第4章超精密加工机床设备课件.ppt

1、本科生专业课程本科生专业课程 第第4章章精密和超精密加工机床设备精密和超精密加工机床设备邓建新邓建新 山东大学机械工程学院山东大学机械工程学院2010年年10月月超精密加工机床是超精密加工机床是超精密加工水平的标志超精密加工水平的标志，它应满足，它应满足以下一些要求：以下一些要求：1）高精度；）高精度；2）高刚度；）高刚度；3）高稳定性；）高稳定性；4）高自动化。）高自动化。第一节第一节 超精密加工机床设备的超精密加工机床设备的发展概况发展概况 超精密机床是实现超精密加工的关键。超精密机床是实现超精密加工的关键。利用零件与刀具之间产生的具有利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运严格约束的

2、相对运动动，对材料进行微切削，而获得极高等尺寸精度和对材料进行微切削，而获得极高等尺寸精度和极小的表面粗糙度。极小的表面粗糙度。最早的超精密加工机床是最早的超精密加工机床是19世纪投入使用的各种世纪投入使用的各种天天文望远镜和光学仪器文望远镜和光学仪器的加工机床。的加工机床。到第到第二次世界大战二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟。前后精密机床发展逐渐成熟。国防尖端技术、计算机技术、自动化技术国防尖端技术、计算机技术、自动化技术的广泛应用使的广泛应用使超精密机床的发展经历一个质的飞跃超精密机床的发展经历一个质的飞跃。具体表现为：具体表现为：(1)手动到自动手动到自动；(2)驱动电机闭环控制驱动

3、电机闭环控制；(3)高精度光栅和激光干涉测量仪的应用，使机床定位高精度光栅和激光干涉测量仪的应用，使机床定位精度和重复精度大大提高精度和重复精度大大提高；(4)计算机数控技术使各种计算机数控技术使各种复杂曲面加工成为可能复杂曲面加工成为可能；(5)各种误差补偿机构，使机各种误差补偿机构，使机床动、静态精度大大提高床动、静态精度大大提高。p 目前，超精密加工技术在国际上处于目前，超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有领先地位的国家有美国、英国和日本等美国、英国和日本等西西方发达国家。这些国家的超精密加工技术方发达国家。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度不仅总体成套水

4、平高，而且商品化的程度也非常高。也非常高。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术技术”（Single Point Diamond Turning），并发展了相应的并发展了相应的空气轴承主轴的空气轴承主轴的超精密机床。用于超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球球面非球面面非球面大型零件等等。大型零件等

5、等。美国超精密机床水平最高美国超精密机床水平最高，不仅开发出小型超，不仅开发出小型超精密机床，而且发展大型超精密机床。精密机床，而且发展大型超精密机床。美国有著名的美国有著名的POMA（Point One Micrometer Accuracy）计划，计划，目标精度目标精度0.01 m。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。家。日本在用于日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工

6、技术方面，型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先是更加先进和具有优势的，进和具有优势的，在在中小型超精密机床中小型超精密机床方面，已基本方面，已基本与美国并驾齐驱，与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。甚至超过了美国。日本提出日本提出“超超精密机床超超精密机床”规划。规划。以以纳米纳米级精级精度作为目标。度作为目标。欧洲国家，如：德国、英国、瑞士、法国、意欧洲国家，如：德国、英国、瑞士、法国、意大利等国的超精密机床水平也很高。大利等国的超精密机床水平也很高。我国我国超精密机床超精密机床方面与国外差距很大。方面与国外差距很大。我国的超精密加工机床技术在我国的超精密加工机床技术在70年代末期有了

7、年代末期有了长足进步，长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床和部件。的超精密机床和部件。p 北京机床研究所北京机床研究所是国内进行超精密加工机床技术研是国内进行超精密加工机床技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件，如机床、部件，如JCS027超精密车床、超精密车床、JCS031超精超精密铣床、密铣床、JCS035超精密车床、超精密车床数控系统超精密车床、超精密车床数控系统、达到了国内领先、接近国际先进水平达到了国内领先、接近国际先进水平。p 航空航天工业部航空航天工业部三零三三

8、零三所在超精密主轴、花岗岩所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。p 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。技术等方面进行了卓有成效的研究。p 清华大学在清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截削和研抛、金刚石微粉砂

9、轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。产品问世。p 中科院长春光学精密机械研究所中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究。总的来说，我国大学等都进行了这一领域的研究。总的来说，我国在超精密加工的在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。际要求比，还有相

10、当大的差距。第二节第二节 典型的超精密加工机床典型的超精密加工机床Union Carbide公司半球车床。公司半球车床。1962年研制成功。年研制成功。采用采用空气静压轴承空气静压轴承，立式结构。，立式结构。尺寸精度达到尺寸精度达到0.6 m，Ra达到达到0.025 m精密空气轴承主轴采用精密空气轴承主轴采用多孔石墨制多孔石墨制成轴衬成轴衬，径向空气轴承的外套可以，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。同心度，以提高主轴的回转精度。用金刚石刀具可实现镜面切削。用金刚石刀具可实现镜面切削。圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静

11、压轴承美国美国Moore金刚石车床金刚石车床，1968年研制成功，年研制成功，主轴采用主轴采用空气静空气静压轴承压轴承，卧式结构卧式结构，转速转速5000转转/分，径跳分，径跳0.1m；液体静；液体静压（气浮）导轨；数控系统分压（气浮）导轨；数控系统分辨率辨率0.01m，激光测量、精度，激光测量、精度高，刚度高、稳定性好、抗振高，刚度高、稳定性好、抗振性等。性等。在世界范围内生产多台，广泛在世界范围内生产多台，广泛应用。应用。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p 如：美国如：美国LLL实验室和实验室和Y12工厂在美国能源部支工厂在美国能源部支持下，于持下，

12、于1983年年7月研制成功月研制成功大型超精密金刚石车床大型超精密金刚石车床DTM3型，型，该机床可加工最大零件该机床可加工最大零件2100mm、重量、重量4500kg的激光核聚变用的各种的激光核聚变用的各种金属反射镜金属反射镜、红外装置用、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆（半径），圆度和平面度为度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。大典超精密加工机床大典超精密加工机床DTM3 大型超精密加工机床大型超精密

13、加工机床激光测量：激光测量：分辨率分辨率2.5nm。驱动：驱动：刀具微位移机构。刀具微位移机构。导轨：导轨：液体和空气静压导轨。液体和空气静压导轨。温度：温度：流体温度（流体温度（20 0.0006），空气温度），空气温度（20 0.005）。）。机床各部件用机床各部件用大量恒温液体淋浇大量恒温液体淋浇。底座：底座：花岗石（花岗石（5万美元）万美元）。该机床的加工精度可达到形状误差为该机床的加工精度可达到形状误差为28nm(半径半径)，圆，圆度和平面度为度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。美国美国LLL实验室于实验室于1984年研制成功年研制成功大型超精

14、密金大型超精密金刚石车床刚石车床LODTM大型光学金刚石车床，大型光学金刚石车床，该机床可加该机床可加工最大零件工最大零件1625500mm、重量、重量1360kg的大型金属的大型金属反射镜。反射镜。DTM-3与与LODTM大型超精密车床一起仍是现在大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。超精密车床。大型超精密加工机床大型超精密加工机床LODTM大型超精密加工机床大型超精密加工机床LODTM大型光学金刚石车床大型光学金刚石车床可加工可加工 1625 500、重量、重量1360Kg的大型金属反射镜的大型金属

15、反射镜等大型零件。等大型零件。采用采用立式结构和空气轴承立式结构和空气轴承刀具可以实现刀具可以实现纳米级微位移。纳米级微位移。采用采用7路高分辨力双频激光测量路高分辨力双频激光测量系统，分辨力达到系统，分辨力达到0.625nm，采用了，采用了误差补偿技术。误差补偿技术。为减小热变形的影响，机床各发热部件用为减小热变形的影响，机床各发热部件用大量恒温大量恒温水冷却水冷却，水温度控制极其严格。，水温度控制极其严格。整台机床用整台机床用4个大空气弹簧个大空气弹簧支撑。支撑。p 英国克兰菲尔德技术学院英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密所属的克兰菲尔德精密工程研究所享有较高声誉，它是当今世界上精

16、密工程工程研究所享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如生产的代表。如生产的Nano centre（纳米加工中心）既可进（纳米加工中心）既可进行超精密车削行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的表面粗糙度加工工件的表面粗糙度Ra10nm。大型超精密加工机床大型超精密加工机床OAGM2500大型超精密加工机床大型超精密加工机床OAGM2500大型超精密机床大型超精密机床用于精密磨削用于精密磨削X射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可射线天体望远镜的大型曲面反

17、射镜还可用于车削和坐标测量。用于车削和坐标测量。最大加工尺寸为：最大加工尺寸为：2500 2500 610有有 2500的高精度回的高精度回转工作台。转工作台。采用采用卧式卧式结构。结构。采用激光双频测量器，分辨力达到采用激光双频测量器，分辨力达到2.5nm。磨头和测量头采用磨头和测量头采用空气轴承。空气轴承。工作台用工作台用人造花岗石。人造花岗石。用大量恒温水冷却。用大量恒温水冷却。新型超精密加工机床新型超精密加工机床新型超精密加工机床新型超精密加工机床新型超精密加工机床新型超精密加工机床新型超精密加工机床新型超精密加工机床超精密磨削机床超精密磨削机床 金刚石车床金刚石车床我国超精密车床我国

18、超精密车床我国超精密车床我国超精密车床第三节第三节 超精密加工机床主轴系统超精密加工机床主轴系统主轴是超精密加工机床的核心和保证主轴是超精密加工机床的核心和保证 能高速旋转能高速旋转 高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长 主轴本身及其驱动系统振动极小主轴本身及其驱动系统振动极小 发热少，且热平衡性能好发热少，且热平衡性能好 维护保养方便维护保养方便主轴关键是轴承主轴关键是轴承 早期用滚动轴承早期用滚动轴承 液体静压轴承液体静压轴承 空气静压轴承空气静压轴承液体静压轴承液体静压轴承特点：特点：回转精度高、转动平稳、回转精度高、转动平稳、承载能力高。承载能力高。

19、主要主要用于大型超精密加工机床。用于大型超精密加工机床。缺点：缺点：高速下，油温升高，造成热变形，影响主轴高速下，油温升高，造成热变形，影响主轴精度。精度。回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性性。措施：措施：提高油压，控制油温。提高油压，控制油温。液体静压轴承液体静压轴承液体静压轴承液体静压轴承空气静压轴承空气静压轴承p特点：特点：回转精度高、转速高，可达回转精度高、转速高，可达100,000r/min。转动平稳、几乎没有振动，因为完全空气润滑。转动平稳、几乎没有振动，因为完全空气润滑。不发热、即使在高速下，温升很小，变形小。不发热、即使在

20、高速下，温升很小，变形小。摩擦阻力小、寿命长，摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦。因为几乎没有摩擦。因为不使用油，不存在密封和泄露问题。因为不使用油，不存在密封和泄露问题。可靠性高、维护保养方便。可靠性高、维护保养方便。空气静压轴承空气静压轴承p缺点：缺点：刚度低，承载能力不如液体静压刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。机床。圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静压轴承双半球空气静压轴承双半球空气静压轴承前部球形、后部径向空气静压轴承前部球形、后部径向空气静压轴承主轴和轴承材料主轴和轴承材料p要求：要求：不易磨损、不生锈、热膨胀系

21、数小、材不易磨损、不生锈、热膨胀系数小、材料稳定性能好料稳定性能好。p主要材料：主要材料：1.氮化钢（氮化钢（38CrMoAl），表面经氮化和低温），表面经氮化和低温稳定处理、稳定处理、2.不锈钢、不锈钢、3.轴承钢等。也有用多轴承钢等。也有用多孔石墨、陶瓷、花岗石的报道。孔石墨、陶瓷、花岗石的报道。主轴驱动方式主轴驱动方式1 电机通过带传递驱动电机通过带传递驱动 早期早期超精密加工机床采用这种驱动方式超精密加工机床采用这种驱动方式 电动机轴和机床电动机轴和机床主轴平行主轴平行。电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机可无电动机可无级调速级调速，没有齿

22、轮调速，取消齿轮变速箱。，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。电动机可采用电动机可采用单独地基单独地基，以免振动影响机床加工精度。，以免振动影响机床加工精度。2 电机通过柔性联轴器驱动机床主轴电机通过柔性联轴器驱动机床主轴 这种驱动方式在超精密机床中应用较多。这种驱动方式在超精密机床中应用较多。电动机和机床主轴在同一轴线上电动机和机床主轴在同一轴线上。用。用柔性联轴器柔性联轴器连接，连接，直接驱动。直接驱动。电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动电动机可无级调速机可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。3 采用内装式同轴电动

23、机驱动机床主轴采用内装式同轴电动机驱动机床主轴 将将机床主轴与电机轴合二为一机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，其间不再使用皮带、转子直接装入主轴组件的内部，其间不再使用皮带或齿轮传动副，或齿轮传动副，也称电主轴。也称电主轴。电主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口 优点优点：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱成为独立机构、移动方便，具有结构紧凑、重、主轴箱成为独立机构、移动方便，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等。量轻、惯性小、动态特性好等。缺点缺点：电机

24、发热，容易使主轴产生热变形。：电机发热，容易使主轴产生热变形。措施措施：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（水）冷却。水）冷却。第四节第四节 超精密加工机床总体布局超精密加工机床总体布局主轴箱位置固定、刀架在十字滑板上主轴箱位置固定、刀架在十字滑板上 要求要求十字滑板上下导轨有很高的运动精度十字滑板上下导轨有很高的运动精度、垂直精度，制造困难、垂直精度，制造困难 下滑板的运动误差将影响上滑板的运动精下滑板的运动误差将影响上滑板的运动精度度 激光测量不方便激光测量不方便 优点优点：由于主轴箱固定，电动机可有单独由于主轴箱固定，电动机可有单独地基地基 常见

25、的布局。常见的布局。车床主轴装在横向滑台（车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。轴）上。解决两滑台的解决两滑台的相互影响问题，相互影响问题，有利于提高有利于提高制造精度和运动精度。制造精度和运动精度。激光测量方便激光测量方便。已成为当已成为当前金刚石车床的主流布局前金刚石车床的主流布局T形布局的金刚石车床X轴滑台主轴刀架光路护罩基座z轴滑台周缘护板T形布局形布局金刚石车床R 布局布局立式结构布局立式结构布局其它布局形式其它布局形式超精密加工机床床身和导轨材料超精密加工机床床身和导轨材料p 优质耐磨铸铁优质耐磨铸铁 早期应用较多，工艺性好，可减振、热

26、胀低早期应用较多，工艺性好，可减振、热胀低p 花岗岩花岗岩 尺寸稳定、热胀低、硬度高、可减振、不生锈，尺寸稳定、热胀低、硬度高、可减振、不生锈，缺缺点：工艺性差、连接不便、吸潮点：工艺性差、连接不便、吸潮p 人造花岗岩人造花岗岩 花岗石碎粒用树脂粘结而成花岗石碎粒用树脂粘结而成超精密加工机床床身和导轨材料超精密加工机床床身和导轨材料导轨的作用和特点导轨的作用和特点超精密加工机床导轨结构形式超精密加工机床导轨结构形式导轨不仅是支承导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主且是还保证各部件间的

27、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：轴部件相比，具有以下的特点：工作速度低。工作速度低。导轨的刚度差，是机床最薄弱的环节之一。导轨的刚度差，是机床最薄弱的环节之一。受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚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。至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。导轨的基本要求导轨的基本要求1 导向精度高导向精度高 导轨在水平面内和垂直面内的直线度导轨在水平面内和垂直面内的直线度 导轨的平行度导轨的平行度,导轨

28、间的垂直度导轨间的垂直度2 足够的刚度足够的刚度 外力作用下导轨本身抵抗变形的能力外力作用下导轨本身抵抗变形的能力3 精度保持性（耐磨性）好精度保持性（耐磨性）好 降低导轨面的比压；降低导轨面的比压；良好的防护与润滑；良好的防护与润滑；正确选择导轨副的材料和热处理；正确选择导轨副的材料和热处理；选择合理的加工方法。选择合理的加工方法。4 运动的灵敏度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。度值越小，灵敏度越高。超精密加工机床导轨结构形式超精密加工机床导轨结构形式导轨结构形式导轨

29、结构形式V-平面平面 双双V形形滚动导轨滚动导轨 液体静压导轨液体静压导轨气浮导轨气浮导轨 空气静压导轨空气静压导轨V-平面平面 V形和平面导轨磨损不相等，影响加工精度。形和平面导轨磨损不相等，影响加工精度。导向性不好。导向性不好。双双V型型 两条道轨磨损均匀，精度高。两条道轨磨损均匀，精度高。导向性好导向性好 制造成本高制造成本高滚动导轨滚动导轨q 摩擦系数低（摩擦系数低（0.0020.003）液体静压导轨液体静压导轨q 刚度高、承载能力大、直线运动精度高、平稳、无刚度高、承载能力大、直线运动精度高、平稳、无爬行现象。爬行现象。q 由于导轨运动速度低，由于导轨运动速度低，导轨温升不高导轨温升

30、不高。气浮导轨气浮导轨q 当导轨上的运动部件很重、且压缩空气压力稳定时，当导轨上的运动部件很重、且压缩空气压力稳定时，可使用可使用气浮导轨。气浮导轨。压缩空气使导轨浮起，压缩空气使导轨浮起，摩擦系数接近摩擦系数接近零，不发热零，不发热。q 当压缩空气压力高度稳定时，气浮导轨可得到高的直当压缩空气压力高度稳定时，气浮导轨可得到高的直线运动精度。线运动精度。空气静压导轨空气静压导轨q 导轨导轨上下、左右均在静压空气约束下上下、左右均在静压空气约束下，因此，和，因此，和气浮导轨相比刚度和运动精度提高，几乎无摩擦。气浮导轨相比刚度和运动精度提高，几乎无摩擦。q 空气静压导轨空气静压导轨不发热，没有温升

31、不发热，没有温升。第五节第五节 超精密加工机床进给驱动系统超精密加工机床进给驱动系统p 能实现准确的微量位移和精确定位能实现准确的微量位移和精确定位 精密数控系统精密数控系统 滚珠丝杠副驱动滚珠丝杠副驱动 液体静压和空气静压丝杠副驱动液体静压和空气静压丝杠副驱动 摩擦驱动摩擦驱动p 精密数控系统精密数控系统 要求数控系统的分辨率高要求数控系统的分辨率高（0.01 m）。）。国外有高分辨率的精密数控系统，对国外有高分辨率的精密数控系统，对我国禁运我国禁运。精密数控系统精密数控系统直流（或交流）伺服电机直流（或交流）伺服电机，形成闭，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。环控制系统，达到要求的位移

32、精度。p 滚珠丝杠副驱动滚珠丝杠副驱动 一般的数控系统是伺服电机通过一般的数控系统是伺服电机通过滚珠丝杠副滚珠丝杠副驱动机驱动机床滑板或工作台。床滑板或工作台。目前，大多数超精密加工机床仍采用精密滚珠丝杠目前，大多数超精密加工机床仍采用精密滚珠丝杠副作为副作为进给系统的驱动原件进给系统的驱动原件。滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽内滚动，摩擦力很小。滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽内滚动，摩擦力很小。丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙等均影响进给运等均影响进给运动的平稳性。动的平稳性。p 滚珠丝杠副驱动滚珠丝杠副驱动 p 液体静压和空气静压丝杠副驱动液体静压和空气静压丝杠副驱动 由于由

33、于滚珠丝杠副驱动滚珠丝杠副驱动丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙隙等会影响进给运动的平稳性。现在有使用等会影响进给运动的平稳性。现在有使用液体静压和液体静压和空气静压丝杠以提高进给运动平稳性。空气静压丝杠以提高进给运动平稳性。效果好，结构复杂、成本高，目前，效果好，结构复杂、成本高，目前，应用不多应用不多。液体静压和空气静压丝杠副驱动液体静压和空气静压丝杠副驱动p 摩擦驱动摩擦驱动 为了进一步提高运动平稳性和运动精度，为了进一步提高运动平稳性和运动精度，现在有些超现在有些超精密机床的导轨驱动使用精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动摩擦驱动。经试验证明：效果。经试验证明：效果优

34、于滚珠丝杠副驱动优于滚珠丝杠副驱动。结构复杂、成本高。结构复杂、成本高。国外已有几台大型超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱国外已有几台大型超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动，据报道机床导轨的动，据报道机床导轨的直线运动非常平稳直线运动非常平稳，直线运动精直线运动精度极高。度极高。摩擦驱动摩擦驱动第六节第六节 微量进给装置微量进给装置p 高精度微量进给装置高精度微量进给装置是超精密加工机床的一个重要关是超精密加工机床的一个重要关键装置，键装置，目前分辨率达到目前分辨率达到1 nm。p 作用：作用：可实现准确、稳定、可靠和快速微量位移。可实现准确、稳定、可靠和快速微量位移。高精度微量进给。高精度微量进给

35、。超薄切削。超薄切削。在线误差补偿。在线误差补偿。精密调整、对准、校正等。精密调整、对准、校正等。微量进给装置应满足的要求微量进给装置应满足的要求 微量进给和粗进给应分开微量进给和粗进给应分开，以提高微位移精度、分辨率和稳定性，以提高微位移精度、分辨率和稳定性 运动部分应是低摩擦、高稳定运动部分应是低摩擦、高稳定，以实现高的重复精度。，以实现高的重复精度。末级传动元件刚度高末级传动元件刚度高，如金刚石刀夹处。，如金刚石刀夹处。微量进给装置微量进给装置机构内部连接可靠机构内部连接可靠，尽量采用整体结构或刚性连接。，尽量采用整体结构或刚性连接。工艺性好工艺性好，容易制造。，容易制造。应具有好的动态

36、特性应具有好的动态特性，高的频率响应。，高的频率响应。微量进给装置微量进给装置能实现自动控制。能实现自动控制。微量进给装置的类型（微量进给装置的类型（6种）种）p 机械式或液压传动式机械式或液压传动式p 弹性变形式弹性变形式p 热变形热变形式式p 流体膜变形式流体膜变形式p 电致伸缩电致伸缩式式p 磁致伸缩磁致伸缩式式等等p 机械结构弹性变形微量进给装置机械结构弹性变形微量进给装置 早期、早期、手动操作手动操作 工作稳定、可靠工作稳定、可靠 p 压电和压电和电致伸缩电致伸缩式微量进给装置式微量进给装置 目前，大多采用目前，大多采用压电和压电和电致伸缩电致伸缩式微量进给装置。式微量进给装置。能实

37、现高刚度无间隙位移。能实现高刚度无间隙位移。分辨率达到分辨率达到1 nm。频率响应快。频率响应快。可实现可实现自动控制。自动控制。微量进给装置微量进给装置微量进给装置微量进给装置微量进给装置微量进给装置微量进给装置微量进给装置第七节第七节 超精密加工机床位移激光检测系统超精密加工机床位移激光检测系统p 目前超精密加工机床均目前超精密加工机床均装有位移激光检测装有位移激光检测系统系统p 主要用于检测机床坐标运动部件主要用于检测机床坐标运动部件Z和和X方向的位移方向的位移p 位移位移激光测量激光测量反馈给数控系统反馈给数控系统控制运动部件控制运动部件位移位移形成闭环控制系统。形成闭环控制系统。超精

38、密加工机床位移激光检测系统超精密加工机床位移激光检测系统双频激光测量系统p 3路激光路激光p 精度精度0.1 mp 7路激光路激光p 分辨率分辨率0.635nm第八节第八节 超精密机床稳定性和减振隔振超精密机床稳定性和减振隔振p 超精密加工机床要求高稳定的机床结构超精密加工机床要求高稳定的机床结构即：即：各部各部件尺寸稳定性好、刚度高、变形小、结构抗振减振性能件尺寸稳定性好、刚度高、变形小、结构抗振减振性能好好。p 各部件尺寸稳定性各部件尺寸稳定性 采用尺寸稳定好的材料制造机床部件，如：陶瓷、采用尺寸稳定好的材料制造机床部件，如：陶瓷、花岗石、尺寸稳定性好的钢等花岗石、尺寸稳定性好的钢等 各部

39、件消除残余应力，如：时效处理、冰冷处理等各部件消除残余应力，如：时效处理、冰冷处理等p 结构刚度高、变形小结构刚度高、变形小 当机床运动当机床运动部件位置改变，工件装卸或负荷变化，部件位置改变，工件装卸或负荷变化，受力变化等，将产生变形受力变化等，将产生变形，要求机床，要求机床结构刚度高、变形结构刚度高、变形量极小量极小，基本不能影响加工精度。，基本不能影响加工精度。各接触面和联接面接触良好各接触面和联接面接触良好，接触刚度高、变形小。，接触刚度高、变形小。提高机床抗振性的措施提高机床抗振性的措施p 各部件必须精密动平衡，消灭或减小机床内部振动源各部件必须精密动平衡，消灭或减小机床内部振动源

40、电机、主轴、导轨、滚珠丝杆、工件偏心等。电机、主轴、导轨、滚珠丝杆、工件偏心等。p 提高机床结构抗振性。提高机床结构抗振性。合理结构、对称结构、大床身。合理结构、对称结构、大床身。p 在易振动部分，人为加入阻尼，减小振动。在易振动部分，人为加入阻尼，减小振动。p 使用抗振动材料制造机床结构。使用抗振动材料制造机床结构。人造花岗石人造花岗石花岗石花岗石铸铁。铸铁。隔振措施隔振措施p 远离振动源远离振动源 机床附近的振源，如：空气压缩机、泵等应尽量移走。机床附近的振源，如：空气压缩机、泵等应尽量移走。实在无法移走，应采用单独地基，加隔振材料。实在无法移走，应采用单独地基，加隔振材料。p 超精密机床

41、采用单独地基超精密机床采用单独地基 隔振沟、隔振墙隔振沟、隔振墙p 使用隔振垫使用隔振垫(也称空气弹簧也称空气弹簧)超精密机床稳定性和减振隔振超精密机床稳定性和减振隔振第九节第九节 减小热变形和恒温控制减小热变形和恒温控制p 据统计超精密加工机床热变形和工件温升引起的误差据统计超精密加工机床热变形和工件温升引起的误差占总误差的占总误差的40-70%。p 如：加工如：加工100 m长铝合金零件，温度每变化长铝合金零件，温度每变化1，将产，将产生生2.25 m的误差。的误差。p 如：磨削如：磨削 100零件，温度变化零件，温度变化10，将产生，将产生11.0 m的误差。的误差。p 目前许多超精密加

42、工机床都装有温度控制系统和热误目前许多超精密加工机床都装有温度控制系统和热误差补偿装置差补偿装置减小热变形的措施减小热变形的措施p 减小机床热源减小机床热源，如：空气轴承替代液体静压轴承以如：空气轴承替代液体静压轴承以减小发热量；使用发热小的电机；将发热量大的器件至减小发热量；使用发热小的电机；将发热量大的器件至于机床床身之外等。于机床床身之外等。p 采用热膨胀系数小的材料采用热膨胀系数小的材料，如：陶瓷、花岗石等。，如：陶瓷、花岗石等。p 结构合理、对称，使变形最小结构合理、对称，使变形最小。p 使机床长期处于热平衡、使变形量恒定使机床长期处于热平衡、使变形量恒定p 大量恒温液体浇注，使温度保持一致大量恒温液体浇注，使温度保持一致减小热变形和恒温控制减小热变形和恒温控制