闭式静压导轨在精密平面磨床中的应用*

杜 雄 何雨倩 忻晓蔚

(上海机床厂有限公司 上海200093)

所谓超精密加工技术，它涵盖了超精密车削技术、超精密铣削技术、超精密磨削技术、表面镜面抛光技术和超精密特种加工技术等，这几种超精密加工技术的共性技术基础是超精密机床技术。为了实现高精度的要求，国内外机床的进给运动一般采用高运动精度的气体或液体静压导轨结构。

光学玻璃是应用于激光技术、光电通讯、航空航天以及国防工业等领域的光学元件。某公司在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题资助下，研制了适应大尺寸光学玻璃磨削加工用的H402-AZ数控专用平面磨床。机床结构采用了液体静压导轨和静压电主轴技术。

对于机床所采用的静压导轨来说，其关键技术体现在如下几个方面：（1）静压导轨参数计算技术；（2）静压导轨有限元仿真与性能优化技术；（3）静压导轨加工与装配技术；（4）静压导轨精度保持性技术。本文在文献[1]介绍工作台采用双层静压导轨结构的基础上，对机床的Y轴和Z轴所采用的闭式静压导轨结构设计进行描述，并对机床静压所在的三个直线轴的装配进行了说明。

1 机床闭式静压导轨总体设计

根据液体静压导轨的工作环境和所承受的载荷的情况不同，其结构形式上有开式和闭式之分。开式导轨依靠运动件自重和外载荷来保持运动件不从基础静导轨件上分离，显而易见，开式导轨只能承受单向载荷，承受偏载和倾覆力矩的能力差。相反，闭式导轨不仅仅依靠运动件的自重和外载荷，同时其自身封闭的结构形式也可以保证运动件不从基础静导轨件上分离，通过在上下导轨面开设油腔承受双向外载荷，承受偏载和倾覆力矩的能力明显提高。目前静压导轨的驱动有直线电机直接驱动和伺服电机通过滚珠丝杠的间接驱动两种。直线电机直接驱动具有运动惯量小、动态响应快等特点，其主要问题是电机发热问题。伺服电机间接驱动由于受滚珠丝杠动态响应慢的影响，性能难以提升太多。这两种驱动形式各有自身的优点，结构设计时都要考虑，对于动态响应要求高的地方，优先选用直线电机。

由于超精密大尺寸光学玻璃的磨削主要是上下两个平面的加工，专用磨床采用龙门式卧轴矩台的结构布局方式，工作台实现X轴的运动，龙门式双立柱横梁实现砂轮架Y轴和Z轴运动，砂轮架底部挂有静压电主轴系统，实现S轴的主运动。

与铸铁相比，花岗岩在尺寸稳定性、热膨胀系数、振动衰减能力、硬度、耐磨性和抗腐蚀性等方面的性能优越，床身、工作台面和横梁选用了整体花岗岩结构。为了实现工作台在床身上大行程、平稳、可靠的X轴往复运动，在传统闭式静压导轨的基础上开发了高刚性、高精度的直线电机直接驱动的大平面闭式静压导轨[1]。为了实现Z轴横向运动，设计了半闭式静压导轨结构，如图1所示，砂轮架的滑座连接压板后骑跨在大理石横梁上，横梁与压板相对的表面、横梁的顶面、横梁与滑座下端侧面相对的上下两个凸起形成的右侧面皆为平面，横梁为外购件，采购进来前就做好了精度，已经满足结构设计所需的尺寸和形位公差要求。压板和滑座为自制件，与横梁相对的压板左侧面上沿Z轴方向设有一对油腔7和8，与横梁顶端相对的滑座下侧表面、靠近横梁的左侧沿Z轴方向设有一对油腔1和2，与横梁右侧面相对的滑座左侧表面沿 Z轴方向设有上下2组油腔，上面的一组为油腔3和4，下面的一组为油腔5和6。由于油腔1和2偏向横梁的右侧，可有效承受砂轮架的重力，也就是说，这对油腔的尺寸设计主要与砂轮架的重力外载相关。油腔5和6在横梁右侧表面的下端，形成的油腔压力可承受砂轮架重力产生的力矩。设置在压板上的油腔7和8，与油腔3和4形成闭式静压导轨结构就可保证砂轮架沿Z轴的运动精度。采用上述半闭式的静压导轨结构后，Z轴的驱动只能采用伺服电机驱动滚珠丝杠的传动形式。

图1 横梁Z轴半闭式静压导轨结构示意图

由于砂轮架实现铅垂方向Y轴运动的过程中存在重力影响，采用直线电机驱动需要增加配重，因此Y轴驱动仍采用伺服电机驱动滚珠丝杠的传动形式。以文献[1]的闭式静压导轨形式为基础上，设计了图2所示的闭式静压导轨结构，在靠近滑座的砂轮架体壳两侧通过垫块连接导轨压板后再与滑座上固定连接的导轨板形成左右前后双向的闭式静压导轨形式。

图2 砂轮架Y轴闭式静压导轨

2 参数设计

由于高精密磨床对静压导轨的抗振性能有较高的要求，所以节流器选型的关键不仅要保证静压导轨具有足够的承载能力，即具有够高的支承刚度，而且还要使静压导轨具有良好的动静态特性。如果采用常规的节流器，当油膜间隙变小后，封油边的节流阻力增加，此时油腔压力一般呈现上升趋势，油腔压力上升引起的流量增加无法弥补油膜间隙减小引起的流量减少，最终有可能造成运动导轨面和静止导轨面直接接触而形成爬行现象。PM 流量控制器是世界上顶级的静压功能部件供应商德国Hyprostatik公司的专利产品，结构内部设置毛细沟槽，通过它可反馈控制薄膜的变形，进而控制流量，是一种随油腔压力升高流量随着增大的节流器，可解决上述问题。

为了确保机床研制成功，机床总体设计为自主研发，静压导轨内部的油腔结构参数和性能计算由德国Hyprostatik公司提供，其他零件的结构设计为自主研发。

机床总体设计中主要要为静压导轨结构留出相应的设计空间，其设计难点主要体现在PM流量控制器下油腔结构的参数计算，不仅需要导轨在承受机床整个外载下具有一定的油膜刚性，而且需要导轨具有一定的响应速度来满足机床运动的需求。

根据机床总体设计经验，构建了整机的三维模型，在此基础上获得工作台X轴、砂轮架体壳Y轴和横梁滑座Z轴三个静压导轨结构的设计要求。

根据三维结构获取的部件重量、重心等相关信息，建立X轴主导轨、X1直线电机导轨、Z轴横梁导轨和Y轴砂轮架导轨4个静压导轨的力学分析模型，通过受力分析获得油腔的结构参数和液压系统参数，表1是PM控制器液压控制下部分参数。

3 装配和调试

设计完成后进行投产，之后进行部件装配和整机装配和调试，有关静压导轨的装配过程如下。

1）工作台闭式静压导轨的装配

将床身校水平后，按装配工艺文件依次装配零件，每个关键步骤进行精度测量。由于相关零件主要外购，装配过程的重点是自制零件尺寸和形位公差的控制，通过调整油膜间隙来满足PM流量控制器的参数要求。

2）Z轴横梁半闭式静压导轨装配

由于横梁为大理石结构，其零件精度直接由供应商保证，而滑座和压板为自制件，材料为灰铸铁，其接触面按 GB/T 25373-2000《金属切削机床 装配通用技术条件》要求进行考核。由于横梁和滑座两个零件的自重较大，如果刮研采取配刮，实施难度较大，提出了文献[2]的方法：

(1)采用图3的一组内直角刮规和外直角刮规，将图中各自贴合的90°的两个表面进行刮配。

图3 内直角刮规和外直角刮规

(2)如果滑座按安装位置放置，刮削难度大，因此将滑座放平，通过修刮滑座表面上四个油腔的封油边，使四个油腔的封油边处于同一平面内并满足平面度精度要求和滑动导轨副所需的接触点数要求。

(3)修刮内直角刮规内直角所在的两个平面，使这两个平面与横梁的顶面和右侧面满足接触点数要求；之后用内直角刮规为基础修刮外直角刮规外直角所在的两个平面，使外直角刮规外直角所在的两个平面满足接触点数要求。

(4)利用外直角刮规外直角所在的两个平面再去修刮滑座油腔1和2所在的平面，使滑座油腔1和2的封油边表面与外直角刮规的两个平面满足接触点数要求。如果难以满足接触点数要求，返回第三步。

(5)再修刮滑座上的导轨安装面，使安装面满足平面度要求以及与横梁的四个油腔的平行度要求以及根据横梁尺寸计算得到的油膜间隙要求。

(6)修刮压板的油腔所在的整个侧面，使之满足平面度要求和接触点数要求。

(7)将压板固定到滑座上后再将滑座搁置在横梁上，添加一定的配置模拟砂轮架的重力，测量油腔压力，根据油腔压力的情况，修刮压板两个油腔的封油面或修刮压板与滑座连接的安装面，使修刮余量满足PM流量控制器油膜压力要求。

3）Y轴静压导轨装配

由于零件主要是自制，采用的仍是刮削方法，并按GB/T 25373-2000要求考核结合面，这里的接触点数不小于16点/25 mm2。做好配刮后，先进行常规状态下的油膜刚性和油腔压力性能测试；满足PM 控制器设计要求后，再安装压板后搁置到机床横梁上进行实际工况测试，通过测量油腔的压力数据找出装配中存在的问题进行分析，调整闭式静压的油膜间隙，使之满足设计工况使用要求。

4）整机装配

完成三个方向静压导轨装配后，将静压电主轴磨头装上，按机床总装要求进行装配调整。整机装配完成后进行了电气调试，之后按企业标准开展工件试磨，通过磨削工艺参数的调整完成机床加工性能的初步考核。最后按上述磨削工艺参数对光学玻璃进行磨削，利用平面度检测仪和粗糙度仪检测平面度和粗糙度，完成机床加工性能的精度考核。

4 结语

利用静压导轨技术自主研发的大尺寸光学玻璃数控专用平面磨床，为生产大尺寸光学玻璃提供了设备，提升了我国研制相关技术装备的能力。同时还存在如下深入的研究内容：（1）对静压导轨的PM流量控制器参数进行反演计算；（2）在静压导轨加工与装配过程中将尺寸链进行公差分配。