精密和超精密加工机床的现状及发展对策

精密和超精密加工机床的现状及发展对策摘要:精密和超精密加工技术的发展直接影响尖端技术和国防工业的发展。精密和超精密加工机床是精密和超精密加工技术的基础，本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并通过对比说明提出了我国应重视超精密加工机床的研究、加大投入的观点，对精密超精密加工机床的发展对策给出了几条建议。关键词:精密;超精密;机床;发展正文:1精密和超精密加工机床发展的意义精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平而、曲而和复杂形状的加工需求日益迫切。目前，国外己开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱.其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。随着高技术的蓬勃发展和应用，发达国家提出了“先进制造技术”(AMT)新概念。所谓先进制造技术，就是将机械工程技术、电子信息技术(包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术)和自动化技术，以及材料技术、现代管理技术综合应用于产品的计划、设计、制造、检测、管理、供销和售后服务全过程的综合集成生产技术。先进制造技术追求的目标就是实现优质、精确、省料、节能、清洁、高效、灵活生产，满足社会需求。从先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表而质量极限.后者包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措。两者有密切关系，许多精密和超精密加工要依靠自动化技术得以达到预期指标，而不少制造自动化有赖于精密加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的、决定性的作用，是先进制造技术的支柱。最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方而取得不小进展，但仍和国外有较大差距。我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，因此，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。2我国精密和超精密加工机床的现状及发展趋势超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同的历史时期、不同的科学技术发展水平情况下，有不同的理解。目前，工业发达国家的一般工厂己能稳定掌握3um的加工精度(我国为5um)。因此，通常称低于此值的加工为普通精度加工，而高于此值的加工则称之为高精度加工。在高精度加工的范畴内，根据精度水平的不同。分为3个档次:精度为0.3~3um，粗糙度为0.03~0.3um的为精密加工;精度为0.03~0.3um，粗糙度为0.005~0.03um的称作超精密加工，或亚微米加工;精度为0.03um(30nm)，粗糙度优于0.005um以上的则称为纳米(nm)加工。我国的超精密加工技术在上世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0.025um的精密轴承、JCS-027超精密车床、JCS-031超精密铣床、JCS-035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动一位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部303所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方而进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方而进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截而超精密切削等方而进行了深入研究，并有相应产品问世。此外，中科院长春光学精密机械与物理研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工机床的效率、精度、可靠性，特别是规格(大尺寸)和技术配套性方而与国外相比，与生产实际要求相比.还有相当大的差距。下而列举几种国内超精密加工机床。NAM-800型纳米数控车床是北京机床研究所最新一代的纳米级加工机床。它是当今数控技术、伺服技术、机械制造技术完美的统一。该机床为我国最前沿的科技发展提供了良好的加工手段。NAM-800型纳米数控车床航空航天工业部303所研制的非球而曲而超精密加工机床车削加工样件的而形精度PV=0.228um。下图为哈尔滨工业大学研制的超精密车床，其具有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球而回转曲而。下图为哈尔滨工业大学研制的加工KDP晶体大平而的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。超精密铣床超精密加工技术的发展趋势是:向更高精度、更高效率方向发展;向大型化、微型化方向发展;向加工检测一体化方向发展:机床向多功能模块化方向发展;不断探讨适合于超精密加工的新原理新方法、新材料是研制和制造超精密加工机床的关键。3我国精密和超精密加工机床的发展对策精密和超精密加工技术是和国防尖端技术相互联系的，超精密加工技术是以高精度为目标的技术，它必须综合应用各种新技术，在各个方而精益求精的条件下，才有可能突破常规技术达不到的精度界限，达到新的高精度指标。超精密加工机床技术是超精密加工技术在工业生产中的体现，是一个国家生产力水平的重要标志。因此，大力发展我国精密和超精密加工技术是增强我国综合实力的有力手段，而我国发展精密和超精密加工机床可以从以下三方而进行。3.1注重基础、打好根基一个国家制造业水平的高低，很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。2005年我国数控机床市场总容量约30000台，中、高档市场年需求量12000台，其中数控车床、加工中心(包括数控铣床)占60%，约7000台。基础制造装备不仅需求量大，而且对装备的技术水平的要求越来越高，如飞机制造业中的大台而多坐标数控龙门铣床、高速加工中心、专用高速蜂窝铣等。超精密加工机床按加工原理可分为超精密切削、超精密磨削、研磨、抛光及超精密微细加工等。尽管各自在原理和方法上有很大的区别，但有着诸多可继承的共性技术，发展好共性技术，对超精密机床进行模块化设计是快速发展的捷径。下而列举了几个发展超精密加工机床需要特别重视的单元技术。3.1.1超精密运动部件超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表而光洁度的加工过程。超精密运动部件是产生上述相对运动的关键，它分为回转运动部件和直线运动部件两类。高速回转运动部件通常是机床的主轴，目前普遍采用气体静压主轴和液体静压主轴。气体静压主轴的主要特点是回转精度高，如Pneumo公司的Nanoform250车床采用气体静压主轴，回转精度优于0.05um;其缺点是刚度偏低，一般100N/um}R。近年来，在提高气浮主轴刚度方而有很多研究，如德国Kugler公司开发了半球型气浮主轴，刚度高达350N/um;日本学者利用主动控制的方法增加主轴刚度，同时提高了回转精度;荷兰Eindhoven科技大学研制的薄膜结构被动补偿气浮轴承静刚度可趋于无穷，动刚度也大大提高。液体静压主轴与气浮主轴相比，具有承载能力大、阻尼大、动刚度好的优点，但容易发热，精度也稍差。直线运动部件是指机床导轨，同样有气体静压导轨和液体静压导轨两种。由于导轨承载往往大于机床主轴而运动速度较低，超精密机床大多采用后者，如美国LLNL研制的LODTM采用的高压液体静压导轨，直线度误差0.025um/1000mm。同样，主动控制的方法适用于提高气浮导轨静态刚度，日本Tottori大学的Mizumot)等人将这一技术应用到其设计的超精密车床中，提高了导轨直线度。3.1.2超精密运动驱动与传递为了获得较高的运动精度和分辨率，超精密机床对运动驱动和传递系统有很高的要求，既要求有平稳的超低速运动特性，又要有大的调速范围，还要求电磁兼容性好。一般来说，超精密运动驱动有两种方式:直接驱动和间接驱动。直接驱动主要采用直线电机，可以减少中间环节带来的误差，具有动态特性好、机械结构简单、低摩擦的优点，主要问题是行程短、推力小。另外，由于摩擦小，很容易发生振荡，需要用优秀的控制策略来弥补。间接驱动是由电机产生回转运动，然后通过运动传递装置将回转运动转换成直线运动。它是目前超精密机床运动驱动方式。的主流。电机通常采用低速性能好的直流伺服电机，如美国ParkHannifin公司的DM和DR系列直接驱动伺服执行器，输出力矩大，位置控制分辨率达到64万分之一。运动传递装置通常由联轴器、丝杠和螺母组成，它们的精度和性能将直接影响运动平稳性和精度，也是间接驱动方式的主要误差来源。美国麻省理工学院设计了两种联轴节，分别采用球槽和柔性铰链结构，用于消除电机与丝杠不同轴误差。我国国防科技大学设计了一种框架式浮动单元，用于连接螺母和工作台，可消除4个方向的运动误差丝杠往往选择高精度的滚珠丝杠，另外也有气浮丝杠和磁浮丝杠用于超精密机床的实验研究，如俄罗斯研制的气浮/磁浮丝杠分辨率达到了0.01um。日本新宿大学的Fukada通过在滑动丝杠、螺母和工作台间插入弹性体，将扭矩转化为微位移，使滑动丝杠达到纳米级分辨率。在驱动方式上还有突破传统的创新研究，如日本Tottori大学的Mizumot)等人研制的扭轮摩擦装置，分辨率达到纳米量级;我国国防科技大学研制的扭轮摩擦装置的分辨率也接近纳米级水平。3.1.3超精密机床数控技术超精密机床要求其数控系统具有高编程分辨率(1nm)和快速插补功能(插补周期0.1ms)。基于PC机和数字信号处理芯片(DSP)的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NANOPATH和PRECITECH'SULTRAPATHTM都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块(PMAC)开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH-1型数控系统采用ASW-824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。在数控软件方而，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OSACA,美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件.可根据机床成形系统的布局任意组装软件，符合机床模块化发展的方向。3.1.4超精密运动检测技术为保证超精密机床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率(如ZYGOAXIOMTM2/20分辨率为1.25nm)与高稳定性，测量范围大，适合作为机床运动线位移传感器使用。但双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。德国HeiIenhain公司生产的光栅尺更适合超精密机床运动检测，如该公司的LIP401.材料长度220mm，分辨率为2nm，采用ZeroIu:材料制成几乎达到零膨胀系数((0.1ppm/k)，动静尺间隙为(0.6士0.1)mm，对环境要求低，安装和使用方便。Nanoform2500和Optimum2400超精密车床都使用了HeiIenhain光栅尺。3.1.5超精密机床布局与整体技术模块化、构