精密特种加工第4讲精密切削加工机床

精密加工与特种加工Precisionandultraprecisionmachining第四讲（超）精密切削机床（超）精密加工与特种加工研究和发展的重点集中在超精密机床的设计、制造、控制、检测和工艺实验等方面:1)超精密机床设计理论与方法．

(1)超精密机床系统建模及优化设计理论与方法;(2)超精密机床的多尺度、多层次耦合特性分析及模型解析;(3)超精密机床精度设计理论与多因素影响机制;(4)超精密机床环境设计理论与方法．

2)控制系统设计与智能化方法．

(1)超精密机床运动系统控制理论与方法;

(2)超精密机床的运动轨迹优化理论与方法;(3)超精密机床性能在线观测与智能化技术;(4)超精密机床复杂系统多因素耦合最优控制技术;

(5)超精密机床动态复合误差实时补偿技术．Precisionandultraprecisionmachining

3)基础部件制造与集成．

(1)高精度、高速、智能化运动部件的系统化设计方法;(2)高阻尼、高刚度、高精度运动部件设计理论与方法;(3)智能化刀具系统的设计理论与方法;(4)超精密环境控制部件的集成化设计方法．

4)超精密机床检测理论与方法．

(1)超精密机床的多性能检测理论与方法;

(2)面向功能需求化的检测技术标准;(3)复杂物理场下多因素检测理论与方法．Precisionandultraprecisionmachining2024/3/131超精密机床概述

2精密主轴部件

3床身和精密导轨部件

4进给驱动系统

5微量进给装置

6机床的稳定性和减振隔振

7减少变形和恒温控制

精密和超精密加工的机床2024/3/13精密和超精密加工机床概述一、超精密机床的分类2024/3/13精密和超精密加工机床概述二、对超精密机床的基本要求高精度：包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等。高刚度：包括静刚度、动刚度和热刚度，同时还应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度及接触刚度。髙稳定性：要求设备能经得起运输、存储考验，在使用过程中应能长时间保持高精度，抗干扰、抗振动，有良好的耐磨性，稳定工作。高自动化：为了保证加工质量，减少人为因素影响，设备应用数控系统实现自动化。2024/3/13

精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991年研制成功大型超精密机床OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。

三、超精密加工典型机床简介精密和超精密加工机床概述超精密金刚石镜面切削机床飞刀切削2024/3/13三、典型机床简介UnionCarbide公司的半球机床能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。精密和超精密加工机床概述2024/3/13三、典型机床简介Moore车床由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器2024/3/13三、典型机床简介Pneumo公司的MSG-325超精密车床

采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。2024/3/13三、典型机床简介DTM-3大型超精密车床

采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在DC伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米级微位移。精密和超精密加工的机床概述2024/3/13三、典型机床简介大型光学金刚石车床LODTM

机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。精密和超精密加工的机床概述2024/3/13三、典型机床简介OAGM2500大型超精密机床机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。精密和超精密加工的机床概述2024/3/13三、典型机床简介AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01μm，激光测量反馈，定位精度全行程0.03μm。加工模具形状精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm2024/3/13四、超精密机床的发展趋势精密和超精密加工机床概述随着光机电一体化技术的发展，超精密机床得到迅速发展。向更高精度、大型多功能的方向发展在尖端技术和产品的需求下，加工精度向加工极限冲刺，进入亚微米级及纳米级加工，反映了科学技术的发展水平&可以想像，超精密加工不仅用在地球上，甚至会出现在太空站上。向高效和自动化的方向发展随着高新技术的微电子产品市场越来越扩大，要求超精密机床向高效率方向发展。从加工性质上来说，超精密加工最适宜采用自动化、无人化加工方式。这样可以最大限度地减少外界干扰，保证加工质量。开发CNC超精密机床，采用适应控制技术，清除加工中和加工环境中人为因素的影响，实现自动化、无人化加工是超精密加工发展的一个重要趋势。2024/3/132024/3/13四、超精密机床的发展趋势精密和超精密加工机床概述向多功能模块化和廉价化发展采用模块式结构可使机床具有更大的柔性和更高的利用率，利用不同的超精密机床元部件，组成各种类型的超精密机床，用户可根据需要提出要求，以较低的价格、较短的时间获得所需的单功能超精密机床。这是降低成本、缩短制造周期的有效方法。采用计算机补偿技术提高加工精度随着机床本身精度的不断提高，单靠提高基准元件的精度来提高超精密加工机床精度的效果是有限的，而且其成本费用剧增。采用计算机技术进行综合误差补偿是提高加工和测量精度的一种经济有效的方法。2024/3/132024/3/132024/3/13四、超精密机床的发展趋势精密和超精密加工机床概述加工计量一体化在超精密机床上配置适当的仪器或采取一定的措施，即可作计量装置使用，使加工与计量相结合，边加工边测量边控制，在监控条件下加工不仅保证加工精度还可提高经济效益。把加工技术、测量技术和控制技术有机地结合成为一体的加工系统是超精密机床的典型发展趋势。超精密加工对机床的基本要求：⑴高精度⑵高刚度⑶高稳定性⑷高自动化所以对机床各重要部件性能有严格的要求。超精密机床关键部件精密主轴部件

床身布局和导轨部件精密数控系统微位移系统误差检测与补偿超精密切削机床关键部件机床结构设计机床结构动力学分析床身材料的选择机床的动态优化设计主轴单元进给驱动单元刀具的选择夹具的设计控制系统的选择传感器的选择主轴的非线性动力学分析主轴及轴承的静动态特性分析温度及热变形对主轴静动态影响进给系统的动力学分析大行程微进给机构的研究空气静压导轨的动静压分析检测对象的选择检测方法的选择检测设备的选择主动控制策略的研究超精密加工机床机床结构驱动系统刀具和夹具系统检测控制系统控制和传感器系统2024/3/13对超精密主轴的基本要求静态和动态回转精度高，振摆小。精度寿命长。主轴本身及驱动系统不产生振动，或振动极小，而且振动的衰减特性好。应具有与使用条件相匹配的、足够大的刚度和负荷容量。发热少而且热平衡的性能好。维护、保养方便。超精密切削机床关键部件一、精密机床主轴部件2024/3/13主轴回转精度

回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素（1）轴承精度和间隙的影响。（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。

关键在于精密轴承：液体静压轴承空气静压轴承一、精密机床主轴部件2024/3/13液体静压轴承液体静压轴承利用专用的供油装置，将具有一定压力的润滑油经过节流器输送到轴承中去，在轴承油腔内形成具有一定压力的润滑油膜，将主轴浮起。无论主轴处于静止还是转动状态，轴承间隙中都有一层压力油膜，在各个方向上都能承受外力作用。1、液体静压轴承主轴一、精密机床主轴部件液体静压轴承具有承裁能力大、阻尼大、动刚度好的优点2024/3/131、液体静压轴承主轴一、精密机床主轴部件液体静压轴承一般使用的液体油黏度较高（为空气的5000〜10000倍），供给的压力大，一般为3〜4MPa。由于油膜较厚，对轴颈和轴瓦的圆度误差能起均化作用，故回转精度高可以达到亚微米级（0.1um)。轴承的内表面设有油腔，刚度和负荷容量大，一般用于大型超精密机床。如美国LLNL实验室的DTM-3型大型超精密机床，其主轴的径向轴承就采用液体静压轴承。2024/3/131）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。

2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。

解决措施：

1）提高静压油的压力到6～8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。

2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。

3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。液体静压轴承的缺点1、液体静压轴承主轴油温控制以及油泵振动要求较高近年来水静压轴承在超精密机床中的运用取得成功，例如日本SSi公司研制的三角棱形立式结构的超精密磨床中采用了去离子水静压轴承。这种轴承与油静压轴承比较其优点是容易保持硅片加工的洁净性。另外水的黏度远低于油，因此水轴承发热较小，适合于高速运转。1、液体静压轴承主轴一、精密机床主轴部件2024/3/132024/3/132、空气静压轴承主轴空气静压轴承是以压缩空气通过节流器进入轴承形成压力气膜来起支承作用的。其承载原理与液体静压轴承基本类同。目前的空气静压轴承回转误差已达到小于或等于20nm的水平。由于结构材料和制作工艺的改进使它成为当前较其他支承技术优越的高精度支承技术，在中小型超精密机床中得到广泛采用。一、精密机床主轴部件2024/3/132024/3/13三、空气静压轴承主轴2024/3/132、空气静压轴承主轴从现今的超精密加工技术水平来说，空气静压轴承是获得最高回转精度的支承形式。它在超精密加工中的广泛采用，其根本原因是它具有以下特点：由于采用空气介质，故可遵循误差平均化原理，以低的制造精度获取高的回转精度。通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出3〜5倍。由于空气介质黏度小，摩擦阻力小，因而产生的摩擦热少，转动惯性亦小，从而能获得高速下的运转平稳和高精度。国际上已成商品的高速空气轴承牙钻，转速达500000r/min，我国研制成功的超髙速精密空气主轴，转速达330000r/min，这种速度是滚动轴承与油滑轴承所望尘莫及的；实用的空气轴承回转精度为0.05um，国际上的回转精度已达到0.025um。2024/3/132、空气静压轴承主轴这种支承造成的发热和主轴热变形小。双半球或一球一半球空气静压轴承支承其回转中心仅仅取决于两球心的连线。采用适当的调整方式和结构，可以使轴线位置达到高精度。主轴的轴向跳动和径向跳动可达到10nm。无污染。经过过滤净化的空气作轴承介质可以避免液体静压轴承的污染。不腐蚀设备，不需要密封装置。可维护性和使用可靠性高。合理的设计可以克服空气静压轴承刚性不足的缺点，现空气静压轴承主轴已可承受2640N/um的切削力或载荷。2024/3/13为了改善空气静压轴承刚性不足的缺点，采用多孔材料制造空气静压轴承可提高轴承的刚度，改善供气系统状况。因为多孔材料轴承是通过无数小孔供气的，能够改善压力分布，在提高承载能力的同时，也改善空气流动的均匀性。例如德国慕尼黑大学采用了一种由微铜球烧结而成的多孔质材料来制造气浮垫，这种材料透气性好、加工性能好，磨削加工后其表面形成几十微米的硬质层，再用激光打孔技术在硬质层上打出小孔阵列。美国Wisconson-Madison大学开发的多孔质材料是用氧化铝和二氧化钛粉末通过特殊工艺制成的复合陶瓷材料。2、空气静压轴承主轴2024/3/13双半球空气轴承主轴前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。一、精密机床主轴部件2024/3/13前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴为进一步提髙前后轴承的同轴度，采用一端用球形轴承，另一端用圆柱径向轴承且轴套外面又加了半球状的空气轴承，使径向轴承的轴套能有一定程度的浮动，提高轴承的同轴度，从而提高主轴的回转精度。2024/3/13立式空气轴承对于大型超精密车床，空气轴承主轴常采用立式结构。其径向轴承制成圆弧面，可起到自动调心、提髙精度的作用。一、精密机床主轴部件2024/3/133、磁悬浮轴承简介磁悬浮轴承与润滑理论完全没有关系，它是利用磁铁的斥力或吸力使轴悬起的轴承。不受介质黏性的影响，在真空中也可照样工作，摩擦阻力可为零，是一种极有发展前途的轴承。磁悬浮轴承是利用能够主动控制的电磁吸力将轴（转子）悬浮于空间以实现稳定高速运转，同理，如果轴心固定，那么外壳（定子）将被悬浮起来。轴承悬浮系统由外壳、轴、电磁绕组以及主磁极组成，控制系统包括气隙传感器、控制器和功率放大器等基本件。一、精密机床主轴部件2024/3/13磁悬浮轴承结构原理示意图3、磁悬浮轴承简介2024/3/13三个电磁绕组分别通以大小不同的电流，产生大小不等、相互夹角成120°的电磁吸力。当三项磁力的合力与轴的重力和外加力达到平衡时，轴悬浮在三个磁极之间并与各磁极保持相等的气隙，一旦受到外界力的干扰，轴与三个主磁极间的气隙即发生变化。由于气隙传感器具有输出电流（或电压）大小与气隙的大小在一定范围内成近似正比例线性关系的特性，只要气隙变化，传感器即输出变化的电流，通过控制器与放大器的处理和放大作用，及时调整各电磁绕组的输入电流，从而改变各主磁极对轴的磁吸力，使磁吸力与重力和外加力重新达到平衡，变化的气隙亦均恢复到原来的大小，即轴被迅速调整回到原平衡时的悬浮位置。3、磁悬浮轴承简介2024/3/13为了提高轴的回转精度及改善悬浮系统的刚度，往往采用对称的多个主磁极结构。例如，两对四磁极、三对六磁极、四对八磁极以及六对十二磁极等结构形式在磁轴承领域均有使用。

为了克服或消除摩擦力的负面作用，国内外学者都在研究开发磁悬浮技术，磁悬浮轴承主轴在超精密设备中也越来越受到人们的重视，其精度也迅速得到提高。3、磁悬浮轴承简介2024/3/134、超精密机床主轴和轴承的材料1）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。2）不易生锈腐蚀。3）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。4）材料的稳定性好。

38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理，

不锈钢和多孔石墨和轴承钢。此外：铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。一、精密机床主轴部件2024/3/134、主轴的驱动方式1）电动机通过带传动驱动2）电动机通过柔性联轴器驱动3）采用内装式同轴电动机驱动一、精密机床主轴部件2024/3/13二、床身和精密导轨部件1、超精密机床的总体布局1)T形布局2）R－布局3）立式结构布局4）十字形滑板工作台布局2024/3/131、超精密机床的总体布局T形布局采用Z、X运动分离的结构，即主轴箱带动工件作纵向运动（Z向），横向运动（X向）由刀架滑板完成。Z向和X向运动导轨都放在机床床身上，形成T形布局，使两条导轨基本在同一高度上。这种结构有利于提高导轨的制造精度和运动精度，并且检测Z向、X向运动位置的双频激光测量系统可以装在固定不动的床身上，仅将测量位置用的反射镜装在Z、X方向的移动部件上。测量系统安装简单，且测量精度可大大提高。这种布局使机床整体刚度较高，控制也相对容易。现中小型超精密机床常采用这种总体布局。2024/3/131、超精密机床的总体布局还有一种T形总体布局，是机床主轴作x向运动，刀架滑板作z向运动。X向运动和Z向运动的导轨都做在机床的床身上。这种总体布局的优缺点和前一种T形总体布局差不多，但是实际生产中应用不如第一种T形总体布局多。大型超精密车床多制成这种T形结构。二、床身和精密导轨部件2024/3/131、超精密机床的总体布局十字形滑座结构机床的主轴箱位置固定，刀架装在十字形溜板上。Z方向和X方向的导轨都集中在工作台（或溜板）上，形成十字形滑座。图示为Moore公司坐标镗床和三坐标测量机所用的十字形滑座构成的X、Z双向工作台。十字形滑座构成的X、Z双向工作台X轴的双V导轨Y轴的双V导轨Z轴的双V导轨2024/3/131、超精密机床的总体布局十字形滑座结构这种结构布局中，十字形滑座的上下导轨，不仅要有很高的直线运动精度，而且要有非常严格的相互垂直度，对制造精度要求很高。另外采用双频激光干涉仪作Z、X方向运动的随机位置检测时，很不方便。但这种布局的主轴箱位置固定不动，主轴用带传动很方便，电动机可以有单独地基，有利于减少电动机振动对主轴的影响。二、床身和精密导轨部件2024/3/131、超精密机床的总体布局R-θ布局刀架滑板装在回转工作台上，改变刀座导轨的转角沒和半径只，可以加工非球曲面。图为美国UnionCarbide公司在1972年完成的R-θ车床。R-θ布局的车床结构比较复杂，加工、调整、计算与习惯用的不一致，因此用得不多。1-工件主轴；2-安装工件的夹具；3-切削工具；4-刀架；5空气隔振台罩；6-回转工作台；7-工件主轴驱动电动机二、床身和精密导轨部件2024/3/131、超精密机床的总体布局当加工的工件直径较大并且质量较大时，大型超精密机床多采用立式结构布局。为了保证超精密机床高的刚度要求，多采用龙门式。美国的LODTM大型超精密机床即是立式结构，它采用在线测量和误差补偿的措施来消除运动误差。二、床身和精密导轨部件2024/3/131、超精密机床的总体布局其它新型结构布局模块化、构件化是超精密机床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产的各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、二维和多维超精密运动控制平台和机床。模块化使机床布局更加灵活多变。二、床身和精密导轨部件2024/3/13日本SSi公司研制的超精密磨床，用于磨削超大硅片(直径400mm)，采用三角棱形五面体结构，提高了机床的刚度；因为传统的龙门式结构在重的加工负载下（超过300N)容易产生俯仰和偏摆的变形，造成硅片平面度、粗糙度误差以及表面微损坏增大。1、超精密机床的总体布局其它新型结构布局前立柱A前立柱B主平台机床底座辅助平台后立柱上平台直线执行机构二、床身和精密导轨部件2024/3/13美国Moore公司的Nanotech500FG自由曲面光学加工机床采用最优化模块式设计方法，Y轴利Z轴不是重叠放置形式，而是Y轴（垂直轴）处于Z轴轴承轨道中间，尽可能消除Z轴的滚转和俯仰误差的影响。当Y轴处于行程中间点时，旋转主轴的轴线处于两Z轴导轨系的水平平面上。为了消除重力影响，Y轴有一空气轴承的气压平衡缸系统。1、超精密机床的总体布局此外，一些针对特殊零件而设计的超精密加工机床，具有和通用机床完全不同的结构。由此可见，超精密机床的结构布局有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。2024/3/132、床身和导轨的材料

铸铁——成本低有良好减振性和耐磨性易于铸造和切削加工

导轨常用的铸铁——灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁灰铸铁应用最多的牌号是HT200

常用的孕育铸铁牌号是HT300，耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁与孕育铸铁相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本较高，常用于精密机床导轨优质耐磨铸铁2024/3/13花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。人造花岗岩由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。二、床身和精密导轨部件2024/3/13二、床身和精密导轨部件3、导轨分类导轨的作用和特点导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：1）工作速度低。2）导轨的工作部分既长又薄，刚度差，是机床最薄弱的环节之一。3）受力情况比较复杂，给计算带来困难。4）导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。2024/3/13导轨的基本要求（一）导向精度高1、导轨在水平面内和垂直面内的直线度2、导轨的平行度3、导轨间的垂直度（二）足够的刚度外力作用下导轨本身抵抗变形的能力二、床身和精密导轨部件3、导轨分类导轨的基本要求（三）精度保持性（耐磨性）好1、降低导轨面的比压；2、良好的防护与润滑；3、正确选择导轨副的材料和热处理；4、选择合理的加工方法。（四）运动的灵敏度是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。3、导轨分类2024/3/13根据超精密机床对导轨的要求，导轨需要有极高的制造精度，导轨的材料要有很高的稳定性和耐磨性，导轨的偶合面没有摩擦和磨损，同时还要求导轨的偶合面有很好的偶合形式。根据导轨面偶合形式的不同，超精密机床常用的导轨类型有以下几种：滑动导轨，滚动导轨，液体静压导轨，气浮导轨，空气静压导轨。机床导轨的结构有多种形式：燕尾形导轨、平面导轨、圆柱导轨、V-平面导轨，双V形导轨等。液体静压导轨和空气静压导轨多数采用平面导轨结构，V-平面导轨和双V形导轨结构多用于滑动导轨和滚动导轨。3、导轨分类二、床身和精密导轨部件2024/3/13按两导轨面间的摩擦性质分类1）滑动导轨两导轨面间是滑动摩擦。又可按两导轨面间的摩擦状态的不同而分为液体或气体静压导轨及流体动压导轨。2）滚动导轨两导轨面间是滚动摩擦。又可按中间滚动体的不同而分为：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨及滚动轴承导轨等。二、床身和精密导轨部件2024/3/13滑动导轨按导轨的截面形式分滑动导轨分两大类——凸形和凹形凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置二、床身和精密导轨部件2024/3/134、导轨的结构形式三角形导轨支承导轨为凸形时——山形导轨支承导轨为凹形时——V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘二、床身和精密导轨部件2024/3/134、导轨的结构形式矩形导轨矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差适用于载荷较大而导向性要求不高的机床矩形导轨二、床身和精密导轨部件2024/3/134、导轨的结构形式燕尾形导轨燕尾形导轨——结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂一般用作中、低速的多层导轨圆柱形导轨制造简单要求加工时就直接达到较高精度磨损后很难调整和补偿间隙圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合燕尾形导轨圆柱形导轨二、床身和精密导轨部件2024/3/134、导轨的结构形式双三角形组合导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性，很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难适用于精度要求较高的机床在载重偏离中央时，仍能保持良好导向，美国Moore公司生产的坐标镗床、坐标测量机采用双三角形导轨。二、床身和精密导轨部件2024/3/13具有较大的承载能力、制造调整比较简单导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作台导轨。双矩形组合4、导轨的结构形式二、床身和精密导轨部件2024/3/13导向性好、制造方便和刚度高应用最广泛如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、M1432A砂轮架导轨等。三角形－矩形组合4、导轨的结构形式二、床身和精密导轨部件2024/3/13两个燕尾平面同时起导向及压板作用不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等燕尾形组合4、导轨的结构形式二、床身和精密导轨部件2024/3/135、滚动导轨滚动导轨的优点滚动导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。特点：摩擦系数小（0.0025～0.005）静、动摩擦系数很接近运动轻便灵活；运动所需功率小；摩擦发热少；磨损小；精度保持性好(钢制淬硬导轨修理期间隔可达10～15年)

低速运动平稳性好，一般没有爬行现象二、床身和精密导轨部件2024/3/135、滚动导轨滚动导轨的优点

移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约0.1～0.2μm）。滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；维护方便（只需更换滚动体）；高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起二、床身和精密导轨部件2024/3/13滚动导轨的应用

需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床、仿形机床等。外圆磨床砂轮架为实现微量进给：工具磨床为手摇工作台轻便；立式车床为提高速度；平面磨床工作台导轨为防止高速移动时产生浮起，以提高加工精度；大型外圆磨床工作台导轨为了减轻阻力和减少发热等也采用滚动导轨。5、滚动导轨二、床身和精密导轨部件2024/3/13滚珠导轨滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小适用于载荷较小的机床二、床身和精密导轨部件5、滚动导轨2024/3/13滚柱导轨承载能力和刚度：都比滚珠导轨大应用：载荷较大的机床，应用最广泛对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。因此，滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大0.02mm左右。二、床身和精密导轨部件5、滚动导轨2024/3/132024/3/13再循环滚柱滚动组件二、床身和精密导轨部件5、滚动导轨2024/3/13再循环滚珠滚动组件二、床身和精密导轨部件5、滚动导轨2024/3/13滚动导轨的预紧

在滚动体与导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直线度及滚动体直径不一致误差的影响，使大多数滚动体均能参加工作。由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动导轨的预紧提高了导轨的精度和刚度。阻尼性能也有所增加，提高了导轨的抗振性。二、床身和精密导轨部件5、滚动导轨2024/3/136、液体静压导轨静压导轨特点工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨二、床身和精密导轨部件2024/3/136、液体静压导轨二、床身和精密导轨部件因为是完全流体润滑，油膜具有良好的润滑性和吸振性，因此静压导轨比其他滑动和滚动导轨寿命提高许多倍，甚至长期使用无磨损，且工作运动平稳，不会产生爬行现象，不但直线运动精度高，刚度和负荷容量也很大；所以现在很多超精密机床使用液体静压导轨。2024/3/137、气浮导轨和空气静压导轨气浮导轨常用平导轨，运动导轨的底平面和两侧导轨有压缩空气，使滑板或工作台浮起，工作台的浮起是气浮作用，但侧面是气体静压作用。美国Pneumo公司的MSG－325使用气浮导轨。二、床身和精密导轨部件2024/3/137、气浮导轨和空气静压导轨空气静压导轨运动件的导轨面，上下、左右均在静压空气的约束下，比气浮导轨的刚度和运动精度高,基本没有摩擦力。静压空气的节流方式：多孔石墨节流、小孔节流、毛细管节流、狭缝节流、表面节流。静压空气压力4～6大气压。二、床身和精密导轨部件2024/3/13空气静压导轨的优点是运动平稳、具有精确的直线度；与液体静压导轨相比，它不污染环境，没有振动和爬行现象，可以实现微细进给和精确定位，高速运动时温升很小，使用和加工都比较方便。但是运行间隙发生变化时，容易产生波动；另外刚度和承载能力比较低，一般用在超精密轻型切削机床中。目前来说，空气静压导轨的精度是最高的。目前空气静压导轨的直线度可达（0.1〜0.01um/100mm)。近年来，国内外学者从材料、结构和设计方法入手，改善节流方式，设计制造出新型空气导轨，使其承载能力、刚度以及稳定性得到很大提高。7、气浮导轨和空气静压导轨二、床身和精密导轨部件2024/3/13磁悬浮导轨磁悬浮导轨具有可在真空中使用的独特性能，在原理上可以达到很高精度，但当前技术不成熟。目前超精密机床用的导轨主要是采用高运动精度的空气静压导轨或者液体静压导轨。二、床身和精密导轨部件2024/3/13三、进给驱动系统在以亚微米级和纳米级精度工作的超精密机床中，驱动机构直接影响着直线导轨的性能，对于工作台的直线运动精度或使工作台正确定位起着主导作用。作为超精密加工机械用的进给机构，必须具备下列各项条件：不干扰或降低导轨的直线进给精度；进给速度均匀，进给平稳；定位精度高；可实现工作所需要的高速进给或微速进给;精度寿命和使用寿命高；维护、保养方便。驱动导轨的进给传动装置有：滚珠丝杠副传动装置；摩擦传动装置；螺旋（带丝杠螺母的液体静压或气体静压）传动装置（即静压丝杠副驱动）；磁浮丝杠传动装置；带液压缸的电液驱动装置；压电驱动装置等2024/3/131、精密数控系统

对超精密机床，刀具和工件的z向和x向运动以及加工非球曲面的精密回转工作台都是由精密数控系统进行控制的。要求精密数控系统有很高的分辨力，达到数控系统每脉冲在z向或x向的移动量为0.01μm。精密数控系统通过直流伺服电机或交流伺服电机，双频激光测量系统检测z向和x向的位移反馈给精密数控系统，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。三、进给驱动系统2024/3/13数控系统中伺服电机驱动机床的滑板或工作台的方式：滚珠丝杠副驱动：要求正反转没有回程间隙，要求加一定的预载过盈。液体静压和空气静压丝杠副驱动：制造复杂，没有广泛使用。摩擦驱动：平稳性和精度更高，优于滚珠丝杠副驱动。2024/3/132、滚珠丝杠副驱动摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。具有高刚度、快速、易于润滑、跟随灵敏、对周边环境适应性强等特点，而得到广泛应用，特别是在重载和高速的超精密机床中。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，要求滚珠丝杠和螺母间有一定的预载过盈。三、进给驱动系统三、进给驱动系统3、液体静压和空气静压丝杠副驱动静压丝杠副包括液体静压丝杠副和空气静压丝杠副，两者的结构极为相似，只是前者为用油压，油的间隙大些，后者都用压缩空气，空气间隙稍小些。提高进给运动的平稳性。三、进给驱动系统4、摩擦驱动进一步提高导轨运动的平稳性和精度，优于滚珠丝杠副的驱动。摩擦传动装置具有运动平稳、无反向间隙等特点。结构比较简单，因而弹性变形因素大为减少，一直被认为是一种非常适合超精密机床的传动系统。一般的摩擦驱动机构的结构和齿轮齿条相似，可以把电动机的回转运动直接转换为直线运动。1，2—滚轮；3—驱动件；4一执行机构2024/3/13CUPE的精密加工中心机床和OAGM26超精密机床都使用了摩擦驱动结构CUPE公司的高精密摩擦驱动单元三、进给驱动系统4、摩擦驱动2024/3/13磁浮丝杠传动的工作原理是丝杠（涂有稀土金属磁性混合物)和螺母与电磁绕组相互作用。由于在丝杠旋转时磁阻变化，故引起轴向力，驱动导轨运动。使用带液压缸的电液驱动装置时，运动力是借助活塞杆端与刀架柔性关节的连接传给工作机构（刀架）的。在这种情况下，.实际上完全可排除力作用在垂直刀架运动方向的平面内。此外，在电液传动装置内，无论供入多么少量的液体，均可有相对应的一定的移动值。在这种传动装置内，当工作机构的运动方向改变时无不敏感性的区域。三、进给驱动系统5、磁浮丝杠传动6、电液驱动装置

金刚石加工非球面镜超精密车床的液压刀架1—CNC;2—额定变换器；3—相干辐射源；4—激光干涉仪；5—活塞杆；6—活塞；7—刀架体；8—刀夹；9—刀具；10,11—液压腔；12—电液变换器；13—液压气动蓄能器；14—步进电动机定值器；15—传感器；16—泵；17—直流电动机；18—电驱动装置2024/3/13四、微量进给装置1、微量进给装置的应用1）实现微量进给；2）实现超薄切削；3）在线误差补偿；4）用于切削加工非轴对称特殊型面。微量进给装置具有微量移动或微量转动及微量进给等功用。目前微进给机构已能达到的分辨率为0.001〜0.01um，这对实现超薄切削、达到高精度尺寸加工、实现在线误差补偿十分重要，已成为超精密机床的一个重要而且关键的功能部件。2024/3/13在超精密车床中，高精度微量进给装置上常常夹固着金刚石刀具，用于刀具微量调整,要求实现精确、稳定、可靠的微位移（有时还要求实现快速微位移），以保证达到亚微米级的加工精度和纳米级的位移分辨率。因此一个好的超精密微量进给装置应满足下列设计要求。四、微量进给装置2、对微量进给装置的要求四、微量进给装置2、对微量进给装置的要求1）精微进给和粗进给应分开,以提高微位移的精度,分辨力和稳定性；2）运动部分必须是低摩擦和高稳定度的,以实现更高的重复精度；3）末级传动元件必须具有很高的刚度,即夹金刚石刀具处必须是高刚度的；4）微量进给机构内部联接必须是可靠联接,否则重复精度很难实现；5）工艺性好，容易制造；6）微量进给机构具有好的动特性；7）微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。2024/3/13微量进给装置有多种结构形式和工作原理，大致如下：1、机械传动或液压传动式2、弹性变形式3、热变形式4、流体魔变形式5、磁致伸缩式6、电致伸缩式四、微量进给装置3、机械结构弹性变形微量进给装置2024/3/13四、微量进给装置3、机械结构弹性变形微量进给装置四、微量进给装置4、压电和电致伸缩传感器进给装置压电和电致伸缩传感器