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1、第4章 精密和超精密加工机床,4.1 精密和超精密加工机床概述,1）提高机床加工精度的方法 运用加工误差理论，改进加工设备，使其加工精度得以提高。,蜕化加工原则,创造性加工原则,用比工件精度高的设备加工零件，加工出的零件的精度低于设备的精度。也叫“母性加工原则”广泛应用的方法。,对精度低于工件精度要求的设备采取合理措施加以改进提高（精化）后，再用来加工高精度零件的方法实现精密加工的主要途径。,第4章 精密和超精密加工机床,2） 蜕化加工原理,以滚齿加工为例：,滚齿机分度误差,齿轮的分度误差机床分度误差刀具误差工件安装偏心其它随机误差,蜕化加工特点：,加工效率高、成本低，适于批量生产 机床精度必
2、须高于工件精度,加工出的齿轮的分度误差大于滚齿机自身的分度误差,第4章 精密和超精密加工机床,3）创造性加工原理,直接法创造性加工 对加工用的机床及其工艺系统进行精化，从而提高工件的加工精度。适用于单件或小量加工高精密零件。,间接法创造性加工 研制更高精度的机床及其工艺系统，再按蜕化法来加工高精度零件。适用于批量精密加工。,第4章 精密和超精密加工机床,4）机床设计提高加工精度的途径,机床主轴系统 导轨系统 （微量）进给机构 稳固的床身 检测与误差补偿系统,第4章 精密和超精密加工机床,4.2 精密机床主轴系统,1） 关键精度要求：,2） 液体静压轴承主轴系统,主轴回转误差（精度）：0.1 m
3、,刚度大、承载能力强 油压：6-8 MPa 油经过恒温控制； 轴承用恒温水冷却,典型液体静压轴承主轴结构 1-径向轴承； 2-止推轴承； 3-真空吸盘,第4章 精密和超精密加工机床,3） 空气静压轴承主轴,允许的转速高； 回转精度高； 刚度低、承载能力小； 气隙：6-15 m； 气压：0.4-0.8 MPa,第4章 精密和超精密加工机床,空气静压轴承主轴示例,第4章 精密和超精密加工机床,1） 液体静压导轨,静压导轨的优点：,消除低速爬行 吸振减振 误差迟钝化 减小摩擦阻力,第4章 精密和超精密加工机床,4.3 精密机床导轨系统,2） 气体静压导轨,第4章 精密和超精密加工机床,3） 静压导轨
4、的精度,第4章 精密和超精密加工机床,4.4 精密机床进给系统,4.4.1 精密数控系统,1）精密数控系统的基本要求：,主要包括：精密数控系统、进给驱动机构,多轴联动（非球曲面要求：x轴、y轴、B转轴三轴联动）,系统高分辨率： 0.01 m /脉冲,驱动电机：直流伺服电机或交流伺服电机,闭环控制：位移信号反馈（光栅磁尺、激光测量系统),2）典型机床数控系统：,德国西门子数控系统 日本发那哥数控系统 中国兰天数控系统、广州数控系统、,第4章 精密和超精密加工机床,4.4.2 进给驱动机构,主要包括：精密滚珠丝杠副、液体/空气静压丝杠副、摩擦副,1）精密滚珠丝杠副驱动,精度指标：螺距误差0.5-1
5、 m；累计螺距误差 3-5 m/300mm,第4章 精密和超精密加工机床,2）液体/空气静压丝杠副驱动,特点： 运动非常平稳 刚度较低 存在反向间隙 成本高,第4章 精密和超精密加工机床,3）摩擦副驱动,特点： 运动非常平稳 直线运动精度高 结构设计困难,第4章 精密和超精密加工机床,4.5 微量进给（微位移）机构,4.5.1 微量进给（微位移）机构的用途,微量进给 超薄切削 精密测量误差补偿 精密仪器微调机构,定义指行程小于1mm，灵敏度和精度高（亚微和纳微级） 的机构。,第4章 精密和超精密加工机床,4.5.2 对微量进给（微位移）机构的要求,高的分辨率和灵敏度 ( 0.001-0.01m
6、 ),极低的摩擦系数和高稳定性（重复精度）,末级传动元件高刚度要求,高的动态特性（高频响）,能够实现微进给的自动控制,粗进给、精进给分开设计,工艺性好，机构本身必须能够制造,第4章 精密和超精密加工机床,4.5.3 微位移机构的分类与特点,柔性支承压电或 电致伸缩驱动； 滚动导轨压电或 电致伸缩驱动； 滑动导轨机械式 驱动； 平行弹性导轨机 械式或电磁等驱动； 气浮导轨伺服电 机或直线电机驱动。,第4章 精密和超精密加工机床,第4章 精密和超精密加工机床,4.5.4 机械结构弹性变形微进给原理,特点：工作稳定、重复精度高、分辨率0.01 m、刚度70N/m,第4章 精密和超精密加工机床,4.5
7、.5 压电和电致伸缩传感器及其微位移原理,基本构成：压电/电致伸缩传感器、微位移装置、驱动电源,传感器材料：压电陶瓷PZT（PbZnO-PbT）,特点： 高刚度无间隙级微位移 分辨率1-2.5nm 变形系数较大 很高的响应频率：100s 无空耗电流发热问题,第4章 精密和超精密加工机床,第4章 精密和超精密加工机床,第4章 精密和超精密加工机床,4.5.6 几种典型微位移器工作原理与结构,1）柔性支承压电伸缩微位移器驱动（1）,第4章 精密和超精密加工机床,1）柔性支承压电伸缩微位移器驱动（2）,第4章 精密和超精密加工机床,2）滚动导轨压电器件驱动,第4章 精密和超精密加工机床,3）平行弹簧
8、导轨机械式位移缩小机构驱动,第4章 精密和超精密加工机床,4）平行弹簧导轨电磁伸缩微位移驱动,第4章 精密和超精密加工机床,5）平行弹簧导轨电致伸缩微位移驱动（0.2m）,第4章 精密和超精密加工机床,6）滑动导轨 压电器件驱动,第4章 精密和超精密加工机床,4.6 精密机床的稳定性和减振隔振（自学） 4.7 精密机床热变形与恒温控制（自学）,第4章 精密和超精密加工机床,自学与思考：,（1）影响精密和超精密加工工艺系统稳定性的因素与对策； （2）精密和超精密机床设计中的减振策略与原理； （3）精密和超精密机床的隔振方法与原理； （4）影响精密和超精密加工工艺系统热变形的因素； （5）精密机床的热变形及其危害； （6）精密和超精密机床的恒温控制方法； （7）减小精密和超精密加工环境温度影响的对策； （8）以某精密仪器为例，说明其微进给系统的结构与原理； （9）以某精密仪器为例，说明其微进给运动控制原理； （10）以某精密仪器为例，说明其主轴系统的结构与原理； （11）以某精密仪器为例，说明其直线运动副的结构与原理； （12）以某精密仪器为例，说明其减振策略与原理。,
