數(shù)控精密平面磨床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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附錄英文翻譯資料精密設(shè)計(jì):發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)Design for Precision:Current Status and TrendsP.Schellenkens(2),N.RosielleH.Vermeulen,M.Vermeulen,S.Wetzels,W.PrilSection Precision Engineering,Eindhoven Unversity of Technology,The Netherlands 摘要回顧精密設(shè)計(jì)的狀況,包括現(xiàn)在的精密設(shè)計(jì)人員,都把可重復(fù)性放在首位。這里多位編者引用的各種設(shè)計(jì)規(guī)則、模式或者原則,對(duì)于在超精密機(jī)床和儀器中得到能再現(xiàn)的結(jié)果都是正確的。不同概念、系統(tǒng)和元件的建模和分析需要采用高級(jí)的設(shè)計(jì),或者使它充分有效。在分析上的花費(fèi)是值得的,這樣避免了制造出不完整的設(shè)計(jì)。但是,創(chuàng)造力在保證降低成本上更重要,它可以找出更好的辦法。在世界范圍內(nèi),精密設(shè)計(jì)人員遵守設(shè)計(jì)原則,但是他們以他們的創(chuàng)造力進(jìn)行挑戰(zhàn),以獲得思慮周到的設(shè)計(jì)。當(dāng)今,大部分精密機(jī)床、高級(jí)技術(shù)都用到補(bǔ)償,例如幾何誤差,有機(jī)床運(yùn)動(dòng)帶來的誤差或者熱引起的誤差。精密設(shè)計(jì)今后的發(fā)展要求納米甚至是亞納米位置戶測量精度,要求采用完整的控制和誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念。關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)原則和特征,預(yù)測設(shè)計(jì),精度,可再現(xiàn)性,重復(fù)性致謝作者要感謝以下的編者K.Blaedel H.Van Brussel J.Bryan D.DeBra J.Van Eijk C.EvansG.Goch R.Hocken P.McKeown V.Portman S.Sartori H.SpaanC.Teague E.Thwaitr A.van Tooren D.Trumper R.Weill G.X.Zhang介紹:目前,在工業(yè)領(lǐng)域和研究中,都采用了各種方法來制造高精產(chǎn)品或融入了高精加工環(huán)節(jié)。這類產(chǎn)品的制造依賴于一種高專化的科學(xué),叫做超精加工,超精加工以以下學(xué)科為基礎(chǔ)1 精密設(shè)計(jì)2 光學(xué)和機(jī)械測量學(xué)3 精密加工這里所說的精密設(shè)計(jì)是指包括材料、機(jī)械、電子、控制、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和軟件在內(nèi)的所有設(shè)計(jì)。也可以說成是高精密機(jī)電設(shè)計(jì)。隨著機(jī)械儀器和產(chǎn)品高精度要求的迅速增長,高精度的設(shè)計(jì)也變得越來越重要的,如今,這種發(fā)展趨勢(shì)受到了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的影響。這種加工方法始于1958年,集成電路剛問世的時(shí)候。由于需要在一塊芯片上放置越來越多的晶體管所以要使用低至幾個(gè)納米的定位誤差的機(jī)器。例如,一種在一片矽板上用來定位內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)點(diǎn)的晶體分布器。這樣一種機(jī)器只有靠高度發(fā)展的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。同樣,高密度的光學(xué)記錄系統(tǒng)(DVD)的迅速發(fā)展是應(yīng)光盤控制系統(tǒng)的發(fā)展需要,這要求機(jī)床的誤差等級(jí)控制在納米范圍內(nèi)。機(jī)床中的軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)和卷抽成型光學(xué)部件的制造精度維亞微米。為了適應(yīng)生產(chǎn)要求,應(yīng)大力發(fā)展亞微米精度甚至納米精度的機(jī)床。在度量衡學(xué),高精度的測量已經(jīng)得到了發(fā)展,例如測量軟件、誤差建模、測量技巧和測量方法。為了測量零件和產(chǎn)品有足夠的精度,就要有精度維亞微米到納米的機(jī)床,既然現(xiàn)有的高精度的設(shè)計(jì)模型很難達(dá)到這種水平,就要求有新的設(shè)計(jì)技術(shù)。由于精密的可調(diào)測量機(jī)床、激光干涉儀和納米靈敏件STM和AFM的出現(xiàn),度量衡學(xué)作為一種基礎(chǔ)規(guī)律將面臨著非常大的發(fā)展,而且,很多分析軟件和誤差補(bǔ)償軟件業(yè)正在發(fā)展和實(shí)行。精密加工用以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高形狀精度和高的表面質(zhì)量。該精度可達(dá)到納米等級(jí),所以,機(jī)械的設(shè)計(jì)和加工步驟都必須確定,包括加工步驟和機(jī)械的相互作用及刀具和工件間相互作用。用以實(shí)現(xiàn)精密加工的幾種技術(shù)有:鉆、磨、拉、,磨孔、拋光、離子和電子放射加工和化學(xué)加工。在Gardner,1991、Nakazawa,1994和Taniguchi,1996里可找到關(guān)于機(jī)床和機(jī)械技術(shù)的主要概況。這個(gè)領(lǐng)域的新發(fā)展則應(yīng)在納米范圍內(nèi)Stix,1996。盡管在精密度量衡學(xué)和制造領(lǐng)域有很多有趣的例子,這篇論文已經(jīng)迷制造為主題。這個(gè)規(guī)律有著重要的歷史和幾種起源。盡管如此,有一點(diǎn)很清楚,在早期,天文學(xué)和度量衡學(xué)的發(fā)展對(duì)精密設(shè)計(jì)有著重要的影響。有關(guān)于以前的精密加工的發(fā)展在Evans,1989中有記載。19世紀(jì)出現(xiàn)了很多發(fā)明,特別是在設(shè)計(jì)方面。通過直線和圓弧加工機(jī)床獲得了很多相關(guān)的理論。許多精密機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造都采用了運(yùn)動(dòng)性設(shè)計(jì)和人性化設(shè)計(jì)原則等先進(jìn)的設(shè)計(jì)原則。在20世紀(jì),由于各種測量儀器和精密機(jī)床發(fā)展的刺激,設(shè)計(jì)的發(fā)展有了進(jìn)一步的上升。在美國,一個(gè)精密機(jī)床設(shè)計(jì)的特別例子就是:一臺(tái)高精光學(xué)鉆床(LODTM)Donaldson,1983,這里要特別提到的是設(shè)計(jì)者布賴恩,他設(shè)計(jì)了幾種機(jī)床,包括84英尺的(LDTM)Teague,1989,1997.最近的新發(fā)展則是分子測量機(jī)床,如圖1.1所示。圖1.1:分子測量機(jī)床在歐洲,二十世紀(jì)50年代,飛利浦研究所(荷蘭)為國內(nèi)發(fā)展研制了幾種高精機(jī)床。那時(shí),Granfield精密加工組織和Rank Taylor Hobson發(fā)展了一種寬帶的高精機(jī)床,包括“納米”。在德國和瑞士,最早追溯到1875年,Zeiss和GSIP就制造了高精測量和制造機(jī)床。日本也有很長的高精機(jī)床和儀器的發(fā)展史。如今,日本在該領(lǐng)域扮演著主要角色,關(guān)于“日本的設(shè)計(jì)”在Taniguchi的書“Nanotechnology” Taniguchi,1996中有詳細(xì)介紹。例如,該書中可能提到CSSP。所以我們可以得出一個(gè)結(jié)論:對(duì)于高精密度的機(jī)床和產(chǎn)品的需求在增長。在中介紹了向高精度的發(fā)展趨勢(shì),在Taniguchi,1983和Taniguchi,1996中更特別介紹了機(jī)床精度。他著名的預(yù)測機(jī)床精度圖表如圖1.2所示。圖1.2:Tanicuchi 預(yù)測的精密加工的趨勢(shì)這張圖表很好的預(yù)測了現(xiàn)在的趨勢(shì)。精密工程的未來趨勢(shì)主要由IC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)決定,產(chǎn)生儲(chǔ)藏量、生物工程學(xué)、MEMS和用戶產(chǎn)品需要的信息。將會(huì)持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展,所以精密機(jī)器的需要在將來會(huì)上升。精密設(shè)計(jì)在未來的高精產(chǎn)品和機(jī)械的發(fā)展中扮演主要角色。利用總體設(shè)計(jì)方法在多種科學(xué)的設(shè)計(jì)組中可以實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)。由于高精設(shè)計(jì)的費(fèi)用上升,設(shè)計(jì)必須放在首位。因此預(yù)測設(shè)計(jì)是必要的。這片設(shè)計(jì)總結(jié)了精密設(shè)計(jì)的基本信息,說明了在精密加工這個(gè)重要領(lǐng)域中技術(shù)和將來的趨勢(shì)。2.精密設(shè)計(jì)的元素在精密儀器和機(jī)床的很多部分,要經(jīng)過反復(fù)的祥和作用來達(dá)到最后的精度。由于誤差會(huì)產(chǎn)生幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響,每一個(gè)部分都會(huì)影響到整體的精度。盡管實(shí)行了這些影響因素的相互作用在整個(gè)系統(tǒng)活動(dòng)中有重要作用,但這里主要是分離的介紹這些因素。整篇論文的術(shù)語:儀器和機(jī)器都用來表示一種儀器。度量衡學(xué)的術(shù)語根據(jù)“國際大眾度量衡學(xué)術(shù)語詞匯表”定義的。在精密設(shè)計(jì)中,相對(duì)于純粹的度量衡學(xué)、精密定位和機(jī)床刀具路徑,有關(guān)機(jī)器和儀器的更是關(guān)鍵信息。因此,下列給出的定義,是從上面提到的國際詞匯表的擴(kuò)大。.加工精度:加工的實(shí)際數(shù)量等級(jí)的理想等級(jí)之間的差別,描述了質(zhì)量上的精度。.加工誤差:與加工結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù),描述可以合理的歸因于數(shù)量的等級(jí)的離中趨勢(shì)。.精度:可以從只是裝置中讀出的指示度數(shù)的最小刻度。.(加工結(jié)果的)重復(fù)性:在相同條件下成功加工相同量的結(jié)果間的差值。.重現(xiàn)性:在不同條件下加工結(jié)果間的差別。其他關(guān)于測量和制造機(jī)器的定義在和中分別給出,ISO準(zhǔn)則中給出了定量的描述。在布賴恩有關(guān)于“軸的旋度”的個(gè)別指導(dǎo)中描述了從20年代30年代末到現(xiàn)在的實(shí)際精密汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和周的檢驗(yàn)?zāi)J紹ryan,1996。2.2 幾何圖在最初的機(jī)器和儀器設(shè)計(jì)中,幾何圖是設(shè)計(jì)者對(duì)于及其所應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)的意向。在最初階段,幾何圖通常包括一些基本形狀。例如,用圓柱體或管子表示軸,用梁或者封閉的盒子結(jié)構(gòu)標(biāo)志支撐物,用平面或柱狀表示導(dǎo)向部分。但是,在實(shí)際中,這些理想的形狀不能被復(fù)制,由于受機(jī)床精度限制,直線永遠(yuǎn)不可能完全直,而且元也不可能完全圓。這里,仔細(xì)選擇加工工序是應(yīng)特別注意提高零件的精度。在加工過程中,越多運(yùn)動(dòng)的軸將導(dǎo)致更多的錯(cuò)誤,盡管額外的軸的微小運(yùn)動(dòng)可能會(huì)對(duì)幾何誤差有一定的補(bǔ)償。精度不僅僅受肉眼的形狀誤差影響,也受肉眼偏差影響,例如表面光潔度。在整體加工中,這是很多應(yīng)用中的必須因素。在接觸關(guān)系中,磨對(duì)于表面光潔度的影響是明顯的。夾住的部分間的聯(lián)系對(duì)表面光潔度的影響就不太明顯,但是當(dāng)剛度、阻尼、磁滯和熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散型等性質(zhì)相關(guān)時(shí)就是必需的了。幾何圖不僅在加工過程中修改,如果沒有足夠的隔離(例如隔振、隔熱),幾何圖就會(huì)受環(huán)境影響,例如,大部分材料的元件,在溫度變化影響下的膨脹和變形,對(duì)于未加封的的自然花崗巖,它結(jié)構(gòu)的形狀取決于水汽的進(jìn)入。其他一些影響幾何圖的因素有:振動(dòng)、電器和磁場。很多材料的使用壽命取決于空間的變化。同樣介紹了非理想的形狀,因?yàn)閷?shí)際上機(jī)器時(shí)有很多零部件裝配而成的。這里,對(duì)形式和力的接近的解釋和單塊結(jié)構(gòu)和用螺釘或膠合的裝配結(jié)構(gòu)間的選擇的考慮是必要的。在裝配時(shí),零部件可以用非常精確的特殊機(jī)床加工,盡管在接觸面的滯后作用可以會(huì)對(duì)整個(gè)在現(xiàn)性產(chǎn)生消極影響。在傳統(tǒng)形式中,對(duì)于閉環(huán)裝配部件要有窄的公差,否則會(huì)產(chǎn)生反接力,在錯(cuò)誤測量情況下,就會(huì)在裝配時(shí)引入搞得不明確的壓力。力的封閉結(jié)構(gòu)從另一方面解決了這個(gè)問題,它采用靜態(tài)聯(lián)系方法,例如運(yùn)動(dòng)學(xué)的、半運(yùn)動(dòng)學(xué)的或者未運(yùn)動(dòng)學(xué)的設(shè)計(jì)聯(lián)系,因此,大大減小了幾何形狀誤差,甚至在力封閉結(jié)構(gòu)中,一些幾何誤差,例如:導(dǎo)向軸方形誤差和平面誤差將會(huì)影響整個(gè)精度。但是這些誤差都是可以減小的,而且有可能采用軟件補(bǔ)償來減少。由于機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度有限,所以幾何位置在有載荷的情況下就會(huì)發(fā)生變化。特別是黨在和產(chǎn)生的位置和尺寸的變化時(shí),將嚴(yán)重的影響機(jī)器的工作。當(dāng)有了正確的模型,這些誤差都可以預(yù)測和彌補(bǔ)。另一個(gè)關(guān)系到幾何圖的問題是:工件的定位。對(duì)于加工和測量機(jī)床,工件的定位必須保證在夾具內(nèi)不產(chǎn)生變形。同時(shí),工件必須牢固的固定在機(jī)床的框架或工作臺(tái)上,而且,特別提到的是:在加工時(shí),工件的熱膨脹不能產(chǎn)生過大的壓力。關(guān)系到定位問題的是:在高精密儀器重要是應(yīng)傳感器的襯墊物。這就是運(yùn)動(dòng)的和半運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)床往往不是靜止的,用運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系來描述就是:不同的部分有不同的運(yùn)動(dòng)。這些結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述之描繪了理論發(fā)生什么,只基于理論長度、理論位置和理論圓弧的。但是,在實(shí)際中,這些因素都是在一定精度下保證的,因此,在實(shí)際的形式、速度和加速度等細(xì)節(jié)方面與理想的形式有所不同。在現(xiàn)代機(jī)床中,位置是由多個(gè)機(jī)械部分聯(lián)合產(chǎn)生的,例如,侍服控制系統(tǒng)中的促動(dòng)器和傳感器。促動(dòng)器的公路和速度、傳感器分析、控制方法和機(jī)械重現(xiàn)性等因素共同決定了規(guī)定方法的精度。在多于一根軸被控制的情況下,軸的同步性是影響精度的另一因素。例如,在銑圓弧外形時(shí),要同時(shí)控制兩個(gè)正交軸。2.4 動(dòng)力學(xué)事實(shí)上,機(jī)床不是靜止的,包含有多個(gè)加速部分,意味著在加工過程中動(dòng)力學(xué)效應(yīng)將起到重要的作用。一個(gè)將相對(duì)位置不確定的加速度影響減到最小的方法是選擇合適的輪廓,例如,在第二引出物中不包含突漲的曲率,例如,用傾斜的正弦來代替拋物線。防止振動(dòng)和錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)同樣可以有效的減少動(dòng)力位置誤差。零部件本身就可以按最小受力設(shè)計(jì)。若零部件是旋轉(zhuǎn)的,對(duì)稱結(jié)構(gòu)就有利于減少不平衡,同時(shí)全部的慣性的都可以減小,直線運(yùn)動(dòng)時(shí),應(yīng)保持質(zhì)量小,并且應(yīng)盡可能靠近軸驅(qū)動(dòng)。另外一個(gè)決定機(jī)床對(duì)動(dòng)力影響的因素是剛度。一般為了減小受力、增大剛度,不僅跟材料的質(zhì)量和種類有關(guān),而且和分布也有關(guān)系。通常動(dòng)力障礙有外部產(chǎn)生,例如地板和聲音的振動(dòng)。這些情況下,剛度、質(zhì)量比對(duì)于減小輸入相應(yīng)是必需的。是機(jī)床和障礙隔離可以直接減小輸入。3. 設(shè)計(jì)原則高精度機(jī)床的設(shè)計(jì)要經(jīng)過很多人的分析。Pollard在他的“Cantor沿江”中描述了科學(xué)儀器的機(jī)械設(shè)計(jì)Pollard,1922。Loewen列出了主要的原理Loewen,1980。McKeown在McKeown,1986,1987,1997中定義了“十一條原理和技術(shù)”。Teague和Evans說明了基本概念,發(fā)表了12個(gè)“精密儀器模型”Teague,1989-1997?;谶@些調(diào)查,總結(jié)了第三和第五部分。3.1 Abbe和Bryan原理Abbe原理在1890年的Abbe,1890第一次發(fā)表:測量儀器一般是用來測量在作為附注的比例尺的延伸部分刻度的一條直線。這個(gè)原理也叫做調(diào)準(zhǔn)原理Rolt,1929,“Abbe比較儀原理”Reindl,1967和“機(jī)械設(shè)計(jì)和尺寸度量第一原理”Bryan,1979c。對(duì)于不能直線設(shè)計(jì)的情況重新說明,Bryan定義了一條綜合Abbe原理:“位移測量系統(tǒng)所測量的位移的功能點(diǎn)應(yīng)在同一條直線上。如果做不到這一點(diǎn),那么轉(zhuǎn)變位移的滑動(dòng)方法必須不受角度限制,或者角度數(shù)據(jù)必須作為Abbe原理計(jì)算結(jié)果的補(bǔ)償。另一個(gè)測量基本原理是Bryan定理Bryan,1979a,是這樣定義的:“直線測量系統(tǒng)所測量的直線的功能點(diǎn)應(yīng)在同一條直線上?!比绻皇?,那么轉(zhuǎn)變測量的滑動(dòng)方法必須不受角度限制,或者角度數(shù)據(jù)必須作為計(jì)算補(bǔ)償。Vermeulen研制了一種3D-CMM系統(tǒng)(如圖3.1所示),在該系統(tǒng)中,使用中間體(A和B),就可以在水平中間平面內(nèi)在三個(gè)方向上避免產(chǎn)生Abbe誤差。Vermeulen,1998。這臺(tái)機(jī)床也適用于Bryan原理,使機(jī)床的直線誤差不那么靈敏。圖3.1:2D-CMM多自由度分析Abbe和Bryan原理3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)Maxwell是這樣描述運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的:“儀器的各個(gè)部分是固體的,但不是固定的。如果固體部分受到多于六個(gè)方向的力時(shí),它將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,并且會(huì)受力變形,但是若不采用非常精確的微米測量,是無法確定的Maxwell,1890。Lord Kelvin設(shè)立的劍橋科學(xué)儀器就是依據(jù)該設(shè)計(jì)理論,以達(dá)到高精度、低成本。GSIP廣泛的應(yīng)用該原理,特別是在度量儀器方面。Pollawd強(qiáng)調(diào)了在儀器裝置中,相對(duì)于一般的機(jī)床刀具設(shè)計(jì)的重要性,這不僅僅對(duì)使用者和減小變動(dòng)有意義,也是對(duì)于經(jīng)濟(jì)加工而言Pollard,1922 Pollard,1929-1951。對(duì)于當(dāng)今精密加工運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的重要性在Blanding,1992中有詳細(xì)地說明。MeKeown在他的“十一條原理”中也強(qiáng)調(diào)了它的重要性。Teague把它作為他的模型的一部分。還有一位不那么世界聞名的是Van der Hoek,從1962年到1985年,它同時(shí)是飛利浦電器的員工和恩加芬工業(yè)大學(xué)的教授。他的演講稿包括200個(gè)看起來相對(duì)較差的設(shè)計(jì)例子,在這些例子中,運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)是解決問題的關(guān)鍵。Hoek,1962-1986, Hoek,1985-1989。其他一些介紹運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的書有Slocum,1992,Smith,1992,Nakazawa,1994和Koster,1996。運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)是從數(shù)學(xué)發(fā)展來的,它多少有些理想化,例如:固定不動(dòng)的機(jī)體、筆直的線條、完美的圓和“點(diǎn)接觸”等等。盡管如此,由于在原理上是正確的,所以這仍是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)良好開始。運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是非常重要的,一般都采用波形管Debra,1998。圖3.2給出了一些確定一個(gè)自由度的例子。最典型的解決方法是利用一根細(xì)桿(如圖3.2a)。由于桿的長度有限,在被限制的方向上,向一邊的位移就被限制了。采用折疊的兩片板就克服了以上的缺點(diǎn),并可達(dá)到相同的功能(圖3.2b)。圖3.2c中給出了另一種可選擇的方法,它包括了四根桿。圖3.2:限制單自由度運(yùn)動(dòng)圖3.3給出了限制直線運(yùn)動(dòng)中兩個(gè)自由度的例子??赏ㄟ^兩個(gè)細(xì)桿(圖3.3a和3.3b)實(shí)現(xiàn)或者利用一個(gè)鉸接的金屬板。限制兩個(gè)直線自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,例如,采用三根桿(圖3.4a和b)或者采用普通的金屬板(圖3.4c)。圖3.3 限制兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)圖3.3:限制兩個(gè)直線自由度利用這些基本元素的組合,可制造運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或夾具。圖3.5給出了一個(gè)平面定位的例子。采用三塊鉸接金屬片限制平面的六個(gè)自由度,熱中心在與鉸接金屬片的中垂線交點(diǎn)。圖3.5:限制六自由度和熱中心圖3.6示出xy工作臺(tái)如何通過三塊折疊金屬片定位.圖3.6:利用三塊折疊金屬的xy工作臺(tái)圖3.7給出了一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)例:運(yùn)動(dòng)支撐.利用六個(gè)定位支撐表面的標(biāo)準(zhǔn)模型利用在彈性鉸接旁邊讓表面容易彎取來得到提高.Schouten,1997。利用這種方法,當(dāng)接觸剛度和表面正交時(shí)的摩擦只是輕微的減小時(shí),沿表面的摩擦了大大減小。由于剛度和力的比增大,遲滯(5.1部分)從標(biāo)準(zhǔn)的無鉸接模型的0.42減小到新模型的0.03m.圖3.7:利用TC的系統(tǒng)動(dòng)力支承3.3 熱循環(huán)熱循環(huán)的定義是:“在溫度變化時(shí),一條經(jīng)過決定具體部件間相對(duì)位置的機(jī)械部件集合的路徑,原則上,熱循環(huán)應(yīng)盡量減小,以減小空間熱斜率的影響。機(jī)床熱循環(huán)中的熱膨脹又通過兩種方法:改變機(jī)床零件的有效長度或選擇合適的熱膨脹系數(shù)。定位的點(diǎn)和軸,可通過建立熱中心來選擇,如圖3.5所示。盡管熱膨脹系數(shù)在0.510-6C內(nèi)才可測得Breyor,1991,但熱膨脹的影響可通過測量不同溫度下零件的膨脹程度Kunzmann,1988和選擇合適的定位點(diǎn)建立相等的熱長度來減小。為了獲得在空氣調(diào)節(jié)裝置大廳中0.5/day和在隨氣候變化的小屋中0.1/day的熱穩(wěn)定性還是個(gè)問題Breyor,1991。熱源被限于機(jī)床內(nèi)部或外部會(huì)導(dǎo)致機(jī)床溫度外形的變化。由于相同的機(jī)床元件有不同的熱時(shí)間,這可能會(huì)導(dǎo)致在熱循環(huán)中的不等熱膨脹(見5.5部分)。因此,Donaldson強(qiáng)烈推薦,并在它的關(guān)于機(jī)床刀具Donaldson,1980的出版物中作為一個(gè)原理。就是:在熱源處把熱量帶走。Wetzels曾利用一個(gè)整體熱源來檢驗(yàn)一個(gè)人機(jī)床穩(wěn)定性問題。移開熱源之后,利用一條規(guī)則可以減小熱趨勢(shì)。3.4結(jié)構(gòu)鏈根據(jù)ANSI,1992,結(jié)構(gòu)鏈定義為:“機(jī)械零件的裝配,以保持指明的部件間的相對(duì)位置,一對(duì)典型的指明的部件是刀具和工件:結(jié)構(gòu)鏈包括主軸、軸承和軸套、導(dǎo)軌和機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)和刀具、夾具?!睆陌l(fā)動(dòng)機(jī)到響應(yīng)點(diǎn)的傳動(dòng)路徑中全部機(jī)械零件和連接處,例如,最尾受動(dòng)器(切削刀具或探針)或重力中心,必須具有高剛度以避免在改變載荷情況下的變形。機(jī)床或儀器的設(shè)計(jì)包括一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鏈。在一個(gè)認(rèn)為是好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計(jì)中必須的是連續(xù)和平行路徑的分離。在連續(xù)路徑上,剛度不能突然變化。連續(xù)路徑的改進(jìn)方法是:通過把材料從最穩(wěn)定的部分轉(zhuǎn)移,從使最柔性的部分剛度增加。平行路徑的改進(jìn)方法則相反:改進(jìn)剛度最大的部分為了系統(tǒng)質(zhì)量相等到更柔性的平行路徑。由于物理限制,一個(gè)封閉鏈系統(tǒng)的測量系統(tǒng)不可避免的在離最尾受動(dòng)器一定距離處攝制。除了友好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計(jì)外,測量系統(tǒng)和最尾受動(dòng)器間的路徑必須盡可能是剛度大,以減小偏差,例如,減小路徑長度,叫做“測量歡”Kunzmann,1996。3.4度量結(jié)構(gòu)度量結(jié)構(gòu)是誤差測量的參考結(jié)構(gòu),獨(dú)立于機(jī)床基礎(chǔ),例如作用在度量系統(tǒng)上的外力必須是不變的Bryan,1979b。DeBra建議把度量看作是綜合原理的一個(gè)例子,如“分離結(jié)構(gòu)”原理。DeBra,1998。實(shí)際上,力和位置信息路線是分離的概念,存在于旋轉(zhuǎn)平面的設(shè)計(jì)中,如圖5.8Philips,1994。在Teague,1989-1997中討論了度量機(jī)構(gòu)的歷史,以解決機(jī)床零件的變形問題。第一次度量結(jié)構(gòu)的例子是在很早以前的Rogers-Bond宇宙比較儀中Rogers,1883。最近的例子就是Hocken的測量機(jī)械中的NIST和交互時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)比較儀中的NPL及在UltimatCMM系統(tǒng)中的LLNLBryan,1979b,84年的SPDTMBryan,1979a和LODTMDonaldson,1980,在Mckeown的Cranfield精密機(jī)床(見圖3.8)和Wills-MorenWills-Moren,1982和Wills-Moren,1989。Teague,1989-1997建議把度量結(jié)構(gòu)盡可能的做小一些,以減小環(huán)境影響。Bryan,1979b建議要建立零漂移度量機(jī)構(gòu)或利用溫度控制度量結(jié)構(gòu)的支撐面需和機(jī)床基體的偏差中和軸在同一位置。3.6動(dòng)力補(bǔ)償通過把正確的機(jī)械設(shè)計(jì)和閉環(huán)控制結(jié)合起來,可實(shí)現(xiàn)增大運(yùn)動(dòng)速度、精度和運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性。典型的例子有:壓縮光盤播放器,高級(jí)CNC銑床和車床和快速零件裝配機(jī)床。隨著伺服定位控制裝置的發(fā)展,判斷傳動(dòng)裝置是如何傳遞力的,以抵消慣性引起的力,例如刀具或者測量力、摩擦力等。如“十一條原理”McKeown,1986,1987,1997中闡述的,動(dòng)力應(yīng)該安裝在直接驅(qū)動(dòng)軸的位置。如果不行,由軸引起的偏差叫做動(dòng)力補(bǔ)償包括機(jī)床導(dǎo)軌的動(dòng)差。如果發(fā)動(dòng)機(jī)和測量軸在旋轉(zhuǎn)中心的同一側(cè),那么,導(dǎo)軌在它的可控性下合成旋轉(zhuǎn)的影響會(huì)減小。3.7力補(bǔ)償3.7.1質(zhì)量補(bǔ)償在很多3D-CMMS中都用到了直立鍛床。為了避免鍛床的垂直導(dǎo)軌動(dòng)力系統(tǒng)承受連續(xù)的力,就會(huì)用到力補(bǔ)償,因此要除去馬達(dá)中不期望的熱量浪費(fèi)??赏ㄟ^和多途徑得到連續(xù)的力,例如利用附加的質(zhì)量,但以動(dòng)力觀點(diǎn)來看是不宜的。可取的是在壓力或真空和“連續(xù)比率突變”下采用磁場作用,例如TensatorsTensators,1997,RosieUe,1998。依靠滑動(dòng)的方法和可容許力的變化規(guī)范,一種形式的質(zhì)量補(bǔ)償比另一種更適合。一種減小Coulomb摩擦的控制方法:質(zhì)量分離,應(yīng)用于很多GSIP設(shè)計(jì)的高精密機(jī)床。3.7.2反作用補(bǔ)償 由于質(zhì)量和機(jī)床固定部分的支撐剛度有限,驅(qū)動(dòng)力引起的反作用力引起這些固定部分的運(yùn)動(dòng)ramkens,1994,ramran,1997.由反作用力引起的機(jī)床機(jī)架的震動(dòng)在高頻直接驅(qū)動(dòng)情況下更加重要,例如:快速刀具伺服切削pattersam.1995和切削非旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱表面 rankens.1997最常見 的 減少幾架震動(dòng)的 方法有 :提高剛度和 機(jī)架質(zhì)量或增加振動(dòng)阻尼。Rankers在中提到了更多的方法。第一個(gè)例子是:在載荷和機(jī)架間相對(duì)的方向上增加質(zhì)量。第二個(gè)例子是:同時(shí)發(fā)生的反作用力可以通過不需要嚴(yán)格定位精度要求的第二個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)來抵消。3.7.3剛度補(bǔ)償以彈性元件為基礎(chǔ)的儀器和機(jī)械由優(yōu)勢(shì):實(shí)際的反沖和摩擦不會(huì)引起實(shí)質(zhì)上的運(yùn)動(dòng)。彎曲部分的尺寸是以允許的壓力和嚴(yán)格限制定位運(yùn)動(dòng)的可制造性和必要性的合適的振動(dòng)為基礎(chǔ)的。但是,振動(dòng)被材料的彈性極限何、彈性材料的剛度極限限制,產(chǎn)生和誤差成直線比例的相反的力。在這些例子中,驅(qū)動(dòng)力變得太大而不能控制。他通過傳動(dòng)裝置要求的垂直尺寸和作為機(jī)床結(jié)構(gòu)障礙的熱量的產(chǎn)生,彎曲部分作為一種有選擇的設(shè)計(jì)可以省略或者清除不希望得到的力的影響這是對(duì)被動(dòng)元件的最好做法的明顯理由。提到的這種典型的方法被作為建立“負(fù)剛度”提到通過包括彎曲部分和旋轉(zhuǎn)式直線彎曲階段固定聯(lián)給的裝置,以獲得接近于零件剛度的設(shè)計(jì),這個(gè)問題就可以在增加復(fù)雜性的代價(jià)下得到解決。 Van eijk給出了些建立負(fù)剛度的例子eijk,1985.3.8對(duì)稱在teagne,1989-1997重推薦在機(jī)床元件的最大范圍內(nèi),盡可能加入對(duì)稱元件。例如質(zhì)量和力的分布或者是剛度。包括全部的儀器和環(huán)境因素。在設(shè)計(jì)、制造、裝配和加工一個(gè)精密儀器過程中,要權(quán)衡解決不對(duì)稱所帶來的問題在對(duì)對(duì)稱進(jìn)行改動(dòng)。為了避免熱不對(duì)稱,包括機(jī)床元件的有效變形,應(yīng)讓熱膨脹的熱從中作為對(duì)稱軸。為了解決由重力引起水平面不對(duì)稱的影響,機(jī)床可用垂直裝配,例如LODTMCDondson,1983三次對(duì)稱由四面體結(jié)構(gòu)很好的實(shí)現(xiàn)了,例如:NPL的lindsey設(shè)計(jì)的tetraformLindsey,1998,slocum,1992,Corbett,1997.他的支持人hocken也報(bào)道了一些對(duì)稱反對(duì)者 hocken,1995.例如,振動(dòng)能量不會(huì)由于不對(duì)稱設(shè)計(jì)而減小,實(shí)際上經(jīng)常會(huì)增大。3.9重現(xiàn)性根據(jù)第二部分給出的定義,重現(xiàn)性是指在相同的情況下機(jī)床的工作結(jié)果相同。機(jī)床工作可以使是cmm上的測量工作也可以是機(jī)床刀具加工產(chǎn)品的工作。bryan,1993提出決定論共參考:在自動(dòng)控制下機(jī)床決定論地執(zhí)行,作為設(shè)計(jì)、制造、和運(yùn)行測試的正確的基本原則,基本理論是:自動(dòng)刀具和測量機(jī)床安全像恒星一樣重現(xiàn),在我們能夠理解和控制的范圍內(nèi)準(zhǔn)許原因和影響關(guān)系。他們的門不是隨機(jī)或是可能停電,任何事情的發(fā)生都是有原因的。而且原因簡單的可以通過普通的判斷力、好的度量和合理的資源投資而解決。事實(shí)上,重現(xiàn)性要求:.應(yīng)用靜態(tài)的已知高剛度設(shè)計(jì),在元件連接時(shí),減小滯后現(xiàn)象.減小摩擦,增大軸承的系統(tǒng)剛度.優(yōu)化驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng).考慮傳熱器的質(zhì)量,包括傳熱器的配件.注意熱穩(wěn)定的設(shè)計(jì)和對(duì)振動(dòng)的足夠隔離重現(xiàn)性對(duì)于仿真是必要的(第四部分),儀器的模型越相近,仿真就越好,軟件的誤差補(bǔ)償范圍就越大(第六部分)。這里Bryan引證了Loxham,1970。根據(jù)Kidder(LLNL)和Hocken,他總結(jié)了對(duì)于典型物理定理的決定論本質(zhì)的七個(gè)例外HockenBryan,1993。這些里外都是針對(duì)與分子和原子質(zhì)量級(jí)的,對(duì)于制造領(lǐng)域毫無實(shí)際意義。4.測量設(shè)計(jì)的建模如在第一部分中所提到的,在不遠(yuǎn)的未來,對(duì)于超精密機(jī)器的需求將上漲,于是,在該領(lǐng)域設(shè)計(jì)方法將會(huì)發(fā)生明顯的改變。對(duì)精密機(jī)床運(yùn)動(dòng)的完全理解對(duì)于元件尺寸誤差的預(yù)見是必要的。通過把所有的元件誤差全部加在一個(gè)誤差聚存中。機(jī)床的設(shè)計(jì)者就可以預(yù)知所有機(jī)床的精度。Blaedel,1998,Thompson,1989。在最近出版的一本書NanotechnogyTaniguchi,1996中給出了當(dāng)含機(jī)械和加工的很好概括。由于越精密的機(jī)器的發(fā)展一般來說是非常昂貴的,所以“準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)”設(shè)計(jì)變得越來越重要。盡管設(shè)計(jì)構(gòu)思的全面分析非常昂貴,三是通過設(shè)計(jì)階段早期的系統(tǒng)的分析可以省下一大筆錢。機(jī)場和儀器的精度主要有以下五種誤差源產(chǎn)生:運(yùn)動(dòng)偏差,熱偏差,靜態(tài)誤差,動(dòng)力誤差和控制系統(tǒng)執(zhí)行誤差(如圖4.1)。從設(shè)計(jì)規(guī)范開始,可以通過理論設(shè)計(jì),隨后會(huì)隨這個(gè)理論設(shè)計(jì)進(jìn)行建模、方針和改進(jìn)。然后可以畫出流程圖,表示出建模和仿真過程,同時(shí)有必要核對(duì)地否與功能特性相符。利用運(yùn)動(dòng)模型來判斷運(yùn)動(dòng)誤差的影響,F(xiàn)EM部分建??梢杂脕矸治鰺釞C(jī)械和靜態(tài)誤差方面,包括熱膨脹和擴(kuò)散的剛度和強(qiáng)度??衫煤唵螐椥岳碚摵蜔崂碚摶A(chǔ)計(jì)算進(jìn)行必要的驗(yàn)證。機(jī)床系統(tǒng)的動(dòng)力方面包括慣性和剛度影響需要謹(jǐn)慎分析。同時(shí),控制系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)必須進(jìn)行調(diào)整,以使閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)力狀態(tài)。圖4.1說明了設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過程。設(shè)計(jì)過程進(jìn)行得越深入,就可以獲得更詳細(xì)的模型和仿真。以下簡短的介紹了最重要的分析過程和方法。4.1運(yùn)動(dòng)分析通過優(yōu)化一個(gè)精密機(jī)床或測量儀器的設(shè)計(jì)理論,誤差模型方法主要在過去二十年發(fā)展起來的,該模型可用于預(yù)測運(yùn)動(dòng)誤差。Soons,1993,Krulewich,1995a,b。這些建模技術(shù)是以估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差的影響為基礎(chǔ)的,例如直線車廂、旋轉(zhuǎn)平面和主軸。成功的應(yīng)用矩陣參數(shù)預(yù)測和補(bǔ)償彎曲偏差最早出現(xiàn)在1972年Wills-Moren,1982。對(duì)于每根軸,運(yùn)動(dòng)誤差都可以通過矢量法描述,直線誤差矢量:T,旋轉(zhuǎn)誤差矢量:R,車廂在結(jié)構(gòu)鏈固定位置的旋轉(zhuǎn)的影響可通過外部矢量:旋轉(zhuǎn)矢量:R和位置矢量P計(jì)算,這些矢量在Cartesion調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有定義。這里,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的起源和讀取屬于軸的矢量iR的標(biāo)尺位置的傳感器連接,包括了機(jī)床軸之間矩陣誤差的總和。指定機(jī)床位置的整個(gè)動(dòng)力誤差可以通過誤差向量描述,可通過所有軸的誤差來計(jì)算Spaan,1995:dP(x,y,z)=(iR*iP+iT)。動(dòng)力建模必須符合機(jī)床的結(jié)構(gòu)鏈,例如,可以從共建位置開始,經(jīng)過所有的元件和聯(lián)結(jié),在探針和刀具位置結(jié)束。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主軸可以和導(dǎo)軌箱采用相同的方法。在Spaan,1995中,建模技術(shù)應(yīng)用于五軸的銑床。這種相對(duì)簡單的方法迅速的給予設(shè)計(jì)者關(guān)于針對(duì)結(jié)構(gòu)鏈中變化的設(shè)計(jì)方法的影響信息。另外一個(gè)建模方法:用齊次變形矩陣描述動(dòng)力誤差,同樣也得到廣泛的應(yīng)用。這里,誤差參數(shù)iRj,iTj是矩陣中的元素Paul,1981,Soons,1993,Portman,1997。隨后,介紹了高精密度設(shè)計(jì)所要求的第二種影響因素。4.2熱機(jī)械分析如眾多便這說明的那樣,熱效應(yīng)對(duì)精密機(jī)床和儀器的偏差有重要的影響Yoshida,1967,Camera,1976,Attia,1979,Blsamo,1990,Cresto,1991,Schelle Kens,1992。在該領(lǐng)域Bryan給出了詳細(xì)的概括,在1968年和1990年給CIRP大眾裝配中的主要論文中Bryan,1968,Bryan,1990。大體來說,機(jī)床的溫度外形可有一個(gè)不固定的結(jié)構(gòu)T=T(x,y,z,t)表示。由于這應(yīng)用了空間和溫度梯度與機(jī)械熱量 的結(jié)合,機(jī)床的形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變化。特別是不固定因素會(huì)使誤差很難估計(jì)。因此,大多數(shù)都嘗試描述固定的狀態(tài)T=T(x,y,z,)Soons,1993,Trapet,1997a。這里,作為另一種方法,就無外力作用下的變形(否則建模很困難)而言,誤差建模主要基于熱循環(huán)中(大的)機(jī)床零件的膨脹和彎曲。Boley,1960,Trapet,1997a。計(jì)算完膨脹和變形后,在4.1節(jié)中談到的動(dòng)力模型可應(yīng)用于計(jì)算熱誤差向量dP(T(x,y,z,)。在Soons,1993中,這個(gè)方法成功的應(yīng)用于銑床,而且是熱誤差減小70。由于機(jī)床無可避免的有內(nèi)部熱源,有時(shí)必須用到不穩(wěn)定描述T=T(x,y,z,t)。通過這種關(guān)系,刀具和工件相對(duì)位置的熱影響就可以計(jì)算出來。如今,有限元和有限元建模技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用Soons,1993。由于熱主要由主軸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生,Soons還利用固定間隙模型預(yù)測五軸銑床的溫度場。盡管如此,確定熱邊界范圍還是很難的。與內(nèi)部熱源引起的失調(diào)相反,環(huán)境影響模型,例如敞開門,只能做到敏感,但做不到預(yù)測。4.3靜態(tài)分析機(jī)床和儀器的結(jié)構(gòu)鏈能被類似的靜態(tài)力所影響,例如,改變慢速移動(dòng)的機(jī)床部件的重量,輕微的改變切削力Spaan,1995和又鋼絲繩空氣管和真空管引起的力。加速度理由更高的頻率,將在下一段中討論。由于機(jī)床元件的剛度有限,例如軸承、主軸、箱體、包括齒輪齒條和聯(lián)結(jié),上述提到的力將會(huì)引起刀具和探針的位置誤差。第一種方法,用以簡單線性彈性理論或Hertzian聯(lián)系理論為基礎(chǔ)的方法計(jì)算剛度可以輕易的估計(jì)偏差。如今,可利用高級(jí)軟件包如Unigraphics,I-DEAS,Algor,Pro-EngineerFEM,1998對(duì)復(fù)雜平面結(jié)構(gòu)、軸承、支承和單一材料和復(fù)合材料的3D實(shí)體進(jìn)行線性和非線性分析(見5.1部分)。該領(lǐng)域一種有趣的方法在Reinhart,1997中有報(bào)道,他描述了在設(shè)計(jì)階段早期進(jìn)行綜合FEM分析的3D-CAD,叫做:“實(shí)體樣板”。4.4動(dòng)態(tài)分析由于機(jī)床結(jié)構(gòu)一般是由許多不同的零件裝配而成的,可以被視為質(zhì)量合理的復(fù)合體,所以整個(gè)結(jié)構(gòu)須根據(jù)這些元件間的相互作用而行動(dòng)。Timoshenko,1974。關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目出版了很多好的書,如RaO,1990.由于大部分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都在質(zhì)量中心上做直線運(yùn)動(dòng),慣性將會(huì)引起機(jī)床部件的旋轉(zhuǎn),主要是由于齒輪系統(tǒng)和聯(lián)結(jié)的剛度有限。在高精機(jī)床中,例如3D-CMMs,即使是低的加速度也會(huì)給測量精度帶來很大的影響。機(jī)床的動(dòng)力將會(huì)給系統(tǒng)工作帶來很大影響,位置精度和跟蹤精度會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中的機(jī)械階躍響應(yīng)而被大大減小。再加上到規(guī)和主軸慣性作用引起的輕微的加速度,振動(dòng)狀態(tài)取決于固有頻率和阻尼大?。ㄒ?.1.2節(jié))。為了預(yù)知內(nèi)部振動(dòng)引起的偏差,對(duì)機(jī)床動(dòng)力的建模分析是非常重要的,例如找出最低的固有頻率和在一定的頻率范圍內(nèi)機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模型(由伺服系統(tǒng)的帶寬限制)。重量輕的(動(dòng))剛度設(shè)計(jì)對(duì)于決定機(jī)床元件最低自然頻率和靜剛度是非常重要的。機(jī)床結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)裝置的相互作用力將會(huì)引起不能允許的偏差,特別是對(duì)高精度機(jī)床入晶片步進(jìn)器和非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱零件制造應(yīng)用的快速刀具伺服系統(tǒng)的SPDT機(jī)床。由于機(jī)架的質(zhì)量有限,和地面的聯(lián)結(jié)剛度有限,反作用力就會(huì)引起共振(見3.7部分)Weck,1995b, Weck,1997,Renkens,1997,Rankers,1997。圖4.3簡單說明了上述因素的影響。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)如切削機(jī)床和晶片步進(jìn)器,對(duì)整個(gè)機(jī)床進(jìn)行建模和評(píng)估會(huì)使效率很低而耗時(shí)大。因此Rankers,1997建議將整個(gè)系統(tǒng)按基礎(chǔ)和元件成功的分割,分別對(duì)他們建模和分析。隨后將這些模型合成一個(gè)整體系統(tǒng)模型,用于整個(gè)機(jī)床的固有頻率和振動(dòng)模型的外形分析。動(dòng)力模型,例如塊狀質(zhì)量模型,對(duì)于分析選中的想法的動(dòng)力行為是很有幫助的。這個(gè)模型包括由一系列機(jī)械條件所聯(lián)結(jié)起來的很多質(zhì)量,可以用一套差分方程表示。模型還原技術(shù)Hoek,1992-1980,Ewins,1984,Rankers,1997。為該目的,可應(yīng)用4.3節(jié)中的靜態(tài)模型確定固有頻率和質(zhì)量,質(zhì)量慣性和重心位置。應(yīng)用于SPOT機(jī)床中的陶瓷導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),在圖4.4中描述了模型形狀分析的結(jié)果。Vermeulen,1996a。4.5控制系統(tǒng)分析在大多數(shù)情況下,閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于定位和多軸外形控制的機(jī)械系統(tǒng)。超精機(jī)床的閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例是SPDT機(jī)床、陶瓷導(dǎo)軌機(jī)床、晶片步進(jìn)器和光盤操作題。為了獲得好的動(dòng)力行為,控制方法要和機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力很好的配合??刂葡到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)依賴系統(tǒng)的行為例如它的固有頻率,摩擦系數(shù)和其他干擾力。一般情況下,控制系統(tǒng)包括位置和速度反饋,有時(shí)在一些高級(jí)加工中還加入了速度和加速度前饋控制(見5.6節(jié))。如Groenhuis,1991中所表明機(jī)械設(shè)計(jì)主要決定被控系統(tǒng)的等級(jí)。自由度度越多,模型的等級(jí)就越高。Rankers,1997提出三種主要的動(dòng)力影響源:傳動(dòng)裝置的復(fù)雜性、導(dǎo)軌系統(tǒng)的復(fù)雜性和機(jī)架的質(zhì)量和剛度,若引入多的自由度,所有這些因素可能會(huì)使被控系統(tǒng)的等級(jí)提高。在Groenhuis,1991中描述了一種傳動(dòng)裝置等級(jí)模型(兩個(gè)自由度)。它是描述機(jī)械閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)理性尾最小河最大眾的等級(jí)。24
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