液体静压轴承主轴结构图
3.1.2空气静压轴承
空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承类似，轴由压力空气浮在轴套内，轴的中心位置由相对面的静压空气压力差维持。由于空气的流动性好，因此轴承两耦合面间（轴与轴套之间）的空气泄气间隙很小。轴套中的空气腔面积很小，或在空气输入的节流孔端作一倒棱，或沿轴向作一窄槽，两端均留较长的无槽泄气面。由于这种轴承的轴与套之间的间隙很小，回转精度要求又高，故轴与轴套都要求很高的制造精度。空气静压轴承有很高的回转精度，在高速旋转时温升很小，因此造成的热变形误差很小，空气轴承的应用促进超精密加工机床的发展。空气静压轴承的主要问题是刚度低，只能承受较小的载荷。
最新的研究成果表明，在传统空气静压和液体静压轴承的基础上，通过控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制从而提高轴承的刚度。磁悬浮主轴技术，永磁、电磁和气浮结合的控制方案也一直在研究中。多孔材料的气浮轴承可以提高气浮轴承的刚度。液体静压轴承具有刚度高、动态特性好等特点，但发热是其致命的弱点，水静压轴承的研制正是针对这一问题进行的。与油静压轴承相比，这种轴承的优点是轴承发热较小，适合于高速运转，而且没有污染，特别适合硅片加工等行业。
3.2进给驱动系统
超精密机床需要用力啊加工非球曲面，刀具相对于工件需要作精密的纵向（z向）和横向（x向）运动，因此需要有z向和x向的精密进给系统。精密进给系统由精密数控系统和直线运动执行机组成。为加工出精度很高的非球镜面，要求数控系统为2轴（或3轴）联动并具有很高的分辨力，要求直线运动机构有很高
的直线运动精度和高分辨力的位移精度。
3.2.1精密数控系统
对超精密机床，刀具相对于工件需要纵向和横向的运动，因此需要有纵向和横向精密数控系统驱动。超精密机床都需要加工非球曲面，因此需要双坐标联动的精密数控系统。为了要加工出形状精度很高的非球曲面，要求精密数控系统要有好的分辨率，达到数控系统妹脉冲在纵向和横向的位移量为0.01μm。精密数控系统现在使用直流伺服电动机或交流伺服电动机，用精密的在线双频激光测量系统检测纵向和横向的位移，反馈给精密数控系统形成闭环控制系统，以达到位移精度。最近步进电机脉冲转角细分技术有了进一步的发展，实现了更小角度转动，提高了转角位移的分辨力，但是完全满足超精密机床精密位移分辨力的要求，步进电机尚需提高。
3.2.2滚珠丝杠副驱动
滚珠丝杠的滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽中滚动，因此摩擦力小。丝杠的螺纹槽经过精密磨削，可以达到很高的精度。滚珠在螺母内有再循环通道，因此行程长度不受滚珠的限制。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，否则数控系统控制进给将得不到要求的精度，这要求滚珠丝杠和配合的螺母有一定的预载过盈。由于丝杠的螺母有一定的误差，故螺母在丝杠上不同的位置过盈量将会有变化。如预载应力太小则可能在丝杠的某位置出现间隙，如预载应力太大，在丝杠的某些位置可能转动不灵活。为能方便精确地调整预载应力，精密级和高精密级的滚珠丝杠的螺母常做成两段组合。现在高精密级的滚珠丝杠副可以做到相邻的螺距误差0.5 ~1μm，积累误差在3 ~5μm/300nm。
3.2.3摩擦驱动
为进一步提高导轨运动的平稳性和精度，现有些超精密机床的导轨驱动采用
摩擦驱动，经实践应用，摩擦驱动使用的效果很好，优于滚珠丝杠副的驱动。和导轨运动相联的驱动杆夹在两个摩擦轮之间。上摩擦轮是用弹簧压板压在驱动杆上，当弹簧压板压力足够时，摩擦轮和驱动杆之间将无滑动。两个摩擦轮均有静压轴承支撑，可以无摩擦转动。下摩擦轮和电机相连，带动下摩擦轮旋转，靠摩擦力带动驱动杆，带动导轨做非常平稳的直线运动。
3.3误差建模和补偿技术
用变分法精度、多体动力学等分析误差建模理论，可以将刀具几何参数、加工工艺条件及机床运动误差三大因素对加工工件的精度影响准确的建立数学模型。近年来一些数学工具如微分几何、李代数和李群在复杂几何形状误差的评定和分析方面得到了一些应用，并有望在超精密机床误差分析中得到运用。在机床运动精度和工件形状精度处于同一数量级时，多传感器误差分离方法是分离误差最有效的方法之一。例如，对主轴运动误差和工件圆度误差的分离，溜板运动误差与工件直线度的分离等。圆度三点法技术己相当成熟，在直线度测量中，多传感器安装误差和测量加密算法已得到很好解决，因此，圆度和直线度误差分离技术可顺利地推广到圆柱度、平面度超精密误差测量与补偿控制领域。
3.4数控系统
超精密机床数控系统的特点是高编程分辨率（1nm）和高精度的伺服控制软硬环境。在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件，意味着需要高的控制速度，例如插补周期小1ms ( 普通数控为10ms左右)，伺服闭环采样周期小于0.1ms。
4.结论
随着航空、航天、生物化学、地球物理等学科技术的迅猛发展， 对精密和超精密加工技术的发展提出了更高的要求， 精密和超精密加工机床的需求也越来越高。相关领域研发人员应充分将人、组织、技术有机结合起来， 研制并生
产出各个领域所需的精密和超精密加工机床， 提高我国整体工业水平，为国防与尖端技术的发展打下坚实的基础。
参考文献
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