2.3精密机床部件

1、 实现精密加工的技术支撑实现精密加工的技术支撑主轴回转精度主轴回转精度（液体（液体静压、空气静压轴承）静压、空气静压轴承）导轨运动精度导轨运动精度（滚动（滚动导轨、液气静压导轨）导轨、液气静压导轨） 微量进给机构微量进给机构（弹性变形电致伸缩式）（弹性变形电致伸缩式） CNCCNC伺服系统等伺服系统等 超超精密加工机理精密加工机理 超超精密加工机床精密加工机床 超超精密加工工具精密加工工具 稳定的加工环境稳定的加工环境 高质的工件材料高质的工件材料 精密测量与误差补偿精密测量与误差补偿三、超精密加工机床及关键部件三、超精密加工机床及关键部件 一一、精密主轴部件精密主轴部件机床的关键部件之一，要

2、求回转精度极高，机床的关键部件之一，要求回转精度极高，运动平稳，无振动，运动平稳，无振动，关键在于精密轴承关键在于精密轴承1. 液体静压轴承主轴液体静压轴承主轴油液油液610个大气压，个大气压，使轴在轴套内悬浮，使轴在轴套内悬浮，液体摩擦。主轴中心液体摩擦。主轴中心位置由两对面液体压位置由两对面液体压力差维持。力差维持。特点：特点：转动平稳，刚度较高转动平稳，刚度较高液体粘度大，温升高，液体粘度大，温升高，产生热变形。产生热变形。止推轴止推轴承两止推面做在轴的承两止推面做在轴的同一端；控制油温同一端；控制油温v 空气粘度小，温升小，造成的热变形误差很小，空气粘度小，温升小，造成的热变形误差很小

3、， 刚度较低，承受的负荷较小，用于超精密机床刚度较低，承受的负荷较小，用于超精密机床（1 1）圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承2.2.空气静压轴承主轴空气静压轴承主轴既是径向又是止推轴承，气浮面为球面，有自既是径向又是止推轴承，气浮面为球面，有自动调心作用，提高前后同心度，提高回转精度动调心作用，提高前后同心度，提高回转精度（2 2）双半球空气静压轴承主轴）双半球空气静压轴承主轴v 球形轴承同时起径向和止推轴承作用，自动调心球形轴承同时起径向和止推轴承作用，自动调心 提高前后轴承的同心度，提高主轴回转精度。提高前后轴承的同心度，提高主轴回转精度。( () )

4、前端球形后端圆柱径向空气轴承前端球形后端圆柱径向空气轴承v 大型超精密车床，常采用立式空气轴承主轴，大型超精密车床，常采用立式空气轴承主轴， 径向轴承制成圆弧面，可自动调心提高回转精度径向轴承制成圆弧面，可自动调心提高回转精度(4)(4)立式空气轴承主轴立式空气轴承主轴v 电动机通过柔性联轴器驱动主轴电动机通过柔性联轴器驱动主轴 电机主轴同轴线上，结构紧凑，电机精动平衡电机主轴同轴线上，结构紧凑，电机精动平衡v 电动机通过带传动驱动电动机通过带传动驱动 直流或交流变频电机无级调速，不用齿轮调速，直流或交流变频电机无级调速，不用齿轮调速， 电机带轮精动平衡隔振，柔性联轴器连接主轴电机带轮精动平衡

5、隔振，柔性联轴器连接主轴3. 主轴的驱动方式主轴的驱动方式v 内装式同轴电机驱动主轴内装式同轴电机驱动主轴 无刷直流电机无级变速，消除电刷的摩擦振动。无刷直流电机无级变速，消除电刷的摩擦振动。 各部件须经过精密动平衡；通气或水冷却降温各部件须经过精密动平衡；通气或水冷却降温（2 2）不易生锈腐蚀）不易生锈腐蚀 （1）不易磨损）不易磨损 4. 主轴和轴承的材料主轴和轴承的材料 （4 4）材料的稳定性要好）材料的稳定性要好 （3 3）热膨胀系数要小）热膨胀系数要小 v 实际制造中使用的材料有：实际制造中使用的材料有： 3838CrMoAl氮化钢、不锈钢、多孔石墨和轴承钢氮化钢、不锈钢、多孔石墨和轴

6、承钢 v 试验研究中使用的材料有：试验研究中使用的材料有： 铟钢、花岗岩、微晶玻璃、陶瓷铟钢、花岗岩、微晶玻璃、陶瓷 1.1. 机床总体布局机床总体布局二、二、 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件(1)(1)主轴箱位置主轴箱位置 固定，刀架固定，刀架 装在十字形装在十字形 滑板上滑板上两滑台运动两滑台运动影响，加工影响，加工难度较大。难度较大。机床总体布局机床总体布局(2)(2)T形布局（中小型）形布局（中小型） 后两种方式后两种方式 驱动主轴，驱动主轴， 主轴箱可移主轴箱可移 动。纵、横动。纵、横 导轨做在床导轨做在床 身上成身上成T形形 布局精度高布局精度高机床总体布局机床总体布局(3)

7、(3)R布局（极坐标型、杜邦布局（极坐标型、杜邦3号）号） 刀架溜板装在回转工作台上，改变刀座导轨刀架溜板装在回转工作台上，改变刀座导轨 转角转角和半径和半径R，可加工非球曲面。，可加工非球曲面。机床结机床结 构及调整计算比较复杂。构及调整计算比较复杂。(4)(4)立式结构布局（大型机床）立式结构布局（大型机床） 工件直径大重量较重时，多用此结构。要求工件直径大重量较重时，多用此结构。要求 有高的刚度，多用有高的刚度，多用龙门形式，刀架在十字滑龙门形式，刀架在十字滑 板上运动，采取特殊在线测量及补偿措施。板上运动，采取特殊在线测量及补偿措施。2.2.常用导轨部件常用导轨部件v 超精机床导轨要求

8、有极高的直线运动精度，偶超精机床导轨要求有极高的直线运动精度，偶 合面无摩擦磨损无爬行，一般摩擦接触较少用。合面无摩擦磨损无爬行，一般摩擦接触较少用。 v 导轨偶合面接触形式：导轨偶合面接触形式：导轨表面有耐磨塑导轨表面有耐磨塑 料层、导轨接触面强迫润滑、滚动导轨、液体料层、导轨接触面强迫润滑、滚动导轨、液体 静压导轨、空气静压导轨、气浮导轨等。静压导轨、空气静压导轨、气浮导轨等。 v 导轨的结构形式：导轨的结构形式：燕尾型、平面型、燕尾型、平面型、VV平平 面型、双面型、双V V形等。形等。（）滚动导轨（）滚动导轨v 滚柱直线滚动轴承滚柱直线滚动轴承 滚柱带保持架在导轨面间滚动，滚柱带保持架

9、在导轨面间滚动， 轴承长度根据工作行程长度决轴承长度根据工作行程长度决 定，过去长期使用形式。定，过去长期使用形式。 滚动导轨滚动导轨v 再循环滚动组件（滚柱、滚珠）再循环滚动组件（滚柱、滚珠） 工作行程长度不受限制工作行程长度不受限制 滚动导轨滚动导轨v 再循环滚珠滚动组件再循环滚珠滚动组件（2 2）液体静压导轨）液体静压导轨v 刚度高，承载力大，运动精度高平稳刚度高，承载力大，运动精度高平稳 无爬行现象。无爬行现象。（3 3）空气静压导轨和气浮导轨）空气静压导轨和气浮导轨v 空气静压导轨面上下左右均受静压作用，导空气静压导轨面上下左右均受静压作用，导 轨浮在中间，无摩擦力，运动精度和刚度高

10、。轨浮在中间，无摩擦力，运动精度和刚度高。（3 3）空气静压导轨和气浮导轨）空气静压导轨和气浮导轨v 气浮导轨的底平面和侧面有压缩空气，使运气浮导轨的底平面和侧面有压缩空气，使运 动件浮起，用于运动件重压缩空气压力平稳动件浮起，用于运动件重压缩空气压力平稳3.3.床身及导轨的材料床身及导轨的材料(1)(1)优质耐磨铸铁（传统材料）优质耐磨铸铁（传统材料） 工艺性好，耐磨性好，热膨胀系数小，振动工艺性好，耐磨性好，热膨胀系数小，振动 衰减衰减能力强能力强。缺点是抗蚀力弱，易生锈。缺点是抗蚀力弱，易生锈。(2)(2)花岗岩（首选材料）花岗岩（首选材料） 尺寸稳定性、热膨胀系数、振动衰减尺寸稳定性、

11、热膨胀系数、振动衰减力、力、 耐磨性、耐磨性、抗腐蚀性等方面都优越抗腐蚀性等方面都优越。缺点是有。缺点是有 吸湿性，产生微量变形；加工工艺性较差。吸湿性，产生微量变形；加工工艺性较差。(3)(3)人造人造花岗岩（专利）花岗岩（专利） 不同粒度花岗岩用树脂粘接而成，性能优良不同粒度花岗岩用树脂粘接而成，性能优良1.1. 精密数控系统精密数控系统三、三、 进给驱动系统进给驱动系统一般需要纵、横双坐标联动的精密数控系统，一般需要纵、横双坐标联动的精密数控系统，有些要增加回转工作台，需三轴联动数控系统有些要增加回转工作台，需三轴联动数控系统系统要有很高的分辩率，达到每脉冲移动量为系统要有很高的分辩率，

12、达到每脉冲移动量为0.010.01 m。使用伺服电机通过双频激光测量系。使用伺服电机通过双频激光测量系统检测位移并反馈给数控系统，形成闭环控制统检测位移并反馈给数控系统，形成闭环控制系统，达到很高的位移精度。系统，达到很高的位移精度。2.2. 滚珠丝杠副驱动滚珠丝杠副驱动三、三、 进给驱动系统进给驱动系统2.2. 滚珠丝杠副驱动滚珠丝杠副驱动三、三、 进给驱动系统进给驱动系统要求正、反转回程无间隙，丝杠副有预载过盈，要求正、反转回程无间隙，丝杠副有预载过盈，螺母常做成两端组合以便精确调整预载应力。螺母常做成两端组合以便精确调整预载应力。3.3. 液体静压和空气静压丝杠副驱动液体静压和空气静压丝

13、杠副驱动（更平稳）（更平稳）三、三、 进给驱动系统进给驱动系统4.4. 摩擦驱动摩擦驱动三、三、 进给驱动系统进给驱动系统进一步提高导轨进一步提高导轨运动平稳性和精运动平稳性和精度。度。技术难点是两摩技术难点是两摩擦轮都用静压轴擦轮都用静压轴承空间位置太挤承空间位置太挤结构设计困难。结构设计困难。4.4. 摩擦驱动摩擦驱动三、三、 进给驱动系统进给驱动系统有一个和直有一个和直流电机相连流电机相连的摩擦轮带的摩擦轮带动驱动杆，动驱动杆，驱动杆下面驱动杆下面为气浮导轨为气浮导轨面。面。是超精机床的关键装置，目前可达是超精机床的关键装置，目前可达0.0010.0010.010.01m分辩率，对超薄切

14、削、曲面的高精度加工及分辩率，对超薄切削、曲面的高精度加工及在线误差补偿很重要。在线误差补偿很重要。要求微进给与粗进给分开，提高其精度和稳定性要求微进给与粗进给分开，提高其精度和稳定性四、四、 微量微量进给装置进给装置微量进给机构形式：微量进给机构形式：机械传动或液压传动；弹性变形式；热变形式；机械传动或液压传动；弹性变形式；热变形式；流体膜变形式；磁致伸缩式；电致伸缩式。流体膜变形式；磁致伸缩式；电致伸缩式。弹性变形式弹性变形式和和电致伸缩式电致伸缩式比较成熟实用。比较成熟实用。工作稳定可靠，精度重复性好，适于手动操作工作稳定可靠，精度重复性好，适于手动操作机械结构弹性变形微机械结构弹性变形

15、微进给装置进给装置分辩率分辩率0.01m重复精度重复精度0.02m最大位移最大位移20m分辩率高达分辩率高达1nm，动特性好，适于自动微量进给，动特性好，适于自动微量进给电致伸缩式微电致伸缩式微进给装置进给装置三大关键技术：三大关键技术：电致伸缩传感器电致伸缩传感器微量进给的机械结构微量进给的机械结构驱动电源驱动电源基本工作原理：基本工作原理：压电效应：压电效应：晶体在某方向受力产生变形两表面产生电荷。晶体在某方向受力产生变形两表面产生电荷。逆压电效应：逆压电效应：在压电晶体上施加电场，晶体会产生变形，在压电晶体上施加电场，晶体会产生变形，这种现象也称这种现象也称电致伸缩效应。电致伸缩效应。电

16、致伸缩式微电致伸缩式微进给装置进给装置传感器工作原理：传感器工作原理：电致伸缩陶瓷片两片一电致伸缩陶瓷片两片一对，中间通正电，两侧对，中间通正电，两侧通负电，多片叠在一起通负电，多片叠在一起正负极分别连一起。陶正负极分别连一起。陶瓷片在静电场作用下将瓷片在静电场作用下将伸长。伸长。压电陶瓷压电陶瓷新型电致伸缩陶瓷新型电致伸缩陶瓷要求高刚度，微位移时无摩擦力，结构简单要求高刚度，微位移时无摩擦力，结构简单电致伸缩式微电致伸缩式微进给装置的结构进给装置的结构分辩率分辩率0.01m最大位移最大位移5.2m结构简单，随电磁铁线圈电流增大位移加大结构简单，随电磁铁线圈电流增大位移加大电磁控制微电磁控制微

17、位移工作台位移工作台两坐标粗动、三坐标微动工作台组成两坐标粗动、三坐标微动工作台组成三坐标压电微三坐标压电微位移工作台位移工作台1滚珠丝杠滚珠丝杠2伺服电机伺服电机3滚轮框架滚轮框架4压电器件压电器件5微动台微动台6y向导轨向导轨7粗动台粗动台8x向导轨向导轨9基座基座xy1y2y= (y1+ y2)/2= (y1+ y2)/L由四个柔性支柱由四个柔性支柱（两端均有柔性铰链）（两端均有柔性铰链）连接形成连接形成弹性导轨弹性导轨, ,控制三个器件上电压得三坐标位移控制三个器件上电压得三坐标位移粗动与微动粗动与微动工作台之间的连接工作台之间的连接超精密切削机床简介超精密切削机床简介v 机床是实现超

18、精密加工的首要条件机床是实现超精密加工的首要条件v 美国是超精密机床发展最早水平最高的国家，美国是超精密机床发展最早水平最高的国家， 英国是第二大国，日本起步较晚，发展较快，英国是第二大国，日本起步较晚，发展较快， 中小型超精密机床已和美国并驾齐驱。中小型超精密机床已和美国并驾齐驱。v 我国超精密机床的研制和生产起步较晚，和我国超精密机床的研制和生产起步较晚，和 国外有较大差距，必须加大力度研制超精密国外有较大差距，必须加大力度研制超精密 机床，为国防工业、尖端技术发展创造条件。机床，为国防工业、尖端技术发展创造条件。 一一、Union Carbide公司的半球车床公司的半球车床加工加工100

19、mm半球；半球； 0.6m；Ra0.025m2号号1-1-工件主轴工件主轴2-2-刀具主轴刀具主轴3-3-刀具头架刀具头架卧式主轴，三卧式主轴，三坐标精密数控坐标精密数控工作台纵横及工作台纵横及回转，加工各回转，加工各种非球曲面，种非球曲面，刀具垂直加工刀具垂直加工表面，表面，精度精度空气垫隔振，空气垫隔振，现现M-18AG型型仍用此结构。仍用此结构。二、二、 Moore车床车床v 加工大直径光学部件如加工大直径光学部件如2m金属反射镜，有用双半球金属反射镜，有用双半球 空气轴承的空气轴承的G G型卧式车床型卧式车床和和-B-B型立式车床。型立式车床。三、三、Ex-Cell-O公司的公司的2m镜面立式车床镜面立式车床四、美四、美LLL实验室实验室DTM-3-3大型超精密车床大型超精密车床v LLL LLL与联合碳化物公司合作于与联合碳化物公司合作于8383年研制成功年研制成功v 加工金属反射镜、天体望远镜等，零件直径加工金属反射镜、天体望远镜等，零件直径 达达21002100mm、重量、重量45004500kg、半径误差、半径误差27.9nmv 内装式精密数控装置和激光干涉测长仪，精内装式精密数控装置和激光干涉测长仪，精 确测量定位；确测量定位；DCDC电机与摩擦联合驱动，进给电机与摩擦联合驱动，进