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超精密加工技术是 现代高科技产业和科学技术的发展基础，是 现代制造科学的发展方向。随着光学、医疗、航空航天和国防工业等领域需求的不断提高，由MEMS带来的基于硅半导体制造工艺的微细加工技术已经不能满足加工多种材料和复杂3D形状的要求，故采用传统的机械加工方法进行微细制造的研究受到人们 的重视。
与传统的加工机床相比，微小型机床具有低成本、高效率及高柔性的特点，成为开展微细切削加工研究的重要装备。近年来，国内哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京航空航天大学等单位相继开展了微小型机床方面的研制工作，但主要以微米级精度的实验样机为主，难以满足更高加工精度的需要。为此，我们 在前期研究的基础上，开展了亚微米级精度的微小型机床的研究。
一、微小型机床的组成为保证亚微米级的精度要求，对机床的结构设计和控制系统设计均提出了非 常高的要求，主要满足以下原则：高分辨率的运动控制精度、高静/动态刚度和优良的热稳定性。
研制的三轴联动微小型超精密微细铣削机床，采用立式龙门结构布局，机床总体尺寸为600mm*500mm*700mm，XYZ三轴的工作行程均为75mm。该机床由龙门式床身、高速电主轴、进给驱动系统、数控系统、电气液控制系统和监测系统等组成。
1、床身
机床床身采用花岗岩材料。与铸铁材料相比较，花岗岩物理性能稳定，具有更好的刚性、吸振性及热稳定性，花岗石平台能保证机床在运行中保持很高的机械精度和热稳定性。
2、主轴
目前，微细铣削加工使用的刀具多为直径0.1~1mm的硬质合金刀具。为达到材料去除的切削速度，要求主轴有极高的转速；同时，为了满足亚微米精度的加工，要求主轴的轴向和径向跳动极小。通过比较分析，决定使用英国Loadpoint公司专门为微细加工而研制的高速电主轴。该主轴采用气体静压 轴承支撑，轴向和径向跳动均小于0.125μm，最 高转速可达120000r/min，可以轻易实现0~120000r/min任意转速的无级调速。
3、进给驱动系统
由于机床要求达到亚微米级的运动控制精度，故对其进给驱动及运动控制系统提出了非 常高的要求。传统的伺服电动机+滚珠丝杠+滚动导轨的驱动方式，由于固有的摩擦、间隙、死区等非 线性因素的影响，系统往往会在亚微米级定位时产生极限环震荡，严重影响了机床运动控制系统的性能，使得系统无论是 在位置控制还是 在跟 踪精度控制方面均难以满足亚微米级的设计要求。为了避免上述情况的发生，保证亚微米级的精度要求，在本台超精密机床的设计中，尝试采用了永磁直线电动机直接驱动气体静压导轨的进给驱动方式。一方面，这种直接驱动方式减少了驱动元件数量，降低了摩擦，增加了系统的刚性，保证了机床具有足够高的静/动态刚度；但另一方面，该驱动方式的低摩擦、低阻尼的特性不容易控制，给数控系统的设计带来了更大的挑战。
4、数控系统
为实现高精度而设计的进给驱动方式具有高刚度、低摩擦、低阻尼的特性，这给机床数控系统的设计提出了更高的要求。该机床数控系统以工控机作为基础平台，嵌入PMAC高精度多轴运动控制卡作为运动控制器，构成开放式数控系统。由PMAC运动控制卡完成插补、位置控制等实时性任务，工控机作为上位机实现非 实时性任务。
5、视频显微监测系统
由于刀具尺寸及加工工件的特征尺寸一般在微米量级，为了方便对刀、测试以及对加工过程的实时检测，需要集成视频显微测量系统。该系统由高放大倍数的光学镜组、高分辨率的CCD摄像机、视频采集卡、高亮度光源及视频处理软件组成。
二、机床精度
一方面，床身花岗岩材料的选用和床身结构的设计优化，以及直线电动机直接驱动气体静压导轨的驱动方式，保证了机床良好的静/动态刚度和热稳定性；另一方面，数控系统的设计用于超精密切削加工的机床，不但要满足于亚微米级的定位精度和重复定位精度，同时要实现纳米级的微动性能。
高唐县鑫凯精密机械有限公司（http://www.xinkaijingmi.com）专业从事花岗石构件定做，系花岗石异型加工和精密加工的专业制造商，公司多年来一直从事大理石平板、济南青大理石量具的设计和生产，产品广泛应用于汽车、农机、电器、仪表、五金等生产领域。
