超精密加工的監控方案保證了工藝的穩定性以及工件的表面質量和精度。

反射器、顯示器或衍射光學元器件所使用的顯微構造的塑料薄膜的質量主要受到具有超精密表面成形模具的影響，這些模具在注塑或熱加工過程中用于產品的復制。

使用具有規定幾何形狀切削刃的單晶體金剛石刀具，對這種有色金屬模具的結構進行刨削、車削和銑削加工。

這種超精密的切削加工的加工時間往往要持續幾天，甚至長達幾個星期，以實現對這些表面面積達到好幾平方米的扁平或圓柱狀的工件進行結構加工。具有恒定表面質量保障的工藝穩定性受到金剛石刀具磨損的影響，這種磨損不僅直接影響結構幾何形狀的精度，也會影響其表面精度。目前，只是在一個完整的加工流程后才會對損壞的成形模具進行鑒別，這就導致產生巨大的廢品成本，特別對于中小型企業來說，這往往使他們達到財務承受能力的極限。

制造用于生產微型薄膜結構或顯示器的成形模具是一個長時間復雜的工藝過程

使用具有規定幾何形狀切削刃的單晶體金剛石刀具，對這種有色金屬模具的結構進行刨削、車削和銑削加工。

這種超精密的切削加工的加工時間往往要持續幾天，甚至長達幾個星期，以實現對這些表面面積達到好幾平方米的扁平或圓柱狀的工件進行結構加工。具有恒定表面質量保障的工藝穩定性受到金剛石刀具磨損的影響，這種磨損不僅直接影響結構幾何形狀的精度，也會影響其表面精度。目前，只是在一個完整的加工流程后才會對損壞的成形模具進行鑒別，這就導致產生巨大的廢品成本，特別對于中小型企業來說，這往往使他們達到財務承受能力的極限。

重復精度達到200nm或更小

Frauenhof生產技術研究所（IPT）為金剛石車削以及鉆削和刨削加工開發了適用的工藝監控和自動化方案，這種方案可以實現完全自動化的更換刀具以及在加工過程中對金剛石磨損標記的監控。這樣，可以確保在長達數日的切削加工中仍達到很高的工藝穩定性和均衡的表面質量。

和目前采用的精度范圍為2~5mm的常用的精密裝夾技術不同的是，新的方案可以達到光學制造技術所要求的200nm或更高的重復精度。通過安裝附加的組件，可以完全自動地辨別刀具切削刃在亞微米范圍的損壞情況，在必要的情況下可以更換磨損的刀具，并且接著以亞微米的精度測量由于換刀而引起的位置偏差，并借助機器控制裝置將其糾正。目前生產技術研究所已經在一臺機床上裝備了這些附加組件，正在設計第二臺。

生產技術研究所制造了一臺UHM型超精密加工中心，該中心可以通過使用單晶體金剛石刀具對面積達到1m2的光學表面進行車削、銑削和刨削的組合加工（圖1）。該研究所又和工業界的伙伴合作進行了第二臺機床的設計，用來加工直徑達600mm、長度達2000mm的具有光學表面質量的輥筒狀工件。

圖1  在這臺加工中心上可以對工件進行超精密的車削、銑削和刨削等組合加工

這兩臺機器都配備了自動化刀具更換系統，該系統由一臺高分辨率的CCD（計算機控制數碼）照相機和一個用于換刀的轉塔或一個曲臂機器人組成。在這些機器上對工件進行加工,由于超精密加工技術中切削量和進給量很小的原因而往往要延續數周的時間，因此會產生漸進式的刀具磨損。

毫無偏差地放大金剛石刀具的刀尖

通過使用一臺Sony －HRC 照相機可以獲得1024 × 768像素（ Pixel ）的單幅尺寸為4.65 ×4.65 mm的照片。在照相機上使用可放大10倍的遙控對中的鏡頭可以在聚焦距離為48mm時得到一個 0.49 mm × 0.37 mm的有效視野，從而可以對金剛石刀尖進行分析。由于鏡頭可以毫無偏差地放大，一個單一的像素就反映了4.65mm× 4.65mm的尺寸，因此達到了光學可分辨度的極限。

通過安放在照相機對面同樣是遙控對中的發光二極管（LED）可以提高視野內的感光度。為了在加工中不受污物和環境因素的影響（圖2），整個裝置安裝在一個帶保護蓋的結構緊湊的殼體內。此外，殼體可以在4個自由度進行定向，以便使在光學光程中的成象誤差減到最小。

圖2  在加工過程中光學刀具測量站可用于防止污染及外界環境的影響

兩個不同的刀具更換系統

刀具更換裝置有兩種不同的系統。一個帶有氣動夾持器并可以固定Posalux金剛石刀架的電動螺旋裝置的6軸機器人可以啟動刀具庫，以便把磨損的刀具放下并且取出新的刀具。接下來可以選擇將金剛石裝夾在一個刨削加工或高速切削主軸的刀架上，不僅是為了更換刀具，更是為了測定金剛石刀尖的特性，以便將軸承的主軸固定在一個確定的幾何位置上。

主軸固定的重復精度對于更換新刀具所達到的精確度是具有決定性意義的。通過使用一個自己設計的Posalux 金剛石刀具柄適配器，裝夾精度可以達到微米級，但是僅這樣還不能達到精度的要求，接著仍需進行認真的定位。

作為替代方案，Frauenhof 生產技術研究所（IPT）研制了一個刀具轉塔，將它整合后安裝在超精密車床上。和通常的高速切削加工不同的是，為了在刀具轉塔內部可重復地并且高度精確地裝夾刀具，使用了一個專用適配的HSK 25 裝置，以便在刀具和機床之間創建一個接口（連接點）。使用HSK裝置可以確保在具有很高剛性的情況下達到高達500nm的純機械的裝夾精度。而通過一個附加的整合的固定螺栓可以防止該裝置的旋轉（圖3）。HSK夾具特殊的內部設計是專門用于裝夾6 ×6 mm刀具柄的，這是一種典型地用于金剛石刀具切削的刀具柄。

圖3  測量裝置用于確保在更換刀具時達到納米級別的精度

單晶體金剛石刀具的磨損是隨機出現的，因此不可能準確地通過經驗性的系列試驗來預見。特別是在蘊藏著巨大成本效益潛力、大面積、表面微型結構加工的刨削加工過程中，有時會突然出現刀具斷裂從而使整個工件報廢。

在測量站定期進行檢驗

為了保證達到表面精度和成形精度方面的高質量，在一輪銑削或刨削加工結束之后，要按規定的時間間隔暫停加工，并將金剛石刀具送到光學測量站進行檢測。使用高分辨率的CCD照相機對刀具切削刃的狀況進行鑒定，同時確定刀尖在以照相機為基準的絕對坐標系的相對位置。

在預先確定的磨損標記的基礎上，照相機的分析軟件可以自己決定是否需要啟動刀具更換的程序，或者確定刀具是否還可以滿足下一步繼續加工的質量要求。在需要更換刀具的情況下，機器人將刀具從機床的夾具中取出，并將其放到刀具庫中去，然后將一個新的刀具從同一個刀具庫中取出，并將其固定在機床的夾具上。

接著通過機器人的控制將刀具重新送到光學測量站，以便對金剛石刀尖的新老位置進行比較，計算出一組校正數據，并將這組數據通過一個系列接口傳輸到機器的控制系統中去。在機器的控制系統中，將附屬的參考坐標系統進行移位，以便在同一個位置上以小于500nm的重復精度用一個新的刀具繼續進行工作。

整個系統的精密度主要取決于光學測量站的的精度。除了照相機和求值算法系統分析軟件的重復精度之外，對機器坐標系統光路的錯誤定向可能會導致幾何尺寸的失真以及必要的校正數值的錯誤解釋。但是借助一個自己研制的參考樣本和一個附屬的校準程序可以將照相機進行精確定向，角度剩余誤差僅為0.05°。

用試驗工件對系統進行鑒定

當所測量的徑向主軸轉子位置的重復精度為3mm時，相應的誤差小于5nm，這明顯地小于CCD照相機的分辨率精度。在理論觀察的基礎上，總的誤差在0.5mm之下。

為了對系統進行鑒定，制造出了具有線性結構的試驗工件。在銑削基準槽確定之后對刀具進行更換。單純由于換刀的原因可能在X方向測量出2.3mm的偏移，在Z方向測量出4.3mm的偏移。附帶的校正值將自動地傳輸到機器的控制系統中，以便在同樣的槽距和同樣的進刀深度的情況下繼續銑削其他的槽。通過使用一個Taylor-Hobson 粗糙度檢查儀對結構深度和結構距離的測量，可以測量出由于換刀而引起的133nm的垂直方向偏差及178nm的水平方向偏差。在部件的無源定向的基礎上，所得到的數據明顯地超過目前可獲得的刀具更換系統的精密度。

現在所達到的數值還可能再低一些

由無源的預調節和有源的測量及位置校正組成的新的混合方案首次構成了采用切削加工工藝方法進行超精密表面加工的完全自動化方案的基礎。該方案的優點在于，在和機器整合的超精密金剛石切削刀具特性測定和更換系統的基礎上，在工藝過程中通過在亞微米范圍內對磨損標記寬度的測定實現了對切削刃狀況的監控，并在必要時以200nm或更高的精度對刀具進行更換補償。通過清潔技術和改善試驗中固定的空氣軸承主軸的方法，這些數值還可以降低。

Frauenhof 生產技術研究所（IPT）的機床系統可提供工業界和科研界用于制造具有光學表面質量的復雜的大面積的成形模具。該項研究工作是在宏大項目（Projekt Gross-Mikro, 標記13525 N ）的框架內進行的，通過德國工業研究聯合會（AiF）得到了德國聯邦經濟和技術部（BMWi）的資金贊助，并且得到了歐洲Excellence 4M網絡的支持。

MM《現代制造》雜志