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第一章 超精密机床结构设计1

1.1 超精密加工技术与超精密加工机床概述1

1.1.1 超精密加工技术的概念1

1.1.2 超精密加工机床的加工精度等级和划分精度6

1.1.3 超精密加工机床的分类9

1.1.4 超精密加工机床设计技术的特色23

1.2 超精密加工机床的模块化设计24

1.2.1 模块化的概念25

1.2.2 模块化设计的原则26

1.2.3 模块化设计的方法28

1.3 超精密加工机床结构设计技术29

1.3.1 特殊的超精密机床的结构设计31

1.3.2 高运动精度的轴系选择设计53

1.3.3 超精密机床计量框及检测设计54

1.3.4 超精密机床热控制设计58

1.4 超精密机床结构设计及典型实例61

1.4.1 典型超精密机床结构分析——L0DTM超精密金刚石车床61

1.4.2 典型超精密机床结构分析——Nanoform、Nanotech系列超精密机床68

1.4.3 典型超精密机床结构分析——OAGM2500 CNC超精密磨床77

1.4.4 典型超精密机床结构分析——BigOptix（BOX）超精密磨床85

1.4.5 典型超精密机床结构分析——CVD-SiC离轴非球镜的五轴超精密磨床94

1.4.6 典型超精密机床结构分析——CPPS超光滑抛光机床98

1.4.7 典型超精密机床结构分析——FANUC公司超精密铣床102

1.4.8 典型超精密测量机计量框结构103

参考文献111

第二章 精密和超精密机床设计理论与方法116

2.1 精密和超精密机床设计的一般原则116

2.1.1 精密和超精密机床设计的方法学116

2.1.2 精密和超精密机床功能和技术要求设计的主要内容117

2.1.3 精密和超精密机床现代设计方法118

2.2 超精密加工机床强度与变形设计的基本方法120

2.2.1 材料的强度属性120

2.2.2 结构之间的关联属性126

2.3 超精密加工机床阻尼设计的基本方法131

2.3.1 材料阻尼131

2.3.2 结构阻尼133

2.4 有限元结构静力和模态设计与分析145

2.4.1 超精密加工机床基于非刚度效应的设计145

2.4.2 溜板结构与横梁结构设计的例子152

2.4.3 床身结构模态分析156

2.5 有限元热状态设计与分析163

2.5.1 电机发热功率计算164

2.5.2 直线电机发热对拖板的影响166

参考文献171

第三章 超精密气体静压轴系的设计与运用173

3.1 超精密气体静压轴系概述173

3.1.1 超精密气体静压类型与节流方式173

3.1.2 超精密气体静压旋转轴系183

3.1.3 超精密气体静压平动轴系189

3.2 气体静压轴承的设计方法193

3.2.1 设计方法概述193

3.2.2 气体润滑方程的建立195

3.2.3 气体润滑方程的求解205

3.2.4 改进型比例分割法208

3.3 气体静压轴承静态特性213

3.3.1 特性描述公式213

3.3.2 矩形止推轴承静态特性与设计原则215

3.3.3 圆环止推轴承静态特性与设计原则218

3.3.4 径向止推轴承静态特性与设计原则222

3.4 节流形式设计227

3.4.1 小孔节流形式227

3.4.2 表面复合节流形式228

3.5 气体静压轴承的稳定性分析230

3.5.1 止推轴承231

3.5.2 径向轴承231

3.6 局部多孔质气体静压轴承的设计232

3.6.1 局部多孔质气体静压轴承的基本条件234

3.6.2 局部多孔质气体静压矩形止推轴承数学模型235

3.6.3 局部多孔质气体静压圆环（或圆盘）止推轴承数学模型239

3.6.4 局部多孔质气体静压径向轴承数学模型242

3.6.5 局部多孔质气体静压矩形止推方程的有限元方法求解245

3.6.6 局部多孔质气体静压轴承静态特性247

3.6.7 局部多孔质气体静压轴承设计准则250

3.6.8 多孔质内气体流动模型252

3.6.9 小孔类气体静压轴承与多孔质气体静压轴承的对比研究254

参考文献257

第四章 精密液体静压轴系的设计与运用261

4.1 精密液体静压轴系概述261

4.1.1 流体静压润滑的历史及研究现状262

4.1.2 液体静压轴承的优缺点263

4.1.3 超精密机床液体静压轴承与轴系的典型应用案例264

4.2 液体静压轴承分类270

4.2.1 止推轴承271

4.2.2 径向轴承274

4.2.3 多向支撑轴承274

4.3 液体静压轴承供压系统及油路系统275

4.3.1 定流量式供油静压系统277

4.3.2 定压式供油静压系统277

4.3.3 油路系统280

4.4 节流器及节流比282

4.4.1 节流器282

4.4.2 节流比参数284

4.5 建立流体润滑方程285

4.5.1 基本方程286

4.5.2 雷诺方程287

4.5.3 轴承特性描述289

4.6 流体润滑方程的数值解法291

4.6.1 常用数值解法291

4.6.2 有限差分法293

4.7 液体静压轴承的设计297

4.7.1 单矩形油垫的设计与分析298

4.7.2 单油垫支撑的设计步骤303

参考文献304

第五章 精密和超精密驱动链设计307

5.1 精密和超精密驱动链概述307

5.1.1 旋转运动驱动链307

5.1.2 直线运动驱动链308

5.2 驱动电机的选型设计309

5.2.1 精密和超精密机床对伺服电机的一般要求309

5.2.2 驱动电机的类型及评述310

5.2.3 精密和超精密机床驱动电机的选型设计理论与方法315

5.3 丝杠328

5.3.1 丝杠传动的类型328

5.3.2 丝杠驱动的特点分析330

5.3.3 液体静压丝杠339

5.3.4 滚珠丝杠的设计342

5.3.5 丝杠驱动链的设计355

5.4 减速器362

5.4.1 行星式减速器363

5.4.2 谐波减速器365

附录1 直流伺服电机的实例367

附录2 力矩电机的实例373

附录3 交流伺服电机的实例374

参考文献377

第六章 摩擦驱动定位技术380

6.1 摩擦传动及其在超精密机床中的运用概述380

6.2 摩擦传动机构的力学原理383

6.3 传统正交式摩擦传动方式390

6.3.1 摩擦传动的组成390

6.3.2 摩擦传动的几种型式393

6.4 扭轮摩擦传动方式398

6.4.1 扭轮摩擦传动的基本原理398

6.4.2 扭轮摩擦传动的实例400

6.5 扭轮摩擦传动运动学、动力学分析403

6.5.1 扭轮摩擦传动的动力学分析403

6.5.2 扭轮摩擦传动的运动学分析406

6.5.3 纯滚动状态下的动力学方程407

6.5.4 负载与夹角β问题分析410

6.6 扭轮摩擦传动系统运动参数计算413

6.6.1 工作台的最大加速度413

6.6.2 电机的扭矩参数选择414

6.6.3 扭轮摩擦传动系统运动参数计算415

6.7 扭轮摩擦传动的一维工作台设计417

6.7.1 系统组成与结构设计417

6.7.2 气浮平台和浮动单元设计419

6.7.3 实验研究419

6.8 扭轮摩擦传动的二维工作台运用实例423

参考文献425

第七章 超精密环境设计与控制429

7.1 超精密加工的空气环境与热环境429

7.1.1 超精密加工的空气洁净度429

7.1.2 超精密加工局部恒温间431

7.1.3 超精密加工机床的热源局部温度控制436

7.1.4 超精密车床主轴热变形控制437

7.2 超精密环境高精度温度测量与控制基准448

7.2.1 高精度温度传感器448

7.2.2 石英温度传感器的误差451

7.3 隔振与减振技术453

7.3.1 隔振与减振原理453

7.3.2 被动隔振457

7.3.3 主动隔振471

7.3.4 正负刚度并联的隔振系统477

7.3.5 动态减振器481

参考文献485