高精度的机床是如何制造的呢? 难道也是用比它精度低的机床制造?

大家都知道任何高精尖的制造业都需要精度很高的机床,而德国是这方面的专家, 而机床的差距使得我们的制造精度非常有限。 那么我想问下,高精度的机床是如何制造的呢? 难道也是用比它精度低的机床制造?? 求解 各位达人!

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34个答案
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Camel机械工程硕士生,DIYer

2012-04-23 02:37

高精度机床的制造涉及的东西很多,根据我现在所学,我觉得虽然零件的加工制造固然重要,但是一颗淡定的心其实更是不可或缺。

比如精密机床的床身加工好了后,是不能急着用的,要在室外拿油布包好放几年,释放应力。这是为了防止机床装配调平好后,底座再发生形变。现在一般超精密磨床和机床的底座都采用大理石,因为大理石消除振动的性能比较好,热变形也比钢结构小。
又比如精密机床一般都装配在一个恒温罩或者是恒温厂房内,如果是超精密机床,这个恒温房一般还要精确控制室内温度,不仅要做到冬暖夏凉,也要考虑到快速排出机床运行加工时的产热,尽可能把热形变控制在最小。

零件加工方面,说最好的机床都是手工做的实在不靠谱,的确如剑寒秋水所说,牛逼的师傅能做出0级精度平板平面,也就是说把课桌大小的一块平面的平面度公差控制在7微米,大概头发丝的百分之一粗细那么个波动,但是再精密些的平面,大师傅就比不过大工程师和巨额的资金了。
前段时间查资料[1],看到清华大学设计装配了一个光学镜面超精密加工机床,最大能加工直径为880毫米的光学镜面。他们在硬铝上加工出了表面粗糙度5纳米,直径400毫米球面,用无氧铜加工出了直径100毫米,表面粗糙度8纳米的非球形面。注意,这里表面粗糙度的单位是只有微米千分之一的纳米了,8纳米只相当于20个水分子一字排开那么长,大师傅是肯定辨认不出来的,因为他的一滴泪中就有10的22次方个水分子。

那么这样的精度是怎么达到的,最高的精度从理论上来说取决于什么呢?

我在文章开头提到要做好机床就要淡定,在此基础之上,精度主要取决于对机床误差的控制,根本上又取决于检测手段的分辨率和机床的分辨力(以下都是教学状态下的典型栗子,不代表该机床的实际运行情况):

根据机床误差控制手段的不同,对机床精度的检测手段也不一样,比如要在加工工件时检测机床的误差,就要用在线检测手段,边加工边检测。上文我提到的机床就很典型,它采用装在导轨上的纳米光栅测量加工台面到底跑了多少(这个纳米光栅的分辨率我忘了,总之就是几个纳米的范围内。不要纠结于细节,来看栗子吧)。如果伺服轴根据命令要运行5000纳米,光栅检测到由于热误差,这个加工台面其实跑了5010纳米,那么控制系统就让伺服轴就移回4090纳米,再向前运行到5000纳米。这样就把误差从10纳米缩小到了光栅能检测到的最小范围内。至于为什么要回到4090而不是5000,因为有“反向间隙”的问题,有兴趣的同学自己搜一下吧。

然后就是分辨力,上面我提到的那个超精密机床采用大理石床身,4轴数控联动,以及全气浮支承和零传动结构,机床主轴回转精度0.05μm,直线伺服轴分辨力1.25 nm,回转作台角位移分辨力0.009~bala~bala。不管那么多复杂的名词,我们要简单的理解误差补偿,只用理解分辨力就够了,分辨力1.25纳米就是说机床走一步最少要迈出去1.25纳米。为什么分辨力重要呢,比如纳米光栅检测到刀具在伺服轴上实际运动到了5002纳米,要回到5000纳米的位置,就不可能了,理想状况下的最小误差也会有0.5纳米。

实际状况下,要做到效果较好的误差补偿比以上这个栗子复杂多了,因为误差可能分布在某轴的6个自由度上,再带上个导轨直线度误差、导轨间垂直度误差什么的。如果说这些硬着头皮还能用数学算出来,再考虑下加工的工件不一样,加工平台起始的动量就都不一样,加工时间也有区别,那么机床产热也自然不一样,产热的区间有变化时机床的热膨胀就跟着变化,一会儿拖板翘了个兰花指给X轴带来俯仰误差,一会Y轴又热变形扭曲了直线度变化了,冷却液撒到工件上尼玛缩下去了好几微米啊肿么办,喂我花了一个普通数控机床的钱买来的纳米光栅就只能补偿一个自由度上的误差?呃,总之要做最精密的机床,一颗淡定的心绝对是不可或缺,当包括但不仅限于以上的问题一个一个逐步解决掉的时候,就能在精度上更进一步,就能制造出大家所泛指的工业拇姬了。

Q&A
@剑寒秋水 :上面提到的机械加工零级精度平面,那么这台机械自身的精确度如何保障?【机床主轴回转精度0.05μm,直线伺服轴分辨力1.25 nm】从何而来?它可以来自另一台更高精度的机械吗?对它进行测量的器具的精度从何而来?

主轴回转精度是需要通过双频激光干涉仪测量以后才知道的,双频激光干涉仪细分以后的最小分辨率能达到10个纳米。一般测到这个数量级的时候,除了要找稳定的测量环境,还要用到干涉仪的温度湿度补偿模块,因为此时环境变化已经能让测量结果产生很大漂移了。
至于1.25nm的事情,文献中是这么写的,这也不是我的课题我也不知道具体怎么实现的。。。我只能通过常理大致解释一下。
一般来说呢直线伺服轴的分辨力是不用测量的。是买来就有标,或者算出来的。
这台机床是“直线电机、气浮导轨和纳米级分辨力光栅”。记得我之前说过两个要素吧,“检测手段”加“分辨力”。有纳米光栅这个检测手段的话,其实就差一个执行机构了。不幸的是直线电机我没好好研修过啊,不太清楚具体驱动器是怎么控制到这种精度的。
我只好就“为什么这个分辨力是算出来的”做个解释,用一般执行机构给你举个大毛栗子。你看一般比较常用的丝杠一个螺距是4mm,就是说丝杠转一圈儿,滑块跑出去4毫米。伺服电机随便抓一个,加上DSP细分芯片分个32份儿,就可以达到6400个脉冲转一圈的程度。4毫米除以6400……你看,就算出来一脉冲只跑0.625微米了……
超精密数控机床的精度其实挺反直觉的,你去看下机床展就会有体会,做激光板材切割的机床,看着他明明跑的快到能把人撞死的导轨,就神奇的能在一个毫米之内停下来,-。-,还有工件转台和刀头上连根0.5mm自动笔芯,绕的速度快到你看都看不清。。。现代机械真的已经大大超越老师傅了,这没什么无法接受的,因为这不是机器超越了人,是人超越了人,是把老师傅的能力提炼出来的人超越了老师傅而已。


参考文献:
[1] 李勇等,大口径光学镜面超精密加工机床的研制,纳米技术与精密工程2010年05期

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agein兵器科学与技术专业博士生

2012-04-21 13:59

一开始是这样的。低精度说的是公差大,但是不是说加工不出高精度零件,大量加工并测量出符合要求的零件,就可以得到高精度机床。之后继续循环得到更高精度的,或者利用高精度机床加工大量中精度机床。

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我这个作为曾经在数控机床厂装配车间的人来解释下吧。
其实作为一台机床,假设他的加工精度在万分之一毫米级别的情况下,那机床的零件本身的误差是要控制在十万分之一毫米的,最后在装配过程中一点一点的由装配工人调试装配好;这个过程很漫长,可能在一个零件上就要拆装几十遍,装完检测,不合格再返工,再检测,再返工,直至最后检测通过,再进行下一步零件的安装;尤其是机床导轨的安装,这个最烦人,需要用到的检测工具就一大堆,但是检测完毕,发现问题以后能处理的其实就是一把铲刀和红色油泥慢慢修正导轨接触面的误差。
其实高精度机床只是相对性,零件加工误差是一个方面,装配误差也是一个方面;打一个比方,普通车床生产零件如果要加工到数控车床的精度,其实也不是不可能,但是需要一个经验老到的技师和一个漫长的机床调整过程;但是在时间和效率方面,普车就远远落后于数控机床了。

让我们假设这样一个情况,一个工厂机床只有加工万分之一的精度,如果要他生产十万分之一的情况下面,行不行呢?可以,但是这是需要时间和技术人员的支持

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许佩峰电饭锅终结者

2012-04-21 18:58

这个,我觉得手工做不可能。我们现在正在安装一台北一的5*20M的龙门铣,X轴龙门行程21米五,Y轴行程7米,Z轴行程2米,W轴行程3米,这么大一家伙,全靠手工,精度根本就是无法保证的。据北一的安装人员说,他们那大部分都用的自己的床子,只有少部分关键部件用的是进口的。。。

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mcindy心理学爱好者

2012-04-24 13:14
支持者: 布欧 yaodi

俺们公司是德国最好的工具磨床制造商之一~话说我们的床子确实是手工做滴,但是精度的保证一方面是元器件本身的精度,另一方面是结构问题,好的结构能够保证机床滴刚性以及好的跳动~还有就是像编码器与光栅尺的全闭环配置就是提升精度的一个有利条件。

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我是做机械加工的,个人觉得想要制造出高精度机床
1高精度机床本身的设计
2怎样把高精度机床加工出来


制造方面
1加工母机床
2工艺
3检测手段
4工人的操作技能
5先进的管理

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支持者: mishung 馒头老妖

这是肯定的啥,试想精度高的是用比它精度还高的造出来的,那么那个精度更高的又是用什么造出来的呢?。。。岂不就是无限循环了,这不科学。。。

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支持者: 下午人间

可以看看这本书<how to draw a straight line>,讲的是人类在只能制造旋转铰链的情况下,如何产生精密的直线运动

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支持者: yaodi

在真空中进行离子束加工,尺寸精度最高可大0.01μm,表面粗糙度同样最高可达Ra0.01μm。
激光加工、电子束加工尺寸精度最高可达0.001μm,而粗糙度Ra值较大,最高精度在Ra10μm。
而研磨尺寸精度可达0.001μm,表面粗糙度最高精度在Ra0.006μm。
电解磨削尺寸精度最高可达0.001μm,但粗糙度最高精度在Ra0.04μm。

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支持者: yaodi

精密的机床是用工艺保证出来的,还有工人的认真细致。
同样的设备,不同的人,做出的精度就是不一样。
误差大,可以用测量分组配对来实现精密配合。

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billjwd摄影,骑行,MAKER

2012-05-12 21:29

手工加工精度必然有个上限,而且机床迟早要逼近这个上限的(也许只会早不会迟),最好的机床是手工磨得似乎不靠谱啊。

1楼介绍的 “清华大学设计装配的光学镜面超精密加工机床” 这个是怎么制造出来的啊?

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支持者: yaodi

我举个我知道的例子吧
传统的手工磨制球面镜片(也可以做平面)
两块圆形的平玻璃用刚玉粉作为磨料加水夹在中间用手推着上面一片玻璃与下面的磨,由于余弦磨耗的原因上面一块会变成凹球面,下面一块变成突球面。
然后用手工的模板粗步测量弧度,要达到时改用细磨料,然后精磨。
清洗后用沥青加热溶化浇在玻璃上用两片玻璃夹紧等固化就开始加入抛光剂抛光。变抛光便用一种刀片法测量球面是否正确。
磨平面的话上下两片玻璃要时常换位置,用薄膜干涉的方法测量平面度

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支持者: yaodi

高精度机床零件精度、装配精度是一方面,另一方面可以对误差进行统计分析,采用误差补偿控制手段提高精度

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是的,在德国这样面做的很好,很多机床都是德国和日本做的比较好。所以德国的手工业技术格外好

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林讷环境工程博士生,计算机爱好者

2012-04-23 12:20

求高人解释下几轴联动~

@camel @剑寒秋水

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一颗淡定的心
果断亮了.
这个估计是问题的关键

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确实如此 我也是搞机电的 加工 低级到高级 是伴随着从手工到机器的 然后从高级再上一级 确实需要又回到手工的
现在的好钳工有少了 唉

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裤叔Kuso材料学工程师

2012-04-24 17:39

现在检测手段的精度大大高于加工精度。所以用低精度机器大量制造工件,然后从中挑选来提高精度~

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liyefu力学工作者

2012-04-24 22:18

所以工厂的老师傅有时候真的很牛逼

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粗糙的东西可以造出精致的东西么?我认为可以。关键在于有没有一个放大,缩小的机制和结构。有了放大境,我可以看到肉眼看不到的东西,螺旋测微器,你旋转误差大,反应在刻度上的误差非常小。

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臭流氓人生的全能选手,科技的酱油混子。

2012-05-01 11:14

只有粉笔,黑板,和板凳,难道就画不出很超过这些工具本身精密的正圆?

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我是这样理解的不知道对不对,比如我在纸上画直线,我徒手画的精度是1cm,但是我画1000次可能其中一次的偏差就只有1mm,机器同样也是如此。

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hentury飞行器工程师

2012-05-05 20:50

关键是控制的精度啊少年,控制算法什么的很重要

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精度高一个重要原因就是控制系统做得好,不只是其使用的零件的精度高。

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貌似是的,苏联不是有个著名的瑞典机床事件吗?苏联人总是造不出能达到标准的弧度,导致核潜艇的尾部涡浆噪音过大,最后在日本开了个皮包公司从瑞典高了台回来。这是不是能说明高精度的机床用比它精度低的机床难制造?

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回转运动,是人类加工精度提升之源。

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这个和计算机里的自举 自编译 等概念类似,
比如c语言的编译器是c写的 ,那谁来编译c编译器呢?汇编?那谁来编译汇编呢?到头了咋办?0101010 大神出现了
先写一点机器码编译一块(比如赋值),然后引用这一点,如此反复,第一代编译器就搞定了(说的挺简单是不)
感觉机械方面也是如此 可以先加工可以容易保证精度的零件,圆形的 螺杆等,可以调节的机构,然后。。。然后。。。。
当然得配合 牛x的测量设备。。。
个人愚见

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他只是每个零件都加工到需要的尺寸,形位精度,之后需要靠装配工人安装,修配等等来获得最后的装配精度

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在东欧国家和中国的合资机床厂做过设计,有一点粗浅的看法。高精度机床不会凭空变出来,肯定是在现有机床,现有加工能力基础上制造出来,关键要加上人工反复打磨。比如底座和立柱的垂直度控制,直线导轨的平行度孔。零件尺寸精度控制很重要,装配过程的控制也很重要。比如我知道装配现场使用精度为1微米的德国千分表,可以控制这个级别的几何误差。更重要的是,高精度的机床离不开机床的设计方法,机构方案(比如说用了更高刚度材料,更精密的轴承,机构)或者工艺的创新。从低精度到高精度机床,低精度机床只贡献了具有一定尺寸精度和几何精度的机加工零件而已。

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荀子不是早就回答你了吗:
青,取之于蓝,而青于蓝;冰,水为之,而寒于水
进而推出:高精度机床,xx为之,而精于xx。(对于xx是什么,见楼上大神解释)

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这也是 鸡与蛋 的关系,从历史上是没法说清的。

但要是现在要设计制造一台比现有精度更高的机床,零部件肯定得用现有的机床制造。
从设计之初,就要考虑到各部分的公差跟配合,应力和变形,以及热影响和磨损,只要有图纸,想尽办法造出零件,合理装配就不是难事了。
现有机床精度虽然低,但这个精度指的是所有产品方差比较大,但里面还是有符合高要求的零件产品,这就需要人借助高级量具,选择装配出更高精度等级的机床。
其实造高精度机床,最难得还是设计,各部分要达到多大的公差要求,材料力学要求不是想想就知道的,这需要一个国家几十年的工程经验和反复的装配调试结果,这才真正反应一个国家的工程技术实力。

我们一直喊着要造好机床,我觉着心态过于激进了,做好基础实验才是当务之急,我们现在震动,热变形,润滑各种基础问题都没解决,别一直妄想这高等机床了。

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支持者: a158x9mnh6

介个,偶记得老师说过世界上最好的机床都是手工做出来的。。。不知道真的假的。

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让我给你一个简单的答案.为什么一个穿破布的裁缝可以做出旗袍来?你有这个问题的答案,类比就可以解答.

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