【正文】 速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，必須急起直追。“十五”目標(biāo)及主要研究內(nèi)容　　1．目標(biāo) 超高速加工到2005年基本實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，主軸最高轉(zhuǎn)速達15000r/min，進給速度達40~60m/min，砂輪磨削速度達100~150m/s；超精密加工基本實現(xiàn)亞微米級加工，加強納米級加工技術(shù)應(yīng)用研究，達到國際九十年代初期水平?！　?．主要研究內(nèi)容 （1）超高速切削、磨削機理研究。對超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現(xiàn)象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數(shù)優(yōu)化等進行系統(tǒng)研究?！　　。?）超高速主軸單元制造技術(shù)研究。主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)研究；主軸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、虛擬設(shè)計技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)研究。 　　（3）超高速進給單元制造技術(shù)研究。高速位置芯片環(huán)的研制；精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機參數(shù)匹配關(guān)系的研究；機械傳動鏈靜、動剛度研究；加減速控制技術(shù)研究；精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程絲杠副的研制等。 　　（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究開發(fā)各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術(shù)，使刀具的切削速度達到國外工業(yè)發(fā)達國家90年代末的水平，磨具的磨削速度達到150m/s以上。 　　（5）超高速加工測試技術(shù)研究。對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統(tǒng)和機床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部位和驅(qū)動控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進行研究。 　?。?）超精密加工的加工機理研究?！斑M化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進行提示性研究。 　　（7）超精密加工設(shè)備制造技術(shù)研究。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導(dǎo)軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術(shù)研究。 　　（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)研究。金剛石刀具及刃磨技術(shù)、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。（9）精密測量技術(shù)及誤差補償技術(shù)研究。納米級基準與傳遞系統(tǒng)建立；納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術(shù)研究；測量集成技術(shù)研究。 　?。?0）超精密加工工作環(huán)境條件研究。超精密測量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究. 微細加工技術(shù)微細加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個分支，面向微細加工的電加工技術(shù),激光微孔加工、水射流微細切割技術(shù)等等在發(fā)展國民經(jīng)濟，振興我國國防事業(yè)等發(fā)面都有非常重要的意義，這一領(lǐng)域的發(fā)展對未來的國民經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)等將產(chǎn)生巨大影響，先進國家紛紛將之列為未來關(guān)鍵技術(shù)之一并擴大投資和加強基礎(chǔ)研究與開發(fā)。所以我們有理由有必要加快這一領(lǐng)域的發(fā)展和開發(fā)進程。微細加工技術(shù)應(yīng)滿足下列功能：為達到很小的單位去除率（UR），需要各軸能實現(xiàn)足夠小的微量移動，對于微細的機械加工和電加工工藝，微量移動應(yīng)可小至幾十個納米，電加工的UR最小極限取決于脈沖放電的能量。2）高靈敏的伺服進給系統(tǒng)，它要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導(dǎo)軌主承系統(tǒng)以及高精度跟蹤性能的伺服系。3）高平穩(wěn)性的進給運動，盡量減少由于制造和裝配誤差引起的各軸的運動誤差。4）高的定位精度和重復(fù)定位精度。5）低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計。6）刀具的穩(wěn)固夾持和高的重復(fù)夾持精度。7）高的主軸轉(zhuǎn)速及極低的動不平衡。8）穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動干擾。9）具有刀具破損和微型鉆頭折斷的敏感的監(jiān)控系統(tǒng)。微細加工技術(shù)是指加工微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。從廣義的角度來講，微細加工包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法，如切削技術(shù)，磨料加工技術(shù)，電火花加工，電解加工，化學(xué)加工，超聲波加工，微波加工，等離子體加工，外延生產(chǎn)，激光加工，電子束加工，粒子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義的角度來講，微細加工主要是指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)，因為微細加工和超微細加工是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，特別是大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)，是信息時代微電子時代，光電子時代的關(guān)鍵技術(shù)之一。微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同點主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 精度的表示方法在微小尺寸加工時，由于加工尺寸很小，精度就必須用尺寸的絕對值來表示，即用取出的一塊材料的大小來表示，從而引入加工單位尺寸的概念。 微觀機理以切削加工為例，從工件的角度來講，一般加工和微細加工的最大區(qū)別是切屑的大小。一般為金屬材料是由微細的晶粒組成，晶粒直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米。一般加工時,吃刀量較大，可以忽略晶粒的大小，而作為一個連續(xù)體來看待，因此可見一般加工和微細加工的機理是不同的。 加工特征微細加工和超微細加工以分離或結(jié)合原子、分子為加工對象，以電子束、技工束、粒子束為加工基礎(chǔ)，采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等手段進行各種處理。在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域起步最早和技術(shù)領(lǐng)先的國家是美國，其次是日本和歐洲的一些國家。美國超精密加工技術(shù)的發(fā)展得到了政府和軍方的財政支持，近年，美國執(zhí)行了微米和納米級技術(shù)國家關(guān)鍵技術(shù)計劃，國防部陸、海、空三軍組成了特別委員會，統(tǒng)一協(xié)調(diào)研究工作。美國至少有30多個廠家和研究單位研制和生產(chǎn)各種超精密加工機床，、聯(lián)合碳化物公司、摩爾公司、杜邦公司等在國際上均久負盛名。美國最早研制了能加工硬脆材料的6軸數(shù)控超精密研磨拋光機；聯(lián)合碳化物公司開發(fā)了直徑為800mm的非球面光學(xué)零件的超精密加工機床；、硬質(zhì)合金、玻璃和塑料等難加工材料的超精密切削機床，在半導(dǎo)體工業(yè)、航空工業(yè)和醫(yī)療器械工業(yè)中投入使用；珀金埃爾默等公司用超精密加工技術(shù)加工各種軍用紅外零部件。日本對超精密技術(shù)的發(fā)展也十分重視，70年代初，日本成立了超精密加工技術(shù)委員會，制定了技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，成為此項技術(shù)發(fā)展速度最快的國家。日本現(xiàn)有20多家超精密加工機床研制公司，重點開發(fā)民用產(chǎn)品所需的加工設(shè)備并力圖使設(shè)備系列化，成批生產(chǎn)了多品種商品化的超精密加工機床。在超精密切削技術(shù)發(fā)展比較成熟后，日本已將黑色金屬、陶瓷和半導(dǎo)體功能材料的超精密加工技術(shù)作為重要的研究開發(fā)項目。日本的研究創(chuàng)新意識強，不是單純地模仿國外的做法，而是積極地利用外國技術(shù)并結(jié)合本國特點和生存環(huán)境，走出了一條自己的發(fā)展道路。歐洲等國也將超精密加工技術(shù)的發(fā)展放在重要位置，60年代起英國開始研究超精密加工技術(shù)，克蘭菲爾德大學(xué)精密工程研究所相繼研制出能加工大型非球面反射鏡的數(shù)控金剛石立式車床、加工大型非對稱結(jié)構(gòu)光學(xué)零件的數(shù)控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工藝。現(xiàn)已成立了國家納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會，正在執(zhí)行國家納米技術(shù)研究計劃。德國和瑞士也有比較強的超精密加工能力。1992年后，歐洲實施了一系列的聯(lián)合研究與發(fā)展計劃，加強和推動超精密加工技術(shù)的發(fā)展。超精密車削、磨削和研磨是已經(jīng)發(fā)展成熟并大量應(yīng)用的加工技術(shù)。日本開發(fā)了外圓和平面等多種類型的研磨機，美國也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨機。如果進入微觀世界，能夠捕獲一個或多個單原子，然后讓它們重新排列組合，那么就會導(dǎo)致物質(zhì)本身發(fā)生某些變化，而這些變化將會對未來許多領(lǐng)域，及人類生活產(chǎn)生巨大影響。例如，我們把組成水分子的氫和氧分開，二者都是可以燃燒的。小的分子，只有足球體積的幾億分之一，用機械方法，幾乎是不可能捉住它，分子又是由原子組成的，操縱一個原子，就更難了，而光可以做到這一點。一束極細的激光，產(chǎn)生光子流，其動量轉(zhuǎn)移給物體，形成光壓，再通過適當(dāng)?shù)墓鈭龇植?，可以把那種極小的原子俘獲在一定的位置，并可方便把移動它。實際上這就實現(xiàn)了對原子的操作?？刂圃踊蚍肿拥氖侄谓泄忤?，對分子原子進行切割雕刻使用的是光刀。一種材料通過改變它的分子結(jié)構(gòu)及原子排列取向，進而形成新布局，那么，它的性能就會發(fā)生很大變化，這樣未來我們所制造出來的電子器件，與現(xiàn)在相比，其功能相同，而體積則要小多少萬倍。在以后的幾十年，隨著原子尺度加工技術(shù)不斷完善和提高，就會出現(xiàn)多種單原子器件和新型分子材料，如果把它們用制造機器人，最小型的就可以爬進人的血管，進行各種各樣的治療手術(shù)。同樣，用來制造衛(wèi)星，衛(wèi)星的體積，也會大大減少，到那時人類可能一次發(fā)射成千上萬顆用于各方面的衛(wèi)星，而到目前為止，人類在以往幾十年間，一共才把幾千顆衛(wèi)星送上天。通過科學(xué)分析和計算，改變了原子分子結(jié)構(gòu)的新型材料，具有更高的強度，更輕的重量，更好的絕熱和耐高溫性能，在空間領(lǐng)域，用來做太空船的外殼，引擎或其它方面，太空船會變得更輕、更快，能夠承受更為惡劣的環(huán)境，它會帶著人類走的更遠，會征服更多的星球。在日常生活中，我們所看到的，用激光刻錄的光盤，已經(jīng)可以儲存較多的信息了，但這只是一種新的輸入方式，而光盤本身做為一種材料，容量還是有限的，如增加它的原子分子密度和改變它們?nèi)∠颍敲次磥砭涂梢园熏F(xiàn)在成千上萬強光盤的信息，放進象手表大小的空間里。一座大型圖書館全部書籍可容進一張光盤內(nèi)，你擁有了這張光盤，就擁有了一座圖書館。在生物領(lǐng)域，各種各樣的原子和分子，以它特有的方式組合在一起，由此產(chǎn)生了世界萬物，如果利用光鑷光刀，把生命體的某些原子取出，然后，按照科學(xué)規(guī)律，重新組合，會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果，科學(xué)樂觀的預(yù)測，這樣就有可能創(chuàng)造出具有生命力的新物質(zhì)，而它的存在形成，與我們常見的動物、植物和生物會有所不同。同樣，利用光刀光鑷，修復(fù)DNA和某些有缺陷的遺傳基因，從而可以克服困擾人類的多種頑癥。21世紀，人類進入微觀世界。在原子分子尺度上，對物質(zhì)進行操作和加工，無疑會展現(xiàn)出一種相當(dāng)美好的前景，并引起各方面的廣泛重視。結(jié)束語微細加工技術(shù)20世紀末興起21世紀初開始快速發(fā)展的高科技前沿領(lǐng)域。隨著微細加工技術(shù)的研究進展，其在機、電、光等系統(tǒng)集成方面的內(nèi)涵將更加豐富。與不同學(xué)科的交叉和應(yīng)用的結(jié)合，微細加工技術(shù)都可能向相應(yīng)的分支以及新的研究開發(fā)熱點，帶動新的學(xué)科和新科技的發(fā)展。這個領(lǐng)域已收到世界各先進國家的廣泛重視。它的現(xiàn)實及潛在的應(yīng)用將會給國民經(jīng)濟和國家安全帶來巨大的好處。在全球范圍內(nèi)，市場呈指數(shù)上升的趨勢，在我國也將成為國民經(jīng)濟新的增長點。第三章談?wù)勎覈壳跋冗M制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展途徑一當(dāng)前制造科學(xué)要解決的問題 a)制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜:為滿足制造系統(tǒng)敏捷性、快速響應(yīng)和快速重組的能力，必須借鑒信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會科學(xué)等多學(xué)科的研究成果，探索制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)、制造模式和制造系統(tǒng)有效的運行機制。制造系統(tǒng)優(yōu)化的組織結(jié)構(gòu)和良好的運行狀況是制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化的主要目標(biāo)。制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)不僅對制造企業(yè)的敏捷性和對需求的響應(yīng)能力及可重組能力有重要意義，而且對制造企業(yè)底層生產(chǎn)設(shè)備的柔性和可動態(tài)重組能力提出了更高的要求。 b)基礎(chǔ)幾何圖論運算更加復(fù)雜:例如在計算機輔助 設(shè)計與制造(CAD/CAM)集成、坐標(biāo)測量(CMM)和機器人學(xué)等方面，在三維現(xiàn)實空間(3realspace)中，都存在大量的幾何算法設(shè)計和分析等問題，特別是其中的幾何表示、幾何計算和幾何推理問題。在測量和機器人路徑規(guī)劃及零件的尋位(如localization)等方面，存在C空間(配置空間configurationspace)的幾何計算和幾何推理問題。在物體操作(夾持、抓取和裝配等)描述和機器人多指抓取規(guī)劃、裝配運動規(guī)劃和操作規(guī)劃方面則需要在旋量空間(screwspace)進行幾何推理。制造過程中物理和力學(xué)現(xiàn)象的幾何化研究形成了制造科學(xué)中幾何計算和幾何推理等多方面的研究課題，其理論有待進一步突破，當(dāng)前一門新學(xué)科計算機幾何正在受到日益廣泛和深人的研究。 c)制造信息量日益龐雜:提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造科學(xué)發(fā)展的一個重點。由于制造系統(tǒng)信息組織和結(jié)構(gòu)的多層次性，制造信息的獲取集成與融合呈現(xiàn)出立體性、信息度量多維性和信息組織多層次性。在制造信息的結(jié)構(gòu)模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量數(shù)據(jù)的制造知識庫管理等方面，都還有待進一步突破。 d)多樣智能制造技術(shù)大量涌現(xiàn):如基于生物進化算法的計算智能工具，在包括調(diào)度問題在內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來越普遍的關(guān)注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時的求解速度和求解精度方面雙雙題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在:智能調(diào)度、智能設(shè)計、智能加工、機器人學(xué)、智能控制、智能工藝規(guī)劃和智能診斷等多方面。 這些問題是當(dāng)前產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵理論問題，也是制造由一門技藝上升為一門科學(xué)的重要基礎(chǔ)性問題。這些問題的重點突破，可以形成產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究體系。謝辭本論文是在季建華老師的精心指導(dǎo)下完成的。感謝季老師在設(shè)計的選題、方案的確定、設(shè)計的進行以及最后的說明書的撰寫整個過程中給予我細心的指引和教導(dǎo)，使我對先進制造技術(shù)有了深刻的認識，并最終完成畢業(yè)設(shè)計。導(dǎo)師淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實的科學(xué)理念和工作作風(fēng)以及創(chuàng)新的工作精神，令我終身受益，是我畢生學(xué)習(xí)的典范，值此畢業(yè)設(shè)計完成之際，謹向季建華老師致以崇高的敬意和衷心的感謝!　　在三年的大學(xué)生涯里，還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助，在此，謹向老師們致以忠心的感謝和崇高的敬意!