超精密定位音圈電機驅動控制系統(tǒng)

超精密加工的發(fā)展經歷了如下三個階段。

(1)20世紀50年代至80年代為技術開創(chuàng)期。20世紀50年代末，出于航天、國防等尖端技術發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削--單點金剛石切削(Single point diamond tuming，SPDT)技術，又稱為"微英寸技術"，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起，美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續(xù)推出

各自的超精密金剛石車床，但其應用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗研究，并以國防用途或科學研究用途的產品加工為主。這一時期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復雜的工件，但只限于軸對稱形狀的工件例如非球面鏡等。

(2)20世紀80年代至90年代為民間工業(yè)應用初期。在20世紀80年代，美國政府推動數(shù)家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學等也陸續(xù)推出產品，這些設備開始面向一般民間工業(yè)光學組件商品的制造。但此時的超精密加工設備依然高貴而稀少，主要以專用機的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質金屬的金剛石車床外，可加工硬質金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術特點是使用高剛性機構，以極小切深對脆性材料進行延性研磨，可使硬質金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當然，其加工效率和機構的復雜性無法和金剛石車床相比。20世紀80年代后期，美國通過能源部"激光核聚變項目"和陸、海、空三軍"先進制造技術開發(fā)計劃"對超精密金剛石切削機床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實驗室研制出的大型光學金剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經典之作。這是一臺最大加工直徑為1.625m的立式車床，定位精度可達28nm，借助在線誤差補償能力，可實現(xiàn)長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。

(3)20世紀90年代至今為民間工業(yè)應用成熟期。從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機的需求急劇增加，在工業(yè)界的應用包括非球面光學鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅動器磁頭、磁盤基板加工、半導體晶片切割等。在這一時期，超精密加工設備的相關技術，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導軌、油壓軸承導軌、摩擦驅動進給軸也逐漸成熟，超精密加工設備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產機器設備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產型設備。此外，設備精度也逐漸接近納米級水平，加工行程變得更大，加工應用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對稱非球面的光學鏡片。

世界上的超精密加工強國以歐美和日本為先，但兩者的研究重點并不一樣。歐美出于對能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國，幾十年來不斷投入巨額經費，對大型紫外線、x射線探測望遠鏡的大口徑反射鏡的加工進行研究。如美國太空署(NASA)推動的太空開發(fā)計劃，以制作1m以上反射鏡為目標，目的是探測x射線等短波(O.1~30nm)。由于X射線能量密度高，必須使反射鏡表面粗糙度達到埃級來提高反射率。此類反射鏡的材料為質量輕且熱傳導性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對超精密加工技術的研究相對美、英來說起步較晚，卻是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。日本超精密加工的應用對象大部分是民用產品，包括辦公自動化設備、視像設備、精密測量儀器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，具有優(yōu)勢，甚至超過了美國。日本超精密加

工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始，而后集中于計算機硬盤磁片的大批量生產，隨后是用于激光打印機等設備的多面鏡的快速金剛石切削，之后是非球面透鏡等光學元件的超精密切削。l982年上市的EastnlanKodak數(shù)碼相機使用的一枚非球面透鏡引起了日本產業(yè)界的廣泛關注，因為1枚非球面透鏡至少可替代3枚球面透鏡，光學成像系統(tǒng)因而小型化、輕質化，可廣泛應用于照相機、錄像機、工業(yè)電視、機器人視覺、CD、VCD、DvD、投影儀等光電產品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學產業(yè)界的研究熱點。

盡管隨時代的變化，超精密加工技術不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側重點有所不同，但促進超精密加工發(fā)展的因素在本質上是相同的。這些因素可歸結如下。

(1)對產品高質量的追求。為使磁片存儲密度更高或鏡片光學性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發(fā)揮，就要求加工后的表面不能殘留加工變質層。按美國微電子技術協(xié)會(SIA)提出的技術要求，下一代計算機硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0.2nm，磁盤要求表面劃痕深度h≤lnm，表面粗糙度Ra≤0.1nmp。1983年TANIGUCHI對各時期的加工精度進行了總結并對其發(fā)展趨勢進行了預測，以此為基礎，BYRNE描繪了20世紀40年代后加工精度的發(fā)展。

(2)對產品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。從1989~2001年，從6.2kg降低到1.8kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導體制造設備的運動精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質量及其完整性越來越重要。

(3)對產品高可靠性的追求。對軸承等一邊承受載荷一邊做相對運動的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，提高其工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。高速高精密軸承中使用的Si3N4。陶瓷球的表面粗糙度要求達到數(shù)納米。加工變質層的化學性質活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發(fā)，要求加工產生的變質層盡量小。

(4)對產品高性能的追求。機構運動精度的提高，有利于減緩力學性能的波動、降低振動和噪聲。對內燃機等要求高密封性的機械，良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰(zhàn)后，航空航天工業(yè)要求部分零件在高溫環(huán)境下工作，因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為超精密加工提出了新的課題。

超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03μm，表面粗糙度為Ra0.03～0.005μm)和納米級(精度誤差為0.03μm，表面粗糙度小于Ra0.005μm)精度的加工。實現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術措施，則稱為超精加工技術。加之測量技術、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個領域：超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。

a.超精密切削

超精密切削以SPDT技術開始，該技術以空氣軸承主軸、氣動滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得納米級表面粗糙度。多采用金剛石刀具銑削，廣泛用于銅的平面和非球面光學元件、有機玻璃、塑料制品(如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。此外，MEMS組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達50～100μm，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級，刀具直徑必須再縮小，其發(fā)展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。

b.超精密磨削

超精密磨削是在一般精密磨削基礎上發(fā)展起來的一種鏡面磨削方法,其關鍵技術是金剛石砂輪的修整,使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工對象主要是脆硬的金屬材料、半導體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細的磨削痕跡,殘留高度極小,加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用,可獲得高精度和低表面粗糙度的加工表面，當前超精密磨削能加工出圓度0.01μm、尺寸精度0.1μm和表面粗糙度為Ra0.005μm的圓柱形零件。

c.超精密研磨

超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關鍵條件是幾乎無振動的研磨運動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達0.025μm,表面粗糙度Ra達0.003μm。

d.超精密特種加工

超精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、微細電火花加工、精細電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復合加工。激光、電子束加工可實現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標志；離子束加工可實現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細放電加工可以實現(xiàn)極微細的金屬材料的去除,可加工微細軸、孔、窄縫平面及曲面；精細電解加工可實現(xiàn)納米級精度,且表面不會產生加工應力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應力加工的場合。

超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為“SPDT技術”（SinglePointDia-mondTurning）或“微英寸技術”（1微英寸＝0.025μm），并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）是英國超精密加工技術水平的獨特代表。如CUPE生產的Nanocentre（納米加工中心）既可進行超精密車削，又帶有磨頭，也可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。日本對超精密加工技術的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。北京機床研究所是國內進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達0.025μm的精密軸承、JCS—027超精密車床、JCS—031超精密銑床、JCS—035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內領先、國際先進水平。哈爾濱工業(yè)大學在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術等方面進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進行了深入研究，并有相應產品問世。我國超精密加工技術與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學和非金屬材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自動化技術方面差距尤為明顯。

0 緒論

0.1 超精密氣浮定位工作臺簡介

0.2 超精密定位工作臺的發(fā)展概況0.2.1 超精密定位工作臺的發(fā)展過程

0.2.2 國外超精密定位工作臺技術的現(xiàn)狀

0.2.3 國內超精密定位工作臺技術的現(xiàn)狀

0.3 超精密定位工作臺的關鍵技術

0.3.1 定位工作臺的直線導向技術

0.3.2 定位工作臺的控制技術

0.3.3 定位工作臺的驅動技術

0.3.4 定位工作臺的測量技術

0.3.5 定位工作臺的材料

0.4 本書的研究目的和主要內容

0.4.1 本書的研究目的

0.4.2 本書的主要內容

1 永磁同步直線電動機的基本原理及其控制

1.1 永磁同步直線電動機的結構和工作原理

1.1.1 基本結構

1.1.2 工作原理

1.2 直線電動機的建模與分析

1.2.1 永磁同步直線電動機的數(shù)學模型

1.2.2 永磁同步直線電動機中的磁場

1.2.3 永磁同步直線電動機的電磁參數(shù)

1.2.4 永磁同步直線電動機的d-a印軸模型和推力

1.3 交流永磁同步直線電動機的控制

1.3.1 傳統(tǒng)控制策略

1.3.2 現(xiàn)代控制策略

1.3.3 智能控制策略

1.4 本章小結

2 氣浮軸承模型及有限元分析法

2.1 靜壓氣浮支承潤滑系統(tǒng)概述

2.1.1 靜壓氣浮支承潤滑系統(tǒng)的組成

2.1.2 靜壓氣浮軸承的節(jié)流形式

2.1.3 靜壓氣浮軸承的節(jié)流原理

2.1.4 氣浮導軌的類型

2.2 氣浮軸承潤滑問題的描述

2.2.1 小孔流量節(jié)流公式

2.2.2 雷諾方程式

2.2.3 氣浮軸承潤滑問題的變分表示法

2.3 用有限元法解氣浮軸承的靜壓潤滑問題

2.3.1 有限元的劃分與插值函數(shù)

2.3.2 氣浮軸承潤滑方程的有限元法

2.3.3 有限元的計算過程

2.4 氣浮軸承的靜壓潤滑穩(wěn)定性

2.4.1 影響氣浮軸承穩(wěn)定性的因素

2.4.2 提高氣浮軸承穩(wěn)定性的措施

2.5 本章小結

3 氣浮軸承動力學建模與參數(shù)辨識

3.1 氣浮軸承的主要性能參數(shù)

3.1.1 氣浮軸承的靜態(tài)特性及主要參數(shù)

3.1.2 氣浮軸承的動態(tài)特性及主要參數(shù)

3.2 氣浮軸承性能參數(shù)的仿真計算與辨識

3.2.1 氣浮軸承性能參數(shù)的辨識方法

3.2.2 矩形氣浮軸承的特性及主要參數(shù)辨識

3.2.3 環(huán)形氣浮軸承的特性及主要參數(shù)辨識

3.3 氣浮軸承參數(shù)的實驗辨識方法

3.3.1 靜態(tài)測試方法

3.3.2 動態(tài)測試方法

3.4 本章小結

4 氣浮軸承動力學性能參數(shù)分析

4.1 結構形狀對性能參數(shù)的影響

4.1.1 分析方法

4.1.2 仿真模型

4.1.3 有限元計算結果與分析比較

4.1.4 結構形狀與性能參數(shù)之間的關系

4.2 結構設計對性能參數(shù)的影響

4.2.1 節(jié)流孔直徑的影響

4.2.2 節(jié)流孔高度的影響

4.2.3 壓力腔高度的影響

4.2.4 壓力腔寬度的影響

4.2.5 壓力腔長度的影響

4.2.6 結構設計參數(shù)與性能參數(shù)之間的關系

4.3 工藝參數(shù)對性能參數(shù)的影響

4.3.1 氣膜厚度的影響

4.3.2 供氣壓力的影響

4.3.3 工藝參數(shù)與性能參數(shù)之間的關系

4.4 本章小結

5 超精密氣浮定位工作臺動力學特性研究

5.1 氣浮定位工作臺的數(shù)學模型

5.1.1 氣浮定位工作臺的結構

5.1.2 氣浮定位工作臺的動力學模型

5.2 動力學參數(shù)的求解

5.3 動態(tài)特性的仿真分析

5.3.1 系統(tǒng)幅值的仿真計算

5.3.2 固有頻率的計算

5.3.3 外力對定位工作臺動態(tài)特性的影響

5.3.4 剛度對定位工作臺動態(tài)特性的影響

5.4 超精密氣浮定位工作臺動態(tài)參數(shù)的實驗研究

5.4.1 非氣浮狀態(tài)下的動態(tài)特性實驗結果與分析

5.4.2 氣浮狀態(tài)下的動態(tài)特性實驗結果與分析

5.4.3 基座中心至氣浮軸承中心的傳遞函數(shù)分析

5.4.4 y向直線電動機的定子至動子的傳遞函數(shù)分析

5.4.5 頻率對剛度參數(shù)靈敏度的影響

5.4.6 直線電動機系統(tǒng)多參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化

5.5 本章小結

6 超精密氣浮定位工作臺定位精度研究

6.1 氣浮定位工作臺直線運動的數(shù)學模型

6.2 混合趨近律的滑模變結構控制模型的建立與仿真

6.2.1 滑動模態(tài)及滑模變結構控制的基本概念

6.2.2 滑模變結構控制仿真模型的建立

6.2.3 基于混合趨近律的滑模變結構控制方法

6.2.4混合趨近律的滑模變結構控制方法的仿真

6.3 定位工作臺輸出位移的仿真實驗與精度分析

6.3.1 輸出位移的仿真實驗

6.3.2 控制精度的分析

6.4 超精密氣浮定位工作臺的定位精度實驗

6.4.1 實驗系統(tǒng)及測量系統(tǒng)

6.4.2 水平直線度的實驗結果與分析

6.4.3 垂直直線度的實驗結果與分析

6.4.4 非氣浮狀態(tài)下的定位精度實驗結果與分析

6.4.5 氣浮狀態(tài)下的定位精度實驗結果與分析

6.5 本章小結