超精密加工设备的发展历史
纵观国内外40多年超精密机床发展史,可以总结出两大特点:一是大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情,对高技术进行超前研究,对超精密机床产业化和商品化起着推动的作用;二是超精密机床的模块化、系统化是其进入市场的重要技术手段。
美国是开展超精密加工技术研究最早的国家,也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末,由于航天等尖端技术发展的需要,美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术,称为SPDT(SinglePoint Diamond Turning)技术,并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床,用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。
Nanosys 300非球面复合加工系统
美国Union Carbide公司于1972年研制成功了R-θ方式的非球面创成加工机床。这是一台具有位置反馈功能的双坐标数控车床,可实时改变刀座导轨的转角θ和半径R,实现非球面的镜面加工。Moore公司于1980年首先开发出了用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evalue="356" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="356" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="356" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">356mm的各种非球面金属反射镜。英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密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。
20世纪80年代,美国UnionCarbide公司、Moore公司和美国空军兵器研究所制定了一个以形状精度为0.1μm、直径为evalue="800" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="800" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="800" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">800mm的大型球面光学零件超精密加工为目标的超精密机床研究计划——POMA(Point One MicrometerAccuracy)计划,这是一个里程碑式的研究计划。
20世纪80年代中后期,美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”,对超精密金刚石切削机床的开发研究,投入了巨额资金和大量人力,实现了大型零件的超精密加工。如美国劳伦斯·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 DiamondTurning Machine,LODTM),至今仍代表了超精密加工设备的最高水平,该机床可加工直径为evalue="2.1" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="2.1" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">2.1m,重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨,在evalue="1.07" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="1.07" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">1.07m×evalue="1.12" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="1.12" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">1.12m范围内直线度误差小于0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺,通过测量和修正来达到),位移误差不超过0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉仪来测量和反馈控制达到),主轴溜板运动偏摆小于0.057″(通过两路激光干涉仪测量,压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统,不与机床联结。油喷淋冷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。最终可实现加工大型光学零件直径达evalue="1.4" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="1.4" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="1.4" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">1.4m,面形精度为 0.025μm,表面粗糙度Ra≤5nm。
由于有了模块化和构件化的技术,研制新的超精密制造设备的费用和周期大大下降,技术难度也同时下降。进入80年代后,随着民用光学应用范围的扩大,超精密加工技术在民用行业得到了应用。英国Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利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精密加工设备即为该型号。随后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床。
经过多次的合并与收购,目前国际上主要生产金刚石超精密加工设备的厂商主要有:美国Moore 公司、AMETEK 集团旗下的 Precitech 公司、Taylor Hobson 公司,这几家公司占据了绝大部分的市场份额。日本开发的超精密加工机床主要用于加工民用产品所需的透镜和反射镜,目前日本制造的加工机床有:东芝机械研制的ULG-levalue="0" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="0" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">00A(H)、不二越公司的ASP-L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60-3D非球面加工机床等。
当今超精密机床技术的发展趋势是:技术上不断朝着加工的极限方向发展,向更高精度、更高效率方向发展,向大型化、微型化方向发展;功能上向加工检测补偿一体化方向发展;结构上向多功能模块化方向发展;功能部件上向新原理、新方法、新材料应用方面发展,总体来讲是向极限制造技术方面发展。
超精密机床技术目前已经发展成为一项综合性的系统工程,其发展综合利用了基础理论 (包括切削机理、悬浮理论等)、关键单元部件技术、相关功能元件技术、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精密机床的主要特点。
新理论、新原理、新观点、新方法及新技术在超精密机床中的应用
近年来,超精密基础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
为了增加超精密机床的静刚度和动刚度,一些超精密机床采用很特殊的结构,例如三角棱形立式结构的超精密磨床是为了超大直径(φevalue="400" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">evalue="400" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0">400mm)硅片研磨加工设计的,改变了传统的龙门式结构在重的加工负载下容易产生俯仰和偏摆变形的缺点。近年来采用多自由度并联机床结构,进一步增大了机床的刚度。
2 超精密主轴和导轨
在传统空气静压和液体静压轴承的基础上,通过控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制从而提高轴承的刚度。磁悬浮主轴技术,永磁、电磁和气浮结合的控制方案也一直在研究中。多孔材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,但发热是其致命的弱点,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,这种轴承的优点是轴承发热较小,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 超精密驱动技术
精密滚珠丝杠是超精密机床驱动采用的常规方式,但是这种方式存在许多缺点,限制了运动精度的进一步提高。为此,气浮丝杠和液体静压丝杠在一些日本研制的超精密机床上得到了应用,但是采用这种传动方式的零件加工工艺极其复杂,限制了其应用。摩擦驱动具有运动平稳、无反向间隙等特点,在一些轻载、低速的超精密加工设备及检测设备上得到了应用。近年来,直线电机在超精密加工设备的驱动上得到了广泛的应用,也成为一个趋势。直线电机采用无机械减速系统的无摩擦直接驱动方式,适合高精度、高分辨率、高速等场合。
Nanosys 300非球面复合加工系统外观
4 超精密加工的误差建模与补偿技术
用变分法精度、多体动力学等分析误差建模理论,可以将刀具几何参数、加工工艺条件及机床运动误差三大因素对加工工件的精度影响准确的建立数学模型。近年来一些数学工具如微分几何、李代数和李群在复杂几何形状误差的评定和分析方面得到了一些应用,并有望在超精密机床误差分析中得到运用。在机床运动精度和工件形状精度处于同一数量级时,多传感器误差分离方法是分离误差最有效的方法之一。例如,对主轴运动误差和工件圆度误差的分离,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当成熟,在直线度测量中,多传感器安装误差和测量加密算法已得到很好解决,因此,圆度和直线度误差分离技术可顺利地推广到圆柱度、平面度超精密误差测量与补偿控制领域。
5 超精密机床的数控系统
超精密机床数控系统的特点是高编程分辨率(1nm)和高精度的伺服控制软硬环境。在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件,意味着需要高的控制速度,例如插补周期小于1ms( 普通数控为10ms左右 ),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精密数控系统的趋势。例如美国的NANOPATH和PRECITECH’S ULTRAPATHT M都是基于DSP的超精密数控系统。数据系统的硬件运动控制模块(PMAC)开发及运用越来越广泛,使基于PC的数控系统的可靠性和可重构性得到提高。新的芯片(如SERCOS)和网络协议的发展又给数控系统提供了一种分布网络式的新结构,使其可靠性和开放性更好。
超精密数控机床不难实现高定位精度,即使在超精密概念下有一些非线性环节,采用适当的控制算法都可以得到很高的定位精度。但是当机床作非直线运动时(多轴联动)对指定轮廓曲线的控制精度(跟踪精度)还取决于机床各维运动的动态特性。因此,很难保证高的跟踪精度。一些适当的控制技术(如解偶控制技术)可以将多维运动参数加以解偶来提高跟踪精度。
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方面来评价。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,传统的超精密机床传动方式在低速、微动状态下表现出强非线性特性,常规的运动控制策略已经很难保证伺服系统实现理想的纳米级随动精度。此外,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计算都需要大量的齐次坐标变换运算,这为实际的多轴联动耦合控制器的设计带来了很大的不便。智能控制理论与方法将可能为此问题提供理想的解决方法。
此外,要实现多轴联动纳米级轮廓控制精度,还有一个不可忽视的问题,即联动轴的同步问题。同步精度的高低直接影响到系统的轮廓跟踪精度。严格意义上的多轴伺服系统同步涉及到复杂的数控和伺服系统接口规范的制定。目前,在可以实现亚微米级加工的高档多轴联动超精密数控机床研制方面,我国尚未取得突破性进展。至于可实现大型复杂曲面,特别是自由曲面的纳米级超精密加工的五轴联动机床,至今仍是一个世界上尚未解决的难题。