超导驱动、信息制导的新型机床构造原理与实现技术研究

Machine tool is the host machine of manufacturing all kinds of advanced equipment. The improvement in the performance of machine tool has a decisive role in improving the capacity and level of manufacture industry. However, the existing machine tools work based on mechanical benchmarks and conduct motion guidance through a passive way. Various internal and external adverse factors inevitably affect the accuracy and efficiency of the machine tools. Therefore the improvement in the performance of machine tools is seriously hampered. To solve this problem, this project proposes and studies the structure principle and implementation technology of new type machine tool based on superconductivity drive and information guidance. The important innovations are: By applying superconductivity suspension and drive, the new technology isolates the internal and external adverse factors that could affect the accuracy of the machine tools, such as error of machining and assembly, non-linear factors, stress deformation, thermal deformation and abrasion. Moreover, the new technology builds up independent high-precision working benchmark based on the principle of laser guide, and makes the moving parts of machine tools move along the laser benchmark by information guidance. The new technology will conduct high-precision movement that is irrelevant with the mechanical system, therefore, forming a new generation of superconductivity machine tool technology with promotion of information technology and opens up new technical path for the leap of machine tool technology. The research result of this project is of great importance in building up new scientific and technical foundation of morden machine tools, as well as improving the manufaturing capacity and level of high-end and extreme manufacturing equipment in our country.

机床是制造各类先进装备的工作母机，提高其性能对提高制造工业的能力和水平具有决定性的重要意义。但现有机床基于机械基准工作，通过被动方式进行运动导向，各种内外不利因素不可避免地影响机床的加工精度和工作效率，严重制约机床综合性能的提高。为解决此问题，本项目提出并研究基于超导驱动、信息制导的新型机床构造原理和实现技术，重要创新点是：通过超导悬浮驱动，隔离制造装配误差、非线性因素、受力变形、受热变形、摩擦磨损等多种内外不利因素对机床工作精度的影响，并基于激光导轨原理建立独立的高精度工作基准，在此基础上通过信息制导控制，使机床运动部件沿激光基准运动，从而实现与机械系统无关的高精度运动，由此创造新一代信息化超导机床技术，为机床技术实现跨越发展开辟新的技术途径。项目研究成果对建立现代机床的新科学技术基础，对提高我国高端和极端制造装备的研发制造能力和水平具有重要意义。

本项目对新型超导机床的构造原理和实现技术开展研究。. 首先，提出超导机床的构造原理，其核心思想是：通过超导悬浮承载和磁力直接驱动，有效隔离机械误差、受力变形、受热变形等对机床精度的影响，并彻底消除摩擦磨损、静压发热、机械振动等对机床工作速度的制约，在此基础上，基于高精度信息基准进行主动导向控制，从而有效提高机床工作精度。据此原理进一步对超导机床的体系结构进行了研究，为超导机床的构建提供了依据。. 在此基础上，对超导机床的三方面关键问题进行了研究。. 第一，针对隐式闭环超导承载系统（如超导列车等）悬浮力不能被外部有效控制，难以保证悬浮位置精度这一问题，提出面向超导机床的主动控制式超导无接触承载原理和实现方法。该方法通过反馈线性化和闭环校正，镇定超导环节固有不稳定性，并有效抑制磁控非线性和功率驱动饱和的影响，从而实现对运动部件悬浮位置的精确控制，为构建满足超导机床要求的无接触承载系统奠定基础。. 第二，为提高超导机床悬浮承载系统的动态性能，提出基于协同磁控调节的悬浮控制原理，并据此研究了“超导承载+磁场调节”和“超导承载+磁力调节”两种复合承载系统的构建原理和实现方法，重点解决了超导承载跟踪控制、磁控调节协同控制等问题，有效提高了系统的动态性能，为构建既具有大承载能力又具有高动态性能的超导机床无接触运动系统提供了保证。. 第三，对超导机床的信息基准原理进行了研究，并提出基于该原理的新型激光导轨的构造原理和实现结构。在此基础上，进一步研究基于激光导轨的信息制导（主动导向控制）技术，以及信息制导系统的抗扰控制方法。为从根本上解决超导机床的工作基准和运动导向问题，从而有效提高其工作精度探索出新途径。. 最后，在以上工作基础上，完成了超导机床实验系统的开发。并在该系统上进行了实验研究，对所研究的原理、方法和关键技术进行了实验验证。实验结果表明，所提出的原理、方法和技术可行，系统技术指标达到项目要求。