在超精密加工领域，如何让刀具在微观尺度上画出完美的椭圆轨迹，同时保证两个轴向的运动互不干扰，是长期困扰业界的难题。杭州电子科技大学、华中科技大学和北京航空航天大学的研究团队联合研发出一种新型双轴椭圆振动辅助切削平台，通过创新的刚度矩阵模型和螺旋理论设计，成功将两轴运动的耦合效应降至最低，并在闭环控制下实现了优于±0.9%的轨迹跟踪精度。

一、椭圆振动切削：硬脆材料的“温柔刀”

椭圆振动辅助切削(EVC)技术自1994年由日本学者Shamoto和Moriwaki提出以来，已成为加工硬脆材料、难加工金属的重要手段。其核心原理是让刀具在切削平面内做高频椭圆轨迹运动，在每个振动周期内实现刀具与工件的周期性接触与分离，从而显著降低切削力、减少刀具磨损，并改善加工表面质量。

然而，传统EVC装置长期面临两大技术瓶颈：一是两轴运动耦合严重，一个轴向的运动会干扰另一个轴向，导致椭圆轨迹畸变;二是运动精度不足，在高速振动下难以精确跟踪目标轨迹，影响加工一致性。

二、科创亮点：从构型设计到闭环控制的系统创新

2026年3月27日，杭州电子科技大学赵东波、王传勇团队联合华中科技大学、北京航空航天大学等机构，在测量与仪器领域权威期刊《Measurement Science and Technology》发表最新研究，提出了一种基于刚度矩阵模型和螺旋理论的新型双轴EVC平台。

亮点一：镜像对称柔顺机构，实现低耦合运动

研究团队设计的核心创新在于采用桥式放大机构与双平行四边形机构组合的柔顺结构，并以镜像对称方式布局。这种构型设计通过严格的刚度矩阵建模，使得两个压电叠堆驱动器产生的运动在传递到刀具末端时，相互之间的串扰被抑制到最低水平。

与传统的单轴堆叠或简单正交布局相比，这种镜像对称设计在力学本质上实现了运动解耦，为高精度轨迹跟踪奠定了硬件基础。

亮点二：改进差分进化算法，优化结构参数

为了在有限的性能约束下获得最优设计，研究团队引入改进型差分进化算法对柔顺机构的关键尺寸进行非线性优化。通过迭代寻优，平台在保证高固有频率的同时，实现了理想的放大比和输入/输出刚度。

有限元仿真验证了优化后结构的有效性，为样机制造提供了精确的参数依据。

亮点三：闭环控制系统，轨迹跟踪误差±0.9%以内

在硬件优化的基础上，团队进一步设计了闭环控制系统，对平台运动精度进行实时补偿。实验测试采用频率100 Hz、幅值10 μm的正弦轨迹作为目标，测试结果显示：

X轴向跟踪误差：±0.9%以内

Y轴向跟踪误差：±0.8%以内

这一精度指标标志着该平台在动态轨迹跟踪方面达到国际先进水平。同时，开环测试也验证了平台具有低耦合特性和高固有频率，为高速精密加工提供了保障。

三、技术验证：从仿真到实物的完整闭环

研究团队完整走过了“理论建模—优化设计—仿真验证—样机制造—实验测试”的研发路径：

理论建模：建立柔顺机构的刚度矩阵模型，分析输入/输出刚度、放大比和固有频率

算法优化：应用改进差分进化算法，在给定性能约束下求解最优几何参数

有限元仿真：验证优化后结构在静态和动态载荷下的响应特性

样机测试：制造平台样机，进行开环和闭环实验验证

实验数据与仿真结果高度吻合，证明了设计方法和优化策略的有效性。

值得一提的是，该团队在2024年已发表过双激励超声椭圆振动切削装置的研究，采用类似的正交双路径耦合设计，在36.5 kHz谐振频率下实现±4 μm的椭圆轨迹调节范围，并在Inconel 718镍基高温合金切削实验中，将表面粗糙度Ra从传统切削的0.36 μm降至0.215 μm，表面质量提升约40% 。这为本研究中的高精度平台提供了坚实的工艺应用基础。

四、应用前景：从光学模具到航空航天

1. 光学模具精密加工

模具钢等硬脆材料在光学模具制造中应用广泛，但其与金刚石刀具的化学反应易导致严重磨损。椭圆振动切削技术通过高频断续切削，有效降低切削温度、抑制刀具磨损。该高精度平台可实现更复杂的光学微结构阵列加工。

2. 航空航天难加工材料

Inconel 718、钛合金等航空材料在传统加工中切削力大、刀具损耗严重。椭圆振动辅助切削可显著降低切削力和切削热，该平台的高精度轨迹控制有望进一步提升加工表面质量和刀具寿命。

3. 微纳结构表面制造

具有微沟槽、微金字塔等结构的功能表面在光学、流体和生物医学领域需求旺盛。该平台的高精度、低耦合特性使其成为加工这类复杂微纳结构的理想工具。

五、产业意义：从“经验调参”到“精密可控”

这项研究的深层价值在于将椭圆振动切削技术从“依赖经验调试”推向“精密可控”的新阶段。传统EVC设备多采用开环控制，轨迹精度依赖于机械加工的精度和装配的一致性，难以批量复制。而该平台通过闭环控制和优化设计，将动态误差控制在1%以内，为EVC技术的工业级应用铺平了道路。

正如论文作者在开环测试中验证的那样：低耦合特性意味着操作者可以独立调节两轴参数，大幅降低调试难度;高跟踪精度意味着加工结果的一致性和可重复性显著提升。

来源：杭州电子科技大学机械工程学院、华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室、北京航空航天大学机械工程及自动化学院、四川精密超精密加工工程技术研究中心；作者：赵东波(杭州电子科技大学、华中科技大学)、杜汉恒(北京航空航天大学)、王传勇(杭州电子科技大学)、蒲晓楠(华中科技大学)、付思源(四川精密超精密加工工程技术研究中心)；题目：Development of a novel decoupled dual-axial elliptical vibration-assisted cutting stage utilizing the stiffness matrix model and screw theory；发表于：Measurement Science and Technology(2026年3月27日)。