非球面镜片模具，光学端子模具等，代表的是超精密加工领城，是属于更加追求高精度化，高速化，高效率化的情况。为了实现超精密、高速加工，因而在构成超精密加工机时，不可欠缺的是各个机械关键零组件的高精度化与高速化。特别是超精密加工所谓的心藏，即主轴，追求的是高速回转，高刚性，高负荷容量，并且能够达到很高的温度安定性。

　　在此，介绍美国PI(Professional Instruments)公司的高速气动主轴ISO2.25(50,000 rpm)，是能够满足以上的需求，美国PI公司，独特的技术，以及多年累积的丰富经验为基础，而开发了超精密、超高精度、高度的气动主轴。

1.概要

　　ISO2.25(50,000 rpm)的气动主轴外观，就这个气动主轴构成的轴承结构来看，并不是新开发出来的结构，而是采用以往就已经有的追从推力板状轴(Capture Thrust Plate Shaft)的结构。为了获得安定且高回转精度，是将气动轴承与MCS公司驱动用的无炭刷(Brushless)DC马达结合一体化。

　　 气动轴承部分与马达部份，是被设计成各自独立的冷却用水/油的包装(Jacket)方式，与此配合的是采用INBA公司的Jacket，实现了非常优异的温度安定性。主轴前面被设计成所谓的Piloting Sphere Receiver的安装上超硬制造的治具、刀具机构，基于这个机构，气动主轴在进行治具、刀具安装时，除了容易且确实外，更能达到高精度。就主轴与机械结合部位来看，在主轴底部设计了安装基础，以及机械上的主轴前面的法兰部位，这两个部位是可以选择的情况。

2.特征

2.1独自沟槽补正方式的气动轴承

　　ISO2.25(50,000 rpm)的气动主轴的特征，是气动主轴与气动轴承都是PI公司自己制造的，这与其他公司广范使用的气动轴承属于小孔(Orifice)方式，或者是多孔质方式是有所区别的，PI公司采用独自的沟槽补正(Groove Compensation)方式。因此，所需要的高压空气，针对轴承的特定部份进行集中的供给，此外，高压空气流动时，获得非常好的控制，实现了高刚性，以及非常低的误差运动量(高精度)表现。

　　就单点钻石车削(Single Point Diamond Turning)加工来看，面对光学端子模具研磨，非球面镜片模具加工，或者是f-θ镜片模具等的所谓Rasterfly Cut的超精密加工，这对气动轴承的中心刚性(气隙中心的刚性)，Step回馈特性，对加工精度带来了非常大的影响。产生了端面倾倒，或者是孔穴四周的沉陷等现象，使得加工面精度不良。当使用干涉计对加工面进行观察时，可以明确的看出其差异。PI的沟槽补偿方式的气动轴承的Step回馈特性，小孔(Orifice)的沟槽补偿方式的气动轴承的Step回馈特性示意图。纵轴是气动轴承，透过加上冲击荷重后，所产生的气隙(Air Gap)中心的变位，横轴代表的是变位衰减至0时，所需要的时间。就PI的沟槽补偿方式的气动轴承来看，由于中心刚性非常的高，加上同一个冲击荷重时，本体的气隙(Air Gap)中心的变量非常的小，衰减所要的时间，也仅几奈米秒，与小孔(Orifice)或者是多孔质方式的数mm秒做比较时，PI的方式是非常小的情况。

　　就小孔(Orifice)或者是多孔质方式的气动轴承来看，所供应的空气压力，在到达气隙(Air Gap)时，已经大幅的衰减的情况。但是PI的沟槽补偿方式的气动轴承，这个压力损失几乎没有，此外，轴承部份的空气膜压力，能够保持均一性。PI的沟槽补偿方式的气动轴承之空气流动，延着沟槽保持直线且均一的情况。

　　为了实现高刚性、高精度的气动轴承，均一厚度的空气膜，能够平均的供应到轴承全体债非常重要的，就小孔(Orifice)或者是多孔质方式的气动轴承来看，由于空气的流动非直线，属于摇晃进行的情况。所谓的横向流动(Lateral Flow)，或者是交叉流动(Cross Flow)之称呼的这种空气摇晃，这是诱发气动轴承的非同期误差的混乱空气膜的原因。

　　就PI的沟槽补偿方式的气动轴承来看，透过空气供给孔到达空气排出部份为止，由于围绕轴承全部的部份，空气膜压力得以均一的保持，不会发生所谓的横向流动(Lateral Flow)，或者是交叉流动(Cross Flow)的空气摇晃现象。基于此，就PI泛用型的4R BLOCK-HEAD气动轴承的误差运动试验来看，在半径方向获得了非同期误差运动10.0Picot Meter的记录。

2.2温度安定性

　　就超精密加工所使用的气动主轴来看，除了前述的高回转精度，高刚性，高负荷容量之外，并追求很高的温度安定性。ISO2.25(50,000 rpm)的发热源有两个地方，1个是伴随气动轴承回转的空气膜之剪断热，另1个是由Integral Motor 产生的热源。

　　为了压抑热源到最小的情况，这个气动主轴使用了INBA公司制造，热膨胀系数与热传导率非常低的轴。基于这种情况，空气膜剪断所发生的热，几乎不会传达到主轴的轴上面去。进而气动轴承径向轴承部份，以及轴向轴承部份，还有无炭刷DC马达的卷线部份，设置了冷却效率非常好的大容量水/油冷却用Jacket，在50,000 rpm时，能够完全除去气动主轴所产生的热源，能够针对主轴的轴部份有效的压抑热膨胀。这个试验并不是在特别管理的环境下进行的，也就是说，并不是在温控室的环境条件下进行的试验，使用标准的Tira冷却水温度控制装置。并没有使用冷却水温度控制用的Resebatank。

　　轴变位是类似于主轴衬套前部份的温度变化倾向所示。基于这份资料，可以了解的是ISO2.25(50,000 rpm)气动主轴拥有非常高的温度安定性，若是在室温有管理的环境下，使用温度控制能力很高的Tira与Resebatank的话，能够将轴变位压抑到最小的情况。

3. ISO2.25(50,000 rpm)气动主轴的几何精度与加工例

　　ISO2.25(50,000 rpm)气动主轴的回转运动误差试验资料。这个试验是使用美国Lion．Presion公司制造的静电容量形感知器，以及该公司独自的分析软体SEA(Spindle Error Analyzer)，采用ANSI/ASME B89.3.4的标准。从这个图形可以看出的是，在半径方向-固定感度方向(Radial-Fixed Sensitive Direction)的非同期误差运动，由10,000 rpm~最高回转速50,000 rpm 为止的全部回转领域，可以获得非常低的5.22mm~6.28mm值，属于非常安定的情况。此外，有关于轴方向，非同期误差运动，也同样在全回转领域中，可以获得非低的2.34mm~5.37mm值，属于非常良好的情况。

4. 量测技术

　　就构成超精密加工机械与加工机械的关键零组件的高精度化来看，其支持的高精度量测技术是不可欠缺的情况。PI公司使用的Lion．Presion公司制造的静电容量形感知器，以及该公司独自的分析软体SEA参考概要做介绍。

　　静电容量形感知器并不是什么斩新的技术，Lion．Presion公司制造的静电容量形感知器，内部设计了温度补偿回路，实现了优异的温度安定性(Drift特性)。

　　PI公司的ISO2.25(50,000 rpm)气动主轴的回转精度量测，所使用的Test Stand的概要，称为Master Target基准球，安装于前面部份的ISO2.25(50,000 rpm)气动主轴，固定在INBA公司制造的试验台上，透过同一台上安装的静电容量形感知器，回转中的基准球之半径方向与轴方向，导入了非接触式的摆动，利用PC电脑进行SEA解析。

　　SEA可以针对固定感度方向误差运动，回转感度方向误差运动，轴方向误差运动，倾斜误差运动等进行解析。就固定感度方向误差运动与回转感度方向误差运动的评价来，除了TIR之外，也能将同期误差运动，非同期误差运动，全误差运动等的值，一起表现出来。除了上述的机能以外，也有SEA的周波数分析(FFT)，温度安定性的量测，以及环境温度的变动，主轴的变位量测机能。

　　SEA不仅能够附和ANSI/ASME B89.3.4(Axes of Rotation, Methods for Specifying and Testing)，也能够对应ISO230-3(JIS B6193工作机械-热变形试验方法通则)，ANSI/ASME B5.54-1992(Methods for Performa nce Evaluation of CNC Machining Center)， ANSI/ASME B5.57-1998(Methods for Performance Evaluation of CNC Turning Centers)。由于现在的ISO是以ANSI/ASME B89.3.4为基础的ISO230-7.2(工作机械试验方法通则第7部回转轴的几何精度)，进行规格化协议的，就Lion．Presion公司的SEA而言，面对今后工具机制造厂，主轴制造厂，量测仪制造厂时，属于有用的主轴的评价与解析的工具。

　　PI公司目前正针对ISO2.25(60,000 rpm)气动主轴的销售做准备，可以确信的是PI公司制造的高速气动主轴面对超精密加工领域时，其对加工精度向上提升有很大的贡献。