摘要:文章介绍了凯泽斯劳滕大学新开发一种步进电动机驱动的四轴超精密机床的结构、工作原理及步进电动机控制系统。该机床具有纳米级运动精度，可以加工圆柱、球面及非球面等光学表面，表面粗糙度值小于5nm。

1 引言

到目前为止，已经有多种超精密机床问世，这些机床的进给系统都是由AC 或DC 伺服电动机驱动的。步进电动机未用于超精密机床的定位或驱动机构的主要原因，是因为使用传统的单极或双极步进电动机时，机械步宽太大，因而无法保证加工表面的粗糙度为纳米级。凯泽斯劳滕大学通过对机床电气部分的改进，将步进电动机成功地应用于超精密机床的驱动机构，研制开发了一种步进电动机驱动的四轴超精密机床。

图1 四轴超精密机床的结构

图2 单轴与多轴成形表面

图3 非球曲面加工原理

2 四轴超精密机床的结构

该机床的结构如图1所示，床身为1.2m×0.8m×0.6m 的花岗岩石块。选用花岗岩床身是因为它具有良好的热稳定性和机械性能稳定性。花岗岩床身由静压空气弹簧支承，有效地隔离了基础振动对机床的影响。

床身上布置有三个直线运动轴，一个回转运动轴和主轴装置，其中X轴和Y轴(两直线轴)相互垂直布置，Y轴上有一能够回转360°的回转轴F，其上为第三根直线轴W。三根直线轴的结构完全相同，只是长度不同。以上四轴均采用三相步进电动机驱动。主轴安装在X轴上，并由DC伺服电动机驱动。刀架安装在W轴上。

3 非球曲面加工原理

依据表面形状的不同，有三种加工表面的方法，即单轴成形法、双轴成形法和多轴成形法。单轴和多轴成形法所能加工的表面形状如图2 所示，图中左侧为单轴成形，右侧为多轴成形。图中▲为加工表面，R为球面，R±△R为非球曲面。

本机床的主要加工对象是非球曲面，所以采用的是四轴驱动成形。非球曲面的加工原理图如图3所示。此外，在这种结构下，可以通过使用不同轴的组合加工出平面、圆柱面、圆锥面等不同几何形状的零件。如当W轴与Y轴垂直时，与X轴配合即可加工出圆柱面。

4 运动轴的步进电动机控制系统

非球曲面超精密机床的步进电动机控制系统由控制计算机(包括成形软件及输出软件)、FIFO 同步等距数据输出电路、驱动电路及步进电动机三部分组成，如图4 所示。

图4 步进电动机控制系统

加工曲面的几何形状由自行开发的软件实现，软件存储在普通的个人计算机中，计算机根据不同程序所产生的数据通过并行接口传送给自行设计的FIFO电路。由于计算机接口的标准化，所以该接口可以与其它计算机联接。FIFO 实时存储外来数据。输出脉冲由石英振荡器控制在10～5000Hz之间。输出的--. 信号分别传到不同的电动机控制电路。电动机控制电路的输入部分接收外来信号，输出部分用于驱动步进电动机。用于控制的输入信号有三个:脉冲信号、方向信号和开/关信号。这些信号分别用来控制电动机的步进频率、转动方向和控制单元的开关。

5 加工实例

该机床主要用于加工铝、黄铜、青铜、聚合物等材料的光学表面和气体轴承零件。其中加工的非球面光学表面的表面粗糙度值小于5nm。气浮轴承零件没有光学表面要求，但其几何精度可控制在0.1～0.5µm内。