超精密加工設(shè)備的發(fā)展歷史

縱觀國(guó)內(nèi)外 40 多年超精密機(jī)床 發(fā)展史，可以總結(jié)出兩大特點(diǎn)：一是 大學(xué)和研究所保持著對(duì)超精密機(jī)床 研究的持續(xù)熱情，對(duì)高技術(shù)進(jìn)行超前 研究，對(duì)超精密機(jī)床產(chǎn)業(yè)化和商品化 起著推動(dòng)的作用；二是超精密機(jī)床 的模塊化、系統(tǒng)化是其進(jìn)入市場(chǎng)的重 要技術(shù)手段。

美國(guó)是開(kāi)展超精密加工技術(shù)研 究早的******，也是迄今處于世界領(lǐng) 先地位的******。早在 20 世紀(jì) 50 年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需 要，美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超 精密切削技術(shù)，稱為SPDT（Single Point Diamond Turning）技術(shù)， 并 發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精 密機(jī)床，用于加工激光核聚變反射 鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面非球 面大型零件等。

美國(guó)Union Carbide公司于 1972 年研制成功了 R θ 方式的非 球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有 位置反饋功能的雙坐標(biāo)數(shù)控車床， 可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角 θ 和 半徑 R ，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。 Moore公司于1980 年首先開(kāi)發(fā)出了 用3個(gè)坐標(biāo)控制的M-18AG 非 球 面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑為 356mm 的各種非球面金屬反射鏡。 英國(guó)Cranfield大學(xué)精密工程研究 所(CUPE)研制的大型超精密金剛 石鏡面切削機(jī)床，可以加工大型 X 射線天體望遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡 (大直徑可達(dá)1400mm，大長(zhǎng)度為 600mm 的圓錐鏡 )。

20 世 紀(jì) 80 年 代，美國(guó)Union Carbide 公司、Moore公司和美國(guó) 空軍兵器研究所制定了一個(gè)以形狀 精 度 為 0.1μm、直 徑 為 800mm 的 大型球面光學(xué)零件超精密加工為 目標(biāo)的超精密機(jī)床研究計(jì)劃—— POMA(Point One Micrometer Accuracy) 計(jì)劃，這是一個(gè)里程碑式 的研究計(jì)劃。

20 世紀(jì) 80 年代中后期，美國(guó)通 過(guò)能源部激光核聚變項(xiàng)目和陸、 海、空三軍******制造技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì) 劃，對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開(kāi) 發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人 力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的超精密加工。 如美國(guó)勞倫斯 · 利弗莫爾******實(shí)驗(yàn) 室1984年研制出一臺(tái)大型光學(xué)金 剛石車床 (Large Optics Diamond Turning Machine，LODTM)，至今 仍代表了超精密加工設(shè)備的高水 平，該機(jī)床可加工直徑為 2.1m，重為 4.5t 的工件。采用高壓液體靜壓導(dǎo)軌，在 1.07m×1.12m 范圍內(nèi)直線度 誤差小于 0.025μm( 在每個(gè)溜板上 裝有標(biāo)準(zhǔn)平尺，通過(guò)測(cè)量和修正來(lái)達(dá) 到 )，位移誤差不超過(guò) 0.013μm( 用 氦屏蔽的激光干涉儀來(lái)測(cè)量和反饋 控制達(dá)到 )，主軸溜板運(yùn)動(dòng)偏擺小于 0.057″(通過(guò)兩路激光干涉儀測(cè)量， 壓電陶瓷修正來(lái)實(shí)現(xiàn) )。激光測(cè)量系 統(tǒng)有單獨(dú)的花崗巖支架系統(tǒng)，不與機(jī) 床聯(lián)結(jié)。油噴淋冷卻系統(tǒng)可將油溫 控制在（20±0.0025）℃。采用摩擦 驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)0.005μm。 終可實(shí)現(xiàn)加工大型光學(xué)零件直徑達(dá) 1.4m，面形精度為0.025μm，表面 粗糙度 R a ≤ 5nm。

由于有了模塊化和構(gòu)件化的技 術(shù)，研制新的超精密制造設(shè)備的費(fèi) 用和周期大大下降，技術(shù)難度也同 時(shí)下降。進(jìn)入 80 年代后，隨著民用 光學(xué)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，超精密加工 技術(shù)在民用行業(yè)得到了應(yīng)用。英國(guó) Rank Pneumo公司于1980 年 向 市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩 軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床MSG-325，我國(guó)中 科院長(zhǎng)春光機(jī)所引進(jìn)的我國(guó)******臺(tái) 超精密加工設(shè)備即為該型號(hào)。隨后 又 推 出 了 ASG2500、ASG2500T、 Nanoform300 等機(jī)床。

經(jīng)過(guò)多次的合并與收購(gòu)，目前國(guó) 際上主要生產(chǎn)金剛石超精密加工設(shè) 備的廠商主要有：美國(guó) Moore公司、 AMETEK集團(tuán)旗下的 Precitech公 司、Taylor Hobson 公司，這幾家公 司占據(jù)了絕大部分的市場(chǎng)份額。日 本開(kāi)發(fā)的超精密加工機(jī)床主要用 于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射 鏡，目前日本制造的加工機(jī)床有：東 芝機(jī)械研制的ULG-l00A(H)、不 二越公司的ASP-L15、豐田工機(jī)的 A H N10、A H N30×25、A H N60-3D 非球面加工機(jī)床等。

當(dāng)今超精密機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨 勢(shì)是：技術(shù)上不斷朝著加工的極限 方向發(fā)展，向更高精度、更高效率方 向發(fā)展，向大型化、微型化方向發(fā)展；功能上向加工檢測(cè)補(bǔ)償一體化方向 發(fā)展；結(jié)構(gòu)上向多功能模塊化方向 發(fā)展；功能部件上向新原理、新方 法、新材料應(yīng)用方面發(fā)展，總體來(lái)講 是向極限制造技術(shù)方面發(fā)展。

超精密機(jī)床技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展 成為一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，其發(fā)展 綜合利用了基礎(chǔ)理論 ( 包括切削機(jī) 理、懸浮理論等)、關(guān)鍵單元部件技 術(shù)、相關(guān)功能元件技術(shù)、刀具技術(shù)、 計(jì) 量與測(cè)試分析技術(shù)、誤差處理技術(shù)、 切削工藝技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)可重構(gòu) 技術(shù)和環(huán)境技術(shù)等。因此，技術(shù)高度 集成已成為超精密機(jī)床的主要特點(diǎn)。

新理論、新原理、新觀點(diǎn)、 新方法及新技術(shù)在超精密 機(jī)床中的應(yīng)用

近年來(lái)，超精密基礎(chǔ)元部件及機(jī) 床結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用了一些新理論、 新 原理、新觀點(diǎn)、新方法和新技術(shù)。

1 在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面

為了增加超精密機(jī)床的靜剛 度和動(dòng)剛度，一些超精密機(jī)床采用 很特殊的結(jié)構(gòu)，例如三角棱形立式 結(jié)構(gòu)的超精密磨床是為了超大直徑 ( φ 400mm) 硅片研磨加工設(shè)計(jì)的，改 變了傳統(tǒng)的龍門式結(jié)構(gòu)在重的加工 負(fù)載下容易產(chǎn)生俯仰和偏擺變形的缺點(diǎn)。近年來(lái)采用多自由度并聯(lián)機(jī) 床結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增大了機(jī)床的剛度。

2 超精密主軸和導(dǎo)軌

在傳統(tǒng)空氣靜壓和液體靜壓軸 承的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制節(jié)流量反饋方 法來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制從而提高 軸承的剛度。磁懸浮主軸技術(shù)， 永 磁、電磁和氣浮結(jié)合的控制方案也一 直在研究中。多孔材料的氣浮軸承 可以提高氣浮軸承的剛度。液體靜 壓軸承具有剛度高、動(dòng)態(tài)特性好等特 點(diǎn)，但發(fā)熱是其致命的弱點(diǎn)，水靜壓 軸承的研制正是針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行 的。與油靜壓軸承相比，這種軸承的 優(yōu)點(diǎn)是軸承發(fā)熱較小，適合于高速運(yùn) 轉(zhuǎn)，而且沒(méi)有污染，特別適合硅片加 工等行業(yè)。

3 超精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)

精密滾珠絲杠是超精密機(jī)床驅(qū) 動(dòng)采用的常規(guī)方式，但是這種方式存 在許多缺點(diǎn)，限制了運(yùn)動(dòng)精度的進(jìn)一 步提高。為此，氣浮絲杠和液體靜壓 絲杠在一些日本研制的超精密機(jī)床 上得到了應(yīng)用，但是采用這種傳動(dòng)方 式的零件加工工藝極其復(fù)雜，限制了 其應(yīng)用。摩擦驅(qū)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、 無(wú) 反向間隙等特點(diǎn)，在一些輕載、低速 的超精密加工設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備上得 到了應(yīng)用。近年來(lái)，直線電機(jī)在超精密加工設(shè)備的驅(qū)動(dòng)上得到了廣泛的 應(yīng)用，也成為一個(gè)趨勢(shì)。直線電機(jī)采 用無(wú)機(jī)械減速系統(tǒng)的無(wú)摩擦直接驅(qū) 動(dòng)方式，適合高精度、高分辨率、高速 等場(chǎng)合。

4 超精密加工的誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)

用變分法精度、多體動(dòng)力學(xué)等分 析誤差建模理論，可以將刀具幾何參 數(shù)、加工工藝條件及機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差三 大因素對(duì)加工工件的精度影響準(zhǔn)確 的建立數(shù)學(xué)模型。近年來(lái)一些數(shù)學(xué) 工具如微分幾何、李代數(shù)和李群在復(fù) 雜幾何形狀誤差的評(píng)定和分析方面 得到了一些應(yīng)用，并有望在超精密機(jī) 床誤差分析中得到運(yùn)用。在機(jī)床運(yùn) 動(dòng)精度和工件形狀精度處于同一數(shù) 量級(jí)時(shí)，多傳感器誤差分離方法是分 離誤差有效的方法之一。例如， 對(duì) 主軸運(yùn)動(dòng)誤差和工件圓度誤差的分 離，溜板運(yùn)動(dòng)誤差與工件直線度的分離等。圓度三點(diǎn)法技術(shù)己相當(dāng)成熟， 在直線度測(cè)量中，多傳感器安裝誤差 和測(cè)量加密算法已得到很好解決， 因 此，圓度和直線度誤差分離技術(shù)可順 利地推廣到圓柱度、平面度超精密誤 差測(cè)量與補(bǔ)償控制領(lǐng)域。

5 超精密機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)

超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是 高編程分辨率（1nm）和高精度的伺 服控制軟硬環(huán)境。在高編程分辨率條件下滿足高質(zhì)量切削條件，意味著 需要高的控制速度，例如插補(bǔ)周期小 于 1ms( 普通數(shù)控為 10ms 左右 )，伺 服閉環(huán)采樣周期小于 0.1ms。

PC機(jī)的發(fā)展給數(shù)控技術(shù)帶 來(lái) 新 的 變 化，基 于 PC 的 數(shù) 控 系 統(tǒng)已成為超精密數(shù)控系統(tǒng)的趨 勢(shì)。 例 如 美 國(guó) 的NANOPATH 和 P R E C I T E C H’S U L T R A P A T H TM都是基于 DSP的超精密數(shù)控 系統(tǒng)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)的硬件運(yùn)動(dòng)控制模 塊(PMAC)開(kāi)發(fā)及運(yùn)用越來(lái)越廣泛， 使基于PC的數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和 可重構(gòu)性得到提高。新的芯片 ( 如 SERCOS)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展又給數(shù) 控系統(tǒng)提供了一種分布網(wǎng)絡(luò)式的新 結(jié)構(gòu)，使其可靠性和開(kāi)放性更好。

超精密數(shù)控機(jī)床不難實(shí)現(xiàn)高定 位精度，即使在超精密概念下有一些 非線性環(huán)節(jié)，采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?都可以得到很高的定位精度。但是 當(dāng)機(jī)床作非直線運(yùn)動(dòng)時(shí) (多軸聯(lián)動(dòng))對(duì)指定輪廓 曲線的控制精度（跟蹤 精度）還取決于機(jī)床各 維運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。因 此，很難保證高的跟蹤精 度。一些適當(dāng)?shù)目刂萍?術(shù)（如解耦控制技術(shù)）可 以將多維運(yùn)動(dòng)參數(shù)加以 解耦來(lái)提高跟蹤精度。

多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng) 的精度主要從單個(gè)伺服 軸的運(yùn)動(dòng)控制精度和聯(lián) 動(dòng)軸耦合輪廓精度 2 方 面來(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于單個(gè)伺服軸的運(yùn)動(dòng) 控制，當(dāng)要求的運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到納米級(jí) 時(shí)，傳統(tǒng)的超精密機(jī)床傳動(dòng)方式在 低速、微動(dòng)狀態(tài)下表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特 性，常規(guī)的運(yùn)動(dòng)控制策略已經(jīng)很難保 證伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)理想的納米級(jí)隨動(dòng) 精度。

此外，多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的輪廓誤差 由各伺服軸的運(yùn)動(dòng)誤差耦合得到， 耦 合誤差的建模及各軸相應(yīng)的補(bǔ)償控制量的計(jì)算都需要大量的齊次坐標(biāo) 變換運(yùn)算，這為實(shí)際的多軸聯(lián)動(dòng)耦合 控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的不便。 智能控制理論與方法將可能為此問(wèn) 題提供理想的解決方法。此外，要實(shí) 現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)納米級(jí)輪廓控制精度， 還 有一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，即聯(lián)動(dòng)軸的 同步問(wèn)題。同步精度的高低直接影 響到系統(tǒng)的輪廓跟蹤精度。嚴(yán)格意 義上的多軸伺服系統(tǒng)同步涉及到復(fù) 雜的數(shù)控和伺服系統(tǒng)接口規(guī)范的制 定。目前，在可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)加工 的高檔多軸聯(lián)動(dòng)超精密數(shù)控機(jī)床研 制方面，我國(guó)尚未取得突破性進(jìn)展。 至于可實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜曲面，特別是自 由曲面的納米級(jí)超精密加工的五軸 聯(lián)動(dòng)機(jī)床，至今仍是一個(gè)世界上尚未 解決的難題。

我國(guó)超精密加工設(shè)備與國(guó)際 ******水平的差距

超精密加工設(shè)備的研制目前在 國(guó)內(nèi)還處于起步階段，還沒(méi)有形成一 個(gè)產(chǎn)業(yè)，在超精密加工設(shè)備以及超精 密加工工藝技術(shù)等方面，國(guó)內(nèi)各個(gè)單 位各有特點(diǎn)，相互之間進(jìn)行深層次交 流還存在著一定的障礙。

一直以來(lái)西方******對(duì)中國(guó)超精 密加工設(shè)備處于禁運(yùn)狀態(tài)，正是在這 種情況下國(guó)內(nèi)各行業(yè)才開(kāi)始進(jìn)行超 精密加工設(shè)備的研制，例如非球面超 精密加工設(shè)備在 20 世紀(jì) 80 年代甚 至 90 年代初期仍屬于禁運(yùn)產(chǎn)品， 但 隨著國(guó)內(nèi)多家單位（如北京航空精密 機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防 科技大學(xué)、北京機(jī)床所等）相繼研制 成功非球面超精密加工設(shè)備，雖然在 性能指標(biāo)以及可靠性等方面還有很 大差距，而且并沒(méi)有形成商品。但多 家國(guó)外公司紛紛解除了禁運(yùn)，而且價(jià) 格大幅度下降，從當(dāng)初的 1000 多萬(wàn) 人民幣已經(jīng)降到目前的 300 多萬(wàn)， 這 表明超精密加工設(shè)備的研究產(chǎn)生了 巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

北京航空精密機(jī)械研究所研制的Nanosys-300 非球面曲面超精密 復(fù)合加工系統(tǒng)具有 CNC 車削、磨削、 飛切（銑削）等多種加工功能，可對(duì) 球面、非球面和超平面等形狀零件進(jìn) 行納米級(jí)超精密鏡面加工。系統(tǒng)采 用以工控 PC 為平臺(tái)、多軸運(yùn)動(dòng)控制 器為核心的高性能開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)， 主要包括納米級(jí)坐標(biāo)測(cè)量與伺服控 制系統(tǒng)，超精密、高速空氣靜壓主軸 系統(tǒng)，超精密、高剛性、高阻尼閉式液 體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)，超精密、高速、高剛 性空氣靜壓磨頭系統(tǒng)，噴霧、吸屑系 統(tǒng)，氣浮減震調(diào)平系統(tǒng)，在位對(duì)刀和 工件檢測(cè)系統(tǒng)，以及ELID金剛石砂 輪修整、延性磨削系統(tǒng)等單元。目前 正在研制的 Nanosys450 已經(jīng)進(jìn)入 了裝配調(diào)試階段，1m口徑的大型非 球面超精密加工設(shè)備也進(jìn)入了設(shè)計(jì) 階段。

但是與歐美******相比，我國(guó)在超 精密加工設(shè)備的研制和生產(chǎn)等方面 存在著較大的差距。研究力量分散， 沒(méi)有形成產(chǎn)品系列化和產(chǎn)業(yè)化的局 面。單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)盡管很高，但總體 技術(shù)水平落后，不足以滿足我國(guó)超精 密加工行業(yè)的需要，大部分還只是停 留在研究型機(jī)床的狀態(tài)。

我國(guó)在此領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究水平 雖有很大提高，但在性能完備性、可 靠性、與精度保持性上還有較大的差 距。由于超精密機(jī)床設(shè)備技術(shù)含量 高，種類多，批量小，關(guān)鍵部件缺乏國(guó) 內(nèi)配套產(chǎn)品支持等原因，國(guó)內(nèi)超精密 專用加工與檢測(cè)設(shè)備與國(guó)外相比有 更大的差距，阻礙了我國(guó)高新技術(shù)的 發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化發(fā)展的步伐，具體 表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)備的總體性能。對(duì)于一 些復(fù)雜形狀的零件加工，需要兩軸以 上的超精密加工設(shè)備才能完成，例如 Precitech公司和Moore公司已商品 化生產(chǎn)五軸超精密切削加工設(shè)備， 而 國(guó)內(nèi)的金剛石切削設(shè)備目前只做到了兩軸。

（2）綜合精度指標(biāo)及穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)研制的超精密切削加工設(shè)備無(wú) 論是主軸還是導(dǎo)軌的單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo) 與國(guó)外商品相比已經(jīng)接近，但是從設(shè) 備的總體技術(shù)指標(biāo)來(lái)看還有一定的 差距。國(guó)內(nèi)加工機(jī)床的面型精度雖 然也可以達(dá)到亞微米級(jí)，但是對(duì)加工條件要求苛刻，更重要的是不能穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級(jí)的面型精度。

（3）控制系統(tǒng)方面。Moore公 司自行開(kāi)發(fā)的Delta Tau運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)、Precitech 公司自行開(kāi)發(fā)的 UPx? Control System 等，都已經(jīng) 在各自公司生產(chǎn)的設(shè)備上得到了很 好的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研制的超精密加工 設(shè)備中的控制系統(tǒng)有的是自行開(kāi)發(fā) 的，也有的是直接引進(jìn)的通用型數(shù)控 系統(tǒng)，無(wú)論是控制系統(tǒng)的性能還是軟件等方面都存在著較大的差距。

（4）超精密加工設(shè)備的可靠性。 國(guó)外加工設(shè)備的商品化已經(jīng)20多 年，產(chǎn)品的成熟度和可靠性非常高， 都已經(jīng)經(jīng)歷了時(shí)間和市場(chǎng)的考驗(yàn)。 而國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)研究單位只是進(jìn) 行了一輪樣機(jī)的研制，還有很多基礎(chǔ) 技術(shù)不成熟，設(shè)備可靠性差。

（5）外觀造型設(shè)計(jì)及人性化設(shè) 計(jì)。國(guó)產(chǎn)設(shè)備在外觀造型設(shè)計(jì)及人 性化設(shè)計(jì)方面與國(guó)外產(chǎn)品存在較大差距。

（6）機(jī)床附屬功能。國(guó)外超精 密加工設(shè)備上都有一些附屬但同時(shí) 又是必須的附件和功能，可以使操作 者能夠非常輕易地實(shí)現(xiàn)零件的加工， 如刀具測(cè)量與調(diào)整系統(tǒng)、工件誤差在 位測(cè)量系統(tǒng)等。而國(guó)內(nèi)研制的這些超精密加工設(shè)備大多只能依靠操作 者的經(jīng)驗(yàn)和技能實(shí)現(xiàn)基本的加工功 能。

（7）基礎(chǔ)元部件。國(guó)外超精密 基礎(chǔ)元部件都有專業(yè)的生產(chǎn)廠商， 如 Loadpoint 專業(yè)生產(chǎn)超精密主軸、超 精密導(dǎo)軌等，已經(jīng)形成系列化、標(biāo)準(zhǔn) 化。而驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、光柵等元 部件的生產(chǎn)國(guó)內(nèi)還無(wú)法解決，只能依 賴于進(jìn)口，但又受到種種限制。

（8）機(jī)床的集成技術(shù)。從高精 度零件的加工，主軸導(dǎo)軌等部件的裝 配，到整臺(tái)設(shè)備的裝配及系統(tǒng)調(diào)試， 都存在著較大的差距。

超精密加工設(shè)備的展望

1 高精度、高效率

高精度與高效率是超精密加工 永恒的主題。首先通過(guò)提高機(jī)床轉(zhuǎn) 速和刀具進(jìn)給速度來(lái)縮短加工時(shí)間。 以往商用超精密機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為 3000r/min，現(xiàn)已有 15000r/min的 機(jī)床出售。采用直線電機(jī)可大大提高進(jìn)給回程速度，芯片封裝設(shè)備的運(yùn) 動(dòng)加速度可達(dá) 10 g 以上。其次是通 過(guò)提高運(yùn)動(dòng)部件剛度來(lái)提高精度和 效率，如高剛度空氣軸承 ( 多孔質(zhì)取 代小孔節(jié)流 )、液體靜壓軸系 ( 液壓 油和純水軸承) 等，還可采用補(bǔ)償軟 件進(jìn)一步提高加工精度。

總的來(lái)說(shuō)，固著磨粒加工不斷追 求著游離磨粒的加工精度，而游離 磨粒加工不斷追求的是固著磨粒加 工的效率。當(dāng)前超精密加技術(shù)（如 CMP、EEM 等）雖能獲得極高的表 面質(zhì)量和表面完整性，但以犧牲加工 效率為保證。超精密切削、磨削技 術(shù)雖然加工效率高，但無(wú)法獲得如 CMP、EEM 一樣的加工精度。探索 能兼顧效率與精度的加工方法，成為 超精密加工領(lǐng)域研究的目標(biāo)。半固 著磨粒加工方法的出現(xiàn)即體現(xiàn)了這 一趨勢(shì)。另外，電解磁力研磨、磁流 變磨料流加工等復(fù)合加工方法的誕 生也是趨勢(shì)表面。

2 加工及檢測(cè)一體化

美國(guó)勞倫斯 · 利弗莫爾******實(shí) 驗(yàn)室研制的 LODTM為達(dá)到幾十納 米形狀精度，除環(huán)境控制******嚴(yán)格 外，加工設(shè)備同時(shí)也是在線監(jiān)測(cè)設(shè) 備。此外，加工與檢測(cè)一體化還體 現(xiàn)在日本佳能公司的超光滑拋光機(jī) （CSSP）以及英國(guó)克林菲爾德大學(xué) 的精密工程研究所研制的OAGM2500 大型磨床上。目前 Precitech 公司、Moore公司生產(chǎn)的商品化超 精密加工設(shè)備上也配備了在線檢測(cè) 系統(tǒng)。

3 工藝整合化

當(dāng)今企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化， 高生產(chǎn)效率越來(lái)越成為企業(yè)賴以生 存的條件之一。在這樣的背景下， 出 現(xiàn)了以磨代研甚至以磨代拋 的呼聲。另一方面，使用一臺(tái)設(shè)備完 成多種加工 ( 如車削、鉆削、銑削、磨 削、光整等 ) 的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

4 大型零件和微小結(jié)構(gòu)的超精密加工

加工航空、航天、宇航等領(lǐng)域需 要的大型光電子器件 ( 如大型天體 望遠(yuǎn)鏡上的反射鏡 )，需要大型超精 密加工設(shè)備。加工微型電子機(jī)械、 光 電信息等領(lǐng)域需要的微型器件 ( 如 微型傳感器、微型驅(qū)動(dòng)元件等)，需要 微型超精密加工設(shè)備 ( 但這并不是 說(shuō)加工微小型工件一定需要微小型 加工設(shè)備）。

大型零件的精密／超精密加工 較之一般零件更為困難，特別是大型 光學(xué)零件，不僅是因?yàn)檫@類零件對(duì)面 形精度的要求很高（一般達(dá) λ ／幾 十），而且還要求表面及表層無(wú)損傷。 例如，美國(guó)亞利桑那大學(xué)斯迪瓦天 文臺(tái)大鏡實(shí)驗(yàn)室10m口徑的KECK 望遠(yuǎn)鏡，法國(guó)REOSC直徑8.4m 天 文望遠(yuǎn)系統(tǒng)反射鏡。激光核聚變、 激 光武器和空間像機(jī)等需要應(yīng)用大量大型光學(xué)零件。近 20 年來(lái)出現(xiàn)了多 種高精、高效加工方法以及對(duì)應(yīng)裝 備。微小零件是指尺寸在幾十微米 至幾毫米的零件，由于尺寸小，剛度 差，給超精密加工帶來(lái)很大困難。為 減少對(duì)人類資源的消耗和對(duì)環(huán)境的 污染，產(chǎn)品微型化、集成化是一必然 趨勢(shì)。目前不少微電子、光電子產(chǎn)品、 宇航器等軍用產(chǎn)品中的微小零件愈 來(lái)愈多。例如，光纖通訊中所用光學(xué)透鏡，尺寸在 200μm，微驅(qū)動(dòng)器中的 軸系等，這些零件不僅是三維立體結(jié) 構(gòu)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)還要求很高的精度和鏡 面的表面，特別是這些微小零件壁厚 在幾十微米至幾微米，加工后表面機(jī) 械物理性能的改變，常常使整個(gè)零件 或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成嚴(yán)重事故。

5 超精密加工技術(shù)向更高精度的層次發(fā)展

超精密加工技術(shù)正受到毫微米 精度的挑戰(zhàn)，還面臨微機(jī)械加工的要 求，傳統(tǒng)的加工也面臨不適應(yīng)的局 面。因此從戰(zhàn)略上必須重視這些發(fā) 展。例如在微機(jī)械的制造技術(shù)領(lǐng)域， 微機(jī)械與微機(jī)械加工已是當(dāng)前超精 密加工技術(shù)延伸的一個(gè)重要方面。 它與傳統(tǒng)的機(jī)械加工有著很大差異， 并逐漸成為超精密加工技術(shù)領(lǐng)域的 一種嶄新的動(dòng)向，起到了推動(dòng)超精密加工技術(shù)發(fā)展的作用。LIGA技術(shù) 就是這種趨勢(shì)典型的產(chǎn)物，電加工向 微細(xì)加工的發(fā)展也是重要表現(xiàn)。由 STM、AFM 等 組 成 的 SPM 系 統(tǒng) 已 經(jīng)應(yīng)用到機(jī)械加工領(lǐng)域，超精密加工 的表面質(zhì)量通過(guò)這類測(cè)量?jī)x表的計(jì) 量，使加工的技術(shù)水平向更高層次發(fā) 展。這些技術(shù)的發(fā)展不僅推動(dòng)了微 機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，而且也促進(jìn)了傳統(tǒng) 機(jī)械加工的進(jìn)步。

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