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精密和超精密加工的机床设备技术引言精密和超精密加工技术在现代制造业中扮演着重要的角色。
为了满足高质量、高精度、高效率的加工需求，机床设备技术不断得到改进和发展。
本文将介绍精密和超精密加工的机床设备技术，并探讨其在制造业中的应用。
1. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在工程加工中，对尺寸精度和表面质量要求较高的加工方法。
精密加工的关键在于机床设备的稳定性、刚性和精度。
以下是精密加工机床设备的几个关键技术：1.1 数控技术数控技术是精密加工中最为关键的技术之一。
通过数控技术，可以实现机床的高精度和高效率加工。
数控技术的应用可以大大提高生产效率，并且减少操作人员的工作强度。
1.2 精密传动系统精密传动系统是精密加工机床设备的核心组成部分。
精密传动系统的设计与制造涉及到轴承、传动装置、伺服驱动装置等多个方面。
通过精确的传动系统，可以提高机床的精度和稳定性。
1.3 线性驱动技术线性驱动技术是现代机床设备中的重要发展方向之一。
相比传统的滚动轴承驱动，线性驱动技术能够实现更高的速度和更高的精度。
线性驱动技术可以用于各种类型的机床设备，包括数控机床和超精密加工机床。
2. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在微米甚至纳米级别下进行加工的技术。
超精密加工在光学、光电子、半导体等领域具有重要的应用。
以下是超精密加工机床设备技术的几个关键技术：2.1 超精密控制系统超精密控制系统是实现超精密加工的关键技术之一。
通过超精密控制系统，可以实现对微小位移和应力的精确控制。
超精密控制系统需要具备高精度、高灵敏度和高稳定性的特点。
2.2 超精密磨削技术超精密磨削技术是超精密加工的核心技术之一。
超精密磨削技术可以实现对工件表面的精确修整和光洁度的提高。
超精密磨削技术需要借助特殊材料和磨削工具，并配合高精度的机床设备。
2.3 超精密检测技术超精密加工过程中，对工件的检测和测量要求非常高。
超精密检测技术可以实现对工件尺寸、形状和表面质量的高精度测量。
国外超精密数控机床概述20世纪50年代后期，美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究，当时因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，急需反射镜的超精密加工技术和超精密加工机床。
人们通过使用当时精度较高的精密机床，采用单点金刚石车刀对铝合金和无氧化铜进行镜面切削，以此为起点，超精密加工作为一种崭新的机械加工工艺得到了迅速发展。
1962年，Union Carbide公司首先开发出的利用多孔质石墨空气轴承的超精密半球面车床，成功地实现了超精密镜面车削，尺寸精度达到士0.6 um，表面粗糙度为Ra0.025um，从而迈出了亚微米加工的第一步。
但是，金刚石超精密车削比较适合一些较软的金属材料，而在航空航天、天文、军事等应用领域的卫星摄像头方面，最为常用的却是如玻璃、陶瓷等脆性材料的非金属器件。
用金刚石刀具对这些材料进行切削加工，则会使己加工表面产生裂纹。
而超精密磨削则更有利于脆性材料的加工。
Union Carbide公司的另一代表性产品是其在1972年研制成功的R-0方式的非球面创成加工机床。
这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角0和半径R，实现非球面的镜面加工。
加工直径达380mm，工件的形状精度为士0.63um，表面粗糙度为Ra0.025 um。
摩尔公司(Mood Special Tool)于1968年研制出带空气主轴的Moori型超精密镜面车床，但为了实现脆性材料的超精密加工，该公司又于1980年在世界上首次开发出三坐标控制的M-18AG型超精密非球面金刚石刀具车削、金刚石砂轮磨削机床。
该机床采用空气主轴，回转精度径向为0.075pm；采用Allen-Braley 7320数控系统；X，Z 轴行程分别为410mm和230mm，其导轨的平直度在全长行程范围内均在0.5um以内，B轴的定位精度在3600范围内是0.38um；采用金刚石砂轮可加工最大直径为356mm的各种非球面的金属反射镜。
超精密加工对超精密加工机床的基本要求下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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国外超精密数控机床概述20世纪50年代后期，美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究，当时因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，急需反射镜的超精密加工技术和超精密加工机床。
人们通过使用当时精度较高的精密机床，采用单点金刚石车刀对铝合金和无氧化铜进行镜面切削，以此为起点，超精密加工作为一种崭新的机械加工工艺得到了迅速发展。
1962年，Union Carbide公司首先开发出的利用多孔质石墨空气轴承的超精密半球面车床，成功地实现了超精密镜面车削，尺寸精度达到士0.6 um，表面粗糙度为Ra0.025um，从而迈出了亚微米加工的第一步。
但是，金刚石超精密车削比较适合一些较软的金属材料，而在航空航天、天文、军事等应用领域的卫星摄像头方面，最为常用的却是如玻璃、陶瓷等脆性材料的非金属器件。
用金刚石刀具对这些材料进行切削加工，则会使己加工表面产生裂纹。
而超精密磨削则更有利于脆性材料的加工。
Union Carbide公司的另一代表性产品是其在1972年研制成功的R-0方式的非球面创成加工机床。
这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角0和半径R，实现非球面的镜面加工。
加工直径达380mm，工件的形状精度为士0.63um，表面粗糙度为Ra0.025 um。
摩尔公司(Mood Special Tool)于1968年研制出带空气主轴的Moori型超精密镜面车床，但为了实现脆性材料的超精密加工，该公司又于1980年在世界上首次开发出三坐标控制的M-18AG型超精密非球面金刚石刀具车削、金刚石砂轮磨削机床。
该机床采用空气主轴，回转精度径向为0.075pm；采用Allen-Braley 7320数控系统；X，Z 轴行程分别为410mm和230mm，其导轨的平直度在全长行程范围内均在0.5um以内，B轴的定位精度在3600范围内是0.38um；采用金刚石砂轮可加工最大直径为356mm的各种非球面的金属反射镜。
超精密加工机床的关键部件技术哈尔滨工业大学盖玉先董申1 引言超精密加工机床的研制开发始于20世纪60年代。
当时在美国因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，因而急需开发制作反射镜的超精密加工技术。
以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密加工机床应运而生。
1980年美国在世界上首次开发了三坐标控制的M-18AG非球面加工机床，它标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟。
日本的超精密加工机床的研制开发滞后于美国20年。
从1981～1982年首先开发的是多棱体反射镜加工机床，随后是磁头微细加工机床、磁盘端面车床，近来则是以非球面加工机床和短波长X线反射镜面加工机床为主。
德国、荷兰以及中国台湾的超精密加工机床技术也都处于世界先进水平。
我国的超精密加工机床的研制开发工作虽起步比较晚，但经过广大精密工程研究人员的不懈努力，已取得了可喜的成绩。
哈尔滨工业大学精密工程研究所研制开发的HCM-Ⅰ超精密加工机床，主要技术指标达到了国际水平。
国外部分超精密加工机床和HCM-Ⅰ超精密加工机床的性能指标如表1所示。
本文主要论述超精密加工机床的关键部件技术。
2 主轴系统超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。
因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。
目前研制开发的超精密加工机床的主轴中精度最高的是静压空气轴承主轴(磁悬浮轴承主轴也越来越受到人们的重视，其精度在迅速得到提高)。
空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。
主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。
目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05μm，最高可达0.03μm，由于轴承中支承回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度。
例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/15～1/20。
超精密加工的机床设备摘要：超精密加工技术的发展直接影响整个国家的制造业发展，影响尖端技术和国防工业的发展。
机床是实现超精密加工的重要载体，机床的制造水平和研究水平便显得非常的重要。
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，并介绍分析了超精密机床的精密主轴部件、进给驱动系统、误差建模和补偿技术和数控技术。
关键词：超精密加工机床发展关键技术1.引言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。
精密和超精密加工技术是制造业的前沿和发展方向。
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，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、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。
目前，国外已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。
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面取得不小进展，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，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.超精密机床的发展现状2.1国外超精密机床发展现状目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。
各国主要代表性研究机构及机床综述如下。
1962年美国Union Carbide公司研制成功半球车床, 它是最早使用金刚石刀具实现超精密镜面切削的机床, 可用于加工球形和半球形零件, 机床为立式布局, 电动机通过带轮带动主轴旋转, 主轴采用高精度空气轴承, 加工件尺寸精度为0.6µm, 表面粗糙度Ra为0.025µm以内。
美国LLNL 实验室于20世纪80年代研制成功两台大型超精金刚石车床。
一台是卧式DTM-3超精密金刚石车床, 该机床为T 形结构, 采用多路激光干涉测量系统, 可对各轴进行直线和偏移误差补偿。
其系统分辨率为215nm, 最大加工直径为Φ2100mm, 加工精度方面: 形状误差可达28nm, 圆度和平面度可达12.5nm, 表面粗糙度Ra可达4.2nm。
另一台是立式大型光学金刚石车床LODTM, 机床主轴系采用液体静压轴承, 位置测量系统采用分辨率为0.625nm 的7路双频激光测量系统, 50r/m in时的主轴回转精度小于51nm, 加工精度可达28nm, 可加工直径1.65m、高0.5m、质量1 360kg 的工件。
现在仍被公认为世界上精度最高的超精密机床。
图1 美国LLNL实验室研制的LODTM车床美国Moore Nanotechnology System 公司生产的超精密金刚石车床Nanotech 250UPL, 代表着纳米级加工机床的发展水平。
机床床身采用天然黑花岗岩结构, 控制系统采用激光全息式直线移动的全闭环控制系统, 分辨率高达0.034nm, 采用了基于PC 和Windows的运动控制系统, 线性编程精度为1nm、旋转编程精度为01000 01°, 高纯度铝合金加工试件的加工精度P-V 值小于等于0.125µm, 表面粗糙度Ra2.0 nm。
图2 Nanosys300 非球面复合加工系统欧洲的许多国家也进行了超精密机床的开发研究。
荷兰PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金刚石车床COLATH, 主要用于非球面塑料透镜的加工, 加工精度在0.5µm 以下, 表面粗糙度Ra< 0.02µm。
英国Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM 2500 多功能三坐标联动数控磨床, 其工作台尺寸为2 500mm *2 500mm。
该机床采用油膜轴承技术, 有利于减小振动, 实现运动的平稳控制。
其无损磨削速度可达100~ 300mm3 /min,加工表面粗糙度为10~ 50nm, 形状误差小于5µm /m,亚表面损伤小10µm。
Cranfield大学Paul Shore 等人设计制造了新型超精密磨床BOX, 机床主轴采用油膜轴承, 功率可达10kW, 材料切削速度可达200mm3 / s。
该机床具有较好的动静态特性, 其静态刚度大于100N, 运动件质量小于750kg, 共振频率大于100Hz。
亚表面损伤P-V 值小于1µm。
日本TOYOTA公司生产的AHNIO型高效专用超精密车床, 机床主轴采用空气轴承, 最大加工直径为100mm, 刀架设计成滑板结构。
直线移动分辨率为0.01µm, 采用激光测量反馈系统, 定位精度全行程0.03µm, B 轴回转分辨率为1.3°。
砂轮轴由气动透平驱动, 转速为100 000r/min。
该机床加工的模具形状精度为0.05µm, 表面粗糙度Ra0.025µm。
日本FANUC公司研制的ROBONANO A-0 iB超精密加工机床, 该机床利用了FANUC 公司的纳米级控制技术, 直线轴(X、Y、Z ) 分辨率可达1nm, 旋转轴(B、C ) 分辨率为0.000 01°。
机床的运动部件全部采用空气静压支承结构(导轨、进给丝杆螺母副、驱动电机), 将系统的摩擦减小为0。
机床的发热量仅为5W, 通过供给机床压缩空气可使温升控制在±0.01℃。
利用该机床可实现铣削、车削和高速刻绘加工。
2.2国内超精密机床发展现状北京机床研究所自主研发了一系列具有自主知识产权的超精密机床, 如SQUARE 系列超精密光学镜面铣床、SPHERE200 超精密球面镜加工机床、NANO-TM 500纳米级车铣复合加工机床和NAM-820超精密数控车床。
这些机床的轴系精度小于等于0.05µm, 导轨精度达0.1µm /200mm, 加工件(有色金属) 表面粗糙度Ra≤0.002µm。
其中NAM-820超精密数控车床, 采用具有自主知识产权、获得国家科技进步一等奖的超精密气体静压主轴, 确保主轴的回转精度小于0.05µm。
X 轴、Z 轴采用高精度气体静压导轨, 位置反馈元件采用高精度双频激光干涉仪, 分辨率为0.01µm, 专用数控系统分辨率高达0.001µm。
NANO-TM500纳米级车铣复合加工机床是目前我国最新一代的纳米级加工机床。
机床溜板采用直线电机对称双驱动结构, 最小移动控制量为1nm,机床回转工作台采用空气静压轴承、高分辨率直接驱动结构, 回转精度为0.005µm, 机床主轴采用高精度空气静压轴承、整体电主轴结构, 回转精度为0.005µm, 加工件表面粗糙度Ra≤5nm。
哈尔滨工业大学研制的型号为HCM- I亚微米超精密加工车床, 主轴精度小于等于50nm, 径向刚度220N /Lm, 轴向刚度160N /Lm, 导轨Z 向(主轴) 直线度小于等于0.2µm /100mm, X 向(刀架)直线度小于等于0.2µm /100mm, 加工工件精度形面精度(圆度) 小于等于0.1µm。
三零三所研制的Nanosys-300、CJY-500和COMM等超精密机床已达到国际先进水平。
C JY-500超精密研磨机的加工工件平面度为0.03µm /50×50mm,加工工件表面粗糙度Ra 为0.000 3µm。
Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工机床,加工工件尺寸最大为<300×200mm, 测量、控制系统分辨率1.25~5nm, 非球面加工精度为0.3µm, 加工工件表面粗糙度Ra< 10nm。
COMM 超精密万能外(内) 圆磨床的最大加工工件尺寸为<250×500mm, 加工工件圆度为0.1~ 0.3mm, 加工工件圆柱度为0.51mm, 加工工件表面粗糙度Ra为0.005~ 0.02mm。
3.超精密加工机床的关键部件超精密机床的质量，取决于关键部件的质量。
世界各国都投入大量的人力物力，对超精密机床关键部件和关键技术进行开发研究。
精密部件包括有：精密主轴部件、微进给装置、机床运动部件位移的激光在线监测装置。
3.1精密主轴部件精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。
主轴要求达到最高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于所用的精密轴承。
早期采用的是超精密级的滚动轴承，采用这种轴承，美国、瑞士制造的超精密机床，加工精度可达1µm,加工的表面粗糙度达Ra0.04~0.02µm。
制造如此高精度的滚动轴承很难办到，在液体静压轴承和空气静压轴承使用后，滚动轴承已经很少在超精密机床中使用了。
3.1.1液体静压轴承液体静压轴承回转精度高，转动平稳，无振动，因此部分超精密机床主轴使用这种轴承。
压力油通过节流孔进入轴承偶合面间的油隙，使轴在轴套内悬浮，不产生固体摩擦。
当轴受力偏歪时，偶合面的油隙改变，造成相对油腔中油压不等，这油的压力差将推动轴回到原来的中心位置。
液体静压轴承可达到较高的刚度。
液体静压推力轴承，一般由两个相对的止推面做在轴的同一端。
这是因为液体静压轴承工作转动时常产生较大的温升，如两个相对的止推面分别在轴的两端，当温度升高时轴的长度增加，造成推力轴承间隙的明显变化，使轴承的刚度和承载能力显著下降。
液体静压轴承主轴结构图3.1.2空气静压轴承空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承类似，轴由压力空气浮在轴套内，轴的中心位置由相对面的静压空气压力差维持。
由于空气的流动性好，因此轴承两耦合面间（轴与轴套之间）的空气泄气间隙很小。
轴套中的空气腔面积很小，或在空气输入的节流孔端作一倒棱，或沿轴向作一窄槽，两端均留较长的无槽泄气面。
由于这种轴承的轴与套之间的间隙很小，回转精度要求又高，故轴与轴套都要求很高的制造精度。
空气静压轴承有很高的回转精度，在高速旋转时温升很小，因此造成的热变形误差很小，空气轴承的应用促进超精密加工机床的发展。
