超精密加工机床关键技术与应用

【编者按】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，哪个环节稍考虑或处理不周，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有着非常全面、深刻的了解。需依可行性，从整体最优出发，极其周详地进行关联综合设计。

传统光学系统因时代技术所限，结构和元件形状都较简单。传统光学元件加工，其加工精度依赖的是工艺方法，低精度加工机床仍可达到高的光学元件加工精度效果。这类机床通常也被称为“非确定性”（Nondeterministic）加工机床。采用传统加工方法的“非确定性”加工机床只适合加工球、平面等简单形状和玻璃类硬脆材料的光学元件。

随着科技的发展，特别是现代光电子技术、计算技术的发展，当今的光学应用系统无论光学元件形面的复杂性、材料的多样性、小和大两方面的几何尺度都有了巨大的发展变化。传统的“非确定性”加工机床和方法已不能适应现代光学系统元件加工需求：或是根本无法加工，或是加工效率极低。现代超精密加工机床应运而生，它特指“确定性”（Deterministic）超精密加工机床。

超精密加工机床关键技术

机床系统总体综合设计技术。常规机床设计与制造，各环节技术上都有很大宽容度。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，哪个环节稍考虑或处理不周，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有着非常全面、深刻的了解。需依可行性，从整体最优出发，极其周详地进行关联综合设计。

高刚性、高稳定机床本体结构设计、制造技术。特别是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，还须兼顾机床运行时的可操作性。

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。

LODTM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，但液体静压主轴高速发热大，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。为了保证主轴精度和稳定性，无论气压源、或液压源都需恒温、过滤和压力精密控制处理。

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。

纳米级分辨率动态超精密坐标测量技术。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。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的措施。这也是激光坐标测量方面的顶尖应用。

当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nm级。为了进一步获得超高的位置控制特性和加工表面质量，采用DSP细分，测量系统分辨率可达纳米级。

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数，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、液浮等无静摩擦效应轴承、导轨、平衡机构成了必然的选择。伺服运动控制器除了高分辨、高实时性要求外，控制算法模式也需不断进步。

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，还需扩展在机测量、对刀、补偿等许多辅助功能。通用数控系统难以满足要求。所以，超精密机床现基本都采用PC+运动控制器研制开放式CNC数控系统模式。

高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术。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，远驶的汽车都有影响。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。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。

温度控制。温度对加工精度的影响非常大。因此，LODTM机床温控要求极其高。

应用展望

超精密加工机床系统与技术总的发展趋势：更高的加工表面质量、面形精度；朝大、小尺度两个方向发展；提高工件复杂形面、不同材料的加工适应性等。

大的尺度发展应用如适应未来空、天基强激光武器轻质、高刚性金属基主反射镜加工的超大型SLODTM机床；地基超大口径深空望远镜（如欧洲的Euro50(Φ50m）、OWL(Φ100m))拼接式离轴非球面镜（数米尺寸）加工的多轴超精密磨削加工等。

近年来，太赫兹（THZ）作为一门新兴技术得到了广泛重视，是未来超精密加工技术与机床极为广大和重要的应用领域。在大的尺度方面，太赫兹应用不亚于前列的大的发展需求，如太赫兹天线镜面加工需求。在小的尺度方面，太赫兹系统中的微型波纹喇叭天线（毫米级复杂形状内腔，微米级加工精度）是未来所需解决的超精密加工难题之一。在加工面形的复杂度方面，由于太赫兹波束控制元件表面电磁特性，其设计元件面形更具复杂性，如非对称赋形自由曲面等。在加工材料方面，太赫兹应用更具多样性。

发展超精密加工机床系统，我国需重点突破解决的关键技术包括：高精度、高分辨率、高稳定、大位移坐标测量系统，先进控制算法（自适应控制、二阶动态无差控制等）的高性能多轴运动控制器，工件在机超精密测量与补偿技术，超高精度环境控制技术等。传统光学系统因时代技术所限，结构和元件形状都较简单。传统光学元件加工，其加工精度依赖的是工艺方法，低精度加工机床仍可达到高的光学元件加工精度效果。这类机床通常也被称为“非确定性”（Nondeterministic）加工机床。采用传统加工方法的“非确定性”加工机床只适合加工球、平面等简单形状和玻璃类硬脆材料的光学元件。

随着科技的发展，特别是现代光电子技术、计算技术的发展，当今的光学应用系统无论光学元件形面的复杂性、材料的多样性、小和大两方面的几何尺度都有了巨大的发展变化。传统的“非确定性”加工机床和方法已不能适应现代光学系统元件加工需求：或是根本无法加工，或是加工效率极低。现代超精密加工机床应运而生，它特指“确定性”（Deterministic）超精密加工机床。

超精密加工机床关键技术

机床系统总体综合设计技术。常规机床设计与制造，各环节技术上都有很大宽容度。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，哪个环节稍考虑或处理不周，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有着非常全面、深刻的了解。需依可行性，从整体最优出发，极其周详地进行关联综合设计。

高刚性、高稳定机床本体结构设计、制造技术。特别是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，还须兼顾机床运行时的可操作性。

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。

LODTM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，但液体静压主轴高速发热大，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。为了保证主轴精度和稳定性，无论气压源、或液压源都需恒温、过滤和压力精密控制处理。

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。

纳米级分辨率动态超精密坐标测量技术。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。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的措施。这也是激光坐标测量方面的顶尖应用。

当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nm级。为了进一步获得超高的位置控制特性和加工表面质量，采用DSP细分，测量系统分辨率可达纳米级。

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数，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、液浮等无静摩擦效应轴承、导轨、平衡机构成了必然的选择。伺服运动控制器除了高分辨、高实时性要求外，控制算法模式也需不断进步。

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，还需扩展在机测量、对刀、补偿等许多辅助功能。通用数控系统难以满足要求。所以，超精密机床现基本都采用PC+运动控制器研制开放式CNC数控系统模式。

高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术。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，远驶的汽车都有影响。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。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。

温度控制。温度对加工精度的影响非常大。因此，LODTM机床温控要求极其高。

应用展望

超精密加工机床系统与技术总的发展趋势：更高的加工表面质量、面形精度；朝大、小尺度两个方向发展；提高工件复杂形面、不同材料的加工适应性等。

大的尺度发展应用如适应未来空、天基强激光武器轻质、高刚性金属基主反射镜加工的超大型SLODTM机床；地基超大口径深空望远镜（如欧洲的Euro50(Φ50m）、OWL(Φ100m))拼接式离轴非球面镜（数米尺寸）加工的多轴超精密磨削加工等。

近年来，太赫兹（THZ）作为一门新兴技术得到了广泛重视，是未来超精密加工技术与机床极为广大和重要的应用领域。在大的尺度方面，太赫兹应用不亚于前列的大的发展需求，如太赫兹天线镜面加工需求。在小的尺度方面，太赫兹系统中的微型波纹喇叭天线（毫米级复杂形状内腔，微米级加工精度）是未来所需解决的超精密加工难题之一。在加工面形的复杂度方面，由于太赫兹波束控制元件表面电磁特性，其设计元件面形更具复杂性，如非对称赋形自由曲面等。在加工材料方面，太赫兹应用更具多样性。

传统光学系统因时代技术所限，结构和元件形状都较简单。传统光学元件加工，其加工精度依赖的是工艺方法，低精度加工机床仍可达到高的光学元件加工精度效果。这类机床通常也被称为“非确定性”（Nondeterministic）加工机床。采用传统加工方法的“非确定性”加工机床只适合加工球、平面等简单形状和玻璃类硬脆材料的光学元件。

随着科技的发展，特别是现代光电子技术、计算技术的发展，当今的光学应用系统无论光学元件形面的复杂性、材料的多样性、小和大两方面的几何尺度都有了巨大的发展变化。传统的“非确定性”加工机床和方法已不能适应现代光学系统元件加工需求：或是根本无法加工，或是加工效率极低。现代超精密加工机床应运而生，它特指“确定性”（Deterministic）超精密加工机床。

超精密加工机床关键技术

机床系统总体综合设计技术。常规机床设计与制造，各环节技术上都有很大宽容度。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，哪个环节稍考虑或处理不周，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有着非常全面、深刻的了解。需依可行性，从整体最优出发，极其周详地进行关联综合设计。

高刚性、高稳定机床本体结构设计、制造技术。特别是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，还须兼顾机床运行时的可操作性。

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。

LODTM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，但液体静压主轴高速发热大，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。为了保证主轴精度和稳定性，无论气压源、或液压源都需恒温、过滤和压力精密控制处理。

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。

纳米级分辨率动态超精密坐标测量技术。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。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的措施。这也是激光坐标测量方面的顶尖应用。

当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nm级。为了进一步获得超高的位置控制特性和加工表面质量，采用DSP细分，测量系统分辨率可达纳米级。

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数，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、液浮等无静摩擦效应轴承、导轨、平衡机构成了必然的选择。伺服运动控制器除了高分辨、高实时性要求外，控制算法模式也需不断进步。

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，还需扩展在机测量、对刀、补偿等许多辅助功能。通用数控系统难以满足要求。所以，超精密机床现基本都采用PC+运动控制器研制开放式CNC数控系统模式。

高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术。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，远驶的汽车都有影响。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。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。

温度控制。温度对加工精度的影响非常大。因此，LODTM机床温控要求极其高。

应用展望

超精密加工机床系统与技术总的发展趋势：更高的加工表面质量、面形精度；朝大、小尺度两个方向发展；提高工件复杂形面、不同材料的加工适应性等。

大的尺度发展应用如适应未来空、天基强激光武器轻质、高刚性金属基主反射镜加工的超大型SLODTM机床；地基超大口径深空望远镜（如欧洲的Euro50(Φ50m）、OWL(Φ100m))拼接式离轴非球面镜（数米尺寸）加工的多轴超精密磨削加工等。

近年来，太赫兹（THZ）作为一门新兴技术得到了广泛重视，是未来超精密加工技术与机床极为广大和重要的应用领域。在大的尺度方面，太赫兹应用不亚于前列的大的发展需求，如太赫兹天线镜面加工需求。在小的尺度方面，太赫兹系统中的微型波纹喇叭天线（毫米级复杂形状内腔，微米级加工精度）是未来所需解决的超精密加工难题之一。在加工面形的复杂度方面，由于太赫兹波束控制元件表面电磁特性，其设计元件面形更具复杂性，如非对称赋形自由曲面等。在加工材料方面，太赫兹应用更具多样性。

发展超精密加工机床系统，我国需重点突破解决的关键技术包括：高精度、高分辨率、高稳定、大位移坐标测量系统，先进控制算法（自适应控制、二阶动态无差控制等）的高性能多轴运动控制器，工件在机超精密测量与补偿技术，超高精度环境控制技术等。

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