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超精密加工机床关键技术

发布时间:2018-11-16

来源:http://www.stchechuang.com

作者:lx


1 机床系统总体综合设计技术


超精密机床尖端的设计、制造技术已升华到一种艺术境界,非常规方法能及。


常规机床在设计与制造等技术环节上要求相对较低,而超精密机床各环节基本都处于一种技术极限或临界应用状态,哪个环节考虑或处理不周就会导致整体失败。因此,设计上需对机床系统整体和各部分技术具有全面、深刻的了解,并依可行性,从整体最优出发,周详地进行关联综合设计。否则,即便是全部采用最好的部件、子系统,堆砌方法仍会导致失败。如LODTM机床设计必须对误差源进行周详分析,识别其耦合机制并且以传递函数表达,用综合原则对主要误差进行分配和补偿。

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2 高刚性、高稳定机床本体结构设计和制造技术


尤其是LODTM机床,由于机身大、自身重、承载工件重量变化大,任何微小的变形都会影响加工精度。结构设计除从材料、结构形式、工艺方面达到要求外,还须兼顾机床运行时的可操作性。


如为了获得高稳定性能,LODTM床身设计成高整体性,尽量减少装配环节;整体热处理,需解决相应大尺寸的热处理设备、工艺;床体精加工时需严格模拟实际工作状态进行精密修正等。


3 超精密工件主轴技术


中小型机床常采用空气静压主轴方案。空气静压主轴阻尼小,适合高速回转加工应用,但承载能力较小。空气静压主轴回转精度可达0.05μm。


超精密机床主轴承载工件尺寸、重量大,一般宜采用液体静压主轴。液体静压主轴阻尼大、抗振性好、承载力大,但主轴高速时发热多,需采取液体冷却恒温措施。液体静压主轴回转精度可达0.1μm。


工件主轴用于速度控制模式时,主轴角度编码器分辨率要求不高。当用于XZC位置控制模式时,为了保证加工工件的表面质量,编码器分辨率要求非常高,可达0.06″。


为了保证主轴精度和稳定性,无论气压源或液压源都需进行恒温、过滤和压力精密控制处理。


4 超精密导轨技术


早期的超精密机床采用气浮静压导轨技术。气浮静压导轨易于维护,但阻尼小,承载抗振性能差,现已较少采用。闭式液体静压导轨具有高抗振阻尼、高刚度、承载力大的优势。国外主要的超精密加工现在主要采用液体静压导轨。超精密的液体静压导轨的直线度可达到0.1μm。


5 纳米(A°)级分辨率动态超精密坐标测量技术


早期的超精密机床坐标测量系统采用激光干涉测量方式。激光干涉测量是一种高精度的标准几何量测量基准,但是易受环境因素(气压、湿度、温度、气流扰动等)影响。这类因素容易影响刀具控制,从而影响工件的表面加工质量。为此,美国LLNL的LODTM坐标激光测量回路采用了真空隔离和零温度系数的殷钢坐标测量框架技术。这也是激光坐标测量方面的顶尖应用。


现今的超精密机床坐标测量系统大多采用衍射光栅。光栅测量系统稳定性高,分辨率可达纳米级。为了进一步获得较高的位置控制特性和表面加工质量,采用DSP细分,测量系统分辨率可达A°级。


6 纳米级重复定位精度超精密传动、驱动控制技术


为了实现光学级的确定性超精密加工,机床必须具有纳米级重复定位精度的刀具运动控制品质。伺服传动、驱动系统需消除一切非线性因素,特别是具有非线性特性的运动机构摩擦等效应。因此,采用气浮、液浮等方式应用于轴承、导轨、平衡机构成了必然的选择。


伺服运动控制器除了具有高分辨率、高实时性要求外,在控制方程及模式技术上也需不断进步。实验证明:研制系统进行曲面加工控制时,高性能伺服运动控制器执行一阶无差、二阶有差控制,刀具轨迹动态跟踪有滞后现象。这种滞后量虽小,精密加工可不计,但超精密加工中不可忽略。


7 开放式高性能CNC数控系统技术


从加工精度和效能出发,数控系统除了满足超精密机床控制显示分辨率、精度、实时性等要求,还需扩展机测量、对刀、补偿等许多辅助功能。因为通用数控系统难以满足要求,所以国外的超精密机床现在基本都采用PC与运动控制器相结合研制开放式CNC数控系统模式。这种模式既可使数控系统实现高的轴控性能,还可获得高的功能可扩充性。


超精加工与一般精度加工不同,加工需辅以测量反复迭代进行。为了减少工件再定位引入的安装误差,或解决大尺寸、复杂型面无有效测量仪器问题,机床在机需配置各种光学、电子测量仪器和补偿处理手段。对此,PC与运动控制器相结合的开放式CNC数控系统可发挥其优势。


8 高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术


(1)机床隔振及水平姿态控制。


振动对超精密加工的影响非常明显。机床隔振需采取特殊的地基处理和机床本体气浮隔振复合措施。气浮隔振系统采用具有位置控制的主动式气垫。LODTM机床支撑在4个气垫上,并形成3点动态可调平支撑。


机床体气浮隔振系统还需具备自动调平功能,以防止机床加工中水平状态变化对加工的影响。对于LODTM隔振要求高的机床,隔振系统的自然频率要求在1Hz以下。


对于机床的液压源、冷却水源的脉动也必须采取措施,如采取脉动滤波装置等。


(2)温度控制。


对LODTM机床来说,机床和工件尺寸大,受温度影响也大。在同样的切削量和线速度下,大工件的加工周期长,温度对加工精度的影响非常大。


因此,LODTM机床温控要求非常高。如LLNL的LODTM机床,机床床体恒温水、液压系统控温为0.0005℃,机房空气控温为0.003℃。


对于小型商品化的机床,温度控制要求不需太高(0.5℃)。这是因为小零件的高速加工时间短,温度影响相对较小且易控。


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