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?？梢哉f，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）?；赑C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?？刂萍跋莶?、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。