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1、精密和超精密加工技术,华南理工大学陈松茂 讲师,第四章 精密和超精密加工的机床设备,本章主要提要,4.1 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介,精密机床是实现精密加工的首要基础条件。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；19831984研制成功大型超精密金刚石车床DTM3型和LODTM大型超精密车床。英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。日本：在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件超精密加工技术方面更加先进和具有优势，在中小型超精密机床生产上基本与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。欧洲其它国家：如德国、瑞士、
2、法国、意大利等的超精密机床水平也很高。中国：与国外差距很大。70年代末有长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床及部件，如：JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床等。,一、发展概况,2,空气轴承（又称为气浮轴承）指的是用气体（通常是空气，但也有可能是其它气体）作为润滑剂的滑动轴承。空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。空气轴承分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，空气静压轴承用得较广泛。,有轴承内圈和外圈，外圈上有空气的进出口空，内圈上有喷嘴。,3,二、超精密机床
3、进一步发展的规划,美国POMA计划 0.1m形状精度。已经实现。日本“超超精密机床”规划 以纳米级精度为目标提高机床精度。已经完成。中国发展计划 正在研制加工直径1m以上的立式超精密机床。逐步缩小与国外的差距。,4,三、典型超精密机床简介,Union Carbide 半球车床,1962年研制。采用空气静压轴承，立式结构。能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6m，表面粗糙度0.025m。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。回转精度达到0.125m。,5,美国Moore 车床,1968年研制。由Moor
4、e 3型坐标测量机改造而成。采用卧式空气轴承主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。转速5000r/min，径跳0.1m。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore 3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨，精密数控系统分辨率0.01m，双坐标双频激光测量系统（分辨率0.01m）、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承，抗振性好。生产多台，在世界多个国家广泛使用。,6,Ex-Cell-O公司的2m镜面立式车床,1976年研制。主要用于加工直径达2m的金属反射镜。采用双半球结构空气轴承主轴的II-G型卧式车床，和用端面止推及半球空气轴承主轴结构的II-B型立式车床。轴承径
5、向跳动为0.100.13m，端面圆跳动为0.150.18m，2000r/min运转8h的温升在5.6以内，径向刚度为361N/m。,7,美国Pneumo公司的MSG-325超精密车床,采用T形布局，主轴箱下有导轨作z向运动，刀架溜板作x向运动。机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均0.05m。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0.01m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。使用精密的圆弧刃金刚石刀具加工非球曲面的反射镜，可达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度。,8,DTM-3大型超精密车床,1983年由美国LLL实验室联合研制。可加工最
6、大零件2100mm重量4500kg的各种金属反射镜、红外装置零件、大型天体望远镜等。半径方向形状精度27.9nm，圆度、平面度12.5nm，Ra4.2nm。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。世界公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。,9,大型光学金刚石车床LODTM,1984年由美国LLL实验室联合研制。可加工1625mm500mm、重量1360kg的大型金属反射镜。机床采用立式结构，采用面积较大止推轴承；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
7、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。也是世界公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。,10,OAGM 2500大型超精密机床,1991年由英国CUPE公司和SERC公司联合研制。用于精密磨削和坐标测量X射线天体望远镜的大型曲面反射镜，最大加工尺寸2500mm2500mm610mm，2500mm高精度回转工作台。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。,11,AHN1O型高效专用车削、磨削超精密机
8、床,由日本TOYOTA公司研制。用于加工塑料高精密透镜的金属模。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，可加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，加工直径100mm，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01m，激光测量反馈，定位精度全行程0.03m。加工模具形状精度0.05m，表面粗糙度0.025m。,12,我国金刚石超精密机床,13,4.2 精密主轴部件,精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。能高速旋转；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；发热少，且热平衡性能好；维护保养方便。主轴关键是轴承。早期用滚动轴承（1m，Ra0.04
9、-0.02m，高精度制造困难）液体静压轴承（0.1m，转动平稳无振动）空气静压轴承,14,一、液体静压轴承主轴,主轴回转精度,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。,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。,15,按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为:,液体摩擦轴承,非液体摩擦轴承,液体动压润滑轴承,液体静压润滑轴承,按滑动轴承承受载荷的方向可分为:,径向滑动轴承（向心）,推力滑动轴承（止推）,滑动轴承的分类,16,动压润滑轴承,利用相对运动
10、副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。,静压润滑轴承,在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。,根据润滑膜的形成原理不同分为：,17,径向轴承（向心轴承）,径向轴承的受力Fr与轴的中心线垂直,止推轴承（推力轴承）,止推轴承受力Fa与轴的中心线平行,Fr,Fa,轴承座,径向轴瓦,止推轴瓦,根据承受载荷方向不同分为：,18,静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承,液体静压轴承工作原理,19,（1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为4个）。（
11、2）各油腔之间开有回油槽。（3）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。（4）油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般为0.020.04mm。（5）油泵供油压力为ps，油液经节流器T进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。（6）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为h0。（7）当主轴受径向载荷（包括自重）F作用后，轴颈向下移动产生偏心量e。,20,（8）油腔3处的间隙减小为h0-e，由于油液流过间隙小的地方阻力大
12、，流量减小，因而流过节流器T3的流量减少，压力损失随之减小。（9）供油压力ps 一定，油腔3内的油压p3升高。（10）油腔1处的间隙增大为h0e，由于油液流过间隙大的地方阻力小，流量增加，因而流过节流器T1的流量增加，压力损失亦随着增加，所以油腔1内的油压p就降低，这样油腔3与油腔1之间形成了压力p=p3-p1，产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷F。（11）假如油腔的有效承载面积为A，则轴承的承载能力为：F=A（p3-p1）。（12）各油腔由同一个液压泵供油，则每个油腔必须串联一个节流器。（13）没有节流器，各油腔油压相同，互相抵消，就不能平衡外载荷了，这时主轴产生位移，甚至使轴颈与轴承
13、表面接触。（14）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压轴承可以在很低的转速下工作。,21,特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。缺点：高速下，油温升高造成热变形，影响主轴精度；回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。解决措施（以DTM-3大型超精密机床为例）：（1）提高静压油的压力到68MPa，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。,液体静压轴承的优缺点,22,二、空气静压轴承主轴,优点：回转精度高、转速高，可达100,000r
14、/min；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；摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦；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。缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。,23,圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承,结构与液体静压轴承主轴结构基本相同，只是节流孔和气腔大小形状不同。要求有很高的同轴度和垂直度。1号车床的径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。轴套的外表面做凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时，轴套可以自动调整位置，从而保证轴颈与轴鼓为面接触。用多孔石墨的轴衬代替小
15、节流孔。,Union Carbide 半球车床,24,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。如：PG150S型，F承载=180Kg，刚度=350N/m,25,前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴,球形一端同时起径向和轴向推力轴承作用，并有自动调心作用，提高前轴承和后轴承的同轴度，提高主轴回转精度；圆柱一端提高刚度和承载能力。,26,立式空气轴承,特点：下止推面大于上止推面，平衡主轴重量；圆弧面径向轴承，自动调心、提高精度。,27,三、超精密机床主轴和轴承的材料,要求：不易磨损，不
16、易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近，材料的稳定性好。主要材料：轴和轴套均采用38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理；不锈钢、多孔石墨和轴承钢；此外还有铟钢、花岗岩、线膨胀系数接近零的微晶玻璃、陶瓷等。,28,电动机通过带传动驱动早期采用这种驱动方式；电动机轴和机床主轴平行；电动机采用直流或交流变频，可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱；电动机可采用单独地基，以免振动影响机床加工精度；传动带用柔软的无接缝丝质材料。,四、主轴的驱动方式,直接影响主轴回转精度,29,电动机通过柔性联轴器驱动这种驱动方式应用较多；电动机轴和机床主轴在同一轴线上，用柔性联轴器连接，直
17、接驱动；电动机采用直流或交流变频，可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱；,30,采用内装式同轴电动机驱动机床主轴将机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，期间不再使用皮带或齿轮传动副，也称电主轴。,优点：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，重量轻、惯性小、动特性好等。缺点：电机发热，容易使主轴产生热变形。措施：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（水）冷却。,31,4.3 床身和精密导轨部件,一、超精密机床的总体布局,十字形滑板工作台布局,主轴箱固定，刀架装在十字形滑板上沿z、x运动；要求十字滑板上下导轨有很高的
18、运动精度、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误差；激光干涉测量系统装在移动导轨上，增加测量误差；激光测量需要光路封闭结构，增大工作台体积。优点：由于主轴箱固定，电动机可有单独的地基。,32,T形布局,车床主轴装在纵向滑台（z向）上，刀架装在横向滑台（x向）上。或颠倒过来。常见的布局；可解决两滑台的相互影响问题，有利于提高制造精度和运动精度；激光测量方便，已成为当前金刚石车床的主流布局。,33,R布局：刀架溜板装在回转工作台上，控制旋转半径R、转角，主轴箱控制z方向移动。高精度圆弧导轨制造不易，应用不多。偏心圆转角布局：图4-16。优点：完全不需要导轨的直线运动，加工精度和表
19、面质量很高，机床结构比较简单和紧凑。立式结构布局：适于工件直径大、重量重。多采用龙门形式。,其它布局形式,34,二、床身和导轨的材料,35,铸铁优点：成本低；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12倍，但成本较高，常用于精密机床导轨。,优质耐磨铸铁,36,花岗岩,优点：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
20、度高、耐磨并不会生锈。缺点：吸湿性，工艺性差、连接不便。,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。,37,三、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，而且还是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：工作速度低；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；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，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。,38,（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
21、、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。,导轨的基本要求,39,（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。,40,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。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。,按两导轨面间的摩擦性质分类,41,滑动导轨分两大类凸
22、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。,滑动导轨按导轨的截面形式分类,42,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。,四、导轨的结构形式,三角形导轨,43,矩形导
23、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,44,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,45,导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保
24、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。,双三角形组合,46,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,47,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,48,两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
25、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,49,定义：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（0.00250.005）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1015年)；低速运动平稳性好，一般没有爬行现象。,五、滚动导轨,50,移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约0.10.2m）；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。,滚动导轨的
26、优点,51,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。,滚动导轨的应用,52,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。,53,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
27、形，中间直径比两端大0.02mm左右。,54,再循环滚柱滚动组件,55,再循环滚珠滚动组件,56,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。,滚动导轨的预紧,57,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
28、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。,六、液体静压导轨,静压导轨特点,58,七、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MSG325使用气浮导轨。,特点：1、压缩空气使导轨浮起，摩擦系数接近0，不发热；2、当压缩空气高度稳定时，气浮导轨可得到高的直线运动精度。,59,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
29、导轨的刚度和运动精度高。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0.40.6MPa。,特点：1、和气浮导轨相比，刚度和运动精度提高，几乎无摩擦；2、不发热，没有温升。,60,数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。,4.4 进给驱动系统,一、数控系统的伺服系统,伺服系统的组成,61,进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作
30、一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,进给伺服系统,62,伺服驱动装置,指令,速度环,位置环,速度检测,闭环进给伺服系统结构,63,1、位移精度高2、稳定性好3、快速响应4、调速范围宽5、低速大扭矩,伺服系统的基本要求,64,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。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。,二、精密数控系统,65,三、滚珠丝
31、杠副驱动,进给的驱动元件，滚珠在丝杠和螺纹槽内滚动，摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。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。精密级和高精密级滚珠丝杠的螺母常做成两段组合。为减小滚珠丝杠的径向圆跳动和轴向跳动对导轨直线运动的影响，采用螺母和工作台柔性连接，即螺母装在柔性的过渡连接块上再和工作台固定。,66,四、液体静压和空气静压丝杠副驱动,提高进给运动的平稳性。液体静压轴承的间隙大，气体静压轴承的间隙小。,67,五、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。,68,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。微量进给机构应
32、满足的要求：精微进给和粗进给应分开；运动部分必须是低摩擦和高稳定度的；末级传动元件必须具有很高的刚度；微量进给机构内部联接必须是可靠联接；工艺性好，容易制造；微量进给机构具有好的动特性；微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。,4.5 微量进给装置,一、对微量进给装置的要求,69,二、对微量进给装置的应用,实现微量进给；实现超薄切削；在线误差补偿；用于切削加工非轴对称特殊型面。,70,三、机械结构弹性变形微量进给装置,71,压电材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。由于压电材料对于所
33、加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应，可用作温度传感器。压电陶瓷是一种具有能量转换功能的陶瓷，在机械力的作用下发生形变时，会引起表面带电。带电强度的大小，可以和施加电场的强度成正比，也可以成反比。因此，能够在各个领域中得到广泛应用。压电陶瓷PZT（PbZnO-PbT）。,四、压电和电致伸缩传感器进给装置,压电和电致伸缩传感器的材料,72,电致伸缩传感器的结构和性能,两片成一对，中间通正电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在一起，正极联在一起，负极联在一起。要提高电致
34、伸缩传感器的动态特性，应减少传感器中的陶瓷片，减少传感器的电容量。,73,电致伸缩式微量进给装置的结构,有较高的刚度和自振频率（200-500Hz）调整使用方便最好是整体结构，无摩擦力微位移结构不要太复杂，便于加工制造,74,75,4.6 机床运动部件位移的激光在线检测系统,一、激光在线检测系统的工作原理,超精密机床的工件的形状由机床的两坐标（z向和x向）的精密数控系统来控制工件和刀具的相对位置。精密数控系统现在采用闭环控制，即机床的运动部件的位移用装在机床内部的双频激光干涉测距系统随机精确检测，将数据反馈给精密数控系统，保证位移运动的高精度。,76,二、MSG325超精密机床的激光检测系统,
35、美国HP公司生产的HP5501两坐标双频激光干涉测量系统。主轴箱作z向运动，刀架作x向运动。激光测量系统的分辨率为0.01微米，大部分激光光路采用封闭。,77,三、三坐标测量机激光位移测量系统,三路激光位移测量系统分辨率为0.01m，测量精度在0.1m,78,四、LODTM大型光学金刚石车床激光测量系统,7路双频激光检测x和z方向位移分辨率为0.635nm，测量精度在2nm,79,1、各部件的尺寸稳定性好采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件；各部件经过消除应力；2、结构刚度高，变形小结构刚度高、变形量极小，基本不影响加工精度；各接触面和联接面的接触良好，接触刚度高，变形极小。,4.7 机床的稳定
36、性和减振隔振,一、机床的稳定性,80,问题1：什么样的机床的稳定性好？问题2：怎样减少机床内部的振动？问题3：怎样减少外界振动对机床的影响？,81,隔振的目的是采用一定的隔振措施，使环境振动不致影响精密设备的正常工作。根据隔振措施的不同，可分为积极隔振和消极隔振两种。隔振措施是针对振源采取的，称为积极隔振；隔振措施是对精密设备采取的，其目的是减小环境振动对精密设备的影响，称为消极隔振。隔振设计的任务是在理论计算及实践的基础上，根据精密设备允许的振动量、水平度要求以及环境振动的大小，选择有效的和经济合理的隔振方案，其中包括确定隔振系统的质量、刚度、尺寸、结构型式及隔振器的材料、型式、刚度、尺寸、
37、数量和布局等。,二、隔振的目的与任务,82,各运动部件都经过精密动平衡，消灭或减少机床内部的振源。提高机床结构的抗振性。在机床结构的易振动部分，人为的加入阻尼，减小振动。使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件。,三、提高机床结构的抗振性和消除减少机床内的振动,83,1、超精密机床应尽量远离振源；LODTM大型超精密车床为避免恒温水的水泵的振动的影响，水泵将恒温水打到水箱中，恒温水靠自重从水箱流到超精密机床的各个部件。2、超精密机床采用单独地基，隔振沟、隔振墙等；LODTM车床除用带隔振沟的地基外，还将机床放置在带隔振墙的房间。3、使用空气隔振垫Moore公司的M18AG车床、Pneumo公司
38、的MSG-325车床、DTM3机床和LODTM车床用空气隔振垫支承，高位支承将使机床的抗振性提高，增加机床的稳定性。,四、隔离振源，使用隔振沟、隔振墙和空气隔振垫以 减少外界振动的影响,84,4.8 减少热变形和恒温控制,问题1：减少机床热变形的措施？问题2：LODTM车床是怎样进行恒温控制的？,85,尽量减少机床中的热源；采用热膨胀系数小的材料制造机床部件；结构合理化使在同样的温度变化条件下，机床的热变形最小；使机床长期处在热平衡状态，使热变形量成为恒定；使用大量恒温液体浇淋，形成机床附近局部地区小环境的精密恒温。,一、减小机床热变形的措施,86,二、LODTM 的恒温控制,机床放置在用铝制框架和绝热塑料炉墙板做成的恒温室里；恒温室内通恒温空气；使用两级水冷热交换器，用测热传感器测进入的空气温度；重要部件直接用恒温水流控制。,87,习题4-4习题4-9习题4-12习题4-17,课后思考题,88,本章结束,89,
