超精密加工及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

　　摘要：超精密加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個重要組成部分，是眾

多大型系統(tǒng)實現(xiàn)簡化設(shè)計和擴(kuò)展功能的必要基礎(chǔ)。幾十年來，超精

密加工技術(shù)在精度和手段上都有了質(zhì)的飛躍。依據(jù)超精密機(jī)床各子

系統(tǒng)的功能特點，介紹了超精密加工的共性技術(shù)及其最新發(fā)展動態(tài)

，最后闡述了提高超精密加工精度的途徑和方法。
　　關(guān)鍵詞：超精密加工；共性技術(shù)；誤差補(bǔ)償
　　中圖分類號：TH16　　　文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)，從本世紀(jì)60年代初美國用單點金

剛石刀具對電解銅進(jìn)行加工 ，并成功地切削出鏡面以來，在加工精

度方面發(fā)生了質(zhì)的變化，促使了超精密加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。一

般認(rèn)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(shù)，是超精密加工技術(shù)。目

前，超精密加工從單一的金剛石車削 ，到現(xiàn)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(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要

組成部分，其產(chǎn)品涉及國防、航空航天、計量檢測、生物醫(yī)學(xué)、儀

器等多個領(lǐng)域。
　　回顧即將過去的20世紀(jì)，人類取得的每一項重大科技成果，無

不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上，

超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加

工技術(shù)在航天運載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作

用。有人對海灣戰(zhàn)爭中美國及盟國武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)

系做了研究，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星、超視距空對空攻擊能力、精確

制導(dǎo)的對地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對抗技術(shù)方面，與超精密加

工技術(shù)有密切的關(guān)系?？梢哉f，沒有高水平的超精密加工技術(shù)，就

不會有真正強(qiáng)大的國防。

1　超精密加工的共性技術(shù)及其發(fā)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(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)，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(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

形狀精度和表面光潔度的加工過程。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 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(fā)了半球型

氣浮主軸，剛度高達(dá)350 N/μm ；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，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2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，直線度誤差小于0.025 μm/1000 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Mizumoto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。
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2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)。目前，除了小行程運動外，直線電機(jī)用于超精密機(jī)床

仍處于實驗階段。
　　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Pa rk

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2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 μm。日本新宿大

學(xué)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(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Tottori大學(xué)的

Mizumoto等人研制的扭輪摩擦裝置分辨率達(dá)到納米；我國國防科技

大學(xué)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(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）?；赑C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（PM AC）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)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)控軟件方面，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。
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 AX10MTM 2/20 分辨率為

1.25nm）與高穩(wěn)定性，測量范圍大，適合作機(jī)床運動線位移傳感器

使用。但是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。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗，德國

Heidenhain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LIP401,材料長度220mm，分辨率為2nm，采用Zerodur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±0.1mm，對

環(huán)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(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Pneumo公司生產(chǎn)的大部分超精

密車床都采用這一布局。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

用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，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(jī)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(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，一些非球面鏡的研拋加工

采用計算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）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。
1.6　其它重要技術(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。

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(jī)床零部件制造和裝配時的幾何誤差；②外界和機(jī)床

內(nèi)部熱源引起的熱變形誤差；③機(jī)床自重和切削力引起的力變形；

④機(jī)床軸系的伺服誤差（跟隨誤差）；⑤其它誤差，如數(shù)控插補(bǔ)算

法誤差以及外界振動、濕度變化等環(huán)境誤差。
　　研究結(jié)果表明，普通精度機(jī)床70％以上誤差來自前2項，而超精

密機(jī)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(jìn)行綜合比較與控制。對于超

精密零件來說，輪廓精度是體現(xiàn)綜合質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。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(jī)床機(jī)械

系統(tǒng)的運動精度。由于對改善輪廓精度所采取措施的側(cè)重點不同，

伴隨著產(chǎn)生了解決這一問題的3種不同方法：開環(huán)方法、閉環(huán)方法和

補(bǔ)償方法。
　　(1)開環(huán)方法　這是單純依靠提高機(jī)床零部件的性能來提高機(jī)床

機(jī)械系統(tǒng)的運動精度的方法。采用直線度非常理想的導(dǎo)軌（如液體

靜壓導(dǎo)軌、氣體靜壓導(dǎo)軌等），更高回轉(zhuǎn)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(jī)（如dynaserv電機(jī)的最小

輸出脈沖可達(dá)2.53角秒），以及各種精密驅(qū)動方式（如滾珠絲杠、

靜壓絲杠、摩擦驅(qū)動、直線驅(qū)動等），提高機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)速度和

定位精度。但是，機(jī)械系統(tǒng)中普遍存在摩擦和間隙，在低速運動時

會產(chǎn)生爬行（stick- slip）現(xiàn)象，反向運動時產(chǎn)生反程差

（backlish）。為了提高位置精度，機(jī)械傳動系統(tǒng)還需要足夠的聯(lián)

接剛度以克服彈性變形。要用開環(huán)方法達(dá)到高精度就意味著成本更

高。
　　(2)閉環(huán)方法　全閉環(huán)控制方法已普遍應(yīng)用于超精密機(jī)床上，例

如美國LLNL 、英國Rank Pneumo公司、Granfield大學(xué)開發(fā)成功的超

精密金剛石車床。
　　上述超精密機(jī)床的閉環(huán)控制都采用前饋加PID控制方法，這種傳

統(tǒng)控制方法穩(wěn)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(shù)控系統(tǒng)要求有納米級運動分辨率，因此要求有更

短的插補(bǔ)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(lián)動生成高次曲線、曲面，在傳統(tǒng)控

制算法的基礎(chǔ)上，采用交叉耦合控制、最優(yōu)預(yù)見控制（OPC）、逆補(bǔ)

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(bǔ)償方法　在70年代和80年代初期，誤差補(bǔ)償技術(shù)成功地應(yīng)

用于三坐標(biāo)測量機(jī)上（CMM）。從1980年到1995年的15年間，由于采

用了誤差補(bǔ)償，CMM在性能提高的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)成本降低了近20倍。

數(shù)控機(jī)床的運行環(huán)境和工作條件都比CMM復(fù)雜。但隨著各種測量控制

技術(shù)的發(fā)展，對超精密機(jī)床進(jìn)行運動誤差、定位誤差和熱變形誤差

補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)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(bǔ)償功能。由此可見，對超精密機(jī)床加工精度進(jìn)行計算

機(jī)軟件補(bǔ)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(jī)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(jìn)行檢測、診斷與補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>