精密加工及精密加工机床

3.5误差检测与补偿 一、加工精度的检测
1、离线检测：检测加工后的结果，不一定反映加工时的实际情况，不能 连续检测加工过程的变化。但检测条件好，不受加工条件的限制。 2、在位检测：可以免除离线检测时由于定位基准所带来的误差。 3、在线监测：工件加工过程中同时检测。能 够解决离线检测和在位检测时的不足，但会 受到加工过程中一些条件的限制，对传感器 的性能有很高的要求，是多方面的系统。
气浮导轨 1-床身 2-运动件
平面型空气静压导轨（日立精工） 1-静压空气2-移动工作台3-底座
Company Logo
3.3精密数控系统
对于超精密机床，刀具相对于工件需做纵向（z向）和横向（x向） 运动，如为了加工出形状精度很高的非球面，要求精密数控系统有很 高的分辨力，达到数控系统每脉冲在z向或x向的移动量为0.01μm。 现在国外的几个著名的生产数控系统的公司都有分辨力很高的精密数
哈工大HCM-І超精密 车床
Company Logo
三、超精密机床的关键部件
超精密加工对机床的基本要求：⑴ 高精度⑵ 高刚度⑶ 高稳定性⑷ 高自动化。所以对机床各重要部件性能有严格的要求。
超精密机床 关键部件
精密主 轴部件
床身布局和 导轨部件
精密数 控系统
微位移系统
误差检测 与补偿
Company Logo
4.4 防振
由于工艺系统内部或外部的振动干扰,会破坏切削刀具与工件间 的相对位移和相对运动,使工件的精度和表面质量下降甚致不能进行。 因此必须消除或减弱 。
1 消除或减弱工艺系统内部振动干扰；
２ 传动带应选择带薄 、厚度均匀 、柔软的平带 ； ３ 液压系统的油箱 、马达、 油泵等， 应安装在机床外， 油液用软 管输送；
动带驱动很方便，可 以减少电机振动对主 轴的影响。
滑板在横梁上做x向运动，刀架在 滑板上做z向运动，工件较大并且 重量较重时采用立式布局
提高导轨的制造精 度和运动精度。
刀座导轨的转角θ和半径R可 以加工非球曲面。
Company Logo
3.2.2 导轨 超精密机床常用导轨：V-V型滑动导轨、滚动导轨、液体 静压导轨、气体静压导轨。
4
5 6 7 8
天田
大隈 森精机 捷泰克特 MAG
日本
日本 日本 日本 美国
2008.03
2008.03 2008.03 2008.03 2007.12
1918.6
1877.4 1775.8 1524.6 1430
2302.5
1877.4 1775.8 10163.7 1430
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
3.1超精密机床的主轴部件
主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。超精密加工对主轴的 要求是极高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于所用的精密轴 承。 1、液体静压轴承主轴： 优点－有较高的刚度和回转精度，转动平稳，无振动； 缺点－①液体静压轴承的油温升高，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，因此将降低液 体静压轴承的刚度和动特性。
Company Logo
2011.11
4.3 净化
精密超精密加工应在高洁净室内进行。灰尘的混入会使镜面划伤 和使工件精度受到损害。为此要进行空气的净化处理。净化可分为整 体净化和局部净化两种。根据加工性质,与加工零件要求的不同，通常 要求洁净度为100～10000级（即每立方英尺体积中直径大于0.5微米的 灰尘粒不得超过100～10000个）的净化室。
二、典型超精密机床简介
超精密加工技术起步最早的国家是美国,是迄今为止处于世界领先地位 的国家,其次是欧洲的一些国家及日本。美国至少有30多个研究单位和厂家 研制和生产各种超精密加工机床,摩尔公司、联合碳化物公司、国家劳伦
斯· 利佛摩尔实验室、杜邦公司等在国际上均久负盛名。至今为止，世界上
加工精度最高的3台大型超精密机床分别是美国LLNL国家实验室生产的DTM3型卧式大型光学金刚石车床、LODTM型立式大型光学金刚石车床和英国
（1）液体静压导轨 导轨的运动速度不高，液体静压导轨的温度升高不严重，导轨刚度 高，承载能力大直线运动精度高而且平稳，无爬行现象。
（2）气浮导轨和空气静压导轨
气浮导轨和空气静压导轨在精心制造时可以得到很高的直线运动精 度，运动平稳，无爬行，摩擦系数接近于零，不发热，因此在超精密机床 中得到较广泛的应用。
超精密加工机床
LOGO
Company Logo
目录：
1
超精密机床发展概况 典型超精密机床简介 超精密机床关键部件 超精密机床工作环境 我国高档机床进展和问题
2 3
4
4 5 6
一、超精密机床发展概况
1.1 精密与超精密加工地位 是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm 是先进制造技术基础和关键 例：飞机发动转子叶片加工误差从60μm降至12μm，表面粗糙度由 0.5μm减小到0.2μm发电机压缩效率从89%提高到94%。 是新技术的生长点 精密制造涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展将会带动和促进 这些相关科学技术的发展。
Company Logo
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 大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。
大连机床
沈阳机床 斗山英维高 阿奇夏米尔 舒勒 牧野 哈斯 伊玛铬 维亚（WIA） 因代克斯 百超
中国
中国 韩国 瑞士 德国 日本 美国 德国 韩国 德国 瑞士 德国
2007.12
2007.12 2007.12 2007.12 2007.09 2008.03 2007.12 2007.12 2007.12 2007.12 2007.12 2007.12
ຫໍສະໝຸດ Baidu
控系统的产品，但在国内因受禁运的限制很难买到。
数控系统中伺服电机驱动机床的滑板或工作台的方式： 1 滚珠丝杠副驱动：要求正反转没有回程间隙，要求加一定的预载 过盈。 2 液体静压和空气静压丝杠副驱动：制造复杂，没有广泛使用。 3 滚珠丝杠传动副的联结：通过柔性过渡连接，减小对导轨运动直 线性的影响。 4 摩擦驱动：平稳性和精度更高，优于滚珠丝杠副驱动。
Company Logo
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。
对微量进给装臵的要求:
1)精微进给和粗进给应分开；
压电和电致伸缩微进给装臵
2)运动部分必须是低摩擦和高稳定性；
3)末级传动元件必须具有很高的刚度； 4)微量进给机构内部联接必须是可靠联接； 5)工艺性好，容易制造； 6)微量进给机构具有好的动特性; 7)微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。
Company Logo
1419.4
1331.5 985.2 983.6 964.8 896.2 880 758 716.9 675.8 662 622.3
1448.4
1331.5 3479.7 3751.6 964.8 1165.4 880 758 3566.9 375.8 1257.2 2194.6
Company Logo 20 斯莱福临
精密测量转台
Company 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
1
2
3
4
5
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
Company Logo
四、超精密机床的工作环境
前部用球形后部用圆柱径向空气轴承主轴 双半球空气轴承主轴
Company Logo
3.2床身布局和导轨部件
3.2.1 超精密机床的总体布局对其性能的好坏起决定性影响 总体布局形势有： 1) 十字形滑板工作台布局 Z向和x向运动的导轨 2）T型布局 都集中在工作台或溜 Z向和x向运动的导 3）R-θ布局 板上，这种布局主轴 轨都做在机床的床 箱位臵不动，因此传 4）立式结构布局 身上，这样有利于 刀架溜板装在工作台上，改变
１－径向轴承 ２－止推轴承 ３－真空吸盘
Company Logo
2 、 空气静压轴承
这种结构，前后轴承均 采用半球状既是径向轴承又 空气静压轴承主轴优缺点 是止推轴承。空气的气浮面 优点：一有很高的回转精度，在高速转动时温升甚小，因此造成的热 这种结构因一端为球形，同 是球面有自动调心的作用， 变形误差很小，空气轴承的应用促进了超精密机床的发展； 时起到径向和轴向止推轴承的作 因此可以提高前后轴承的同 缺点：刚度低，承载能力比液体静压轴承低。 用，并有自动调心的作用，可以 心度，从而提高主轴回转精 提高前轴承和后轴承的同心度， 度。 提高主轴回转精度。
Company Logo
４ 传动箱中的齿轮 ，除了提高制造精度与装配质量 外 ，在许可的条件下 ，也可以用其它减振材料 （如 胶木、 塑料等） 制作 。 5 选择抗振性好的材料制造机床， 如花岗石等。 超精密加工有时还需要一些特殊工作环境，如防磁、防 静电、防电子辐射,防原子辐射等，则可根据需求进行整体环 境或局部环境的处理。 总而言之,为了在精密及超精密加工中获得满意的加工结 果,必须创造一个能够满足加工精度和表面质量要求的完善的 环境,这方面也是国内比较欠缺的,应多借鉴国外著名半导体 企业的经验,相信可以取得事半功倍的效果。
Cranfield公司研制成功的OAGM-2500型超精密机床。
2.1 LODTM型立式大型光学金刚石车床
Company Logo
LODTM型立式大型光学金刚石车床是全世界精度最高的超精密机床， 该机床分别可以加Ф2100mm、质量4500kg和Ф1625 mm、质量1360kg的 工件。采用了恒温油淋浴系统，使油温控制在(20± 0.005)℃,消除了 加工中的热变形，定位精度28nm，已实现了距离超过1m而直线度误差 只有土25nm的加工，可用于加工平面、球面及非球面激光核聚变工程 的零件、红外线装臵用零件以及大型天体望远镜。
Company Logo
3.4微位移系统
现在用的微量进给装置有多种结构形式，多种工作原理，归纳后有6 种：1机械传动或液压传动式2弹性变形式3热变形式4流体魔变形式5磁 致伸缩式6电致伸缩式： 例：双T形弹性变形微进给装臵
1-T形弹簧 2-T形弹簧
3-驱动螺钉 4-微位移刀夹
Company Logo
要做到超精密加工必须使超精密机床在稳定的特定环境下进行，否则 工艺系统的微量振动将造成微量切削的稳定状态的破坏，温度、湿度的变 化将影响机床的几何精度、测量仪器和精密零件的变形，尘埃也可能划伤 已加工表面，噪声也会产生间接的影响。为此必须设法消除或减小上述各 种因素的影响。 4.1恒温 精密加工和超精密加工时 ，由于室温的变化对加工精度的影响很大， 由热变形而产生的误差占总加工误差的40%～70% 。 LLL实验室对机 床热变形进行了研究，温度变化0.056℃时，热变形为0.19μm。因此必 须严格控制工件的温升和环境温度的变化。 4.2恒湿 在恒温室内，湿度一般保持在55%～60%,以防止设备锈蚀以及消除 对一些仪器的影响如激光干涉仪的零点漂移等。
1.2 07.12-08.6世界机床产值前20名企业新排名
排序 1 2 3 公司名称 通快 山崎马扎克 吉德曼 国别 德国 日本 德国 截止财政年度 2008.06 2008.03 2007.12 机床产值（百万美 元） 2770.6 2640 2141.2 总产值（百万美元） 3153 2604 2141.2