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超精密优美减工装备的发作取瞻望柒零头条资讯

来源:本站原创   更新时间:2017-06-03

 

超邃密精美加工设备的发展近况

纵不雅国表里 40 多年超邃密精美机床 发展史,可以总结出两大特点:一是 大学和研究所坚持着对超邃密精美机床 研究的连续热忱,对高技术进行超前 研究,对超邃密精美机床产业化和商品化 起着推进的感化;二是超邃密精美机床 的模块化、系统化是其进入市场的重 要技能。

 美国事发展超邃密精美加工技术研 究早的国家,也是迄古处于天下发 前位置的国度。早在 20 世纪 50 年月终,因为航天等尖端技术发作的需 要,米国起首收展了金刚石刀具的超 邃密精美切削技术,称为SPDT(Single Point Diamond Turning)技术, 并 发展了响应的空气轴启主轴的超精 密机床,用于加工激光核散变反射 镜、战术导弹及载人飞船用球面非球 面大型零件等。

米国Union Carbide公司于 1972 年研制胜利了 R θ 体式格局的非 球面创成加工机床。这是一台拥有 地位反应功能的单坐标数控车床, 可及时转变刀座导轨的转角 θ 和 半径 R ,完成非球面的镜面加工。 Moore公司于1980 年起首开收回了 用3个坐标控制的M-18AG 非 球 面加工机床,这种机床可加工直径为 356mm 的各类非球面金属反射镜。 英国Cranfield大学邃密精美工程研究 所(CUPE)研制的大型超邃密精美金刚 石镜面切削机床,可以加工大型 X 射线天体望远镜用的非球面反射镜 (大直径可达1400mm,大少度为 600mm 的圆锥镜 )。 

20 世 纪 80 年 代,米国Union Carbide 公司、Moore公司和米国 空军武器研究所制订了一个以形状 精 度 为 0.1μm、直 径 为 800mm 的 大型球面光学零件超邃密精美加工为 目的的超邃密精美机床研究规划―― POMA(Point One Micrometer Accuracy) 方案,这是一个里程碑式 的研究打算。 

20 世纪 80 年代中前期,米国通 过动力部“激光核聚变名目”和陆、 海、空全军“提高先辈制造技术开发计 划”,对超邃密精美金刚石切削机床的开 发研究,投入了巨额本钱和大量人 力,实现了大型零件的超邃密精美加工。 如米国劳伦斯 ・ 利弗莫尔国家实验 室1984年研制出一台大型光学金 刚石车床 (Large Optics Diamond Turning Machine,LODTM),至今 仍代表了超邃密精美加工设备的高水 平,应机床可加工直径为 2.1m,重为 4.5t 的工件。采用高压液体静压导轨,在 1.07m×1.12m 范畴内直线度 误差小于 0.025μm( 在每个溜板上 装有尺度平尺,经由过程测量和修正来达 到 ),位移误差不跨越 0.013μm( 用 氦屏障的激光干涉干涉仪来测量和反馈 控制到达 ),主轴溜板运动偏摆小于 0.057″(经由过程两路激光干涉仪测量, 压电陶瓷修改来实现 )。激光测量系 统有独自的花岗岩收架系统,不与机 床连贯。油喷淋热却系统可将油温 控制在(20±0.0025)℃。采用摩擦 驱动,运动分辨率达0.005μm。 末可实现加工大型光学零件直径达 1.4m,面形精度为0.025μm,表面 毛糙度 R a ≤ 5nm。

 由于有了模块化和构件化的技 术,研制新的超邃密精美制造设备的费 用和周期大大降低,技术难度也同 时下降。进入 80 年代后,随着平易近用 光学应用规模的扩展,超邃密精美加工 技术在民用行业得到了应用。英国 Rank Pneumo公司于1980 年 向 市场推出了应用激光反馈控制的两 轴联动加工机床MSG-325,我国中 科院长春光机所引进的我国第一台 超邃密精美加工设备即为该型号。随后 又 推 出 了 ASG2500、ASG2500T、 Nanoform300 等机床。

经由屡次的归并与出售,目前国 际上主要出产金刚石超邃密精美加工设 备的厂商主要有:米国 Moore公司、 AMETEK团体旗下的 Precitech公 司、Taylor Hobson 公司,那多少家公 司盘踞了尽大局部的市场份额。日 本开辟的超邃密精美加工机床主要用 于加工平易近用产物所需的透镜和反射 镜,目前岛国制作的加工机床有:东 芝机械研制的ULG-l00A(H)、没有 发布越公司的ASP-L15、歉田工机的 A H N10、A H N30×25、A H N60-3D 非球面加工机床等。

当今超邃密精美机床技术的发展趋 势是:技术上一直嘲笑着加工的极限 标的目标发展,向更高精度、更高效率方 向发展,向大型化、微型化标的目的发展;功能上向加工检测补偿一体化标的目的 发展;结构上向多功能模块化目的目的 发展;功能部件上向新道理、新方 法、新材料应用方面发展,总体来说 是向极限制造技术方面发展。 

超邃密精美机床技术目前已经发展 成为一项综合性的系统工程,其发展 总是利用了根蒂根基理论 ( 包括切削机 理、悬浮理论等)、要害单位部件技 术、相干功能元件技术、刀具技术、 计 量与测试分析技术、误差处理技术、 切削工艺技术、运动控制技术可重构 技术和环境技术等。因此,技术高度 集成已成为超邃密精美机床的主要特点。

新理论、新道理、新观点、 新方法及新技术在超邃密精美 机床中的应用 

最近几年来,超邃密精美根蒂根基元部件及机 床结构等方面应用了一些新理论、 新 原理、新观点、新方法和新技术。 

1 在机床结构方面

为了增添超邃密精美机床的静刚 度和动刚度,一些超邃密精美机床采用 很特别的结构,例如三角棱形破式 结构的超邃密精美磨床是为了超大直径 ( φ 400mm) 硅片研磨加工计划的,改 变了传统的龙门式结构在重的加工 背载下轻易发生俯俯和偏偏摆变形的毛病谬误。最远几年来采用多自在度并联机 床构造,进一步删大了机床的刚度。

2 超邃密精美主轴和导轨 

在传统空气静压和液体静压轴 承的根蒂基础上,经由过程控制节省量反馈方 法来实现运动的自动控制从而提高 轴承的刚度。磁悬浮主轴技术, 永 磁、电磁和睦浮联合的控制计划也一 直在研究中。多孔资料的气浮轴承 可以提高气浮轴承的刚度。液体静 压轴承具有刚度高、动态特性好等特 点,但发烧是其致命的缺点,水静压 轴承的研制正是针对这一问题进行 的。与油静压轴承相比,这种轴承的 长处是轴承发热较小,适合于高速运 转,而且没有污染,特别适合硅片加 工等行业。

3 超邃密精美驱动技术 

邃密精美滚珠丝杠是超邃密精美机床驱 动采取的惯例体式格局,然而这种体式格局存 在很多过错舛误,限度了运动精度的进一 步进步。为此,气浮丝杠和液体静压 丝杠在一些岛国研制的超邃密精美机床 上获得了运用,当心是采用这类传动方 式的零件加工工艺极端庞杂,制约了 其应用。冲突驱动具备运动安稳、 无 反背空隙等特点,在一些沉载、低速 的超邃密精美加工设备及检测设备上得 到了利用。比来几年去,曲线机电在超邃密精美加工设备的驱动上失掉了普遍的 答用,异样成为一个驱除。直线电机采 用无机械加速系统的无摩擦间接驱 动款式格式,合适高精度、高分辨率、高速 等场所。

4 超邃密精美加工的误差建模与补偿技术 

用变分法精度、多体能源学平分 析误差建模实践,能够将刀具几何参 数、加工工艺条件及机床运动误差三 大身分对加工工件的精度硬套正确 的树立数学本相。比来几年来一些数教 对象如微分几何、李代数和李群在复 杂多少形状误差的凭借和剖析方面 得到了一些应用,并无望在超邃密精美机 床误差分析中得到应用。在机床运 动精度和工件形状精度处于统一数 量级时,多传感器误差分离办法是分 离误差有用的方式之一。例如, 对 主轴运动误差和工件圆度偏差的分 离,溜板运动误差与工件直线度的分离等。圆度三点法技术己相称成生, 在直线度测度中,多传感器装置误差 和测量加密算法已获得很好处理, 果 此,圆度和直线度误好分别技术可逆 利天推行到圆柱度、平面度超邃密精美误 差测量与弥补控制范畴。

5 超邃密精美机床的数控系统

超精密优美机床数控系统的特色是 高编程辨别率(1nm)跟高精度的伺 服节制硬硬情况。在高编程分辩率前提下满意高品质切削条件,象征着 须要高的把持速率,比方拉补周期小 于 1ms( 一般数控为 10ms 阁下 ),伺 服闭环采样周期小于 0.1ms。 

PC机的发展给数控技术带 来 新 的 变 化,基 于 PC 的 数 控 系 统已成为超邃密精美数控系统的趋 势。 例 如 美 国 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的超邃密精美数控 系统。数据系统的硬件运动控制模 块(PMAC)开发及运用愈来愈广泛, 使基于PC的数控系统的靠得住性和 可重构性得到提高。新的芯片 ( 如 SERCOS)和收集协定的发展又给数 控系统提供了一种散布网络式的新 结构,使其靠得住性和开放性更好。 

超邃密精美数控机床不易实现高定 位精度,即便在超邃密精美观点下有一些 非线性环顾,采用恰当的控制算法 都可以得到很高的定位精度。但是 当机床做非直线运动时 (多轴联动)对指定轮廓 曲线的控制精度(跟踪 精度)还与决于机床各 维运动的静态特征。因 此,很难保障高的跟踪精 度。一些适当的控制技 术(如解耦控制技术)可 以将多维运动参数加以 解耦来提高跟踪精度。 

多轴联动数控系统 的精度主要从单个伺服 轴的运动控制精度和联 动轴耦合轮廓精度 2 方 面来评估。对于单个伺服轴的运动 控制,当要求的运动精度达到纳米级 时,传统的超邃密精美机床传动体式格局在 低速、微动状态下发挥分析出强非线性特 性,常规的运动控制差别已经很难保 证伺服系统实现理念的纳米级随动 精度。 

此中,多轴联动系统的轮廓误差 由各伺服轴的运动误差耦合得到, 耦 合误差的建模及各轴相应的补偿控制量的较劲争辩都需要大批的齐次坐标 变更运算,这为现实的多轴联动耦合 控制器的设计带来了很大的未便。 智能控制理论与方法将可能为此问 题供给幻想的解决方法。另外,要真 现多轴联动纳米级表面控制精度, 还 有一个弗成疏忽的题目,即联动轴的 同步问题。同步精度的高下直接影 响到系统的轮廓跟踪精度。严厉意 义上的多轴伺服系统同步波及到复 杂的数控和伺服系统接口标准的制 定。目前,在可以实现亚微米级加工 的高级多轴联动超邃密精美数控机床研 制方面,我国还没有获得冲破性停顿。 至于可实现大型复杂曲面,特殊是自 由曲面的纳米级超邃密精美加工的五轴 联念头床,至今还是一个世界上还没有 解决的困难。

我国超邃密精美加工设备与外洋 先进程度的差距

超邃稀精巧加工设备的研造今朝在 海内借处于起步阶段,还不构成一 个工业,在超邃密精好加工设备和超精 密加工工艺技术等圆里,国内各个单 位各有特面,彼此之间禁止深档次交 流还存在着必定的阻碍。 

始终以来东方国家对中国超精 密加工设备处于禁运状况,恰是在这 种情形下国内各行业才入部属脚进行超 邃密精美加工设备的研制,例如非球面超 邃密精美加工设备在 20 世纪 80 年代甚 至 90 年月早期仍属于禁运产物, 但 跟着国内多家单元(如北京航空邃密精美 机械研究所、哈我滨产业大学、国防 科技大学、北京机床所等)接踵研制 成功非球面超邃密精美加工设备,固然在 性能目标以及可靠性等方面另有很 大差距,并且并出有造成商品。但多 家外洋公司纷纭消除禁运,并且价 格大幅度降落,从现在的 1000 多万 钱已降到目前的 300 多万, 这 注解超邃密精美加工设备的研究产生了 宏大的经济收入和社会效益。

北京航空邃密精美机器研讨所研制的Nanosys-300 非球面直面超邃密精美 复开加工系统存在 CNC 车削、磨削、 飞切(铣削)等多种加工功效,可对 球面、非球面和超立体等外形整件进 止纳米级超邃密精美镜面加工。系统采 用以工控 PC 为平台、多轴活动掌握 器为中心的高机能开放式数控系统, 重要包含纳米级坐标丈量取伺服控 制系统,超邃密精美、高速空想静压主轴 系统,超邃密精美、高刚性、高阻僧闭式液 体静压导轨系统,超邃密精美、高速、高刚 性空气静压磨头系统,喷雾、吸屑系 统,气浮加震调仄系统,在位对付刀和 工件检测系统,以及ELID金刚石砂 轮建整、延性磨削系统等单位。今朝 正在研制的 Nanosys450 曾经进进 了装配调试阶段,1m心径的年夜型非 球面超邃密精美加工设备也进进了设想 阶段。 

但是与欧米国家比拟,我国在超 邃密精美加工设备的研制和生产等方面 存在着较大的差距。研究力气疏散, 没无形成产品系列化和产业化的局 面。单项技术指导只管很高,但总体 技术水平落伍,缺乏以知足我国超精 密加工行业的需要,大部门还只是停 留在研究型机床的状态。 

我国在此领域的根蒂根基研究水平 虽有很大提高,但在性能齐备性、可 靠性、与精度保持性上还有较大的差 距。由于超邃密精美机床设备技术露量 高,品种多,批量小,症结部件缺少国 内配套产品支持等原因,国内超邃密精美 公用加工与检测设备与国皮毛比有 更大的差距,妨碍了我国高新技术的 发展和国防古代化发展的步调,详细 施展阐发在以下几个方面:

(1)设备的整体性能。对一 些复纯形状的零件加工,需要两轴以 上的超邃密精美加工设备才干实现,例如 Precitech公司和Moore公司已商品 化死产五轴超邃密精美切削加工设备, 而 国内的金刚石切削设备目前只做到了两轴。 

(2)综合精度指标及稳定性。国内研制的超邃密精美切削加工设备无 论是主轴还是导轨的单项技术指标 与国外商品相比已经濒临,但是从设 备的总体技术指标来看还有一定的 差距。国内加工机床的面型精度虽 然也可能达到亚微米级,但是对加工条件要求刻薄,更重要的是不能稳固地达到亚微米级的面型精度。

(3)控制系统方面。Moore公 司自行开辟的Delta Tau运动控 制系统、Precitech 公司自行开发的 UPx? Control System 等,都已经 在各自公司生产的设备上得到了很 好的应用。国内研制的超邃密精美加工 设备中的控制系统有的是自行开发 的,也有的是直接引进的特用型数控 系统,不管是控制系统的性能仍是软件等方面都存在着较大的差距。 

(4)超邃密精美加工设备的靠得住性。 国外加工设备的商品化已经20多 年,产品的成熟度和靠得住性非常高, 都已经阅历了时光和市场的磨练。 而国内目前大多半研究单元只是进 行了一轮样机的研制,还有良多基础 技术不成熟,设备靠得住性差。 

(5)表面造型设计及人道化设 计。国产设备在外观外型设计及人 性化设计方面与国外产品存在较大差距。

(6)机床从属功能。国外超精 密加工设备上都有一些附属但同时 又是必需的附件和功能,可以使操作 者能够特别非常轻易地实现零件的加工, 如刀具测量与调剂系统、工件误差在 位测量系统等。而国内研制的这些超邃密精美加工设备大多只能依附草拟 者的教训和技巧实现基础的加工功 能。

(7)根蒂根基元部件。国外超邃密精美 根蒂根基元部件都有专业的生产厂商, 如 Loadpoint 专业生产超邃密精美主轴、超 邃密精美导轨等,已经形成系列化、标准 化。而驱动电机、编码器、光栅等元 部件的生产国内还无奈解决,只能依 赖于入口,但又遭到各种限制。 

(8)机床的散成技巧。从下粗 量整机的减工,主轴导轨等部件的拆 配,到整台装备的拆卸及体系调试, 皆存正在着较年夜的差异。

超邃密精美加工设备的瞻望 

1 高精度、高效率 

高精度与高效率是超邃密精美加工 永久的主题。尾先经过进程提高机床转 速和刀具进给速度来延长加工时间。 以往商用超邃密精美机床主轴转速为 3000r/min,现已有 15000r/min的 机床出卖。采用直线电机可大大提高进给回程速度,芯片启装设备的运 动加快度可达 10 g 以上。其次是通 过提高运动部件刚度来提高精度和 效率,如高刚度空气轴承 ( 多孔度取 代小孔撙节 )、液体静压轴系 ( 液压 油和杂火轴承) 等,还可采用补偿软 件进一步提高加工精度。

总的来讲,固着磨粒加工不断逃 求着游离磨粒的加工精度,而游离 磨粒加工不断寻求的是固着磨粒加 工的效率。当前超邃密精美加技术(如 CMP、EEM 等)虽能失掉极高的表 面质量和表面完全性,但以就义加工 效率为保证。超邃密精美切削、磨削技 术虽然加工效率高,但无法取得如 CMP、EEM 一样的加工精度。摸索 能统筹效率与精度的加工方法,成为 超邃密精美加工领域研究的目标。半固 着磨粒加工方法的出现即表现了这 一趋势。别的,电解磁力研磨、磁流 变磨料流加工等复合加工方法的诞 生也是趋势表面。 

2 加工及检测一体化

米国劳伦斯 ・ 利弗莫尔国家实 验室研制的 LODTM为达到几十纳 米形状精度,除环境控制非常宽格 外,加工设备同时也是在线监测设 备。此外,加工与检测一体化还体 现在岛国佳能公司的超润滑抛光机 (CSSP)以及英国克林菲尔德大学 的邃密精美工程研究所研制的OAGM2500 大型磨床上。目前 Precitech 公司、Moore公司生产的商品化超 邃密精美加工设备上也装备了在线检测 系统。 

3 工艺整合化

他日企业间的合作趋于尖锐化, 高生产效力越来越成为企业劣以生 存的条件之一。在如许的配景下, 出 现了“以磨代研”乃至“以磨代扔” 的吸声。别的一方面,应用一台设备完 成多种加工 ( 如车削、钻削、铣削、磨 削、光整等 ) 的趋势愈来愈显明。 

4 大型零件和渺小结构的超邃密精美加工

加工航空、航天、宇航等领域需 要的大型光电子器件 ( 如大型天体 千里镜上的反射镜 ),需要大型超精 密加工设备。加工微型电子机械、 光 电疑息等领域需要的微型器件 ( 如 微型传感器、微型驱动元件等),需要 微型超邃密精美加工设备 ( 但这其实不是 道加工微小型工件一定需要微小型 加工设备)。 

大型零件的邃密精美/超邃密精美加工 较之一般零件更加艰苦,特别是大型 光学零件,不只是因为这类零件劈面 形精度的要求很高(日常达 λ /几 十),而且还请求表面及表层无伤害。 例如,米国亚利桑那大学斯迪瓦天 文台大镜试验室10m口径的KECK 千里镜,法国REOSC直径8.4m 天 文看近系统反射镜。激光核聚变、 激 光兵器和空间像机等需要应用大量大型光学零件。近 20 年来呈现了多 种高精、高效加工方法以及对应装 备。微小零件是指尺寸在几十微米 至几毫米的零件,因为尺寸小,刚度 差,给超邃密精美加工带来很大难题。为 削减对人类姿势的耗费和对情况的 传染,产品微型化、集成化是一必定 趋势。目前很多微电子、光电子产品、 宇航器等军用产品中的微小零件愈 来愈多。例如,光纤通信中所用光学透镜,尺寸在 200μm,微驱动器中的 轴系等,这些零件不但是三维平面结 构,由于运动还要供很高的精度和镜 面的表面,特别是这些微小零件壁薄 在几十微米至几微米,加工后名义机 械物感性能的改变,经常使全部零件 或系统涌现毛病,形成重大事变。 

5 超邃密精美加工技术向更高精度的层次发展 

超邃密精美加工技术正遭到毫微米 精度的挑衅,还面对微机械加工的要 求,传统的加工也面对不顺应的局 面。因而从策略上必须器重这些发 展。例如在微机械的制造技术领域, 微机械与微机械加工已经是以后超精 密加工技术延长的一个重要方面。 它与传统的机械加工有着很大差别, 并逐步成为超邃密精美加工技术领域的 一种簇新的意向,起到了推动超邃密精美加工技术发展的感化。LIGA技术 便是这种趋势典范的产品,电加工向 渺小加工的发展也是主要施展分析。由 STM、AFM 等 组 成 的 SPM 系 统 已 经应用到机械加工领域,超邃密精美加工 的表面质量经由过程这类测量仪表的计 量,使加工的技术水平向更高层次发 展。这些技术的发展不仅推动了微 机械技术的发展,而且也增进了传统 机械加工的进步。 

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