1、Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining第四讲第四讲 （超）精密切削机床（超）精密切削机床研究和发展的重点集中在超精密机床的设计、制造、控制、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检测和工艺实验等方面:1)1)超精密机床设计理论与方法超精密机床设计理论与方法(1)(1)超精密机床系统建模及优化设计理论与方法超精密机床系统建模及优化设计理论与方法;(2)(2)超精密机床的多尺度、多层次耦合特性分析及模型解析超精密机床的多尺度、多层次耦合特性分析及模型解
2、析;(3)(3)超精密机床精度设计理论与多因素影响机制超精密机床精度设计理论与多因素影响机制;(4)(4)超精密机床环境设计理论与方法超精密机床环境设计理论与方法2)2)控制系统设计与智能化方法控制系统设计与智能化方法(1)(1)超精密机床运动系统控制理论与方法超精密机床运动系统控制理论与方法;(2)(2)超精密机床的运动轨迹优化理论与方法超精密机床的运动轨迹优化理论与方法;(3)(3)超精密机床性能在线观测与智能化技术超精密机床性能在线观测与智能化技术;(4)(4)超精密机床复杂系统多因素耦合最优控制技术超精密机床复杂系统多因素耦合最优控制技术;(5)(5)超精密机床动态复合误差实时补偿技术
3、超精密机床动态复合误差实时补偿技术Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining3)3)基础部件制造与集成基础部件制造与集成(1)(1)高精度、高速、智能化运动部件的系统化设计方法高精度、高速、智能化运动部件的系统化设计方法;(2)(2)高阻尼、高刚度、高精度运动部件设计理论与方法高阻尼、高刚度、高精度运动部件设计理论与方法;(3)(3)智能化刀具系统的设计理论与方法智能化刀具系统的设计理论与方法;(4)(4)超精密环境控制部件的集成化设计方法超精密环境控制部件的集成化设计方法4)4)超精
4、密机床检测理论与方法超精密机床检测理论与方法(1)(1)超精密机床的多性能检测理论与方法超精密机床的多性能检测理论与方法;(2)(2)面向功能需求化的检测技术标准面向功能需求化的检测技术标准;(3)(3)复杂物理场下多因素检测理论与方法复杂物理场下多因素检测理论与方法Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining一、一、超精密机床的分类二、二、对超精密机床的基本要求对超精密机床的基本要求高精度高精度：包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度
5、、定位精度和重复定位精度、分辨度、定位精度和重复定位精度、分辨 率等，如主轴回转精率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等。度、导轨运动精度、分度精度等。高刚度高刚度：包括静刚度、动刚度和热刚度，同时还应考虑由工包括静刚度、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。件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度及接触刚度。髙稳定性髙稳定性：要求设备能经得起运输、存储考验，在使用过程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、抗中应能长时间保持高精度，抗干扰、抗 振动，有良好的耐振动，有良好的耐磨性，稳定工作。磨性，稳定工作
6、。高自动化高自动化：为了保证加工质量，减少人为因素影响，设备应为了保证加工质量，减少人为因素影响，设备应用数控系统实现自动化。用数控系统实现自动化。精密机床是实现精密加工的首要基础条件。精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1 1）美国：）美国：5050年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，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；并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983198319841984研制研制成功大型超精密金刚石车床成功大型超精密金刚石车床DTMDTM3 3型和型和LODTMLODTM大型超精密车床。大型超精密车床。2 2）英国：）
7、英国：19911991年研制成功大型超精密机床年研制成功大型超精密机床OAGM2500OAGM2500。3 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）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。势，甚至超过了美国。4 4）中国：）中国：JCSJCS027027超精密车床、超精密车床、JCSJCS031031超精密铣床、超精密铣床、JCSJCS035035超精密车床等。超精密车床等。三、超精密加工典型机床简介三、超精密加工典型机床简介超精密超精密金刚石镜面切削机床金刚石镜面切削机床飞刀切削飞刀切削三、典型机床简介三、典型机床简介Union Carbide
8、Union Carbide 公司公司的半球机床的半球机床能加工直径能加工直径100mm100mm的半球，达到尺寸精的半球，达到尺寸精度正负度正负0.60.6mm，表面粗糙度，表面粗糙度0.0250.025mm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成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，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。以提高主轴的回转精度。三、典型机床简介三、典型机床简介Moore Moore 车床车床由由Moore3Moore3型坐标测量机改造型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐而
9、成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。施，加强恒温控制等。M-18AGM-18AG型超精密非球面车床，型超精密非球面车床，基本结构同基本结构同Moore3Moore3，采用空，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。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三、典型机床简介三、典型机床简介Pneumo Pneumo 公司的公司的MSG-325MSG-325超
10、精密车床超精密车床 采用采用T T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于跳动均小于等于0.05m0.05m。床身溜板用花岗岩制造，导。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轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01m0.01m的的双坐标精密数控系统驱动，用双坐标精密数控系统驱动，用HP5501AHP5501A双频激光干涉仪双频激光干涉仪精密检测位移。精密检测位移。三、典型机床简介三、典型机床简介DTM-3DTM-3大型超精密车床大型超精密车床 采用精密数控伺服方采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式式，控制部分为内
11、装式CNCCNC装置和激光干涉测长装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在仪，精确测量定位，在DCDC伺服机构内装有压电伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米微位移机构，实现纳米级微位移。级微位移。三、典型机床简介三、典型机床简介大型光学金刚石车床大型光学金刚石车床LODTMLODTM 机床采用立式结构，采用止机床采用立式结构，采用止推轴承，推轴承，7 7路高分辨力双频激光路高分辨力双频激光测量系统，测量系统，4 4路激光检测横梁上路激光检测横梁上溜板的运动，溜板的运动，3 3路激光检测刀架路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大和误差补偿，各
12、发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机地基周围有防振沟，且整个机床用床用4 4个大空气弹簧支承。个大空气弹簧支承。三、典型机床简介三、典型机床简介OAGM 2500OAGM 2500大型超精密机床大型超精密机床机床的机床的x x和和y y向导轨采用液向导轨采用液体静压，体静压，z z向的磨轴头和向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。测量系统检测运动位置。三、典型机床简介三、典型机床简介AHNIOAHNIO型高效专用车
13、削、磨削超精密机床型高效专用车削、磨削超精密机床有一个有一个x x和和y y向调整的刀向调整的刀架及作架及作B B轴转动的高精度轴转动的高精度转台，借助三轴精密数转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和控，加工平面、球面和非球曲面。非球曲面。采用空气轴承，刀架设采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动计滑板结构，直线移动分辨力分辨力0.01m0.01m，激光测，激光测量反馈，定位精度全行量反馈，定位精度全行程程0.03m0.03m。加工模具形状精度加工模具形状精度0.050.05mm，表面粗糙度，表面粗糙度0.025m0.025m四、四、超精密机床的发展趋势超精密机床的发展趋势随着光机电一体化
14、技术的发展，超精密机床得到迅速发展。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，入亚微米级及纳米级加工，反映了科学技术的发展水平反映了科学技术的发展水平&可以可以想像，超精密加工不仅用在地球上，甚至会出现在太空站上。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随着高新技术的微电子产品市场越来越扩大，要求
15、超精密机要求超精密机床向高效率方向发展。从床向高效率方向发展。从加工加工性质上来说，超精密加工最适性质上来说，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。开发外界干扰，保证加工质量。开发CNCCNC超精密机床，采用适应控超精密机床，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动化、无人化加工是超精密加工发展的一个重要 趋势。趋势。四、四、超精密机床的发展趋势超精密机床的发展趋势向多功能模
16、块化和廉价化发展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，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，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。有效方法。采用计算机补偿技术提高加工精度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随着机
17、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精度的一种经济有效的方法。四、四、超精密机床的发展趋势超精密机床的发展趋势加工计量一体化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，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，使加工与计即可作计量装置使用，使加工与计 量相结合，边加量相结合，边加工边测量边控制，在监控条件下加工不
18、仅保证加工工边测量边控制，在监控条件下加工不仅保证加工精度还可提高经济效益。精度还可提高经济效益。把加工技术、测量技术和把加工技术、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机床的典型发展 趋势。趋势。超精密加工对机床的基本要求：超精密加工对机床的基本要求：高精度高精度 高刚度高刚度 高稳定性高稳定性 高自动化高自动化所以对机床各重要部件性能有严格的要求。所以对机床各重要部件性能有严格的要求。超精密机床超精密机床关键部件关键部件精密主精密主轴部件轴部件 床身布局和床身布局和导轨部件导轨部件精密数精密数控系统控系统微位移系统微
19、位移系统误差检测误差检测与补偿与补偿l机床结构设计机床结构设计l机床结构动力学分析机床结构动力学分析l床身材料的选择床身材料的选择l机床的动态优化设计机床的动态优化设计主轴主轴单元单元进给驱动进给驱动单元单元l刀具的选择刀具的选择l夹具的设计夹具的设计l控制系统的选择控制系统的选择l传感器的选择传感器的选择l主轴的非线性动力学分析主轴的非线性动力学分析l主轴及轴承的静动态特性主轴及轴承的静动态特性分析分析l温度及热变形对主轴静动温度及热变形对主轴静动态影响态影响l进给系统的动力学分析进给系统的动力学分析l大行程微进给机构的研究大行程微进给机构的研究l空气静压导轨的动静压分析空气静压导轨的动静压
20、分析l检测对象的选择检测对象的选择l检测方法的选择检测方法的选择l检测设备的选择检测设备的选择l主动控制策略的研究主动控制策略的研究超精密加工机床超精密加工机床机床结构机床结构驱动系统驱动系统刀具和夹具系刀具和夹具系统统检测控制系统检测控制系统控制和传感器系控制和传感器系统统对超精密主轴的基本要求对超精密主轴的基本要求静态和动态回转精度高，振摆小。静态和动态回转精度高，振摆小。精度寿命长。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。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。应具有与使用条件相
21、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。发热少而且热平衡的性能好。维护、保养方便。维护、保养方便。主轴回转精度主轴回转精度 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、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。端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素影响回转精度的因素 （1 1）轴承精度和间隙的影响。）轴承精度和间隙的影响。（2 2）主轴、支承座等零件中精度的影响。）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承：关键在于精密轴承：液体静压轴承
22、液体静压轴承 空气静压轴承空气静压轴承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力作用。1、液体静压轴承主轴、液体静压轴承主轴液体静压轴承具有承液体静压轴承具有承裁能力大、阻尼大、裁能力大
23、、阻尼大、动刚度好的优点动刚度好的优点1、液体静压轴承主轴、液体静压轴承主轴液体静压轴承一般使用的液体油黏度较高（为空气的液体静压轴承一般使用的液体油黏度较高（为空气的500050001000010000倍），供给的压力大，一般为倍），供给的压力大，一般为3 34 4MPaMPa。由于油膜较厚，。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（到亚微米级（0.1um0.1um)。轴承的内表面设有油腔，刚度和负荷容。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。如美国量大，一般用于大型超精密机
24、床。如美国LLNLLLNL实验室的实验室的DTMDTM-3-3型型大型超精密机床，其主轴的径向轴承就采用液体静压轴承。大型超精密机床，其主轴的径向轴承就采用液体静压轴承。1 1）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，）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。影响主轴精度。2 2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在）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。油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。解决措施：解决措施：1 1）提高静压油的压力到）提高静压油的压力到6 68MPa8MPa，使油中微小气泡的影响，使油中
25、微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。减小，提高静压轴承的刚度和动特性。2 2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。的温升。3 3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。液体静压轴承的缺点液体静压轴承的缺点1、液体静压轴承主轴、液体静压轴承主轴油温控制以及油油温控制以及油泵振动要求较高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，例如日本功，例如日本SSiSSi公司研制的三角棱形立式结构公司研制的三角棱形立式结构的超精密磨床中采用了
26、去离子水静压轴承。这种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。承发热较小，适合于高速运转。1、液体静压轴承主轴、液体静压轴承主轴2、空气静压轴承主轴、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空气静压轴承是以压缩空气通过节流器进入入轴承形成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承基本
27、类同。目前的空气静压轴承回转误差已达到小于或等于于或等于2020nmnm的水平。由于结构材料和制作工艺的改的水平。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术，在中小型超精密机床中得到广泛采用。三、空气静压轴承主轴三、空气静压轴承主轴2、空气静压轴承主轴、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
28、原因是它具有以下特点原因是它具有以下特点：u由于采用空气介质，故可遵循误差平均化原理，以低的制由于采用空气介质，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。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通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出工的圆度精度要高出3 35 5倍。倍。u由于空气介质黏度小，摩擦阻力小，因而产生的摩擦热少，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。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，转速达国际上已成商品的高速空气轴承牙钻，转速达50000
29、0500000r/min，我国研制成功的超髙速精密空气主轴，转速达我国研制成功的超髙速精密空气主轴，转速达330000330000r/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轴承回转精度为0.05u0.05um，国际上的回转精度已达到国际上的回转精度已达到0.025um0.025um。2、空气静压轴承主轴、空气静压轴承主轴u这种支承造成的发热和主轴热变形小。这种支承造成的发热和主轴热变形小。u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。
30、采用决于两球心的连线。采用适当的调整方式和结构，可以使轴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线位置达到高精度。主轴的轴向跳动和径向跳动可达到10nm10nm。u无污染。经过过滤净化的空气作轴承介质可以避免液体静无污染。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。压轴承的污染。不腐蚀设备，不需要密封装置。u可维护性和使用可靠性高。可维护性和使用可靠性高。u合理的设计可以克服合理的设计可以克服空气静压轴承刚性不足空气静压轴承刚性不足的缺点，现空的缺点，现空气静压轴承主轴已可承受气静压轴承主轴已可承受26402640N
31、 N/um/um的切削力或载荷。的切削力或载荷。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，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在提高承载能力的同时，也改善空气流动的均匀性。例如德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
32、性能好，磨削加工后制造气浮垫，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。美国上打出小孔阵列。美国W Wisconson-Madisonisconson-Madison大学开发的多孔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。陶瓷材料。2、空气静压轴承主轴、空气静压轴承主轴双半球空气轴承主轴双半球空气轴承主轴前后轴承均采用前后轴承均采用半球状，既是径半球状，既是径向轴承又是轴向向轴承又是轴向轴承。
33、由于轴承轴承。由于轴承的气浮面是球面，的气浮面是球面，有自动调心作用，有自动调心作用，可提高前后轴承可提高前后轴承的同心度，提高的同心度，提高主轴的回转精度。主轴的回转精度。前部用球形后部用圆柱前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴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，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。同轴度，从而提高主
34、轴的回转精度。立式空气轴承立式空气轴承对于大型超精密车对于大型超精密车床，空气轴承主轴床，空气轴承主轴常采用立式结构。常采用立式结构。其径向轴承制成圆其径向轴承制成圆弧面，可起到自动弧面，可起到自动调心、提髙精度的调心、提髙精度的作用。作用。3 3、磁悬浮轴承简介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。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
35、轴承是利用能够主动控制的电磁吸力将轴（转子磁悬浮轴承是利用能够主动控制的电磁吸力将轴（转子）悬悬浮于空间以实现稳定高速运转浮于空间以实现稳定高速运转，同理，如果轴心固定，那么同理，如果轴心固定，那么外壳（定子外壳（定子）将被悬浮起来。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。系统包括气隙传感器、控制器和功率放大器等基本件。磁悬浮轴承结构原理示意图磁悬浮轴承结构原理示意图3 3、磁悬浮轴承简介磁悬浮轴承简介三个电磁绕组分别通以大小不同的电流，产生大小不等、相三个电磁绕组分别
36、通以大小不同的电流，产生大小不等、相互夹角成互夹角成120120的电磁吸力。当三项磁力的合力与轴的重力和的电磁吸力。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相等的气隙，一旦受到外界力的干扰，轴与三个主磁极间的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）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，
37、通过控制器性，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。轴被迅速调整回到原平衡时的悬浮位置。3 3、磁悬浮轴承简介磁悬浮轴承简介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
38、极结构。例如，两对四磁极、三对六磁极、四对八的多个主磁极结构。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。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。们的重视，其精度也迅速得到提高。3 3、磁悬浮轴承简介磁悬浮轴承简介4、超精密机床主轴和轴承的材料、超精密机床主轴和轴承的材料1 1）不易磨损。用多孔
39、石墨作空气轴承套。）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。2 2）不易生锈腐蚀。）不易生锈腐蚀。3 3）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。4 4）材料的稳定性好。）材料的稳定性好。38CrMoAl38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理，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。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。此外：铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。4、主轴的驱动方式、主轴的驱动方式1 1）电动机通过带传动驱动）电动机通过带传动驱动2 2）电动机通过柔性联轴器驱动）电动机通过柔性联轴器驱
40、动3 3）采用内装式同轴电动机驱动）采用内装式同轴电动机驱动1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局1)T1)T形布局形布局2 2）R R 布局布局3 3）立式结构布局）立式结构布局4 4）十字形滑板工作台布局）十字形滑板工作台布局1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局T T形布局采用采用Z Z、X X运动分离的结构，即主轴运动分离的结构，即主轴箱带动工件作纵向运动（箱带动工件作纵向运动（Z Z向），横向），横向运动（向运动（X X向）由刀架滑板完成。向）由刀架滑板完成。Z Z向和向和X X向运动导轨都放在机床床身上，向运动导轨都放在机床床身上，形成形成T T形布局，使两条导轨基
41、本在同形布局，使两条导轨基本在同一高度上。一高度上。这种这种结构有利于提高导结构有利于提高导轨的制造精度和运动精度，并且检轨的制造精度和运动精度，并且检测测Z Z向、向、X X向运动位置的双频激光测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，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仅将测量位置用的反射镜装在Z Z、X X方向的移动部件上。测量系统安装方向的移动部件上。测量系统安装简单，且测量精度可大大提高。简单，且测量精度可大大提高。这这种布局使机床整体刚度较高，控制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也相对容易。现中小型超精密机床常采用这种
42、总体布局。常采用这种总体布局。1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局还有一种还有一种T T形总体布局，是机形总体布局，是机床主轴作床主轴作x x向运动，刀架滑板向运动，刀架滑板作作z z向运动。向运动。X X向运动和向运动和Z Z向运向运动的导轨都做在机床的床身上。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这种总体布局的优缺点和前一种种T T形总体布局差不多，但是形总体布局差不多，但是实际生产中应用不如第一种实际生产中应用不如第一种T T形总体布局多。形总体布局多。大型超精密车大型超精密车床多制成这种床多制成这种T T形结构。形结构。1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总
43、体布局十字形滑座结构十字形滑座结构机床的主轴箱位置固定，机床的主轴箱位置固定，刀架装在十字形溜板上。刀架装在十字形溜板上。Z Z方向和方向和X X方向的导轨都方向的导轨都集中在工作台（或溜板）集中在工作台（或溜板）上，形成十字形滑座。上，形成十字形滑座。图示为图示为MooreMoore公司坐标镗公司坐标镗床和三坐标测量机所用床和三坐标测量机所用的十字形滑座构成的的十字形滑座构成的X X、Z Z双向工作台。双向工作台。十字形滑座构成的十字形滑座构成的X X、Z Z双向工作台双向工作台X X轴的双轴的双V V导轨导轨Y Y轴的双轴的双V V导轨导轨Z Z轴的双轴的双V V导轨导轨1、超精密机床的总
44、体布局、超精密机床的总体布局十字形滑座结构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度要求很高。另外采用双频激光干涉仪作Z Z、X X方向运动的随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，有利于减少电动减少电动
45、机振动对主轴的影响。机振动对主轴的影响。1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局R-R-布局布局刀架滑板装在回转工作台上，改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，变刀座导轨的转角沒和半径只，可以加工非球曲面。图为美国可以加工非球曲面。图为美国Union CarbideUnion Carbide公司在公司在19721972年完年完成的成的R R-车床。车床。R R-布局的车床布局的车床结构比较复杂，加工、调整、计结构比较复杂，加工、调整、计算与习惯用的不一致，因此用得算与习惯用的不一致，因此用得不多。不多。1 1-工件主轴；工件主轴；2-2-安装工件的夹具；安装工件的夹具
46、；3-3-切切削削工具；工具；4 4-刀架；刀架；5 5空气隔振台罩；空气隔振台罩；6-6-回转工作台；回转工作台；7 7-工件主轴驱动电动机工件主轴驱动电动机1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局当加工的工件直径较大并且质当加工的工件直径较大并且质量较大时，大型超精密机床多量较大时，大型超精密机床多采用立式结构布局。为了保证采用立式结构布局。为了保证超精密机床高的刚度要求，多超精密机床高的刚度要求，多采用龙门式。美国的采用龙门式。美国的LODTMLODTM大型大型超精密机床即是立式结构，它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采用在线测量和误差补偿的措施来消除运动误差。
47、施来消除运动误差。1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局其其它它新型结构布局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，模块化、构件化是超精密机床进入市场的重要技术手段，如美国如美国ANORADANORAD公司生产的各种主轴、导轨和转台，用户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。制平台和机床。模块化使机床布局更加灵活多变。模块化使机床布局更加灵活多变。日本日本SSiSSi公司研制的超公司研制的超精密磨床，用于磨削超精密磨床，用于磨削超大硅片大硅片(直径直径400
48、400mmmm)，采用三角棱形五面体结采用三角棱形五面体结构，提高了机床的刚度；构，提高了机床的刚度；因为传统的龙门式结构因为传统的龙门式结构在重的加工负载下（超在重的加工负载下（超过过300300N N)容易产生俯仰容易产生俯仰和偏摆的变形，造成硅和偏摆的变形，造成硅片平面度、粗糙度误差片平面度、粗糙度误差以及表面微损坏增大。以及表面微损坏增大。1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局其其它它新型结构布局新型结构布局前立柱前立柱A A前立柱前立柱B B主平台主平台机床底座机床底座辅助平台辅助平台后立柱后立柱上平台上平台直线执行机构直线执行机构美国美国MooreMoore公司的公司的Na
49、notechNanotech 500500FGFG自由曲面光学加工机床自由曲面光学加工机床采用最优化模块式设计方法，采用最优化模块式设计方法，Y Y轴利轴利Z Z轴不是重叠放置形式，轴不是重叠放置形式，而是而是Y Y轴（垂直轴）处于轴（垂直轴）处于Z Z轴轴轴承轨道中间，尽可能消除轴承轨道中间，尽可能消除Z Z轴的滚转和俯仰误差的影响。轴的滚转和俯仰误差的影响。当当Y Y轴处于行程中间点时，旋轴处于行程中间点时，旋转主轴的轴线处于两转主轴的轴线处于两Z Z轴导轨轴导轨系的水平平面上。为了消除系的水平平面上。为了消除重力影响，重力影响，Y Y轴有一空气轴承轴有一空气轴承的气压平衡缸系统。的气压平
50、衡缸系统。1、超精密机床的总体布局、超精密机床的总体布局此外，一些针对特殊零件而设计的此外，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，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。需要特殊的设计考虑和设计手段。2、床身和导轨的材料、床身和导轨的材料 铸铁铸铁成本低成本低 有良好减振性和耐磨性有良好减振性和耐磨性 易于铸造和切削加工易于铸造和切削加工 导轨常用的铸铁导轨常用的铸铁灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁 灰铸铁应用最多的
