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超精密加工及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展
; g: P/ I# i, P$ \ffice ffice" />李圣怡 教授
: @2 {' v; ^9 T% m 摘要：超精密加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是眾多大型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和擴(kuò)展功能的必要基礎(chǔ)。幾十年來(lái)，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(jī)床各子系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，介紹了超精密加工的共性技術(shù)及其最新發(fā)展動(dòng)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(bǔ)償
中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-132Ⅹ(2000)01-0177-03 , y5 p {% [% ~+ N5 V% F, J
Development of Ultra-precision Manufacturing and Its Key Technologies & ^: { Z5 N9 n% B$ h+ H0 C6 Q; ]. `
LI Shengyi ZHU Jianzhong
（National University of Defence Technology,Changsha,China） ! {, N2 k" _1 L' m. u& Q# E
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 / Y* F/ B/ s+ L
基于材料去除的冷加工技術(shù),，從本世紀(jì)60年代初美國(guó)用單點(diǎn)金剛石刀具對(duì)電解銅進(jìn)行加工 ，并成功地切削出鏡面以來(lái),，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(diǎn)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(chē)削 ,，到現(xiàn)代的超精密磨削、研磨,、拋光等多種方法的綜合運(yùn)用,，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，其產(chǎn)品涉及國(guó)防,、航空航天,、計(jì)量檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué),、儀器等多個(gè)領(lǐng)域,。
回顧即將過(guò)去的20世紀(jì)，人類取得的每一項(xiàng)重大科技成果,，無(wú)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(fù)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(yùn)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(duì)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)及盟國(guó)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(duì)空攻擊能力,、精確制導(dǎo)的對(duì)地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對(duì)抗技術(shù)方面,，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系,。可以說(shuō),，沒(méi)有高水平的超精密加工技術(shù),，就不會(huì)有真正強(qiáng)大的國(guó)防。
) [8 e/ y) z/ J: s9 g, \1 超精密加工的共性技術(shù)及其發(fā)展 - `. }% X- U; ^5 Z) `- `! C: 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(xì)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(lái)說(shuō),，在以下幾個(gè)方面有著共同的特點(diǎn)：
1.1 超精密運(yùn)動(dòng)部件
超精密加工就是在超精密機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng),，對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過(guò)程,。超精密運(yùn)動(dòng)部件是產(chǎn)生上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵,，它分為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件和直線運(yùn)動(dòng)部件兩類。
高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件通常是機(jī)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(diǎn)是回轉(zhuǎn)精度高，如Pneumo公司的Nanoform250車(chē)床采用氣體靜壓主軸,，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05 μm,。其缺點(diǎn)是剛度偏低，一般小于100 N/μm,。近年來(lái),，在提高氣浮主軸剛度方面有很多研究，如德國(guó)Kugler公司開(kāi)發(fā)了半球型氣浮主軸,，剛度高達(dá)350 N/μm ,；日本學(xué)者利用主動(dòng)控制的方法增加主軸剛度，同時(shí)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(dòng)補(bǔ)償氣浮軸承靜剛度可趨于無(wú)窮,，動(dòng)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(dòng)剛度好的優(yōu)點(diǎn),，但容易發(fā)熱,，精度也稍差 。
直線運(yùn)動(dòng)部件是指機(jī)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(jī)床主軸而運(yùn)動(dòng)速度較低,，超精密機(jī)床大多采用后者,，如美國(guó)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(dòng)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(jì)的超精密車(chē)床中,，提高了導(dǎo)軌直線度,。
1.2 超精密運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與傳遞
為了獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度和分辨率，超精密機(jī)床對(duì)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和傳遞系統(tǒng)有很高的要求,，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,，還要求電磁兼容性好。
一般來(lái)說(shuō),，超精密運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)有2種方式：直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng),。直接驅(qū)動(dòng)主要采用直線電機(jī)，可以減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的誤差,，具有動(dòng)態(tài)特性好,、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低摩擦的優(yōu)點(diǎn),，主要問(wèn)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(lái)彌補(bǔ),。目前,，除了小行程運(yùn)動(dòng)外，直線電機(jī)用于超精密機(jī)床仍處于實(shí)驗(yàn)階段,。
間接驅(qū)動(dòng)是由電機(jī)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳遞裝置將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。它是目前超精密機(jī)床運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的主流,。電機(jī)通常采用低速性能好的直流伺服電機(jī),，如美國(guó)Pa rk Hannifin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,，位置控制分辨率達(dá)到64萬(wàn)分之一,。運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和精度,，也是間接驅(qū)動(dòng)方式的主要誤差來(lái)源。美國(guó)麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)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(jī)與絲杠不同軸誤差。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)了一種框架式浮動(dòng)單元,，用于連接螺母和工作臺(tái),，可消除4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)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(jī)床的實(shí)驗(yàn)研究,，如俄羅斯研制的氣浮/磁浮絲杠分辨率達(dá)到了0.01 μm。日本新宿大學(xué)的Fukada通過(guò)在滑動(dòng) 絲杠、螺母和工作臺(tái)間插入彈性體,，將扭矩轉(zhuǎn)化為微位移,，使滑動(dòng)絲杠達(dá)到納米級(jí)分辨率。
在驅(qū)動(dòng)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(dá)到納米,；我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制的扭輪摩擦裝置分辨率也接近納米級(jí)水平。
1.3 超精密機(jī)床數(shù)控技術(shù)
超精密機(jī)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(bǔ)功能（插補(bǔ)周期0.1 ms）,�,；赑C機(jī)和數(shù)字信號(hào)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(guó)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(yùn)動(dòng)控制模塊（PM AC）開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)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(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制開(kāi)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(jī),，用ADSP2181信號(hào)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(kāi)放性是一個(gè)發(fā)展方向,。國(guó)外有關(guān)開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的OS ACA,、美國(guó)的OMAC和日本的OSEC。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運(yùn)動(dòng)控制軟件,，可根據(jù)機(jī)床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件,，符合機(jī)床模塊化發(fā)展的方向。
1.4 超精密運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)
為保證超精密機(jī)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)是進(jìn)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(cè)量范圍大,，適合作機(jī)床運(yùn)動(dòng)線位移傳感器使用。但是雙頻激光干涉儀對(duì)環(huán)境要求過(guò)于苛刻,，使用和調(diào)整非常困難,，使用不當(dāng)會(huì)大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn),，德國(guó)Heidenhain公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密機(jī)床運(yùn)動(dòng)檢測(cè),，如該公司LIP401,材料長(zhǎng)度220mm，分辨率為2nm,，采用Zerodur材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)（0.1 ppm/k ），動(dòng)靜尺間隙為0.6±0.1mm,，對(duì)環(huán)境要求低,，安裝和使用方便，如Nanoform2500和Optimum2400超精密車(chē)床都使用了Heidenhain光柵尺。
1.5 超精密機(jī)床布局與整體技術(shù)
模塊化,、構(gòu)件化是超精密機(jī)床進(jìn)入市場(chǎng)的重要技術(shù)手段,，如美國(guó)ANORAD公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái),，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維 ,、二維和多維超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和機(jī)床。研制超精密機(jī)床時(shí),，布局就顯得非常關(guān)鍵,。超精密機(jī)床往往與傳統(tǒng)機(jī)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(jī)床整體剛度較高,，控制也相對(duì)容易，如Pneumo公司生產(chǎn)的大部分超精密車(chē)床都采用這一布局,。模塊化使機(jī)床布局更加靈活多變,，如日本超硅晶體研究株式會(huì)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(guó)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(jī)床除了X,、Z和C軸外，附加了A軸,，用于加工自由表面時(shí)控制砂輪的切削點(diǎn),。
此外，一些超精密加工機(jī)床是針對(duì)特殊零件而設(shè)計(jì)的,，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤(pán)加工,，一些非球面鏡的研拋加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工，這些機(jī)床都具有和通用機(jī)床完全不同的結(jié)構(gòu),。由此可見(jiàn),，超精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個(gè)性，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮和設(shè)計(jì)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(duì)刀具的依賴性很大,，加工工藝也很重要，對(duì)超精密機(jī)床的材料和結(jié)構(gòu)都有特殊要求。 - @5 O/ j& {8 O! o4 y
2 提高超精密加工精度的途徑
- s9 B+ i- K' a: q/ f! x7 u- a 通常,，造成超精密金剛石切削加工誤差的原因可簡(jiǎn)單地劃分為以下幾種：①機(jī)床零部件制造和裝配時(shí)的幾何誤差,；②外界和機(jī)床內(nèi)部熱源引起的熱變形誤差；③機(jī)床自重和切削力引起的力變形,；④機(jī)床軸系的伺服誤差（跟隨誤差）,；⑤其它誤差，如數(shù)控插補(bǔ)算法誤差以及外界振動(dòng),、濕度變化等環(huán)境誤差,。
研究結(jié)果表明，普通精度機(jī)床70％以上誤差來(lái)自前2項(xiàng),，而超精密機(jī)床因?yàn)榫纫蟾撸?每項(xiàng)誤差都可能成為使零件精度超差的主要矛盾,，所以對(duì)上述諸多誤差都要進(jìn)行綜合比較與控制。對(duì)于超精密零件來(lái)說(shuō),，輪廓精度是體現(xiàn)綜合質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),。在超精密金剛石切削加工過(guò)程中，對(duì)輪廓精度起決定性影響的是機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度,。由于對(duì)改善輪廓精度所采取措施的側(cè)重點(diǎn)不同,，伴隨著產(chǎn)生了解決這一問(wèn)題的3種不同方法：開(kāi)環(huán)方法、閉環(huán)方法和補(bǔ)償方法,。
(1)開(kāi)環(huán)方法 這是單純依靠提高機(jī)床零部件的性能來(lái)提高機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(jī)（如dynaserv電機(jī)的最小輸出脈沖可達(dá)2.53角秒）,，以及各種精密驅(qū)動(dòng)方式（如滾珠絲杠,、靜壓絲杠、摩擦驅(qū)動(dòng),、直線驅(qū)動(dòng)等）,，提高機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度。但是,，機(jī)械系統(tǒng)中普遍存在摩擦和間隙,，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生爬行（stick- slip）現(xiàn)象，反向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生反程差（backlish）,。為了提高位置精度,，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)還需要足夠的聯(lián)接剛度以克服彈性變形。要用開(kāi)環(huán)方法達(dá)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(jī)床上,，例如美國(guó)LLNL ,、英國(guó)Rank Pneumo公司、Granfield大學(xué)開(kāi)發(fā)成功的超精密金剛石車(chē)床,。
上述超精密機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jí)運(yùn)動(dòng)分辨率,，因此要求有更短的插補(bǔ)周期（小于1 ms）和控制周期（小于0.1 ms）,。此外， 針對(duì)超精密加工特點(diǎn),，需要多軸聯(lián)動(dòng)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(jiàn)控制（OPC）、逆補(bǔ)償濾波器（IKF）控制,、滑�,？刂萍跋莶ā⑶� 饋等方法,，可以較大地提高跟蹤精度,。
(3)補(bǔ)償方法 在70年代和80年代初期，誤差補(bǔ)償技術(shù)成功地應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上（CMM）,。從1980年到1995年的15年間,，由于采用了誤差補(bǔ)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(jī)床的運(yùn)行環(huán)境和工作條件都比CMM復(fù)雜。但隨著各種測(cè)量控制技術(shù)的發(fā)展,，對(duì)超精密機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差,、定位誤差和熱變形誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)已逐漸成熟，如Nanoform系列的超精密車(chē)床已具有在位測(cè)量及誤差補(bǔ)償功能,。由此可見(jiàn),，對(duì)超精密機(jī)床加工精度進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償，以提高精度和降低成本是個(gè)必然的趨勢(shì),。未來(lái)的超精密機(jī)床在提高加工精度的同時(shí),，也將更具智能化，例如具有對(duì)自身誤差進(jìn)行檢測(cè),、診斷與補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/P>
( }; \$ t6 C q7 P, ?5 B6 _. s 編輯 華恒 * s0 b3 f w, \8 G- Z
基金項(xiàng)目：國(guó)防科技預(yù)研資助項(xiàng)目(18.6.1.2)
作者簡(jiǎn)介：李圣怡,，男,，1946年生。國(guó)防科技大學(xué)(長(zhǎng)沙市 410073)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué) 院院長(zhǎng),、教授,，博士研究生導(dǎo)師。1988年后曾赴美國(guó)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?chē)?guó)家特殊津貼,、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中、青年專家稱號(hào),。主要研究方向?yàn)榫�,、超精密加工技術(shù)。 朱建忠,，男,，1968年生。國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院副教 |
發(fā)表于 2007-9-2 19:41:43
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