1、精密和超精密加工機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展對策摘要:精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展直接影響尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展。精密和超精密加工機(jī)床是精密和超精密加工技術(shù)的基礎(chǔ)，本文在論述目前國內(nèi)外超精密加工機(jī)床的現(xiàn)狀的同時，介紹了國內(nèi)外有代表性的幾種超精密加工機(jī)床，并通過對比說明提出了我國應(yīng)重視超精密加工機(jī)床的研究、加大投入的觀點，對精密超精密加工機(jī)床的發(fā)展對策給出了幾條建議。關(guān)鍵詞:精密;超精密;機(jī)床;發(fā)展正文:1精密和超精密加工機(jī)床發(fā)展的意義 精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展直接影響到一個國家尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展，因此，世界各國對此都極為重視，投入很大力量進(jìn)行研究開發(fā)，同時實行技術(shù)保密，控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。

2、隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導(dǎo)平臺、光學(xué)和激光等技術(shù)的迅猛發(fā)展和多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對各種高精度復(fù)雜零件、光學(xué)零件、高精度平而、曲而和復(fù)雜形狀的加工需求日益迫切。目前，國外己開發(fā)了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機(jī)床設(shè)備，發(fā)展了新的精密加工和精密測量技術(shù)。 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱.其競爭能力最終體現(xiàn)在新生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品市場占有率上，而制造技術(shù)則是發(fā)展制造業(yè)并提高其產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵。隨著高技術(shù)的蓬勃發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家提出了“先進(jìn)制造技術(shù)”(AMT)新概念。所謂先進(jìn)制造技術(shù)，就是將機(jī)械工程技術(shù)、電子信息技術(shù)(包括微電子、光電子、計算機(jī)軟硬件、現(xiàn)代通信技術(shù))和自動化技術(shù)，以及材

3、料技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)綜合應(yīng)用于產(chǎn)品的計劃、設(shè)計、制造、檢測、管理、供銷和售后服務(wù)全過程的綜合集成生產(chǎn)技術(shù)。先進(jìn)制造技術(shù)追求的目標(biāo)就是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、精確、省料、節(jié)能、清潔、高效、靈活生產(chǎn)，滿足社會需求。 從先進(jìn)制造技術(shù)的技術(shù)實質(zhì)性而論，主要有精密和超精密加工技術(shù)和制造自動化兩大領(lǐng)域，前者追求加工上的精度和表而質(zhì)量極限.后者包括了產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理的自動化，它不僅是快速響應(yīng)市場需求、提高生產(chǎn)率、改善勞動條件的重要手段，而且是保證產(chǎn)品質(zhì)量的有效舉措。兩者有密切關(guān)系，許多精密和超精密加工要依靠自動化技術(shù)得以達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，而不少制造自動化有賴于精密加工才能準(zhǔn)確可靠地實現(xiàn)。兩者具有全局的、決定性的作用，是先

4、進(jìn)制造技術(shù)的支柱。最近幾年，我國的機(jī)床制造業(yè)雖然發(fā)展很快，年產(chǎn)量和出口量都明顯增加，成為世界機(jī)床最大消費國和第一大進(jìn)口國，在精密機(jī)床設(shè)備制造方而取得不小進(jìn)展，但仍和國外有較大差距。我國還沒有根本扭轉(zhuǎn)大量進(jìn)口昂貴的數(shù)控和精密機(jī)床、出口廉價中低檔次機(jī)床的基本狀況。 由于國外對我們封鎖禁運一些重要的高精度機(jī)床設(shè)備和儀器，而這些精密設(shè)備儀器正是國防和尖端技術(shù)發(fā)展所迫切需要的，因此，我們必須投入必要的人力物力，自主發(fā)展精密和超精密加工機(jī)床，使我國的國防和科技發(fā)展不會受制于人。2我國精密和超精密加工機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢超精密加工目前尚沒有統(tǒng)一的定義，在不同的歷史時期、不同的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平情況下，有不同的

5、理解。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的一般工廠己能穩(wěn)定掌握3um的加工精度(我國為5um )。因此，通常稱低于此值的加工為普通精度加工，而高于此值的加工則稱之為高精度加工。在高精度加工的范疇內(nèi)，根據(jù)精度水平的不同。分為3個檔次: 精度為0.33um，粗糙度為0.030.3um的為精密加工;精度為0.030.3um，粗糙度為0.005 0.03um的稱作超精密加工，或亞微米加工;精度為0.03um ( 30 nm )，粗糙度優(yōu)于0.005um以上的則稱為納米(nm)加工。我國的超精密加工技術(shù)在上世紀(jì)70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。北京機(jī)床研究所是國內(nèi)進(jìn)行超精密加工

6、技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等，如精度達(dá)0.025um的精密軸承、JCS-027超精密車床、JCS-031超精密銑床、JCS-035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動一位移測微儀等，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。航空航天工業(yè)部303所在超精密主軸、花崗巖坐標(biāo)測量機(jī)等方而進(jìn)行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方而進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測設(shè)備、微位移工作臺、超精密砂帶

7、磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截而超精密切削等方而進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。此外，中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、華中理工大學(xué)、沈陽第一機(jī)床廠、成都工具研究所、國防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工機(jī)床的效率、精度、可靠性，特別是規(guī)格(大尺寸)和技術(shù)配套性方而與國外相比，與生產(chǎn)實際要求相比.還有相當(dāng)大的差距。 下而列舉幾種國內(nèi)超精密加工機(jī)床。NAM-800型納米數(shù)控車床是北京機(jī)床研究所最新一代的納米級加工機(jī)床。它是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)、伺服技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)完美的統(tǒng)一。該機(jī)床為我國最前沿的科技發(fā)展提供了良好的加工手段。NAM-800型納米數(shù)

8、控車床航空航天工業(yè)部303所研制的非球而曲而超精密加工機(jī)床車削加工樣件的而形精度PV= 0.228um。下圖為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密車床，其具有兩坐標(biāo)精密數(shù)控系統(tǒng)和兩坐標(biāo)激光在線測量系統(tǒng)，可以加工非球而回轉(zhuǎn)曲而。下圖為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的加工KDP晶體大平而的超精密銑床。KDP晶體可用于光學(xué)倍頻，是大功率激光系統(tǒng)中的重要元件。超精密銑床超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是:向更高精度、更高效率方向發(fā)展;向大型化、微型化方向發(fā)展;向加工檢測一體化方向發(fā)展:機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展;不斷探討適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機(jī)床的關(guān)鍵。3我國精密和超精密加工機(jī)床的發(fā)展對策 精

9、密和超精密加工技術(shù)是和國防尖端技術(shù)相互聯(lián)系的，超精密加工技術(shù)是以高精度為目標(biāo)的技術(shù)，它必須綜合應(yīng)用各種新技術(shù)，在各個方而精益求精的條件下，才有可能突破常規(guī)技術(shù)達(dá)不到的精度界限，達(dá)到新的高精度指標(biāo)。超精密加工機(jī)床技術(shù)是超精密加工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的體現(xiàn)，是一個國家生產(chǎn)力水平的重要標(biāo)志。因此，大力發(fā)展我國精密和超精密加工技術(shù)是增強(qiáng)我國綜合實力的有力手段，而我國發(fā)展精密和超精密加工機(jī)床可以從以下三方而進(jìn)行。3.1注重基礎(chǔ)、打好根基一個國家制造業(yè)水平的高低，很大程度上取決于其基礎(chǔ)制造裝備水平的高低。2005年我國數(shù)控機(jī)床市場總?cè)萘考s30 000臺，中、高檔市場年需求量12 000臺，其中數(shù)控車床、加工中

10、心(包括數(shù)控銑床)占60%，約7 000臺。基礎(chǔ)制造裝備不僅需求量大，而且對裝備的技術(shù)水平的要求越來越高，如飛機(jī)制造業(yè)中的大臺而多坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床、高速加工中心、專用高速蜂窩銑等。超精密加工機(jī)床按加工原理可分為超精密切削、超精密磨削、研磨、拋光及超精密微細(xì)加工等。盡管各自在原理和方法上有很大的區(qū)別，但有著諸多可繼承的共性技術(shù)，發(fā)展好共性技術(shù)，對超精密機(jī)床進(jìn)行模塊化設(shè)計是快速發(fā)展的捷徑。下而列舉了幾個發(fā)展超精密加工機(jī)床需要特別重視的單元技術(shù)。3.1.1超精密運動部件超精密加工就是在超精密機(jī)床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對運動，對材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和表而光潔度

11、的加工過程。超精密運動部件是產(chǎn)生上述相對運動的關(guān)鍵，它分為回轉(zhuǎn)運動部件和直線運動部件兩類。高速回轉(zhuǎn)運動部件通常是機(jī)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(zhuǎn)精度高，如Pneumo公司的Nanoform250車床采用氣體靜壓主軸，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.05 um;其缺點是剛度偏低，一般<<100 N/umR。近年來，在提高氣浮主軸剛度方而有很多研究，如德國Kugler公司開發(fā)了半球型氣浮主軸，剛度高達(dá)350 N/um;日本學(xué)者利用主動控制的方法增加主軸剛度，同時提高了回轉(zhuǎn)精度;荷蘭Eindhoven科技大學(xué)研制的薄膜結(jié)構(gòu)被動補(bǔ)償氣浮軸承靜剛度可趨于無窮，

12、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(yōu)點，但容易發(fā)熱，精度也稍差。 直線運動部件是指機(jī)床導(dǎo)軌，同樣有氣體靜壓導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌兩種。由于導(dǎo)軌承載往往大于機(jī)床主軸而運動速度較低，超精密機(jī)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(dǎo)軌，直線度誤差<0.025um/1 000 mm。同樣，主動控制的方法適用于提高氣浮導(dǎo)軌靜態(tài)剛度，日本Tottori大學(xué)的Mizumot<)等人將這一技術(shù)應(yīng)用到其設(shè)計的超精密車床中，提高了導(dǎo)軌直線度。3.1.2超精密運動驅(qū)動與傳遞為了獲得較高的運動精度和分辨率，超精密機(jī)床對運動驅(qū)動和傳遞系統(tǒng)有

13、很高的要求，既要求有平穩(wěn)的超低速運動特性，又要有大的調(diào)速范圍，還要求電磁兼容性好。一般來說，超精密運動驅(qū)動有兩種方式:直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。直接驅(qū)動主要采用直線電機(jī)，可以減少中間環(huán)節(jié)帶來的誤差，具有動態(tài)特性好、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、低摩擦的優(yōu)點，主要問題是行程短、推力小。另外，由于摩擦小，很容易發(fā)生振蕩，需要用優(yōu)秀的控制策略來彌補(bǔ)。間接驅(qū)動是由電機(jī)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，然后通過運動傳遞裝置將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。它是目前超精密機(jī)床運動驅(qū)動方式。的主流。電機(jī)通常采用低速性能好的直流伺服電機(jī)，如美國Park Hannifin公司的DM和DR系列直接驅(qū)動伺服執(zhí)行器，輸出力矩大，位置控制分辨率達(dá)到64萬分之一。運動傳

14、遞裝置通常由聯(lián)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(wěn)性和精度，也是間接驅(qū)動方式的主要誤差來源。美國麻省理工學(xué)院設(shè)計了兩種聯(lián)軸節(jié)，分別采用球槽和柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，用于消除電機(jī)與絲杠不同軸誤差。我國國防科技大學(xué)設(shè)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(jī)床的實驗研究，如俄羅斯研制的氣浮/磁浮絲杠分辨率達(dá)到了0.01 um。日本新宿大學(xué)的Fu kada通過在滑動絲杠、螺母和工作臺間插入彈性體，將扭矩轉(zhuǎn)化為微位移，使滑動絲杠達(dá)到納米級分辨率。在驅(qū)動方式上還有突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新研究，如日本Totto

15、ri大學(xué)的Mizumot<)等人研制的扭輪摩擦裝置，分辨率達(dá)到納米量級;我國國防科技大學(xué)研制的扭輪摩擦裝置的分辨率也接近納米級水平。3.1.3超精密機(jī)床數(shù)控技術(shù)超精密機(jī)床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率(1 nm)和快速插補(bǔ)功能(插補(bǔ)周期0.1 ms)。基于PC機(jī)和數(shù)字信號處理芯片(DSP)的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流，如美國的NAN OPATH和PRECITECH'S ULTRAPATH TM都采用了這一結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運動控制模塊(PMAC)開發(fā)應(yīng)用越來越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高。我國國防科技大學(xué)研制開發(fā)的YH-1型數(shù)控系統(tǒng)采用ASW-824工業(yè)

16、一體化PC工作站為主機(jī)，用ADSP2181信號處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。在數(shù)控軟件方而，開放性是一個發(fā)展方向。國外有關(guān)開放性數(shù)控系統(tǒng)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(xué)在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運動控制軟件. 可根據(jù)機(jī)床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合機(jī)床模塊化發(fā)展的方向。3.1.4超精密運動檢測技術(shù)為保證超精密機(jī)床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運動檢測是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件。雙頻激光干涉儀具有高分辨率(如ZYGO AXIOMTM 2/20分辨率為1.25 nm)與高穩(wěn)定性，測量范圍大，適合作為機(jī)床運動

17、線位移傳感器使用。但雙頻激光干涉儀對環(huán)境要求過于苛刻，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會大大降低精度。德國Hei<Ienhain公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密機(jī)床運動檢測，如該公司的LI P401.材料長度220 mm，分辨率為2 nm，采用Zero<Iu:材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)(0.1 ppm/k)，動靜尺間隙為(0.6士0.1) mm，對環(huán)境要求低，安裝和使用方便。Nanoform 2 500和Optimum 2 400超精密車床都使用了Hei<Ienhain光柵尺。3.1.5超精密機(jī)床布局與整體技術(shù)模塊化、構(gòu)件化是超精密機(jī)床進(jìn)入市場的重要技術(shù)手段，如美國ANORAD公司生

18、產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺，用戶可根據(jù)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(jī)床。研制超精密機(jī)床時，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密機(jī)床往往與傳統(tǒng)機(jī)床在結(jié)構(gòu)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(jī)床整體剛度較高，控制也相對容易，如Pneum<)公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局岡。模塊化使機(jī)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，采用三角菱形五而體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度;德國蔡司公司研制了四軸精密磨床AS100，用于加工自由形式表而，該機(jī)床除了X, Z和C軸外，附加了A軸，用于加工自由表而時控制砂輪的切削點。 此外，一些

19、超精密加工機(jī)床是針對特殊零件而設(shè)計的，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤加工，一些非球而鏡的研拋加工采用計算機(jī)控制光學(xué)表而成形技術(shù)(COOS)加工，這些機(jī)床都具有和通用機(jī)床完全不同的結(jié)構(gòu)。由此可見，超精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個性，需要特殊的設(shè)計考慮和設(shè)計手段。3.1.6其他重要技術(shù) 超精密環(huán)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(jī)床的材料和結(jié)構(gòu)都有特殊要求。3.2提高國家整體制造業(yè)水平 進(jìn)入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。

20、我國是一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來相當(dāng)長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。然而，目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方而差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距己經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。 一個國家僅僅擁有了戰(zhàn)略必爭裝備和競爭前核心技術(shù)是不夠的，要想成為經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國，完成工業(yè)化的建設(shè)，必須在裝備制造業(yè)掌握有關(guān)基礎(chǔ)制造裝備與成套裝備制造的核心技術(shù)。20世紀(jì)70-80年代，美國制造業(yè)發(fā)展的衰落和競爭力減弱的例子很好地說明了這一點。20世紀(jì)70年代前，美國的產(chǎn)品競爭力一直令對手望塵莫及，但到了80年代，美國人發(fā)現(xiàn)日本、德國等國家后來居上，逐步取代了他們在國際市場的霸主地位。經(jīng)過認(rèn)真深入地分析，他們發(fā)現(xiàn)其原因是美國失去了在裝備制造業(yè)方而的優(yōu)勢，而日、德等國，特別是日本，對制造技術(shù)及裝備研究的投入比例遠(yuǎn)大于美國。于是.從20世紀(jì)80年代后期開始.美國開展了一系列旨在振興美國裝備制造業(yè)的龐大計劃，加大了對制造業(yè)技術(shù)與裝備研究的投人，使美國的制造業(yè)重振雄風(fēng)，也使