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超精密加工及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展
7 i0 q9 j. h2 T+ Iffice ffice" />李圣怡 教授
) h- v7 T0 d) M/ p; s; n0 P$ x) U: u 摘要：超精密加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個重要組成部分,，是眾多大型系統(tǒng)實現(xiàn)簡化設(shè)計和擴展功能的必要基礎(chǔ)。幾十年來,，超精密加工技術(shù)在精度和手段上都有了質(zhì)的飛躍。依據(jù)超精密機床各子系統(tǒng)的功能特點,，介紹了超精密加工的共性技術(shù)及其最新發(fā)展動態(tài),，最后闡述了提高超精密加工精度的途徑和方法,。
關(guān)鍵詞：超精密加工；共性技術(shù),；誤差補償
中圖分類號：TH16 文獻標(biāo)識碼：A
文章編號：1004-132Ⅹ(2000)01-0177-03
1 o. ~( q# Z p) g9 f& }" C5 JDevelopment of Ultra-precision Manufacturing and Its Key Technologies ) r" m% s- t, Z" D0 D: F" y
LI Shengyi ZHU Jianzhong
（National University of Defence Technology,Changsha,China） * d `: p- H! s: h# r6 I
Abstract:Ultra-precision manufacturing is as an important branc h of modern manufacturing technology, as being the essential basic for compact d esign and increasing functions of large system. For several decades, ultra-prec ision manufacturing technology has qualitative changes not only in aspect of acc uracy but also of method. Common technologies, according to characteristics of v arious subsystems of ultra-precision machine tools as well as its recent develo pment are introduced. Finally, approaches and methods for increasing accuracy of ultra-precision manufacturing are discussed in detail.
Key words:ultra-precision manufacturing common technol ogy error compensation 4 W( S; w8 F, x8 j3 {
基于材料去除的冷加工技術(shù),，從本世紀(jì)60年代初美國用單點金剛石刀具對電解銅進行加工 ，并成功地切削出鏡面以來,，在加工精度方面發(fā)生了質(zhì)的變化,，促使了超精密加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。一般認(rèn)為,，被加工零件的尺寸和形位誤差小于零點幾微米,，表面粗糙度介于幾納米到十幾納米之間的加工技術(shù)，是超精密加工技術(shù),。目前,，超精密加工從單一的金剛石車削 ，到現(xiàn)代的超精密磨削,、研磨,、拋光等多種方法的綜合運用，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分,，其產(chǎn)品涉及國防,、航空航天、計量檢測,、生物醫(yī)學(xué),、儀器等多個領(lǐng)域。
回顧即將過去的20世紀(jì),，人類取得的每一項重大科技成果,，無不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān),。在某種意義上,，超精密加工擔(dān)負著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加工技術(shù)在航天運載工具,、武器研制,、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作 用。有人對海灣戰(zhàn)爭中美國及盟國武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)系做了研究,，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星,、超視距空對空攻擊能力、精確制導(dǎo)的對地攻擊能力,、夜戰(zhàn)能力和電子對抗技術(shù)方面,，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系�,？梢哉f,，沒有高水平的超精密加工技術(shù),，就不會有真正強大的國防。
+ I. R& [. N' d1 超精密加工的共性技術(shù)及其發(fā)展
- h# y: M- D- U 超精密加工可分為超精密切削,、超精密磨削,、研磨、拋光及超精密微細加工等,。盡管各自在原理和方法上有很大的區(qū)別,，但有著諸多可繼承的共性技術(shù)，總的來說,，在以下幾個方面有著共同的特點：
1.1 超精密運動部件
超精密加工就是在超精密機床設(shè)備上,，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對運動，對材料進行微量切削,，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過程,。超精密運動部件是產(chǎn)生上述相對運動的關(guān)鍵，它分為回轉(zhuǎn)運動部件和直線運動部件兩類,。
高速回轉(zhuǎn)運動部件通常是機床的主軸,，目前普遍采用氣體靜壓主軸和液體靜壓主軸。氣體靜壓主軸的主要特點是回轉(zhuǎn)精度高,，如Pneumo公司的Nanoform250車床采用氣體靜壓主軸,，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05 μm。其缺點是剛度偏低,，一般小于100 N/μm,。近年來，在提高氣浮主軸剛度方面有很多研究,，如德國Kugler公司開發(fā)了半球型氣浮主軸,，剛度高達350 N/μm ；日本學(xué)者利用主動控制的方法增加主軸剛度,，同時提高了回轉(zhuǎn)精度,；荷蘭Eindhoven 科技大學(xué)研制的薄膜結(jié)構(gòu)被動補償氣浮軸承靜剛度可趨于無窮，動剛度也大大提高,。液體靜壓主軸與氣浮主軸相比,，具有承載能力大、阻尼大,、動剛度好的優(yōu)點,，但容易發(fā)熱，精度也稍差 ,。
直線運動部件是指機床導(dǎo)軌,，同樣有氣體靜壓導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌2種。由于導(dǎo)軌承載往往大于機床主軸而運動速度較低,，超精密機床大多采用后者,，如美國LLNL研制的LODTM采用的高壓液體靜壓導(dǎo)軌，直線度誤差小于0.025 μm/1000 mm,。同樣,，主動控制的方法適用于提高氣浮導(dǎo)軌靜態(tài)剛度，日本Tottori大學(xué)的Mizumoto等人將這一技術(shù)應(yīng)用到其設(shè)計的超精密車床中,，提高了導(dǎo)軌直線度,。
1.2 超精密運動驅(qū)動與傳遞
為了獲得較高的運動精度和分辨率，超精密機床對運動驅(qū)動和傳遞系統(tǒng)有很高的要求,，既要求有平穩(wěn)的超低速運動特性,，又要有大的調(diào)速范圍，還要求電磁兼容性好,。
一般來說,，超精密運動驅(qū)動有2種方式：直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。直接驅(qū)動主要采用直線電機,，可以減少中間環(huán)節(jié)帶來的誤差,，具有動態(tài)特性好、機械結(jié)構(gòu)簡單,、低摩擦的優(yōu)點,，主要問題是行程短、推力小,。另外,，由于摩擦小，很容易發(fā)生振蕩,，需要用優(yōu)秀的控制策略來彌補,。目前，除了小行程運動外,，直線電機用于超精密機床仍處于實驗階段,。
間接驅(qū)動是由電機產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，然后通過運動傳遞裝置將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動,。它是目前超精密機床運動驅(qū)動方式的主流,。電機通常采用低速性能好的直流伺服電機，如美國Pa rk Hannifin公司的DM和DR系列直接驅(qū)動伺服執(zhí)行器,，輸出力矩大,，位置控制分辨率達到64萬分之一。運動傳遞裝置通常由聯(lián)軸器,、絲杠和螺母組成,，它們的精度和性能將直接影響運動平穩(wěn)性和精度，也是間接驅(qū)動方式的主要誤差來源,。美國麻省理工學(xué)院設(shè)計了2種聯(lián)軸節(jié),，分別采用球槽和柔性鉸鏈結(jié)構(gòu),，用于消除電機與絲杠不同軸誤差。我國國防科技大學(xué)設(shè)計了一種框架式浮動單元,，用于連接螺母和工作臺,，可消除4個方向的運動誤差。絲杠往往選擇高精度的滾珠絲杠,，另外也有氣浮絲杠和磁浮絲杠用于超精密機床的實驗研究,，如俄羅斯研制的氣浮/磁浮絲杠分辨率達到了0.01 μm。日本新宿大學(xué)的Fukada通過在滑動 絲杠,、螺母和工作臺間插入彈性體,，將扭矩轉(zhuǎn)化為微位移，使滑動絲杠達到納米級分辨率,。
在驅(qū)動方式上還有突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新研究,，如日本Tottori大學(xué)的Mizumoto等人研制的扭輪摩擦裝置分辨率達到納米；我國國防科技大學(xué)研制的扭輪摩擦裝置分辨率也接近納米級水平,。
1.3 超精密機床數(shù)控技術(shù)
超精密機床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率（1 nm）和快速插補功能（插補周期0.1 ms）,。基于PC機和數(shù)字信號處理芯片（DSP）的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流,，如美國的NAN OPATH和PRECITECH'S ULTRAPATH TM 都采用了這一結(jié)構(gòu),。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運動控制模塊（PM AC）開發(fā)應(yīng)用越來越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高,。我國國防科技大學(xué)研制開發(fā)的YH－1型數(shù)控系統(tǒng)采用ASW－824工業(yè)一體化PC工作站為主機,，用ADSP2181信號處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。
在數(shù)控軟件方面,，開放性是一個發(fā)展方向,。國外有關(guān)開放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的OS ACA、美國的OMAC和日本的OSEC,。我國國防科技大學(xué)在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運動控制軟件,，可根據(jù)機床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合機床模塊化發(fā)展的方向,。
1.4 超精密運動檢測技術(shù)
為保證超精密機床有足夠的定位精度和跟蹤精度,，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運動檢測是進行全閉環(huán)控制的必要條件,。雙頻激光干涉儀具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20 分辨率為1.25nm）與高穩(wěn)定性,，測量范圍大，適合作機床運動線位移傳感器使用,。但是雙頻激光干涉儀對環(huán)境要求過于苛刻,，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗,，德國Heidenhain公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密機床運動檢測,，如該公司LIP401,材料長度220mm，分辨率為2nm,，采用Zerodur材料制成幾乎達到零膨脹系數(shù)（0.1 ppm/k ）,，動靜尺間隙為0.6±0.1mm,，對環(huán)境要求低,，安裝和使用方便，如Nanoform2500和Optimum2400超精密車床都使用了Heidenhain光柵尺,。
1.5 超精密機床布局與整體技術(shù)
模塊化,、構(gòu)件化是超精密機床進入市場的重要技術(shù)手段，如美國ANORAD公司生產(chǎn)各種主軸,、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺,，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維 、二維和多維超精密運動控制平臺和機床,。研制超精密機床時,，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密機床往往與傳統(tǒng)機床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別,，流行的布局方式是“T”型布局,，這種布局使機床整體剛度較高，控制也相對容易,，如Pneumo公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局,。模塊化使機床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會社研制的超精密磨床,，用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu),，用于提高剛度；德國蔡司公司研制了4軸精密磨床AS100,，用于加工自由形式表面,，該機床除了X、Z和C軸外,，附加了A軸,，用于加工自由表面時控制砂輪的切削點。
此外,，一些超精密加工機床是針對特殊零件而設(shè)計的,，如大型高精度天文望遠鏡采用應(yīng)力變形盤加工，一些非球面鏡的研拋加工采用計算機控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工,，這些機床都具有和通用機床完全不同的結(jié)構(gòu),。由此可見，超精密機床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個性，需要特殊的設(shè)計考慮和設(shè)計手段,。
1.6 其它重要技術(shù)
超精密環(huán)境控制,，包括恒溫、恒壓,、隔振,、濕度控制和潔凈度控制。另外,，超精密加工對刀具的依賴性很大,，加工工藝也很重要，對超精密機床的材料和結(jié)構(gòu)都有特殊要求,。 ( v% C3 ~# G" R
2 提高超精密加工精度的途徑
7 ?! ~) ~0 n) K0 m8 D4 T L4 C 通常,，造成超精密金剛石切削加工誤差的原因可簡單地劃分為以下幾種：①機床零部件制造和裝配時的幾何誤差；②外界和機床內(nèi)部熱源引起的熱變形誤差,；③機床自重和切削力引起的力變形,；④機床軸系的伺服誤差（跟隨誤差）；⑤其它誤差,，如數(shù)控插補算法誤差以及外界振動,、濕度變化等環(huán)境誤差。
研究結(jié)果表明,，普通精度機床70％以上誤差來自前2項,，而超精密機床因為精度要求更高， 每項誤差都可能成為使零件精度超差的主要矛盾,，所以對上述諸多誤差都要進行綜合比較與控制,。對于超精密零件來說，輪廓精度是體現(xiàn)綜合質(zhì)量的一項重要指標(biāo),。在超精密金剛石切削加工過程中,，對輪廓精度起決定性影響的是機床機械系統(tǒng)的運動精度。由于對改善輪廓精度所采取措施的側(cè)重點不同,，伴隨著產(chǎn)生了解決這一問題的3種不同方法：開環(huán)方法,、閉環(huán)方法和補償方法。
(1)開環(huán)方法 這是單純依靠提高機床零部件的性能來提高機床機械系統(tǒng)的運動精度的方法,。采用直線度非常理想的導(dǎo)軌（如液體靜壓導(dǎo)軌,、氣體靜壓導(dǎo)軌等），更高回轉(zhuǎn)精度的主軸（如液體靜壓主軸,、氣體靜壓主軸等）,，高性能的電機（如dynaserv電機的最小輸出脈沖可達2.53角秒），以及各種精密驅(qū)動方式（如滾珠絲杠,、靜壓絲杠,、摩擦驅(qū)動、直線驅(qū)動等），提高機械系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度,。但是,，機械系統(tǒng)中普遍存在摩擦和間隙，在低速運動時會產(chǎn)生爬行（stick- slip）現(xiàn)象,，反向運動時產(chǎn)生反程差（backlish）,。為了提高位置精度，機械傳動系統(tǒng)還需要足夠的聯(lián)接剛度以克服彈性變形,。要用開環(huán)方法達到高精度就意味著成本更高,。
(2)閉環(huán)方法 全閉環(huán)控制方法已普遍應(yīng)用于超精密機床上，例如美國LLNL ,、英國Rank Pneumo公司,、Granfield大學(xué)開發(fā)成功的超精密金剛石車床,。
上述超精密機床的閉環(huán)控制都采用前饋加PID控制方法,，這種傳統(tǒng)控制方法穩(wěn)定性好、可靠性高,，PMAC運動控制板就是這種控制器的代表,。超精密數(shù)控系統(tǒng)要求有納米級運動分辨率，因此要求有更短的插補周期（小于1 ms）和控制周期（小于0.1 ms）,。此外,， 針對超精密加工特點，需要多軸聯(lián)動生成高次曲線,、曲面,，在傳統(tǒng)控制算法的基礎(chǔ)上，采用交叉耦合控制,、最優(yōu)預(yù)見控制（OPC）,、逆補償濾波器（IKF）控制、滑�,？刂萍跋莶�,、前 饋等方法，可以較大地提高跟蹤精度,。
(3)補償方法 在70年代和80年代初期,，誤差補償技術(shù)成功地應(yīng)用于三坐標(biāo)測量機上（CMM）。從1980年到1995年的15年間,，由于采用了誤差補償,，CMM在性能提高的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)成本降低了近20倍,。數(shù)控機床的運行環(huán)境和工作條件都比CMM復(fù)雜,。但隨著各種測量控制技術(shù)的發(fā)展，對超精密機床進行運動誤差、定位誤差和熱變形誤差補償?shù)募夹g(shù)已逐漸成熟,，如Nanoform系列的超精密車床已具有在位測量及誤差補償功能,。由此可見，對超精密機床加工精度進行計算機軟件補償,，以提高精度和降低成本是個必然的趨勢,。未來的超精密機床在提高加工精度的同時，也將更具智能化,，例如具有對自身誤差進行檢測,、診斷與補償?shù)哪芰Α?/P>0 r* S% `$ {5 l) }& h
編輯 華恒 4 |5 K+ G" i) R5 y! M/ o
基金項目：國防科技預(yù)研資助項目(18.6.1.2)
作者簡介：李圣怡，男,，1946年生,。國防科技大學(xué)(長沙市 410073)機電工程與自動化學(xué) 院院長、教授,，博士研究生導(dǎo)師,。1988年后曾赴美國歌倫比亞大學(xué)和倫塞勒理工學(xué)院為期兩年的學(xué)習(xí)研究工作。享受國家特殊津貼,、國家有突出貢獻的中,、青年專家稱號。主要研究方向為精密,、超精密加工技術(shù),。 朱建忠，男,，1968年生,。國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院副教 |
發(fā)表于 2007-9-2 19:41:43
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