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国家实力的真正底牌——超精密机床 研究现状与

作者: 缅甸腾龙 来源: 未知 发布时间:2019-02-22

机床,也被广泛地称作工作母机,是能够制造出零件的机器,换句话说,就是能生机器的机器,因此机床常常被认为是一个国家制造业的命脉;而超精密机床,是生产许多重要机器的核心零件的机器,是命脉中决定性的一环,没有超精密机床,无论是飞机坦克、火箭导弹还是电脑手机,都无法生产出来,可见其重要地位。

以下我们介绍的关于超精密机床的研究,来自于一篇哈尔滨工业大学学报的综述文章——超精密机床研究现状与展望,作者是中国超精密机床界的泰斗——梁迎春老师,感兴趣的读者可在中国知网下载阅读。

超精密加工技术在国防建设与国民经济发展中具有不可替代的作用,它是现代高技术战争的重要支撑技术,也是现代基础科学技术发展的重要保障,可以说是衡量一个国家科技实力的重要标志之一。

国家实力的真正底牌——超精密机床 研究现状与展望

美国大型光学金刚石车床(LODTM)

超精密加工技术是指尺寸精度和形位精度优于亚微米级(0.3~0.9 μm),表面粗糙度(Ra) 为纳米级(1~90nm)的加工技术。实际上,超精密的概念既与加工尺寸、形状精度及表面质量的具体指标有关,又与在一定技术条件下实现该指标的难易程度有关,因此它是与时俱进的。

国外超精密机床研究现状

超精密加工技术处于国际领先地位的主要有美国英国日本等,德国、瑞士、荷兰、韩国、俄罗斯、乌克兰、捷克和法国等国家也比较领先。

在工业界,美国 Moore 和 Precitech 等公司,日本 Fanuc 和 Toshiba 等公司,德国 Kugler 公司,英国 Tayler/Hobson-Pneumo 公司和源于 Cranfield 大学精密工程研究所的 CranfieldPrecision 公司等都研制了多种高端超精密机床,并有成熟的商品化产品。但是,由于超精密机床对国防与高科技领域的重要性和特殊性,上述公司和所在国政府严格控制核心技术的输出。

国家实力的真正底牌——超精密机床 研究现状与展望

Moore 公司的 Nanotech 500FG 机床

大部分的超精密机床尚处于研发阶段,并没有广泛地实现商业化,而且其加工质量仍然受困于刚度问题.典型超精密机床的5 个子系统机械结构驱动刀具与主轴控制系统测量系统)间的关系决定了机床性能。

国内超精密机床研究现状

我国于 20 世纪 80 年代初才开始超精密加工技术与机床方面的研究,起步较晚,与国外发达国家相比,总体上还有不小的差距。我国虽已是机床制造大国,但是大量生产的还是普通精度级的机床,亚微米级精度以上的超精密机床尚未进入工业化生产,个别机床仅为实验室专用设备。近年来,国内已研制出多台超精密机床,但不论是性能稳定性、可靠性和功能完备性,还是在精度指标上都与国外商品有一定的差距。

国家实力的真正底牌——超精密机床 研究现状与展望

哈尔滨工业大学梁迎春团队研发的用于加工KDP晶体的超精密机床

目前,我国研究和开发超精密机床的单位主要有:北京机床研究所,北京航空精密机械研究所,哈尔滨工业大学,天津大学等。

超精密机床领域发展趋势

超精密机床技术的发展趋势总体上向极端化、智能化、绿色化、服务化方向发展。极端化是指机床的研制向极限制造技术方面发展,如更高精度、更高性能和效率、极限尺度加工、面向极端环境等.超精密机床主要是面向尖端科技领域,对其而言,精度、可靠性和效率的保证是主要目标。

超精密机床技术的发展主要面向世界性前沿科学项目,从机床部件和系统发展来看,机床的基座需要具备高刚度、高稳定性和低热膨胀系数等特点,其制造方式将从当前的铸造向数字化制造发展,另外,作为提高超精密机床精度的两种基本方法之一的误差补偿及其相关支撑技术也是一个具体的发展点。

国内外水平差距

发达国家不但在整体水平上与我国拉开差距,更重要的是在基础技术研究水平上也高度领先。我国在超精密机床领域,尚未形成产业化,个别机床仅为实验室专用。我国超精密机床存在的突出问题可以概括为:自主开发能力薄弱,对外依存度高,专业化的配套体系尚未形成,功能部件发展滞后,产品自动化水平低,可靠性、精度保持性差,机床的软件系统开发能力有限,相关服务业发展缓慢,没有形成科学性的发展思路。

我国目前的超精密机床设计往往只针对具体应用的精度需求,先进行系统结构布局设计与分析,缺少部件间动态综合、整体系统的无缝解析和系统的优化设计.往往是“具体应用-经验驱动”,尚无任何机床系统集成设计理论体系和方法.国内外公开文献中,很少具体涉及超精密机床的系统集成设计理论与方法,部分原因在于发达国家对本领域的技术保密和封锁.

研究和发展的重点

集中在超精密机床的设计、制造、控制、检测和工艺实验等方面:

1.超精密机床设计理论与方法:

超精密机床系统建模及优化设计理论与方法; 超精密机床的多尺度、多层次耦合特性分析及模型解析;超精密机床精度设计理论与多因素影响机制;超精密机床环境设计理论与方法。

2.控制系统设计与智能化方法:

超精密机床运动系统控制理论与方法;超精密机床的运动轨迹优化理论与方法;超精密机床性能在线观测与智能化技术;超精密机床复杂系统多因素耦合最优控制技术;超精密机床动态复合误差实时补偿技术。

3. 基础部件制造与集成:

超精密机床的基础部件技术需要推进气体静压主轴、气体(液体)静压导轨、主动隔振器、直线电机全闭环驱动、压电(电致、磁致)微伸缩伺服系统、高精度光栅尺、激光干涉仪等产品的自主研发及产品化技术.理论研究方面的重点在于:高精度、高速、智能化运动部件的系统化设计方法;高阻尼、高刚度、高精度运动部件设计理论与方法;智能化刀具系统的设计理论与方法;超精密环境控制部件的集成化设计方法.

4.超精密机床检测理论与方法:

超精密机床的多性能检测理论与方法;面向功能需求化的检测技术标准;复杂物理场下多因素检测理论与方法。

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