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10 精密机械设计
10.1简介
精密机械是现代工业所必需的，并直接影响加工精度，可重复性，生产力和效率。一般来说，一个设计过程主要包括如下几个关键要素，如机械结构、主轴及驱动系统、控制和检查系统等，此上是《机械元件设计》上提供的文献;因为很难在一个章节覆盖精密机械设计的全部细节，所以在这一章中，重点放在机械和结构设计及精密机械相关的设计方法，并在动态下研究相关工具。此外，本章重点放在综合各方面来实现机床和加工的动态建模与仿真，从而实现机床的优化设计及其动态加工过程的优化。
动态加工过程研究的基本方法有两种:一个是只建立切削力模型而不包含机床的结构参数，这些已在前面的章节讨论过了；另一种是建立机器及其结构或加工过程的动态模型。首先讨论精密机床的设计原则，包括机器配置，刀具，工件循环，刚度，质量和阻尼问题。 给出的材料只是在强调机器加工动态性能的前提下给出了一个简练的公式 。其次给出了机器的设计方法，涵盖了动力驱动下机器的设计过、建模与强化的仿真及其设计准则。 又基于有限元分析（FEA）介绍了精密机械的设计与具体步骤的实施。最后给出了快速刀具伺服系统的设计、5轴台式铣床和精密磨床这三个案例及其相关的分析。
10.2原理
精密机床是一个高度动态的系统，需维持所需的精度、效率和可重复性。一台机器的精度影响刀具与工件表面的定位精度和它们的相对位置及动态循环精度，这是机械设计所必不可少的。
10.2.1机床工具的结构
一个典型的精密机械包括五大子系统：它们分别是机械结构，主轴及驱动系统，工装及夹具系统，控制及传感器系统，测量及监测系统。每一个子系统都是必需的，都直接影响机床的性能。
10.2.1.1 机械结构
机械结构通常包括固定的和运动的部分。固定结构包括机床基座，支柱和主轴座等，它们通常携带如移动工作表盘，滑动结构。机床固定部分的结构不仅支持机器的其它组成部分，而且有利于改善机床的动力学性能。实现机床整体的高刚度，高阻尼和高热稳定性。两个主要的设计问题涉及机械结构的设计，即材料的选择及其配置。
机床结构材料的选择是影响机器性能关键因素，这方面也制定了许多标准，例如时间稳定性，比刚度，同质化，制造业难易程度和成本等。
虽然有相当多的材料可以作为结构材料，但是到现在只有少数几种被选定为机床结构材料。铸铁多年来因为其廉价和良好的阻尼特性可以最大限度地减少负载和瞬态动力学的影响而被大量使用。尽管铸铁铸模初始投资成本高，且工作环境差，但其在精密机床生产上的应用仍然相当广泛 . 花岗岩是另一种较常采用的材料，因其较低的热膨胀和阻尼能力，而被用来建立精密机械的基地滑道。花岗岩的缺点是，它可以吸收水分，所以应该在干燥环境中使用。出于这个原因，许多机床制造商采用环氧树脂来密封花岗岩。为提高超精密机床领域材料的阻尼和重量的轻量化，尽管聚合物混凝土的强度较低，但其发展和使用仍日益广泛。
对称和闭环结构配置已被广泛应用于各种精密机床的设计之中。在各种配置中的“T”配置普遍应用于最精密车床和磨削机床。最近，一种新型的四面体结构在英国提出，其在设计产生出后有极高的刚度，并有出色的动态稳定性，但其也增加了制造和装配的复杂性和成本。
10.2.1.2主轴和进给驱动系统
主轴是精密机床的关键部件，因为主轴的结构错误将会显著影响表面质量和加工精度。在精密机床主轴最常用的是空气静压主轴和静压主轴。他们都具有较高的运动精度和高转速的能力。空气静压主轴具有较低的比刚度油静压主轴。静压主轴往往适用于中小承载能力的大型重载精密机床。
滑道的应用产生了精确地直线运动。同样，以空气或水作为介质的导轨正逐渐取代传统的表面接触型的导轨而在精密机床中得到普遍的应用。
驱动器方面，电动交流电动机和直流无刷电机驱动的主轴，可以减少惯性和摩擦。 DC和AC直线电机驱动器，可以执行长冲程直接驱动进给，从而省略很多中间结构，如丝杠、皮带传动、机架齿轮等，且其刚度、加速性能可能更好，速度快，运动平滑，精度和可重复性等也更高;然而，虽然直流电机应用已经很长一段时间了，但摩擦仍是非常可预测的，且其可重复性由于规定在静定轮接触下而变得不好实现。但其在光滑的表面加工精度出色。但也有一些实际的考虑，限制了摩擦驱动器在机床上的应用。因为热容量这个限制的存在，使得摩擦传动下高速运转是很困难的。
10.2.1.3工装和夹具系统
工装和夹具系统是机械系统的重要组成部分。它们同样在机床设计中发挥的重要作用，因为它们是在机床加工循环的最后一环。工装和夹具变形系统在静态和动态的情况下，都将完全被复映到工件表面，从而影响工件的形式和尺寸准确性以及它的表面纹理和起伏。
相反，机床动态性能、工装和夹具的相对位置动态改变，就取决于刀具的位置。在精密机床的设计中，它是非常重要的，如果设计师可以凭此考虑不同的动态工作状态，尽管可能出现一些困难，但这将有助于准确评估和减少错误的预判。在实践中，动态的改变刀具和工件的相对位置，可以大大提高机床的安全性，并可以限制主轴转速的改变。
10.2.1.4控制和传感系统
机床行业引入计算机数控（CNC）是在20世纪70年代初，从那时起，许多公司开始研制自己机床控制系统。控制子系统包括电机，放大器，开关和顺序及时间控制组件。高速多轴CNC控制器是一种必不可少的有效的控制手段。 从动态的观点看，刚度反映了控制系统在外力作用下保持原来位置的能力。因此，适当的控制系统及其算法的设计，可以产生高伺服刚度从而提高机床加工精度。
10.2.1.5计量和检测系统
计量和检测系统是在保证合格的基础上进行精密加工，这使得这项技术在各行各业中获得广泛的应用。另一方面，更好的计量精度保证和监测技术，也是精密机械行业实现更高的精度的要求。切削刀具的快速准确定位，及工件表面和工具的工作情况应纳入监测之内，特别是在要实现在线实时监控的情况下。
10.2.1.6机床的性能评价
上述讨论的各机械工具子系统的设计的目的是为了实现其既定的性能。通常性能评估包括以下几个方面：
•精度
•运动学
•静态性能
•动态性能
•强度
•热性能
•噪音
•振动
10.2.2机床循环和机床动态
从加工的角度来看，机床的主要功能是准确并重复的控制刀具和工件的接触。一个典型的机床工件循环各工作部件之间的相对位置，特别是工件和切削工具的相对位置精度将直接导致加工误差。
10.2.3刚度，质量和阻尼
机械结构的动态运动导致的传导和消耗的能量及其动态载荷，且它们的能量转移到结构上，然后通过几种相应的反应，如弯曲或扩展。在这个过程中的能量转移，刚度，质量和阻尼的变化，是动态监测的主要针对对象。此外，本机系统的动态不同因为在加工过程中的负载和位置的变化而不同
10.3重新设计和再分析
从由基于初步有限元分析的结果得出的敏感性分析出的信息之后，我们提出了龙门式的机器配置。这种机器配置提供了机器在静态以及动态模式下更好的整体机刚度，以及克服了机器设计中存在的问题。为了提高整体刚度机床的构架材料从聚合物混凝土转为花岗岩。在新的配置进行模态分析因为没有倾斜滑道，所以忽视横向滑道坡度以提高运算速度。图10.20显示了第一个偏频和它的振动形状。第一自然频率由117赫兹增加至134赫兹，以下的自然频率的初步设计也要提高。最终的5轴龙门式机床配置如图10.21所示。

图 10.20 第一阶固有频率和龙门配置模式

图10.21 龙门式的机器配置
10.3.1设计案例3：精密磨削机床
研磨机 - “PicoAce”由载入点有限公司开发，用于此案例研究。 PicoAce是生产高质量的表面光洁度和亚表面损伤以及脆性材料的光学超精密磨床。它适合用于移动的研磨平面或凸面的工作，物体表面的最大直径可达为305毫米或进行平面磨削的最大直径达200毫米。PicoAce的主要部件为：一个杯状磨削主轴，旋转盘，X和Z导轨安装在一个闭环结构中。机床采用了金字塔形的结构形式，其固定到坚实的长方形基块上。杯形砂轮主轴有一个垂直轴，其被安排到基地中心位置在圆柱Z滑道上。砂轮主轴之下是安装在X滑道上的旋转圆盘。为了确定机器的热变形和稳定性，对其进行了有限元分析。然后在有限元分析结果的基础上进行相应的结构修饰和补偿。利用ANSYS软件进行数字模拟的过程中，三维有限元模型计算的磨削热变形和机械结构分析以及四面体10节点（SOLID87）和固体元素具有相同的尺寸和数量的连续应力/位移元素热和结构分析和节点（SOLID92）[15]用于试验中。网状模型是使用自由网格划分成以上的固体元素和一个典型的网格，其有42551个元素和11711个节点。

功率
油温
流量

(瓦)
上升 (oC)
(l/min)
转盘
650
3.5
6.0
X 导轨
270
2.3
4.0
X 丝杠
180
3.8
1.4
X推力轴承
80
3.2
1.2
Z 套
112
2.3
1.7
Z 丝杠
180
3.8
1.4
Z 推力轴承
80
3.2
1.2
基于这样的假设，模型的主要热源是来源于静态油。所有的热都是通过油带走，并没有通过常规机器结构带走。输入热量数据列于表10.3。此外，上述有限元分析得到的温度分布被输入结构进行分析。在这种模型下，假定使用的温度稳定性材料为球状石墨铸铁室温值（20℃）。没有预热，不考虑辐射。产生的温度分布所得数据将其应用于结构分析模型。所有材料的性能假定是温度不敏感型。这一假设简化了模型，并降低了计算时间。虽然简化可能会引入错误，所有的计算结果与实验数据比较，以进一步验证了有限元模拟结果。基于上述的有限元模型和边界条件瞬态分析。图10.22给出了在3.6分钟快照中机床上的温度分布。我们注意到，旋转体组件和转盘明显比其余机床部件高。在一些的有限元分析得到部件温度如推力轴承，导轨，回转工作台和丝杠温度都与实验数据相吻合。
图10.23 机器热变形轮廓磨削热的影响
图10.23显示了3.6分钟后机器热变形轮廓。可以看出，它的最大位移发生在砂轮位置，这可以认为是结构支撑和磨削主轴本身的位移积累。机座只有有轻微变形是由于其较低的电导率和热膨胀系数的变形有限元分析的热变形结果已被用于在机器上做一些结构上的修改在结构上。图10.24为修改之后的PicoAco总装.

图10.24 PicoAce - 精密磨削机床