超精密加工及其关键技术的发展

大洪

基于材料去除的冷加工技术，从本世纪60年代初美国用单点金刚石刀具对电解铜进行加工 ，并成功地切削出镜面以来，在加工精度方面发生了质的变化，促使了超精密加工技术的产生和发展。一般认为，被加工零件的尺寸和形位误差小于零点几微米，表面粗糙度介于几纳米到十几纳米之间的加工技术，是超精密加工技术。目前，超精密加工从单一的金刚石车削 ，到现代的超精密磨削、研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术中的一个重要组成部分，其产品涉及国防、航空航天、计量检测、生物医学、仪器等多个领域。
　　回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作 用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。

1　超精密加工的共性技术及其发展

　　超精密加工可分为超精密切削、超精密磨削、研磨、抛光及超精密微细加工等。尽管各自在原理和方法上有很大的区别，但有着诸多可继承的共性技术，总的来说，在以下几个方面有着共同的特点：
1.1　超精密运动部件
　　超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。超精密运动部件是产生上述相对运动的关键，它分为回转运动部件和直线运动部件两类。
　　高速回转运动部件通常是机床的主轴，目前普遍采用气体静压主轴和液体静压主轴。气体静压主轴的主要特点是回转精度高，如Pneumo公司的Nanoform250车床采用气体静压主轴，回转精度优于0.05 μm。其缺点是刚度偏低，一般小于100 N/μm。近年来，在提高气浮主轴刚度方面有很多研究，如德国Kugler公司开发了半球型气浮主轴，刚度高达350 N/μm ；日本学者利用主动控制的方法增加主轴刚度，同时提高了回转精度；荷兰Eindhoven 科技大学研制的薄膜结构被动补偿气浮轴承静刚度可趋于无穷，动刚度也大大提高。液体静压主轴与气浮主轴相比，具有承载能力大、阻尼大、动刚度好的优点，但容易发热，精度也稍差 。
　　直线运动部件是指机床导轨，同样有气体静压导轨和液体静压导轨2种。由于导轨承载往往大于机床主轴而运动速度较低，超精密机床大多采用后者，如美国LLNL研制的LODTM采用的高压液体静压导轨，直线度误差小于0.025 μm/1000 mm。同样，主动控制的方法适用于提高气浮导轨静态刚度，日本Tottori大学的Mizumoto等人将这一技术应用到其设计的超精密车床中，提高了导轨直线度。
1.2　超精密运动驱动与传递
　　为了获得较高的运动精度和分辨率，超精密机床对运动驱动和传递系统有很高的要求，既要求有平稳的超低速运动特性，又要有大的调速范围，还要求电磁兼容性好。
　　一般来说，超精密运动驱动有2种方式：直接驱动和间接驱动。直接驱动主要采用直线电机，可以减少中间环节带来的误差，具有动态特性好、机械结构简单、低摩擦的优点，主要问题是行程短、推力小。另外，由于摩擦小，很容易发生振荡，需要用优秀的控制策略来弥补。目前，除了小行程运动外，直线电机用于超精密机床仍处于实验阶段。
　　间接驱动是由电机产生回转运动，然后通过运动传递装置将回转运动转换成直线运动。它是目前超精密机床运动驱动方式的主流。电机通常采用低速性能好的直流伺服电机，如美国Pa rk Hannifin公司的DM和DR系列直接驱动伺服执行器，输出力矩大，位置控制分辨率达到64万分之一。运动传递装置通常由联轴器、丝杠和螺母组成，它们的精度和性能将直接影响运动平稳性和精度，也是间接驱动方式的主要误差来源。美国麻省理工学院设计了2种联轴节，分别采用球槽和柔性铰链结构，用于消除电机与丝杠不同轴误差。我国国防科技大学设计了一种框架式浮动单元，用于连接螺母和工作台，可消除4个方向的运动误差。丝杠往往选择高精度的滚珠丝杠，另外也有气浮丝杠和磁浮丝杠用于超精密机床的实验研究，如俄罗斯研制的气浮/磁浮丝杠分辨率达到了0.01 μm。日本新宿大学的Fukada通过在滑动 丝杠、螺母和工作台间插入弹性体，将扭矩转化为微位移，使滑动丝杠达到纳米级分辨率。
　　在驱动方式上还有突破传统的创新研究，如日本Tottori大学的Mizumoto等人研制的扭轮摩擦装置分辨率达到纳米；我国国防科技大学研制的扭轮摩擦装置分辨率也接近纳米级水平。
1.3　超精密机床数控技术
　　超精密机床要求其数控系统具有高编程分辨率（1 nm）和快速插补功能（插补周期0.1 ms）。基于PC机和数字信号处理芯片（DSP）的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NAN OPATH和PRECITECH'S ULTRAPATH TM 都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块（PM AC）开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH－1型数控系统采用ASW－824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。
　　在数控软件方面，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OS ACA、美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件，可根据机床成形系统的布局任意组装软件，符合机床模块化发展的方向。
1.4　超精密运动检测技术
　　为保证超精密机床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20 分辨率为1.25nm）与高稳定性，测量范围大，适合作机床运动线位移传感器使用。但是双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。根据我们的使用经验，德国Heidenhain公司生产的光栅尺更适合超精密机床运动检测，如该公司LIP401,材料长度220mm，分辨率为2nm，采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数（0.1 ppm/k ），动静尺间隙为0.6±0.1mm，对环境要求低，安装和使用方便，如Nanoform2500和Optimum2400超精密车床都使用了Heidenhain光栅尺。
1.5　超精密机床布局与整体技术
　　模块化、构件化是超精密机床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维 、二维和多维超精密运动控制平台和机床。研制超精密机床时，布局就显得非常关键。超精密机床往往与传统机床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“T”型布局，这种布局使机床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密车床都采用这一布局。模块化使机床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了4轴精密磨床AS100，用于加工自由形式表面，该机床除了X、Z和C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的切削点。
　　此外，一些超精密加工机床是针对特殊零件而设计的，如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工，一些非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术（CCOS）加工，这些机床都具有和通用机床完全不同的结构。由此可见，超精密机床的结构有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。
1.6　其它重要技术
　　超精密环境控制，包括恒温、恒压、隔振、湿度控制和洁净度控制。另外，超精密加工对刀具的依赖性很大，加工工艺也很重要，对超精密机床的材料和结构都有特殊要求。

2　提高超精密加工精度的途径

　　通常，造成超精密金刚石切削加工误差的原因可简单地划分为以下几种：①机床零部件制造和装配时的几何误差；②外界和机床内部热源引起的热变形误差；③机床自重和切削力引起的力变形；④机床轴系的伺服误差（跟随误差）；⑤其它误差，如数控插补算法误差以及外界振动、湿度变化等环境误差。
　　研究结果表明，普通精度机床70％以上误差来自前2项，而超精密机床因为精度要求更高， 每项误差都可能成为使零件精度超差的主要矛盾，所以对上述诸多误差都要进行综合比较与控制。对于超精密零件来说，轮廓精度是体现综合质量的一项重要指标。在超精密金刚石切削加工过程中，对轮廓精度起决定性影响的是机床机械系统的运动精度。由于对改善轮廓精度所采取措施的侧重点不同，伴随着产生了解决这一问题的3种不同方法：开环方法、闭环方法和补偿方法。
　　(1)开环方法　这是单纯依靠提高机床零部件的性能来提高机床机械系统的运动精度的方法。采用直线度非常理想的导轨（如液体静压导轨、气体静压导轨等），更高回转精度的主轴（如液体静压主轴、气体静压主轴等），高性能的电机（如dynaserv电机的最小输出脉冲可达2.53角秒），以及各种精密驱动方式（如滚珠丝杠、静压丝杠、摩擦驱动、直线驱动等），提高机械系统的响应速度和定位精度。但是，机械系统中普遍存在摩擦和间隙，在低速运动时会产生爬行（stick- slip）现象，反向运动时产生反程差（backlish）。为了提高位置精度，机械传动系统还需要足够的联接刚度以克服弹性变形。要用开环方法达到高精度就意味着成本更高。
　　(2)闭环方法　全闭环控制方法已普遍应用于超精密机床上，例如美国LLNL 、英国Rank Pneumo公司、Granfield大学开发成功的超精密金刚石车床。
　　上述超精密机床的闭环控制都采用前馈加PID控制方法，这种传统控制方法稳定性好、可靠性高，PMAC运动控制板就是这种控制器的代表。超精密数控系统要求有纳米级运动分辨率，因此要求有更短的插补周期（小于1 ms）和控制周期（小于0.1 ms）。此外， 针对超精密加工特点，需要多轴联动生成高次曲线、曲面，在传统控制算法的基础上，采用交叉耦合控制、最优预见控制（OPC）、逆补偿滤波器（IKF）控制、滑模控制及陷波、前 馈等方法，可以较大地提高跟踪精度。
　　(3)补偿方法　在70年代和80年代初期，误差补偿技术成功地应用于三坐标测量机上（CMM）。从1980年到1995年的15年间，由于采用了误差补偿，CMM在性能提高的基础上，生产成本降低了近20倍。数控机床的运行环境和工作条件都比CMM复杂。但随着各种测量控制技术的发展，对超精密机床进行运动误差、定位误差和热变形误差补偿的技术已逐渐成熟，如Nanoform系列的超精密车床已具有在位测量及误差补偿功能。由此可见，对超精密机床加工精度进行计算机软件补偿，以提高精度和降低成本是个必然的趋势。未来的超精密机床在提高加工精度的同时，也将更具智能化，例如具有对自身误差进行检测、诊断与补偿的能力。