超精密加工機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用
傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)因時(shí)代技術(shù)所限，結(jié)構(gòu)和元件形狀都較簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)光學(xué)元件加工，其加工精度依賴的是工藝方法，低精度加工機(jī)床仍可達(dá)到高的光學(xué)元件加工精度效果。這類機(jī)床通常也被稱為“非確定性”（Nondeterministic）加工機(jī)床。采用傳統(tǒng)加工方法的“非確定性”加工機(jī)床只適合加工球、平面等簡(jiǎn)單形狀和玻璃類硬脆材料的光學(xué)元件。
隨著科技的發(fā)展，特別是現(xiàn)代光電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的光學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)論光學(xué)元件形面的復(fù)雜性、材料的多樣性、小和大兩方面的幾何尺度都有了巨大的發(fā)展變化。傳統(tǒng)的“非確定性”加工機(jī)床和方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)元件加工需求：或是根本無(wú)法加工，或是加工效率極低。現(xiàn)代超精密加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，它特指“確定性”（Deterministic）超精密加工機(jī)床。
超精密加工機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)
機(jī)床系統(tǒng)總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)。常規(guī)機(jī)床設(shè)計(jì)與制造，各環(huán)節(jié)技術(shù)上都有很大寬容度。超精密機(jī)床各環(huán)節(jié)基本都處于一種技術(shù)極限或臨界應(yīng)用狀態(tài)，哪個(gè)環(huán)節(jié)稍考慮或處理不周，就會(huì)導(dǎo)致整體失敗。因此，設(shè)計(jì)上需對(duì)機(jī)床系統(tǒng)整體和各部分技術(shù)有著非常全面、深刻的了解。需依可行性，從整體最優(yōu)出發(fā)，極其周詳?shù)剡M(jìn)行關(guān)聯(lián)綜合設(shè)計(jì)。
高剛性、高穩(wěn)定機(jī)床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。特別是LODTM機(jī)床，由于機(jī)身大、自身重，承載工件重量變化大，任何微小的變形都會(huì)影響加工精度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除從材料、結(jié)構(gòu)形式、工藝方面達(dá)到要求，還須兼顧機(jī)床運(yùn)行時(shí)的可操作性。
超精密工件主軸技術(shù)。中、小型機(jī)床常采用空氣靜壓主軸方案?？諝忪o壓主軸阻尼小，適合高速回轉(zhuǎn)加工應(yīng)用，但承載能力較小?？諝忪o壓主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.05μm。
LODTM機(jī)床主軸承載工件尺寸、重量大，一般宜采用液體靜壓主軸。液體靜壓主軸阻尼大、抗振性好、承載力大，但液體靜壓主軸高速發(fā)熱大，需采取液體冷卻恒溫措施。液體靜壓主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.1μm。為了保證主軸精度和穩(wěn)定性，無(wú)論氣壓源、或液壓源都需恒溫、過(guò)濾和壓力精密控制處理。
超精密導(dǎo)軌技術(shù)。早期的超精密機(jī)床采用氣浮靜壓導(dǎo)軌技術(shù)。氣浮靜壓導(dǎo)軌易于維護(hù)，但阻尼小，承載抗振性能差，現(xiàn)已較少采用。閉式液體靜壓導(dǎo)軌具有高抗振阻尼、高剛度、承載力大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外主要的超精密加工現(xiàn)主要采用液體靜壓導(dǎo)軌。超精密的液體靜壓導(dǎo)軌的直線度可達(dá)到0.1μm。
納米級(jí)分辨率動(dòng)態(tài)超精密坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)。激光干涉測(cè)量是一種高精度的標(biāo)準(zhǔn)幾何量測(cè)量基準(zhǔn)，但是，易受環(huán)境因素（氣壓、濕度、溫度、氣流擾動(dòng)等）影響。為此，美國(guó)LLNL的LODTM坐標(biāo)激光測(cè)量回路采用了真空隔離，和零溫度系數(shù)的殷鋼坐標(biāo)測(cè)量框架的措施。這也是激光坐標(biāo)測(cè)量方面的頂尖應(yīng)用。
當(dāng)今的超精密機(jī)床坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)大多采用衍射光柵。光柵測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性高，分辨率可達(dá)nm級(jí)。為了進(jìn)一步獲得超高的位置控制特性和加工表面質(zhì)量，采用DSP細(xì)分，測(cè)量系統(tǒng)分辨率可達(dá)納米級(jí)。
納米級(jí)重復(fù)定位精度超精密傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)級(jí)的確定性超精密加工，機(jī)床必須具有納米級(jí)重復(fù)定位精度的刀具運(yùn)動(dòng)控制品質(zhì)。伺服傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需消除一切非線性因數(shù)，特別是具有非線性特性的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦等效應(yīng)。因此，采用氣浮、液浮等無(wú)靜摩擦效應(yīng)軸承、導(dǎo)軌、平衡機(jī)構(gòu)成了必然的選擇。伺服運(yùn)動(dòng)控制器除了高分辨、高實(shí)時(shí)性要求外，控制算法模式也需不斷進(jìn)步。
開(kāi)放式高性能CNC數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)。從加工精度和效能出發(fā)，數(shù)控系統(tǒng)除了滿足超精密機(jī)床控制顯示分辨率、精度，實(shí)時(shí)性等要求，還需擴(kuò)展在機(jī)測(cè)量、對(duì)刀、補(bǔ)償?shù)仍S多輔助功能。通用數(shù)控系統(tǒng)難以滿足要求。所以，超精密機(jī)床現(xiàn)基本都采用PC 運(yùn)動(dòng)控制器研制開(kāi)放式CNC數(shù)控系統(tǒng)模式。
高精度氣、液、溫度、振動(dòng)等工作環(huán)境控制技術(shù)。機(jī)床隔振及水平姿態(tài)控制。振動(dòng)對(duì)超精密加工的影響非常明顯，遠(yuǎn)駛的汽車都有影響。機(jī)床隔振需采取特殊的地基處理和機(jī)床本體氣浮隔振復(fù)合措施。機(jī)床體氣浮隔振系統(tǒng)還需具備自動(dòng)調(diào)平功能，以防止機(jī)床加工中水平狀態(tài)變化對(duì)加工的影響。對(duì)于LODTM隔振要求高的機(jī)床，隔振系統(tǒng)的自然頻率要求在1HZ以下。
溫度控制。溫度對(duì)加工精度的影響非常大。因此，LODTM機(jī)床溫控要求極其高。
應(yīng)用展望
超精密加工機(jī)床系統(tǒng)與技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)：更高的加工表面質(zhì)量、面形精度；朝大、小尺度兩個(gè)方向發(fā)展；提高工件復(fù)雜形面、不同材料的加工適應(yīng)性等。
大的尺度發(fā)展應(yīng)用如適應(yīng)未來(lái)空、天基強(qiáng)激光武器輕質(zhì)、高剛性金屬基主反射鏡加工的超大型SLODTM機(jī)床；地基超大口徑深空望遠(yuǎn)鏡（如歐洲的Euro50(Φ50m）、OWL(Φ100m))拼接式離軸非球面鏡（數(shù)米尺寸）加工的多軸超精密磨削加工等。
近年來(lái)，太赫茲（THZ）作為一門新興技術(shù)得到了廣泛重視，是未來(lái)超精密加工技術(shù)與機(jī)床極為廣大和重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在大的尺度方面，太赫茲應(yīng)用不亞于前列的大的發(fā)展需求，如太赫茲天線鏡面加工需求。在小的尺度方面，太赫茲系統(tǒng)中的微型波紋喇叭天線（毫米級(jí)復(fù)雜形狀內(nèi)腔，微米級(jí)加工精度）是未來(lái)所需解決的超精密加工難題之一。在加工面形的復(fù)雜度方面，由于太赫茲波束控制元件表面電磁特性，其設(shè)計(jì)元件面形更具復(fù)雜性，如非對(duì)稱賦形自由曲面等。在加工材料方面，太赫茲應(yīng)用更具多樣性。
發(fā)展超精密加工機(jī)床系統(tǒng)，我國(guó)需重點(diǎn)突破解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：高精度、高分辨率、高穩(wěn)定、大位移坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，先進(jìn)控制算法（自適應(yīng)控制、二階動(dòng)態(tài)無(wú)差控制等）的高性能多軸運(yùn)動(dòng)控制器，工件在機(jī)超精密測(cè)量與補(bǔ)償技術(shù)，超高精度環(huán)境控制技術(shù)等。
文章鏈接：中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng) http://www.jc35.com/news/detail/32552.html
宋經(jīng)理:13705419939 