气体静压主轴模态仿真分析及试验研究

为准确获取气体静压主轴的动力学模态特性,分别建立主轴转子及主轴部件的有限元模型,对有限元模型中添加的弹簧及电机约束边界条件进行了研究,并分别对以上两个有限元模型进行模态计算。比较两种情况下的结构固有频率、振型趋势及各阶模态下的有效参与质量,分析主轴部件中的外壳对主轴转子模态参数的影响,其中仅保留主轴转子的前六阶固有频率为1.5 Hz、277 Hz、279 Hz、316 Hz、384 Hz、385 Hz,而主轴部件的前六阶固有频率为1.5 Hz、259 Hz、270 Hz、281 Hz、352 Hz、363 Hz,以上结果中均包含刚体模态及重根模态。两者比较结果表明主轴部件的固有频率因其质量的增加而有所降低,且主轴部件不再满足对称结构形式,因而相对于仅保留主轴转子重根模态的情况有所减弱。基于有限元仿真分析结果,进一步对主轴部件进行模态试验验证,通过仿真与试验对比,结果表明主轴转子的有限元仿真结果与试验测量结果更加贴近,其前三阶误差分别为0.6%、10.6%和2.6%。上述仿真边界条件的加载与计算过程及试验测试方法对进一步提高气体静压主轴模态参数仿真精度及修正动力学仿真模型提供了有益参考。

PWM频率对超精密机床主轴动态性能影响研究

为了分析多轴联动超精密机床伺服驱动器的PWM频率对超精密机床动态性能的影响,研究基于一款国产超精密机床的气体静压主轴,对其控制系统进行Simulink建模、仿真,并开展位置控制实验。通过主轴电机的动态特性方程对PWM型驱动器控制下的超精密机床主轴动态响应进行建模,模拟不同PWM频率下的主轴电机的电流、转矩和转速的响应波形,分析仿真数据,得到被控对象和PWM频率之间的控制律。在此基础上,以主轴的重复定位精度作为动态性能参数,搭建超精密机床主轴动态性能测试平台,通过对重复定位精度实验数据与仿真结果进行线性相关度分析,定量评价其相关度。最终得到气体静压主轴在PWM频率为20~60 kHz的范围内动态性能显著增强,而在60~100 kHz频率范围内的增强的趋势变缓,主轴动态性能的最优PWM频率参数为60 kHz。在设计选型阶段为超精密机床控制系统的参数选择提供了参考。

气体静压主轴旋转振动分析

在气体静压主轴高速旋转过程中 ,由于气流是由外部气源供给 ,其外部气源经常受到干扰力的影响 ,从而使气体静压主轴在旋转过程中发生了偏移和晃动 ,磨损和摩擦加剧 ,以至出现微动磨损等现象。为了减少和抑制此类现象的发生 ,采用等效物理模型对主轴旋转系统进行模拟并计算 ,为设计气体静压轴承和主轴提供必要的依据 。

形状误差对气体静压主轴回转精度的影响

为评价形状误差对气体静压主轴动态回转精度的影响,建立了考虑转子形状误差的小孔节流气体静压主轴模型并构建了实验平台。采用雷诺方程分析转子形状误差对主轴回转精度的影响过程,使用圆柱度仪测量转子的形状误差数据并进行分析处理,使用主轴误差分析仪检测气体静压主轴的动态回转精度,将两者的数据进行统计学分析。结果表明:利用转子圆柱度误差能较好地预测主轴回转精度,但采用转子半径波动标准差指标的效果更好。该研究对主轴在设计和加工时的误差控制有一定参考意义。

“工”字型气体静压主轴的动力学特性研究

针对小孔节流静压气体径向轴承支撑的两种不同结构的"工"字型气体静压主轴的固有频率及振型等动力学特性,采用CFX软件对小孔节流静压气体径向轴承进行刚度的仿真计算,应用Ansys Workbench对单盘、双盘"工"字型主轴进行自由模态和约束模态分析,得到两种主轴各阶的固有频率以及振型。利用锤击法实验模态分析系统对双盘"工"字型主轴进行约束模态实验测试,并将实验结果与仿真结果进行分析对比。结果表明,主轴上的集中质量、不同的阶梯结构以及影响主轴的低阶模态与高阶模态的因素不同等方面对主轴的固有频率及振型等动力学特性产生影响,以及误差的存在,使双盘"工"字型主轴的实验模态值低于有限元仿真的模态值。

基于有限元气体静压主轴模态分析

为了分析气体静压主轴的动态性能,研究气体静压主轴的设计合理性和高速稳定性,建立了气体静压轴承刚度的模型,应用FLUENT对气体静压轴承进行了流体分析,计算出了气体静压轴承的支撑刚度。在此基础上应用ANSYS Workbench对气体静压主轴进行模态分析,得到了气体静压主轴的各阶固有频率以及其相应振型。分析结果表明了气体静压主轴的共振频率随着轴承刚度的增加而增加,引起气体静压主轴的临界速度远远大于设计的最高速度,说明气体静压主轴设计是合理可靠的。

全气体静压环形抛光机床的研制及应用

针对单轴抛光机面形控制难度大、较多依赖人工经验,无法满足光学元件激增的数量和精度需求的问题,提出研制一种新型超精密环形抛光机床。首先引入抛光盘跳动为变量构建基于Preston公式和赫兹接触理论的材料去除模型;模型仿真分析表明抛光盘跳动误差变化会导致材料不均匀去除,而主轴跳动误差和导轨直线误差会直接影响抛光盘的面形修正和测量精度。然后基于此结论,利用静态、模态、谐响应分析对机床整体布局和横梁支撑形式进行优化;同时设计气体静压导轨和主轴以提高直线运动精度和主轴回转精度。最后为了验证机床精度和加工指标,采用LK-G5000激光传感器检测导轨和转台的运动误差分别优于1.2μm/400 mm和0.4μm。对φ300 mm的UBK7光学元件进行抛光,8小时后粗糙度和PV值分别优于R_(a)0.56 nm和1/10λ。结果表明:所研制的超精密环形抛光机床达到了设计要求。

气体静压主轴气膜压力分布理论研究

气体静压主轴的气压分布满足二维非线性雷诺方程,但该方程无法获得解析解。根据气体静压主轴气膜的特殊性对该方程进行了化简,推导出了形式简单的气膜压力分布函数。通过仿真分析,验证了该函数的正确性。为气体静压主轴气压分布的计算提供了简单的函数表达式,避免了通过微分变换法或有限元分析法求解的大量工作。

基于ANSYS Workbench的气体静压轴承径向特性分析

提出一种基于ANSYS Workbench的径向特性分析方法。基于计算流体力学的相似原理,建立小孔气体静压主轴的有限元模型,并使用FLUENT模块计算得到主轴微小气膜间隙内的压力场;通过Static Structure静力分析模块进行强度校核,并获取主轴的承载力;基于DOE实验设计方法计算小孔气体静压主轴的径向刚度,并分析周向节流孔个数和节流孔孔径对径向刚度的影响。结果表明,节流孔孔径越大,刚度越小;节流孔周向数量增加,刚度增大。计算结果与实验结果吻合较好,证明该方法的可行性。

空气动静压径向轴承实验台加载装置误差分析

通过对空气动静压径向气体轴承实验台加载机构进行力学分析,建立相应的力学模型,并构造出误差函数,进行了误差计算与分析,消除了由于加载机构的弹簧拉力方向角度误差对测量气体轴承气膜支持力的影响.

KDP晶体超精密加工机床静压主轴轴向变形分析

通过建立KDP晶体超精密加工机床气体静压主轴的三维有限元模型,在考虑主轴装配的接触关系和螺钉预紧力的情况下,计算得到了主轴结构在工作状态下的变形。计算结果表明,由于结合面和主轴受拉伸长,轴承气膜间隙增大;气体压力导致止推板从中心到边缘发生翘曲变形,止推轴承的气膜为楔形。实验结果表明,有限元模型的计算误差小于11%。

基于有限元的超精密空气静压主轴最佳综合刚度设计

超精密空气主轴的刚度是超精密主轴的一个非常重要的指标,轴承的结构形式、气膜结构参数均对刚度指标有影响。本文通过工程计算得到气膜刚度等参数后,在特定空间尺寸和重量的限制条件下,基于有限元进行Nanosys-600F五轴超精密机床的气浮主轴(C轴)机械结构设计,通过多次分析,得到了气浮主轴(C轴)最佳综合刚度结构参数。