超精密加工技术论文

论述精密与超精密加工的工作环境前言超精密加工技术综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术等，是尖端技术产品发展中不可缺少的关键环节…。

同时，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。

从某种意义上说，超精密加工对先进制造技术特别是纳米技术对整个社会生产力水平的提高起到举足轻重的地位，也成为衡量一个国家科技发展的标准之一。

目前超精密加工还没有确切的定义，一般是指达到绝对加工精度为0.1µm或表面粗糙度为Ra 0.0lµm以及达到加工允差和加工尺寸之比为106的加工技术。

超精密加工对环境的要求十分严格，纳米加工对环境的要求就更加苛刻。

只有对它的支撑环境加以严格控制，才能保证加工精度。

加工所需的支撑环境主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境和磁环境等几个方面。

本文着重介绍温度环境以及振动环境两个方面的环境因素以及一般的解决措施。

一、温度控制随着科学技术的飞速发展和国际竞争的加剧，超精密加工技术越来越成为工业化国家长远发展的根本支撑。

保证良好的稳定加工条件是实现超精密加工的关键之一。

据文献统计，在精密加工、超精密加工中机床热变形引起的加工误差占总误差的40%~70%。

超精密加工60mm长的铝合金工件，温度变化1℃将产生1.35μm的误差。

若确保0.1μm级加工精度，环境温度变化至少应控制在0.1℃范围内。

国外比较成功的经验是将机床加工部位或其特征部位实现局部恒温化，进行积极的温度控制，例如美国LLNL实验室把超精密机床放置在铝制框架和耐热塑料制成的掩蔽间中,从天棚顶向下吹入流量为20m3/min的恒温空气，采用冷却水-空气热交换方式的温控系统，达到±0.04℃的温控精度。

温度控制主要的2种传热介质是油和空气，油的热容比较高且不可压缩，所以油喷淋温度可以比气喷淋达到更高的控制精度，美国LLNL实验室使用恒温油对放在局部恒温玻璃罩内的一台双轴超精密金刚石车床进行喷射，可以使加工区域内的温度保持在20℃±0.06℃。

然而，对于由于气浮运动所具有的低摩擦和高精度的突出特点，很多超精密机床和超精密机构采用了气喷淋的温度控制系统。

本文介绍的气喷淋系统在较低的成本下，实现了超精密环境±0.05℃的温度控制精度。

环境规划我们实现的超精密加工环境见图1。

其一般控制区域为一无窗的房间，以避免日光的影响。

房内未设置暖气，因为在冬季，暖气会引起很大的局部过热。

该房间有一玻璃门与外界隔离。

此区域的控制用较大功率的空调实现，其温度控制精度在3℃以内，设定温度比玻璃隔间内低4℃~5℃。

操作人员在此区域内活动。

精密控制区域用双层玻璃与一般控制区隔开。

使用石英电热管加热，最高功率达3kW。

采用自适应预测模糊PID 控制，此区域内最终的温度控制精度在0.1℃以内。

在精密控制区域内，加热后的气体以层流方式吹出。

实际上，层流只能依靠流体分子的迁移运动即热传导方式在冷热气体间纵向传递热量，而气体紊流时，流体分子的运动是杂乱无章的，相邻流层之间不断搅动混合，形成漩涡流动，这样在横向上也有对流，因此紊流交换热量的效果比层流要好但是为了保持环境的高洁净度，采用层流还是适宜的。

超精密控制区域由另外一层玻璃罩在精密控制区域内进行局部恒温控制。

温度控制系统模型根据传热原理，具有蓄热能力的双层玻璃隔间通入加热气流，单位时间的热流量q 与温升关系为s q q dt d c -=0θ (1)式中，c 为受控区间的热容量J /℃；θ0为受控区间内的温度，℃；s q 为单位时间受控区间向外散发的热量，J/s 。

s q 与θ0成正比，与热阻R 成反比，即R q s 0θ= （2）设加热器输入功率为P ，则可以得到（3）式中τ为温度控制系统的滞后时间，测量的结果为3min对式（3）做LAPLACE 变换，就可以得到系统的传递函数（4）玻璃隔间内的热量散失主要是通过玻璃进行热传导散发到外层的一般控制区域中去的。

由于玻璃的面积较大，实验中发现使用单层玻璃时热量损失很大，即热阻较小，改成双层玻璃后，热阻可以大大增加。

这2种情况的热阻分别为（5）（6）式中，A 为玻璃总面积；α1 α2分别为内层的热空气和外层的冷空气与玻璃壁面间的对流换热系数，强迫对流时换热系数可达10w/（m 3²℃）~100w/（m 3²℃）；δ为玻璃的厚度，δ1为中间的空气夹层的厚度；λ1 λ2分别为玻璃和空气的热导率。

石英晶体温度传感器为满足超精密环境温度控制精度优于0.1℃的要求，也为了日后精确控制机床润滑油、冷却油的温度，本设计实现了高精度多路温度测量仪测量室温，分辨率接近10-3℃，最多12路同时工作石英晶体温度传感器输出的是数字量，方便了测量仪器的设计，而且抗干扰能力大为提高；就最重要的指标（绝对和相对误差、热惰性、尺寸）而言，它与使用其它物理原理制成的实验室温度计或标准温度计不相上下，而明显超过工业部门采用的工程温度计；在反应速度上，亚于热敏电阻或热电偶，和多种铂温度计及铜温度计大致相等；其灵敏度大大高于绝大多数现有的温度计，其中也包括铂电阻温度计；它在强电、磁场及强辐射的环境中有很高的频率稳定性。

有鉴于此，线性石英晶体温度传感器应用在热过程流动速度不太高、间隔时间较长且需高精度温度测量的超精密环境是很合适的。

通常把压电谐振器的谐振频率f与温度T的关系认为是它的热敏感性。

习惯上用热灵敏度系数表示，定义为（7）在对各种不同工作频率的谐振器进行热敏感性比较时，采用相对热灵敏度系数F T（习惯上称为频率温度系数），定义为（8）式中，f0为温度为T0时谐振器的频率。

实验表明，任何一种石英谐振器的温度-频率特性是一条二次或三次抛物线，或者是一条直线。

在-200℃~+200℃内，频率-温度特性可表示成三项多项式（对于实际应用已具有足够的精度）：（9）因为压电石英晶体的各向异性，所以温度系数F T（1）F T（2）F T（3）与压电元件的取向和采用的振型有关。

我们既可以设计高热稳定的石英谐振器，也可以得到具有高热敏感性的温度传感器。

根据式（9）要得到线性频率温度特性，必须使（10）理论计算表明，石英晶体切割取向与晶轴夹角φ=8°44′，θ=13°时，可满足式（10），这种切型文献上称之为LC（Linear Coefficient）型。

由式（8）可知，要获得高灵敏度温度传感器，应使石英晶体谐振器工作在较高频率上（基频或泛频），本系统中为16.8MHz（三次泛频），晶体的平均频率温度系数F r1（T）>60³10-6/℃，所以其测温灵敏度优于1000Hz/℃。

通过计数电路，如果每隔1s采样一次，分辨率为10-3K，本系统中设计的测量仪采样时间为1.8s，理论分辨率为0.55³10-3℃.设计的温度传感器电路所需功耗总共只有20³10-6W，谐振器的过热△t n不超过3³10-3℃。

最终标定结果表明其分辨率接近10-3℃。

温度控制器温度控制系统是慢变化、有时滞和随机干扰的动态系统，很难整定PID参数，所以采用常规的数字PID进行控制往往不能得到满意的控制效果。

有些学者把模糊控制和神经网络技术引入自适应PID控制中，对一些机理比较复杂的过程产生了比较好的控制效果。

这些控制算法虽然鲁棒性能较好，但没有考虑时滞变化对系统的影响，而温度控制系统就是一个时变时滞系统，而且时滞变化有可能导致系统不稳定。

本文中利用模型加权函数的误差函数确定时滞，然后与预测控制的超前预测功能结合，起到克服时变时滞的作用，并采用模糊控制方法得出一种自适应预测模糊PID温度控制算法，该方法适合于控制有扰动、参数时变，尤其是时滞时变的大时滞控制系统，如环境温度控制系统。

自适应预测模糊PID温度控制系统结构见图2。

控制系统分为两部分，一部分是最优预测的设计，首先利用RLS算法及广义参数模型辨识被控过程的参数和时滞，利用k-1拍的被控过程输出y（k-1）和输入u（k-1）得出第k+d拍的最优预测值y³（k+d），再利用y³（k+d）与期望的设定温度值y r形成的反馈偏差作为模糊PID控制器的输入，可以消除时变时滞对系统控制品质的影响；另一部分是模糊PID控制系统，利用模糊决策表提高控制器的鲁棒性。

假设时变时滞被控系统的动态特性可以用下面的差分方程式表达：（11）式中d max为预先可知的过程时滞时间的上限；u（k）、y（k）分别为过程的控制和输出序列；e（k）为环境干扰，为随机变量；d为输出对输入的响应的时滞时间；n为过程的阶次。

用递推的最小二乘方法对修正的广义模型进行参数估计，辨识出B*（Z-1）的系数后，就可计算误差函数（12）当F（d）为最小时，对应的d就是时滞时间。

由Diophantine方程可得表示根据k-1时刻输入值及输出值对k+d时刻输出y(k+d)的预测值,可以以y*（k+d）│（k-1）找到一个使预测方差最小的最优d步预测y*。

（k+d）│（k-1）控制器按照PID控制器设计,有:P(z-1)=p0+p1z-1+p2z-2 (14)由式(11)、式(13)和式(14)可得最优预测PID控制系统的输出为从式（15）可以看出，最优预测PID控制系统的闭环特征方程中已经没有时滞项，从而消除了时滞对控制品质的影响。

把式（15）与常规的数字PID控制增量式算式相比较，就可以很容易得出PID的3个参数K1、K2、K3。

使用模糊决策表对K1、K2、K3进行优化以提高系统的鲁棒性能。

图3是使用自适应预测模糊PID温度控制系统进行超精密环境温度控制的结果，可见在1000s后，环境温度变化就一直控制在±0.05℃内。

二、振动控制微振动是影响超精密加工的又一个重要问题。

目前，对超精密加工构成影响的微振动的频率和振幅，都还没有具体的数值。

根据实践观测，影响超精密加工的微振动大部分为振动加速度度2³1 0m／s以下，振幅在5μm以下、频率在0.5-70Hz的微振动。

这种水平的微振动与建筑结构上必须考虑的地层振动振幅比值在1／1-1／1 0 0范围内，属于“常时微振”的暗振动范围。

目前应用较多的隔离绝大部分常时振动的方法是利用良好的隔振地基和空气隔振垫，但是这种方法对频率较低的振动并不奏效。

对于频率较低的振动则可采用隔振动气垫隔振，这种方法具有灵活性且能达到隔离高于2 Hz低频率振动的效果。

另外，还应考虑设备运动件的动平衡或振动隔离，消除或减小内部振源，尽量远离外部振源。

在采取措施之前应准确的找出振源，一般的振动源包括：自然界振动，它的振动频率低，振幅为0.1-5μm 交通振动一般为“常时微动”的l一1 0倍, 频率为15Hz左右;步行振动,人在人在走步时,加力周期为0.5s,相对(10—2O) Hz的频率来说,地板本身变成脉冲加振，并持续进行固有衰减振动，通常振幅为3-5;机床设置的振动等。