空气静压主轴宏微尺度研究进展综述

空气静压主轴作为精密超精密机床的关键部件,其回转精度高,运转平稳,振动及噪声较传统轴承小,高速回转时的温升较小.但其存在刚度和承载力较差的问题.因而,有必要对现有的空气静压主轴重要研究成果进行系统的总结及分析.回顾空气静压主轴的历史发展及研究成果,空气静压主轴的主要研究目的在于提高其承载力和刚度,改善动/静压特性以及稳定性等,并通过改进雷诺方程以及优化结构参数进行实现.同时其微尺度特性也成为研究的热点,研究结果表明,微尺度特性对于主轴的承载力以及刚度等具有重要影响.该研究从空气静压主轴的发展历程、静/动力学性能以及微尺度领域的黏度、速度滑移和稀薄效应等对空气静压主轴性能产生重要影响的因素进行综述和分析.结合现有的数值模拟方法,对主轴回转精度的测量和主轴运动状态进行了分析.最后,对空气静压主轴的研究发展趋势进行了预测.

高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系

采用高功率选区激光熔化技术和不同层厚(150、200、250μm)进行316L不锈钢粉末的单道成形、块体成形和拉伸试样成形试验,研究了单道形貌、块体致密度和截面组织、拉伸性能等。结果发现,平均熔宽随着层厚的增加而增加;相同层厚时,曝光时间越长,熔宽也越大。单熔道稳定成型随层厚的增加所需的曝光时间增大。三种层厚下均出现了液滴飞溅情况,液滴飞溅的程度随着层厚的增加而增加;相同层厚时,曝光时间越长,液滴飞溅的颗粒物越大。同等条件下,随层厚增大,成型效果逐渐变差。其中,150μm层厚时,致密度最大,达到99.9%,200μm层厚的力学性能最佳。250μm层厚时,晶粒尺寸较大,致密度较差,力学性能较差。粉层厚度不能无限增加,需在一个合理的参数范围内,以保证成形的效果。

控制工程基础课程思政教学模式的改革与探索

以控制工程基础理论课程为例,结合全国高校思想政治工作会议精神,通过挖掘专业教学内容中的育人元素,坚持以学生为中心、以产出为导向、持续改进的教学理念,改革教学方法与考核评价方式,将教学评价与持续改进贯穿课程教学始终等途径,积极探索课程思政在控制工程基础课程中的渗透,切实培养符合新时代需求的自动控制专业技术人才。

稀薄效应对空气静压止推轴承性能影响

针对微小间隙下空气静压轴承内部气体的稀薄效应问题,通过将体现稀薄效应的流量因子引入雷诺方程中,推导出体现可压缩气体稀薄效应的雷诺方程,运用有限差分法离散方程,通过MATLAB软件分析稀薄效应下轴承内部压强分布,并对轴承承载力和刚度变化进行研究,最后通过试验对得出的结论进行间接验证。结果表明,在气膜间隙8~10μm之间,考虑稀薄效应中流量因子的情况下得到的轴承刚度值与试验测量值比较接近,在量值上相差大约为20%左右,这为微尺度下轴承性能的研究提供一定的理论依据。

空气静压导轨气膜波动主要影响因素分析

针对空气静压导轨运动过程中出现的气膜波动问题,研究溜板气腔结构、节流器直径、供气压强对气膜内气旋及气膜波动的影响。通过仿真数据的对比分析发现气旋现象与气膜波动存在紧密的联系。从仿真结果得到了对气膜波动产生影响的因素有:节流孔的直径、气腔的结构形状和供气压强的大小。在上述的这些影响因素中供气压强的大小对气膜波动影响较大,最后试验对得出的这一结论进行了验证,与仿真结果吻合。这些分析为从导轨结构和工艺参数上对空气静压导轨的气膜波动进行抑制,提高导轨的稳定性及加工精度提供了理论依据。

超精密加工中表面波纹度与主轴系统不平衡关系

针对超精密加工工件表面出现的表面波纹度问题,研究超精密机床液压主轴系统不平衡问题与表面波纹度之间的关系。加工工件的面形检测结果首先利用选出的最优小波变换进行各个尺度的分解及重构,接着利用功率谱密度分析小波分解后各个尺度上的信号谱能量得到相关频率信息,结合主轴系统部件的模态及旋转频率信息,对检测结果中主要误差特征进行提取。主轴系统频率信息由两种方法进行计算,从面形波纹度中提取出来的典型误差特征包含机床主轴固有频率和旋转频率及其高倍频,电源基频50 Hz及其整数倍频和次谐波信号,这些频率特征正好与主轴系统不平衡频率以及电动机工频噪声干扰频谱特征对应,这说明主轴系统不平衡是导致加工工件波纹度出现的主要原因,这种辨识方法为超精密机床加工精度的提高提供了辨识依据。

液体静压主轴油膜滑移现象的分析及试验研究

针对液体静压主轴运动过程中动态特性问题,研究微尺度下油膜滑移对轴承承载力,刚度及动态刚度的影响。把微尺度下发生的速度滑移引入到油膜性能方程中,结合液体静压主轴系统平衡方程推导出了主轴系统承载力、刚度及动态刚度表达式,研究了油膜初期主轴静动态性能及油膜动刚度特性。从仿真结果中得到油膜滑移的发生使得承载力及刚度增大,最大刚度对应油膜厚度减小。最后刚度检测试验间接得出了实际主轴系统油膜流动过程中,存在油膜微滑移现象。本项研究为液体静压主轴微尺度下油膜滑移现象及性能的研究探索了一条新途径。

空气静压导轨气膜波动的辨识

空气静压导轨的气膜波动已成为超精密加工工件波纹度的主要影响因素。为分析空气静压导轨性能,利用雷诺方程推导出双排节流孔结构形式的空气静压导轨气膜刚度计算公式,并对相应空气静压导轨进行静态刚度检测试验以验证建立的导轨气膜刚度模型的正确性与可行性。结合静压导轨的模态分析结果,建立空气静压导轨的动力学模型。根据气浮导轨系统的动力学方程,给出气浮溜板刚度及其在加工过程中随气膜厚度变化的波动频率的仿真步骤和结果,根据引起的振动幅值分析气膜波动对加工结果的影响。利用小波变换把加工工件面形检测结果分解为各尺度下低频信号和高频信号,并把各尺度下高频信号做功率谱密度分析,从导轨气膜波动频率出发辨识出导轨气膜波动信号所在的尺度,根据相应的功率谱密度幅值推导出对加工结果的影响程度。

基于非线性动态特性的轴承–转子系统振动分析

随着空气静压主轴在超精密加工过程中的广泛应用,对主轴的运动精度的要求不断提高,如何准确预测和提高主轴运动精度是十分必要的。基于空气静压轴承的非线性动态特性,研究空气静压主轴的振动特性和预测模型,探索非线性动态特性分析对主轴回转精度的影响。首先,对空气静压径向轴承的动态特性进行分析,建立气膜动态流动模型,采用扰动法求解模型得到轴承的非线性动刚度与动阻尼系数。将空气静压轴承内的气膜作为弹簧阻尼系统建立轴承–转子系统,并通过动力学分析建立了轴承–转子的动态振动模型。将轴承的非线性动态特性参数引入振动模型,结合MATLAB对模型进行求解,得出了空气静压主轴径向跳动误差曲线、偏转误差曲线和径向总振动误差曲线,并通过FFT数据处理对振动进行频域分析。通过对比分析得到非线性分析对空气静压主轴径向振动误差的影响。最后,搭建了空气静压主轴径向回转误差测量试验台,得到主轴实时回转误差信号,实现轴承–转子系统的振动动力学模型分析的实验验证。从空气静压径向轴承的动态分析可以看出,轴承的动刚度和动阻尼均呈非线性变化,随着偏心率的增加动刚度不断增加,而动阻尼不断减小。从轴承–转子系统的振动分析可以看出:1)非线性分析对主轴偏角振动误差有明显影响,而对径向跳动误差的影响不明显,说明非线性分析主要通过影响主轴的偏角误差从而影响径向总误差。2)定值分析时偏角误差的最大振幅基本稳定,而非线性分析时偏角误差的最大振幅存在一个增加过程并最终趋于稳定,并且非线性分析时最大振幅明显大于定值分析时的振幅。3)在供气开始一段时间内,非线性分析与定值分析下的径向总误差基本一致,但随着时间的增加,非线性分析下的最大振幅大于定值分析下的最大振幅,说明开始供气时非线性分析对径向跳动误差和偏角误差没有造成明显影响,当供气稳定时非线性的动刚度与动阻尼会对主轴转子振动幅度产生明显影响。4)从频域上看,非线性分析最大振幅处的共振频率为964 Hz,定值分析最大振幅处共振频率为986 Hz,非线性分析使最大振幅处的共振频率有所下降。5)非线性分析和定值分析在频率高于1 500 Hz时,转子的振幅变化都很小,说明频率大于1 500 Hz之后,转子振动比较稳定,此时气膜的振动频率与固有频率不容易发生共振。空气静压主轴回转误差实验的结果表明,基于非线性分析所得的主轴径向回转误差的误差率比定值分析所得主轴径向回转误差的误差率降低了1.43%～6.54%。因此,将空气静压径向轴承内气膜作为弹簧阻尼系统施加于转子之上可以实现轴承–转子系统的耦合振动分析,轴承非线性动态特征参数的引入实现了轴承动态性能对主轴动态振动的影响,通过基于非线性动态特性的轴承–转子系统的振动分析可以更加准确地研究和预测空气静压主轴的径向振动误差。

速度滑移对液静压轴承油膜微流动影响敏感度

为了使液体静压轴承油膜性能的研究更加准确,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和有限差分方法,研究了液体静压轴承间隙油膜微流动的速度滑移现象及其对轴承性能的影响,并定义敏感度物理量对影响程度进行评估.在传统油膜流动假设条件基础上,引入Navier速度滑移边界条件对传统的Reynolds方程进行修正,通过有限元差分方法求解修正后的Reynolds方程,采用梯形积分公式求解轴承承载力等性能参数,对速度滑移影响的轴承性能的敏感度做出定量和定性分析.研究结果表明:油膜压力分布、轴承的承载力、动刚度及油腔流量等轴承性能对速度滑移都有一定的敏感性.最大油腔压力随滑移系数的增加而减小;速度滑移在一定程度上提高了轴承承载能力和油腔流量,但同时降低了轴承动刚度,流量对速度滑移的敏感度最大达到100%.

速度滑移下液压主轴轴心轨迹动态研究

基于载荷增量法和扰动压力法,研究液体液压主轴系统的动态性能。通过有限差分法求解计入微尺度速度滑移效应的不定常油膜压力分布的雷诺方程,并得出非线性油膜力。应用载荷增量法和扰动压力法求解反映油膜动态特性的4个动态刚度和阻尼系数,并用于转子轴心轨迹的动力学描述,求解存在偏心质量下的转子轴心轨迹,实现液压主轴系统的流-固耦合分析。研究结果表明:速度滑移对液压主轴的动态刚度和阻尼性能造成了一定的影响。动刚度系数Kxx、Kxy、Kyx和Kyy受滑移影响降低的最大比率分别为4.85%、4.85%、7.20%、7.16%,速度滑移降低了油膜阻尼系数Cyx、Cxy和Cyy,阻尼系数Cxx受滑移影响比较复杂;随着转子偏心质量距的不断增加,主轴轴心运行轨迹在不断扩大,系统的稳定性不断降低。最后,通过液压主轴回转精度实验验证了轴心轨迹模型的正确性和有效性。

基于“S”形加工样件的复合数控机床几何误差逆向追踪

基于对"S"形加工样件的复合机床误差影响溯源的研究,提出一种辨识影响加工缺陷最大的误差参数的方法。该方法将"S"形样件加工缺陷与复合数控机床成形运动综合考虑,采用三次B样条曲面对"S"形样件加工缺陷进行数学表征,并逆向推导出了"S"形样件加工缺陷处对应的刀具中心的实际位置,求解出了实际加工曲面到机床刀具的映射关系。同时利用多体系统误差分析理论建立了复合机床加工缺陷生成模型,并从机床角度求解出了缺陷处误差的表达方程。接着在"S"形样件缺陷产生的位置处,根据误差参数的敏感度及其实测值计算各项误差参数对加工缺陷的贡献并进行排序,确定对加工缺陷影响较大的5项误差参数。试验结果表明:该5项误差参数和全部误差参数同时作用下各点的误差进行差值比较,发现差值最大不超过±1.5μm,因此ε_(yC_1)、δ_z(B)、ε(C_1)、ε_x(C_1)、ε_(x_1C_1)是对加工缺陷影响较大的5项误差参数。

Daubechies小波在机床动态误差特征提取与辨识中的应用

针对机床各部件的动态信号特征在加工工件的面形误差中提取困难的问题,结合加工工件面形检测结果,提出基于小波变换和功率谱密度分析的超精密机床动态误差特征提取的新方法.采用Daubechies小波变换,从加工检测信号处分解出了低频和高频信号.同时,将小波变换与功率谱密度相结合,实现了机床动态误差特征的有效提取与辨识。

微尺度下速度滑移对空气静压导轨性能影响

为了阐释空气静压导轨气膜间隙处在微小尺度所体现的特性,引入气体稀薄效应中的速度滑移算法到Navier-Stokes方程,推导出体现微尺度条件下空气膜流动特点的雷诺方程,进而对气膜内的压强分布进行了仿真分析,根据得到的压强分布计算气膜承载力和刚度随气膜厚度变化的规律,通过试验对得出的结论进行了间接验证,与分析结果吻合.

稀薄效应下空气静压主轴动态特性分析及试验研究

针对微尺度下空气静压主轴的动态特性问题,建立了体现稀薄效应的主轴有限元模型,对主轴的模态、谐响应进行了研究。首先,基于有限元法对主轴进行建模,轴承部分采用Combin14弹簧单元建模。接着,通过扰动法得出稀薄效应下以及传统情况下轴承的刚度、阻尼参数,将此参数替代主轴模态分析中采用的弹簧单元的刚度、阻尼参数,结合主轴实际工作状态,进而分析出两种情况下的主轴的模态结果。然后,对主轴进行谐响应分析,校核之前模态分析结果。最后,对主轴进行锤击模态试验,从而检验两种状态下的模态分析结果。实验结果表明:稀薄效应下分析所得主轴1阶固有频率值较试验测量值的误差只有3.6%左右,而传统情况下得出的1阶频率值的误差在15%左右,这对主轴系统以后的优化设计和精度控制方面具有一定的理论依据。

滑移及黏度对超精密气浮工作台性能影响研究

针对超精密气浮工作台内部微小间隙气体的性能展开研究,实现了微尺度下气体滑移及黏度对气浮工作台性能影响的分析。基于气体润滑理论和微尺度下气体滑移和黏度的研究,实现了气浮工作台内气膜流态模型的修正,利用有限差分法给出了雷诺方程的数值求解过程;通过求解修正模型,分析不同供气压强和气膜间隙下,滑移和黏度对气浮工作台性能影响的机理。研究结果表明:气体滑移和黏度会引起气浮工作台承载力的降低和气膜刚度的增大,但不会改变供气压强和气膜间隙对工作台的影响趋势,只是影响程度发生改变,当同时考虑滑移和黏度时,承载力比忽略时降低最多(约为21.95%),最大刚度比忽略时提升最大(约为15%)。滑移和黏度的存在使得气浮工作台的实际性能最优参数小于理想的最优性能参数,最优气膜间隙由原来的10μm变为6μm。最后,通过试验验证发现,同时考虑气体滑移和黏度时,气浮工作台的性能最接近实际工况,承载力的仿真曲线与试验曲线最吻合,刚度的试验值与仿真值的误差约为9.59%。

动态参数影响下液体静压主轴运动精度分析及优化

针对现有液体静压主轴运动误差分析及优化的不足,基于液体静压主轴的结构参数,建立了主轴运动误差的动力学模型,定量分析了在不平衡质量作用下主轴转子不同转速下的动态参数变化规律。以主轴运动误差数学模型作为目标函数,以主轴系统参数作为设计变量,采用遗传算法对液体静压主轴系统的运动误差进行优化分析。单一因素优化分析时,主轴系统径向误差运动x、y、主轴倾角θ的优化效率分别为41.22%、25.21%、66.16%,多目标优化时效率为4.7%。优化后的主轴运动精度都有了显著的提高,并得到了提高液体静压主轴运动精度的结构参数组合。

基于Daubechies小波和工件面形误差的机床导轨误差相关性分析

提出一种基于Daubechies小波和车削面形误差的导轨误差辨识的新方法,根据检测结果的特征分析结果,识别出引起此特征的机床误差源。为了了解小波分析的误差,对工件面形检测信号用不同紧支集的Daubechies小波族在1～9尺度下进行分解和重构,对比重构信号和原始信号发现,紧支集为[0,1]的Db1小波用于工件面形信号分解时误差最小。误差源对加工结果影响的仿真结果与实际加工工件的面形检测结果对比,分离出的表面形貌的单尺度上的信息与原信息除了会有相位时移外,还有很多特征相关性。利用小波的变焦特性,采用特征相关性分析方法,从检测结果中确定出引起加工结果的机床误差源。

速度滑移影响下液体静压止推轴承静态性能分析

为了研究微尺度下速度滑移对液体静压止推轴承性能的影响,将速度滑移模型引入传统雷诺方程中,得到修正的雷诺方程;通过求解修正后的雷诺方程,得到速度滑移影响下八油腔液体静压止推轴承的静态性能特性。研究结果表明:速度滑移的存在并没有改变轴承性能的变化趋势,但使得相同油膜厚度下油膜压力、轴承承载力和刚度增大;随着滑移长度的增大,轴承油腔压力、承载力及刚度增大,最优油膜厚度变小;轴承的承载力和刚度随着供油压力的增大而增大,供油压力相同时,速度滑移使得轴承承载力和刚度有一定程度的增大。

主轴振动对表面波纹度影响及预测模型分析

机床加工精度的影响因素中,静压主轴系统的动态特性引起的振动是加工表面波纹度产生的重要因素。基于主轴振动信息建立波纹度的生成模型,求解得到6个影响因素的灵敏度中径向轴承的位置是影响表面波纹度的主要因素。建立评价体系,通过相关法来评估生成模型与实际加工表面波纹结果之间的关系,得到了高于0.45的相关系数。最后利用功率谱密度提取主轴系统的频谱特性,发现主轴振动是影响加工精度的主要因素。