先進制造技術論文2[1]23.doc

先進制造技術及其發(fā)展趨勢0 .前言31. 先進制造技術的概述32. 先進制造技術的體系結構43. 先進制造技術的現(xiàn)狀54. 先進制造的發(fā)展趨勢75. 柔性制造技術105.1柔性105.2柔性制造技術115.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）115.2.2 柔性制造單元（FMC）125.2.3 柔性制造線（FML）125.2.4 柔性制造工廠（FMF）126 .計算機集成制造系統(tǒng)136.1 CIMS 系統(tǒng)的功能組成136.2 CIMS 系統(tǒng)的技術優(yōu)勢分析146.2.1 保障和提高了新產品開發(fā)的質量146.2.2 縮短了新產品的上市周期156.2.3 經營管理科學化, 同時降低了產品的成本157 超精密加工技術157.1 超精密加工的技術范疇167.2 超精密加工的關鍵技術177.2.1 主軸177.2.2 直線導軌177.2.3 傳動系統(tǒng)187.2.4 超精密測控技術187.2.5 微進給技術197.2.6 超精密環(huán)境控制技術207.2.7 加工原理217.3 結論218 結語220 .前言制造業(yè)是現(xiàn)代國民經濟和綜合國力的重要支柱, 在國民經濟建設、社會進步、科技發(fā)展與國家安全中占有重要戰(zhàn)略地位, 其生產總值一般占一個國家國內生產總值的20% 55%。世界各國經濟實力的競爭, 主要是先進制造技術的競爭, 其競爭能力又體現(xiàn)在所生產產品的市場占有率上。隨著經濟的高速發(fā)展以及顧客需求和市場環(huán)境的不斷變化, 這種競爭日趨激烈, 因而各國政府都非常重視對先進制造技術( advancedmanufactuing technology, 先進制造技術)的研究。1. 先進制造技術的概述先進制造技術, 往往用先進制造技術來概括由于微電子技術、自動化技術、信息技術等給傳統(tǒng)制造技術帶來的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說, 先進制造技術是制造業(yè)不斷吸收信息技術和現(xiàn)代管理技術的成果, 并將其綜合應用于產品設計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的制造全過程, 以實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活生產, 提高對動態(tài)多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。與傳統(tǒng)的制造技術相比, 當代的先進制造技術以其高效率、高品質和對于市場變化的快速響應能力為主要特征。先進制造技術是生產力的主要構成因素, 是國民經濟的重要支柱。它擔負著為國民經濟各部門和科學技術的各個學科提供裝備、工具和檢測儀器的重要任務, 成為國民經濟和科學技術賴以生存和發(fā)展的/ 土壤0。尤其是一些尖端科技, 如航空、航天、微電子、光電子、激光、分子生物學和核能等技術的出現(xiàn)和發(fā)展, 如果沒有先進制造技術作為基礎, 是根本不可能的。2. 先進制造技術的體系結構先進制造技術主要包括以下3個技術群(圖1):a) 主體技術群: 這是制造技術的核心, 它包括兩個基本部分: 有關產品設計技術和工藝技術。1) 面向制造的設計技術群。面向制造的設計技術群系指用于生產準備的工具群和技術群。設計技術對新產品開發(fā)生產費用、產品品質以及新產品上市時間都有很大影響。產品和制造工藝的設計可以采用一系列工具, 例如計算機輔助設計( CAD) 以及工藝過程建模和仿真等, 生產設施、裝備和工具, 甚至整個制造企業(yè)都可以采用先進技術進行有效地設計。2) 制造工藝技術群( 制造技術環(huán)境)。制造工藝技術群是指用于物質產品生產的過程及設備。制造工藝技術群是有關加工和裝配的技術, 也是制造技術的傳統(tǒng)領域。b) 支撐技術群: 支撐技術群是指支持設計和制造工藝兩方面取得進步的基礎性的核心技術?；镜纳a過程需要一系列的支撐技術, 如: 測試和檢驗、物料搬運、生產計劃的控制以及包裝等。它們也是用于保證和改善主體技術的協(xié)調運行所需的技術, 是工具、手段和系統(tǒng)集成的基礎技術。支撐技術群包括:1) 信息技術: 接口和通信、數(shù)據(jù)庫技術、集成框架、軟件工程人工智能、專家系統(tǒng)和神經網絡、決策支持系統(tǒng);2) 標準和框架: 數(shù)據(jù)標準、產品定義標準、工藝標準、3) 機床和工具技術;4) 傳感器和控制技術: 單機加工單元和過程的控制、執(zhí)行機構、傳感器和傳感器組合、生產作業(yè)計劃;5) 其他。c) 制造技術基礎設施: 制造技術基礎設施是指為了管理好各種適當?shù)募夹g群的開發(fā)并鼓勵這些技術在整個國家制造行業(yè)內推廣應用而采取的各種方案和機制。制造技術的基礎設施是使先進的制造技術與企業(yè)組織管理體制和使用技術的人員協(xié)調工作的系統(tǒng)工程, 是先進制造技術不可分割的一個組成部分。圖1 AM T 體系結構3. 先進制造技術的現(xiàn)狀先進制造技術是現(xiàn)代技術和工業(yè)創(chuàng)新的集成和典范, 是國家制造業(yè)水準的主要標志, 是國家工業(yè)的基礎和支柱。目前, 世界各工業(yè)發(fā)達國家已充分認識到發(fā)展先進制造技術的重要性和緊迫感, 紛紛對此進行廣泛深入的研究, 展開了激烈的競爭。各種創(chuàng)新成果和先進技術不斷涌現(xiàn)。它們主要包括: 計算機集成制造系統(tǒng)( computer integrated manufacturing system,CIMS), 敏捷制造( agile manu factur ing, AM), 并行工程( concurrent engineer ing, CE ), 虛擬制造( virtua lmanufactur2ing, VM)以及可持續(xù)發(fā)展技術等等。a) CIMS是現(xiàn)代信息技術條件下的新一代制造系統(tǒng)。它以計算機來輔助制造系統(tǒng)的集成, 以充分的、及時的信息交流或信息共享將企業(yè)的設計、工藝、生產車間以及供銷和管理部門集成為一個有機的整體, 使他們相互協(xié)調地運作,以提高產品品質, 縮短產品開發(fā)周期, 提高生產效率, 確保企業(yè)的整體效益, 提高企業(yè)的競爭能力和生存能力。b) CE是對產品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、一體化設計的一種系統(tǒng)化的工作模式。在傳統(tǒng)的串行開發(fā)過程中, 設計中的問題或不足, 要分別在加工、裝配或售后服務中才能被發(fā)現(xiàn), 然后再修改設計,改進加工、裝配或售后服務(包括維修服務)。而CE就是將設計、工藝和制造結合在一起, 利用計算機互聯(lián)網并行作業(yè), 大大縮短生產周期(圖2)。圖2 串、并行工程時序的比較c) AM 是指企業(yè)實現(xiàn)敏捷生產經營的一種制造哲理和生產模式。AM包括產品制造機械系統(tǒng)的柔性、員工授權、制造商和供應商關系、總體品質管理及企業(yè)重構。AM是借助于計算機網絡和信息集成基礎結構, 構造有多個企業(yè)參加的/ VM0環(huán)境, 以競爭合作的原則, 在虛擬制造環(huán)境下動態(tài)選擇合作伙伴, 組成面向任務的虛擬公司, 進行快速和最佳生產。d) VM是虛擬現(xiàn)實( virtual reality, VR) 技術在制造中的應用。VM實際上是一種計算機科學技術, 以信息技術、仿真技術、VR 技術為支柱, 在產品設計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前, 就能使人體會到或感覺到未來產品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài), 從而可以做出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。VM 技術是對真實制造過程的動態(tài)模擬、仿真, 是在計算機上制造數(shù)字化產品, 在VM環(huán)境中生成軟產品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進行試驗, 對其性能和可制造性進行預測和評價, 從而縮短產品的設計與制造周期, 降低產品的開發(fā)成本, 提高系統(tǒng)快速響應市場變化的能力。VM技術是CE, AM, 精益生產的支撐技術, 是品質工程實現(xiàn)的有力保證。e) 可持續(xù)設計是在生態(tài)哲學的指導下, 將設計行為納入/ 社會2經濟2環(huán)境2人類0的系統(tǒng)中, 既實現(xiàn)社會價值又保護人與自然的共同繁榮, 旨在平衡環(huán)境、社會、經濟三方面的設計實踐和設計管理?？沙掷m(xù)設計包含并超越了傳統(tǒng)的產品設計, 并代表了人類對傳統(tǒng)產品設計的新思考, 是產品設計學科的新的發(fā)展方向。目前可持續(xù)設計并不成熟, 主要設計工具有生命周期評價( LCA); 面向環(huán)境的設計(DFE ); 面向材料選擇的設計(DFMS); 面向拆裝的設計(DFD); 面向回收的設計(DFR) 等, 可持續(xù)設計可以說是人類文明的巨大進步。4. 先進制造的發(fā)展趨勢先進制造業(yè)追求的目標是: 高品質、高效率、高柔性、低成本、低勞動力、低消耗、品種多和規(guī)格全的產品, 因此,ATM的發(fā)展趨勢應體現(xiàn)在以下幾個方面:a) 制造技術向自動化與智能化方向發(fā)展: 隨著電子技術、信息技術和計算機技術的發(fā)展, 推動了制造技術向更深層次發(fā)展?；贑AD /CAM技術的CIMS是制造業(yè)自動化的一個重要方向。CIMS 通過CAX ( CAD, CAPP,CAE, CAM)系統(tǒng)和PDM 系統(tǒng), 進行產品的數(shù)字化設計、仿真, 并結合數(shù)字化制造設備, 進行自動加工。并采用MRPII /ERP系統(tǒng), 對整個企業(yè)的物流、資金流、管理信息流和人力資源進行數(shù)字化管理。智能制造技術( IMT )是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié), 通過模擬人類專家的智能活動, 取代或延伸制造系統(tǒng)中的部分腦力勞動, 在制造過程中系統(tǒng)能自動監(jiān)測其運行狀態(tài), 在外界干擾或內部激勵下能自動調整其參數(shù), 以達到最佳狀態(tài)和具備自組織能力。例如機器人加工就是將機床與機器人、傳感器、控制器組合而成的智能制造系統(tǒng), 它具有信息處理和知覺反饋、決策能力, 可同時控制指揮多種操作, 從而能提高效率、保證品質和降低成本。b) 精密成形與加工: 精密加工、超精密加工技術、微型機械是先進制造技術 發(fā)展的方向之一。精密和超精密加工技術包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特種加工和復合加工(如機械化學研磨、超聲磨削和電解拋光等) 三大領域。超精密加工技術己向納米技術發(fā)展。納米技術已在納米機械學、納米電子學和納米材料技術得到了應用。c) 新型特種加工方法的形成: 特種加工亦稱非傳統(tǒng)加工或現(xiàn)代加工方法, 泛指用電能、光能、熱能、電化學能、化學能、聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法。它包括激光加工技術、電子束加工技術、離子束加工技術、等離子加工技術、電加工技術等。今后, 特種加工將從實際出發(fā), 在融合傳統(tǒng)技術和現(xiàn)代技術的基礎上大力開發(fā)特種加工領域中的新方法, 包括微細加工和復合加工。d) 制造業(yè)中廣泛應用VM 技術和柔性制造技術: 制造過程中的VM 是指面向產品生產過程的模擬和檢驗。VM的核心是計算機仿真, 通過仿真軟件來模擬真實系統(tǒng), 以保證產品設計和產品工藝的合理性, 保證產品制造的成功和生產周期, 發(fā)現(xiàn)設計、生產中不可避免的缺陷和錯誤。所謂柔性, 是指一個制造系統(tǒng)適應各種生產條件變化的能力, 它與系統(tǒng)方案、人員和設備有關。系統(tǒng)方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務, 完成數(shù)量和時間要求的適應能力。設備柔性是指機床能在短期內適應新零件的加工能力。e) 網絡化和全球化: 隨著網絡通訊技術的迅速發(fā)展和普及, 企業(yè)的產品設計、物料選擇、零件制造、市場開拓與產品銷售等都可以異地或跨越國界進行。此外, 網絡通訊技術的快速發(fā)展, 加速技術信息的交流、加強產品開發(fā)的合作和經營管理的學習, 推動了企業(yè)向著既競爭又合作的方向發(fā)展。因此制造業(yè)發(fā)展的必然是由網絡化迅速向全球化邁進。f) 實施無污染綠色制造: 綠色制造是通過綠色生產過程、綠色設計、綠色材料、綠色設備、綠色工藝、綠色包裝、綠色管理等生產出綠色產品, 產品使用完以后再通過綠色處理后加以回收利用。采用綠色制造能最大限度地減少制造對環(huán)境的負面影響, 同時使原材料和能源的利用效率達到最高。對于目前世界資源緊張, 環(huán)境惡化的現(xiàn)狀以及人類的持續(xù)發(fā)展的要求來講, 綠色制造是必然的趨勢。5. 柔性制造技術 5.1柔性柔性可以表述為兩個方面。第一方面是系統(tǒng)適應外部環(huán)境變化的能力，可用系統(tǒng)滿足新產品要求的程度來衡量；第二方面是系統(tǒng)適應內部變化的能力，可用在有干擾(如機器出現(xiàn)故障)情況下，系統(tǒng)的生產率與無干擾情況下的生產率期望值之比來衡量?！叭嵝浴笔窍鄬τ凇皠傂浴倍缘模瑐鹘y(tǒng)的“剛性”自動化生產線主要實現(xiàn)單一品種的大批量生產。其優(yōu)點是生產率很高，由于設備是固定的，所以設備利用率也很高，單件產品的成本低。但價格相當昂貴，且只能加工一個或幾個相類似的零件，難以應付多品種中小批量的生產。隨著批量生產時代正逐漸被適應市場動態(tài)變化的生產所替換，一個制造自動化系統(tǒng)的生存能力和競爭能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開發(fā)周期內，生產出較低成本、較高質量的不同品種產品的能力。柔性已占有相當重要的位置。柔性主要包括：機器柔性。當要求生產一系列不同類型的產品時，機器隨產品變化而加工不同零件的難易程度。工藝柔性。一是工藝流程不變時自身適應產品或原材料變化的能力；二是制造系統(tǒng)內為適應產品或原材料變化而改變相應工藝的難易程度。產品柔性。一是產品更新或完全轉向后，系統(tǒng)能夠非常經濟和迅速地生產出新產品的能力；二是產品更新后，對老產品有用特性的繼承能力和兼容能力。維護柔性。采用多種方式查詢、處理故障，保障生產正常進行的能力。生產能力柔性。當生產量改變、系統(tǒng)也能經濟地運行的能力。對于根據(jù)訂貨而組織生產的制造系統(tǒng)，這一點尤為重要。擴展柔性。當生產需要的時候，可以很容易地擴展系統(tǒng)結構，增加模塊，構成一個更大系統(tǒng)的能力。運行柔性。利用不同的機器、材料、工藝流程來生產一系列產品的能力和同樣的產品，換用不同工序加工的能力。5.2柔性制造技術柔性制造技術是對各種不同形狀加工對象實現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術的總和。柔性制造技術是技術密集型的技術群，我們認為凡是側重于柔性，適應于多品種、中小批量(包括單件產品)的加工技術都屬于柔性制造技術。目前，按規(guī)模大小劃分為：5.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）FMS 包含2 臺以上具有自動刀具交換和自動工件托盤交換裝置的數(shù)控機床，以加工中心為核心設備，配有自動物料傳遞和管理系統(tǒng)，如有軌運輸小車或自動導引運輸小車，并在中央計算機統(tǒng)一控制和管理下，動態(tài)地平衡資源地有效利用，具有生產調度和對加工過程的實時監(jiān)控能力，可動態(tài)地實現(xiàn)多種零件族的自動加工。5.2.2 柔性制造單元（FMC）FMC 可視為一個規(guī)模最小的FMS，是FMS 向廉價化及小型化方向發(fā)展的一種產物，它由12 臺加工中心、工業(yè)機器人、數(shù)控機床及物料運送存貯設備構成，其特點是實現(xiàn)單機柔性化及自動化，具有適應加工多品種產品的靈活性，現(xiàn)已進入普及應用階段。5.2.3 柔性制造線（FML）FML 是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS 之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心、CNC 機床，亦可采用專用機床或NC 專用機床，對物料搬運系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產率更高。它以離散型生產中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS) 為代表，其特點是實現(xiàn)生產線柔性化及自動化，其技術已日臻成熟，現(xiàn)已進入實用化階段。5.2.4 柔性制造工廠（FMF）FMF 是將多條FMS 連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機系統(tǒng)進行聯(lián)系，采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）投入實際，實現(xiàn)生產系統(tǒng)柔性化及自動化，進而實現(xiàn)全廠范圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF 將制造、產品開發(fā)及經營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質流的智能制造系統(tǒng)（IMS）為代表，其特點是實現(xiàn)工廠柔性化及自動化。6 .計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing Systems,簡稱CIMS), 是隨著計算機輔助設計與制造的發(fā)展而產生的。它借助于計算機的硬件、軟件技術, 綜合運用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術。對企業(yè)的生產作業(yè)、管理、計劃、調度、經營、銷售等整個生產過程中的信息進行統(tǒng)一處理, 并對分散在產品設計制造過程中各種孤立的自動化子系統(tǒng)的功能進行有機地集成,并優(yōu)化運行, 從而縮短產品開發(fā)周期、提高質量、降低成本。它是工廠自動化的發(fā)展方向, 未來制造業(yè)工廠的模式, 是當代生產自動化領域的前沿學科, 也是集中多種高新技術為一體的現(xiàn)代化制造技術。6.1 CIMS 系統(tǒng)的功能組成一般CIMS 有六部分組成(1)管理信息系統(tǒng)(MIS): 具有生產計劃與控制、經營管理、銷售管理、采購管理、財務管理等功能, 處理生產任務方面的信息。(2)工程設計應用分系統(tǒng)(CAD&CAPP): 由計算機輔助設計、計算機輔助工藝編制和數(shù)控程序編制等功能組成, 用以支持產品的設計和工藝準備, 處理有關產品結構方面的信息。(3)車間管理與自動化應用分系統(tǒng)(CAM): 也可以稱為計算機輔助制造分系統(tǒng), 它包括各種不同自動化程度的制造設備和子系統(tǒng), 用來實現(xiàn)信息流對物流的控制和完成物流的轉換。它是信息流和物流的接合部, 用來支持企業(yè)的制造功能。(4)計算機輔助質量保障分系統(tǒng)(CAQ): 具有制訂質量管理計劃、實施質量管理、處理質量方面信息、支持質量保證等功能。(5)數(shù)據(jù)庫存管理分系統(tǒng): 用以管理整個CIMS 的數(shù)據(jù), 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與共享。(6)計算機與網絡分系統(tǒng): 用以傳遞CIMS 各分系統(tǒng)之間和分系統(tǒng)內部的信息, 實現(xiàn)CIMS 的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能。它們的聯(lián)接關系如圖1 示:6.2 CIMS 系統(tǒng)的技術優(yōu)勢分析6.2.1 保障和提高了新產品開發(fā)的質量CIMS(包括并行工程和虛擬制造技術等)使企業(yè)提高了產品創(chuàng)新設計的深度, 大大有利于提高企業(yè)產品的技術含量。CIMS 建立了企業(yè)從產品設計、生產制造、經營管理全方位的計算機集成制造環(huán)境, 做到了企業(yè)信息流、物流、資金流的集成。市場綜合反饋信息在CIMS(MIS部分: 管理信息分系統(tǒng))的支持下, 迅速反饋到CIMS程設計自動化分系統(tǒng)(CAD/CAPP /CAM/CAE), 產品設計人員在PDM(產品數(shù)據(jù)管理)、CAD 等系統(tǒng)支持下, 綜合產品過去設計成果及各項信息(包括零部件明細、價格、供貨質量、生產加工能力等), 在MIS 過來的市場綜合反饋信息地推動下, 就能不斷設計出更加滿足市場需求的高爭論、低成本、適銷對路的產品6.2.2 縮短了新產品的上市周期CIMS 是一個集成化的生產模式, 覆蓋了市場分析、經營決策、新產品研制、工程設計、加工制造、庫存供應、質量保證、銷后服務等整個制造業(yè)的活動, 并力圖實現(xiàn)三流集成。在這種環(huán)境支持下, 通過企業(yè)信息的快速流動, 加速了產品的設計周期。同時, 由于在設計時參考了產品的可制造性等特性, 在MIS 及制造自動化系統(tǒng)的支持下, 也極大地提高了產品的生產及銷售分派效率, 這些都保證了企業(yè)新產品上市周期的顯著改善。6.2.3 經營管理科學化, 同時降低了產品的成本在經營管理方面, 使企業(yè)的經營決策和生產管理趨于科學化。使企業(yè)能夠在市場競爭中, 快速、準確地報價, 贏得時間; 在實際生產中,解決“瓶頸”問題, 減少再制品, 同時, 降低了庫存資金的占用。調查材料表明, 采用計算機集成制造系統(tǒng)后, 企業(yè)新產品的各項因素發(fā)生了明顯的變化,。 7 超精密加工技術超精密加工是在超精密機床設備上利用零件與刀具之間產生的具有嚴格約束的相對運動對材料進行微量切削，以獲得極高形狀精度和極低表面粗糙度的加工過程，其精度從微米到亞微米，乃至納米。它與當代一些主要科學技術的發(fā)展有密切的關系，是當代科學發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。而且，超精密加工技術的發(fā)展也促進了機械、液壓、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術以及材料科學的發(fā)展。7.1 超精密加工的技術范疇由于加工技術水平的發(fā)展，超精密加工劃分的界限逐漸向前推移，但在具體數(shù)值上沒有固定的界定。根據(jù)目前技術水平及國內外專家的看法，對中小型零件的加工形狀誤差 和表面粗糙度Ra的數(shù)量級可分為以下檔次。精密加工: =1.00.1 m，Ra=0.10.03 m；超精密加工： =0.10.01 m，Ra=0.030.005 m；納微米加工： 0.01 m，Ra0.005 m。隨著科學技術的飛速發(fā)展，超精密加工技術日趨成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微細加工、超精密計量等，并向更高層次發(fā)展。超精密加工的影響因素很多，只有廣泛研究和綜合采用各種新技術，并在各方面精益求精，才能突破目前常規(guī)加工技術不能達到的精度界限。實現(xiàn)超精密切削加工的條件主要包括超精密加工機床、超精密切削刀具、超精密加工環(huán)境、超精密加工的工件材質、超精密加工用夾具和超精密測控技術等多項技術。超精密加工技術實際上就是這些技術的綜合應用。7.2 超精密加工的關鍵技術7.2.1 主軸機床的主軸在加工過程中直接帶動工件或刀具運動，故主軸的回轉精度直接影響到工件的加工精度?，F(xiàn)在超精密加工機床中精度最高的主軸采用的是空氣靜壓軸承，其實用精度可達0.05 m，但還不能滿足納米級加工的要求。近年來磁懸浮軸承的發(fā)展非常迅速，有望在未來有所突破，但目前還達不到空氣靜壓軸承的精度。而提高空氣軸承主軸回轉精度的途徑之一是提高軸及軸套的圓度，因為理論上這兩者是成正比的。另外，還要想辦法提高氣孔供氣的平穩(wěn)性。通過多孔粉末冶金材料的小孔供氣是理想的供氣形式，有待進一步研究。此外，還可以利用控制技術以補償?shù)男问絹頊p小或消除回轉誤差。7.2.2 直線導軌總的來說，從精度角度看，空氣導軌是現(xiàn)在最好的導軌。雖然它沒有液體靜壓導軌的剛性大，但氣浮導軌優(yōu)點也很明顯， 如無需進行油溫控制，對環(huán)境沒有污染。此外，納米級精度加工機床的負荷和行程沒有那么大，所以應優(yōu)先考慮空氣導軌。目前，空氣導軌的直線度可達（0.10.2）m/250 mm，國內303所也可做到0.1 m/200 mm的水平。納米水平的機床導軌行程比上述要短，通過補償技術還可進一步提高導軌的直線度。國防科技大學利用二維微進給裝置補償導軌直線度，取得了較好的效果，可補償?shù)?.1 m/300 mm 的精度水平。在導軌的結構設計上還有潛力可挖，如采用多根導軌并聯(lián)來加強氣膜的誤差勻化作用，加大氣墊式導軌跨度來縮小直線度誤差等。由于空氣導軌的氣膜厚度大概只有10 m，在使用過程中防塵顯得很重要，若不保證潔凈的環(huán)境，導軌有可能因為灰塵而受損傷，這種損傷常常是難以修復的。7.2.3 傳動系統(tǒng)傳統(tǒng)進給裝置的主要任務之一是把旋轉運動轉化成直線運動，主要使用滾珠絲杠。與軸承一樣，為了克服摩擦引起的爬行和反向間隙現(xiàn)象，出現(xiàn)了靜壓絲杠。由于介質膜的均化作用，目前的空氣靜壓絲杠分辨率可達到0.01 m，進給精度比C0級滾珠絲杠高2個數(shù)量級，但剛度有所欠缺。所以，又出現(xiàn)了傳動原理類似齒輪齒條傳動的摩擦傳動，它能夠實現(xiàn)無反向間隙的傳動，同時因為結構非常簡單，彈性變形因素較小。目前，已有的摩擦傳動分辨率能達到1.25 nm，定位精度能達到0.1 m，而根據(jù)其原理，采用高分辨率的電機還可以使這兩個數(shù)值進一步減小。微進給機構在超精密加工領域獲得廣泛應用，它一般被用作補償工具。用壓電陶瓷驅動、彈性鉸鏈支撐的微位移機構得到了廣泛的應用。7.2.4 超精密測控技術在距離的測量儀器中，雙頻激光干涉儀測量精度高、測量范圍大，但對環(huán)境的要求過高，在使用中有很多困難。近年來，微光學器件的發(fā)展使光柵技術有了很大的進步。德國Heidenhain 的超精密光柵尺被世界各超精密設備廠家選用。在小距離的測量儀器中，電容式、電感式測微儀仍是主要的設備，光纖測微儀也發(fā)展很快。在更小測量范圍的測量儀器中有掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡，這些儀器可進行納米級的測量，常用于表面質量檢測。測量儀器的穩(wěn)定性和可靠性也是超精密測量中的一項十分重要的指標。7.2.5 微進給技術微進給機構在超精密加工領域獲得廣泛應用，它一般被用來微進給或作補償工具。壓電陶瓷材料具有較好的微位移特性和可控制性。以壓電陶瓷為驅動器的基于彈性鉸鏈支撐的微位移機構目前是用得最多的。美國LODTM機床上用的快速刀具伺服機構（FTS）在1.27 m范圍內分辨率達2.5 nm，頻響可達100 Hz，可進行主軸回轉誤差的補償（轉速在150 r/min 以下）。日本東京工業(yè)大學用壓電陶瓷微進給機構補償氣浮導軌運動直線度，可將直線度提高到0.14 m/600 mm。國防科技大學利用自研的二維微進給刀具進行二坐標工作臺定位誤差的補償，獲得了較好的效果。在機床跟蹤半徑50 mm的圓時，定位誤差從0.7 m 提高到0.033 m。這種微進給機構在行程是5 m時分辨率可達5 nm。目前希望解決的是提高這種機構的頻響和剛度，對于主軸回轉誤差的補償來說100 Hz的頻響是不夠的。開環(huán)控制可提高系統(tǒng)的頻響，但會犧牲剛性和精度。利用補償技術來提高機床的精度是一種有效的手段。7.2.6 超精密環(huán)境控制技術為了適應超精密加工的需要，達到微米甚至納米級的加工精度，必須對它的支撐環(huán)境加以嚴格的控制，主要包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動環(huán)境、聲環(huán)境和磁環(huán)境等?？諝猸h(huán)境中主要應控制的品質是潔凈度， 一般超精密加工要求的潔凈度在1 000100級，即每立方米空間0.5 m大小的塵埃不多于351 00035100個(1ft3的空間0.5 m大小的塵埃不多于1 000100個)。隨著半導體工業(yè)的快速發(fā)展，對空氣潔凈度提出了更加苛刻的要求，美國聯(lián)邦標準209D上增加了1級和10級的潔凈度級別。熱環(huán)境與加工精度有密切關系，熱環(huán)境中主要應控制的品質為溫度和濕度。普通金屬在溫度變化1 時的熱膨脹量約為1.6 m，所以為進行亞微米精度的加工，溫度變動范圍應控制在0.05 ，相對濕度控制在35%45%為宜。目前，實用的溫度控制技術最高水平為美國的恒溫油噴淋技術，可實現(xiàn)200.002 5 的溫度控制。振動是影響超精密加工精度的又一重要因素。利用良好的隔振地基和空氣隔振墊，可以隔離絕大部分“常時振動”，是目前應用較多的隔振手段。另外，還應考慮設備運動件的動平衡或振動隔離，消除或減少內部振源，盡量遠離外部振源。通過綜合努力，70 Hz以下的振動幅度小于1 m，滿足超精密加工的要求。7.2.7 加工原理超精密加工的精度要求越來越高，機床相對工件的精度裕度已很小。在這種情況下，只是靠改進原來的技術是很難提高的，應該從工作原理著手進行研究，來尋求解決辦法