近年来,世界各发达**都非常重视超精密机床的发展,由于得到**的支持,综合运用多项现代新技术,使超精密机床发展迅速,目前正向纳米级发展。现在通用的中小型超精密机床已逐渐成熟稳定,很多**都已有质量很高的标准超精密机床产品。当前国际上超精密机床的主要发展趋势是:
(1)向更高精度、大型化、高效多功能和自动化的方向发展
1)由于尖端技术的发展,要求加工出更高精度的大型光学元件,因此迫切需要发展更高精度的超精密机床。目前,美国和日本提出向纳米级精度挑战,并加紧研制纳米级超精密加工精度的超精密机床,主要目标为:主轴精度20nm,定位精度50nm,位置检测糟度10nm;环境温度20±0005℃;以及与之相应的纳米级关键基础件:如主轴轴系、主轴单元、导轨副、直线运动单元、位移装置、数控何服系统等。
2)在大型激光武器、激光核聚变用大型激光器、同步加速器用大型光学元件和大型遥测光学器件研究开发中,有许多大型光学元件,其形状精度要求达到纳米级;X射线反射镜的表面粗糙度要求达到零点几纳米。为加工这些大型超精密工件,必须发展大型多功能的超精密机床。现在美国和英国处于领先地位,且仍在继续发展提高。日本过去在此领域进行的工作不多,现在提出要加速发展。美国研制的大型超精密机床已能加工出直径2.4~4m的大型光学器。
3)随着超精密加工在民用工业中的应用,要求发展更高效专用的超精密机床。一般通过提高机床转速和刀具进给速度来缩短切削时间。此外,缩短主轴的起停时间,由于主轴必须在少钟内高速运转,又要在几秒钟内停止,因而机床趋向于采用电动机直接带动主轴运转的方式。日本在此领域内处于领先地位,已生产高效自动化程度很高的专用磁盘车床,加工激光打印机多面棱镜的超精密锐床,加工录像机磁鼓的高效专用车床等。研究和开发高效专用机床是中小型超精密机床发展和竞争的热点。
4)超精密加工从加工性质上来说***适宜采用自动化、无人化加工方式。这样可以***大限度减少外界干扰,保证加工质量。目前研制的超精密车床都已实现数控化,有些可以配自动上料装置,并可以纳到超橢密加工的FMs(柔性制造系统)中去。无人化加工是超精密加工发展的一个重要趋势。
(2)发展模块化超精密机床当今世界上的市场竞争和科技进步,使工业产品的市场寿命周期越来越短。对多变市场的适应性,已成为当今生产技术发展和改造的战略目标。模块化技术方法使这种适应性得以实现和发展。即当加工对象改变时,机床结构应能就地(使用现场)根据需要很容易地进行结合和分离,以组成新的机床。如采用空气轴承组件、气浮导轨组件、进给装置、花岗岩底座和隔振气垫等八种超精密加工元部件作为模块,组成可以加工磁盘、活塞、转子、振动筒、红外抛物面反射镜、多面棱体、高精度轴承、蓝宝石切割、研磨等十种功能的超精密加工机床。美国的 ANORAD公司生产各种转定位工作台、在线运动工作台、空气轴承线性定位工作台等,可以满足不同用户模块方式组成各种一维、二维和多维的超精密运动控制平台。由于有了模块化和结构化技术,研制新的超精密设备的费用和周期都大大下降技术的难度也下降。据分析,制造成本可降至1/3-1/2,制造周期可缩短1/3~12,使机床随市场的变化具有快速性采用模块式结构可使机床具有更大的柔性和更高的利用率,也是降低成本、缩短制造周期的有效方法。因此发展模块化超精密机床是推广应用超精密加工技术的一个有效手段,用户可以根据需要提出要求,以较低的价格获得所需要的机床。
模块化设计方法应探讨如下问题:
1)模块化分类法、编码系统与标准化的研究。
2)标准基本元件的定义与分类。
3)概念设计与模块化分解和联接的原则与方法。
4)设计知识库支持系统和精度分析决策系统。
5)单元模块设计技术等。
(3)采用计算机补偿技术提高加工精度提高加工精度的途径可分为两大类,一类称为避免误差技术,另一类为补偿误差技术。避兔误差技术是靠提高机床本身精度来减小加工误差。补偿误差技术劐是应用监测装置来实现加工精度。但随着机床本身精度的不断提高,单靠提高基准元件的精度来提高超精密加工机床的精度是有限的,而且其成本费用剧增。受经济条件和精度的限制,补偿误差技术得到更为广泛的应用。近年来,国外在机床上广泛采用计算机进行先发性的前愤控制,以实现超糟密加工。这种方法是利用计算机预先测定引起加工精度下降的参数,并通过计算机进行处理,预测出加工误差,并及时进行补偿,从而可以得到高于机床本身结构所能达到的加工糟度。利用计算机进行综合误差补偿是提高加工和测量精度的一种经济有效的方法,对开发纳米级加工精度的机床具有重要意义。这一趋势已日益引起重视。误差补偿技术的发展关键在于开发和应用灵敏、精确和稳定可靠的超精密传感器和分辨率、位移精度及重复精度很高的执行机构。
(4)采用适应控制技术提高生产率随着超精密加工质量稳定和超精密加工零件数量急剧增长的要求,国外超精密加工机床正向高效率方向发展。采用适应控制技术的超精密加工机,可以清除加工中和加工环境中人为因素的影响,这是实现高精度和高效率超精密加工的主要手段。但由于适应控制技术成本偏高,目前主要用于大型和昂贲的超精密加工机床。
(5)加工、测量一体化在超精密加工中,精密测量也是关键。测量仪器的精度一般都要求比被测零件精度高一个数量级。过去加工和测量通常是独立进行的。但随着机被加工技术水平的提高,机床本身的精度也大大提高。在这种条件下,配有适当的仪器或采取一定的措施后(如在刀具的位置上换成相应的传感器),机床也可以作为计量装置。例如以气体静压轴承为基准的超精密车床,其回转精度可以达到0.02m,加工零件的圆度为0.1nm左右,用加工机床的轴系作为基准测量工件是完全可行的。当然,加工状态和检测状态是不同的,加工时必须考虑装夹变形等因素。目前,国外非常重视把加工和测量结合起来,积极发展边加工、边测量和在监控测量条件下进行高精度的加工方法。这种把加工技术、测量技术和控制技术有机地结合成为一体的加工系统是超精密机床的典型发展趋势。这种机床即是加工机,又是测量机,实现加工测量一体化,大大提高了经济效益。
