光学玻璃专用平面磨床工作台静压导轨设计*

金国伟 杜 雄

（上海机床厂有限公司 上海200093）

光学玻璃广泛应用于激光技术、光电通讯、航空航天以及国防工业等领域，从精度方面，要求光学玻璃具有面形精度高（≤0.1 μm）、表面粗糙度（Ra≤12 nm）以及亚表面裂纹少的特点。由于光学玻璃具有硬度高、脆性大的特点，在加工过程中极易产生表面疵病与亚表面损伤，属于典型的难加工材料。对于光学玻璃等硬脆材料，超精密磨削技术是实现超光滑表面的最佳手段[1-2]。

本文介绍了光学玻璃专用平面磨床整机结构中的工作台导轨设计。

1 机床整机设计总体方案

光学玻璃工件一般为长方体外形，上下两个平面为加工表面，因而光学玻璃专用平面磨床整体设计方案采用龙门式卧轴矩台的结构布局方式，加工工具采用具有刚性高的高精度砂轮静压主轴系统。此外，配置了高分辨率测量与反馈系统、高性能数控系统、伺服驱动系统以及在位测量系统，整机结构如图1所示。

机床主要技术规格参数：

工作台面尺寸 1300×500 mm

工作台最大纵向行程 1700 mm

机床加工零件规格 450 mm×1200 mm

机床主轴轴向、径向跳动 ≤0.2 μm

加工表面粗糙度Ra ≤10 nm

加工工件的面形精度（表面平度）PV 3 μm

图1 光学玻璃专用平面磨床结构

2 工作台结构设计

为了保证磨床高刚度和高稳定性，机床床身采用了具有高阻尼、小振动、热稳定性佳等特性的整体花岗岩结构。床身结构如图2所示。

图2 床身结构

基于机床整体性能的考虑，机床工作台面也采用了整体花岗岩结构。工作台结构如图3所示。

图3 工作台结构

机床导轨按摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨[3]。由于液体静压导轨具有摩擦阻力极小、运动精度的保持性好、抗振性能好、承载能力大等优点，依据加工对象，工作台导轨结构优先选用滑动导轨中的液体静压导轨。

液体静压导轨又可分为开式静压导轨和闭式静压导轨两大类。开式静压导轨依靠运动件的自重及外载荷保持移动件不从床身分离，属于力封闭形式，它的最大特点是结构简单，但只能承受单向载荷，承受偏载和倾覆力矩的能力较差。闭式静压导轨只有移动方向的一个自由度，其余自由度都由导轨结构所约束，属于结构封闭形式，它可以承受不同方向的载荷和承受很大的倾覆力矩，但结构复杂，安装拆卸较困难。

直线电机由于能直接产生直线运动，且具有响应速度快、定位精度高、效率高等优点，是高速精密机床进给驱动的理想部件。

对于直线电机驱动的力封闭静压导轨来说，由于直线电机次级铁芯的结构原因，运动导轨在运动过程中会在非运动方向上产生波动，且速度越快波动越大，无法保证机床加工精度。对于直线电机驱动的结构封闭式静压导轨来说[4]，虽然通过结构限制了运动导轨在非运动方向上的波动，但导轨运动时由直线电机磁吸力对导轨压板的冲击较大，运动不够平稳，且结构复杂。针对上述情况，提出了如图4所示的结构设计方案。

图4 闭式静压导轨结构

结构中，工作台、工作台导轨压板、工作台导轨侧板以及机床床身组成结构封闭的闭式静压导轨，与工作台导轨压板、工作台导轨侧板和床身的接触面的工作台表面上开设有静压油腔。直线电机拖板、直线电机导轨侧板、直线电机导轨底板组成力封闭的开式静压导轨，直线电机初级与直线电机拖板相连接，次级与直线电机导轨底板相连接，与直线电机导轨侧板和直线电机导轨底板接触的直线电机拖板表面上开设有静压油腔。闭式静压导轨与开式静压导轨之间通过连接器连接。连接器结构中，底部连接板与上部连接板之间为弹性连接板，底部连接板与直线电机拖板直连，上部连接板通过垫板后与工作台连接，如图5所示。

具有吸振稳定功能的弹性连接器，装配时通过改变垫板的厚度保证正确连接，从而将力封闭的开式静压导轨运动传递给结构封闭的闭式静压导轨。

图5 连接器结构示意图

为了避免温升的影响，工作台、工作台导轨板、工作台导轨压板和床身均为花岗岩材料。

3 结语

在传统闭式静压导轨的基础上，综合利用结构封闭静压导轨和力封闭静压导轨各自的优点，开发了高刚性、高精度的双层闭式大平面静压导轨，具有如下特点：

（1）力封闭式静压导轨结构简单，便于直线电机安装拆卸。

（2）结构封闭式静压导轨限制了工作台在非运动方向上的波动，保证了工作台运动的高精度。

（3）结构封闭式静压导轨与力封闭式静压导轨之间的连接器起吸振作用，防止了直线电机运动对工作台面的影响，确保了工作台运动的平稳性。

两套独立的静压导轨不仅结构简单，而且保证了在大行程、平稳可靠、高精度、快速响应的往复运动中直线电机超精密驱动要求，具有广泛的应用价值。