小视频免费在线观看_夜夜b_男女隐私免费视频_国产一级性生活视频_久久综合入口_精品国内视频

技術頻道

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。


文章版權歸西部工控xbgk所有,未經許可不得轉載。

主站蜘蛛池模板: 亚洲福利专区 | 国产成人精品久久久 | www.操.com| 99热.com| 欧美日韩亚洲国内综合网 | 欧美视频亚洲视频 | 国产毛片精品 | 亚洲精品日韩在线 | 成人欧美一区二区三区黑人孕妇 | 亚洲电影一区 | 精品视频网站在线观看 | 久久久com | 99在线视频观看 | 欧美日韩福利视频 | 中文字幕自拍偷拍 | 九色在线播放 | 偷拍亚洲| 懂色av 粉嫩av 蜜乳av | 一区二区三区国产免费 | 99精品视频在线免费观看 | 久久亚洲一区二区三区四区 | 国产精品久久久久久久久潘金莲 | 成人久久久精品乱码一区二区三区 | 91看片神器 | 国产另类在线视频 | 亚洲一区高清 | 亚洲一区欧美二区 | 婷婷成人激情 | 91免费版在线 | 99在线精品视频 | 99久久这里只有精品 | 亚洲精品免费观看 | 91精品国产综合久久久久 | 国产精品一区三区 | 免费福利在线视频 | 国产在线观看免费 | 久久久久国产精品免费免费搜索 | 国产成人精品综合 | 国产伦精品一区二区三区免费迷 | 麻豆视频免费看 | 久久成 |