基于材料去除的冷加工技術(shù)萌壳，從本世紀(jì)60年代初美國用單點(diǎn)金剛石刀具對電解銅進(jìn)行加工，并成功地切削出鏡面以來日月，在加工精度方面發(fā)生了質(zhì)的變化袱瓮，促使了超精密加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。一般認(rèn)為爱咬，被加工零件的尺寸和形位誤差小于零點(diǎn)幾微米尺借，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)精拟。目前燎斩，超精密加工從單一的金剛石車削，到現(xiàn)代的超精密磨削甫蹄、研磨树吏、拋光等多種方法的綜合運(yùn)用，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分特棕，其產(chǎn)品涉及國防漱啥、航空航天、計量檢測创哩、生物醫(yī)學(xué)灶常、儀器等多個領(lǐng)域。

　　回顧即將過去的20世紀(jì)波笆，人類取得的每一項重大科技成果毯输，無不與制造技術(shù)铁厌，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上霜甜，超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命惹模。超精密加工技術(shù)在航天運(yùn)載工具、武器研制箕昭、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作用灵妨。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)星落竹、超視距空對空攻擊能力泌霍、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)方面述召，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系朱转。可以說积暖，沒有高水平的超精密加工技術(shù)藤为，就不會有真正強(qiáng)大的國防。

　　1 超精密加工的共性技術(shù)及其發(fā)展

　　超精密加工可分為超精密切削夺刑、超精密磨削缅疟、研磨、拋光及超精密微細(xì)加工等遍愿。盡管各自在原理和方法上有很大的區(qū)別窿吩，但有著諸多可繼承的共性技術(shù)，總的來說曾搪，在以下幾個方面有著共同的特點(diǎn)：

　　1.1 超精密運(yùn)動部件

　　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)格約束的相對運(yùn)動扯连，對材料進(jìn)行微量切削权饥，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過程。超精密運(yùn)動部件是產(chǎn)生上述相對運(yùn)動的關(guān)鍵梨浑，它分為回轉(zhuǎn)運(yùn)動部件和直線運(yùn)動部件兩類面族。

　　高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動部件通常是機(jī)床的主軸，目前普遍采用氣體靜壓主軸和液體靜壓主軸迂儡。氣體靜壓主軸的主要特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)精度高芙捏，如Pneumo公司的Nanoform250車床采用氣體靜壓主軸，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05μm杰打。其缺點(diǎn)是剛度偏低粤唤，一般小于100 N/μm。近年來搁鞭，在提高氣浮主軸剛度方面有很多研究预锅，如德國Kugler公司開發(fā)了半球型氣浮主軸饵来，剛度高達(dá)350 N/μm；日本學(xué)者利用主動控制的方法增加主軸剛度民傻，同時提高了回轉(zhuǎn)精度胰默；荷蘭Eindhoven科技大學(xué)研制的薄膜結(jié)構(gòu)被動補(bǔ)償氣浮軸承靜剛度可趨于無窮，動剛度也大大提高漓踢。液體靜壓主軸與氣浮主軸相比牵署，具有承載能力大、阻尼大喧半、動剛度好的優(yōu)點(diǎn)奴迅，但容易發(fā)熱，精度也稍差薯酝。

　　直線運(yùn)動部件是指機(jī)床導(dǎo)軌半沽，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)動速度較低吴菠，超精密機(jī)床大多采用后者者填，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0.025μm/1000 mm做葵。同樣占哟，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)計的超精密車床中翠墩，提高了導(dǎo)軌直線度谴童。

　　1.2 超精密運(yùn)動驅(qū)動與傳遞

　　為了獲得較高的運(yùn)動精度和分辨率，超精密機(jī)床對運(yùn)動驅(qū)動和傳遞系統(tǒng)有很高的要求帝匙，既要求有平穩(wěn)的超低速運(yùn)動特性整雷，又要有大的調(diào)速范圍，還要求電磁兼容性好反狞。

　　 一般來說珠焦，超精密運(yùn)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(jī)跳清，可以減少中間環(huán)節(jié)帶來的誤差股背，具有動態(tài)特性好、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單客止、低摩擦的優(yōu)點(diǎn)痹橙，主要問題是行程短、推力小巾甲。另外涕克，由于摩擦小，很容易發(fā)生振蕩竣付，需要用優(yōu)秀的控制策略來彌補(bǔ)诡延。目前滞欠，除了小行程運(yùn)動外，直線電機(jī)用于超精密機(jī)床仍處于實(shí)驗階段肆良。

　　間接驅(qū)動是由電機(jī)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動筛璧，然后通過運(yùn)動傳遞裝置將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。它是目前超精密機(jī)床運(yùn)動驅(qū)動方式的主流惹恃。電機(jī)通常采用低速性能好的直流伺服電機(jī)夭谤，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，輸出力矩大巫糙，位置控制分辨率達(dá)到64萬分之一朗儒。運(yùn)動傳遞裝置通常由聯(lián)軸器、絲杠和螺母組成参淹，它們的精度和性能將直接影響運(yùn)動平穩(wěn)性和精度醉锄，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)浙值，分別采用球槽和柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)恳不，用于消除電機(jī)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构鸭，用于連接螺母和工作臺麸河，可消除4個方向的運(yùn)動誤差。絲杠往往選擇高精度的滾珠絲杠旬性，另外也有氣浮絲杠和磁浮絲杠用于超精密機(jī)床的實(shí)驗研究冰枯，如俄羅斯研制的氣浮/磁浮絲杠分辨率達(dá)到了0.01μm。日本新宿大學(xué)的Fukada通過在滑動絲杠抒崖、螺母和工作臺間插入彈性體庵窄，將扭矩轉(zhuǎn)化為微位移，使滑動絲杠達(dá)到納米級分辨率婉烈。

　　在驅(qū)動方式上還有突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新研究堪锌，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蒙搅。

　　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)∧敢荩基于PC機(jī)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)控的潮流潘尿，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(yùn)動控制模塊(PM AC)開發(fā)應(yīng)用越來越廣泛徒溪，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高忿偷。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(jī)，用ADSP2181信號處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器臊泌。

　　在數(shù)控軟件方面鲤桥，開放性是一個發(fā)展方向揍拆。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茶凳。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(yùn)動控制軟件嫂拴，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)展的方向贮喧。

　　1.4 超精密運(yùn)動檢測技術(shù)

　　為保證超精密機(jī)床有足夠的定位精度和跟蹤精度筒狠，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運(yùn)動檢測是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件箱沦。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)定性辩恼，測量范圍大，適合作機(jī)床運(yùn)動線位移傳感器使用谓形。但是雙頻激光干涉儀對環(huán)境要求過于苛刻荸速，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會大大降低精度柒谈。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗穴阱，德國Heidenhain公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密機(jī)床運(yùn)動檢測，如該公司LIP401,材料長度220mm墙哲，分辨率為2nm坎市，采用Zerodur材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)(0.1 ppm/k)，動靜尺間隙為0.6±0.1mm氏石，對環(huán)境要求低盹馅，安裝和使用方便，如Nanoform2500和Optimum2400超精密車床都使用了Heidenhain光柵尺愿航。

　　1.5 超精密機(jī)床布局與整體技術(shù)

　　模塊化毒奇、構(gòu)件化是超精密機(jī)床進(jìn)入市場的重要技術(shù)手段，如美國ANORAD公司生產(chǎn)各種主軸身音、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺沥葛，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)動控制平臺和機(jī)床。研制超精密機(jī)床時散烂，布局就顯得非常關(guān)鍵客扎。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”型布局窃页，這種布局使機(jī)床整體剛度較高，控制也相對容易复濒，如Pneumo公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局脖卖。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)畦木，用于提高剛度袖扛；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十籍，該機(jī)床除了X蛆封、Z和C軸外，附加了A軸妓雾，用于加工自由表面時控制砂輪的切削點(diǎn)娶吞。

　　　 此外，一些超精密加工機(jī)床是針對特殊零件而設(shè)計的屁坛，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤加工肖糖，一些非球面鏡的研拋加工采用計算機(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)宽缎。由此可見睹蜈，超精密機(jī)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)計手段着雪。

　　1.6 其它重要技術(shù)

　　超精密環(huán)境控制牲课，包括恒溫、恒壓瞎励、隔振女灸、濕度控制和潔凈度控制。另外蒜肥，超精密加工對刀具的依賴性很大但雨，加工工藝也很重要，對超精密機(jī)床的材料和結(jié)構(gòu)都有特殊要求碟堵。

　　2 提高超精密加工精度的途徑

　　通常螺谅，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(jī)床零部件制造和裝配時的幾何誤差；②外界和機(jī)床內(nèi)部熱源引起的熱變形誤差来累；③機(jī)床自重和切削力引起的力變形砚作；④機(jī)床軸系的伺服誤差(跟隨誤差)；⑤其它誤差嘹锁，如數(shù)控插補(bǔ)算法誤差以及外界振動葫录、濕度變化等環(huán)境誤差。

　　 研究結(jié)果表明领猾，普通精度機(jī)床70%以上誤差來自前2項压昼，而超精密機(jī)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瘤运，所以對上述諸多誤差都要進(jìn)行綜合比較與控制。對于超精密零件來說匠题，輪廓精度是體現(xiàn)綜合質(zhì)量的一項重要指標(biāo)拯坟。在超精密金剛石切削加工過程中但金，對輪廓精度起決定性影響的是機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動精度。由于對改善輪廓精度所采取措施的側(cè)重點(diǎn)不同郁季，伴隨著產(chǎn)生了解決這一問題的3種不同方法：開環(huán)方法冷溃、閉環(huán)方法和補(bǔ)償方法。

　　　 (1)開環(huán)方法 這是單純依靠提高機(jī)床零部件的性能來提高機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動精度的方法弹双。采用直線度非常理想的導(dǎo)軌(如液體靜壓導(dǎo)軌碰素、氣體靜壓導(dǎo)軌等)，更高回轉(zhuǎn)精度的主軸(如液體靜壓主軸战辨、氣體靜壓主軸等)媒邀，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)動方式(如滾珠絲杠莱火、靜壓絲杠滴推、摩擦驅(qū)動、直線驅(qū)動等)驻碟，提高機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度仪从。但是，機(jī)械系統(tǒng)中普遍存在摩擦和間隙卸禽，在低速運(yùn)動時會產(chǎn)生爬行(stick- slip)現(xiàn)象潜狭，反向運(yùn)動時產(chǎn)生反程差(backlish)。為了提高位置精度洪稿，機(jī)械傳動系統(tǒng)還需要足夠的聯(lián)接剛度以克服彈性變形谭央。要用開環(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)床上土童，例如美國LLNL诗茎、英國Rank Pneumo公司、Granfield大學(xué)開發(fā)成功的超精密金剛石車床献汗。

　　　 上述超精密機(jī)床的閉環(huán)控制都采用前饋加PID控制方法敢订，這種傳統(tǒng)控制方法穩(wěn)定性好、可靠性高罢吃，PMAC運(yùn)動控制板就是這種控制器的代表楚午。超精密數(shù)控系統(tǒng)要求有納米級運(yùn)動分辨率，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)尿招。此外矾柜，針對超精密加工特點(diǎn)，需要多軸聯(lián)動生成高次曲線就谜、曲面怪蔑，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)缆瓣、逆補(bǔ)償濾波器(IKF)控制哮瓦、滑模控制及陷波啼厌、前饋等方法岛盗，可以較大地提高跟蹤精度。

　　　 (3)補(bǔ)償方法 在70年代和80年代初期终于，誤差補(bǔ)償技術(shù)成功地應(yīng)用于三坐標(biāo)測量機(jī)上(CMM)萄尽。從1980年到1995年的15年間，由于采用了誤差補(bǔ)償禁脏，CMM在性能提高的基礎(chǔ)上倡照，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)雜猜著。但隨著各種測量控制技術(shù)的發(fā)展啄崖，對超精密機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動誤差、定位誤差和熱變形誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)已逐漸成熟禀锋，如Nanoform系列的超精密車床已具有在位測量及誤差補(bǔ)償功能垄暗。由此可見，對超精密機(jī)床加工精度進(jìn)行計算機(jī)軟件補(bǔ)償禀综，以提高精度和降低成本是個必然的趨勢简烘。未來的超精密機(jī)床在提高加工精度的同時，也將更具智能化定枷，例如具有對自身誤差進(jìn)行檢測孤澎、診斷與補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

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