超精密加工及其關鍵技術的發展

超精密加工及其關鍵技術的發展

　　摘要：超精密加工是現代制造技術的一個重要組成部分，是眾

多大型系統實現簡化設計和擴展功能的必要基礎。幾十年來，超精

密加工技術在精度和手段上都有了質的飛躍。依據超精密機床各子

系統的功能特點，介紹了超精密加工的共性技術及其最新發展動態

，最后闡述了提高超精密加工精度的途徑和方法。
　　關鍵詞：超精密加工；共性技術；誤差補償
　　中圖分類號：TH16　　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1004-132Ⅹ(2000)01-0177-03

Development of Ultra-precision Manufacturing and Its Key

Technologies

LI Shengyi　ZHU Jianzhong
（National University of Defence Technology,Changsha,China

）

　　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

　　基于材料去除的冷加工技術，從本世紀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

度方面發生了質的變化，促使了超精密加工技術的產生和發展。一

般認為，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，是超精密加工技術。目

前，超精密加工從單一的金剛石車削 ，到現代的超精密磨削、研磨

、拋光等多種方法的綜合運用，已成為現代制造技術中的一個重要

組成部分，其產品涉及國防、航空航天、計量檢測、生物醫學、儀

器等多個領域。
　　回顧即將過去的20世紀，人類取得的每一項重大科技成果，無

不與制造技術，尤其與超精密加工技術密切相關。在某種意義上，

超精密加工擔負著支持最新科學發現和發明的重要使命。超精密加

工技術在航天運載工具、武器研制、衛星研制中有著極其重要的作

用。有人對海灣戰爭中美國及盟國武器系統與超精密加工技術的關

系做了研究，發現其中在間諜衛星、超視距空對空攻擊能力、精確

制導的對地攻擊能力、夜戰能力和電子對抗技術方面，與超精密加

工技術有密切的關系。可以說，沒有高水平的超精密加工技術，就

不會有真正強大的國防。

1　超精密加工的共性技術及其發展

　　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別，但有著

諸多可繼承的共性技術，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備上，利用零件與刀具之間產

生的具有嚴格約束的相對運動，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生上述相

對運動的關鍵，它分為回轉運動部件和直線運動部件兩類。
　　高速回轉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精度高，如

Pneumo公司的Nanoform250車床采用氣體靜壓主軸，回轉精度優于

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公司開發了半球型

氣浮主軸，剛度高達350 N/μm ；日本學者利用主動控制的方法增

加主軸剛度，同時提高了回轉精度；荷蘭Eindhoven 科技大學研制

的薄膜結構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

剛度好的優點，但容易發熱，精度也稍差 。
　　直線運動部件是指機床導軌，同樣有氣體靜壓導軌和液體靜壓

導軌2種。由于導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

軌，直線度誤差小于0.025 μm/1000 mm。同樣，主動控制的方法適

用于提高氣浮導軌靜態剛度，日本Tottori大學的Mizumoto等人將這

一技術應用到其設計的超精密車床中，提高了導軌直線度。
1.2　超精密運動驅動與傳遞
　　為了獲得較高的運動精度和分辨率，超精密機床對運動驅動和

傳遞系統有很高的要求，既要求有平穩的超低速運動特性，又要有

大的調速范圍，還要求電磁兼容性好。
　　一般來說，超精密運動驅動有2種方式：直接驅動和間接驅動。

直接驅動主要采用直線電機，可以減少中間環節帶來的誤差，具有

動態特性好、機械結構簡單、低摩擦的優點，主要問題是行程短、

推力小。另外，由于摩擦小，很容易發生振蕩，需要用優秀的控制

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。
　　間接驅動是由電機產生回轉運動，然后通過運動傳遞裝置將回

轉運動轉換成直線運動。它是目前超精密機床運動驅動方式的主流

。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系列直接驅動伺服執行器，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性和精度，也

是間接驅動方式的主要誤差來源。美國麻省理工學院設計了2種聯軸

節，分別采用球槽和柔性鉸鏈結構，用于消除電機與絲杠不同軸誤

差。我國國防科技大學設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

轉化為微位移，使滑動絲杠達到納米級分辨率。
　　在驅動方式上還有突破傳統的創新研究，如日本Tottori大學的

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　超精密機床數控技術
　　超精密機床要求其數控系統具有高編程分辨率（1 nm）和快速

插補功能（插補周期0.1 ms）。基于PC機和數字信號處理芯片（DSP

）的主從式硬件結構是超精密數控的潮流，如美國的NAN OPATH和

PRECITECH'S ULTRAPATH TM 都采用了這一結構。數控系統的硬件運

動控制模塊（PM AC）開發應用越來越廣泛，使此類數控系統的可靠

性和可重構性得到提高。我國國防科技大學研制開發的YH－1型數控

系統采用ASW－824工業一體化PC工作站為主機，用ADSP2181信號處

理器模塊構成高速下位伺服控制器。
　　在數控軟件方面，開放性是一個發展方向。國外有關開放性數

控系統的研究有歐共體的OS ACA、美國的OMAC和日本的OSEC。我國

國防科技大學在此基礎上提出了構件化多自由度運動控制軟件，可

根據機床成形系統的布局任意組裝軟件，符合機床模塊化發展的方

向。
1.4　超精密運動檢測技術
　　為保證超精密機床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數控系統必

須采用全閉環結構，高精度運動檢測是進行全閉環控制的必要條件

。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境要求過于苛刻，使用和調整非常

困難，使用不當會大大降低精度。根據我們的使用經驗，德國

Heidenhain公司生產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（0.1 ppm/k ），動靜尺間隙為0.6±0.1mm，對

環境要求低，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
　　模塊化、構件化是超精密機床進入市場的重要技術手段，如美

國ANORAD公司生產各種主軸、導軌和轉臺，用戶可根據各自的需要

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，布局就顯得非常關鍵。超精密機床往往與傳統機床在結構布

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構，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計的，如大型

高精度天文望遠鏡采用應力變形盤加工，一些非球面鏡的研拋加工

采用計算機控制光學表面成形技術（CCOS）加工，這些機床都具有

和通用機床完全不同的結構。由此可見，超精密機床的結構有其鮮

明的個性，需要特殊的設計考慮和設計手段。
1.6　其它重要技術
　　超精密環境控制，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構都有特殊要求。

2　提高超精密加工精度的途徑

　　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，如數控插補算

法誤差以及外界振動、濕度變化等環境誤差。
　　研究結果表明，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，輪廓精度是體現綜合質量的一項重要指標。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

系統的運動精度。由于對改善輪廓精度所采取措施的側重點不同，

伴隨著產生了解決這一問題的3種不同方法：開環方法、閉環方法和

補償方法。
　　(1)開環方法　這是單純依靠提高機床零部件的性能來提高機床

機械系統的運動精度的方法。采用直線度非常理想的導軌（如液體

靜壓導軌、氣體靜壓導軌等），更高回轉精度的主軸（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），以及各種精密驅動方式（如滾珠絲杠、

靜壓絲杠、摩擦驅動、直線驅動等），提高機械系統的響應速度和

定位精度。但是，機械系統中普遍存在摩擦和間隙，在低速運動時

會產生爬行（stick- slip）現象，反向運動時產生反程差

（backlish）。為了提高位置精度，機械傳動系統還需要足夠的聯

接剛度以克服彈性變形。要用開環方法達到高精度就意味著成本更

高。
　　(2)閉環方法　全閉環控制方法已普遍應用于超精密機床上，例

如美國LLNL 、英國Rank Pneumo公司、Granfield大學開發成功的超

精密金剛石車床。
　　上述超精密機床的閉環控制都采用前饋加PID控制方法，這種傳

統控制方法穩定性好、可靠性高，PMAC運動控制板就是這種控制器

的代表。超精密數控系統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，需要多軸聯動生成高次曲線、曲面，在傳統控

制算法的基礎上，采用交叉耦合控制、最優預見控制（OPC）、逆補

償濾波器（IKF）控制、滑模控制及陷波、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，誤差補償技術成功地應

用于三坐標測量機上（CMM）。從1980年到1995年的15年間，由于采

用了誤差補償，CMM在性能提高的基礎上，生產成本降低了近20倍。

數控機床的運行環境和工作條件都比CMM復雜。但隨著各種測量控制

技術的發展，對超精密機床進行運動誤差、定位誤差和熱變形誤差

補償的技術已逐漸成熟，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、診斷與補償的能力。