一、概述

　　超精密加工機床的設計目前尚無一套成熟的設計方法，往往是在已有經驗和使用情況的基礎上，進行機床的設計。參考國內外一些資料，把超精密加工機床的結構設計基本思想歸納如下：(1)結構上盡可能地提高剛度;(2)結構要簡單;(3)床身形狀要簡單、質量要大、固有振動頻率要低;(4)定位精度要很高，而且定位方式應采用閉式控制方式，進給的分辨率要高。

　　二、超精密車床的總體布局

　　超精密車床的總體布局直接影響機床的性能和精度。根據運動要求，現在超精密機床的總體布局有下面幾種。

　　1.十字形滑座結構 十字形滑座結構即主軸箱部分固定不動，刀架裝在十字形滑板上。這種布局結構要求十字形滑板的上下導軌，不僅要求有很高的直線運動精度，而且要有非常嚴格的相互垂直精度，這要求有很高的制造精度，才能滿足超精密機床的精度要求，否則下滑板的運動誤差將影響上滑板的運動精度。而且，現在的精密機床，都采用雙頻激光干涉儀作z、x方向運動的隨機位置檢測。這時采用十字形滑座結構很不方便，因為：第一，必須有一路雙頻激光干涉儀裝在移動的十字形滑座上，這將降低測量精度;第二，雙頻激光干涉測量系統有一定的體積，使整個工作臺系統高度大大增加。采用這種布局時，主軸箱部分固定不動，因此，主軸用傳動帶驅動很方便，電動機可以有單獨地基，可以減少電動機振動對主軸的影響。

　　2.T形布局 近年生產的超精密機床主軸，采用內裝式同軸電動機帶動，沒有帶輪和單獨的電動機座，主軸箱成為可移動的部件。采用橫、縱運動分離，由主軸箱部件(縱向)和刀架(橫向)共同完成，橫、縱向導軌都放在機床的床身上，成T形布局，兩導軌可以基本在同一高度上。這種布局結構，有利于提高導軌的制造精度和運動精度。同時，檢測z、x向運動位置的雙頻激光測量系統可以裝在固定不動的床身上，僅將測量位置的反射鏡裝在z、x方向的移動部件上。這樣不僅使測量系統的安裝要簡單得多，而且可以大大提高測量精度?，F在的中小型超精密機床常采用這種布局。

　　3.R-θ布局 刀架溜板裝在回轉工作臺上，改變刀座導軌的轉角θ和半徑r，可加工非球曲面。在加工的工件厚度改變時，主軸箱(或回轉工作臺)需要在z向調整。這種布局的機床結構比較復雜，加工、調整、計算和習慣用的不一致，因此用的不多。

　　4.立式結構布局 當工件直徑較大并且重量較重時，超精密機床多采用立式結構布局。超精密機床要求高的剛度，故多用龍門形式，滑板在橫梁上作x向運動，刀架在滑板上作z向的上下運動。這種十字滑板結構x向的運動精度將直接影響z向的運動精度。在機床精度要求特別高時，可采取特殊的在線測量和誤差補償措施，來補償消除運動誤差，如美國的LODTM大型超精密立式機床。根據要設計的車床的加工要求，故采用前述的第一種布局方式，即十字形滑座結構。這種布局能夠保證主軸部分固定，降低因主軸運動過程中產生的誤差、振動等對加工精度的影響。

　　三、模塊化設計

　　1.模塊化設計的概念及優勢 模塊是具有獨立功能和輸入、輸出的標準部件。機床的部件一般指分部件、合成件和零件等基本元件的組合體。模塊具有以下特點： (l)標準化既有給定的功能，又有標準的繼承或組合連接方式(如連接結構、尺寸等)。標準化的模塊可以在不同的產品及不同的企業中被廣泛應用。(2)系列化為最大限度且經濟合理地滿足市場對某類模塊化產品的要求，客觀上決定了組成該類產品的各具體模塊必須設計成相應的系列化模塊，以使它們在一定的范圍內得到應用。(3)通用化由于系列化的模塊一般只局限于滿足某類產品，而標準化的模塊雖然能滿足不同類型的產品，但成本較高，為此，設計滿足在數類產品范圍內的通用模塊是必要的，這就是模塊的通用化。 (4)組合化組合化是指模塊在結構上的疊加。一定類型的模塊有其相應的標準連接和尺寸，它通過模塊間的疊加連接，便會組合成具有不同功能的各類產品。 (5)集成化集成化是指模塊在功能上的有機融合。不同功能的模塊，通過先進的集成處理方法可有機地集成為具有被處理各模塊主功能的新模塊，也就是說模塊的集成化是具有不同功能模塊在結構上的一體化。

　　2.模塊的劃分 在進行模塊化機械產品的設計時，首先要把目標產品劃分成若干模塊，然后再以模塊為基本單元進行設計制造。模塊劃分應遵循的原則：(l)盡量減少產品中包含的模塊數，減少模塊本身的復雜程度，以避免模塊在組合時產生混亂。(2)以有限的模塊數來獲得盡可能多的有用組合方案，以滿足用戶的需求。(3)劃分中務必使模塊具有一定的獨立性和結構完整性。(4)要充分注意模塊間的結合要素，以便于結合與分離。(5)要充分考慮模塊劃分對產品精度、剛度的影響，超精密車床結構設計及仿真。(6)模塊的單元劃分應該考慮其經濟性。

　　3.機床的模塊化結構設計 床身要支撐整機的重量，它應具有良好的剛度和強度，根據機床的性能不同，可以采取不同形式的床身，比如臺式、立式、臥式等型;也可以采用不同材料作床身，比如優質耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。1)優質耐磨鑄鐵。鑄鐵是制造床身的傳統材料，它的優點是工藝性好。選用耐磨性好，熱膨脹系數低，對振動衰減能力強，并經時效處理的優質合金鑄鐵作超精密機床的床身，可以得到滿意的結果。2)花崗巖?；◢弾r現在已是制造三坐標測量機和超精密機床的床身的熱門材料，這是因為花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩定性好，熱膨脹系數低，對振動的衰減能力強，硬度高、耐磨并且不會生銹等。用花崗巖作床身時，一般都用整體方塊，鉆孔埋入螺母以便和其它件連接。但花崗巖加工比較困難，而且吸濕后會產生微量變形，影響精度。精密導軌的選擇。精密導軌是超精密機床的直線性基準，對它的基本要求是：1)運動平穩，動作靈活，直線運動時絕對沒有爬行等不連續動作;2)有極高的直線運動精度，并且能長期保持它的精度;3)在實際應用中有與使用條件相適應的剛度;4)高速運動時發熱量要少;5)維護保養要容易。