滑动导轨 塑料滑动导轨是一种新型的滑动导轨。塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨两种，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料滑动导轨具有耐磨性好，自润滑功能；动、静摩擦因数小；减振性好，具 有良好的阻尼性；加工性好，工艺简单，化学性能好，维修方便，成本低等优点 15202。塑料滑动导轨的缺点是耐热性差、导热率低、热膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性。 静压导轨 静压导轨分为气体静压导轨和液体静压导轨两种，由于静压导轨的优越性，广泛应用于精密超精密及重型加工机床。 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 8 a) 气体静压导轨 气体静压导轨是将具有一定压力的空气经过节流孔射入导轨间隙，在导轨间隙内形成厚度为微米量级且基本保持恒定的润滑气膜，导轨运动单元在润滑气膜的支撑下悬浮在固定单元上方，是一种 纯空气摩擦 的滑动导轨 17。 由于气体具有误差均化效应，可以实现很高的运动精度。气体静压导轨摩擦力极小，又可以带走部分热量，适用于高速运动的场合 。气体静压导轨工作平稳，结构简单，清洁环保。气体静压导轨的主要缺点是刚度和阻尼较小，还还产生气振，不适合在重载荷和大冲击负载的场合使用。 b) 液体静压导轨 液体静压导轨是在两相对运动的导轨面之间通入压力油，使运动件浮起，工作过程中油膜压力随外载荷变化而变化，在不同速度下都能保证导轨面间在液体摩擦状态下工作 18243。 液体静压导轨的主要优点如下： 摩擦系数小 ，一般为 0.00050.00115203，减小拖动功率 低速运动平稳，无爬行 特优的抗振效果 油膜具有误差均化作用，可提高运动精度 速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小，工作稳定 油膜承载能力大，刚度高 几乎不造成磨损，运动副寿命长，能长期保持制造精度 液体静压导轨的主要缺点如下： 液体静压导轨使用油作为介质，需要一套液压供油系统 温度对介质油的性能影响较大，需要高精度的冷却装置 液压系统成本较高 液压油膜厚度控制难度较大 液体静压导轨须满足导轨精度、耐磨性、刚度和运动均匀性的要求，即： 导轨精度是运动 件沿导轨运动时的直线性以及与其他机件或基面之间相 对位置的准确性；要求导轨的平直度、扭曲度和平行度的总和应小于导轨间隙 耐磨性决定导轨的磨损寿命，耐磨性是保持导轨工作质量的关键 刚度是导轨工作质量的主要指标；导轨间隙不能过大，否则影响油膜刚度，对开式导轨还容易产生漂移 运动的均匀性要求能准确定位，即在低速或重载时，不发生不均运的跳跃式运动（爬行） nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 9 液体静压导轨按所承受的载荷不同，可以分为开式液体静压导轨和闭式液体静压导轨 18243。 开式液体静压导轨如图 2-1(a)所示，依靠运动件自重及外载荷来保持运动 件不从床身上分离，开式液体静压导轨只能承受单向载荷 18244。开式液体静压导轨往往只在导轨的一个方向上开有油腔，只能水平或倾斜一个较小的角度放置。 开式液体静压导轨，承受正向载荷能力大；承受偏载荷及颠覆力矩的能力较差，不能承受反向力；结构简单制造调整容易。开式液体静压导轨主要用在载荷分布均匀、偏载小、颠覆力矩小的水平放置或仅有较小倾角的场合。 闭式液体静压导轨如图 2-1(b)所示，够防止工作台与床身分离的导轨。这种导轨不仅能够承受各个方向的载荷，而且具有承受很大倾覆力矩的能力。在上、下或左、右各个方向上 ，闭式液体静压导轨都开有对置油腔。闭式液体静压导轨能够承受正、反方向的载荷，油膜刚度高，承受偏载及颠覆力矩的能力较高。但闭式液体静压导轨加工制造及油膜调整较为复杂，对导轨本身的结构刚度要求较高，尤其副导轨的结构刚度要求较高。闭式液体导轨主要应用于载荷分布不均匀、偏载大及有正、反方向载荷或立式导轨等场合。 图 2-1 液体静压导轨 （ 2）滚动导轨 滚动导轨是指在两导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质 。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小（ 0.00250.005）；动、静摩擦系数很接近 16243。滚动导轨的主要优点，是运动灵敏度高，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，无爬行现象，润滑系统简单，维修方便。但其抗振性较差，防护要求高。滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使运动部件倾斜或高度发生变(b) 闭式液体静压导轨 (a) 开式液体静压导轨 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 10 化，导向精度低。滚动导轨与普通滑动导轨相比，结构复杂，制造困难，成本高。目前，滚动导轨主要用于实现微量进给、精密定位和对运动灵敏度要求高的机床。 综上各种导轨的特点，由于 Z 轴部件对导轨要求具有高的运动精度和刚度， Z 轴部件导轨采用闭式液体静压导轨副，在保证导轨副本身结 构强度和刚度的条件下，通过调节闭式液体静压导轨副的油膜厚度，使 Z 轴导轨副具有高精度、低速平稳和高刚度的性能。同时，由于液体静压导轨副具有优越的性能，可以有效地减小大口径光学非球面零件磨削加工的亚表面损伤层深度，提高零件的加工质量和效率。 2.1.3 测量反馈系统设计 数控机床测量系统是对数控机床执行件的实际位置进行测量，不断地将工作台的位置量检测出来并反馈给数控系统。数控系统进行插补计算，将计算理论值与实际反馈的位置进行比较，以判断进给定位的正确与否，同时辅助伺服系统达到更精确的进给定位，实现高精度控制。 实际反馈位置的采集是由位置检测装置来实现的。常用的位置检测装置有感应同步器、光栅位置检测装置、光电脉冲编码器、旋转编码器、磁尺位置检测装置等。 对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，即为直接测量。 Z 轴部件行程400mm，选用高精度直线光栅尺进行位置测量，实现闭环控制。 光栅是利用光的投射、衍射现象形成的莫尔条纹而制成的光电检测装置，它将机械位移量或模拟量转变为数字脉冲 15153， 具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 光栅主要有标尺光栅和光栅读数头两部分组 成。 光栅检测装置结构 主要有 由光源、聚透镜、 指示光栅、光电元件及调整机构等组成 ，如图 2-2 所示 。 图 2-2 光栅检测装置结构示意图 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 11 光栅的工作原理 15153 都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐 变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带 。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。 当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。 经过后续电路和数据处理，就可以进行位移大小、位移方向和速度的检测。 2.2 Z 轴部件进给系统设计 Z 轴部件的技术方案是采用伺服电机通过高负荷精密滚珠丝杠进行驱动，导轨采用闭式液体静压导轨副，并通过高精度直线 光栅尺的进行闭环控制，最终实现 Z 轴部件高精度、高刚度和高的动态响应性能。 2.2.1 滚珠丝杠副选型计算 Z 轴滚珠丝杠副驱动 Z 轴运动部件移动，运动质量估计大约 550kg，为保证进给系统具有高精度和足够的刚性，初步选择日本 THK 公司的带球保持器的 HBN 高负荷精密滚珠丝杠。 带球保持器的 HBN 高负荷精密滚珠丝杠结构如图 2-3 所示，主要由丝杠、螺母、滚珠、球保持器和回球器组成。当丝杠旋转时，滚珠沿螺纹滚道滚动，在此运动过程中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。所以滚珠不但与丝杠、螺母间产生摩擦，而且相互间也产 生摩擦。为了减小钢球之间的摩擦，带球保持器型滚珠丝杠使用球保持器，消除钢球之间的碰撞和相互摩擦并提高润滑脂的保持性，因而实现了低噪音、低扭矩变动以及长期运行而免维护的优越性能 20A749。 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 12 图 2-3 THK 公司带球保持器的 HBN 高负荷精密滚珠丝杠 滚珠丝杠的转动使得滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母轴向移动，具有较小的摩擦力，相近的动、静摩擦系数，削弱了局部爬行现象，经过预紧可以消除轴向移动产生的间隙，从而提高了传动精度和传动机械效 率。经过一个多世纪的实践应用，“旋转电机 +滚珠丝杠”驱动机构已经成为传统的精密驱动方式，性价比高，动、静刚度高，传动精度好，控制技术成熟 21。 2.2.2 滚珠丝杠副选型计算 20A736 过程如下： 1）选择条件 运 动部件质量 （运动部件 总 质量 550kg，平衡系统 平衡 Z 轴运动质量 500kg） 行程长度 400l mm 最大速度 m a x 0 .1 /V m s 加速时间 1 0.2ts 减速时间 3 0.2ts 每分钟往返次数 110 minn 定位精度 1 m 重复定位精度 0.5 m 最小进给量 0 .1 /sm 脉 冲 50m kgnts中原工学院毕业设计（论文）说明书 13 mm23000 1000601.0 工作寿命时间 20000h AC 伺服电机额定转速 3000rpm 液体静压导轨面上的摩擦系数 0.0005 22P1528 导向面的阻力 20fN （无负荷，液体静压摩擦系数 0.0005 ，阻力较小） 2）选择项目 丝杠轴直径 导程 螺母型号 轴向间隙 丝杠轴支撑方式 驱动电机 3) 导程精度与轴向间隙（予压）的选择 （ 1） 导程精度的选择 为实现定位精度 1 m ，行程为 400mm，则有 ，参照 文献 20A-678 页 上表 1， 只能选择 C0 精度等级 。 （ 2） 轴向间隙 由于丝杠垂直使用，轴向负荷常作用与一个方 向，不论轴向间隙多大，使用时都不会有间隙，因此选用轴向无予压丝 杠。 4）丝杠轴的选择 超精密磨床 Z 轴选择带球保持器的 HBN 高负荷 精密滚珠丝杠，其额定负荷是传统丝杠的 2 倍以上。 （ 1） 假定丝杠轴长度 假定螺母全长为 100mm，丝杠轴末端长度为 100mm。 所以根据行程长度 400mm 决定全长： 400+200=600mm 即丝杠轴长度假定为 600mm （ 2） 导程的选择 因伺服电机的额定转速是 3000rpm，最高进给速度是 m a x 0 .1 /V m s ，滚珠丝杠的导程如下： 因此，必须选择 2mm 或 2mm 以上的导程。 为满足最小进给量 0 .1 /sm 脉 冲，伺服电机分辨率应符合如下： 导程 2mm 20000p/rev 6mm 60000p/rev 1 0.75400 300nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 14 8mm 80000p/rev 10mm 100000p/rev 考虑到丝杠 2 误差的影响，选用较大导程，以减小 2 ，但会增加伺服电机驱动器指令的脉冲数至 100000p/rev。 （ 3） 丝杠轴直径的选择 考虑到 Z 轴较高的定位精度和重复定位精度，选择精密滚珠丝杠，参照 文献 20693页 上表 16，满足导程 10mm 的滚珠丝杠轴外径如下： 8， 10， 15， 18， 20， 25， 32， 36，40， 50mm。 超精密机床的特点是保证每个环节具有足够高的刚性，每个元件处于性能最好的状态，从而保证机床的高精度。 根据上述条件选择滚珠丝杠直径为 40mm，导程为 10mm。 (1) 丝杠轴支撑方法的选择 滚珠丝杠垂直使用，行程长度 400mm 较短，并设计采用高精度光栅尺作为测量反馈装置，为减小丝杠在工作过程中的热伸长， 以及丝杠螺母的安装调节方便， 支撑方法选择固定 自由方式。 (2) 容许轴向负荷的探讨 a） 最大轴向负荷的计算 导向面的阻力 2 0 ( )fN 无 负 荷 时 运动部件质量 50m kg 最大速度 m a x 0 .1 /V m s 加速时间 1 0.2ts 则有：加速度21m a x /5.02.0 1.0 smtVa 上升加速时 1 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 5 3 5F a m g f m a N 上升等速时 2 5 0 9 . 8 2 0 5 1 0F a m g f N 上升减速时 3 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 4 8 5F a m g f m a N 下降加速时 4 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 4 4 5F a m g f m a N 下降等速时 5 5 0 9 . 8 2 0 4 7 0F a m g f N 下降减速时 6 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 4 9 5F a m g f m a N 作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷： m a x 1 535F a F a N b） 丝杠轴的挫曲栽荷的计算 参照 文献 20A-694 页 ，为考虑挫曲因素，螺母和轴承之间的安装方法按固定 固定方式。 与安装方法相关的系数 2 20 安装距离 600al mm （估算） 丝杠轴沟槽谷径 1 34d mm nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 15 4 444112 22341 0 2 0 1 0 7 4 2 . 4600adP K Nl c）丝杠轴的容许拉伸压缩负荷 22211 1 6 1 1 6 3 4 1 3 4 0 9 6 1 3 4 . 1P d K N 由此可见，1 2 m a xP P F a， 丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷大于最大轴向负荷，满足滚珠丝杠的使用要求。 (1) 容许转速的计算 a） 最高转速 丝杠轴直径： 40mm；导程： 10mm 最大速度 m a x 0 .1 /V m s 导程 10Ph mm 3 3m a xm a x6 0 1 0 0 . 1 6 0 1 0 60010VN r p mPh b） 由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速 参照 文献 20A-696 页 ，为考虑危险速度，螺母和轴承间的安装方法按固定 支撑。 与安装方法相关的系数 2 15.1 安装间距 600bl mm （估算） 危险速度77112 22 341 0 1 5 . 1 1 0 1 4 2 6 1 . 1600bdN r p ml c） 由 DN 值所决定的容许转速 钢球中心直径： D 42mm 参考 文献 20A-697 页 ， HBN 型容许转速 r p mN 2.3095421300002 由上述可见，丝杠最大转速都小于丝杠轴的危险速度和 DN 值，满足使用要求 （ 2）螺母的选择 a） 螺母型号的选择 选择丝杠轴直径为 40mm，导程为 10mm 的高负荷 HBN 型精密滚珠丝杠： HBN4010-7.5， KNCKNCaa 3 3 6,6.1 6 2 0 。 b） 容许轴向负荷计算 参考 文献 20A-703 页 上表 18，因加速、减速时有冲击负荷的作用，故静态安全系数 2sf 与最大轴向负荷 NFa 535max 相比，得到的容许轴向负荷较大，因而该丝杠型号可以使用。 （ 3）工作寿命计算 KNfCaFsoa 1 6 823 3 6m a x nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 16 a）运行距离的计算 最大速度 smV /1.0max 加速时间 st 2.01 减速时间 st 2.03 加速时的运行距离 mmtVl 10102 2.01.0102 331m a x1 减速时的运行距离 mmtVl 10102 2.01.0102 331m a x3 等速时的运行距离 mmllll 3801010400312 等速时间 sV lt 8.3100380m a x22 根据以上条件，轴向负荷与运行距离的关系如表 2-2 所示： 表 3-2 轴向负荷与运行距离的关系 动 作 轴向负荷 ()NFa N运行距离 ()Nl mmNo1：上升加速时 535 10 No2：上升等速时 510 380 No3：上升减速时 485 10 No4：下降加速时 445 10 No5：下降等速时 470 380 No6：下降减速时 495 10 b) 轴向平均负荷 赛 c) 额定寿命 动额定负荷 162.6C a K N 参照 文献 20A-704 上的表 19， 负荷系数 1.2Wf 平均负荷 4 9 0 .8 8F m N 额定寿命 L（ rev） 3 6 3 6 1 31 6 2 . 6 1 0 0 0( ) 1 0 ( ) 1 0 2 . 1 1 01 . 2 4 9 0 . 8 8WCaL r e vf F m NlFalFalFalFalFalFalFm88.490)10495380470104451048538051010535(40021)(213 3333333336235134333232131nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 17 c ) 每分钟平均转数 每分钟往返次数 110 minn 行程 400l mm 导程 10Ph mm d )根据额定寿命计算工作寿命时间 额定寿命 132 .1 1 0L r e v 每分钟平均转数 18 0 0 m inNm 13 82 . 1 1 0 4 . 3 8 1 06 0 6 0 8 0 0LL h hNm e ) 根据额定寿命计算运行距离寿命 额定寿命 132 .1 1 0L r e v 导程 10Ph mm 6 1 3 6 71 0 2 . 1 1 0 1 0 1 0 2 . 1 1 0L s L P h k m 由上述计算可知， HBN4010-7.5 型 能满足希望寿命时间 20000 小时。 （ 6）定位精度分析 1）导程精度 选择丝杠导程精度等级为 C0 级，代表运行距离误差 6m，变动 /300 值为 4m 2）轴向间隙 因为滚珠丝杠是垂直使用，轴向负荷总是朝一个方向，没有轴向间隙。 3）轴向刚性 a）丝杠的轴向刚性 安装方式：固定 自由 考 文献 20A-707 页 刚性探讨，丝杠的轴向刚性为 ： 1000AEKs L （ 2-1） 式中： A：丝杠轴的断面面积 E：杨氏模量（ 522 .0 6 1 0 /N m m ） L：安装间距（ 100mm500mm） 2 2 21 3 4 9 0 7 . 9 244A d m m 当 100L mm 时， 519 0 7 . 9 2 2 . 0 6 1 0 1 8 7 0 . 3 2 /1 0 0 0 1 0 0K s N m 1m in8 0 010 4 0 01022 hPlnNmnts中原工学院毕业设计（论文）说明书 18 当 500L mm 时， 529 0 7 . 9 2 2 . 0 6 1 0 3 7 4 . 0 5 /1 0 0 0 5 0 0K s N m b) 丝杠轴的轴向刚性引起的轴向变位量 当 100L mm 时，1 1535 0 . 2 91 8 7 0 . 3 2Fa mKs 当 500L mm 时，2 2535 1 . 4 33 7 4 . 0 5Fa mKs c) 进给丝杠轴向刚性引起的定位误差 定位精度 m 14.143.129.021 因此由进给丝杠轴向刚性而产生的定位误差是 1.14 m。 选择高负荷 HBN 精密滚珠丝杠，轴向刚性为 1910KN/ m，具有足够大的刚性，通过高精度直线光栅尺进行闭环反馈控制， Z 轴部件可以实现 Z 轴部件 定位精度 的要求 。 4） 因发热 而引起的热变形计 算 如果在运转中丝杠轴的温度上升，丝杠轴因热而伸长，会影响定位精度。因发热而引起的丝杠轴 伸缩量： l t l （ 2-2） 式中： l ：丝杠轴的轴向伸缩量 ：热膨胀系数 t ：丝杠轴的温度改变 l ：螺纹部分有效长度（ 620mm） 当温度上升 1 时，丝杠轴伸长 61 2 1 0 1 6 2 0 7 . 4 4l t l m 因此滚珠丝杠的使用 时，一方面采取相应措施控制丝杠温升，另一方面通过高精度光栅尺进行测量反馈，保证精度要求。 （ 7 ) 旋转扭矩计算 1）由外部 负荷引起的摩擦扭矩 上升等速时21 5 1 0 1 0 8 5 4 . 4 42 2 0 . 9 5F a P hT N m m 下降等速时52 4 7 0 1 0 7 8 7 . 8 02 2 0 . 9 5F a P hT N m m 2）有滚珠丝杠予压引起的扭矩 对丝杠没有施加予压 nts中原工学院毕业设计（论文）说明书 19 3）加速时所需的扭矩 惯性力矩 (转动惯量 )： 查文献 20B-577 页的 尺寸表 ，每 单位长度的丝杠轴惯性力矩为 ： 221 . 9 7 1 0 /k g c m m m，则丝杠轴全长 732mm 的 惯性力矩如下： 2 2 3 21 . 9 7 1 0 7 3 2 1 4 . 4 2 1 . 4 4 1 0J s k g c m k g m 丝杠负载惯性力矩 2 2 6 2( ) 1 02PhJ m i J s i （ 3-3） 式中： 1i ， 2 2 6 2 2 2 6 3 2 3 210( ) 1 0 5 0 ( ) 1 1 0 1 . 4 4 1 0 1 1 . 5 7 1 022PhJ m i J s i k g m 角加速度：2112 m a x 2 6 0 0 3 1 4 . 1 5 /6 0 6 0 0 . 2N r a d stt 根据上述计算，加速所需要的扭矩如下： 33 1 . 5 7 1 0 3 1 4 . 1 5 0 . 4 9 4 9 0T J N m N m m 因此，所需扭矩如下： 上升加速时：1 1 3 8 5 4 . 4 4 4 9 0 1 3 4 4 . 4 4tT T T N m m 上升等速时：21 8 5 4 . 4 4tT T N m m 上升减速时：3 1 3 8 5 4 . 4 4 4 9 0 3 6 4 . 4 4tT T T N m m 下降加速时：4 2 3 7 8 7 .
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本文标题：大口径非球面铣磨机Z轴精密进给结构设计【优秀含23张CAD图纸+全套机床毕业设计】
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