第四章 精密和超精密加第四章 精密和超精密加工的机床设备工的机床设备

本章内容本章内容• 精密和超精密机床发展概况• 典型超精密机床简介• 精密主轴部件• 床身和精密导轨部件• 进给驱动系统• 微量进给装置• 机床运动部件的激光在线检测系统• 机床稳定性和减振隔振• 减少热变形和恒温控制

4.1 4.1 精密和超精密机床发展概况精密和超精密机床发展概况

• 精密和超精密机床的发展概况• 超精密机床进一步发展的规划

精密和超精密机床的发展概况精密和超精密机床的发展概况产生时间 机床名称 精度等级18世纪 普通机床（镗、车、磨等） mm二战前 精密机床（欧、美） μm二战后 超级密机床（ SDTP、 LODTM、 CATC等） nm

典型超精密机床的简介• Union Carbide 公司的半球车床• Moore 车床• Ex-Cell-O 公司的 2m 镜面立式车床• 美国 Pneumo 公司的 MSG-325 型超精密车床• 美国 LLL 实验室的 DTM-3 型大型超精密车床• 美国 LLL 实验室的大型光学金刚石车床 LODTM• 英国 Cranfield 公司的 OAGM 2500 大型超精密车床• 日本 TOYOTA 公司的 AHN 高效专用车削、磨削超

精密机床

Union CarUnion Carbidebide 公司公司的半球车的半球车

床床

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

主轴采用空气主轴采用空气静 压 轴 承 ， 转静 压 轴 承 ， 转速速 50005000 转转 // 分 ，分 ，径跳＜径跳＜ 0.1μm0.1μm液体静压导轨液体静压导轨 ,,直线度 直线度 0.05μm/0.05μm/100mm100mm数控系统分辨数控系统分辨率率 0.01 μm0.01 μm

英国 OAGM 2500 大型超精密车床• 加工对象：精密磨削、

坐标测量 X 射线天体望远镜的大型曲面反射镜

• 加工范围： 2500×2500 × 610mm

• 主轴：空气轴承• 导轨：液体静压• 床身：型钢焊接，中间

填充人造花岗石• 数控及检测：精密三轴

联动，分辨率 2.5nm的双频激光测量

日本日本 TOYOTATOYOTA 公司的公司的 AHN AHN 高效专高效专用车削、磨削超精密机床用车削、磨削超精密机床

美国 LLL 实验室的大型超精密车床

LODTM加工实例

NASA 的 2 轴反射镜材料 : 铜基上镍涂层误差 <150 nm

单晶金刚石飞铣加工的激光系统用 KDP 晶体 ( 长宽 42cm, 厚 1cmm, 粗糙度 2nm rms)

美国 LLL 实验室 DTM-3 大型超精密车床

• 加工对象：激光核聚变用金属反射镜、红外装置零件、大型天体望远镜等

• 加工范围：直径 2100mm ，重 4500kg

• 设计精度 : – 半径方向形状误差： 27.9nm ;– 圆度、平面度： 12.5nm; – 表面粗糙度： 4.2nm

• 导轨： x 轴为 V 平液体滑动导轨； z 轴为平面空气静压导轨

• 主轴：柔性联结驱动，变频电机置地基上；油静压径向，空气静压轴向轴承

DTM DTM 主轴 主轴 (( 空气轴承空气轴承 ))

美国 LLL 实验室 DTM-3 大型超精密车床

• 床身：花岗石• 检测系统（ Metrogy Loop ）：

– 长距离测定系统：真空使用激光干涉仪，分辨率2.5nm

– 短距离测定系统：差动式电容测微仪– 安装：独立基准，除重力不受载荷

• 伺服系统：内置式 CNC ， x 轴、 z 轴摩擦驱动，刀架微位移由 PZT 压电陶瓷实现；电容传感器分辨率 0.625nm

• 环境控制：流体温度（ 20±0.0006 ） ºC ，空气温度（ 20±0.005 ） ºC

机 床 有 X,Z,C,B 四 个轴 , 在 B 轴上增加 A 轴转台后 , 可实现 5 轴控制 ,数控最小设定单位为 1nm. 可进行车 , 铣 , 磨和电火花加工。 旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。 为降低摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力和径向轴承均采用气体静压结构。

B

X导轨

B轴回转工作台

空气涡轮主轴

刀具

C轴回转工作台 工件Z导轨

空气油减振器

C

FANUC 微型超精密加工机床

机床的精度

• 加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。

• 对工件加工精度影响较大的机床制造误差有– 主轴回转误差– 导轨误差– 传动链误差

超精密机床的构成模块 ---机械要素• 主轴系统

– 轴承形式 : 滚珠轴承 , 静压轴承 ( 空气 / 液体静压 ), 磁力轴承 ,– 驱动方式 : 带驱动 , 伺服电机 , 内装电机 , 空气涡轮驱动 , 磁

性联轴节• 进给系统

– 轴承形式 : 滑动 , 滚动 , 气浮 , 静压 ( 空气 / 液体静压 )– 驱动方式 : 丝杠 ( 不同介质 : 空气 , 油等 ), 摩擦驱动 , 带 / 钢

丝驱动 , 直线电机• 结构件

– 材料 : 花岗石 ( 整体加工 , 铸造成型 ), 铸铁– 布局方式 : 十字滑块 ,T 型 ,R-θ 型 , 立式

主轴部件应的基本要求主轴部件应的基本要求• 回转精度：装配后在无载荷、低速转动条件下，在安

装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。• 刚度：即在外加载荷作用下抵抗变形的能力，对加工

精度和对机床性能有直接影响。• 抗振性：主轴部件抵抗受迫振动和自激振动的能力；

直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿命。• 温升和热变形：主轴部件的温度升高会使形状尺寸和

位置发生变化；影响工作性能，降低加工精度。

主轴回转精度主轴回转精度

•定义：主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。•类型：径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动

主轴的径向圆跳动误差

a ）工件回转型 　　　 b ）刀具回转型

精密主轴部件精密主轴部件

• 主轴支撑形式 : 轴承• 超精密机床主轴和轴承的材料• 主轴的驱动方式

主轴支撑轴承

1 、滚动轴承 (80m/s)

2 、静压轴承

3、磁悬浮轴承（ 200m/s)

滚动轴承电主轴

角接触陶瓷球轴承

陶瓷轴承高速主轴

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

陶瓷轴承高速主轴结构

采用 C 或 B 级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似； 采用“小珠密球”结构，滚珠材料 Si3N4 ； 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： ◎陶瓷球密度减小 60%，可大大降低离心力； ◎陶瓷弹性模量比钢高 50%，轴承刚度更高； ◎ 摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率 损失； ◎陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。

陶瓷轴承高速主轴结构特征

采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； 轴承转速特征值（ = 轴径（ mm ） × 转速（ r/min ））较普通钢轴承提高 1.2 ～ 2 倍，可达 0.5～ 1×106。回转精度可达 0.5μm

陶瓷轴承高速主轴结构特征

依靠液压 /气压系统供给压力油，压力油在轴承腔内强制形成压力油膜 /空气膜，以隔开摩擦表面。

静压轴承静压轴承

油腔

回油槽

节流

装置

FR

油路中必需配有节流器。工作时，若无外载荷（不计轴的自重）作用，轴颈浮在轴承的中心位置，各油腔内压力相等，亦即油泵压力 ps 通过节流器降压变为 p ，且p= p2 = p4 。

静压轴承静压轴承

静压轴承静压轴承

当轴颈受载荷W后，轴颈向下产生位移，此时油腔 4四周油台与轴颈之间的间隙减小，流出的油量亦随之减少，根据管道内各截面上流量相等的连续性原理，流经节流器的流量亦减少，在节流器中产生的压降亦减小，供油压力 ps是不变的，因而 p4必然增大。在油腔 2处则反之，间隙增大，回油畅通而 p2降低，油腔产生的压力差与外载荷平衡。

静压轴承工作原理静压轴承工作原理

轴颈圆度误差对主轴回转精度的影响

静压轴系特点• 轴承间隙内介质压强由外部供给，忽略主轴旋转时的动

压效应，承载能力不受主轴转速的影响，实现任何转速下液体摩擦，具有设计所需的承载能力；适应性好，寿命长 。

• 主轴浮起后是纯液体或气体摩擦，起动摩擦阻力小，主轴旋转后轴线偏移量比轴颈轴套的加工误差小得多

• 具有很高而且稳定的刚性，运转精度比较高。• 需要一套压力供油装置，所以设备成本高，体积大。适合于调速范围和载荷变化大得精密设备。

液体静压主轴原理和优点优点• 原理• 优点

– 转速高 ( 转速特征值可达到 1×106 )– 回转精度高 ( 可小于 0.2 μmμm)– 刚性大– 转动平稳–无振动– 可保护金属

液体静压轴承主轴结构

1. 径向轴承 2.推力轴承 3. 真空吸盘

液体静压轴承的电动机主轴液体静压轴承的电动机主轴

液体静压主轴缺点和解决途径缺点和解决途径

• 缺点：– 油温易升高，不同转速有不同温升，控制困难–易将空气带入油源，使油中产生悬浮的微小气泡，降低刚性和动态特性

• 解决途径：–提高压力油油压，减小油中气泡的影响– 设置恒温油箱控制静压轴承用油– 轴承用恒温水冷却

空气静压轴承主轴原理和优点

• 原理• 优点：

– 回转精度更高 (0.05 μmμm)

– 温升很小– 可用于高速 ( 转速特征值可达到 3×106以上 )

– 气体无需回收– 密封以及不污染环境

空气静压轴承主轴原理示意图

空气静压轴承主轴的特点

• 以气体作为润滑介质，可以空气、氢气、氮气作为润滑介质。

• 回转精度很高 (0.05 μmμm)• 高转速、低摩擦损失、温升小（ 1-3 ºC ）、无污染、承载能力低。

• 可应用于高速磨头、高速离心分离机、原子反应堆等场合。

空气静压轴承主轴缺点

• 承载能力和刚性比液体静压轴承低 (<100 μmμm) ，气体支撑易引起气锤现象而导致失稳

• 制造精度极高 ( 空气泄气间隙单边 6-15 μmμm)

• 不能保护金属，带水分气体会腐蚀金属

空气静压轴承主轴的典型结构典型结构• 圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承

– 结构简单、轴向刚度好，但前后轴承的同心度、径向和止推轴承的垂直度要求很高

• 双半球空气轴承主轴– 前后轴承既是径向又是止推轴承，具有自调心作

用，回转精度高，刚性好• 前部球形后部圆柱径向空气轴承的主轴

– 具有自调心作用，回转精度高，刚性不够好• 立式空气轴承

– 具有自调心作用，用于大型超精密车床

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

内装式双半球空气轴承同轴电动机驱动主轴箱

立式空气轴承立式空气轴承

1.多孔石墨轴衬 2. 驱动轴 3.孔隙

磁浮轴承磁浮轴承◆◆ 电磁铁绕组通过电流 I0 ，对转子产生吸力 F ，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置。转子受扰动后，偏离平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重回平衡位置

◆◆位移传感器常为非接触式 (5-7 个 ) ， 对其灵敏度和可靠性要求较高◆◆控制器设计复杂，磁悬浮轴承成本较高（一套售价约 1万美元）

放大器

电磁铁（定子）

传感器

转子

磁悬浮轴承工作原理

控制器

前辅助轴承电主轴

双面轴向推力轴承前径向轴承 后径向轴承

后辅助轴承

前径向传感器 后径向传感器 轴向传感器

磁浮轴承主轴

磁浮轴承主轴磁浮轴承主轴

磁悬浮轴承电主轴

瑞士 IBGA 公司的磁悬浮电主轴

磁悬浮轴承

磁悬浮轴承

高频电动机

松刀用液压装置

HSK-E刀柄水套冷却

主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约 0.1mm。

刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度 10倍。 转速特征值可达 4×106。 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以

及控制电路性能，目前可达0.2μm。 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，

对冷却系统性能要求较高。

磁浮轴承主轴特点

超精密机床主轴和轴承的材料• 材料要求 :

– 不易磨损– 不易腐蚀生锈– 热膨胀系数小– 稳定性好

• 实际制造空气主轴和轴套的材料– 38CrMoAl氮化钢、不锈钢、多孔石墨和轴承

钢• 发展中的材料制造空气主轴和轴套

–铟钢、花岗石、微晶玻璃、陶瓷

主轴的驱动方式

• 电动机通过带传动• 电动机通过柔性联轴器驱动• 内装式同轴电动机驱动

主轴电机：低速时必须满足切削转矩

电动机通过带传动电动机通过带传动• 特点：

–采用变频电机– 电机经精密动平衡，置于单独地基– 柔软丝质传动带

• 优点：可隔离电机振动• 缺点：布置不方便

电动机通过柔性联轴器驱动电动机通过柔性联轴器驱动

• 特点：– 电机、主轴在同一轴线上，– 变频电机，– 电机经精密动平衡，– 柔性联轴器联结

• 优点：– 结构紧凑，– 回转精度高

• 缺点：轴向尺寸增加，机床尺寸增加

内装式同轴电动机驱动内装式同轴电动机驱动

• 特点：电机轴即机床主轴，无刷式直流电动机• 优点：

– 回转精度高，– 摩擦振动小，– 主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件

• 缺点：发热升温引起主轴热变形• 解决办法

– 定子强制通气冷却– 定子外壳做出可通冷却水（液）的夹层

内装式同轴电动机主轴内装式同轴电动机主轴

作业

试比较精密主轴的特征

　转速特征值(=轴径 (mm)×转 (r/min) )

回转精度 /μm

轴承材料 特点 应用

滚珠轴承高速主轴 　 0.5-1 　 0.5 陶瓷珠 ,如

Si3N4 　　成本低 , 结构简单 ,转速和回转精度受限制

各种高速加工机床和加工中心等　

液体静压轴承高速主轴

>1　 　 <0.2 　轴承钢　成本高 , 结构复杂 , 刚性较好 , 转速和回转精度高

高速磨削、铣削等加工等

空气静压轴承高速主轴

　 >3 0.05　 轴承钢 ,多孔石墨　

　成本很高 , 刚性较差 , 转速和回转精度很高

　精密磨削，铣削、雕刻、微小孔钻削及抛光等

磁浮轴承高速主轴 　 4 　 0.2 　合金钢

　成本很高 , 结构复杂 , 刚性好 , 转速和回转精度高

　加工中心