精密加工與特種加工Precisionandultraprecisionmachining第四講（超）精密切削機床（超）精密加工與特種加工研究和發展的重點集中在超精密機床的設計、制造、控制、檢測和工藝實驗等方面:1)超精密機床設計理論與方法．

(1)超精密機床系統建模及優化設計理論與方法;(2)超精密機床的多尺度、多層次耦合特性分析及模型解析;(3)超精密機床精度設計理論與多因素影響機制;(4)超精密機床環境設計理論與方法．

2)控制系統設計與智能化方法．

(1)超精密機床運動系統控制理論與方法;

(2)超精密機床的運動軌跡優化理論與方法;(3)超精密機床性能在線觀測與智能化技術;(4)超精密機床復雜系統多因素耦合最優控制技術;

(5)超精密機床動態復合誤差實時補償技術．Precisionandultraprecisionmachining

3)基礎部件制造與集成．

(1)高精度、高速、智能化運動部件的系統化設計方法;(2)高阻尼、高剛度、高精度運動部件設計理論與方法;(3)智能化刀具系統的設計理論與方法;(4)超精密環境控制部件的集成化設計方法．

4)超精密機床檢測理論與方法．

(1)超精密機床的多性能檢測理論與方法;

(2)面向功能需求化的檢測技術標準;(3)復雜物理場下多因素檢測理論與方法．Precisionandultraprecisionmachining2023/2/51超精密機床概述

2精密主軸部件

3床身和精密導軌部件

4進給驅動系統

5微量進給裝置

6機床的穩定性和減振隔振

7減少變形和恒溫控制

精密和超精密加工的機床2023/2/5精密和超精密加工機床概述一、超精密機床的分類2023/2/5精密和超精密加工機床概述二、對超精密機床的基本要求高精度：包括高的靜精度和動精度。主要性能指標有幾何精度、定位精度和重復定位精度、分辨率等，如主軸回轉精度、導軌運動精度、分度精度等。高剛度：包括靜剛度、動剛度和熱剛度，同時還應考慮由工件、機床、刀具、夾具所組成的工藝系統剛度及接觸剛度。髙穩定性：要求設備能經得起運輸、存儲考驗，在使用過程中應能長時間保持高精度，抗干擾、抗振動，有良好的耐磨性，穩定工作。高自動化：為了保證加工質量，減少人為因素影響，設備應用數控系統實現自動化。2023/2/5

精密機床是實現精密加工的首要基礎條件。1）美國：50年代首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，并發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床；1983～1984研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型和LODTM大型超精密車床。2）英國：1991年研制成功大型超精密機床OAGM2500。3）日本：現在在中小型超精密機床生產上已經具有一定的優勢，甚至超過了美國。4）中國：JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床等。

三、超精密加工典型機床簡介精密和超精密加工機床概述超精密金剛石鏡面切削機床飛刀切削2023/2/5三、典型機床簡介UnionCarbide公司的半球機床能加工直徑100mm的半球，達到尺寸精度正負0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空氣軸承主軸采用多孔石墨制成軸襯，徑向空氣軸承的外套可以調整自動定心，可提高前后軸承的同心度，以提高主軸的回轉精度。精密和超精密加工機床概述2023/2/5三、典型機床簡介Moore車床由Moore3型坐標測量機改造而成。采用臥式主軸，三坐標精密數控，消振和防振措施，加強恒溫控制等。M-18AG型超精密非球面車床，基本結構同Moore3，采用空氣靜壓軸承主軸、氣浮導軌、雙坐標雙頻激光測量系統、優質鑄鐵床身，有恒溫油澆淋機和空氣隔振墊支承。Moore金剛石車床回轉工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機空氣墊刀具夾持器2023/2/5三、典型機床簡介Pneumo公司的MSG-325超精密車床

采用T形布局，機床空氣主軸的徑向圓跳動和軸向跳動均小于等于0.05μm。床身溜板用花崗巖制造，導軌為氣浮導軌；機床用滾珠絲杠和分辨率為0.01μm的雙坐標精密數控系統驅動，用HP5501A雙頻激光干涉儀精密檢測位移。2023/2/5三、典型機床簡介DTM-3大型超精密車床

采用精密數控伺服方式，控制部分為內裝式CNC裝置和激光干涉測長儀，精確測量定位，在DC伺服機構內裝有壓電微位移機構，實現納米級微位移。精密和超精密加工的機床概述2023/2/5三、典型機床簡介大型光學金剛石車床LODTM

機床采用立式結構，采用止推軸承，7路高分辨力雙頻激光測量系統，4路激光檢測橫梁上溜板的運動，3路激光檢測刀架上下運動位置，使用在線測量和誤差補償，各發熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個機床用4個大空氣彈簧支承。精密和超精密加工的機床概述2023/2/5三、典型機床簡介OAGM2500大型超精密機床機床的x和y向導軌采用液體靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結構，用精密數控驅動，雙頻激光測量系統檢測運動位置。精密和超精密加工的機床概述2023/2/5三、典型機床簡介AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床有一個x和y向調整的刀架及作B軸轉動的高精度轉臺，借助三軸精密數控，加工平面、球面和非球曲面。采用空氣軸承，刀架設計滑板結構，直線移動分辨力0.01μm，激光測量反饋，定位精度全行程0.03μm。加工模具形狀精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm2023/2/5四、超精密機床的發展趨勢精密和超精密加工機床概述隨著光機電一體化技術的發展，超精密機床得到迅速發展。向更高精度、大型多功能的方向發展在尖端技術和產品的需求下，加工精度向加工極限沖刺，進入亞微米級及納米級加工，反映了科學技術的發展水平&可以想像，超精密加工不僅用在地球上，甚至會出現在太空站上。向高效和自動化的方向發展隨著高新技術的微電子產品市場越來越擴大，要求超精密機床向高效率方向發展。從加工性質上來說，超精密加工最適宜采用自動化、無人化加工方式。這樣可以最大限度地減少外界干擾，保證加工質量。開發CNC超精密機床，采用適應控制技術，清除加工中和加工環境中人為因素的影響，實現自動化、無人化加工是超精密加工發展的一個重要趨勢。2023/2/52023/2/5四、超精密機床的發展趨勢精密和超精密加工機床概述向多功能模塊化和廉價化發展采用模塊式結構可使機床具有更大的柔性和更高的利用率，利用不同的超精密機床元部件，組成各種類型的超精密機床，用戶可根據需要提出要求，以較低的價格、較短的時間獲得所需的單功能超精密機床。這是降低成本、縮短制造周期的有效方法。采用計算機補償技術提高加工精度隨著機床本身精度的不斷提高，單靠提高基準元件的精度來提高超精密加工機床精度的效果是有限的，而且其成本費用劇增。采用計算機技術進行綜合誤差補償是提高加工和測量精度的一種經濟有效的方法。2023/2/52023/2/52023/2/5四、超精密機床的發展趨勢精密和超精密加工機床概述加工計量一體化在超精密機床上配置適當的儀器或采取一定的措施，即可作計量裝置使用，使加工與計量相結合，邊加工邊測量邊控制，在監控條件下加工不僅保證加工精度還可提高經濟效益。把加工技術、測量技術和控制技術有機地結合成為一體的加工系統是超精密機床的典型發展趨勢。超精密加工對機床的基本要求：⑴高精度⑵高剛度⑶高穩定性⑷高自動化所以對機床各重要部件性能有嚴格的要求。超精密切削機床關鍵部件機床結構設計機床結構動力學分析床身材料的選擇機床的動態優化設計主軸單元進給驅動單元刀具的選擇夾具的設計控制系統的選擇傳感器的選擇主軸的非線性動力學分析主軸及軸承的靜動態特性分析溫度及熱變形對主軸靜動態影響進給系統的動力學分析大行程微進給機構的研究空氣靜壓導軌的動靜壓分析檢測對象的選擇檢測方法的選擇檢測設備的選擇主動控制策略的研究超精密加工機床機床結構驅動系統刀具和夾具系統檢測控制系統控制和傳感器系統2023/2/5對超精密主軸的基本要求靜態和動態回轉精度高，振擺小。精度壽命長。主軸本身及驅動系統不產生振動，或振動極小，而且振動的衰減特性好。應具有與使用條件相匹配的、足夠大的剛度和負荷容量。發熱少而且熱平衡的性能好。維護、保養方便。超精密切削機床關鍵部件一、精密機床主軸部件2023/2/5主軸回轉精度

回轉精度——在主軸空載手動或機動低速旋轉情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基面上所測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。影響回轉精度的因素（1）軸承精度和間隙的影響。（2）主軸、支承座等零件中精度的影響。

關鍵在于精密軸承：液體靜壓軸承空氣靜壓軸承一、精密機床主軸部件2023/2/5液體靜壓軸承液體靜壓軸承利用專用的供油裝置，將具有一定壓力的潤滑油經過節流器輸送到軸承中去，在軸承油腔內形成具有一定壓力的潤滑油膜，將主軸浮起。無論主軸處于靜止還是轉動狀態，軸承間隙中都有一層壓力油膜，在各個方向上都能承受外力作用。1、液體靜壓軸承主軸一、精密機床主軸部件液體靜壓軸承具有承裁能力大、阻尼大、動剛度好的優點2023/2/51、液體靜壓軸承主軸一、精密機床主軸部件液體靜壓軸承一般使用的液體油黏度較高（為空氣的5000?10000倍），供給的壓力大，一般為3?4MPa。由于油膜較厚，對軸頸和軸瓦的圓度誤差能起均化作用，故回轉精度高可以達到亞微米級（0.1um)。軸承的內表面設有油腔，剛度和負荷容量大，一般用于大型超精密機床。如美國LLNL實驗室的DTM-3型大型超精密機床，其主軸的徑向軸承就采用液體靜壓軸承。2023/2/51）液體靜壓軸承的溫升很高，難以控制，造成熱變形，影響主軸精度。

2）靜壓油回油時將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，降低軸承的剛度和動特性。

解決措施：

1）提高靜壓油的壓力到6～8MPa，使油中微小氣泡的影響減小，提高靜壓軸承的剛度和動特性。

2）靜壓軸承用油經溫度控制，基本達到恒溫，減少軸承的溫升。

3）軸承用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。液體靜壓軸承的缺點1、液體靜壓軸承主軸油溫控制以及油泵振動要求較高近年來水靜壓軸承在超精密機床中的運用取得成功，例如日本SSi公司研制的三角棱形立式結構的超精密磨床中采用了去離子水靜壓軸承。這種軸承與油靜壓軸承比較其優點是容易保持硅片加工的潔凈性。另外水的黏度遠低于油，因此水軸承發熱較小，適合于高速運轉。1、液體靜壓軸承主軸一、精密機床主軸部件2023/2/52023/2/52、空氣靜壓軸承主軸空氣靜壓軸承是以壓縮空氣通過節流器進入軸承形成壓力氣膜來起支承作用的。其承載原理與液體靜壓軸承基本類同。目前的空氣靜壓軸承回轉誤差已達到小于或等于20nm的水平。由于結構材料和制作工藝的改進使它成為當前較其他支承技術優越的高精度支承技術，在中小型超精密機床中得到廣泛采用。一、精密機床主軸部件2023/2/52023/2/5三、空氣靜壓軸承主軸2023/2/52、空氣靜壓軸承主軸從現今的超精密加工技術水平來說，空氣靜壓軸承是獲得最高回轉精度的支承形式。它在超精密加工中的廣泛采用，其根本原因是它具有以下特點：由于采用空氣介質，故可遵循誤差平均化原理，以低的制造精度獲取高的回轉精度。通常主軸回轉運動精度比主軸加工的圓度精度要高出3?5倍。由于空氣介質黏度小，摩擦阻力小，因而產生的摩擦熱少，轉動慣性亦小，從而能獲得高速下的運轉平穩和高精度。國際上已成商品的高速空氣軸承牙鉆，轉速達500000r/min，我國研制成功的超髙速精密空氣主軸，轉速達330000r/min，這種速度是滾動軸承與油滑軸承所望塵莫及的；實用的空氣軸承回轉精度為0.05um，國際上的回轉精度已達到0.025um。2023/2/52、空氣靜壓軸承主軸這種支承造成的發熱和主軸熱變形小。雙半球或一球一半球空氣靜壓軸承支承其回轉中心僅僅取決于兩球心的連線。采用適當的調整方式和結構，可以使軸線位置達到高精度。主軸的軸向跳動和徑向跳動可達到10nm。無污染。經過過濾凈化的空氣作軸承介質可以避免液體靜壓軸承的污染。不腐蝕設備，不需要密封裝置。可維護性和使用可靠性高。合理的設計可以克服空氣靜壓軸承剛性不足的缺點，現空氣靜壓軸承主軸已可承受2640N/um的切削力或載荷。2023/2/5為了改善空氣靜壓軸承剛性不足的缺點，采用多孔材料制造空氣靜壓軸承可提高軸承的剛度，改善供氣系統狀況。因為多孔材料軸承是通過無數小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時，也改善空氣流動的均勻性。例如德國慕尼黑大學采用了一種由微銅球燒結而成的多孔質材料來制造氣浮墊，這種材料透氣性好、加工性能好，磨削加工后其表面形成幾十微米的硬質層，再用激光打孔技術在硬質層上打出小孔陣列。美國Wisconson-Madison大學開發的多孔質材料是用氧化鋁和二氧化鈦粉末通過特殊工藝制成的復合陶瓷材料。2、空氣靜壓軸承主軸2023/2/5雙半球空氣軸承主軸前后軸承均采用半球狀，既是徑向軸承又是軸向軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動調心作用，可提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉精度。一、精密機床主軸部件2023/2/5前部用球形后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸為進一步提髙前后軸承的同軸度，采用一端用球形軸承，另一端用圓柱徑向軸承且軸套外面又加了半球狀的空氣軸承，使徑向軸承的軸套能有一定程度的浮動，提高軸承的同軸度，從而提高主軸的回轉精度。2023/2/5立式空氣軸承對于大型超精密車床，空氣軸承主軸常采用立式結構。其徑向軸承制成圓弧面，可起到自動調心、提髙精度的作用。一、精密機床主軸部件2023/2/53、磁懸浮軸承簡介磁懸浮軸承與潤滑理論完全沒有關系，它是利用磁鐵的斥力或吸力使軸懸起的軸承。不受介質黏性的影響，在真空中也可照樣工作，摩擦阻力可為零，是一種極有發展前途的軸承。磁懸浮軸承是利用能夠主動控制的電磁吸力將軸（轉子）懸浮于空間以實現穩定高速運轉，同理，如果軸心固定，那么外殼（定子）將被懸浮起來。軸承懸浮系統由外殼、軸、電磁繞組以及主磁極組成，控制系統包括氣隙傳感器、控制器和功率放大器等基本件。一、精密機床主軸部件2023/2/5磁懸浮軸承結構原理示意圖3、磁懸浮軸承簡介2023/2/5三個電磁繞組分別通以大小不同的電流，產生大小不等、相互夾角成120°的電磁吸力。當三項磁力的合力與軸的重力和外加力達到平衡時，軸懸浮在三個磁極之間并與各磁極保持相等的氣隙，一旦受到外界力的干擾，軸與三個主磁極間的氣隙即發生變化。由于氣隙傳感器具有輸出電流（或電壓）大小與氣隙的大小在一定范圍內成近似正比例線性關系的特性，只要氣隙變化，傳感器即輸出變化的電流，通過控制器與放大器的處理和放大作用，及時調整各電磁繞組的輸入電流，從而改變各主磁極對軸的磁吸力，使磁吸力與重力和外加力重新達到平衡，變化的氣隙亦均恢復到原來的大小，即軸被迅速調整回到原平衡時的懸浮位置。3、磁懸浮軸承簡介2023/2/5為了提高軸的回轉精度及改善懸浮系統的剛度，往往采用對稱的多個主磁極結構。例如，兩對四磁極、三對六磁極、四對八磁極以及六對十二磁極等結構形式在磁軸承領域均有使用。

為了克服或消除摩擦力的負面作用，國內外學者都在研究開發磁懸浮技術，磁懸浮軸承主軸在超精密設備中也越來越受到人們的重視，其精度也迅速得到提高。3、磁懸浮軸承簡介2023/2/54、超精密機床主軸和軸承的材料1）不易磨損。用多孔石墨作空氣軸承套。2）不易生銹腐蝕。3）熱膨脹系數小，且主軸和軸套的熱膨脹系數要接近。4）材料的穩定性好。

38CrMoAl氮化鋼，經表面氮化和低溫穩定處理，

不銹鋼和多孔石墨和軸承鋼。此外：銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷。一、精密機床主軸部件2023/2/54、主軸的驅動方式1）電動機通過帶傳動驅動2）電動機通過柔性聯軸器驅動3）采用內裝式同軸電動機驅動一、精密機床主軸部件2023/2/5二、床身和精密導軌部件1、超精密機床的總體布局1)T形布局2）R－布局3）立式結構布局4）十字形滑板工作臺布局2023/2/51、超精密機床的總體布局T形布局采用Z、X運動分離的結構，即主軸箱帶動工件作縱向運動（Z向），橫向運動（X向）由刀架滑板完成。Z向和X向運動導軌都放在機床床身上，形成T形布局，使兩條導軌基本在同一高度上。這種結構有利于提高導軌的制造精度和運動精度，并且檢測Z向、X向運動位置的雙頻激光測量系統可以裝在固定不動的床身上，僅將測量位置用的反射鏡裝在Z、X方向的移動部件上。測量系統安裝簡單，且測量精度可大大提高。這種布局使機床整體剛度較高，控制也相對容易?，F中小型超精密機床常采用這種總體布局。2023/2/51、超精密機床的總體布局還有一種T形總體布局，是機床主軸作x向運動，刀架滑板作z向運動。X向運動和Z向運動的導軌都做在機床的床身上。這種總體布局的優缺點和前一種T形總體布局差不多，但是實際生產中應用不如第一種T形總體布局多。大型超精密車床多制成這種T形結構。二、床身和精密導軌部件2023/2/51、超精密機床的總體布局十字形滑座結構機床的主軸箱位置固定，刀架裝在十字形溜板上。Z方向和X方向的導軌都集中在工作臺（或溜板）上，形成十字形滑座。圖示為Moore公司坐標鏜床和三坐標測量機所用的十字形滑座構成的X、Z雙向工作臺。十字形滑座構成的X、Z雙向工作臺X軸的雙V導軌Y軸的雙V導軌Z軸的雙V導軌2023/2/51、超精密機床的總體布局十字形滑座結構這種結構布局中，十字形滑座的上下導軌，不僅要有很高的直線運動精度，而且要有非常嚴格的相互垂直度，對制造精度要求很高。另外采用雙頻激光干涉儀作Z、X方向運動的隨機位置檢測時，很不方便。但這種布局的主軸箱位置固定不動，主軸用帶傳動很方便，電動機可以有單獨地基，有利于減少電動機振動對主軸的影響。二、床身和精密導軌部件2023/2/51、超精密機床的總體布局R-θ布局刀架滑板裝在回轉工作臺上，改變刀座導軌的轉角沒和半徑只，可以加工非球曲面。圖為美國UnionCarbide公司在1972年完成的R-θ車床。R-θ布局的車床結構比較復雜，加工、調整、計算與習慣用的不一致，因此用得不多。1-工件主軸；2-安裝工件的夾具；3-切削工具；4-刀架；5空氣隔振臺罩；6-回轉工作臺；7-工件主軸驅動電動機二、床身和精密導軌部件2023/2/51、超精密機床的總體布局當加工的工件直徑較大并且質量較大時，大型超精密機床多采用立式結構布局。為了保證超精密機床高的剛度要求，多采用龍門式。美國的LODTM大型超精密機床即是立式結構，它采用在線測量和誤差補償的措施來消除運動誤差。二、床身和精密導軌部件2023/2/51、超精密機床的總體布局其它新型結構布局模塊化、構件化是超精密機床進入市場的重要技術手段，如美國ANORAD公司生產的各種主軸、導軌和轉臺，用戶可根據各自的需要組成一維、二維和多維超精密運動控制平臺和機床。模塊化使機床布局更加靈活多變。二、床身和精密導軌部件2023/2/5日本SSi公司研制的超精密磨床，用于磨削超大硅片(直徑400mm)，采用三角棱形五面體結構，提高了機床的剛度；因為傳統的龍門式結構在重的加工負載下（超過300N)容易產生俯仰和偏擺的變形，造成硅片平面度、粗糙度誤差以及表面微損壞增大。1、超精密機床的總體布局其它新型結構布局前立柱A前立柱B主平臺機床底座輔助平臺后立柱上平臺直線執行機構二、床身和精密導軌部件2023/2/5美國Moore公司的Nanotech500FG自由曲面光學加工機床采用最優化模塊式設計方法，Y軸利Z軸不是重疊放置形式，而是Y軸（垂直軸）處于Z軸軸承軌道中間，盡可能消除Z軸的滾轉和俯仰誤差的影響。當Y軸處于行程中間點時，旋轉主軸的軸線處于兩Z軸導軌系的水平平面上。為了消除重力影響，Y軸有一空氣軸承的氣壓平衡缸系統。1、超精密機床的總體布局此外，一些針對特殊零件而設計的超精密加工機床，具有和通用機床完全不同的結構。由此可見，超精密機床的結構布局有其鮮明的個性，需要特殊的設計考慮和設計手段。2023/2/52、床身和導軌的材料

鑄鐵——成本低有良好減振性和耐磨性易于鑄造和切削加工

導軌常用的鑄鐵——灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵灰鑄鐵應用最多的牌號是HT200

常用的孕育鑄鐵牌號是HT300，耐磨性高于灰鑄鐵，但較脆硬，不易刮研，且成本較高。常用于較精密的機床導軌耐磨鑄鐵中應用較多的是高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵及釩鈦鑄鐵與孕育鑄鐵相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本較高，常用于精密機床導軌優質耐磨鑄鐵2023/2/5花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩定性好，熱膨脹系數低，對振動的衰減能力強，硬度高、耐磨并不會生銹。人造花崗巖由花崗巖碎粒用樹脂粘結而成，可鑄造成形，吸濕性低，并對振動的衰減能力加強。二、床身和精密導軌部件2023/2/5二、床身和精密導軌部件3、導軌分類導軌的作用和特點導軌不僅是支承工作臺、主軸箱、頭架尾架等部件的載荷，而且是還保證各部件間的相對位置與相對運動的精度。但是與主軸部件相比，具有以下的特點：1）工作速度低。2）導軌的工作部分既長又薄，剛度差，是機床最薄弱的環節之一。3）受力情況比較復雜，給計算帶來困難。4）導軌的加工工作量較大，需配備專用導軌磨床進行加工，甚至需用手工刮研方法以取得較高的導軌精度。2023/2/5導軌的基本要求（一）導向精度高1、導軌在水平面內和垂直面內的直線度2、導軌的平行度3、導軌間的垂直度（二）足夠的剛度外力作用下導軌本身抵抗變形的能力二、床身和精密導軌部件3、導軌分類導軌的基本要求（三）精度保持性（耐磨性）好1、降低導軌面的比壓；2、良好的防護與潤滑；3、正確選擇導軌副的材料和熱處理；4、選擇合理的加工方法。（四）運動的靈敏度是運動部件從靜止到開始移動期間，進給機構刻度盤轉過值的大小?？潭戎翟叫?，靈敏度越高。3、導軌分類2023/2/5根據超精密機床對導軌的要求，導軌需要有極高的制造精度，導軌的材料要有很高的穩定性和耐磨性，導軌的偶合面沒有摩擦和磨損，同時還要求導軌的偶合面有很好的偶合形式。根據導軌面偶合形式的不同，超精密機床常用的導軌類型有以下幾種：滑動導軌，滾動導軌，液體靜壓導軌，氣浮導軌，空氣靜壓導軌。機床導軌的結構有多種形式：燕尾形導軌、平面導軌、圓柱導軌、V-平面導軌，雙V形導軌等。液體靜壓導軌和空氣靜壓導軌多數采用平面導軌結構，V-平面導軌和雙V形導軌結構多用于滑動導軌和滾動導軌。3、導軌分類二、床身和精密導軌部件2023/2/5按兩導軌面間的摩擦性質分類1）滑動導軌兩導軌面間是滑動摩擦。又可按兩導軌面間的摩擦狀態的不同而分為液體或氣體靜壓導軌及流體動壓導軌。2）滾動導軌兩導軌面間是滾動摩擦。又可按中間滾動體的不同而分為：滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌及滾動軸承導軌等。二、床身和精密導軌部件2023/2/5滑動導軌按導軌的截面形式分滑動導軌分兩大類——凸形和凹形凸形導軌不易積存切屑，但難以保存潤滑油，只適合于低速運動凹形導軌潤滑性能良好，適合于高速運動，為防止落入切屑等，必須配備良好的防護裝置二、床身和精密導軌部件2023/2/54、導軌的結構形式三角形導軌支承導軌為凸形時——山形導軌支承導軌為凹形時——V形尋軌三角形導軌依靠三角形的兩個側面導向，磨損后能自動補償，不影響導向精度支承導軌為山形時，不易積存較大的切屑，也不易存留潤滑油適用于不易防護、速度較低的進給運動導軌支承導軌為V形時，由于能得到較充足的潤滑，除用于精密和大型機床的進給導軌外，還可用于主運動導軌，如龍門刨床床身導軌必須很好地防護，以防落入切屑和灰塵二、床身和精密導軌部件2023/2/54、導軌的結構形式矩形導軌矩形導軌制造簡單、剛度高、承載能力大，具有水平和垂直兩個方向的導軌面，而且兩個導軌面的誤差不會相互影響，便于安裝調整側面磨損后不能自動補償，需要有間隙調整裝置，因此導向性較差適用于載荷較大而導向性要求不高的機床矩形導軌二、床身和精密導軌部件2023/2/54、導軌的結構形式燕尾形導軌燕尾形導軌——結構緊湊、高度尺寸較小，可承受顛覆力矩磨損后不能自動補償間隙，需用鑲條調整，剛性較差，摩擦力較大，制造和檢修都比較復雜一般用作中、低速的多層導軌圓柱形導軌制造簡單要求加工時就直接達到較高精度磨損后很難調整和補償間隙圓柱形導軌具有兩個自由度，通常多用在承受軸向載荷的場合燕尾形導軌圓柱形導軌二、床身和精密導軌部件2023/2/54、導軌的結構形式雙三角形組合導向精度高，磨損后能自動補償，具有較好的精度保持性，很難達到四個表面同時接觸的要求，制造困難適用于精度要求較高的機床在載重偏離中央時，仍能保持良好導向，美國Moore公司生產的坐標鏜床、坐標測量機采用雙三角形導軌。二、床身和精密導軌部件2023/2/5具有較大的承載能力、制造調整比較簡單導向性差，磨損后不能自動補償，對加工精度有較大影響多用于普通精度機床和重型機床，如X6132工作臺導軌。雙矩形組合4、導軌的結構形式二、床身和精密導軌部件2023/2/5導向性好、制造方便和剛度高應用最廣泛如CA6140型普通車床溜板、B2020工作臺導軌、M1432A砂輪架導軌等。三角形－矩形組合4、導軌的結構形式二、床身和精密導軌部件2023/2/5兩個燕尾平面同時起導向及壓板作用不能承受過大的顛覆力矩，摩擦損失較大用于要求層次多、尺寸小、調整間隙方便和移動速度不大的場合如CA6140刀架、B6050滑枕導軌等燕尾形組合4、導軌的結構形式二、床身和精密導軌部件2023/2/55、滾動導軌滾動導軌的優點滾動導軌就是在導軌面之間裝有一定數量的滾動體，兩個導軌面只和滾動體接觸，使導軌面之間的摩擦性質成為滾動摩擦。特點：摩擦系數?。?.0025～0.005）靜、動摩擦系數很接近運動輕便靈活；運動所需功率小；摩擦發熱少；磨損??；精度保持性好(鋼制淬硬導軌修理期間隔可達10～15年)

低速運動平穩性好，一般沒有爬行現象二、床身和精密導軌部件2023/2/55、滾動導軌滾動導軌的優點

移動精度和定位精度高（一般重復定位誤差約0.1～0.2μm）。滾動導軌潤滑簡單（可用油脂潤滑）；維護方便（只需更換滾動體）；高速運動時不會象滑動導軌那樣因動壓效應而浮起二、床身和精密導軌部件2023/2/5滾動導軌的應用

需要實現精密位移的機床，如坐標鏜床、數控機床、仿形機床等。外圓磨床砂輪架為實現微量進給：工具磨床為手搖工作臺輕便；立式車床為提高速度；平面磨床工作臺導軌為防止高速移動時產生浮起，以提高加工精度；大型外圓磨床工作臺導軌為了減輕阻力和減少發熱等也采用滾動導軌。5、滾動導軌二、床身和精密導軌部件2023/2/5滾珠導軌滾珠導軌結構緊湊，容易制造，成本較低導軌表面屬于點接觸，剛度低，承載能力較小適用于載荷較小的機床二、床身和精密導軌部件5、滾動導軌2023/2/5滾柱導軌承載能力和剛度：都比滾珠導軌大應用：載荷較大的機床，應用最廣泛對導軌不平行度（扭曲）要求較高，否則要造成滾柱的偏移和側向滑動，使導軌磨損加劇和降低精度。因此，滾柱最好做成腰鼓形，中間直徑比兩端大0.02mm左右。二、床身和精密導軌部件5、滾動導軌2023/2/52023/2/5再循環滾柱滾動組件二、床身和精密導軌部件5、滾動導軌2023/2/5再循環滾珠滾動組件二、床身和精密導軌部件5、滾動導軌2023/2/5滾動導軌的預緊

在滾動體與導軌面之間預加一定載荷，可增加滾動體與導軌面的接觸，以減小導軌面平面度、滾子直線度及滾動體直徑不一致誤差的影響，使大多數滾動體均能參加工作。由于有預加接觸變形，接觸剛度增加。因而滾動導軌的預緊提高了導軌的精度和剛度。阻尼性能也有所增加，提高了導軌的抗振性。二、床身和精密導軌部件5、滾動導軌2023/2/56、液體靜壓導軌靜壓導軌特點工作原理與靜壓軸承相同。將具有一定壓力的潤滑油，經節流器輸入到導軌面上的油腔，即可形成承載油膜，使導軌面之間處于純液體摩擦狀態。優點：導軌運動速度的變化對油膜厚度的影響很??；載荷的變化對油膜厚度的影響很小；液體摩檫，摩檫系數僅為0.005左右，油膜抗振性好。缺點：導軌自身結構比較復雜；需要增加一套供油系統；對潤滑油的清潔程度要求很高。主要應用：精密機床的進給運動和低速運動導軌二、床身和精密導軌部件2023/2/56、液體靜壓導軌二、床身和精密導軌部件因為是完全流體潤滑，油膜具有良好的潤滑性和吸振性，因此靜壓導軌比其他滑動和滾動導軌壽命提高許多倍，甚至長期使用無磨損，且工作運動平穩，不會產生爬行現象，不但直線運動精度高，剛度和負荷容量也很大；所以現在很多超精密機床使用液體靜壓導軌。2023/2/57、氣浮導軌和空氣靜壓導軌氣浮導軌常用平導軌，運動導軌的底平面和兩側導軌有壓縮空氣，使滑板或工作臺浮起，工作臺的浮起是氣浮作用，但側面是氣體靜壓作用。美國Pneumo公司的MSG－325使用氣浮導軌。二、床身和精密導軌部件2023/2/57、氣浮導軌和空氣靜壓導軌空氣靜壓導軌運動件的導軌面，上下、左右均在靜壓空氣的約束下，比氣浮導軌的剛度和運動精度高,基本沒有摩擦力。靜壓空氣的節流方式：多孔石墨節流、小孔節流、毛細管節流、狹縫節流、表面節流。靜壓空氣壓力4～6大氣壓。二、床身和精密導軌部件2023/2/5空氣靜壓導軌的優點是運動平穩、具有精確的直線度；與液體靜壓導軌相比，它不污染環境，沒有振動和爬行現象，可以實現微細進給和精確定位，高速運動時溫升很小，使用和加工都比較方便。但是運行間隙發生變化時，容易產生波動；另外剛度和承載能力比較低，一般用在超精密輕型切削機床中。目前來說，空氣靜壓導軌的精度是最高的。目前空氣靜壓導軌的直線度可達（0.1?0.01um/100mm)。近年來，國內外學者從材料、結構和設計方法入手，改善節流方式，設計制造出新型空氣導軌，使其承載能力、剛度以及穩定性得到很大提高。7、氣浮導軌和空氣靜壓導軌二、床身和精密導軌部件2023/2/5磁懸浮導軌磁懸浮導軌具有可在真空中使用的獨特性能，在原理上可以達到很高精度，但當前技術不成熟。目前超精密機床用的導軌主要是采用高運動精度的空氣靜壓導軌或者液體靜壓導軌。二、床身和精密導軌部件2023/2/5三、進給驅動系統在以亞微米級和納米級精度工作的超精密機床中，驅動機構直接影響著直線導軌的性能，對于工作臺的直線運動精度或使工作臺正確定位起著主導作用。作為超精密加工機械用的進給機構，必須具備下列各項條件：不干擾或降低導軌的直線進給精度；進給速度均勻，進給平穩；定位精度高；可實現工作所需要的高速進給或微速進給;精度壽命和使用壽命高；維護、保養方便。驅動導軌的進給傳動裝置有：滾珠絲杠副傳動裝置；摩擦傳動裝置；螺旋（帶絲杠螺母的液體靜壓或氣體靜壓）傳動裝置（即靜壓絲杠副驅動）；磁浮絲杠傳動裝置；帶液壓缸的電液驅動裝置；壓電驅動裝置等2023/2/51、精密數控系統

對超精密機床，刀具和工件的z向和x向運動以及加工非球曲面的精密回轉工作臺都是由精密數控系統進行控制的。要求精密數控系統有很高的分辨力，達到數控系統每脈沖在z向或x向的移動量為0.01μm。精密數控系統通過直流伺服電機或交流伺服電機，雙頻激光測量系統檢測z向和x向的位移反饋給精密數控系統，形成閉環控制系統，達到要求的位移精度。三、進給驅動系統2023/2/5數控系統中伺服電機驅動機床的滑板或工作臺的方式：滾珠絲杠副驅動：要求正反轉沒有回程間隙，要求加一定的預載過盈。液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅動：制造復雜，沒有廣泛使用。摩擦驅動：平穩性和精度更高，優于滾珠絲杠副驅動。2023/2/52、滾珠絲杠副驅動摩擦力小，且滾珠在螺母內有再循環通道。具有高剛度、快速、易于潤滑、跟隨靈敏、對周邊環境適應性強等特點，而得到廣泛應用，特別是在重載和高速的超精密機床中。滾珠絲杠副要求正轉和反轉沒有回程間隙，要求滾珠絲杠和螺母間有一定的預載過盈。三、進給驅動系統三、進給驅動系統3、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅動靜壓絲杠副包括液體靜壓絲杠副和空氣靜壓絲杠副，兩者的結構極為相似，只是前者為用油壓，油的間隙大些，后者都用壓縮空氣，空氣間隙稍小些。提高進給運動的平穩性。三、進給驅動系統4、摩擦驅動進一步提高導軌運動的平穩性和精度，優于滾珠絲杠副的驅動。摩擦傳動裝置具有運動平穩、無反向間隙等特點。結構比較簡單，因而彈性變形因素大為減少，一直被認為是一種非常適合超精密機床的傳動系統。一般的摩擦驅動機構的結構和齒輪齒條相似，可以把電動機的回轉運動直接轉換為直線運動。1，2—滾輪；3—驅動件；4一執行機構2023/2/5CUPE的精密加工中心機床和OAGM26超精密機床都使用了摩擦驅動結構CUPE公司的高精密摩擦驅動單元三、進給驅動系統4、摩擦驅動2023/2/5磁浮絲杠傳動的工作原理是絲杠（涂有稀土金屬磁性混合物)和螺母與電磁繞組相互作用。由于在絲杠旋轉時磁阻變化，故引起軸向力，驅動導軌運動。使用帶液壓缸的電液驅動裝置時，運動力是借助活塞桿端與刀架柔性關節的連接傳給工作機構（刀架）的。在這種情況下，.實際上完全可排除力作用在垂直刀架運動方向的平面內。此外，在電液傳動裝置內，無論供入多么少量的液體，均可有相對應的一定的移動值。在這種傳動裝置內，當工作機構的運動方向改變時無不敏感性的區域。三、進給驅動系統5、磁浮絲杠傳動6、電液驅動裝置

金剛石加工非球面鏡超精密車床的液壓刀架1—CNC;2—額定變換器；3—相干輻射源；4—激光干涉儀；5—活塞桿；6—活塞；7—刀架體；8—刀夾；9—刀具；10,11—液壓腔；12—電液變換器；13—液壓氣動蓄能器；14—步進電動機定值器；15—傳感器；16—泵；17—直流電動機；18—電驅動裝置2023/2/5四、微量進給裝置1、微量進給裝置的應用1）實現微量進給；2）實現超薄切削；3）在線誤差補償；4）用于切削加工非軸對稱特殊型面。微量進給裝置具有微量移動或微量轉動及微量進給等功用。目前微進給機構已能達到的分辨率為0.001?0.01um，這對實現超薄切削、達到高精度尺寸加工、實現在線誤差補償十分重要，已成為超精密機床的一個重要而且關鍵的功能部件。2023/2/5在超精密車床中，高精度微量進給裝置上常常夾固著金剛石刀具，用于刀具微量調整,要求實現精確、穩定、可靠的微位移（有時還要求實現快速微位移），以保證達到亞微米級的加工精度和納米級的位移分辨率。因此一個好的超精密微量進給裝置應滿足下列設計要求。四、微量進給裝置2、對微量進給裝置的要求四、微量進給裝置2、對微量進給裝置的要求1）精微進給和粗進給應分開,以提高微位移的精度,分辨力和穩定性；2）運動部分必須是低摩擦和高穩定度的,以實現更高的重復精度；3）末級傳動元件必須具有很高的剛度,即夾金剛石刀具處必須是高剛度的；4）微量進給機構內部聯接必須是可靠聯接,否則重復精度很難實現；5）工藝性好，容易制造；6）微量進給機構具有好的動特性；7）微量進給機構應能實現微量進給的自動控制。2023/2/5微量進給裝置有多種結構形式和工作原理，大致如下：1、機械傳動或液壓傳動式2、彈性變形式3、熱變形式4、流體魔變形式5、磁致伸縮式6、電致伸縮式四、微量進給裝置3、機械結構彈性變形微量進給裝置2023/2/5四、微量進給裝置3、機械結構彈性變形微量進給裝置四、微量進給裝置4、壓電和電致伸縮傳感器進給裝置壓電和電致伸縮傳感器的材料