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超密加工設備的發展與展望
發布日期:2018-02-09  |  加入收藏  |  關注度:208  |  返回列表
超密加工設備的發展與展望 縱觀國内外 40 多年超精密機床 發展史,可以總結出兩大特點:一是 大學和研究所保持着對超精密機床 研究的持續熱情,對高技術進行超前 研究,對超精密機床産業化和商品化 起着推動的作用;二是超精密機床 的模塊化、系統化是其進入市場的重要技術手段。 美國是開展超精密加工技術研 究早的國家,也是迄今處于世界領 先地位的國家。早在 20 世紀 50 年代末,由于航天等尖端技術發展的需 要,美國首先發展了金剛石刀具的超 精密切削技術,稱為SPDT(Single Point Diamond Turning)技術, 并 發展了相應的空氣軸承主軸的超精 密機床,用于加工激光核聚變反射 鏡、戰術導彈及載人飛船用球面非球 面大型零件等。 20 世 紀 80 年 代,美國Union Carbide 公司、Moore公司和美國 空軍兵器研究所制定了一個以形狀 精 度 為 0.1μm、直 徑 為 800mm 的 大型球面光學零件超精密加工為 目标的超精密機床研究計劃—— POMA(Point One Micrometer Accuracy) 計劃,這是一個裡程碑式 的研究計劃。 20 世紀 80 年代中後期,美國通 過能源部“激光核聚變項目”和陸、 海、空三軍“先進制造技術開發計 劃”,對超精密金剛石切削機床的開 發研究,投入了巨額資金和大量人 力,實現了大型零件的超精密加工。 如美國勞倫斯 · 利弗莫爾國家實驗 室1984年研制出一台大型光學金 剛石車床 (Large Optics Diamond Turning Machine,LODTM),至今 仍代表了超精密加工設備的高水 平,該機床可加工直徑為 2.1m,重為 4.5t 的工件。采用高壓液體靜壓導軌,在 1.07m×1.12m 範圍内直線度 誤差小于 0.025μm( 在每個溜闆上 裝有标準平尺,通過測量和修正來達 到 ),位移誤差不超過 0.013μm( 用 氦屏蔽的激光幹涉儀來測量和反饋 控制達到 ),主軸溜闆運動偏擺小于 0.057″(通過兩路激光幹涉儀測量, 壓電陶瓷修正來實現 )。激光測量系 統有單獨的花崗岩支架系統,不與機 床聯結。油噴淋冷卻系統可将油溫 控制在(20±0.0025)℃。采用摩擦 驅動,運動分辨率達0.005μm。 終可實現加工大型光學零件直徑達 1.4m,面形精度為0.025µm,表面 粗糙度 R a ≤ 5nm。 VMC850B .... 由于有了模塊化和構件化的技 術,研制新的超精密制造設備的費 用和周期大大下降,技術難度也同 時下降。進入 80 年代後,随着民用 光學應用範圍的擴大,超精密加工 技術在民用行業得到了應用。英國 Rank Pneumo公司于1980 年 向 市場推出了利用激光反饋控制的兩 軸聯動加工機床MSG-325,我國中 科院長春光機所引進的我國第一台 超精密加工設備即為該型号。随後 又 推 出 了 ASG2500、ASG2500T、 Nanoform300 等機床。 經過多次的合并與收購,目前國 際上主要生産金剛石超精密加工設 備的廠商主要有:美國 Moore公司、 AMETEK集團旗下的 Precitech公 司、Taylor Hobson 公司,這幾家公 司占據了絕大部分的市場份額。日 本開發的超精密加工機床主要用 于加工民用産品所需的透鏡和反射 鏡,目前日本制造的加工機床有:東 芝機械研制的ULG-l00A(H)、不 二越公司的ASP-L15、豐田工機的 A H N10、A H N30×25、A H N60-3D 非球面加工機床等。 當今超精密機床技術的發展趨 勢是:技術上不斷朝着加工的極限 方向發展,向更高精度、更高效率方 向發展,向大型化、微型化方向發展;功能上向加工檢測補償一體化方向 發展;結構上向多功能模塊化方向 發展;功能部件上向新原理、新方 法、新材料應用方面發展,總體來講 是向極限制造技術方面發展。 超精密機床技術目前已經發展 成為一項綜合性的系統工程,其發展 綜合利用了基礎理論 ( 包括切削機 理、懸浮理論等)、關鍵單元部件技 術、相關功能元件技術、刀具技術、 計 量與測試分析技術、誤差處理技術、 切削工藝技術、運動控制技術可重構 技術和環境技術等。因此,技術高度 集成已成為超精密機床的主要特點。 新理論、新原理、新觀點、 新方法及新技術在超精密 機床中的應用 近年來,超精密基礎元部件及機 床結構等方面應用了一些新理論、 新 原理、新觀點、新方法和新技術。 1 在機床結構方面 為了增加超精密機床的靜剛 度和動剛度,一些超精密機床采用 很特殊的結構,例如三角棱形立式 結構的超精密磨床是為了超大直徑 ( φ 400mm) 矽片研磨加工設計的,改 變了傳統的龍門式結構在重的加工 負載下容易産生俯仰和偏擺變形的缺點。近年來采用多自由度并聯機 床結構,進一步增大了機床的剛度。 2 超精密主軸和導軌 在傳統空氣靜壓和液體靜壓軸 承的基礎上,通過控制節流量反饋方 法來實現運動的主動控制從而提高 軸承的剛度。磁懸浮主軸技術, 永 磁、電磁和氣浮結合的控制方案也一 直在研究中。多孔材料的氣浮軸承 可以提高氣浮軸承的剛度。液體靜 壓軸承具有剛度高、動态特性好等特 點,但發熱是其緻命的弱點,水靜壓 軸承的研制正是針對這一問題進行 的。與油靜壓軸承相比,這種軸承的 優點是軸承發熱較小,适合于高速運 轉,而且沒有污染,特别适合矽片加 工等行業。 3 超精密驅動技術 精密滾珠絲杠是超精密機床驅 動采用的常規方式,但是這種方式存 在許多缺點,限制了運動精度的進一 步提高。為此,氣浮絲杠和液體靜壓 絲杠在一些日本研制的超精密機床 上得到了應用,但是采用這種傳動方 式的零件加工工藝極其複雜,限制了 其應用。摩擦驅動具有運動平穩、 無 反向間隙等特點,在一些輕載、低速 的超精密加工設備及檢測設備上得 到了應用。近年來,直線電機在超精密加工設備的驅動上得到了廣泛的 應用,也成為一個趨勢。直線電機采 用無機械減速系統的無摩擦直接驅 動方式,适合高精度、高分辨率、高速 等場合。 4 超精密加工的誤差建模與補償技術 用變分法精度、多體動力學等分 析誤差建模理論,可以将刀具幾何參 數、加工工藝條件及機床運動誤差三 大因素對加工工件的精度影響準确 的建立數學模型。近年來一些數學 工具如微分幾何、李代數和李群在複 雜幾何形狀誤差的評定和分析方面 得到了一些應用,并有望在超精密機 床誤差分析中得到運用。在機床運 動精度和工件形狀精度處于同一數 量級時,多傳感器誤差分離方法是分 離誤差有效的方法之一。例如, 對 主軸運動誤差和工件圓度誤差的分 離,溜闆運動誤差與工件直線度的分離等。圓度三點法技術己相當成熟, 在直線度測量中,多傳感器安裝誤差 和測量加密算法已得到很好解決, 因 此,圓度和直線度誤差分離技術可順 利地推廣到圓柱度、平面度超精密誤 差測量與補償控制領域。 5 超精密機床的數控系統 超精密機床數控系統的特點是 高編程分辨率(1nm)和高精度的伺 服控制軟硬環境。在高編程分辨率條件下滿足高質量切削條件,意味着 需要高的控制速度,例如插補周期小 于 1ms( 普通數控為 10ms 左右 ),伺 服閉環采樣周期小于 0.1ms。 PC機的發展給數控技術帶 來 新 的 變 化,基 于 PC 的 數 控 系 統已成為超精密數控系統的趨 勢。 例 如 美 國 的NANOPATH 和 P R E C I T E C H’S U L T R A P A T H TM都是基于 DSP的超精密數控 系統。數據系統的硬件運動控制模 塊(PMAC)開發及運用越來越廣泛, 使基于PC的數控系統的可靠性和 可重構性得到提高。新的芯片 ( 如 SERCOS)和網絡協議的發展又給數 控系統提供了一種分布網絡式的新 結構,使其可靠性和開放性更好。 超精密數控機床不難實現高定 位精度,即使在超精密概念下有一些 非線性環節,采用适當的控制算法 都可以得到很高的定位精度。但是 當機床作非直線運動時 (多軸聯動)對指定輪廓 曲線的控制精度(跟蹤 精度)還取決于機床各 維運動的動态特性。因 此,很難保證高的跟蹤精 度。一些适當的控制技 術(如解耦控制技術)可 以将多維運動參數加以 解耦來提高跟蹤精度。 多軸聯動數控系統 的精度主要從單個伺服 軸的運動控制精度和聯 動軸耦合輪廓精度 2 方 面來評價。對于單個伺服軸的運動 控制,當要求的運動精度達到納米級 時,傳統的超精密機床傳動方式在 低速、微動狀态下表現出強非線性特 性,常規的運動控制策略已經很難保 證伺服系統實現理想的納米級随動 精度。 此外,多軸聯動系統的輪廓誤差 由各伺服軸的運動誤差耦合得到, 耦 合誤差的建模及各軸相應的補償控制量的計算都需要大量的齊次坐标 變換運算,這為實際的多軸聯動耦合 控制器的設計帶來了很大的不便。 智能控制理論與方法将可能為此問 題提供理想的解決方法。此外,要實 現多軸聯動納米級輪廓控制精度, 還 有一個不可忽視的問題,即聯動軸的 同步問題。同步精度的高低直接影 響到系統的輪廓跟蹤精度。嚴格意 義上的多軸伺服系統同步涉及到複 雜的數控和伺服系統接口規範的制 定。目前,在可以實現亞微米級加工 的高檔多軸聯動超精密數控機床研 制方面,我國尚未取得突破性進展。 至于可實現大型複雜曲面,特别是自 由曲面的納米級超精密加工的五軸 聯動機床,至今仍是一個世界上尚未 解決的難題。 1我國超精密加工設備與國際先進水平的差距 超精密加工設備的研制目前在 國内還處于起步階段,還沒有形成一 個産業,在超精密加工設備以及超精 密加工工藝技術等方面,國内各個單 位各有特點,相互之間進行深層次交 流還存在着一定的障礙。 一直以來西方國家對中國超精 密加工設備處于禁運狀态,正是在這 種情況下國内各行業才開始進行超 精密加工設備的研制,例如非球面超 精密加工設備在 20 世紀 80 年代甚 至 90 年代初期仍屬于禁運産品, 但 随着國内多家單位(如北京航空精密 機械研究所、哈爾濱工業大學、國防 科技大學、北京機床所等)相繼研制 成功非球面超精密加工設備,雖然在 性能指标以及可靠性等方面還有很 大差距,而且并沒有形成商品。但多 家國外公司紛紛解除了禁運,而且價 格大幅度下降,從當初的 1000 多萬 人民币已經降到目前的 300 多萬, 這表明超精密加工設備的研究産生了 巨大的經濟效益和社會效益。 北京航空精密機械研究所研制的Nanosys-300 非球面曲面超精密 複合加工系統具有 CNC 車削、磨削、 飛切(銑削)等多種加工功能,可對 球面、非球面和超平面等形狀零件進 行納米級超精密鏡面加工。系統采 用以工控 PC 為平台、多軸運動控制 器為核心的高性能開放式數控系統, 主要包括納米級坐标測量與伺服控 制系統,超精密、高速空氣靜壓主軸 系統,超精密、高剛性、高阻尼閉式液 體靜壓導軌系統,超精密、高速、高剛 性空氣靜壓磨頭系統,噴霧、吸屑系 統,氣浮減震調平系統,在位對刀和 工件檢測系統,以及ELID金剛石砂 輪修整、延性磨削系統等單元。目前 正在研制的 Nanosys450 已經進入 了裝配調試階段,1m口徑的大型非 球面超精密加工設備也進入了設計 階段。 但是與歐美國家相比,我國在超 精密加工設備的研制和生産等方面 存在着較大的差距。研究力量分散, 沒有形成産品系列化和産業化的局 面。單項技術指标盡管很高,但總體 技術水平落後,不足以滿足我國超精 密加工行業的需要,大部分還隻是停 留在研究型機床的狀态。 我國在此領域的基礎研究水平 雖有很大提高,但在性能完備性、可 靠性、與精度保持性上還有較大的差 距。由于超精密機床設備技術含量 高,種類多,批量小,關鍵部件缺乏國 内配套産品支持等原因,國内超精密 專用加工與檢測設備與國外相比有 更大的差距,阻礙了我國高新技術的 發展和國防現代化發展的步伐,具體 表現在以下幾個方面: (1)設備的總體性能。對于一 些複雜形狀的零件加工,需要兩軸以 上的超精密加工設備才能完成,例如 Precitech公司和Moore公司已商品 化生産五軸超精密切削加工設備, 而 國内的金剛石切削設備目前隻做到了兩軸。 (2)綜合精度指标及穩定性。國内研制的超精密切削加工設備無 論是主軸還是導軌的單項技術指标 與國外商品相比已經接近,但是從設 備的總體技術指标來看還有一定的 差距。國内加工機床的面型精度雖 然也可以達到亞微米級,但是對加工條件要求苛刻,更重要的是不能穩定地達到亞微米級的面型精度。 (3)控制系統方面。Moore公 司自行開發的Delta Tau運動控 制系統、Precitech 公司自行開發的 UPx™ Control System 等,都已經 在各自公司生産的設備上得到了很 好的應用。國内研制的超精密加工 設備中的控制系統有的是自行開發 的,也有的是直接引進的通用型數控 系統,無論是控制系統的性能還是軟件等方面都存在着較大的差距。 (4)超精密加工設備的可靠性。 國外加工設備的商品化已經20多 年,産品的成熟度和可靠性非常高, 都已經經曆了時間和市場的考驗。 而國内目前大多數研究單位隻是進 行了一輪樣機的研制,還有很多基礎 技術不成熟,設備可靠性差。 (5)外觀造型設計及人性化設 計。國産設備在外觀造型設計及人 性化設計方面與國外産品存在較大差距。 (6)機床附屬功能。國外超精 密加工設備上都有一些附屬但同時 又是必須的附件和功能,可以使操作 者能夠非常輕易地實現零件的加工, 如刀具測量與調整系統、工件誤差在 位測量系統等。而國内研制的這些超精密加工設備大多隻能依靠操作 者的經驗和技能實現基本的加工功 能。 (7)基礎元部件。國外超精密 基礎元部件都有專業的生産廠商, 如 Loadpoint 專業生産超精密主軸、超 精密導軌等,已經形成系列化、标準 化。而驅動電機、編碼器、光栅等元 部件的生産國内還無法解決,隻能依 賴于進口,但又受到種種限制。 (8)機床的集成技術。從高精 度零件的加工,主軸導軌等部件的裝 配,到整台設備的裝配及系統調試, 都存在着較大的差距。 2超精密加工設備的展望 1 高精度、高效率 高精度與高效率是超精密加工 永恒的主題。首先通過提高機床轉 速和刀具進給速度來縮短加工時間。 以往商用超精密機床主軸轉速為 3000r/min,現已有 15000r/min的 機床出售。采用直線電機可大大提高進給回程速度,芯片封裝設備的運 動加速度可達 10 g 以上。其次是通 過提高運動部件剛度來提高精度和 效率,如高剛度空氣軸承 ( 多孔質取 代小孔節流 )、液體靜壓軸系 ( 液壓 油和純水軸承) 等,還可采用補償軟 件進一步提高加工精度。 總的來說,固着磨粒加工不斷追 求着遊離磨粒的加工精度,而遊離 磨粒加工不斷追求的是固着磨粒加 工的效率。當前超精密加技術(如 CMP、EEM 等)雖能獲得極高的表 面質量和表面完整性,但以犧牲加工 效率為保證。超精密切削、磨削技 術雖然加工效率高,但無法獲得如 CMP、EEM 一樣的加工精度。探索 能兼顧效率與精度的加工方法,成為 超精密加工領域研究的目标。半固 着磨粒加工方法的出現即體現了這 一趨勢。另外,電解磁力研磨、磁流 變磨料流加工等複合加工方法的誕生也是趨勢表面。 2 加工及檢測一體化 美國勞倫斯 · 利弗莫爾國家實 驗室研制的 LODTM為達到幾十納 米形狀精度,除環境控制十分嚴格 外,加工設備同時也是在線監測設 備。此外,加工與檢測一體化還體 現在日本佳能公司的超光滑抛光機 (CSSP)以及英國克林菲爾德大學 的精密工程研究所研制的OAGM2500 大型磨床上。目前 Precitech 公司、Moore公司生産的商品化超 精密加工設備上也配備了在線檢測 系統。 3 工藝整合化 當今企業間的競争趨于白熱化, 高生産效率越來越成為企業賴以生 存的條件之一。在這樣的背景下, 出 現了“以磨代研”甚至“以磨代抛” 的呼聲。另一方面,使用一台設備完 成多種加工 ( 如車削、鑽削、銑削、磨 削、光整等 ) 的趨勢越來越明顯。 4 大型零件和微小結構的超精密加工 加工航空、航天、宇航等領域需 要的大型光電子器件 ( 如大型天體 望遠鏡上的反射鏡 ),需要大型超精 密加工設備。加工微型電子機械、 光 電信息等領域需要的微型器件 ( 如 微型傳感器、微型驅動元件等),需要 微型超精密加工設備 ( 但這并不是 說加工微小型工件一定需要微小型 加工設備)。 大型零件的精密/超精密加工 較之一般零件更為困難,特别是大型 光學零件,不僅是因為這類零件對面 形精度的要求很高(一般達 λ /幾 十),而且還要求表面及表層無損傷。 例如,美國亞利桑那大學斯迪瓦天 文台大鏡實驗室10m口徑的KECK 望遠鏡,法國REOSC直徑8.4m 天 文望遠系統反射鏡。激光核聚變、 激 光武器和空間像機等需要應用大量大型光學零件。近 20 年來出現了多 種高精、高效加工方法以及對應裝 備。微小零件是指尺寸在幾十微米 至幾毫米的零件,由于尺寸小,剛度 差,給超精密加工帶來很大困難。為 減少對人類資源的消耗和對環境的 污染,産品微型化、集成化是一必然 趨勢。目前不少微電子、光電子産品、 宇航器等軍用産品中的微小零件愈 來愈多。例如,光纖通訊中所用光學透鏡,尺寸在 200μm,微驅動器中的 軸系等,這些零件不僅是三維立體結 構,因為運動還要求很高的精度和鏡 面的表面,特别是這些微小零件壁厚 在幾十微米至幾微米,加工後表面機 械物理性能的改變,常常使整個零件 或系統出現故障,造成嚴重事故。 5 超精密加工技術向更高精度的層次發展 超精密加工技術正受到毫微米 精度的挑戰,還面臨微機械加工的要 求,傳統的加工也面臨不适應的局 面。因此從戰略上必須重視這些發 展。例如在微機械的制造技術領域, 微機械與微機械加工已是當前超精 密加工技術延伸的一個重要方面。 它與傳統的機械加工有着很大差異, 并逐漸成為超精密加工技術領域的 一種嶄新的動向,起到了推動超精密加工技術發展的作用。LIGA技術 就是這種趨勢典型的産物,電加工向 微細加工的發展也是重要表現。由 STM、AFM 等 組 成 的 SPM 系 統 已 經應用到機械加工領域,超精密加工 的表面質量通過這類測量儀表的計 量,使加工的技術水平向更高層次發 展。這些技術的發展不僅推動了微 機械技術的發展,而且也促進了傳統 機械加工的進步。

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