【技術(shù)背景】
超精密加工技術(shù)作為現(xiàn)代高科技發(fā)展而興起的新技術(shù)，它所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀已經(jīng)成為一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。例如，光學(xué)透鏡、模芯、反射鏡和精密機械件等典型零件的超精密加工面型精度 PV 值小于0.2μm，表面粗糙度小于5nm。多軸超精密車削/磨削加工裝備的研發(fā)是實現(xiàn)上述零件的高效率、確定性超精密加工的基本途徑。
【痛點問題】
1、自主開發(fā)能力薄弱，對外依存度高，專業(yè)化的配套體系尚未形成；
2、功能部件發(fā)展滯后，產(chǎn)品自動化水平低，可靠性、精度保持性差；
3、機床的軟件系統(tǒng)開發(fā)能力有限，相關(guān)服務(wù)業(yè)發(fā)展緩慢，沒有形成科學(xué)性的發(fā)展思路。
【解決方案】
針對金屬材料復(fù)雜曲面零件目標(biāo)樣件的超精密加工需求，本技術(shù)以核心功能部件--液體靜壓導(dǎo)軌為突破點，從液體靜壓支承機理研究與優(yōu)化設(shè)計方法、進給系統(tǒng)穩(wěn)定性控制以及超精密控形控性制造技術(shù)等方面開展研究，自主設(shè)計制造并完成了整機的集成。
1.液體靜壓支承有限元數(shù)值計算方法
目前國內(nèi)外尚缺乏利用有限元方法對考慮多因素的液體靜壓支承靜動態(tài)特性數(shù)值計算方法的研究，本技術(shù)采用有限元法對不同類型的靜壓支承進行系統(tǒng)性分析計算，形成完善的液體靜壓支承有限元數(shù)值計算體系。
圖1 液體靜壓支承有限元數(shù)值計算方法研究成果
2. 高速、高精、高響應(yīng)直線及回轉(zhuǎn)運動功能部件制造與集成技術(shù)
（1）在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化方面，提出考慮非高斯粗糙表面、非牛頓潤滑、滑移邊界條件等多重因素的液體靜壓軸承動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計方法，發(fā)現(xiàn)“合適的粗糙度方向（如各向同性），能有效提高承載能力20%”；設(shè)計多環(huán)形槽強制冷卻和哈夫結(jié)構(gòu)，發(fā)明電機內(nèi)置式液體靜壓電主軸，具有溫升抑制、拆裝便捷、回轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)勢。
（2）在使役性能檢測與控制方面，提出了靜壓支承系統(tǒng)膜內(nèi)流動、壓力和溫度分布、油/氣膜厚度、振動等性能參數(shù)的高精度測試方法，建立了流體靜壓支承綜合性能的檢測評定系統(tǒng)新架構(gòu)；建立了重型靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的流量控制模型，提出了靜壓支承系統(tǒng)兩端軸承油膜間隙比例調(diào)控策略，形成了高性能流體靜壓支承主動控制新技術(shù)。
（3）面向異形零件精密加工應(yīng)用，研制了高精度穩(wěn)態(tài)恒壓液壓站和精密多軸聯(lián)動運動機構(gòu)綜合試驗平臺，壓力波動±0.25%FS，X/Z軸豎直/水平直線度≤0.5μm/350mm，垂直度≤1arcsec，定位/重復(fù)定位精度≤1μm，剛度≥1500N/μm。
圖2 液體靜壓主軸
圖3 液體靜壓導(dǎo)軌
圖4 高精度穩(wěn)態(tài)恒壓液壓站
3. 超精密機床進給系統(tǒng)高穩(wěn)定性控制技術(shù)
為了實現(xiàn)運行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)控制精度高和跟蹤誤差小等要求，需要考慮非線性擾動因素對直線電機驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，探究擾動的形成機制和相應(yīng)的辨識方法，尋找擾動補償?shù)姆椒ā１炯夹g(shù)搭建了以無鐵芯永磁直線同步電機為驅(qū)動、以滾動直線導(dǎo)軌為支承的進給系統(tǒng)原型樣機，推導(dǎo)了無鐵芯直線電機推力波動的數(shù)學(xué)模型，并對被控系統(tǒng)模型參數(shù)進行準(zhǔn)確辨識；分析了推力波動和線性滾動導(dǎo)軌產(chǎn)生的非線性摩擦力對伺服控制系統(tǒng)的不利影響。提出了在2DOF-PID控制算法的基礎(chǔ)上，使用線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)消除以直線電機為主的幅度大變化緩的擾動，同時使用基于Stribeck摩擦模型的摩擦前饋(FFF)控制來消除滾動導(dǎo)軌帶來的幅度小突變快的摩擦擾動。通過Simulink仿真和實物試驗充分驗證了本文提出的方法的有效性、可行性和魯棒性。在往復(fù)運動1mm@5Hz，以及勻速運動1 mm/s、 10 mm/s、100 mm/s等工況下跟隨誤差均小于1.5μm，滿足慢刀伺服加工的控制要求。
4. 開放式高性能數(shù)控系統(tǒng)集成技術(shù)
基于PMAC控制器研發(fā)了超精密磨削加工專用數(shù)控系統(tǒng)，編制了動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)上位機與控制器的數(shù)據(jù)交換和控制。
5. 超精密機床綜合設(shè)計和集成技術(shù)
以兩軸超精密靜壓導(dǎo)軌為基礎(chǔ)，搭建了超精密磨削集成驗證平臺，并以Power PMAC運動控制器為基礎(chǔ)，開發(fā)了專用數(shù)控系統(tǒng)。
平臺床身采用天然大理石，安裝在具有自動調(diào)平的氣浮隔振平臺上；兩軸呈“T”形布局置于大理石底座上；X軸和Z 軸導(dǎo)軌采用超精密閉式油靜壓導(dǎo)軌，內(nèi)置油腔壓力反饋，在線檢測導(dǎo)軌運行狀態(tài)。
圖8 機床構(gòu)型及布局
【技術(shù)指標(biāo)】
【成果展示】
圖9 機床展示
圖10 試切/試磨工件展示
圖11 鋁合金棒料測量結(jié)果
【應(yīng)用場景】
領(lǐng)域：超精密加工裝備、光學(xué)制造、航空航天等。
產(chǎn)業(yè)：光電通訊、光學(xué)、信息、模具等產(chǎn)業(yè)。
場景：難加工材料復(fù)雜曲面零件的高精度和高表面質(zhì)量制造、光學(xué)透鏡、模芯、反射鏡和精密機械件等的超精密加工。
對象：數(shù)控機床企業(yè)、高校、科研院所。
【市場前景】
超精密加工裝備是以高新技術(shù)為引領(lǐng)，處于價值鏈高端和產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，決定著整個產(chǎn)業(yè)鏈綜合競爭力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。作為進口技術(shù)替代產(chǎn)品，本技術(shù)產(chǎn)品具有廣闊的市場發(fā)展空間，可促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量高水平發(fā)展，預(yù)計年產(chǎn)值可達數(shù)億元。
【知識產(chǎn)權(quán)】
該成果已申請多項中國發(fā)明專利，下表是部分展示：
【合作方式】
技術(shù)許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、作價入股、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、面談等
【專家介紹】
黃禹，華中科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，制造裝備數(shù)字化國家工程研究中心副主任，廣東省制造裝備數(shù)字化重點實驗室副主任，中國機械工程學(xué)會機械工業(yè)自動化分會委員，中國光學(xué)學(xué)會激光加工專委會委員，湖北省機械工程學(xué)會機械自動化專委會理事長。長期從事機械制造、智能制造、特種加工技術(shù)與裝備的科研及教學(xué)工作，重視多學(xué)科交叉，不斷開展新工藝技術(shù)及其裝備的創(chuàng)新研究與工程化開發(fā)，形成了工藝、裝備、數(shù)控技術(shù)相融合，光機電一體化的研究特色。主持或承擔(dān)973、國家自然科學(xué)基金、省市重大科技專項以及企業(yè)發(fā)展重要項目20余項。獲國家科技進步一等獎1項（排 3）、二等獎2 項（排 7、8），省部科技進步一等獎2項（排1、6，與國家獎不重復(fù)）；發(fā)表學(xué)術(shù)論文117篇，其中 SCI 論文65篇；出版學(xué)術(shù)專著2部；獲授權(quán)發(fā)明專利53 項、軟件著作權(quán)8項；主持制定團體標(biāo)準(zhǔn)1項，參與制定國際標(biāo)準(zhǔn)1項等。
【聯(lián)系方式】
