超精密加工机床系统研究与未来发展

长江大学

超精密加工机床系统研究与未来发展

所在学院：机械工程学院 专 业：材料成型及控制工程 年 级：材料11301班 组长：施贤超（序号19）

成员：石文龍、刘天天、沈星驰、朱倩雨 日期：2015年10月21日

目录

一．绪论 ............................................................................................................................... 1 二．超精密机床的发展现状 ................................................................................................. 1

2.1国外超精密机床发展现状 ........................................................................................ 1 2.2国内超精密机床发展现状 ........................................................................................ 5 三．现代超精密加工系统 ..................................................................................................... 6

3.1 SPDT单点金刚石车床系统 .................................................................................... 7 3.2 XZC超精密加工机床系统 ....................................................................................... 7 （1）FTS快速刀具伺服超精密加工技术。 ................................................................... 7 （2）S3慢速拖板伺服超精密加工技术。 ..................................................................... 8 3.3多轴超精密自由曲面磨床 ........................................................................................ 8 四．专用超精密加工机床系统 .............................................................................................. 9

4.1 KDP超精密飞切加工机床。 ................................................................................... 9 4.2 平板显示器背光板滚筒模具超精密加工机床和菲涅耳透镜模具超精密加工机床 ... 9 五．超精密加工机床关键技术 ............................................................................................ 10

5.1 机床系统总体综合设计技术 .................................................................................. 10 5.2 高刚性、高稳定机床本体结构设计和制造技术 ..................................................... 10 5.3 超精密工件主轴技术 ............................................................................................. 10

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5.4 超精密导轨技术 .................................................................................................... 11 5.5 纳米（A°）级分辨率动态超精密坐标测量技术 .................................................... 11 5.6 纳米级重复定位精度超精密传动、驱动控制技术 ................................................. 11 5.7 开放式高性能CNC数控系统技术......................................................................... 12 5.8 高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术 ................................................. 12 六．现代超精密机床研制实例——Nanosys-1000数控光学加工机床 ................................. 13

Nanosys-1000机床系统的特点 .................................................................................. 13 七．超精密机床的未来展望 ............................................................................................... 14 八.参考文献 ........................................................................................................................ 16

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一．绪论

现代超精密加工机床与系统已应用到当代多个高端技术领域，在推动科技进步方面发挥着重大作用。总体上，我国该项技术与国际先进水平还有较大差距。瞄准未来发展方向，抓住主要矛盾，突破关键技术，适应发展需求，对推动我国科技进步，加强国防建设具有重大意义。

光学元件因面形精度和表面质量要求非常高，是超精密加工典型性和代表性的主要应用领域。

传统的光学系统因设计、计算、加工和制造技术所限，结构和元件形状都较简单——光学元件形面通常为平面或球面。传统的光学元件加工时，采用大数、无规则轨迹控制和均化效应等工艺，配合检测，可获得良好的超精密加工效果。这里的加工精度依赖的是工艺方法，而不苛求加工机床本身的精度。低机械精度的加工机床仍可达到高的光学元件加工精度效果，这类机床通常也被称为“非确定性”（Non-deterministic）加工机床。采用传统加工方法的“非确定性”超精密加工机床只适合加工球面、平面等简单形状和玻璃类硬脆材料的光学元件。

随着现代科技的发展，特别是光电子技术、计算技术的发展，当今的光学应用系统在适应光学元件形面的复杂性、材料的多样性、几何尺度的大小方面都有了巨大的发展变化。传统的“非确定性”超精密加工机床和工艺方法已不能适应现代光学系统元件加工需求——或是根本无法加工，或是加工效率极低。

而“确定性”（Deterministic）超精密加工机床和可控制刀具（如金刚石刀具）能以极高精度的空间运动轨迹直接加工成型具有光学镜面效果的产品。具有这种性能的机床不仅使加工效率得到了极大提高，还可实现传统方法难以加工处理的金属基、光学晶体等材料及非球类复杂形面元件的超精密加工。

二．超精密机床的发展现状 2.1国外超精密机床发展现状

目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精

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密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。各国主要代表性研究机构及机床综述如下。

1962年美国Union Carbide公司研制成功半球车床, 它是最早使用金刚石刀具实现超精密镜面切削的机床, 可用于加工球形和半球形零件, 机床为立式布局, 电动机通过带轮带动主轴旋转, 主轴采用高精度空气轴承, 加工件尺寸精度为0.6μm,表面粗糙度Ra为0.025μm以内。美国LLNL 实验室于20世纪80年代研制成功两台大型超精金刚石车床。一台是卧式DTM-3超精密金刚石车床, 该机床为T 形结构, 采用多路激光干涉测量系统, 可对各轴进行直线和偏移误差补偿。其系统分辨率为215nm, 最大加工直径为Φ2100mm, 加工精度方面: 形状误差可达28nm, 圆度和平面度可达12.5nm, 表面粗糙度Ra可达4.2nm。另一台是立式大型光学金刚石车床LODTM, 机床主轴系采用液体静压轴承, 位置测量系统采用分辨率为0.625nm 的7路双频激光测量系统, 50r/m in时的主轴回转精度小于51nm, 加工精度可达28nm, 可加工直径1.65m、高0.5m、质量1 360kg 的工件。现在仍被公认为世界上精度最高的超精密机床。

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图1 美国LLNL实验室研制的LODTM车床

图2新型机床金刚石车削和铣削[1]

美国Moore Nanotechnology System 公司生产的超精密金刚石车床Nanotech 250UPL, 代表着纳米级加工机床的发展水平。机床床身采用天然黑花岗岩结构, 控制系统采用激光全息式直线移动的全闭环控制系统, 分辨率高达0.034nm, 采用了基于PC 和Windows的运动控制系统, 线性编程精度为1nm、旋转编程精度为01000 01°, 高纯度铝合金加工试件的加工精度P-V 值小于等于0.125μm, 表面粗糙度Ra2.0 nm。

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图3 Nanosys300 非球面复合加工系统

欧洲的许多国家也进行了超精密机床的开发研究。荷兰PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金刚石车床COLATH, 主要用于非球面塑料透镜的加工, 加工精度在0.5μm 以下, 表面粗糙度Ra< 0.02μm。英国Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM 2500 多功能三坐标联动数控磨床, 其工作台尺寸为2 500mm *2 500mm。该机床采用油膜轴承技术, 有利于减小振动, 实现运动的平稳控制。其无损磨削速度可达100~ 300mm3 /min,加工表面粗糙度为10~ 50nm, 形状误差小于5μm /m,亚表面损伤小10μm。Cranfield大学Paul Shore等人设计制造了新型超精密磨床BOX, 机床主轴采用油膜轴承, 功率可达10kW, 材料切削速度可达200mm3 / s。该机床具有较好的动静态特性, 其静态刚度大于100N, 运动件质量小于750kg, 共振频率大于100Hz。亚表面损伤P-V 值小于1μm。

日本TOYOTA公司生产的AHNIO型高效专用超精密车床, 机床主轴采用空气轴承, 最大加工直径为100mm, 刀架设计成滑板结构。直线移动分辨率为0.01μm, 采用激光测量反馈系统, 定位精度全行程0.03μm, B 轴回转分辨率为

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1.3°。砂轮轴由气动透平驱动, 转速为100 000r/min。该机床加工的模具形状精度为0.05μm, 表面粗糙度Ra0.025μm。日本FANUC公司研制的ROBONANO A-0 iB超精密加工机床, 该机床利用了FANUC 公司的纳米级控制技术, 直线轴(X、Y、Z ) 分辨率可达1nm, 旋转轴(B、C ) 分辨率为0.000 01°。机床的运动部件全部采用空气静压支承结构(导轨、进给丝杆螺母副、驱动电机), 将系统的摩擦减小为0。机床的发热量仅为5W, 通过供给机床压缩空气可使温升控制在±0.01℃。利用该机床可实现铣削、车削和高速刻绘加工。

2.2国内超精密机床发展现状

北京机床研究所自主研发了一系列具有自主知识产权的超精密机床, 如SQUARE 系列超精密光学镜面铣床、SPHERE200 超精密球面镜加工机床、NANO-TM 500纳米级车铣复合加工机床和NAM-820超精密数控车床。这些机床的轴系精度小于等于0.05μm, 导轨精度达0.1μm /200mm, 加工件(有色金属) 表面粗糙度Ra≤0.002μm。其中NAM-820超精密数控车床, 采用具有自主知识产权、获得国家科技进步一等奖的超精密气体静压主轴, 确保主轴的回转精度小于0.05μm。X 轴、Z 轴采用高精度气体静压导轨, 位置反馈元件采用高精度双频激光干涉仪, 分辨率为0.01μm, 专用数控系统分辨率高达0.001μm。NANO-TM500纳米级车铣复合加工机床是目前我国最新一代的纳米级加工机床。机床溜板采用直线电机对称双驱动结构, 最小移动控制量为1nm,机床回转工作台采用空气静压轴承、高分辨率直接驱动结构, 回转精度为0.005μm, 机床主轴采用高精度空气静压轴承、整体电主轴结构, 回转精度为0.005μm, 加工件表面粗糙度Ra≤5nm。

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哈尔滨工业大学研制的型号为HCM- I亚微米超精密加工车床, 主轴精度小于等于50nm, 径向刚度220N /Lm, 轴向刚度160N /Lm, 导轨Z 向(主轴) 直线度小于等于0.2μm /100mm, X 向(刀架)直线度小于等于0.2μm /100mm, 加工工件精度形面精度(圆度) 小于等于0.1μm。

三零三所研制的Nanosys-300、CJY-500和COMM等超精密机床已达到国际先进水平。C JY-500超精密研磨机的加工工件平面度为0.03μm /50×50mm,加工工件表面粗糙度Ra 为0.000 3μm。Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工机床, 加工工件尺寸最大为<300×200mm, 测量、控制系统分辨率1.25~5nm, 非球面加工精度为0.3μm, 加工工件表面粗糙度Ra< 10nm。COMM 超精密万能外(内) 圆磨床的最大加工工件尺寸为<250×500mm, 加工工件圆度为0.1~ 0.3mm, 加工工件圆柱度为0.51mm, 加工工件表面粗糙度Ra为0.005~ 0.02mm。

三．现代超精密加工系统

超精密机床的高确定性取决于对影响精度性能的各环节因素的控制。这些控制品质常常要求达到当代科技的极限，如机床运动部件（导轨、主轴等）较高的运动精度和可控性（如摩擦、阻尼品质），机床坐标测量系统较高的分辨率、测量精度和稳定性，运动伺服控制系统较高的动、静态加工轨迹跟踪和定位控制精度等。此外，还要求数控系统具有较高性能的多轴实时控制及数据处理能力，机床本体的高刚性、高稳定性和优良的振动阻尼。为了防止环境振动和加工中机床姿态微小变化的影响，机床还需安装隔振、精密自动水平调整机构等。

环境因素对超精密加工影响巨大。特别是大型超精密加工机床对环境控制极为严苛，包括高稳定性地基振动控制、机床本体液体温控、环境空气流场和温度控制。另外，以现有的科技手段，对声场及任何可能对机床状态产生微小扰动的因素都要进行严格控制。

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3.1 SPDT单点金刚石车床系统

现代光学确定性加工技术的核心是数控超精密加工机床。其中，最具有代表性的是SPDT（Single Point Diamond Turing，单点金刚石车削）机床。SPDT采用金刚石刀具，可直接车削加工成型达到光学级质量的金属基、光学晶体等材料的非球曲面零件。

20世纪80年代，美国为了解决天基高能激光武器、惯性约束核聚变点火、太空探测、高能粒子加速器等国家重大工程中光学系统加工技术难题，专门组织在劳伦斯·利弗莫尔（LLNL）国家实验室开展了大、小多种尺寸和立、卧不同类型SPDT机床系统研究。

在LLNL研发的SPDT机床中，最具技术代表性的要数LODTM（Large Optic Diamond Turning Machine，大型光学金刚石车床）。LODTM机床系统投资巨大，设计方案周详，关键技术解决方案采用了当时最新技术手段。至今，LODTM的某些技术指标都难以超越。LODTM在超精密加工技术与机床系统发展史上具有里程碑的示范作用。

美国在发展信息战和精确制导装备中，为了解决大量非球面光学晶体材料和元件的加工难题，需要相当数量的具有高效及非球面光学零件加工能力的SPDT机床。90年代后，商品化的SPDT机床得到了重点研发支持和广泛应用。

3.2 XZC超精密加工机床系统

普通的SPDT机床主轴只进行转速控制，因而只能加工回转对称类非球面零件。对于非回转对称的光学自由曲面加工，这样的SPDT机床就无能为力了。

通过对SPDT机床的主轴配置高分辨率的角度检测装置，形成可进行转角位置精密控制的C轴，SPDT机床可拓展成工件主轴和加工刀具运动导轨进行联动控制的XZC超精密加工机床。机床通过XZC联动控制可解决具有某些特征和类型的非回转对称的光学自由曲面元件的加工难题。

（1）FTS快速刀具伺服超精密加工技术。

针对微小阵列结构的光学自由曲面元件，曲面曲率变化大，XZC联动加工时刀具会产生非常大的瞬时运动加速度变化。因刀具安装机床拖板大惯量和驱动功率所限，加上振动因数，XZC直接控制将会遇到很大困难。

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