超精密加工的机床设备
超精密加工的机床设备
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。
精密和超精密加工的机床设备技术
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。
精密和超精密加工的机床设备
高精度、高效率、高表面质量、 低误差、低能耗等。
应用领域
01
02
03
04
航空航天
制造飞机发动机叶片、涡轮盘 等关键部件。
汽车制造
加工发动机缸体、曲轴等精密 零部件。
能源领域
制造核聚变反应堆中的超导线 圈、太阳能电池板等。
医疗器械
制造人工关节、牙科种植体等 医疗器件。
发展历程与趋势
发展历程
从20世纪50年代开始，精密和超精密加工技术经历了从简单磨削 到复杂切削，再到超精密切削的发展过程。
航空航天领域的应用案例
案例一
某航空发动机制造企业使用超精密加 工机床，对涡轮叶片进行高精度磨削 和抛光，提高了发动机性能和可靠性 。
案例二
某飞机制造企业采用精密加工机床， 对机身结构件进行高精度切割和加工 ，确保飞机整体装配精度和质量。
汽车工业领域的应用案例
案例一
某汽车零部件制造企业使用精密加工 机床，对发动机缸体进行高精度加工， 提高缸体质量和性能，降低发动机故 障率。
柔性化
为了满足多品种、小批量生产的需求，未来精密和超精密加工机床将采用模块化设计、可 重构制造系统等技术，提高机床的加工范围和适应能力。
新材料、新工艺的应用
新材料
随着新材料技术的发展，未来精密和超精密加工机床将采用新型高强度、高硬 度、轻质材料，提高加工效率和加工质量。
ห้องสมุดไป่ตู้新工艺
为了满足复杂形状和特殊材料的加工需求，未来精密和超精密加工机床将采用 新的切削工艺、光整加工工艺和复合加工工艺等，提高加工精度和表面质量。
伺服驱动技术
采用先进的伺服驱动技术， 实现高精度的位置控制和 速度控制。
插补算法
超精密加工技术与设备研究
超精密加工技术与设备研究随着科学技术的发展，各种新兴产业的不断涌现，超精密加工技术的应用越来越广泛。
超精密加工技术是指以nm甚至A级为计量单位的高精度加工技术，这种技术可以加工出极为精细的器件、零部件和微型器械等。
近年来，随着光通信、半导体和微机电系统等高新技术的不断发展，超精密加工技术成为了对这些高科技的支撑和发展起到至关重要的作用。
一、超精密加工技术的研究超精密加工技术不仅是现代制造业的一个重要方向，也是当前世界各国争夺高端装备制造市场的关键技术之一。
超精密加工技术具有下列特点：1. 高精度超精密加工技术的加工精度一般在0.1μm以下，甚至可以达到0.01nm。
这种高精度的加工不仅可以满足现代工业的精密加工要求，而且对于微传感器、微机电系统等新兴工业领域的发展也必不可少。
2. 高成本超精密加工需要使用高端的加工设备和高精度的测量仪器，这些设备通常需要耗费巨大的资金才能购买。
此外，加工过程的高要求和长周期也会带来高成本。
3. 高技术门槛超精密加工技术对操作人员的技术要求非常高，需要具备高度的专业知识和操作经验。
因此，这种技术对人员的培训和技术水平的提高也是非常重要的。
二、超精密加工设备的分类超精密加工设备通常可以分为以下几类：1. 雕刻机雕刻机是一种采用非接触方式加工的机床，可以在非接触情况下对工件表面进行加工。
它的加工精度可以达到大约0.1μm，适用于制造光学玻璃、金属模具等精密零件。
2. 电解加工机电解加工机是一种采用电化学反应进行加工的机床，其加工精度可以达到0.1μm以下。
它适用于制造形状复杂的工件和微加工零部件。
3. 雷射加工机雷射加工机是一种采用激光束进行加工的机床，其加工精度可以达到0.1μm以下。
它适用于制造微电子元件、微机械零件和光学器件等。
雷射加工机还可以利用激光束切割薄片材料，以满足高端装备制造的需要。
三、超精密加工技术的应用超精密加工技术的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 半导体加工在半导体加工领域，超精密加工是一个非常重要的领域，它可以制造出一些超细的、数量巨大的半导体芯片。
国外超精密数控机床概述
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
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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超精密机床结构
第1章超精密机床结构设计1.1超精密加工技术与超精密加工机床概述1.1.1超精密加工技术的概念超精密加工技术是上世纪50年代未、60年代初发展起来的一项新技术，由于电子技术、计算机技术、宇航和激光等技术发展的需要，美国就组织有关公司和研究机构进行微米级加工技术的研究，在美国诞生的金刚石刀具镜面车削技术催生了超精密加工技术。
1962年美国首先研制出超精密车床(Union Carbide公司，超精密半球面车床)，在该机床上使用单刃金刚石车刀加工直径101.6mm的铝合金半球面，成功地实现了镜面车削，尺寸精度达±0.6m，表面粗糙度为Ra0.025m，迈出了微米级超精密加工的第一步。
目前，超精密加工还没有确切的统一定义。
就其加工而言，超精密加工有两种含义，一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的加工；二是指向实现微细尺度界限挑战的加工，即以微电子电路生产为代表的微细加工。
一般认为，加工精度高于0.1微米，粗糙度优于百分之几微米的为超精密加工，更严格的说，尺寸精度为IT－1(在100左右时为0.25m,粗糙度为Ra0.025m)或更高的为超精加工。
所谓微细加工是指在加工微小尺寸零件或微小尺寸结构时，能达到极微细的位移精度和极高的重复精度的加工。
超精密加工技术是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段，不管是军事工业还是民用工业都需要这种先进的加工技术。
例如，关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中率的惯导仪表用精密陀螺、激光核聚变用的反射镜、大型天体望远镜的反射镜和多面棱镜、大规模集成电路的硅片、各种光学仪器的反射镜、陀螺仪框架、伺服阀、激光打印机用的多棱镜、复印机的感光鼓；计算机的硒鼓、磁盘；陀螺仪用的空气轴承、导弹零件、精密泵零件、动压马达；高速摄影机和自动检测装备的扫描镜、激光加工机的多曲面反射镜和聚光镜；录象机的磁头和煤气灶的转阀等都需要超精密加工。
从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一[1]。
国外超精密数控机床概述
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。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第4章精密和超精密加工的机床设备
第1节 精密和超精密机床发展概况
二、超精密机床进一步发展的规划
3.中国精密机床和超精密机床的发展情况 1987年北京机床研究所研制成功加工球面的JSC027型超精密车床。后来又研制成功JSC-035型数控 超精密车床。1998年,北京机床研究所制成的加工直 径800mm的NAM-800型CNC超精密金刚石车床(图 4-1)和SQUARE-200型等超精密铣床,哈尔滨工业大 学研制成加工直径300mm的CNC超精密车床, 2006 年,哈尔滨工业大学研制成加工KDP晶体的大平面超 精密飞刀切削机床(图4-2)。
第4章 精密和超精密加工的机床设备
4.1 精密和超精密机床发展概况及 4.2 典型超精密机床的简介 4.3 精密主轴部件
4.4 床身和精密导轨部件 4.5 进给驱动系统 4.6 微量进给装置
4.7 机床运动部件位移的激光在线检测系统 4.8 机床的稳定性和减振隔振
4.9 减少变形和恒温控制
2020/12/29
第1节 精密和超精密机床发展概况
二、超精密机床进一步发展的规划
2.日本提出的“超超精密机床”规划 日本也在原来超精密机床的基础上,再进一步 规划更高精度的机床。按日本的提法,也就是 研制“超超精密机床”。表4-2是日本提出 的该规划的各项指标。 该规划主要围绕提高超精密机床精度性能而 提出的设想,共有13个子课题,并已在20世纪 内完成。该规划是以纳米级精度作为目标的。
2020/12/29
第1节 精密和超精密机床发展概况
二、超精密机床进一步发展的规划
表4-1是POMA规划对精度的具体要求,该规 划已经实现。例如,美国Moore公司现在生产 的Nanotech-500FG五轴数控超精密机床的 主要精度指标都已达到上述要求。
精密和超精密加工技术
《精密和超精密加工技术》学习总结11机械1班 2011411011070. 引言精密和超精密加工技术不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，还影响着国家的机械制造业的国际竞争力，因此，全球各国对此十分重视！本文就从超精密切削、精密和超精密磨削、精密研磨与抛光、精密加工的机床设备和外部支撑环境、微纳加工技术等相关的超精密加工技术进行研究与总结。
1. 超精密切削超精密切削是国防和尖端技术中的重要部分，受到了各国的重视和发展。
一、超精密切削的切削速度选择超精密切削所使用的刀具是天然单晶金刚石刀具，它是目前自然界硬度最高的物质，具有耐磨性好、热传导系数高和有色金属间摩擦系数小。
因此，在加工有色金属时，切削温度低，刀具寿命很高，亦可使用1000-2000m/min的高速切削。
而这一点（切削速度并不受刀具寿命的制约）是和普通切削规律不同的。
超精密切削的速度选择是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性所决定的，即选择振动最小的转速。
换而言之，要高效地切削出高质量的加工表面，就应该选择动特性好，振动小条件下最高转速的超精密机床。
例如沈阳第一机厂圣工场的SI-255液体静压主轴的超精密车床在700-800r/min时振动最大，故要避开该转速范围，选择低于或者高于该速度范围进行切削，则可得到较好的加工表面。
二、超精密切削时刀具的磨损和寿命天然单晶金刚石刀具超精密切削应用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料，比如激光反射镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘等。
判断金刚石刀具是否破损或磨损而不能继续使用的标准是根据工件加工的表面粗糙度有无超过规定值。
而金刚石刀具的切削路程的长度则是其寿命长短的标志。
倘若切削条件正常，刀具的耐用度可达数百千米。
但是在实际使用中，金刚石刀具常是达不到这个耐用度，因为加工过程中切削刃会产生微小崩刃而不能继续使用，而这主要是由于切削时的振动或切削刃的碰撞引起的。
因此，金刚石刀具只能使用在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上，而刀具的维护对机床的要求亦是如此。
哈挺T42-L型超精密数控车床转塔刀架
哈挺T42-L型超精密数控车床转塔刀架哈挺T42-L型超精密数控车床转塔刀架的结构、原理，对刀架故障进行诊断，提出维修方法并成功修复刀塔液压缸大量漏油故障。
一、引言哈挺T42-L数控车床是1998年从美国进口的超精密车床，能进行较长工件的精密加工，是工厂的关键设备。
设备结构十分复杂，数控刀塔是设备的精密组件之一，有12个刀位，刀盘上还带有动力头，可车、铣两用。
由于刀塔内部密封件损坏，液压油从刀塔液压缸中大量漏出，每两天要加一桶液压油。
经咨询哈挺中国服务中心，答复说：国内不能提供该种刀塔的维修技术服务，需运回美国修理，费用一万多美元，时间需6个月以上。
由于哈挺公司的维修费用过高、维修周期长，工厂决定自主排除故障。
二、下42-L数控转塔刀架的结构与工作原理T42-L数控转塔刀架（图1）该转塔刀架包括12刀位刀盘、刀盘主轴、刀盘传动机构、液压缸、带绝对编码器的交流伺服电机（驱动刀盘）、刀盘锁紧或松开接近开关、动力头及驱动电机。
刀盘和动力头的左侧照片见图2。
在刀架体内，刀盘驱动伺服电机轴上的皮带轮通过同步带驱动一个与蜗杆同轴的皮带轮，蜗杆带动蜗轮转动，转动的蜗轮通过啮合的齿实现刀盘转动。
刀架工作过程（以手动为例）：转动操作面板上的位置开关(station)到指定刀位（1~12），然后按开始开关（TERRET IN-DEX1），若刀架在指定刀位，则无任何动作；刀架不在指定刀位，则顺序完成以下过程：①控制刀盘顶出的电磁阀打开，液压油推动活塞使刀盘被顶出，数齿与定齿机构脱离。
②接近开关指示灯灭，给系统发“刀盘松开”信号。
③带绝对编码器的交流伺服电机，按最短距离顺时针或逆时针旋转到指定刀位。
④电磁阀动作，液压控制换向，液压油反向推动活塞使刀盘缩回，数齿与定齿机构啮合。
⑤接近开关指示灯亮，给系统发“刀盘锁紧”信号。
三、诊断与修复1．诊断从刀架结构看，刀架体内有推动刀盘运动的液压缸，有多个O形密封圈，漏油可能是液压缸的O形密封圈损坏造成的。
精密加工及精密加工机床
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2.2
Nanoform250超精密加工系统
既能进行超精密车削，又能进行超精密磨削，还能进行超精密抛光，能 直接磨削出满足光学表面质量和面型精度的硬脆材料的光学零件。最大加工 工件直径Ф250mm,通过一个升高装臵，可使机床的最大加工工件直径达到 Ф450mm,另外通过控制垂直方向的液体静压导轨(Y轴)，还能够磨削非轴对称 的零件。ONs实时操作数控系统的直线编程精度为0.01 nm，角度编程精度为 度 10 7 度，直线静压导轨的位臵反馈分辨率0.016nm，进给速率为 4000mm/min，加工工件的面型精度小于0.1μm，表面粗糙度Ra优于lnm。
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OAGM 2500大型超 精密机床
2.3
国内超精密机床现状
我国北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之 一。2002年为军工某单位开发研制的“SPHER200C超精密球面加工机 床”，薄壁(1mm)球面零件的批量加工表面粗糙度达Ra10nm,最好件可 达3nm。哈尔滨工业大学成功研制了HCM-l亚微米超精密加工机床。加工 的零件精度0.2 m,表面粗糙度优于Ra0.02m。航空航天工业部303所、 清华大学、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技 大学等都进行y Logo
2.误差补偿系统的组成
1）误差信号的检测
2）误差信号的处理
3）误差信号的建模
计算机控制系统
4）补偿控制
5）补偿执行机构
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误差补偿系统组成示意图 1－误差信号检测 2－误差信号处理 3－误差信号建模 4－补偿控制 5－补偿执行机构
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四、超精密机床的工作环境
哈尔滨工业大学科技成果——多轴超精密数控加工机床及其部件制造
哈尔滨工业大学科技成果——多轴超精密数控加工机床及其部件制造主要研究内容为满足日益增长的超精密零件加工要求，特别是复杂形状、功能表面形状、需要多轴联动加工的超精密加工需求，哈工大精密工程研究所自十年前开始研究四轴联动超精密加工机床。
该机床主要由X、Z液体静压导轨轴、气体静压主轴（C轴）及快刀FTS轴或B轴等组成，经黑龙江省计量检定院检测，该机床关键技术指标接近或达到了国外同类商品化机床的精度水平，所集成快刀系统可实现复杂非轴对称微结构功能表面的加工，集成的B轴可实现精密磨削。
同时，机床采用了模块化设计思想，使得本系统具有较高的开放性，可靠性和可维护性，允许进一步进行功能扩展和二次开发。
近几年本所已经为用户生产了三台该类型机床，使用效果良好。
本项目的技术支持单位哈尔滨工业大学精密工程研究所多年来从事各类型超精密非标测试设备和超精密机床的设计与研制工作，在机床静压导轨、气体主轴等机械部件、电控系统及数控软件系统研制等方面均有成熟技术，有多台套超精密测试设备和超精密机床获得国防及省部级科技奖励，有30余项发明专利和制造标准。
目前精密轴系与导轨的半精和精加工及检测、机床数控系统主机外购与电控系统制造、刀架与快刀制造、高刚度低速摆动轴系制造、机床气动液压等附件制造等，均有成熟技术工艺和外委协作单位，主要测控部件、光栅传感器、电机等也均有可选的国际国内产品。
这些前期基础研究及配套产品或配套协作，将为该项成果的产业化提供相关支持。
主要应用多轴联动超精密数控车床主要用于生产光学镜片、模具、惯性器件以及微结构功能表面加工等。
随着加工精度的不断提高和电子产品的应用，未来将在光电子产品等诸多领域有越来越多的应用，特别是在沿海一带1-3年内已有近百台需求，目前已有意向需求十余台。
同时超精密轴系与导轨、超精密辅助部件的市场需求量也较大，在精密装备、测试设备、精密机床等领域有广阔的市场空间。
主要技术指标主轴\C轴回转精度<0.05μm，C轴模式角度分度0.001度，主轴最高转速4000rpm；X\Z导轨行程200mm，导轨光栅分辨率5nm，直线度：0.2μm/全程；可加工零件最大尺寸350mm，典型加工零件的形状误差小于0.5μm，表面粗糙度Ra小于10nm；快刀FTS输出最大频率2kHz。
超精密加工机床国内外发展纵览
Ｒａ ０ ｍ 。 ｌｎ
近年 来 ，随着 超精 密加 工技 术在 渐 成熟 。超精 密切 削机 床 目前仍 以单
加 工精 度 高 于 ０１ ｍ， ． 加工 表 面粗 糙 米加 工 ） 。
超 精 密 加 工 机 床 的研 究 自 １ ５ 民用 领域 的推 广应 用 ，相关 技术 也逐 ９０
穰 点 ；专 题 策 划
Ｓ Ｐ ＥＣ Ｉ Ｌ Ｕ ＢＪＥ Ｃ Ｔ Ａ Ｓ ＰＬＡ Ｎ Ｎ
本者忠 刊 ／臣 记 马
编者按 ：超精 密加 工通常是一个 国家装备 制造能力及工 艺技 术水平的重要参照 。对 于发 达 国家尤其作为超级 军事 强 国的 美 国 ，其 高精 尖 武 器 装 备 所 依 赖 的超 精 密 加 工 制 造 技 术 的发 展 ， 自然 成 为 世 界 关 注 的 焦 点 。超 精 密 是 一 个 相 对 的 概 念 ， 目前 的超 精 密 标 准 相 对 未 来 更 高 水 平 而 言 只能 是 一 个过 程 ，而 对 于 科 研 探 索 来说 关 注过 程 可 能 比关 注 结 果 更 实 际 ，为 此 ，结 合 本 期 主 题 ， 为您 盘 点 近 年 来 国 内外 超精 密 机 床技 术 的 新 进 展 。
领 域至 少 落后 １— ０ 。而按 照 上述 对于 未能 逾越 的技术 高峰 ，人 们也 从 床 已经 实现 产业化 。 ５３ 年 ９ １年 英 瑞 士 ＤＩ Ｉ 司 是 世 界 第 一 台卧 Ｘ 公 规律 ，当我们 在精 密加 工 范畴 获得稳 未 停 止 科 研 探 索 的脚 步 。１ ９
… …
这 似 乎 就 是 科 技 发 展 规 律 的 缩 化 学研 磨 、 研抛 、 接触 式 浮动研 磨 、 到 ０ ｒ／ ７ ｍｍ，表面 粗糙 度 达 到 非 ３ ｎ ５
4精密和超精密加工的机床设备
采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。
二、典型机床简介
DTM-3大型超精密车床
1）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。 2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。 解决措施： 1）提高静压油的压力到6～8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。 2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。 3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。ຫໍສະໝຸດ 第3节 床身和精密导轨部件
比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。
由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。
第3节 床身和精密导轨部件
三、导轨分类
导轨的作用和特点
导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：1）工作速度低。2）导轨的工作部分既长又薄，刚度差，是机床最薄弱的环节之一。3）受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。4）导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。
一、发展概况
二、典型机床简介
第1节 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介
Union Carbide 公司的半球机床
能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。
精密和超精密加工的机床设备
精密和超精密加工的机床设备简介精密加工和超精密加工是现代制造业中非常重要的工艺，为了实现高精度和高质量的产品制造，需要使用精密和超精密加工的机床设备。
本文将介绍精密和超精密加工的定义、应用领域、常见机床设备及其特点。
精密加工与超精密加工的定义精密加工是指在小尺寸范围内实现高精度、高表面质量的加工过程。
超精密加工则是在精密加工的基础上，进一步提高加工精度和表面质量，通常使用的是非常细小的工具进行加工。
精密加工与超精密加工的应用领域精密加工和超精密加工广泛应用于各个领域，特别是需要高精度和高质量的产品制造领域。
以下是一些典型的应用领域：1.光学器件加工：如镜片、棱镜、透镜等光学组件的加工需要极高的精度和表面质量。
2.高精密模具加工：精密模具通常用于制造电子产品、汽车零部件等需要高精度的零件。
3.精密五金零部件加工：如手表零部件、医疗设备零部件等，需要高精度和高质量的加工。
4.微电子器件加工：微电子器件通常要求极高的精度和表面质量，用于生产集成电路、传感器等。
常见的精密和超精密加工机床设备下面介绍一些常见的精密和超精密加工机床设备及其特点：CNC铣床CNC铣床是一种通过计算机控制的自动化机床，能够在三个轴向上进行加工。
精密加工中常用的是数控铣床，而超精密加工则需要使用高速铣床。
CNC铣床具有高精度、高刚性、高自动化程度等特点。
高精度车床高精度车床是一种用来加工圆柱形工件的机床。
它能够在工件上进行精确的车削、镗削、钻削等操作。
高精度车床具有高工作精度、高生产效率和良好的刚性。
光学加工机光学加工机是用激光或电子束等光学器件进行加工的机床设备。
它能够实现非常高的加工精度和表面质量，常用于光学器件加工和微电子器件加工。
超精密磨床超精密磨床是一种用磨粒对工件进行加工的机床设备。
它能够实现非常高的加工精度和表面质量，常用于精密模具加工和高精度五金零部件加工。
EDM电火花机床EDM电火花机床是一种利用电火花腐蚀的原理进行加工的机床设备，能够实现非常高的加工精度和表面质量。
NANOTECH 350FG 介绍
成形：采用研磨加工方法；
研磨方法：用空气轴承的研磨机； 特殊刀头的形状
四、 五轴机超精密加工 的方法
普通切削加工 SSS FTS
4.1 普通切削加工（轴对称零件）
主轴只做回转运动，不带C轴模式 只通过X和Z轴的插补走出面型 可加工PMMA,铜，铝，锗，氟化钙等材料 不同材料需要使用不同的刀具和工艺
详细指标链接
Ultra-Precision three, four, or five axis CNC machining system for on-axis turning of aspheric and toroidal surfaces; slow-slideservo machining (rotary ruling) of freeform surfaces; and raster flycutting of freeforms, linear diffractives, and prismatic optical structures
Electronic Gage Head with Magnetic Stand
NanoMETER
NanoBalance™
Work Spindle Trim Balancer
Workpiece Measurement & Error Compensation System (WECS)
三、超精密加工刀具
面型测量仪器：ZYGO激光干涉仪，轮廓仪 粗糙度测量仪器：VEECO白光干涉仪
ZYGO激光干涉仪
GPI™ XP/D激光干涉仪--运用移相干涉原理，提供高精度的
平面面形，球面面形，曲率半径，样品表面质量，传输波
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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。