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(diǎn)，從液體靜壓支承機(jī)理研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、進(jìn)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(jì)制造并完成了整機(jī)的集成。

1.液體靜壓支承有限元數(shù)值計(jì)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(jì)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(jìn)行系統(tǒng)性分析計(jì)算，形成完善的液體靜壓支承有限元數(shù)值計(jì)算體系。

圖1 液體靜壓支承有限元數(shù)值計(jì)算方法研究成果

2. 高速、高精、高響應(yīng)直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)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(jì)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(jì)多環(huán)形槽強(qiáng)制冷卻和哈夫結(jié)構(gòu)，發(fā)明電機(jī)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(yùn)動機(jī)構(gòu)綜合試驗(yàn)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(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)高穩(wěn)定性控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，探究擾動的形成機(jī)制和相應(yīng)的辨識方法，尋找擾動補(bǔ)償?shù)姆椒ā１炯夹g(shù)搭建了以無鐵芯永磁直線同步電機(jī)為驅(qū)動、以滾動直線導(dǎo)軌為支承的進(jìn)給系統(tǒng)原型樣機(jī)，推導(dǎo)了無鐵芯直線電機(jī)推力波動的數(shù)學(xué)模型，并對被控系統(tǒng)模型參數(shù)進(jìn)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(kuò)張狀態(tài)觀測器(LESO)消除以直線電機(jī)為主的幅度大變化緩的擾動，同時(shí)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(shí)物試驗(yàn)充分驗(yàn)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(yùn)動1mm@5Hz，以及勻速運(yùn)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。

圖5 直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

圖6 仿真和實(shí)物試驗(yàn)對比圖

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(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器的數(shù)據(jù)交換和控制。

5. 超精密機(jī)床綜合設(shè)計(jì)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(yàn)證平臺，并以Power PMAC運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)。

圖7 機(jī)床構(gòu)型及布局

圖8 機(jī)床展示

圖9 試切/試磨工件展示

圖10 鋁合金棒料測量結(jié)果

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(jī)械件等的超精密加工。

對象：數(shù)控機(jī)床企業(yè)、高校、科研院所。

超精密加工裝備是以高新技術(shù)為引領(lǐng)，處于價(jià)值鏈高端和產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，決定著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈綜合競爭力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。作為進(jìn)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(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量高水平發(fā)展，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值可達(dá)數(shù)億元。