超精密加工機(jī)床及其新技術(shù)發(fā)展

1、超精密加工機(jī)床及其新技術(shù)發(fā)展超精密加工機(jī)床及其新技術(shù)發(fā)展李圣怡戴一帆彭小強(qiáng)摘要：介紹了超精密加工技術(shù)、應(yīng)用背景、發(fā)展動(dòng)向以及超精密加工關(guān)鍵技術(shù)的一些最新成果。從超精密加工技術(shù)推廣應(yīng)用的角度闡述了其精度目標(biāo)、模塊化、廉價(jià)化發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)就如何發(fā)展超精密加工技術(shù)全面介紹了目前機(jī)床模塊化部件、傳動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、數(shù)控系統(tǒng)和環(huán)境控制等領(lǐng)域的最新研究水平和成果。關(guān)鍵詞：超精密加工；機(jī)床；超精密數(shù)控；誤差檢測(cè)中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TH161，TH39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼：A文章編號(hào)：10012486(2000)02009506UltraprecisionUltraprecisionMachineMachineToolsToolsDevelopmentDevelopmentofofthetheLatestLatestTechnologyTechnologyLIShenyi，DAIYifan，PENGXiaoqiang(CollegeofMechatronicsEngineeringAutomation

3、NationalUniv.ofDefenseTechnologyChangsha410073China)Abstract：Thispaperdescribesultraprecisionmachiningtechnologytogetherwithitsapplicationbackgroundthelatestdevelopmentofitskeypoints.Theaccuracytargetthetrendofmodulariza

4、tionlowcostaredescribedindetailfromtheviewofspreadingapplicationofultraprecisionmachiningtechnology.Undertheconsiderationofpromotingtechnologylevelthelatestachievementsinsomekeytechnologiesarereviewed.Thesekeytechnologie

5、sincludemodularcomponentactuatingsystemmeasurementtechnologyCNCsystemenvironmentcontrolling.Keywds：ultraprecisionmachining；machinetools；ultraprecisionnumericcontrol；errmeasurement1超精密加工技術(shù)的特點(diǎn)超精密加工技術(shù)的特點(diǎn)超精密加工目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義，在不同歷史

6、時(shí)期、不同的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的情況下，有不同的理解。通常我們認(rèn)為被加工零件的尺寸精度和形位精度達(dá)到零點(diǎn)幾微米，表面粗糙度優(yōu)于百分之幾微米的加工技術(shù)為超精密加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)是以高精度為目標(biāo)的技術(shù)，它必須在綜合應(yīng)用各種新技術(shù)，在各個(gè)方面精益求精的條件下，才有可能突破常規(guī)技術(shù)達(dá)不到的精度界限，達(dá)到新的高精度指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)超精加工的主要條件應(yīng)包括以下諸方面的高新技術(shù)：(1)超精密加工機(jī)床與裝、夾具；(2)超精密切削刀具，刀具材料，刀具刃磨技

7、術(shù)；(3)超精密加工工藝；(4)超精密加工環(huán)境控制（包括恒溫、隔振、潔凈控制等）；(5)超精密加工的測(cè)控技術(shù)。80年代，美國(guó)UnionCarbide公司、Moe公司和美國(guó)空軍兵器研究所等制定了一個(gè)以0.1μm形狀精度、加工直徑為800mm的大型球面光學(xué)零件超精加工為目標(biāo)的超精密車(chē)床研究計(jì)劃——舉世聞名的POMA(PointOneMicrometerAccuracy)計(jì)劃。該計(jì)劃所產(chǎn)生的影響十分深遠(yuǎn)，其指標(biāo)至今也尚未過(guò)時(shí)，90年代日本學(xué)者

8、在此基礎(chǔ)上提出了今后努力要達(dá)到的目標(biāo)值，如表1所示。表1POMA計(jì)劃的精度目標(biāo)值和今后的精度目標(biāo)值Tab.1TheaccuracytargetofPOMAplanandthefutureaccuracytarget真空成形或加熱成形。WisconsonMadison大學(xué)開(kāi)發(fā)的多孔質(zhì)材料是用氧化鋁和二氧化鈦粉末通過(guò)特殊工藝制成的復(fù)合陶瓷材料［3］。液體靜壓軸承與氣體靜壓軸承比較，具有承載能力大，阻尼大，動(dòng)剛度好等優(yōu)點(diǎn)，主要的缺點(diǎn)之一是對(duì)油

9、溫控制有較高的要求。近年來(lái)溫度控制技術(shù)的水平有很大的提高。由于測(cè)溫元件（如晶體溫度傳感器，測(cè)量分辨率可達(dá)0.001℃［4］）的靈敏度提高，油溫控制到0.01℃是不困難的。2.2超精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新進(jìn)展為了獲得高的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)分辨率，超精密導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)對(duì)伺服電機(jī)的要求很高，既要求有平穩(wěn)的超低速運(yùn)動(dòng)特性，又要有大的調(diào)速范圍，好的電磁兼容性。美國(guó)ParkerHannifin公司的DM和DR系列直接驅(qū)動(dòng)伺服執(zhí)行器，輸出力矩大，位置控制分辨

10、率高（64萬(wàn)分之一）。主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以采用印刷板電機(jī)，它的慣性小，發(fā)熱量小。俄羅斯學(xué)者也曾采用飛輪慣性儲(chǔ)能高速主軸。在加工過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是與主軸脫離的，主軸只是靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方法可以用于一些特殊場(chǎng)合。精密滾珠絲杠是超精機(jī)床目前采用的驅(qū)動(dòng)方法，但絲杠的安裝誤差、絲桿本身的彎曲、滾珠的跳動(dòng)及制造上的誤差、螺母的預(yù)緊程度等都會(huì)給導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度帶來(lái)影響。通常超精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)特殊設(shè)計(jì)，例如絲杠螺母與氣浮平臺(tái)的聯(lián)接器是高軸向剛度，而水平、

11、垂直、俯仰和偏轉(zhuǎn)四自由度無(wú)約束的機(jī)構(gòu)，電機(jī)與絲杠的聯(lián)接器采用純扭矩、無(wú)反轉(zhuǎn)間隙的聯(lián)接器。氣浮絲杠和磁浮絲杠可進(jìn)一步減小滾珠絲杠的跳動(dòng)誤差和因摩擦和反向間隙引入控制系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)。如俄羅斯研制了氣浮磁浮絲［5］，據(jù)報(bào)道電磁絲杠的傳動(dòng)主要指標(biāo)如下：絲杠直徑62mm，螺距和螺紋齒高4mm，絲扣寬度1mm，間隙δ=0.1μm，承載能力和靜剛度分別為700N、75μm，和氣浮平臺(tái)聯(lián)合使用時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置的分辨率為0.01μm。直線電機(jī)適合于高速和高精

12、度的應(yīng)用場(chǎng)合［6］，通常高速滾珠絲杠可在40mmin的速度和0.5g加速度情況下工作，而直線電機(jī)加速度可達(dá)5g，其速度和剛度都分別可大于滾珠絲杠的30倍和7倍。目前Indramat和Anorad公司是最主要的制造商。Indramat宣稱(chēng)其直線電機(jī)傳動(dòng)定位精度為0.04μm，分辨率為0.01μm，速度可達(dá)200ms。直線電機(jī)用于超精機(jī)床首選的是發(fā)熱量小的永磁電機(jī)。永磁電機(jī)的缺點(diǎn)是磁場(chǎng)強(qiáng)；裝配和拆卸不方便，很容易吸引切屑和其他金屬碎屑，機(jī)床

13、結(jié)構(gòu)也要隨之改變。所以，目前直線電機(jī)主要用于半導(dǎo)體行業(yè)、印刷電路板制造設(shè)備、激光加工水噴射切削等高速輕載的設(shè)備上。除此之外，直線電機(jī)采用無(wú)機(jī)械減速系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)的特性對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性影響極大，在控制上很多人正在研究新的方案。2.3開(kāi)發(fā)新摩擦驅(qū)動(dòng)技術(shù)摩擦驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛用于精密機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，是因?yàn)槟Σ硫?qū)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)反向間隙等特點(diǎn)。超精密機(jī)床及機(jī)構(gòu)要求超低速高分辨率并且一般都是輕載的，非常適合使用摩擦驅(qū)動(dòng)方式。通常，將電機(jī)的