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

2、隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導平臺、光學和激光等技術的迅猛發展和多領域的廣泛應用，對各種高精度復雜零件、光學零件、高精度平而、曲而和復雜形狀的加工需求日益迫切。目前，國外己開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，發展了新的精密加工和精密測量技術。 制造業是一個國家或地區國民經濟的重要支柱.其競爭能力最終體現在新生產的工業產品市場占有率上，而制造技術則是發展制造業并提高其產品競爭力的關鍵。隨著高技術的蓬勃發展和應用，發達國家提出了“先進制造技術”(AMT)新概念。所謂先進制造技術，就是將機械工程技術、電子信息技術(包括微電子、光電子、計算機軟硬件、現代通信技術)和自動化技術，以及材

3、料技術、現代管理技術綜合應用于產品的計劃、設計、制造、檢測、管理、供銷和售后服務全過程的綜合集成生產技術。先進制造技術追求的目標就是實現優質、精確、省料、節能、清潔、高效、靈活生產，滿足社會需求。 從先進制造技術的技術實質性而論，主要有精密和超精密加工技術和制造自動化兩大領域，前者追求加工上的精度和表而質量極限.后者包括了產品設計、制造和管理的自動化，它不僅是快速響應市場需求、提高生產率、改善勞動條件的重要手段，而且是保證產品質量的有效舉措。兩者有密切關系，許多精密和超精密加工要依靠自動化技術得以達到預期指標，而不少制造自動化有賴于精密加工才能準確可靠地實現。兩者具有全局的、決定性的作用，是先

4、進制造技術的支柱。最近幾年，我國的機床制造業雖然發展很快，年產量和出口量都明顯增加，成為世界機床最大消費國和第一大進口國，在精密機床設備制造方而取得不小進展，但仍和國外有較大差距。我國還沒有根本扭轉大量進口昂貴的數控和精密機床、出口廉價中低檔次機床的基本狀況。 由于國外對我們封鎖禁運一些重要的高精度機床設備和儀器，而這些精密設備儀器正是國防和尖端技術發展所迫切需要的，因此，我們必須投入必要的人力物力，自主發展精密和超精密加工機床，使我國的國防和科技發展不會受制于人。2我國精密和超精密加工機床的現狀及發展趨勢超精密加工目前尚沒有統一的定義，在不同的歷史時期、不同的科學技術發展水平情況下，有不同的

5、理解。目前，工業發達國家的一般工廠己能穩定掌握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，根據精度水平的不同。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 )，粗糙度優于0.005um以上的則稱為納米(nm)加工。我國的超精密加工技術在上世紀70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內進行超精密加工

6、技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達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、超精密車床數控系統、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動一位移測微儀等，達到了國內領先、國際先進水平。航空航天工業部303所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方而進行了深入研究及產品生產。哈爾濱工業大學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等方而進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、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行了深入研究，并有相應產品問世。此外，中科院長春光學精密機械與物理研究所、華中理工大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工機床的效率、精度、可靠性，特別是規格(大尺寸)和技術配套性方而與國外相比，與生產實際要求相比.還有相當大的差距。 下而列舉幾種國內超精密加工機床。NAM-800型納米數控車床是北京機床研究所最新一代的納米級加工機床。它是當今數控技術、伺服技術、機械制造技術完美的統一。該機床為我國最前沿的科技發展提供了良好的加工手段。NAM-800型納米數

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

9、密和超精密加工技術是和國防尖端技術相互聯系的，超精密加工技術是以高精度為目標的技術，它必須綜合應用各種新技術，在各個方而精益求精的條件下，才有可能突破常規技術達不到的精度界限，達到新的高精度指標。超精密加工機床技術是超精密加工技術在工業生產中的體現，是一個國家生產力水平的重要標志。因此，大力發展我國精密和超精密加工技術是增強我國綜合實力的有力手段，而我國發展精密和超精密加工機床可以從以下三方而進行。3.1注重基礎、打好根基一個國家制造業水平的高低，很大程度上取決于其基礎制造裝備水平的高低。2005年我國數控機床市場總容量約30 000臺，中、高檔市場年需求量12 000臺，其中數控車床、加工中

10、心(包括數控銑床)占60%，約7 000臺。基礎制造裝備不僅需求量大，而且對裝備的技術水平的要求越來越高，如飛機制造業中的大臺而多坐標數控龍門銑床、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，發展好共性技術，對超精密機床進行模塊化設計是快速發展的捷徑。下而列舉了幾個發展超精密加工機床需要特別重視的單元技術。3.1.1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而光潔度

11、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 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公司開發了半球型氣浮主軸，剛度高達350 N/um;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，

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兩種。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<0.025um/1 000 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Mizumot<)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。3.1.2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

13、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，超精密運動驅動有兩種方式: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。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Park 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

14、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兩種聯軸節，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 um。日本新宿大學的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Totto

15、ri大學的Mizumot<)等人研制的扭輪摩擦裝置，分辨率達到納米量級;我國國防科技大學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)。基于PC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(PMAC)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

16、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。在數控軟件方而，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。3.1.4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 AXIOMTM 2/20分辨率為1.25 nm)與高穩定性，測量范圍大，適合作為機床運動

17、線位移傳感器使用。但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。德國Hei<Ienhain公司生產的光柵尺更適合超精密機床運動檢測，如該公司的LI P401.材料長度220 mm，分辨率為2 nm，采用Zero<Iu:材料制成幾乎達到零膨脹系數(0.1 ppm/k)，動靜尺間隙為(0.6士0.1) mm，對環境要求低，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

18、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Pneum<)公司生產的大部分超精密車床都采用這一布局岡。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，采用三角菱形五而體結構，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，一些非球而鏡的研拋加工采用計算機控制光學表而成形技術(COOS)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。3.1.6其他重要技術 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。3.2提高國家整體制造業水平 進入21世紀，世界經濟結構正在發生重大而深刻的變革，但制造業依然是世界各發達與發展中國家加快經濟發展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。

20、我國是一個制造業大國，尚處于工業化進程之中，在未來相當長的時期里，制造業仍將在國民經濟中占主導地位。在新一輪國際產業結構調整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業基地之一。然而，目前我國裝備制造業的整體水平與發達國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰略必爭裝備技術與競爭核心技術、基礎制造裝備與成套關鍵裝備制造技術等方而差距更大，這種差距又主要體現在先進裝備的自主設計與獨立制造能力差，成套與系統集成、優化能力差，技術創新和集成創新能力差。這些差距己經成為制約我國制造業乃至其他行業經濟發展的關鍵瓶頸問題之一。 一個國家僅僅擁有了戰略必爭裝備和競爭前核心技術是不夠的，要想成為經濟強國，完成工業化的建設，必須在裝備制造業掌握有關基礎制造裝備與成套裝備制造的核心技術。20世紀70-80年代，美國制造業發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70年代前，美國的產品競爭力一直令對手望塵莫及，但到了80年代，美國人發現日本、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。經過認真深入地分析，他們發現其原因是美國失去了在裝備制造業方而的優勢，而日、德等國，特別是日本，對制造技術及裝備研究的投入比例遠大于美國。于是.從20世紀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的龐大計劃，加大了對制造業技術與裝備研究的投人，使美國的制造業重振雄風，也使