先进制造技术及其发展趋势.docx

《先进制造技术及其发展趋势.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《先进制造技术及其发展趋势.docx（22页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、先进制造造技术及及其发展展趋势0 .前前言31. 先先进制造造技术的的概述332. 先先进制造造技术的的体系结结构43. 先先进制造造技术的的现状554. 先先进制造造的发展展趋势775. 柔柔性制造造技术1105.1柔柔性1005.2柔柔性制造造技术1115.2.1 柔柔性制造造系统（FMSS）115.2.2 柔柔性制造造单元（FMCC）125.2.3 柔柔性制造造线（FFML）125.2.4 柔柔性制造造工厂（FMFF）126 .计计算机集集成制造造系统1136.1 CIMMS 系系统的功功能组成成136.2 CIMMS 系系统的技技术优势势分析1146.2.1 保保障和提提高了新新产品开

2、开发的质质量1446.2.2 缩缩短了新新产品的的上市周周期1556.2.3 经经营管理理科学化化, 同时时降低了了产品的的成本1157 超精精密加工工技术1157.1 超精密密加工的的技术范范畴1667.2 超精密密加工的的关键技技术1777.2.1主轴轴177.2.2 直直线导轨轨177.2.3 传传动系统统187.2.4 超超精密测测控技术术187.2.5 微微进给技技术1997.2.6 超超精密环环境控制制技术2207.2.7 加加工原理理217.3 结论2118 结语语220 .前前言制造业是是现代国国民经济济和综合合国力的的重要支支柱, 在国民民经济建建设、社社会进步步、科技技发展

3、与与国家安安全中占占有重要要战略地地位, 其生产产总值一一般占一一个国家家国内生生产总值值的200% 555%。世世界各国国经济实实力的竞竞争, 主要是是先进制制造技术术的竞争争, 其竞竞争能力力又体现现在所生生产产品品的市场场占有率率上。随随着经济济的高速速发展以以及顾客客需求和和市场环环境的不不断变化化, 这种种竞争日日趋激烈烈, 因而而各国政政府都非非常重视视对先进进制造技技术( advvanccedmmanuufacctuiing tecchnoologgy, 先进制制造技术术)的研究究。1.先进进制造技技术的概概述先进制造造技术, 往往往用先进进制造技技术来概概括由于于微电子子技术、

4、自动化化技术、信息技技术等给给传统制制造技术术带来的的种种变变化与新新型系统统。具体体地说, 先进进制造技技术是制制造业不不断吸收收信息技技术和现现代管理理技术的的成果, 并将将其综合合应用于于产品设设计、加加工、检检测、管管理、销销售、使使用、服服务乃至至回收的的制造全全过程, 以实实现优质质、高效效、低耗耗、清洁洁、灵活活生产, 提高高对动态态多变的的市场的的适应能能力和竞竞争能力力的制造造技术的的总称。与传统统的制造造技术相相比, 当代的的先进制制造技术术以其高高效率、高品质质和对于于市场变变化的快快速响应应能力为为主要特特征。先先进制造造技术是是生产力力的主要要构成因因素, 是国民民经

5、济的的重要支支柱。它它担负着着为国民民经济各各部门和和科学技技术的各各个学科科提供装装备、工工具和检检测仪器器的重要要任务, 成为为国民经经济和科科学技术术赖以生生存和发发展的/ 土壤壤0。尤其其是一些些尖端科科技, 如航空空、航天天、微电电子、光光电子、激光、分子生生物学和和核能等等技术的的出现和和发展, 如果果没有先先进制造造技术作作为基础础, 是根根本不可可能的。2.先进进制造技技术的体体系结构构先进制造造技术主主要包括括以下33个技术术群(图1):a) 主体技技术群: 这是是制造技技术的核核心, 它包括括两个基基本部分分: 有关关产品设设计技术术和工艺艺技术。1) 面向制制造的设设计技

6、术术群。面面向制造造的设计计技术群群系指用用于生产产准备的的工具群群和技术术群。设设计技术术对新产产品开发发生产费费用、产产品品质质以及新新产品上上市时间间都有很很大影响响。产品品和制造造工艺的的设计可可以采用用一系列列工具, 例如如计算机机辅助设设计( CADD) 以以及工艺艺过程建建模和仿仿真等, 生产产设施、装备和和工具, 甚至至整个制制造企业业都可以以采用先先进技术术进行有有效地设设计。22) 制制造工艺艺技术群群( 制造造技术环环境)。制造造工艺技技术群是是指用于于物质产产品生产产的过程程及设备备。制造造工艺技技术群是是有关加加工和装装配的技技术, 也是制制造技术术的传统统领域。b)

7、 支撑技技术群: 支撑撑技术群群是指支支持设计计和制造造工艺两两方面取取得进步步的基础础性的核核心技术术。基本本的生产产过程需需要一系系列的支支撑技术术, 如: 测试试和检验验、物料料搬运、生产计计划的控控制以及及包装等等。它们们也是用用于保证证和改善善主体技技术的协协调运行行所需的的技术, 是工工具、手手段和系系统集成成的基础础技术。支撑技技术群包包括:11) 信信息技术术: 接口口和通信信、数据据库技术术、集成成框架、软件工工程人工工智能、专家系系统和神神经网络络、决策策支持系系统;22) 标标准和框框架: 数据标标准、产产品定义义标准、工艺标标准、33) 机机床和工工具技术术;4) 传感

8、感器和控控制技术术: 单机机加工单单元和过过程的控控制、执执行机构构、传感感器和传传感器组组合、生生产作业业计划;5) 其他。c) 制造技技术基础础设施: 制造造技术基基础设施施是指为为了管理理好各种种适当的的技术群群的开发发并鼓励励这些技技术在整整个国家家制造行行业内推推广应用用而采取取的各种种方案和和机制。制造技技术的基基础设施施是使先先进的制制造技术术与企业业组织管管理体制制和使用用技术的的人员协协调工作作的系统统工程, 是先进制制造技术术不可分分割的一一个组成成部分。图1 AAM TT 体系系结构3.先进进制造技技术的现现状先进制造造技术是是现代技技术和工工业创新新的集成成和典范范,

9、是国国家制造造业水准准的主要要标志, 是国国家工业业的基础础和支柱柱。目前前, 世界界各工业业发达国国家已充充分认识识到发展展先进制制造技术术的重要要性和紧紧迫感, 纷纷纷对此进进行广泛泛深入的的研究, 展开开了激烈烈的竞争争。各种种创新成成果和先先进技术术不断涌涌现。它它们主要要包括: 计算算机集成成制造系系统( commputter inttegrrateed mmanuufaccturringg syysteem,CCIMSS), 敏捷制制造( agiile mannu ffacttur ingg, AAM), 并行行工程( cooncuurreent enggineeer ingg,

10、CCE ), 虚虚拟制造造( vvirttua lmaanuffacttur22ingg, VVM)以以及可持持续发展展技术等等等。aa) CCIMSS是现代代信息技技术条件件下的新新一代制制造系统统。它以以计算机机来辅助助制造系系统的集集成, 以充分分的、及及时的信信息交流流或信息息共享将将企业的的设计、工艺、生产车车间以及及供销和和管理部部门集成成为一个个有机的的整体, 使他他们相互互协调地地运作,以提高高产品品品质, 缩短产产品开发发周期, 提高高生产效效率, 确保企企业的整整体效益益, 提高高企业的的竞争能能力和生生存能力力。b) CEE是对产产品及其其相关过过程(包括制制造过程程和支

11、持持过程)进行并并行、一一体化设设计的一一种系统统化的工工作模式式。在传传统的串串行开发发过程中中, 设计计中的问问题或不不足, 要分别别在加工工、装配配或售后后服务中中才能被被发现, 然后后再修改改设计,改进加加工、装装配或售售后服务务(包括维维修服务务)。而CEE就是将将设计、工艺和和制造结结合在一一起, 利用计计算机互互联网并并行作业业, 大大大缩短生生产周期期(图2)。图2 串、并行工工程时序序的比较较c) AM 是指企企业实现现敏捷生生产经营营的一种种制造哲哲理和生生产模式式。AMM包括产产品制造造机械系系统的柔柔性、员员工授权权、制造造商和供供应商关关系、总总体品质质管理及及企业重

12、重构。AAM是借借助于计计算机网网络和信信息集成成基础结结构, 构造有有多个企企业参加加的/ VM0环境, 以竞争争合作的的原则, 在虚虚拟制造造环境下下动态选选择合作作伙伴, 组成成面向任任务的虚虚拟公司司, 进行行快速和和最佳生生产。dd) VVM是虚虚拟现实实( vvirttuall reealiity, VRR) 技技术在制制造中的的应用。VM实际际上是一一种计算算机科学学技术, 以信信息技术术、仿真真技术、VR 技术为为支柱, 在产产品设计计或制造造系统的的物理实实现之前前, 就能能使人体体会到或或感觉到到未来产产品的性性能或者者制造系系统的状状态, 从而可可以做出出前瞻性性的决策策

13、与优化化实施方方案。VVM 技技术是对对真实制制造过程程的动态态模拟、仿真, 是在在计算机机上制造造数字化化产品, 在VM环境境中生成成软产品品原型代代替传统统的硬样样品进行行试验, 对其其性能和和可制造造性进行行预测和和评价, 从而而缩短产产品的设设计与制制造周期期, 降低低产品的的开发成成本, 提高系系统快速速响应市市场变化化的能力力。VMM技术是是CE, AMM, 精精益生产产的支撑撑技术, 是品品质工程程实现的的有力保保证。ee) 可可持续设设计是在在生态哲哲学的指指导下, 将设设计行为为纳入/ 社会会2经济2环境2人类0的系统统中, 既实现现社会价价值又保保护人与与自然的的共同繁繁荣

14、, 旨在平平衡环境境、社会会、经济济三方面面的设计计实践和和设计管管理。可可持续设设计包含含并超越越了传统统的产品品设计, 并代代表了人人类对传传统产品品设计的的新思考考, 是产产品设计计学科的的新的发发展方向向。目前前可持续续设计并并不成熟熟, 主要要设计工工具有生生命周期期评价( LCCA); 面向向环境的的设计(DFEE ); 面向向材料选选择的设设计(DDFMSS); 面向拆拆装的设设计(DDFD); 面面向回收收的设计计(DFFR) 等, 可持持续设计计可以说说是人类类文明的的巨大进进步。4.先进进制造的的发展趋趋势先进制造造业追求求的目标标是: 高品质质、高效效率、高高柔性、低成本

15、本、低劳劳动力、低消耗耗、品种种多和规规格全的的产品, 因此此,ATTM的发发展趋势势应体现现在以下下几个方方面:a) 制制造技术术向自动动化与智智能化方方向发展展: 随着着电子技技术、信信息技术术和计算算机技术术的发展展, 推动动了制造造技术向向更深层层次发展展。基于于CADD /CCAM技技术的CCIMSS是制造造业自动动化的一一个重要要方向。CIMMS 通通过CAAX ( CAAD, CAPPP,CCAE, CAAM)系系统和PPDM 系统, 进行产产品的数数字化设设计、仿仿真, 并结合合数字化化制造设设备, 进行自自动加工工。并采采用MRRPIII /EERP系系统, 对整个个企业的的

16、物流、资金流流、管理理信息流流和人力力资源进进行数字字化管理理。智能能制造技技术( IMTT )是是将人工工智能融融入制造造过程的的各个环环节, 通过模模拟人类类专家的的智能活活动, 取代或或延伸制制造系统统中的部部分脑力力劳动, 在制制造过程程中系统统能自动动监测其其运行状状态, 在外界界干扰或或内部激激励下能能自动调调整其参参数, 以达到到最佳状状态和具具备自组组织能力力。例如如机器人人加工就就是将机机床与机机器人、传感器器、控制制器组合合而成的的智能制制造系统统, 它具具有信息息处理和和知觉反反馈、决决策能力力, 可同同时控制制指挥多多种操作作, 从而而能提高高效率、保证品品质和降降低成

17、本本。b) 精精密成形形与加工工: 精密密加工、超精密密加工技技术、微微型机械械是先进进制造技技术发展展的方向向之一。精密和和超精密密加工技技术包括括精密和和超精密密切削加加工、磨磨削加工工、研磨磨加工以以及特种种加工和和复合加加工(如机械械化学研研磨、超超声磨削削和电解解抛光等等) 三大大领域。超精密密加工技技术己向向纳米技技术发展展。纳米米技术已已在纳米米机械学学、纳米米电子学学和纳米米材料技技术得到到了应用用。c) 新新型特种种加工方方法的形形成: 特种加加工亦称称非传统统加工或或现代加加工方法法, 泛指指用电能能、光能能、热能能、电化化学能、化学能能、声能能及特殊殊机械能能等能量量达到

18、去去除或增增加材料料的加工工方法。它包括括激光加加工技术术、电子子束加工工技术、离子束束加工技技术、等等离子加加工技术术、电加加工技术术等。今今后, 特种加加工将从从实际出出发, 在融合合传统技技术和现现代技术术的基础础上大力力开发特特种加工工领域中中的新方方法, 包括微微细加工工和复合合加工。d) 制制造业中中广泛应应用VMM 技术术和柔性性制造技技术: 制造过过程中的的VM 是指面面向产品品生产过过程的模模拟和检检验。VVM的核核心是计计算机仿仿真, 通过仿仿真软件件来模拟拟真实系系统, 以保证证产品设设计和产产品工艺艺的合理理性, 保证产产品制造造的成功功和生产产周期, 发现现设计、生产

19、中中不可避避免的缺缺陷和错错误。所所谓柔性性, 是指指一个制制造系统统适应各各种生产产条件变变化的能能力, 它与系系统方案案、人员员和设备备有关。系统方方案的柔柔性是指指加工不不同零件件的自由由度。人人员柔性性是指操操作人员员能保证证加工任任务, 完成数数量和时时间要求求的适应应能力。设备柔柔性是指指机床能能在短期期内适应应新零件件的加工工能力。e) 网网络化和和全球化化: 随着着网络通通讯技术术的迅速速发展和和普及, 企业业的产品品设计、物料选选择、零零件制造造、市场场开拓与与产品销销售等都都可以异异地或跨跨越国界界进行。此外, 网络络通讯技技术的快快速发展展, 加速速技术信信息的交交流、加

20、加强产品品开发的的合作和和经营管管理的学学习, 推动了了企业向向着既竞竞争又合合作的方方向发展展。因此此制造业业发展的的必然是是由网络络化迅速速向全球球化迈进进。f) 实实施无污污染绿色色制造: 绿色色制造是是通过绿绿色生产产过程、绿色设设计、绿绿色材料料、绿色色设备、绿色工工艺、绿绿色包装装、绿色色管理等等生产出出绿色产产品, 产品使使用完以以后再通通过绿色色处理后后加以回回收利用用。采用用绿色制制造能最最大限度度地减少少制造对对环境的的负面影影响, 同时使使原材料料和能源源的利用用效率达达到最高高。对于于目前世世界资源源紧张, 环境境恶化的的现状以以及人类类的持续续发展的的要求来来讲, 绿

21、色制制造是必必然的趋趋势。5. 柔柔性制造造技术5.1柔柔性柔性可以以表述为为两个方方面。第第一方面面是系统统适应外外部环境境变化的的能力，可用系系统满足足新产品品要求的的程度来来衡量；第二方方面是系系统适应应内部变变化的能能力，可可用在有有干扰(如机器器出现故故障)情况下下，系统统的生产产率与无无干扰情情况下的的生产率率期望值值之比来来衡量。“柔性”是相对对于“刚性”而言的的，传统统的“刚性”自动化化生产线线主要实实现单一一品种的的大批量量生产。其优点点是生产产率很高高，由于于设备是是固定的的，所以以设备利利用率也也很高，单件产产品的成成本低。但价格格相当昂昂贵，且且只能加加工一个个或几个个

22、相类似似的零件件，难以以应付多多品种中中小批量量的生产产。随着着批量生生产时代代正逐渐渐被适应应市场动动态变化化的生产产所替换换，一个个制造自自动化系系统的生生存能力力和竞争争能力在在很大程程度上取取决于它它是否能能在很短短的开发发周期内内，生产产出较低低成本、较高质质量的不不同品种种产品的的能力。柔性已已占有相相当重要要的位置置。柔性性主要包包括：机器柔柔性。当当要求生生产一系系列不同同类型的的产品时时，机器器随产品品变化而而加工不不同零件件的难易易程度。工艺柔柔性。一一是工艺艺流程不不变时自自身适应应产品或或原材料料变化的的能力；二是制制造系统统内为适适应产品品或原材材料变化化而改变变相应

23、工工艺的难难易程度度。产品柔柔性。一一是产品品更新或或完全转转向后，系统能能够非常常经济和和迅速地地生产出出新产品品的能力力；二是是产品更更新后，对老产产品有用用特性的的继承能能力和兼兼容能力力。维护柔柔性。采采用多种种方式查查询、处处理故障障，保障障生产正正常进行行的能力力。生产能能力柔性性。当生生产量改改变、系系统也能能经济地地运行的的能力。对于根根据订货货而组织织生产的的制造系系统，这这一点尤尤为重要要。扩展柔柔性。当当生产需需要的时时候，可可以很容容易地扩扩展系统统结构，增加模模块，构构成一个个更大系系统的能能力。运行柔柔性。利利用不同同的机器器、材料料、工艺艺流程来来生产一一系列产产

24、品的能能力和同同样的产产品，换换用不同同工序加加工的能能力。5.2柔柔性制造造技术柔性制造造技术是是对各种种不同形形状加工工对象实实现程序序化柔性性制造加加工的各各种技术术的总和和。柔性性制造技技术是技技术密集集型的技技术群，我们认认为凡是是侧重于于柔性，适应于于多品种种、中小小批量(包括单单件产品品)的加工工技术都都属于柔柔性制造造技术。目前，按规模模大小划划分为：5.2.1柔性性制造系系统（FFMS）FMS 包含2 台以上上具有自自动刀具具交换和和自动工工件托盘盘交换装装置的数数控机床床，以加加工中心心为核心心设备，配有自自动物料料传递和和管理系系统，如如有轨运运输小车车或自动动导引运运输

25、小车车，并在在中央计计算机统统一控制制和管理理下，动动态地平平衡资源源地有效效利用，具有生生产调度度和对加加工过程程的实时时监控能能力，可可动态地地实现多多种零件件族的自自动加工工。5.2.2柔性性制造单单元（FFMC）FMC 可视为为一个规规模最小小的FMMS，是是FMSS 向廉廉价化及及小型化化方向发发展的一一种产物物，它由由12 台加加工中心心、工业业机器人人、数控控机床及及物料运运送存贮贮设备构构成，其其特点是是实现单单机柔性性化及自自动化，具有适适应加工工多品种种产品的的灵活性性，现已已进入普普及应用用阶段。5.2.3柔性性制造线线（FMML）FML 是处于于单一或或少品种种大批量量

26、非柔性性自动线线与中小小批量多多品种FFMS 之间的的生产线线。其加加工设备备可以是是通用的的加工中中心、CCNC 机床，亦可采采用专用用机床或或NC 专用机机床，对对物料搬搬运系统统柔性的的要求低低于FMMS，但但生产率率更高。它以离离散型生生产中的的柔性制制造系统统和连续续生产过过程中的的分散型型控制系系统(DDCS) 为代代表，其其特点是是实现生生产线柔柔性化及及自动化化，其技技术已日日臻成熟熟，现已已进入实实用化阶阶段。5.2.4柔性性制造工工厂（FFMF）FMF 是将多多条FMMS 连连接起来来，配以以自动化化立体仓仓库，用用计算机机系统进进行联系系，采用用从订货货、设计计、加工工、

27、装配配、检验验、运送送至发货货的完整整FMSS。它包包括了CCAD/CAMM，并使使计算机机集成制制造系统统（CIIMS）投入实实际，实实现生产产系统柔柔性化及及自动化化，进而而实现全全厂范围围的生产产管理、产品加加工及物物料贮运运进程的的全盘化化。FMMF 将将制造、产品开开发及经经营管理理的自动动化连成成一个整整体，以以信息流流控制物物质流的的智能制制造系统统（IMMS）为为代表，其特点点是实现现工厂柔柔性化及及自动化化。6 .计计算机集集成制造造系统计算机集集成制造造系统(Commputter Inttegrrateed MManuufaccturringg Syysteems,简称CI

28、IMS), 是是随着计计算机辅辅助设计计与制造造的发展展而产生生的。它它借助于计算机机的硬件件、软件件技术, 综合合运用现现代管理理技术、制造技技术、信信息技术术、自动动化技术术、系统统工程技技术。对对企业的的生产作作业、管管理、计计划、调调度、经经营、销销售等整整个生产产过程中中的信息息进行统统一处理理, 并对对分散在在产品设设计制造造过程中中各种孤孤立的自自动化子子系统的的功能进进行有机机地集成成,并优化化运行, 从而而缩短产产品开发发周期、提高质质量、降降低成本本。它是是工厂自自动化的的发展方方向, 未来制制造业工工厂的模模式, 是当代代生产自自动化领领域的前前沿学科科, 也是是集中多多

29、种高新新技术为为一体的的现代化化制造技技术。6.1CCIMSS 系统统的功能能组成一般CIIMS 有六部部分组成成(1)管管理信息息系统(MISS): 具有生生产计划划与控制制、经营营管理、销售管管理、采购购管理、财务管管理等功功能, 处理生生产任务务方面的的信息。(2)工工程设计计应用分分系统(CADD&CAAPP): 由由计算机机辅助设设计、计计算机辅助工艺艺编制和和数控程程序编制制等功能能组成, 用以以支持产产品的设设计和工工艺准备备, 处理理有关产产品结构构方面的的信息。(3)车车间管理理与自动动化应用用分系统统(CAAM): 也可可以称为为计算机机辅助制造分系系统, 它包括括各种不不

30、同自动动化程度度的制造造设备和和子系统统, 用来来实现信信息流对对物流的的控制和和完成物物流的转转换。它它是信息息流和物物流的接接合部, 用来来支持企企业的制制造功能能。(4)计计算机辅辅助质量量保障分分系统(CAQQ): 具有制制订质量量管理计计划、实实施质量管管理、处处理质量量方面信信息、支支持质量量保证等等功能。(5)数数据库存存管理分分系统: 用以以管理整整个CIIMS 的数据据, 实现现数据的集成与与共享。(6)计计算机与与网络分分系统: 用以以传递CCIMSS 各分分系统之之间和分分系统内部的信信息, 实现CIIMS 的数据据传递和和系统通通信功能能。它们们的联接接关系如图11 示

31、:6.2CCIMSS 系统统的技术术优势分分析6.2.1保障障和提高高了新产产品开发发的质量量CIMSS(包括括并行工工程和虚虚拟制造造技术等等)使企业业提高了了产品创创新设计的深深度, 大大有有利于提提高企业业产品的的技术含含量。CCIMSS 建立立了企业业从产品品设计、生产制制造、经经营管理理全方位位的计算算机集成成制造环环境, 做到了了企业信信息流、物流、资金流流的集成成。市场场综合反反馈信息息在CIIMS(MISS部分: 管理信信息分系系统)的支持持下, 迅速反反馈到CCIMSS程设设计自动动化分系系统(CCAD/CAPPP /CAMM/CAAE), 产品品设计人人员在PPDM(产品数

32、数据管理理)、CADD 等系系统支持持下, 综合产产品过去去设计成成果及各各项信息息(包括零零部件明明细、价价格、供供货质量量、生产产加工能能力等), 在在MISS 过来来的市场场综合反反馈信息息地推动动下, 就能不不断设计计出更加加满足市市场需求求的高争争论、低低成本、适销对对路的产产品6.2.2缩短短了新产产品的上上市周期期CIMSS 是一一个集成成化的生生产模式式, 覆盖盖了市场场分析、经营决决策、新新产品研制制、工程程设计、加工制制造、库库存供应应、质量量保证、销后服服务等整整个制造造业的活活动, 并力图图实现三三流集成成。在这这种环境境支持下下, 通过过企业信信息的快快速流动动, 加

33、速速了产品品的设计计周期。同时, 由于于在设计计时参考考了产品品的可制制造性等等特性, 在MISS 及制制造自动动化系统统的支持持下, 也极大大地提高高了产品品的生产产及销售售分派效效率, 这些都都保证了了企业新新产品上上市周期期的显著著改善。6.2.3经营营管理科科学化, 同时时降低了了产品的的成本在经营管管理方面面, 使企企业的经经营决策策和生产产管理趋趋于科学学化。使使企业能够够在市场场竞争中中, 快速速、准确确地报价价, 赢得得时间; 在实实际生产产中,解决“瓶颈”问题, 减少再再制品, 同时时, 降低低了库存存资金的的占用。调查材材料表明明, 采用用计算机机集成制制造系统统后, 企业

34、新新产品的的各项因因素发生生了明显显的变化化,。7超精密密加工技技术超精密加加工是在在超精密密机床设设备上利利用零件件与刀具具之间产产生的具具有严格格约束的的相对运运动对材材料进行行微量切切削，以以获得极极高形状状精度和和极低表表面粗糙糙度的加加工过程程，其精精度从微微米到亚亚微米，乃至纳纳米。它它与当代代一些主主要科学学技术的的发展有有密切的的关系，是当代代科学发发展的一一个重要要环节。而且，超精密密加工技技术的发发展也促促进了机机械、液液压、电电子、半半导体、光学、传感器器和测量量技术以以及材料料科学的的发展。7.1 超精密密加工的的技术范范畴由于加工工技术水水平的发发展，超超精密加加工划

35、分分的界限限逐渐向向前推移移，但在在具体数数值上没没有固定定的界定定。根据据目前技技术水平平及国内内外专家家的看法法，对中中小型零零件的加加工形状状误差和表面面粗糙度度Ra的数数量级可可分为以以下档次次。精密密加工: =1.000.1 m，Ra=00.10.003 m；超超精密加加工： =00.10.001 m，Ra=00.0330.0055 mm；纳微微米加工工： 0.01 m，Ra00.0005 m。随随着科学学技术的的飞速发发展，超超精密加加工技术术日趋成成熟，已已形成系系列，它它包括超超精密切切削、超超精密磨磨削、超超精密微微细加工工、超精精密计量量等，并并向更高高层次发发展。超超精密

36、加加工的影影响因素素很多，只有广广泛研究究和综合合采用各各种新技技术，并并在各方方面精益益求精，才能突突破目前前常规加加工技术术不能达达到的精精度界限限。实现现超精密密切削加加工的条条件主要要包括超超精密加加工机床床、超精精密切削削刀具、超精密密加工环环境、超超精密加加工的工工件材质质、超精精密加工工用夹具具和超精精密测控控技术等等多项技技术。超超精密加加工技术术实际上上就是这这些技术术的综合合应用。7.2 超精密密加工的的关键技技术7.2.1主轴轴机床的主主轴在加加工过程程中直接接带动工工件或刀刀具运动动，故主主轴的回回转精度度直接影影响到工工件的加加工精度度。现在在超精密密加工机机床中精精

37、度最高高的主轴轴采用的的是空气气静压轴轴承，其其实用精精度可达达0.005 m，但但还不能能满足纳纳米级加加工的要要求。近近年来磁磁悬浮轴轴承的发发展非常常迅速，有望在在未来有有所突破破，但目目前还达达不到空空气静压压轴承的的精度。而提高高空气轴轴承主轴轴回转精精度的途途径之一一是提高高轴及轴轴套的圆圆度，因因为理论论上这两两者是成成正比的的。另外外，还要要想办法法提高气气孔供气气的平稳稳性。通通过多孔孔粉末冶冶金材料料的小孔孔供气是是理想的的供气形形式，有有待进一一步研究究。此外外，还可可以利用用控制技技术以补补偿的形形式来减减小或消消除回转转误差。7.2.2直线线导轨总的来说说，从精精度角

38、度度看，空空气导轨轨是现在在最好的的导轨。虽然它它没有液液体静压压导轨的的刚性大大，但气气浮导轨轨优点也也很明显显，如无无需进行行油温控控制，对对环境没没有污染染。此外外，纳米米级精度度加工机机床的负负荷和行行程没有有那么大大，所以以应优先先考虑空空气导轨轨。目前前，空气气导轨的的直线度度可达（0.110.2）m/2500 mmm，国内内3033所也可可做到00.1 m/2000 mmm的水平平。纳米米水平的的机床导导轨行程程比上述述要短，通过补补偿技术术还可进进一步提提高导轨轨的直线线度。国国防科技技大学利利用二维维微进给给装置补补偿导轨轨直线度度，取得得了较好好的效果果，可补补偿到00.1

39、 m/3000 mmm 的精精度水平平。在导导轨的结结构设计计上还有有潜力可可挖，如如采用多多根导轨轨并联来来加强气气膜的误误差匀化化作用，加大气气垫式导导轨跨度度来缩小小直线度度误差等等。由于于空气导导轨的气气膜厚度度大概只只有100 mm，在使使用过程程中防尘尘显得很很重要，若不保保证洁净净的环境境，导轨轨有可能能因为灰灰尘而受受损伤，这种损损伤常常常是难以以修复的的。7.2.3传动动系统传统进给给装置的的主要任任务之一一是把旋旋转运动动转化成成直线运运动，主主要使用用滚珠丝丝杠。与与轴承一一样，为为了克服服摩擦引引起的爬爬行和反反向间隙隙现象，出现了了静压丝丝杠。由由于介质质膜的均均化作

40、用用，目前前的空气气静压丝丝杠分辨辨率可达达到0.01 m，进给精精度比CC0级滚滚珠丝杠杠高2个数量量级，但但刚度有有所欠缺缺。所以以，又出出现了传传动原理理类似齿齿轮齿条条传动的的摩擦传传动，它它能够实实现无反反向间隙隙的传动动，同时时因为结结构非常常简单，弹性变变形因素素较小。目前，已有的的摩擦传传动分辨辨率能达达到1.25 nm，定位精精度能达达到0.1 m，而而根据其其原理，采用高高分辨率率的电机机还可以以使这两两个数值值进一步步减小。微进给给机构在在超精密密加工领领域获得得广泛应应用，它它一般被被用作补补偿工具具。用压压电陶瓷瓷驱动、弹性铰铰链支撑撑的微位位移机构构得到了了广泛的的

41、应用。7.2.4超精精密测控控技术在距离的的测量仪仪器中，双频激激光干涉涉仪测量量精度高高、测量量范围大大，但对对环境的的要求过过高，在在使用中中有很多多困难。近年来来，微光光学器件件的发展展使光栅栅技术有有了很大大的进步步。德国国Heiidennhaiin 的的超精密密光栅尺尺被世界界各超精精密设备备厂家选选用。在在小距离离的测量量仪器中中，电容容式、电电感式测测微仪仍仍是主要要的设备备，光纤纤测微仪仪也发展展很快。在更小小测量范范围的测测量仪器器中有扫扫描隧道道显微镜镜（STTM）、扫描电电子显微微镜、原原子力显显微镜，这些仪仪器可进进行纳米米级的测测量，常常用于表表面质量量检测。测量仪仪

42、器的稳稳定性和和可靠性性也是超超精密测测量中的的一项十十分重要要的指标标。7.2.5微进进给技术术微进给机机构在超超精密加加工领域域获得广广泛应用用，它一一般被用用来微进进给或作作补偿工工具。压压电陶瓷瓷材料具具有较好好的微位位移特性性和可控控制性。以压电电陶瓷为为驱动器器的基于于弹性铰铰链支撑撑的微位位移机构构目前是是用得最最多的。美国LLODTTM机床床上用的的快速刀刀具伺服服机构（FTSS）在11.277 mm范围内内分辨率率达2.5 nnm，频频响可达达1000 Hzz，可进进行主轴轴回转误误差的补补偿（转转速在1150 r/mmin 以下）。日本本东京工工业大学学用压电电陶瓷微微进给

43、机机构补偿偿气浮导导轨运动动直线度度，可将将直线度度提高到到0.114 m/6600 mm。国防科科技大学学利用自自研的二二维微进进给刀具具进行二二坐标工工作台定定位误差差的补偿偿，获得得了较好好的效果果。在机机床跟踪踪半径550 mmm的圆圆时，定定位误差差从0.7 m 提提高到00.0333 m。这这种微进进给机构构在行程程是5 m时时分辨率率可达55 nmm。目前前希望解解决的是是提高这这种机构构的频响响和刚度度，对于于主轴回回转误差差的补偿偿来说1100 Hz的的频响是是不够的的。开环环控制可可提高系系统的频频响，但但会牺牲牲刚性和和精度。利用补补偿技术术来提高高机床的的精度是是一种有

44、有效的手手段。7.2.6超精精密环境境控制技技术为了适应应超精密密加工的的需要，达到微微米甚至至纳米级级的加工工精度，必须对对它的支支撑环境境加以严严格的控控制，主主要包括括空气环环境、热热环境、振动环环境、声声环境和和磁环境境等。空空气环境境中主要要应控制制的品质质是洁净净度，一一般超精精密加工工要求的的洁净度度在1 00001000级，即每立立方米空空间0.5 m大小小的尘埃埃不多于于351 0000351000个(1fft3的的空间00.5 m大大小的尘尘埃不多多于1 00001000个)。随着着半导体体工业的的快速发发展，对对空气洁洁净度提提出了更更加苛刻刻的要求求，美国国联邦标标准2

45、009D上上增加了了1级和100级的洁洁净度级级别。热热环境与与加工精精度有密密切关系系，热环环境中主主要应控控制的品品质为温温度和湿湿度。普普通金属属在温度度变化11 时的热热膨胀量量约为11.6 m，所以为为进行亚亚微米精精度的加加工，温温度变动动范围应应控制在在0.05 ，相对对湿度控控制在335%45%为宜。目前，实用的的温度控控制技术术最高水水平为美美国的恒恒温油喷喷淋技术术，可实实现2000.0022 5 的温度度控制。振动是是影响超超精密加加工精度度的又一一重要因因素。利利用良好好的隔振振地基和和空气隔隔振垫，可以隔隔离绝大大部分“常时振振动”，是目目前应用用较多的的隔振手手段。

46、另另外，还还应考虑虑设备运运动件的的动平衡衡或振动动隔离，消除或或减少内内部振源源，尽量量远离外外部振源源。通过过综合努努力，770 HHz以下下的振动动幅度小小于1 m，满足超超精密加加工的要要求。7.2.7加工工原理超精密加加工的精精度要求求越来越越高，机机床相对对工件的的精度裕裕度已很很小。在在这种情情况下，只是靠靠改进原原来的技技术是很很难提高高的，应应该从工工作原理理着手进进行研究究，来寻寻求解决决办法。从这种种意义上上说，没没有必要要一定要要采用原原来的通通过固定定磨料去去加工的的方法，而可以以采用不不用刀具具的研磨磨，通过过游离磨磨料去除除材料。还可采采用各种种能量束束的加工工方

47、法。在采用用能量束束直接进进行的加加工中，无需刀刀具等中中间物，也就不不会有弹弹性变形形等问题题，因此此被看作作是很好好的加工工方法，特别是是将来进进行纳米米级、00.1 nm级级甚至分分子级的的加工时时，这种种方法将将是极为为有效的的。使用用STMM方式的的能量束束加工已已能进行行分子级级的加工工。因此此从微细细加工方方面来看看，最终终的加工工目标已已经确立立。分子子单位的的加工，在生物物和基因因工程学学、医学学上是合合适的，对机械械工程学学的加工工来说，加工效效率不能能满足大大批量生生产的实实际要求求。以分分子为单单位对机机械零件件进行加加工，简简直需要要天文数数字的加加工时间间。其他他能量加加工，例例如电子子束、激激光束和和离子束束加工等等，虽然然加工效效率有相相当大的的提高，但目前前来看精精度不能能满足要要求，因因此将来来的纳米米级精度度加工，可以考考虑采用用超精密密加工机机床的机机械去除除加工和和STMM原理的的能量束束去除加加工的复复合方式式。7.3 结论超精密加加工技术术在高技