成果转化

亚微米超精密车床融机械、电子、光学、检测和计算机控制等领域中的高技术为一体,是我国自行研制的第一台计算机控制亚微米级精度超精密车床。用金刚石刀具在这台车床上,可加工各种有色金属材料。某些半导体材料和非金属材料加工零件表面粗糙度Ra≤0.02微米(镜面),零件尺寸、形状一致性误     

振动影响下金刚石车削表面的形貌仿真

超精密车削加工中,影响工件表面形貌的主要因素有刀具的几何形状、进给速度、主轴转速、刀具与工件的相对振动等,考虑这些因素,对超精密加工的三维表面形貌进行建模,并通过仿真分析刀具轮廓在工件径向截面内可能发生的剪切现象。验证结果表明,用该模型仿真超精密端面车削的工件表面能得到较好的效果。利用该模型可以模拟刀具切削运动的轨迹、预测工件表面三维微观形貌及二维截面轮廓形状等表面特征,并可将其作为实际切削加工中切削参数优化的理论指导。     

超精密加工机床及其新技术发展

介绍了超精密加工技术、应用背景、发展动向以及超精密加工关键技术的一些最新成果。从超精密加工技术推广应用的角度阐述了其精度目标、模块化、廉价化发展趋势 ,同时就如何发展超精密加工技术全面介绍了目前机床模块化部件、传动系统、检测环节、数控系统和环境控制等领域的最新研究水平和成果。     

超精密机床变分法精度分析及其应用

本文介绍了一种基于变分法的机床精度分析方法,以及这一方法在超精密机床精度分析中的应用。以超精密气浮花岗石车床为研究对象,建立了车床成形系统的数学模型,对车床的输出精度进行了理论分析,指出了加工误差中各成分的来源及物理意义。最后还探讨了变分法精度分析在超精密机床设计中的应用     

超精密机床进给系统的QFT控制器的设计

超精密机床进给机构中存在的不确定因素及非线性因素对进给系统跟踪控制精度有较大影响 ,采用合适的控制器能够有效提高其跟踪控制精度。QFT是在相频平面上的一种图形化的鲁棒控制系统设计方法。本文采用QFT理论设计了鲁棒跟踪控制器 ,并应用了速度前馈和误差积分控制。仿真结果显示 ,进给系统在被控对象参数发生较大变化时仍达到了数十纳米的跟踪控制精度 ,满足了超精密加工的要求     

我校精密机床动态检测与精度控制技术达到国际先进水平

国防科技大学等单位的科技人员,积极跟踪发达国家机电相互渗透和结合的新潮流,成功地将电子计算机、微电子检测和控制等新技术以及机械发展的新成果,综合开发,研究出“精密机床动态检测与精度控制”技术,并于最近通过国家级鉴定。超精密加工技术历来是一个国家的工业水准和科技发展的标志。目前,我国的超精密加工大部分仍然采取传统的方式,不仅耗费大量的人力、资金,而且由于周期长、加工产品的质量达不到一定的精度,严重影响了产品的更新和在国际市场上的竞争力。国防科大等单位在接受国家下达的这项科研任务后,课题组的科研人员集思广益,采用动态     

超精密加工在线检测与误差补偿的理论与方法

超精密加工技术是高新技术、现代机械、电子产业以及国防工业的重要支柱,已成为技术发达国家重要的竞争目标。我系自１９８２年以来开展超精密加工技术的研究已有十多个年头了,取得了重要进展和重大突破。本文就所进行的研究工作,综合介绍了超精密加工中的若干理论与方法,包括形状误差在线检测的误差分离、误差补偿控制、微进给机构的非线性建模、微位移检测等内容,最后介绍了我系所取得的主要成果。     

平面磨削精度控制的一种方法

分析了利用砂轮周边进行平面磨削加工产生形状误差的原因之一。即待加工表面的形状变化引起磨削力的变化,从而引起工艺系统的弹性变形的变化,这种变形最终导致工件产生形状误差。提出了解决这一问题的技术途径和方法,即将待加工表面分解成若干小块,对每一小块根据其形状进行分析,找出其磨削力的变化规律,然后用程序控制工件速度,从而保持磨削力近似不变,并总结了应用该方法的步骤。举例说明了应用该方法所取得的结果是:磨削平面的精度提高到原来的5倍,加工时间缩短到约为原来的一半。     

金刚石车床上带固态执行器的微定位装置——一个初步实验

在超精密设计中,很可能没有可供选择的设计方案。在超精细进给情况下,压电执行器是一种潜在选择。目前,欧洲和日本刀具制造商为此正致力于磁致伸缩执行器的研究。压电材料和磁致伸缩材料都存在磁滞型非线性,以致这些系统的输出依赖于以前的输入,绝对定位仅通过反馈控制才能得到。本文采用模拟技术对脆性材料的超精密加工中(微米级)刀架定位的几种现代控制技术作了一番比较。     

光学阵列器件的慢刀伺服车削加工技术

慢刀伺服技术是相对于快刀伺服提出的方法.采用C轴、X轴、Z轴联动的方法在极坐标或圆柱坐标内进行加工.光学阵列如微透镜阵列、微反射镜阵列在高速数据、声音和视频信号传输中具有重要作用.将光学阵列看作一个自由曲面,使用慢刀伺服车削技术一次加工成形,可以解决传统加工中将光学阵列分块加工后拼装和调整的困难.但是由于光学阵列表面形状复杂,其表面法线的突变可能会使机床运动超出伺服轴执行能力.根据慢刀伺服加工技术的特点,建立了伺服轴执行能力限制曲线,研究了不同刀具半径补偿方式对加工的影响.实验结果表明,根据机床伺服轴执,厅能力合理选择刀具半径补偿方式可实现微光学阵列器件高精度加工.     

音圈电机驱动的超精密快刀伺服系统的性能研究

基于快刀伺服系统的超精密金刚石车削加工技术是光学自由曲面高效率、高精密的加工手段。本文介绍了一种新的音圈电机驱动的超精密快刀伺服系统,行程达到30mm,最大加速度为920m/s₂。通过实验手段获得了系统的运动模型,来用于控制器的设计。针对一类典型的光学自由曲面-微透镜阵列进行了加工,并对加工结果进行了测试与分析。测试结果表明,所研制的快刀伺服系统达到了加工技术要求,为以后该系统在实际加工中更广泛的应用研究打下了基础。     

精密加工中顶尖、中心孔形状误差对工件圆度的影响及其作用机理

对于轴类零件精密、超精密车削和磨削加工,顶尖夹持是最常见的夹持方式。本文分析了精密加工中顶尖夹持误差对工件圆度的影响,通过分析工件回转轴线的轨迹变化及夹持的径向接触刚度与顶尖、中心孔圆度误差的各阶谱成份之间的关系,论述了顶尖、中心孔形状误差对工件圆度的影响及其作用机理。探讨了顶尖夹持方式下提高工件圆度的有效途径。     

四轴超精密车床的改进坐标驱动装置

带微进给方式步进电机的PC控制轴系驱动装置可生产光学质量的表面。超精密车床可生产诸如球体和非球体之类的集合体,其表面粗糙度≤5nmRa,可用于光学装置的反光镜或空气轴承转轴的超精密零件。     

基于表面电荷法的像管静电场计算

与传统的有限差分法和有限元法相比,表面电荷法可降低单元剖分难度并能处理开放边界,更适于计算静电透镜的静电场。针对轴对称及非轴对称两类结构,采用样条函数及奇异形状函数改进电极表面的电荷密度估计,讨论了二维及三维表面电荷法的实现。与具有解析解的单位圆盘进行比较,分析了表面电荷法的电位计算精度,并用于轴对称及非轴对称像管计算。结果表明：对轴对称系统,在文中给定步长下,二维及三维表面电荷法与有限差分法计算相对误差不超过10^-3,且二维方法精度整体高于三维方法,二维、三维表面电荷法对3种像面位置的计算结果与有限差分法结果相比,最大误差不超过0.6mm;对非轴对称系统,3种方案下轴外电子运行轨迹的差异明显,非对称因素所产生的干涉场影响是不可忽略的。     

采用空气轴承的大行程快速刀具伺服系统

随着对结构化超精密部件需要的不断增加,出现了加工具有高的表面光洁度以及形状精度的非旋转对称镜片的新技术。根据现有的快速刀具伺服系统,研制出了最大行程为16mm的新型快速刀具伺服系统(图1)。以前的快速刀具伺服系统采用了弹性导向机构,而现在的快速刀具伺服系统则采用了空气轴承,并且用了一个高频直线电机来驱动这个系统。由于采用了一个新的功率放大器,使得这个系统能够最高达到100Hz的频率以及1mm的振动幅度。这篇文章给出了这种新型快速刀具伺服系统的技术细节。     

超精密铣削的三维微加工工艺

本研究旨在对用于获取有雕刻表面金属工件的超精密微加工工艺进行探讨。研究中使用的是车床型的超精密铣床,由分辨率为1nm的X和Z向运动工作台及分辨率为0.0001度的可定位的C轴组成。作为一种铣削工具,一种改进型的由一颗水晶钻构成的“仿球尖铣刀”被放置在X轴的高速气浮轴承之上。这样一来,X轴和C轴的协调运动就可产生三维铣削的效果。为提高表面粗糙度,通过模拟我们研究的刀具边沿和工件表面的接触情况,结果发现,刀具低速进给时切削比较有效。作为三维微加工工艺的一个例子,运用数字仪提供的扫描数据在一个直径为3mm的铜表面上制作一个传统的NOH面罩。经证明,超精密铣床有潜力加工出表面粗糙度为69nm(P—V值)的工件。     

高精度轴类零件的砂带确定性修形方法

为提高金属轴类零件的加工精度,基于光学确定性加工原理将振动砂带研抛方法用于轴类零件的高精度修形中。在这种方法中,弹性接触轮在一定压力下与轴类工件接触形成一个矩形研抛区域,砂带覆盖在接触轮上,通过接触轮的轴向振动可以实现材料可控去除。利用圆柱度仪测量得到轴零件外圆表面的轮廓形貌,得到被加工零件表面轮廓的误差分布。使用脉冲迭代法计算接触轮在圆柱表面不同位置的驻留时间,通过机床主轴的伺服控制实现工件不同位置材料去除量的大小,从而实现被加工零件圆柱度误差的确定性修整。在经过仿真加工后,在一根45#钢轴的一段柱面上进行了确定性修形实验。结果表明,工件平均圆度误差从0.42 μm收敛至0.11 μm,圆柱度误差从0.76 μm收敛至0.35 μm,加工后的形状精度优于超精密外圆磨床的加工精度,验证了高精度轴类零件柱面上确定性修形的可行性。     

快轴伺服系统的设计与性能测试

研制了用于加工非回转对称光学元件的快轴伺服系统(FAS)的整体结构及其控制系统,系统具备较大行程和高工作频率,最大的行程可达到30mm。系统采用了音圈电机驱动的气体静压轴承技术、线性电流放大器、高分辨率编码器以及高速控制系统。对不同截面形状气浮导轨的静、动态特性进行了有限元分析。系统采用PID反馈和速度/加速度前馈控制方法来改善系统的动态性能。FAS系统0.1mm阶跃响应的上升时间为2ms,最大超调量为0.4%,稳态时间为4ms,对铝件进行超精密切削实验,表面粗糙度可达Ra24nm,实验结果表明系统具有较好的动态和切削特性。     

计算机控制小工具抛光技术中磨盘材料对去除函数的影响

研究了计算机控制小工具抛光(CCOP)加工中三种常用的磨盘材料对去除函数特性的影响,进一步完善材料去除模型,用以指导光学零件的加工。利用自行研制的AOCMT光学加工机床及接触式测量系统进行实验和分析。从去除函数形状、去除效率及稳定性、表面形貌三个方面进行了研究。实验结果表明:聚氨酯材料适用于粗抛光阶段;阻尼布材料适用于精抛光阶段;沥青材料适用于最后的修形加工和表面处理。     

超精密加工技术与现代武器制造

1 超精密加工技术概要 超精密加工技术是适应尖端技术的需要而发展起来的一种新工艺。它综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术等新技术,是航空、航天、电子、原子能、机械、仪表等技术极为重要的基础技术,而其本身的发展又促进上述各