【精选资料】国外超精密数控机床概述
国外超精密数控机床概述
20世纪50年代后期，美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究，当时因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，急需反射镜的超精密加工技术和超精密加工机床。人们通过使用当时精度较高的精密机床，采用单点金刚石车刀对铝合金和无氧化铜进行镜面切削，以此为起点，超精密加工作为一种崭新的机械加工工艺得到了迅速发展。1962年，Union Carbide公司首先开发出的利用多孔质石墨空气轴承的超精密半球面车床，成功地实现了超精密镜面车削，尺寸精度达到士0.6 um，表面粗糙度为Ra0.025um，从而迈出了亚微米加工的第一步。但是，金刚石超精密车削比较适合一些较软的金属材料，而在航空航天、天文、军事等应用领域的卫星摄像头方面，最为常用的却是如玻璃、陶瓷等脆性材料的非金属器件。用金刚石刀具对这些材料进行切削加工，则会使己加工表面产生裂纹。而超精密磨削则更有利于脆性材料的加工。
Union Carbide公司的另一代表性产品是其在1972年研制成功的R-0方式的非球面创成加工机床。这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角0和半径R，实现非球面的镜面加工。加工直径达380mm，工件的形状精度为士0.63um，表面粗糙度为Ra0.025 um。
摩尔公司(Mood Special Tool)于1968年研制出带空气主轴的Moori型超精密镜面车床，但为了实现脆性材料的超精密加工，该公司又于1980年在世界上首次开发出三坐标控制的M-18AG型超精密非
球面金刚石刀具车削、金刚石砂轮磨削机床。该机床采用空气主轴，回转精度径向为0.075pm；采用Allen-Braley 7320数控系统；X，Z 轴行程分别为410mm和230mm，其导轨的平直度在全长行程范围内均在0.5um以内，B轴的定位精度在3600范围内是0.38um；采用金刚石砂轮可加工最大直径为356mm的各种非球面的金属反射镜。
Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光干涉仪来完成位置闭环控制的双轴联动MSG型超精密数控车床。该车床可加工直径350mm的非球面金属反射镜，加工表面粗糙度为R．x0.05gma 1988年，该公司又开发成功ASG2500， ASG2500T， Nanoform300型机床。这些机床不仅能够进行超精密切削加工，而且可加工直径达300mm的非球面反射镜。该公司以上述机床为基础，又于1990年开发出Nanoform600，能加工直径为600rnm的非球面反射镜，工件形状精度优于0.1um，表面粗糙度优于RQ0.01um。1996年，该公司又推出了Nanoform250型超精密复合加工机床，不仅可进行金刚石切削、磨削和抛光，而且能够直接磨削出符合光学表面质量和型面精度的硬脆材料光学零件。
目前，美国从事超精密加工制造比较有名的公司、企业至少有30家。其中最具代表性并取得重大成果的有前面提到的Union Carbide公司LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory)实验室。从20世纪60年代开始，LLNL实验室先后开发出DTM-1、DTM-2型超精密机床，并于1983年9月成功地开发出代表当代超精密机床最高水平的DTM-3卧式大型光学金刚石超精密车床。该机床可加工直
径2100mm，重4497kg的工件；其刀架的传动装置采用摩擦驱动，利用激光干涉仪进行位置测量；采用液体静压轴承和液体静压导轨，位置精度可达0.013um；加工黄铜零件，表面粗糙度可达8.0.0076um。1984年9月，LLNL实验室又与美国空军WRIGHT航空研究所等单位合作，研制成功LODTM(Large Optics Diamond Turning Machine)型大型立式超精密数控车床。该车床可加工直径1625nun的工件；采用专门研制的7路双频激光干涉仪进行各种位置信息的测量，再通过数据处理，提供精确的反馈信息给伺服系统，驱动刀架保证刀具相对工件的位置，测量分辨率为0.635nmo为了保证位置伺服控制精度，采用精密数字伺服控制方式，控制部分为内装式CNC装置。为了实现刀具的微量进给，该机床采用压电式微位移机构，可实现纳米级微位移，加工精度可以达0.025um。LODTM是公认的当今世界最高水平的超精密车床之一。
与美国不同，日本的超精密加工技术是从民用工业开始发展起来的。尽管起步比美国晚了20年，但由于从美国那里得到大量先进的超精密加工技术，从而走了一条快捷的发展道路。目前，日本的超精密加工技术己从研究阶段进入实用阶段，并先后开发出一大批超精密加工机床。加工对象主要是以铝合金材料为主的感光硒鼓、磁盘、多面棱镜和以铜合金为主的平面、球面和非球曲面的激光反射镜等。例如，日本精工研制的DPL-400型超精密磁盘车床，以切削速度1056-2237m/min，切深15 um，加工外径356mm，内径168mm，厚度1.9mm的铝合金磁盘时，其表面粗糙度达Ra0.003um，平面度达0.2 um
日本丰田工机研制的AHN60-3D是一台CNC三维截形磨削和车削机床，如图5-37所示。它能在X， Y和Z三轴控制下磨削和车削非轴对称形状的光学零件，可以在2.5轴控制下磨削和车削非轴对称光学零件，加工工件的截形精度为0.35 um，表面粗糙度达RQ0.016 um ，AHN60-3D在X/Y/Z轴的进给速度240mm/min，最小增量1 nm；B轴转速3r/min，最小增量0.0001。。另外，东芝机械研制的ULG-100A（H）超精密复合加工装置，用分别控制两个轴的方法，实现了对非球面透镜模具的切削和磨削，其X轴和Z轴的行程分别为150mm和l00mm，位置反馈元件是分辨率为0.01um的光栅。此外，日本还结合其发明的电解在线修整（SLID）超精密镜面磨削技术，以超精密车床为基础，发展加工回转体非球曲面的ELID超精密数控镜面磨床。此后又发展了三坐标联动的数控ELID精密镜面磨床，可实现精密自由曲面的镜面加工。现在日本生产的超精密数控金刚石车床一般都带有磨头，可用磨头替代金刚石车刀加工回转体非球曲面。
英国Cranfield大学的CUPE (Cranfield Unit for Precision Engineering）精密工程研究所是当今世界上最著名的精密工程研究所之一。该所研制的Nanocenter600型超精密机床是一种三轴超精密CNC非球曲面加工机床。通过机床结构的合理化设计，使用高刚度伺服驱动和液体静压轴承使机床具有较高的闭环刚度。X轴和Z轴的激光干涉仪位置测量系统的分辨率为 1.25nm，最大加工工件直径为600mm，面型精度优于0.1um，表面粗糙度优于0.O1um。另外，通过垂直轴还能加工非轴对称非球曲面。
1991年，CUPE为美国柯达公司研究、设计和生产了OAGM-2500大型超精密机床。该机床被认为是当今世界上最大的超精密大型CNC 光学零件磨床，用于精密磨削和测量大型X射线天体望远镜的大型曲面反射镜。该机床有直径2500mm的高精度回转工作台，最大加工尺寸2500mmx2500mmx61Omm 。加工更大的曲面反射镜时，用三轴联动可以加工非轴对称曲面反射镜块，再组合成大型的曲面反射镜。机床采用高精度数字伺服控制方式，用分辨率为2.5nm的Zygo Axiom双频激光测量系统检测机床位置，构成闭环控制系统。