精密和超精密机床精度建模技术
先进制造技术-3精密与超精密加工技术
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
6、3、1 研磨加工的机制和特点
超微细加工以电子束、离子束和激光束三束加工 为基础，采用沉积、刻蚀、溅射和蒸镀等加工手段进 行各种处理。
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
4、超精密加工的主要研究领域包括:
超精密加工技术是以高精度为目标的技术， 它必须综合应用各种新技术，在各个方面精益 求精的条件下，才有可能突破常规技术达不到 的程度界限，实现新的高精度指标。
6、2 超精密磨削
加工精度：0.1um，Ra0.002~0.02um的磨削方法 超精密磨削一般采用细粒度（80＃－400＃)砂轮，经过 精细修整，光磨4－6次，便可获得粗糙度为Ra 0.005 ~ 0.02 um的加工表面。
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
（1）超精密磨削表面的形成机制
超精密磨削获得的极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精 细修整得到的大量的、等高性很好的微刃来实现微量切削 作用。
升，以后磨损逐渐减慢。 注：由于积屑瘤的原因，一般将研磨好的锋利刀
尖有意加工成理想的稳定的磨损状态。 2）切削速度和振动
提高切削速度有利于获得良好的加工表面，但注意 以不产生振动为准则。
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
(a) 直线刃刀头 (b) 直线刃刀头
(c) 圆弧刃刀头
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
精密与超精密加工技术
数控机床精度快速建模技术研究_朱建忠
参考文献:[1] Kuni o U oharo .Fundam ental A pp roach to the T her 2m al C rack of Cem ented Cutting Too ls .A nnals ofthe C I R P ,1981,30(1):256～259[2] 王志勇.端铣加工中刀具的破损机理及计算机破损检测技术的研究:[博士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1991.[3] T hom as J L ,L am bert B K .A Statistical A nalysisof A ccelerated V ersus Conventi onal M ethods of Too l L ifeT esting .NAM RC -II P roceedings ,D ear 2bo rn ,M ich igan ,S M E ,1974:139～150[4] 李兆前,艾兴.刀具材料常规机械性能的随机特性.中国机械工程学会生产工程分会首届青年学术研讨会论文集.北京:机械工业出版社,1993:76～80[5] 李兆前,王瑜,艾兴.刀具材料断裂力学性能的随机特性.中国机械工程学会生产工程分会首届青年学术研讨会论文集.北京:机械工业出版社,1993:81～85(编辑 周佑启)作者简介:于 涛,男,1956年生。
德州学院(山东省德州市 200032)副院长、教授。
研究方向为生产加工过程中的质量控制等。
曾获省科技进步二等奖2项。
出版著作6部,发表论文60余篇。
黄传真,男,1966年生。
山东大学(济南市 250061)机械工程学院副院长、教授、博士研究生导师。
文章编号:1004-132 (2001)06-0709-03数控机床精度快速建模技术研究朱建忠 副教授朱建忠 田江红 李圣怡 摘要:针对误差补偿技术中精度模型与误差测量的难题,提出了基于神经网络的机床精度快速建模方法,对模型结构及训练样本采集方法进行了深入的探讨,结合DU R GA -30加工中心进行实验研究,并与传统建模方法进行了对比。
常用精密加工和超精密加工方法
常用精密加工和超精密加工方法(1)钻削加工：是将工件上的金属材料在刀具作用下进行来回转动，把车削面旋转出来，是加工圆柱形、锥形、凹形孔和凹陷、螺纹等零部件表面等的单一机床加工方法。
(2)车削加工：是指加工零件时借助车刀切削，用于加工外螺纹、花键、形状方程式曲面及其他复杂曲面等外形精密零部件。
(3)铣削加工：是指利用滚筒式或刀片式的刀具的移动和旋转，把工件表面形成各种曲面的一种机床加工方法，主要用于加工工件体上的平面、槽、沟等工件表面。
(4)磨削加工：是指采用研磨轮加工工件表面，采用悬磨或抛光技术将其加工精度提高，使其表面光洁度、粗糙程度达到要求的一种机床加工方法。
(5)拉铆加工：是指拉铆头将两个工件紧固在一起，从而使两个工件处于相对固定的位置，而不受旋转影响的一种加工方法，是将机械元件拉铆加工的技术。
(1)水切削加工：是将工件表面由削刀削成薄片，然后由水冲刷把薄片去除，达到精密加工表面粗糙度和平整度要求的一种加工方法。
(2)气刀加工：是将刀具用空气喷射动力使得刀具旋转，切削工件的加工方法，可以实现高速、大功率的切削，适用于切削金属界面、铸件、钢材等表面加工。
(3)超声波加工：是指使用超声波让工件表面产生振动，来切削、拉分和焊接工件表面等加工方法，可以达到更高的精度和更小的表面粗糙度，并且可以实现连续加工。
(4)电火花加工：是一种快速高效的切削方法，主要是通过产生火花后，再通过冲击脉冲和热能来融化微小部份表面材料，从而实现准确切削的一种加工方法。
(5)激光加工：是通过产生强大的激光能，对工件表面进行破碎溶解而实现加工的一种加工方法，可以获得极高的切削精度、平整度和极好的加工质量，和小尺寸孔、槽加工。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术引言精密和超精密加工技术在现代制造业中扮演着重要的角色。
为了满足高质量、高精度、高效率的加工需求，机床设备技术不断得到改进和发展。
本文将介绍精密和超精密加工的机床设备技术，并探讨其在制造业中的应用。
1. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在工程加工中，对尺寸精度和表面质量要求较高的加工方法。
精密加工的关键在于机床设备的稳定性、刚性和精度。
以下是精密加工机床设备的几个关键技术：1.1 数控技术数控技术是精密加工中最为关键的技术之一。
通过数控技术，可以实现机床的高精度和高效率加工。
数控技术的应用可以大大提高生产效率，并且减少操作人员的工作强度。
1.2 精密传动系统精密传动系统是精密加工机床设备的核心组成部分。
精密传动系统的设计与制造涉及到轴承、传动装置、伺服驱动装置等多个方面。
通过精确的传动系统，可以提高机床的精度和稳定性。
1.3 线性驱动技术线性驱动技术是现代机床设备中的重要发展方向之一。
相比传统的滚动轴承驱动，线性驱动技术能够实现更高的速度和更高的精度。
线性驱动技术可以用于各种类型的机床设备，包括数控机床和超精密加工机床。
2. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在微米甚至纳米级别下进行加工的技术。
超精密加工在光学、光电子、半导体等领域具有重要的应用。
以下是超精密加工机床设备技术的几个关键技术：2.1 超精密控制系统超精密控制系统是实现超精密加工的关键技术之一。
通过超精密控制系统，可以实现对微小位移和应力的精确控制。
超精密控制系统需要具备高精度、高灵敏度和高稳定性的特点。
2.2 超精密磨削技术超精密磨削技术是超精密加工的核心技术之一。
超精密磨削技术可以实现对工件表面的精确修整和光洁度的提高。
超精密磨削技术需要借助特殊材料和磨削工具，并配合高精度的机床设备。
2.3 超精密检测技术超精密加工过程中，对工件的检测和测量要求非常高。
超精密检测技术可以实现对工件尺寸、形状和表面质量的高精度测量。
精密和超精密加工的机床设备
高精度、高效率、高表面质量、 低误差、低能耗等。
应用领域
01
02
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04
航空航天
制造飞机发动机叶片、涡轮盘 等关键部件。
汽车制造
加工发动机缸体、曲轴等精密 零部件。
能源领域
制造核聚变反应堆中的超导线 圈、太阳能电池板等。
医疗器械
制造人工关节、牙科种植体等 医疗器件。
发展历程与趋势
发展历程
从20世纪50年代开始，精密和超精密加工技术经历了从简单磨削 到复杂切削，再到超精密切削的发展过程。
航空航天领域的应用案例
案例一
某航空发动机制造企业使用超精密加 工机床，对涡轮叶片进行高精度磨削 和抛光，提高了发动机性能和可靠性 。
案例二
某飞机制造企业采用精密加工机床， 对机身结构件进行高精度切割和加工 ，确保飞机整体装配精度和质量。
汽车工业领域的应用案例
案例一
某汽车零部件制造企业使用精密加工 机床，对发动机缸体进行高精度加工， 提高缸体质量和性能，降低发动机故 障率。
柔性化
为了满足多品种、小批量生产的需求，未来精密和超精密加工机床将采用模块化设计、可 重构制造系统等技术，提高机床的加工范围和适应能力。
新材料、新工艺的应用
新材料
随着新材料技术的发展，未来精密和超精密加工机床将采用新型高强度、高硬 度、轻质材料，提高加工效率和加工质量。
ห้องสมุดไป่ตู้新工艺
为了满足复杂形状和特殊材料的加工需求，未来精密和超精密加工机床将采用 新的切削工艺、光整加工工艺和复合加工工艺等，提高加工精度和表面质量。
伺服驱动技术
采用先进的伺服驱动技术， 实现高精度的位置控制和 速度控制。
插补算法
精密和超精密加工技术
1、通常将加工精度在0.1-1um、加工表面粗糙度R在0.02-0.1um之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1um、加工表面粗糙度R小于0.01um的加工方法称为超精密加工。
2、提高加工精度的原因：提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
3、精密和超精密加工目前包含三个领域：超精密切削；精密和超精密磨削研磨‘精密特种加工。
4、金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。
5、金刚石刀具有两个比较重要的问题：晶面的选择；切削刃钝圆半径。
6、超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿五个方面的条件。
7、我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下四个方面：1）超精密切削、磨削的基本理论和工艺。
2）超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性。
3）超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿。
4）超精密加工的环境条件。
5）超精密加工的材料。
8、超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
9、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境等都直接有关。
10、为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。
2）切削刃钝圆能磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径r值极小，能实现超薄切削厚度。
3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。
4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因素低，能得到极好的加工表面完整性。
11、SPDT——金刚石刀具切削和超精密切削。
12、晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象称为解理现象。
精密与超精密加工技术
精密与超精密加工技术综述0 前言就先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域1。
前者包括了精密加工、超精密加工、微细加工，以及广为流传的纳米加工，它追求加工上的精度和表面质量的极限，可统称为精密工程；后者包括了设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是提高产品质量的有效方式。
两者有密切联系，许多精密和超精密加工要靠自动化技术才能达到预期目标，而不少制造自动化则有赖于精密加工才能达到设计要求。
精密工程和制造自动化具有全局性的、决策性的作用，是先进制造技术的支柱。
精密和超精密加工与国防工业有密切关系。
导弹是现代战争的重要武器，其命中精度由惯性仪表的精度所决定，因而需要高超的精密和超精密加工设备来制造这种仪表。
例如，美国“民兵”型洲际导弹系统的陀螺仪其漂移率为0.03～0.05°/h，加速度计敏感元件不允许有0.05μm的尘粒，它的命中精度的圆概率误差为500m；MX战略导弹(可装载10个核弹头)，由于其制导系统陀螺仪精度比“民兵—Ⅲ”型导弹要高出一个数量级，因而其命中精度的圆概率误差仅为50～150m。
对射程4000km的潜射弹道导弹，当潜艇的位置误差对射程偏差的影响为400m、潜艇速度误差对射程偏差的影响为800m、惯性平台的垂直对准精度对射程偏差的影响为400m时，要求惯性导航的陀螺仪的漂移精度为0.001°/h、航向精度在1′以上、10小时运行的定位精度为0.4～0.7海里，因此，陀螺元件的加工精度必须达到亚微米级，表面粗糙度达到Ra0.012～0.008μm。
由此可知，惯性仪表的制造精度十分关键。
如1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴为0.5nm时，就会造成100m的射程误差和50m的轨道误差；激光陀螺的平面反射镜的平面度为0.03～0.06μm，表面粗糙度要求为Ra0.012μm以上；红外制导的导弹，其红外探测器中接受红外线的反射镜，其表面粗糙度要求达到Ra0.015～0.01μm［2］。
精密与超精密加工技术课件
珩磨效果受到多种因素的影响 ，如磨石的粒度、粘结剂的类 型、珩磨头的转速和压力等。
电解加工工艺
电解加工工艺概述
电解加工是一种利用电化学反应去除 工件材料的加工方法，具有加工精度 高、表面质量好等特点。
电解加工工艺流程
电解加工工艺通常包括工件表面处理 、电解液的选择和调整、电解加工设 备的设置以及加工参数的控制等步骤 。
、汽车和航空领域。
陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和 耐高温等特点，常用于制造刀具、 磨具和高温部件。
复合材料
复合材料由两种或多种材料组成， 具有优异的综合性能，如碳纤维复 合材料具有高强度和轻质的特点。
复合材料
玻璃纤维复合材料
玻璃纤维复合材料具有高 强度、高刚性和耐腐蚀等 特点，广泛应用于建筑、 船舶和汽车领域。
抛光效果受到抛光轮的材料、转速、抛光膏或抛光液的成分以及抛光 压力等因素的影响。
珩磨工艺
珩磨工艺概述
珩磨是一种利用珩磨头上的磨 石与工件表面进行摩擦，以去 除表面微小凸起和划痕的加工
方法。
珩磨材料
珩磨头上的磨石由硬质颗粒和 粘结剂组成，具有较高的硬度 和耐磨性。
珩磨工艺流程
珩磨工艺通常包括工件表面处 理、涂敷润滑剂、珩磨头的旋 转运动以及工件的往复运动等 步骤。
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料具有高强 度、轻质和耐高温等特点 ，常用于制造航空器和体 育用品。
金属基复合材料
金属基复合材料以金属为 基体，加入增强纤维或颗 粒，以提高材料的强度、 刚度和耐磨性。
04
精密与超精密加工工艺
研磨工艺
研磨工艺概述
研磨材料
研磨是一种通过研磨剂去除工件表面微小 凸起和划痕的加工方法，以达到平滑表面 的效果。
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几何精度建模
3.几何精度建模理论发展 4.多体误差分析与建模运动学理论概述 多体系统几何结构（描述方法：1.基于图论；2.低序体阵列） 作用：几何描述 （典型体Bj相对于Bi的运动情况—方阵—多体系统坐标系） 转变矩阵（理想运动） 坐标变换，平移，旋转
1
几何精度建模
转变矩阵（实际运动） 函数变分概念 变分阵=应变阵+旋转阵+纯平移阵 静止状态——误差取决于联接精确性和内外因素影响 运动状态——误差取决于运动精确性和运动量 线误差和角误差的变换阵 5.多体系统动力学方程 零级运动方程？（理想和实际） 6.多体系统约束 结构约束（自由度） 相对运动约束（约束方程）
3.精密车削的建模和分析
拓扑结构和特征矩阵 刀具模型方程-车刀轨迹参数方程 仿真
4.非球面面形建模和分析 a.杯形砂轮（加工陡度高）；b.平行砂轮；c.球形砂轮（修整） d.离轴非球面的加工方式 误差分析：加工残留误差直接影响工件的面形精度 砂轮形状误差（磨损，安装倾角）
3
5.单点超精密车削
刀具及加工表面形貌建模
误差辨别过程：测量误差——建立方程——求解 3.十二线法（9条边+3条对角线） 4.试验系统 结论：九线法与十二线法的结果比较接近， 只有垂直度误差差距较大。
初始点出发3条边——位移误差 另外6条边——颠摆和偏摆误差 3条对角线——滚摆误差
九线法，十二线法，十四线法，十五线法，二十二线法
5
1.虚拟加工
2.精密机床的发展和误差描述 加工的尺寸、形状精度： 精密加工技术：0.1~1μm，Ra≤30nm 超精密加工技术：0.1~100nm，Ra≤10nm
超精密加工条件 误差分析：外部误差，内部误差。 建模目的：主要建立机床几何误差和刀具成形误差的模型。 机床几何误差项（每个轴有6项基本误差） 精密和超精密机床加工精度要求
致谢感恩
THANKS TO
学习汇报
CONTENTS
学习进度
1 2 3
遇到问题
未来计划
1
学习进度
1
学习进度
超精密机床知识学习
1.几何精度建模 2.精度模型和应用 3.刀具及加工表面形貌建模 4.激光干涉仪误差检验 5.虚拟加工技术
1
几何精度建模
1.误差的基本知识 精准度，重复度，分辨率的概念 误差特性和分类（系统，时变，随机性，过失） 表面粗糙度（参数）及评价
4
1.激光干涉仪基本原理
激光干涉仪误差检验
机床误差检验与性能评价：1.综合误差检验评定；2.单向误差检测评定 a.双频激光干测量仪 b.新型单频激光干涉测量仪 应用：鉴定检验仪器，机床的反馈元件 光线受环境条件约束
2.九线法 基本思想：利用工作台坐标系中9条直线上的位移误差和直线度误差来识别三轴机床的所有21项基本 几何误差
虚拟加工技术
构成：虚拟加工环境，虚拟机床加工系统，虚拟加工过程和可视化加工精度评定系统 2.虚拟加工过程
5
3.误差补偿பைடு நூலகம்略
虚拟加工技术
修正数控：1.直接计算出实际数控指令；2.在理论数控指令上叠加一个附加指令。
虚拟加工仿真
6
响应面法 1.响应面：输出响应变量 Y与一组输入变量x（x1，x2…xn）之间的 函数关系。 作用：1.模型近似；2.设计空间探索；3.优化问题的准确表达；4.优化方法的支持。 构造：1.在设计空间内采集点，形成设计点集S； 2.仿真计算，获得响应数据集Y； 3.根据不同的算法由S和Y构造不同的响应面模型。 使用时考虑的因素：1.响应面的精确度；2.源模型的仿真估值次数；3.构建和优化响应面的时间 4.响应面占用的储存空间；5.利用响应面模型对给定点的估值数速度。 2.实验设计方法 1.经典采样：（1）全因子试验：将试验的各个因素在各个不同水平下的完全组合来做试验的方法。 （2）部分因子试验 （3）中心复合试验（二次多项式响应面模型） 2.全空间分布采样：（1）网络采样；（2）拉丁超立方采样；（3）正交表设计 3.自适应序列试验设计法 4.常用响应面模型 （1）多项式回归模型RSM （2）标准kriging模型
2
问题反馈
2
问题反馈
1
零级运动方程的来源
问 题
2
目前看到响应面法还是比较抽象，就懂得一些表面的理论，至于如何构造还不
是很清楚
3
未来计划
3
未来计划
计 划
第一阶段：先把握好基础学习，看看相关的论文，学习一下别人的一些实验方法， 误差测量方法和响应面法优化方法。 第二阶段：做实验，然后用学到的知识分析，判断加工表面的形成过程，误差的形成 过程，然后列出方程公式，最后用响应面法优化方程，得到最优解。 第三阶段：组织好语言，写成论文。
2
精度模型和应用
传动机构的摩擦 摩擦机理：弹性滞后，塑性变形，界面粘着，界面微滑 传动机构的反向间隙 静态间隙和动态间隙 开环系统：“切顶”现象 （半）闭环系统：对系统稳定性和输出轨迹光滑性的影响 超精密加工必须消除传动间隙——预紧法 滚珠丝杠对直线度的影响（变形，自重……）
3
1.建模
刀具及加工表面形貌建模
本章主要结合了刀具的几何形状、进给速度、主轴转速、刀具与工件的相对振动等影响因素，进行建模仿真 建模方法：1.有限元法；2.分子动力学模拟法；3.运动学和切削机理的分析方法 2.刀具模型和轮廓加工误差 切削刃：单点刃刀具，线形刃刀具，面形刃刀具 直线轮廓误差：实际位置与刀具指令直线轨迹的最小偏差。 曲线轮廓误差 自由曲面轮廓误差 误差表达方法。
1
几何精度建模
7.多轴机床成形运动 运动轴命名—机床分类 成形运动（刀具与零件的相对运动） 成形点，刀具轨迹，成形函数 Y TTTRR
Z
X
2
精度模型和应用
1.超精密车床和大型超精密五轴机床成型运动和空间误差建模 拓扑结构、低序体阵列和特征矩阵（与第一章基础类似，运用到实际机床中）
主要误差：工件装夹误差，主轴误差，导轨误差，工作台定位误差，机床 非刚体误差 机床的特征矩阵（理想与实际运动）—成形函数与运动约束方程
2.超精密回转轴系的误差建模 6项基本误差：定位误差，滚转误差，位移误差，颠转误差，偏转误差（误差识别） 测量方法：回转误差——在用三个传感器进行零件和主轴误差的分离 主轴偏角误差——打表找正，试车法，检测盘然后误差分离 3.滚珠丝杠的特性和精度分析 微动特性：丝杠在传递微米甚至纳米级的运动时表现出来的特性 宏观运动特性：丝杠在传递宏观运动时表现出来的运动特性 结论：丝杠的轴向受力变形和扭转变形均是线性的，唯有滚珠与滚道之间的接触变形是非线性的。 滚珠与丝杠，滚珠与螺母之间是弱刚度环节，刚度和预紧力是非线性的。 机床进给机构中的接触刚度决定了机床进给机构的刚度。
影响加工表面形貌：切削刃的几何形状、进给速度、主轴转速以及振动（刚度） 刀具干涉：过切和欠切现象 刀具干涉与切削参数包括切削刃圆弧半径，进给量以及振动频率幅值有关。 6.飞切加工三维形貌仿真 飞切加工表面形貌建模算法 7.超精密车削表面特性分析与相对振动 FFT分析表面轮廓 径向轮廓：a.进给量对工件表面频谱的影响 b.振动对工件表面频谱的影响 周向轮廓：振动的影响 螺旋方向：进给量内的起始点相关