現代超精密加工機床與系統已應用到當代多個(gè)高端技術(shù)領(lǐng)域，在推動(dòng)科技進(jìn)步方面發(fā)揮著(zhù)重大作用�？傮w上，我國該項技術(shù)與國際先進(jìn)水平還有較大差距。瞄準未來(lái)發(fā)展方向，抓住主要矛盾，突破關(guān)鍵技術(shù)，適應發(fā)展需求，對推動(dòng)我國科技進(jìn)步，加強國防建設具有重大意義。

光學(xué)元件因面形精度和表面質(zhì)量要求非常高，是超精密加工典型性和代表性的主要應用領(lǐng)域。

傳統的光學(xué)系統因設計、計算、加工和制造技術(shù)所限，結構和元件形狀都較簡(jiǎn)單——光學(xué)元件形面通常為平面或球面。傳統的光學(xué)元件加工時(shí)，采用大數、無(wú)規則軌跡控制和均化效應等工藝，配合檢測，可獲得良好的超精密加工效果。這里的加工精度依賴(lài)的是工藝方法，而不苛求加工機床本身的精度。低機械精度的加工機床仍可達到高的光學(xué)元件加工精度效果，這類(lèi)機床通常也被稱(chēng)為“非確定性”（Non-deterministic）加工機床。采用傳統加工方法的“非確定性”超精密加工機床只適合加工球面、平面等簡(jiǎn)單形狀和玻璃類(lèi)硬脆材料的光學(xué)元件。

隨著(zhù)現代科技的發(fā)展，特別是光電子技術(shù)、計算技術(shù)的發(fā)展，當今的光學(xué)應用系統在適應光學(xué)元件形面的復雜性、材料的多樣性、幾何尺度的大小方面都有了巨大的發(fā)展變化。傳統的“非確定性”超精密加工機床和工藝方法已不能適應現代光學(xué)系統元件加工需求——或是根本無(wú)法加工，或是加工效率極低。

而“確定性”（Deterministic）超精密加工機床和可控制刀具（如金剛石刀具）能以極高精度的空間運動(dòng)軌跡直接加工成型具有光學(xué)鏡面效果的產(chǎn)品。具有這種性能的機床不僅使加工效率得到了極大提高，還可實(shí)現傳統方法難以加工處理的金屬基、光學(xué)晶體等材料及非球類(lèi)復雜形面元件的超精密加工。

現代超精密加工系統

超精密機床的高確定性取決于對影響精度性能的各環(huán)節因素的控制。這些控制品質(zhì)常常要求達到當代科技的極限，如機床運動(dòng)部件（導軌、主軸等）較高的運動(dòng)精度和可控性（如摩擦、阻尼品質(zhì)），機床坐標測量系統較高的分辨率、測量精度和穩定性，運動(dòng)伺服控制系統較高的動(dòng)、靜態(tài)加工軌跡跟蹤和定位控制精度等。此外，還要求數控系統具有較高性能的多軸實(shí)時(shí)控制及數據處理能力，機床本體的高剛性、高穩定性和優(yōu)良的振動(dòng)阻尼。為了防止環(huán)境振動(dòng)和加工中機床姿態(tài)微小變化的影響，機床還需安裝隔振、精密自動(dòng)水平調整機構等。

環(huán)境因素對超精密加工影響巨大。特別是大型超精密加工機床對環(huán)境控制極為嚴苛，包括高穩定性地基振動(dòng)控制、機床本體液體溫控、環(huán)境空氣流場(chǎng)和溫度控制。另外，以現有的科技手段，對聲場(chǎng)及任何可能對機床狀態(tài)產(chǎn)生微小擾動(dòng)的因素都要進(jìn)行嚴格控制。

1 SPDT單點(diǎn)金剛石車(chē)床系統

現代光學(xué)確定性加工技術(shù)的核心是數控超精密加工機床。其中，最具有代表性的是SPDT（Single Point Diamond Turing，單點(diǎn)金剛石車(chē)削）機床。SPDT采用金剛石刀具，可直接車(chē)削加工成型達到光學(xué)級質(zhì)量的金屬基、光學(xué)晶體等材料的非球曲面零件。

20世紀80年代，美國為了解決天基高能激光武器、慣性約束核聚變點(diǎn)火、太空探測、高能粒子加速器等國家重大工程中光學(xué)系統加工技術(shù)難題，專(zhuān)門(mén)組織在勞倫斯·利弗莫爾（LLNL）國家實(shí)驗室開(kāi)展了大、小多種尺寸和立、臥不同類(lèi)型SPDT機床系統研究。

在LLNL研發(fā)的SPDT機床中，最具技術(shù)代表性的要數LODTM（Large Optic Diamond Turning Machine，大型光學(xué)金剛石車(chē)床）。LODTM機床系統投資巨大，設計方案周詳，關(guān)鍵技術(shù)解決方案采用了當時(shí)最新技術(shù)手段。至今，LODTM的某些技術(shù)指標都難以超越。LODTM在超精密加工技術(shù)與機床系統發(fā)展史上具有里程碑的示范作用。

美國在發(fā)展信息戰和精確制導裝備中，為了解決大量非球面光學(xué)晶體材料和元件的加工難題，需要相當數量的具有高效及非球面光學(xué)零件加工能力的SPDT機床。90年代后，商品化的SPDT機床得到了重點(diǎn)研發(fā)支持和廣泛應用。

2 XZC超精密加工機床系統

普通的SPDT機床主軸只進(jìn)行轉速控制，因而只能加工回轉對稱(chēng)類(lèi)非球面零件。對于非回轉對稱(chēng)的光學(xué)自由曲面加工，這樣的SPDT機床就無(wú)能為力了。

通過(guò)對SPDT機床的主軸配置高分辨率的角度檢測裝置，形成可進(jìn)行轉角位置精密控制的C軸，SPDT機床可拓展成工件主軸和加工刀具運動(dòng)導軌進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制的XZC超精密加工機床。機床通過(guò)XZC聯(lián)動(dòng)控制可解決具有某些特征和類(lèi)型的非回轉對稱(chēng)的光學(xué)自由曲面元件的加工難題。

（1）FTS快速刀具伺服超精密加工技術(shù)。

針對微小陣列結構的光學(xué)自由曲面元件，曲面曲率變化大，XZC聯(lián)動(dòng)加工時(shí)刀具會(huì )產(chǎn)生非常大的瞬時(shí)運動(dòng)加速度變化。因刀具安裝機床拖板大慣量和驅動(dòng)功率所限，加上振動(dòng)因數，XZC直接控制將會(huì )遇到很大困難。

對于矢高較小的微小陣列結構的光學(xué)自由曲面元件加工，FTS（Fast Tool Servo，快速刀具伺服）加工技術(shù)是一種可行的解決方案，即在機床Z軸拖板與刀具之間安裝一個(gè)低慣量微小行程、高頻響位移控制機構（圖1）。依Z向加工所需行程大小和頻響要求，微位移機構的驅動(dòng)元件可選壓電、音圈或小型直線(xiàn)電機等。FTS的控制可采取CZ隨動(dòng)控制方式。

FTS需在原數控系統上增加專(zhuān)用伺服控制系統，由此增加了系統的復雜度。由于采用隨動(dòng)方式，主動(dòng)的主軸位置控制精度要求相對不高，但系統的隨動(dòng)精度性能要求很高。

（2）S3慢速拖板伺服超精密加工技術(shù)。

某些類(lèi)光學(xué)自由曲面元件雖然曲面矢高較大，但曲面變化較為平緩。加工這類(lèi)曲面，刀具直線(xiàn)運動(dòng)速度和加速度都不大。這時(shí)，可采用慢速拖板伺服（S3—Slow Slide Servo）超精密加工技術(shù)，即XZC聯(lián)動(dòng)加工。為了獲得光學(xué)級的超精密加工質(zhì)量，除了要求直線(xiàn)軸具有很高的控制分辨率和精度外，還特別要求C軸具有極高的角度控制分辨率（如達0.06″）和精度。

3多軸超精密自由曲面磨床

航空航天設計中，減少阻力是最重要的。以前的導彈、飛機光學(xué)系統設計師只能采用球、平面形狀光學(xué)零件設計技術(shù)，而球、平面形狀會(huì )引入空氣阻力。飛機和導彈上符合理想設計的保形窗口會(huì )大幅度地降低空氣阻力。

除降低阻力外，保形光學(xué)外形設計比傳統形狀更難于探測（隱形）。保形光學(xué)有助于優(yōu)化飛行器形狀設計，使之對雷達和其他探測方法的反射減至最小。保形光學(xué)替代球形窗口還可提供更寬的視場(chǎng)。但是，有時(shí)為了獲得寬視場(chǎng)需采用非對稱(chēng)形狀。

非球面光學(xué)比傳統的球面光學(xué)復雜，而保形光學(xué)在復雜性連續集上比非球面光學(xué)更復雜。

20世紀末，在保形光學(xué)需求的牽引下，國外一些重要的科研機構和軍工企業(yè)催生研發(fā)了CDMG（Conformal Deterministic Microgrinder）多軸超精密自由曲面磨床，為光學(xué)工業(yè)提供了下一代保形光學(xué)零件的加工制造能力。這種機床可加工的保形光學(xué)零件形狀包括軸對稱(chēng)和非軸對稱(chēng)光學(xué)元件，還可以為非球、衍射或尖頂拱等形狀的組合；在材料方面，范圍從光學(xué)玻璃、紅外材料到有色金屬、晶體、聚合物和陶瓷等。

多軸超精密自由曲面磨床的另一個(gè)重要應用，是用于大型深空望遠鏡拼接式離軸非球面反射鏡片的加工制造。

4 專(zhuān)用超精密加工機床系統

專(zhuān)用超精密加工機床系統類(lèi)型很多，下面是幾種典型的專(zhuān)用機床。

（1）KDP超精密飛切加工機床。

在激光核聚變點(diǎn)火（美國NIF、中國神光）設施中，有大量的KDP（KH2PO4，碳磷酸二氫鉀）晶體元件把強紅外激光倍頻成紫外激光，以發(fā)揮光開(kāi)關(guān)控制的作用。

這種光學(xué)系統中的KDP晶體元件為數百平方米的方形薄片。KDP晶體加工精度要求平面度、平行度達幾分之一λ波長(cháng)，表面粗糙度達1~2nm。

KDP晶體不僅加工精度要求非常高，而且由于材料加工特性工藝要求，目前只能采用單點(diǎn)金剛石飛切（單刀銑削）工藝。

KDP超精密飛切加工機床是一種KDP加工的專(zhuān)用機床，對機床飛切工具主軸精度、直線(xiàn)導軌工作面的直線(xiàn)精度、機床穩定性和環(huán)境溫度控制要求都很高。

（2）平板顯示器背光板滾筒模具超精密加工機床和菲涅耳透鏡模具超精密加工機床。

這兩種模具專(zhuān)用加工機床的共同特點(diǎn)是：加工對象都是大尺寸、表面微結構形式，并采用成型SPDT刀具加工。

背光板要求的是光學(xué)背光照明的均勻性，菲涅耳透鏡產(chǎn)品現在一般用于照明勻光及太陽(yáng)能聚光發(fā)電等。

相對于光學(xué)成像，這兩種專(zhuān)用加工機床的精度要求不是特別高。

超精密加工機床關(guān)鍵技術(shù)

1 機床系統總體綜合設計技術(shù)

超精密機床尖端的設計、制造技術(shù)已升華到一種藝術(shù)境界，非常規方法能及。

常規機床在設計與制造等技術(shù)環(huán)節上要求相對較低，而超精密機床各環(huán)節基本都處于一種技術(shù)極限或臨界應用狀態(tài)，哪個(gè)環(huán)節考慮或處理不周就會(huì )導致整體失敗。因此，設計上需對機床系統整體和各部分技術(shù)具有全面、深刻的了解，并依可行性，從整體最優(yōu)出發(fā)，周詳地進(jìn)行關(guān)聯(lián)綜合設計。否則，即便是全部采用最好的部件、子系統，堆砌方法仍會(huì )導致失敗。如LODTM機床設計必須對誤差源進(jìn)行周詳分析，識別其耦合機制并且以傳遞函數表達，用綜合原則對主要誤差進(jìn)行分配和補償。

2 高剛性、高穩定機床本體結構設計和制造技術(shù)

尤其是LODTM機床，由于機身大、自身重、承載工件重量變化大，任何微小的變形都會(huì )影響加工精度。結構設計除從材料、結構形式、工藝方面達到要求外，還須兼顧機床運行時(shí)的可操作性。

如為了獲得高穩定性能，LODTM床身設計成高整體性，盡量減少裝配環(huán)節；整體熱處理，需解決相應大尺寸的熱處理設備、工藝；床體精加工時(shí)需嚴格模擬實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行精密修正等。

3 超精密工件主軸技術(shù)

中小型機床常采用空氣靜壓主軸方案�？諝忪o壓主軸阻尼小，適合高速回轉加工應用，但承載能力較小�？諝忪o壓主軸回轉精度可達0.05μm。

超精密機床主軸承載工件尺寸、重量大，一般宜采用液體靜壓主軸。液體靜壓主軸阻尼大、抗振性好、承載力大，但主軸高速時(shí)發(fā)熱多，需采取液體冷卻恒溫措施。液體靜壓主軸回轉精度可達0.1μm。

工件主軸用于速度控制模式時(shí)，主軸角度編碼器分辨率要求不高。當用于XZC位置控制模式時(shí)，為了保證加工工件的表面質(zhì)量，編碼器分辨率要求非常高，可達0.06″。

為了保證主軸精度和穩定性，無(wú)論氣壓源或液壓源都需進(jìn)行恒溫、過(guò)濾和壓力精密控制處理。

4 超精密導軌技術(shù)

早期的超精密機床采用氣浮靜壓導軌技術(shù)。氣浮靜壓導軌易于維護，但阻尼小，承載抗振性能差，現已較少采用。閉式液體靜壓導軌具有高抗振阻尼、高剛度、承載力大的優(yōu)勢。國外主要的超精密加工現在主要采用液體靜壓導軌。超精密的液體靜壓導軌的直線(xiàn)度可達到0.1μm。

5 納米（A°）級分辨率動(dòng)態(tài)超精密坐標測量技術(shù)

早期的超精密機床坐標測量系統采用激光干涉測量方式。激光干涉測量是一種高精度的標準幾何量測量基準，但是易受環(huán)境因素（氣壓、濕度、溫度、氣流擾動(dòng)等）影響。這類(lèi)因素容易影響刀具控制，從而影響工件的表面加工質(zhì)量。為此，美國LLNL的LODTM坐標激光測量回路采用了真空隔離和零溫度系數的殷鋼坐標測量框架技術(shù)。這也是激光坐標測量方面的頂尖應用。

現今的超精密機床坐標測量系統大多采用衍射光柵。光柵測量系統穩定性高，分辨率可達納米級。為了進(jìn)一步獲得較高的位置控制特性和表面加工質(zhì)量，采用DSP細分，測量系統分辨率可達A°級。

6 納米級重復定位精度超精密傳動(dòng)、驅動(dòng)控制技術(shù)

為了實(shí)現光學(xué)級的確定性超精密加工，機床必須具有納米級重復定位精度的刀具運動(dòng)控制品質(zhì)。伺服傳動(dòng)、驅動(dòng)系統需消除一切非線(xiàn)性因素，特別是具有非線(xiàn)性特性的運動(dòng)機構摩擦等效應。因此，采用氣浮、液浮等方式應用于軸承、導軌、平衡機構成了必然的選擇。

伺服運動(dòng)控制器除了具有高分辨率、高實(shí)時(shí)性要求外，在控制方程及模式技術(shù)上也需不斷進(jìn)步。實(shí)驗證明：研制系統進(jìn)行曲面加工控制時(shí)，高性能伺服運動(dòng)控制器執行一階無(wú)差、二階有差控制，刀具軌跡動(dòng)態(tài)跟蹤有滯后現象。這種滯后量雖小，精密加工可不計，但超精密加工中不可忽略。

7 開(kāi)放式高性能CNC數控系統技術(shù)

從加工精度和效能出發(fā)，數控系統除了滿(mǎn)足超精密機床控制顯示分辨率、精度、實(shí)時(shí)性等要求，還需擴展機測量、對刀、補償等許多輔助功能。因為通用數控系統難以滿(mǎn)足要求，所以國外的超精密機床現在基本都采用PC與運動(dòng)控制器相結合研制開(kāi)放式CNC數控系統模式。這種模式既可使數控系統實(shí)現高的軸控性能，還可獲得高的功能可擴充性。

超精加工與一般精度加工不同，加工需輔以測量反復迭代進(jìn)行。為了減少工件再定位引入的安裝誤差，或解決大尺寸、復雜型面無(wú)有效測量?jì)x器問(wèn)題，機床在機需配置各種光學(xué)、電子測量?jì)x器和補償處理手段。對此，PC與運動(dòng)控制器相結合的開(kāi)放式CNC數控系統可發(fā)揮其優(yōu)勢。

8 高精度氣、液、溫度、振動(dòng)等工作環(huán)境控制技術(shù)

（1）機床隔振及水平姿態(tài)控制。

振動(dòng)對超精密加工的影響非常明顯。機床隔振需采取特殊的地基處理和機床本體氣浮隔振復合措施。氣浮隔振系統采用具有位置控制的主動(dòng)式氣墊。LODTM機床支撐在4個(gè)氣墊上，并形成3點(diǎn)動(dòng)態(tài)可調平支撐。

機床體氣浮隔振系統還需具備自動(dòng)調平功能，以防止機床加工中水平狀態(tài)變化對加工的影響。對于LODTM隔振要求高的機床，隔振系統的自然頻率要求在1Hz以下。

對于機床的液壓源、冷卻水源的脈動(dòng)也必須采取措施，如采取脈動(dòng)濾波裝置等。

（2）溫度控制。

對LODTM機床來(lái)說(shuō)，機床和工件尺寸大，受溫度影響也大。在同樣的切削量和線(xiàn)速度下，大工件的加工周期長(cháng)，溫度對加工精度的影響非常大。

因此，LODTM機床溫控要求非常高。如LLNL的LODTM機床，機床床體恒溫水、液壓系統控溫為0.0005℃，機房空氣控溫為0.003℃。

對于小型商品化的機床，溫度控制要求不需太高（0.5℃）。這是因為小零件的高速加工時(shí)間短，溫度影響相對較小且易控。

現代超精密機床研制實(shí)例——Nanosys-1000數控光學(xué)加工機床

2011年，依托于北京航空精密研究所的精密制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室研制出Nanosys-1000數控光學(xué)加工機床。這是我國研制成功的第一臺大型光學(xué)級加工水平的LODTM機床（圖2）。

機床本體水恒溫、主軸、導軌液壓系統恒溫為0.1℃，加工機房空氣恒溫為0.1℃。機床主要技術(shù)指標：工件尺寸范圍大于1m；測量、控制系統分辨率為納米級；加工面形精度為亞微米級；加工工件表面粗糙度為納米級。

Nanosys-1000機床系統的特點(diǎn)是:

（1）床身本體設計成整體類(lèi)龍門(mén)框架結構，具有高剛性、高穩定性及安裝、維修、工件裝卸、加工運行易操作性特點(diǎn)。

（2）機身整體坐落在4主動(dòng)式隔振氣墊上，形成動(dòng)力學(xué)3支撐，可隨著(zhù)加工中重心改變自動(dòng)調水平；隔振氣墊下的機床地基設計成具有橫向隔離的重力型減振形式；機床重心及工件刀具加工點(diǎn)設計在接近支持平面的位置，以最小化床身姿態(tài)變化擾動(dòng)影響。

（3）機床主軸、導軌均采用液浮靜壓軸承，并根據工作狀態(tài)，主軸采用低阻尼,導軌采用高阻尼油；Z垂直導軌托板設計成無(wú)干涉氣浮重力平衡機構。

（4）機床坐標測量采用衍射光柵測量系統；機床采用PC與多軸運動(dòng)控制器構成的開(kāi)放式數控系統。

（5）機床本體、主軸采用了無(wú)脈動(dòng)重力型水冷恒溫；液壓源采用恒溫、恒壓、脈動(dòng)濾波技術(shù)和裝置；機房設計為內外雙層恒溫控制：為了保證控溫精度,機床運行時(shí)，內機房處于無(wú)人狀態(tài)，操作人員在外恒溫隔離間監控。

超精密機床的未來(lái)展望

超精密加工機床系統總的發(fā)展趨勢是，要求更高的加工表面質(zhì)量和面形精度，加工尺寸趨于極大和極小兩個(gè)方向，同時(shí)要求復雜形面、不同材料的加工適應性等。

在提高加工表面質(zhì)量、面形精度方面，一方面繼續提高機床的精度、穩定性，另一方面通過(guò)加工工藝進(jìn)步引入復合加工功能等,如在多軸超精密自由曲面磨床上引入進(jìn)動(dòng)拋光等準確定性加工功能以提高表面質(zhì)量和面形精度。

超精加工所能達到的表面質(zhì)量、面形精度與元件尺寸、形狀、材料相關(guān)。未來(lái)最能反映機床精度水平的LODTM，加工精度穩定達到，表面粗糙度在1~5nm,面形精度可達亞微米（工件尺寸≥φ1000mm）。對于具有復合加工功能的機床，輔以測量技術(shù)還可進(jìn)一步從加工工藝上提高精度。

關(guān)于大尺度的發(fā)展應用，如適應未來(lái)空、天基強激光武器輕質(zhì)、高剛性金屬基主反射鏡加工的超大型SLODTM機床；地基超大口徑深空望遠鏡（如歐洲的Euro50（φ50m）、OWL（φ100m））拼接式離軸非球面鏡（數米尺寸）加工的多軸超精密磨削加工等（圖3）。

近年來(lái)，太赫茲（THz）作為一門(mén)新興技術(shù)得到了廣泛重視。太赫茲頻譜介于微波與紅外之間。太赫茲的獨特性能給反隱身探測、電子對抗、電磁武器、寬帶通信、天文學(xué)、醫學(xué)成像、無(wú)損檢測、安全檢查等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠的影響。太赫茲是未來(lái)超精密加工技術(shù)與機床廣泛和重要的應用領(lǐng)域。

從大的尺度來(lái)說(shuō)，太赫茲應用需求巨大,如太赫茲天線(xiàn)鏡面加工需求。

在小的尺度方面，太赫茲系統中的微型波紋喇叭天線(xiàn)（毫米級復雜形狀內腔、微米級加工精度）是未來(lái)所需解決的超精密加工難題之一。

超精密微機械加工機床的關(guān)鍵技術(shù)不在機床自身尺寸。由于運動(dòng)精度要求，這種機床尺寸不能做得太小,因而其關(guān)鍵技術(shù)在于機床結構，如工件的裝夾，在位測量、調整、對刀、微型超精密刀具等。

在加工面形的復雜度方面，由于太赫茲波束控制元件表面電磁特性，其設計元件面形更加復雜，如非對稱(chēng)賦形自由曲面等。

由于各種條件限制，超精密機床不可能做得太大。對于硬脆材料的超大型應用，如深空望遠鏡拼接式離軸非球面鏡片可用相應尺寸的多軸超精密自由曲面磨床加工解決，但對于太赫茲應用的金屬基（如鋁基等）相同尺寸或更復雜面形元件，這種機床就不適宜。

關(guān)于機門(mén)的未來(lái)趨勢,應發(fā)展XZC型LODTM超精密加工機床,實(shí)現較大矢高大型賦形復雜曲面零件的SPDT加工能力。

在加工材料方面，太赫茲應用更具多樣性。

發(fā)展超精密加工機床與系統，需重點(diǎn)突破解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：高精度、高分辨率、高穩定、大位移坐標測量系統,先進(jìn)控制算法（自適應控制、二階動(dòng)態(tài)無(wú)差控制等）的高性能多軸運動(dòng)控制器及超高精度環(huán)境控制技術(shù)等。