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你知道纳米超精密加工技术吗?

高工
2007-09-10 21:35:14    评分

 

超精密机床的发展概述
  
精密与超精密切削加工技术是先进制造技术的重要领域。当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿、未来技术的基础。中国企业也必将进入该领域的竞争。
  
通常将加工精度在0.1~1μm,加工表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之间的加工方法称为精密加工,而将加工精度高于0.1μm,加工表面粗糙度Ra小于0.01μm(10纳米)的加工方法称为超精密加工。表1为按加工精度划分加工精度密度级别。

超精密制造技术在国际上已经得到广泛应用。与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜、飞机发动机转子叶片等;与集成电路有关的硅片加工;导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射镜等,其表面粗糙度均要求达到纳米级。
  
在我国民用领域,超精密光学元件模具的需求增长迅速,国内各种光电子产品中大量采用的非球面镜片主要依赖进口,2005年用于CD、VCD、DVD的光头量达到2.8亿只。2005年后需求猛增的CMOS摄像头的非球面光学镜片的模具的模芯主要在香港和台湾加工。国内大量生产的各种现代光电子产品、图像处理产品如数码相机、DVD、电脑、头戴式显示器、CMOS摄像镜头、大屏幕投影电视机及军事、天文和医疗等行业对非球面光学元件需求仍在迅速扩大。因此,非球面光学元件的设计,模具加工设备已经成为中国相关企业亟待解决的难题。
  
长期以来,发达国家对非球面技术实行严密封锁。计算机数控单点金刚石车削技术,是由美国国防科研机构于上世纪60年代率先开发、上世纪80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上,采用天然单晶金刚石刀具,在对机床和加工环境进行精确控制条件下,直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件,其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。
  
目前,采用金刚石车削技术可以加工的材料有:有色金属、锗、塑料、红外光学晶体、无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接达到光学表面质量要求。
  
1962年美国Union Carbide公司研制出首台超精密车床。在美国能源部支持下,LLL实验室和Y—12工厂合作,与1983年成功地研制出大型超精密金刚石车床(DTM—3型)。该机床可加工最大直径¢2100mm,多路激光干涉测量系统分辨率为2.5nm。1984年,美国LLL实验室成功地研制出LODTM大型金刚石车床。该机床可加工的最大直径为¢1625mm× 500mm,重量1360kg。采用的双频激光测量系统分辨率为0.7nm,其主轴静态精度为:径向跳动≤25nm,轴向窜动≤51nm。美国LLL实验室这两台机床是目前公认的国际上水平最高的超精密机床。 CUPE(Cranfield Unit for Precision Engineering)研制的Nanocenter超精密车床已批量生产,其主轴精度≤50nm,加工工件的面形精度≤0.1μm。表2为国外具有代表性的英国Tayor公司的系列纳米加工设备。Taylor公司兼并了Pneumo公司以后,批量生产Nanoform 250超精密车床,产品占据了国际超精密加工很大部分应用市场,是技术领先的产品。
  
进入上世纪90年代以后,超精密铣磨和抛光技术在几个发达国家竞相发展,个别实验室可以达到很高的水平,特别是其中包含的纳米制造技术,受到很大的关注。开发超精密铣磨和纳米抛光制造技术较好的公司及机构有:美国M00RE公司、英国的TAYL0R、德国的ZEISS、LOH、SCHNEIDER、日本的NACHI、TOSHIBA、荷兰的PHILIP等。
  
国内有许多单位在从事研究和生产超精密加工设备和仪器,如:北京机床研究所、清华大学、长沙国防科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、航天303所等单位。北京机床研究所生产的超精密机床的主轴精度可达到20-50nm,刚度可达到350N/μm;溜板直线性≤0.1μm/200mm;车铣表面加工件表面粗糙度值最好可以小于1nm;运动系统分辨率为纳米级;哈尔滨工业大学研制的超精密机床型号为HCM,主轴精度≤50nm,径向刚度220N/μm,轴向刚度160N/μm,导轨z向(主轴)直线度≤0.2μm/100 mm,X向(刀架)直线度≤0.2μm/100mm,X、Z向垂直度≤1,加工工件精度形面精度(圆度)≤0.1μm。

超精密加工机床的关键部件
  
超精密加工机床是超精密加工最重要、最基本的加工设备。超精密加工对超精密机床的基本要求如下:

⑴ 高精度。包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度以及分辨率等。
⑵ 高刚度。包括高的静刚度和动刚度。除本身刚度外,还要考虑接触刚度,及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统工程刚度。
⑶ 高稳定性。在规定的工作环境下和使用过程中能长时间保持精度,具有良好的耐磨性、抗振性等。
⑷ 高自动化。为保证加工质量一致性,减少人为因素影响,采用数控系统实现自动化。

超精密机床的主轴部件
  
主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。超精密加工对主轴的要求是极高的回转精度,转动平稳,无振动。目前主要采用液体静压轴承和空气静压轴承,磁悬浮轴承主轴处于研究阶段。

机床总体布局及精密导轨部件

超精密机床主要用于加工反射镜等盘形零件,一般不需要后顶尖,因此在总体布局上比较简单。常见的超精密机床的总体布局有下面几种:

  T形布局;
  十字形布局;
  R-θ布局;
  立式结构布局。
  
超精密机床常采用平面导轨结构的液体静压导轨、空气静压导轨和磁悬浮导轨。空气静压导轨和气浮导轨可以达到很高的直线运动精度,运动平稳,无爬行,且摩擦因数接近于零,不发热。但必须注意导轨面的防尘。

进给伺服系统

超精密机床的进给伺服系统—般采用精密滚珠丝杠副、液体静压和空气静压丝杠副。精密滚珠丝杠因其反向间隙小、传动效率高而得到了广泛的应用。精度更高的静压丝杠和摩擦驱动装置也逐渐用于超精密加工机床。

微量进给装置

超精密机床的高精度微量进给装置有电致伸缩式、弹性变形式、机械传动或液压传动式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式等。其中电致伸缩式和弹性变形式微量进给机构能够满足精密和超精密微量进给装置的要求,且技术成熟。目前高精度微量进给装置的分辨力可达到0.001~0.01μm。 

  
环境条件

超精密加工的环境条件是超净,隔振和恒温。超精密加工机床几乎全部采用花岗岩床身。
超精密机床控制策略

摩擦补偿控制技术
  
超精密机床相对普通机床而言,其伺服进给系统要求具有纳米级控制精度。在实现超精密机床的高精度控制中,机械传动机构的stick/slip摩擦仍是一个棘手的问题,它与机床的定位、跟踪精度有直接的关系,如机床运动的低速“颤振”、精密定位中的极限环和运动换向中较大的跟踪误差等问题。国内外学者在对于摩擦力的克服方面进行了深入的研究,提出的解决方案可分为两类:无摩擦模型补偿和有摩擦模型补偿。
  
对于无摩擦模型补偿,可分为以下几种方式:(1) PD控制补偿,通过增加系统的增益和阻尼,来扩大平稳跟踪的速度范围,使在一定速度以上stick/slip现象消除。(2) 积分控制补偿,当PD控制用来实现稳定跟踪时,位置或速度的积分控制用来减小稳态误差。在积分作用下,系统在低速跟踪中会出现极限环,一般采用具有死区的积分器来消除极限环。(3) 颤振,利用高频颤振信号加入系统中以改变系统的性能,颤振能够平滑低速下的摩擦的不连续性。(4) 自适应脉冲控制补偿,通过一系列小的冲击,达到精确的定位。远离零速率时,采用正常的线性控制器,接近零速率时,自适应脉冲起控制作用,通过改变脉冲宽度来实现定位。(5) 变增益补偿,在大角度误差范围采用较小的开环增益,而在小角度误差范围采用大开环增益,以提高系统对stick/slip摩擦抑制能力。
  
而基于摩擦模型的补偿方法可归纳如下:(1) 前馈补偿。通过设置摩擦扰动观测器,根据模型不变性原理,引入前馈控制对扰动力矩进行实时补偿。(2) 自适应控制。基于摩擦力矩模型,对模型参数采用不同辨识方法,产生了最小二乘和模型参考自适应等不同的自适应控制方案。(3) 变结构控制。将摩擦视为系统的参数摄动及外干扰作用,采用变结构滑模理论或鲁棒镇定设计方法,克服摩擦力矩。(4) 神经网络方法。神经网络具有较强的处理非线性环节的能力,可利用神经网络方法建立低速摩擦模型,并根据该模型设计补偿环节。(5) 混合方法。综合不同方法的优点可以组合出新的方法。例如Jong Hyeon[1]为解决运动过程中具有时变参数的摩擦模型问题,提出了将时间延迟控制器(TDC)和滑模控制器(SMC)相结合而形成时间延迟滑模控制器(TDSMC),这种新型控制器既具有SMC的较强的参数变化鲁棒性,同时还具有TDC的处理系统中的未知动态特性和干扰的非凡能力。

利用加工路径未来信息的前馈控制技术
  
在进行超精密跟踪控制时,可用前馈控制来提高系统的复现精度。采用极-零点对消设计前馈控制器的方法,在系统存在着非最小相位零点或轻阻尼零点时,会引起控制器的不稳定或系统的振荡。为解决该问题,Tomizuka[2]提出零相位误差跟踪前馈控制算法ZPETC。前馈控制器对消掉闭环系统的极点和所有可对消掉的闭环零点。对于无法对消的零点,前馈控制器通过引入超前输入信号消除掉由它们引起的相位滞后,从而达到零相位跟踪的目的。这意味着前馈控制器的实现需要利用加工路径的未来信息,对于超精密机床由于其加工路径事先已知,未来路径信息可以得到,采用该方法可得到极小的跟踪误差和平滑的跟踪速度。但ZPETC方法对系统建模误差和参数变化比较敏感,为解决该问题,Tsao、Tomizuka[3]提出了自适应零相位跟踪算法AZPETC。它在ZPETC的基础上,采用最小二乘算法在线辨识闭环系统的参数,对前馈控制器的参数进行实时调整。在控制对象参数发生变化的情况下,使非最小相位系统以极小的跟踪误差跟踪时变信号。Weck[4]为弥补ZPETC对拐角跟踪误差较大的缺陷,提出了逆补偿滤波控制策略。通过前置低通滤波器滤除跟踪输入信号中的高频成分,然后通过类似于ZPETC的算法来动态补偿掉跟踪误差。这种控制策略的一个突出的优点就是在设计伺服控制系统时将不同曲线段之间的加速度和速度变化引起的跟踪误差均考虑在内,但前置滤波器的使用会影响伺服系统的带宽。Manabu Yamada[5]提出了通用最优零相位误差跟踪控制器设计方法,该方法通过求解Diophantine方程可以得到一类满足要求的控制器,并可得到解析解,通过最小方差可解出最优解,该方法还可以任意选择使幅频特性为1的频带,这样即可以保证在所要求频带内系统的复现精度,又满足实际系统中执行机构输出能量的限制。

超精密机床多轴联动轮廓控制技术
  
机床的轮廓误差指刀具的实际位置距指定轨迹在法线方向的偏差,该误差直接决定所加工工件的面型精度。机床要实现极高的轮廓加工精度一种方法是提高单轴的跟踪精度,减小每个轴动态滞后误差,此方法属于机床进给系统伺服控制问题。然而,机床各轴的位置误差不代表其轮廓误差,如图1所示,图1中,P点为轮廓上的给定点,P1、P2分别为刀具的实际位置,尽管P1点的刀具位置误差比P2点小,但其轮廓误差却较后者大。因此,在机床控制系统设计时,在考虑单轴位置跟踪精度的同时,也要考虑各运动轴之间的同步控制,即轮廓控制问题。Koren于1980年提出一种交叉耦合控制器[6],该控制器的目标用来减小轮廓误差,而不是减小单轴的误差。以后又有学者提出变增益交叉耦合控制器、自适应交叉耦合控制器等。从理论上说,轮廓控制技术即使在单轴误差较大的情况下,也可实现零轮廓误差。Chih-Ching Lo和Ching-Yei Chung在1999年提出一种解耦轮廓控制策略[7],它是以轮廓在其切线和法线方向上精密运动控制为目标,通过坐标变换和矩阵解耦设计而实现的,该方法使用的前提条件是联动坐标系统的每个轴之间动态特性相差不大。Hsin-Chiang Ho 和Jia-Yush Yen提出一种动态解耦轮廓控制器[8],通过对轨迹的角度进行实时矩阵变换完成解耦控制。该方法解决了轴动态特性匹配的限制,但动态解耦控制算法,实时计算量大,实现困难。

图1 轮廓误差

结语
  
超精密加工已经成为制造业中技术竞争的关键领域,当前我国超精密加工技术发展相对发达国家仍属落后,国际上先进的超精密加工的设备和技术至今仍对我国禁运, 因此,研究和发展超精密加工技术及设备是当前我国需要迫切发展的重要课题之一。我们需要依靠自己的力量,通过技术的不断创新,发展方式的创新,使我国的超精密技术短期内取得较大的发展和突破。




关键词: 知道     纳米     精密     加工     技术     机床     精度     方法         

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