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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