超精密机床结构

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1、第1章超精密机床结构设计1.1超精密加工技术与超精密加工机床概述1.1.1超精密加工技术的概念超精密加工技术是上世纪50年代未、60年代初发展起来的一项新技术，由于电子技术、计算机技术、宇航和激光等技术发展的需要，美国就组织有关公司和研究机构进行微米级加工技术的研究，在美国诞生的金刚石刀具镜面车削技术催生了超精密加工技术。1962年美国首先研制出超精密车床(UnionCarbide公司，超精密半球面车床)，在该机床上使用单刃金刚石车刀加工直径101.6mm的铝合金半球面，成功地实现了镜面车削，尺寸精度达±0.6m，表面粗糙度为Ra0.025m，迈

2、出了微米级超精密加工的第一步。目前，超精密加工还没有确切的统一定义。就其加工而言，超精密加工有两种含义，一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的加工；二是指向实现微细尺度界限挑战的加工，即以微电子电路生产为代表的微细加工。一般认为，加工精度高于0.1微米，粗糙度优于百分之几微米的为超精密加工，更严格的说，尺寸精度为IT－1(在100左右时为0.25m,粗糙度为Ra0.025m)或更高的为超精加工。所谓微细加工是指在加工微小尺寸零件或微小尺寸结构时，能达到极微细的位移精度和极高的重复精度的加工。超精密加工技术是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加

3、工手段，不管是军事工业还是民用工业都需要这种先进的加工技术。例如，关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中率的惯导仪表用精密陀螺、激光核聚变用的反射镜、大型天体望远镜的反射镜和多面棱镜、大规模集成电路的硅片、各种光学仪器的反射镜、陀螺仪框架、伺服阀、激光打印机用的多棱镜、复印机的感光鼓；计算机的硒鼓、磁盘；陀螺仪用的空气轴承、导弹零件、精密泵零件、动压马达；高速摄影机和自动检测装备的扫描镜、激光加工机的多曲面反射镜和聚光镜；录象机的磁头和煤气灶的转阀等都需要超精密加工。从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科

4、学技术水平的重要标志[1]之一。超精密机床是超精密加工最重要，最基本的加工设备，是实现超精密加工的物质基础。超精密机床技术是一项综合技术，包括机床的结构、关键基础部件、测控技术和环境技术等。其关键部件是主轴及其驱动系统、导轨及其驱动系统、检测装置、微进给机构等。如果我们把超精密机床划分实验室机床和商品化机床，可以清楚地看到，实验室机床是由大学和研究所研发的原理型机床，它往往由军事需求驱动，为某一特定产品而研制。这类机床尽可能集成最先进的技术和追求精度的极限，因此在一定程度上是为科学实验为目的的探索性和先导性的研究成果。但是，实验室机床并不追求功能

5、的多样性，生产率和经济效益，也不能直接为市场提供规格化、实用化的产品。但是，大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情和对高技术进行的超前研究，对超精密机床产业化和商品化起着推动作用。一些著名研究中心举例如下：(1)美国劳伦斯．利佛莫尔（LLNL）国家实验室研制了一系列的超精密机床。例如LLNL在完成DTM-1和DTM-2型超精密金刚石车床之后，1983年美国LLNL和联合碳化物公司Y-12工厂联合研制DTM-3型84英寸大型超精密机床。该机床可加工直径为2.1m质量4.5吨的工件，第1页采用高压液体静压导轨，在1.07m×1.12m范围内直线

6、度误差小于0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013μm(用氦屏蔽光路的激光干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.001"(通过两路激光干涉仪测量，压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统不与机床联接，油喷淋冷却系统可将油温控制在20±0.0025度。采用摩擦驱动推力可达1360N，运动分辨率达0.005μm。1984年研制成功代表当今最高水平的64’’超精密金刚石车床LODTM，至今为止仍是技术集成度最高，指标最先进机床。(见1.4.1节介绍)。LLNL研制的小型光学

7、金刚石车床(BODTM─BabyOpticsDiamondTuringMachine)如图1.6所示。为加工铁合金和难加工金属等需求，LLNL还研制了非金刚石车削的精密工程研究车床(PERL─PrecisionEngineeringReseachLathe)PERL1和PERL2(图1.7所示)。最近的报道LLNL正在研制下一代超精密光学车磨机床P0GAL(图1.21所示)。(2)美国Rochester大学的光学研究所和光学加工中心(COM)美国罗切斯特大学光学中心(COM)是APOMA(美国精密光学制造者协会)美军方企业界学术会合作的一个研究中

8、心由美国先进防御研究项目(DAPRA)支持开发了POTICAM系列的超精密光学加工机床。OPTICAM超精机床系列设备包括:OPTICA