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【中文3550字】 题目：超精密机床与制造的小型和微型组件的应用程序的设计 文摘:目前基本必需品的可预测性、可生产性和生产力仍在超精密加工的微型加工中是一个大问题。快速的经济需求对制造微型复杂形状的超精密机床设计也提出了新的挑战。本文介绍了超精密机床的设计通过描述其关键机械元件和机床设计过程。重点是先进的超精密加工的审查和评估工具以及机床发展趋势、工具、工件材料和加工过程。关键词:超精密机器设计、超精密加工、小型和微型组件制造、三维微观结构和设备、台式超精密机器。1、介绍 人们普遍认为,精密制造业的发展极大地改变了我们的生活提高生活水平。高精度制造提供常规产品的质量和可靠性,但也可能完全设计出新产品,特别是在机电一体化、小型化和高性能化方面给人留下了令人印象深刻的例子。如：数码相机、手机、微创医疗设备以及生物技术或化学处理设备。高功能密度以及减少尺寸和重量会使小型和微型产品更具竞争力。由于市场对小型和微型组件和产品具有高潜力的增长。最近新要求制作的微型铲平出现,如微观结构和组件的制造三维复杂形状或自由曲面。发现这些微观结构具有一些特殊的功能包括光引导、抗反射和清洗等微观结构将进一步提高小型和微型产品的性能。此外,制造真正的3 d微型结构和自由曲面也由多种功能的集成在一个产品。目前MEMS是制造离散的主要驱动力之一。硅是一种古典材料微机电系统和微系统,但许多其他材料同时出现了越来越多的应用领域,成为与微产品相关的领域。例子:生命科学作为一门新兴的应用领域MEMS需要玻璃、陶瓷、金属和塑料而不是只有硅为原料的微型组件。 虽然传统机械超精密加工作为主要手段制造小型和微型组件/产品,但它仍然是一个可预测的大问题,尤其是对于那些小型和微型组件/产品/形状复杂的表面形式。超精密机床设计和加工技术将会改变它们的加工方式,实现快速和经济。这些组件和产品在各种工程材料,确保机器和技术方便精密工程的广泛观注(包括中小企业)。 2、超精密机床的设计超精密机床,它包括四个主要的子系统。他们是机械结构,主轴驱动系统,控制器和系统,测量和检测系统。这些子系统是至关重要的,尽管工具和处理技术同样重要。2.1、机械结构机械结构包括固定和移动身体。固定机构包括机器底座、列和主轴箱等等。他们通常携带移动身体,如里,幻灯片,纺锤波和车厢。以下的结构设计是至关重要的，机器的结构提供机械支持的所有机器的组件。当考虑上下文中的机器作为一个系统的设计,包括一些主要的设计问题：刚度和阻尼结构配置结构连接结构动态性能(如热稳定性和响应外部力量) 关于移动轴的正常运行和操作稳定性的结构设计将遵循以下原则:高循环结构刚度:循环结构包括主轴、轴承、导轨和框架,驱动器,刀具和工件夹具。所有的机械部件和连接驱动的传播路径的反应,如效应器(刀具)或重力的中心,必须有一个在不断变化的负载提供高刚度,避免变形。良好的阻尼性能:这可以通过选择高阻尼功能材料作为床身和导轨材料或填充结构与石油为粘性和质量阻尼或混凝土质量阻尼。一些方法,如剪切板和调谐质量阻尼器,也可以应用于潮湿的结构。 对称和闭环结构配置:“T”配置通常被用于大多数的超精密车削和磨削机。最近一篇文献四面体结构提出的不良贷款在英国已经应用在超精密磨床正四面体。它使用一个内部阻尼空间构架与所有的负载进行闭环。产生一个非常高的静态刚度设计加上特殊的动态刚度。热弹性结构循环:最小化空间系统中的热梯度的影响,使系统快速达到并保持一个稳定的平衡。最小化的热变形:减少热变形,从结构设计的角度,而不是使用控制技术。机的分离方法包括热源和过程,所产生的热量迅速驱逐在机器和维护使用的液体排热恒温,使用零或低的热膨胀材料。光学金刚石车床利用了一些巧妙的方法消除了因高温引发的错误。例如,LODTM封闭在一个容器内的空气温度保持在200.010C。测量框架是由超殷钢一种铁镍合金和壳覆盖水维持在200.001C是流传。主轴轴承的住房包含冷却剂导体温度控制水的流通之前删除任何热量由轴承导致过度变形。由于这些措施,最大漂移由于热变形在24小时内不超过25 nm4。隔离的环境影响:加工中环境是至关重要的它隔离来自外机周围环境的干扰,如振动从地板上,室温的波动,从其他机器传热,浮尘等。机床的选择材料是决定最终机性能的关键因素之一。许多标准可考虑,包括时间稳定,特定的刚度、同质性、容易制造和成本等。铸铁和花岗岩是最广泛使用的材料机器底座及滑动由于其良好的耐磨性,低的热膨胀,压力下不易变形、高减振能力,尽管有越来越多的使用聚合物混凝土在过去的几年里。花岗岩的缺点是,它可以吸收所干燥的环境中使用。因为这个原因很多建筑商与环氧树脂密封花岗岩。获得高阻尼能力和刚度,重量轻聚合物混凝土变得受欢迎特别是一些精密仪器和小尺寸的机床。在某些应用程序的情况下,结构材料的热膨胀系数低和高尺寸稳定性已经使用;在那些超因瓦合金,人造花岗岩、陶瓷和玻璃陶瓷。2.2、工作纺锤波 精密机床的主轴是一个关键的元素,因为主轴运动误差会显著影响加工表面质量和精度的组件。最常用的精密机床主轴是空气静压主轴和静压主轴。他们都有高的运动精度和高转速的能力。一个空气静压主轴刚度低于石油静压主轴热变形但低于油静压主轴。空气静压主轴广泛应用于机床中小负荷容量而静压主轴通常应用于大型重载精密机床。 最近槽技术被用于空气轴承的设计。槽混合空气轴承结合空气静力和气动设计原则优化超高速的性能。空气静力电梯是由喂养轴承和压缩空气通过节流器在传统轴承的设计。气动升力控制的额外的螺旋槽加工到轴或轴承轴颈表面。轴承的凹槽的好处包括显著改变轴承内的压力分布,提高承载能力和刚度。槽也改变了轴承的空气速度梯度影响的基本机制旋转不稳定,通常提高不稳定发生的阈值燕麦。空气轴承导轨,空气/磁轴承导轨、静压轴承导轨油,空气轴承旋转表广泛应用于先进的超精密机床运动精度高的能力。油静压轴承通常用于大型机床由于其高负载能力,尽管额外的泵系统、环境和热的问题需要考虑。2.3、驱动器运行机制分为机床主轴和进给传动。主轴提供足够的角速度,扭矩和功率旋转主轴的轴住房与磁或空气轴承。电动交流电动机和直流无刷电动机的高速主轴总是建在主轴减少产生的惯性和摩擦主轴联轴器。空气透平轴也应用在超精密机床。压电致动器是一种短行程执行机构。转盘驱动及滑动驱动的应用程序由于其运动精度高和宽响应带宽。压电致动器结合机械柔性铰链通常用于金刚石刀具的定位控制。最近,快速刀具伺服(FTS)系统介绍了金刚石车削组件和产品等结构化和无序化对称表面激光镜子,眼科镜头和镜头模具等。直线电机直接驱动和摩擦驱动两种长冲程驱动在超精密机床上使用。摩擦传动非常可预见的和可再生的规定预加载的水平静定轮接触,从而优质加工光光滑的表面。良好的摩擦驱动的应用之一是在芬欧蓝3 X轴的摩擦轮传动,已形成精度小于0.2m / 100毫米实现。直线电机驱动器可以提供系统设计一个优雅的选择,因为它们直接产生直线运动,因此消除转换lead-screws等机制的必要性,皮带传动,齿轮,齿条与潜在的更好的性能在刚度、加速度、速度、运动的平滑度、准确性和重复性等。2.4、操纵装置 控制子系统包括汽车、放大器、开关和控制器用于激励的电气部分控制序列和时间。高速度、多轴CNC控制器对于有效的控制至关重要,不仅在高精度伺服驱动器位置回路为轮廓线同步,而且热几何误差补偿,优化工具设置和直接输入方程的形状(避免冗长的后处理)。通过应用反馈控制控制决议在纳米甚至能获得亚纳米级尺度。使用先进的基于PC的控制系统将是趋势在未来低成本超精密机床。2.5计量和检测系统 计量和检验系统是超精密加工的基础是广泛应用于工业。另一方面更高水平精度保证计量和检验也是一个推动超精密加工为未来工程行业向更高的精度要求。快速和精确定位的刀具对工件表面和监控的可视化的工具条件操作符应集成到检测系统尤其是在线操作的目的。激光计量纳入机床广泛用于饲料和位置控制,解决纳米或亚纳米级别。电容式传感器LVDT传感器(线性可变差动传感器)和大中通常受雇于致密性纳米碳素位移去检测小工作距离。这里需要激光干涉计量系统。工具提示必须精确地定位在X和Z方向。为了满足阿贝原则的,图3所示的激光干涉仪用于位置控制的工具。X方向,一双直规,两边各一个工具栏,充当运动参考。测量位置在X方向,两束是针对每个直规(即共有四梁)。工具栏的螺旋角误