液体静压运动副的四轴联动精密加工机床结构设计

大口径平面、球面、非球面光学元件广泛应用于光刻机、高能激光器、高分相机等高端装备的光学系统中,尺寸大于400 mm×400 mm、表面轮廓精度均方根值(root mean square,RMS)优于1μm等技术指标是大口径光学元件在磨削加工阶段的目标精度要求。磨削工艺主要面临如何实现高平滑的表面轮廓加工以及控制亚表面损伤层深度等问题。根据已有的实验研究,磨削机床采用高精度的液体静压运动副,可以有效地提高光学元件抛光后表面轮廓的平滑程度以及降低亚表面损伤层的厚度。具备上述特性的高性能磨削机床国外对中国禁运,而国内尚无成熟的商品。因此,文章研制了一种采用液体静压运动副的四轴联动精密加工机床,分析了机床的主要构型,进行了机床主要运动部件的精度分配,完成了基于液体静压运动副的X/Y/Z/C四轴的设计方案,最后进行了光学元件磨削加工工艺实验,实现了380 mm×541 mm口径微晶玻璃磨削面形精度±0.471μm(RMS值)、表面粗糙度Ra0.3μm的加工目标。

液体静压技术在精密机床中应用

当前,我国工业发展速度持续加快,加工方式逐渐趋于精密化,相关企业在精密机床研究与开发中投入更多精力,促进精密化加工体系的形成。而在精密机床运行过程中,对支承的应用相对较多。静压导轨的运用,可对支承滑动需求加以满足,保障生产加工作业的有序进行。本文对液体静压技术实际发展状况进行研究,对静压导轨滑块类型加以阐释,分析静压导轨技术特征,评估该技术发展趋势,以期为液体静压导轨发展提供依凭。

变黏度液体静压轴承的温升特性研究

采用广泛使用的有限元法难以探究温升的影响对液体静压轴承动态特性的影响,为此,提出了一种基于有限差分法的变黏度液体静压轴承动态润滑仿真算法,对变黏度液体静压轴承的温升特性进行了研究。首先,改进了油腔的热力学边界条件,以拓宽其适用范围,使其适用于油腔尺寸较大的液体静压轴承;然后,基于有限差分法处理了Reynolds方程、流量连续方程、能量方程以及黏温方程,从而建立了基于MATLAB的液体静压轴承变黏度热流动态润滑模型;最后,采用仿真计算的方法,分析了偏心率ε为0.1~0.4、主轴转速n为3000 r/min~10000 r/min(线速度为14.1 m/s~47.1 m/s)时,油膜压力与温升的变化机理。研究结果表明:当主轴转速从3000 r/min增大到10000 r/min时,转速的增大会使得液体静压轴承的承载力因动压效应的增大而增大,但其油膜的平均压力却因温度的升高、油膜黏度的降低而下降了约24%;主轴偏心率的增大会导致油膜温度聚集,而主轴转速的增大则导致油膜温升增大,故当偏心率ε=0.4而转速n=10000 r/min时,油膜的温升较大,且热量发生聚集,其最高温升可达39.5℃;主轴转速越高,液体静压轴承内热油携带对温升的影响越显著。该研究结论可以为温升影响下高速液体静压轴承的轴心轨迹与动态特性的研究提供理论基础。

主控型液体静压轴承转子系统的模型辨识

基于雷诺方程和流量守恒方程建立液体静压主轴转子系统模型,以主动单面薄膜节流阀为控制元件,对主轴的径向运动进行控制。采用频域辨识法对系统输入输出进行辨识,发现静压主轴转子系统在低频低电压范围下的系统特性更接近二阶系统,并通过公式计算出系统的传递函数,得到小扰动下的系统模型,设计模型预测控制(MPC)与PID控制器验证辨识模型的有效性,试验与仿真对比表明,该模型能较为精准地反映系统输入输出特性。

基于PM流量控制器的双锥液体静压轴承静动态特性分析

基于PM流量控制器的双锥轴承结构可在较小尺寸下同时承受轴向力和径向力,承载性能更大,且外置节流器的方式结构简单,易于调节性能,降低回转误差。设计了基于PM控制器的双锥轴承,建立轴承平均分布五油腔的静动态特性模型,分析了轴承设计与节流器主要参数对承载能力的影响规律。研究表明,轴承总刚度、承载力与锥半角呈递增关系,轴向刚度、承载力递增更显著,但径向变化不大;增大供油压力、减小初始液阻比,可提高油膜刚度与承载力;增加节流器的比流量与初始流量,减小供油压力,可缩短过渡时间,提高动态性能。根据设计指标匹配轴承和节流器的关键参数,可在同等条件下实现轴承性能优化。

数控转台液体静压轴承承载能力研究

分析了数控转台液体静压轴承的基本结构、工作原理、有效承载面积和液阻,推导了数控转台液体静压轴承在毛细管节流、PM流量控制节流、恒流量多头泵供油方式下的承载能力和刚度的计算公式。结合实例,定量分析等初始供油量、等平均刚度、变初始油膜间隙下,毛细管节流、PM流量控制节流、恒流量多头泵供油时,油膜间隙对轴承承载性能和刚度的影响,为液体静压转台设计和研究提供了依据。

PM流量控制器参数对液体静压导轨性能影响的研究

在介绍PM流量控制器基本结构、工作原理以及流量压力特性基础上,推导出基于PM控制器的矩形对置油垫的承载能力、油膜刚度及动态传递函数的表达式。以某机床静压导轨的一对对置油垫为例,重点分析研究PM控制器的三个性能参数比流量cr、初始流量q0和泵压ps之间的相互关系及对油膜承载能力、静刚度及动态特性的影响。研究表明,给定初始流量q0和泵压ps,静刚度随cr增大而逐渐增加,在cr=6.2时静刚度有峰值,这对静压导轨的正常工作不利。比流量cr的合理取值范围为1.2～5.2,此时对置油垫静刚度随着q0的增大和pp减小而增大。基于油膜厚度传递函数表达式,研究敏感油路体积Vo=500 cm3时,在阶跃载荷作用下,不同的比流量cr、初始流量q0以及泵压ps对油膜在时域及频域内动态特性的影响。研究表明:在时域内,cr、q0、pp主要影响着油膜厚度的超调量,随着cr、q0增大以及泵压pp减小,其超调量明显增加。为提高油膜承载的稳定性,减小过渡过程的超调量,可减小cr、q0,增大泵压pp;在频域内,幅频特性曲线峰值处的频率为油液振动的固有频率。随着cr、q0的增加和pp减小,幅值越大,对应的固有频率也有所增大,失稳区频率范围变宽。当作用频率很高时,参数cr、q0、ps对幅值影响很小。研究工作对基于PM流量控制器的液体静压导轨的设计具有参考价值。

轴颈形状误差对液体静压主轴回转精度的影响

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,已在工程领域广泛应用,但轴颈形状误差作为静压主轴形成回转误差的主要因素,其对回转误差的定量影响规律并不明确。通过分析和简化主轴轴颈的形状误差特征,运用CFD动网格技术定量计算了形状误差作用下主轴在轴承油膜中的平衡位置,模拟了主轴旋转时轴颈形状误差凹、凸部位依次通过最小油膜厚度位置的轴心轨迹,发现了轴颈圆度误差使主轴形成回转误差,其大小与轴颈圆度频次和幅值有关,揭示出轴颈圆度误差对液体静压主轴回转精度的作用机制。通过对比理论计算和试验测试轴颈圆度误差作用下的回转精度,理论计算值约为试验测试值的75.2%。理论计算结果和所提出的研究方法具有重要的理论意义和工程参考价值。

液体静压主轴回转误差的形成机理研究

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,虽然已在工程领域获得广泛应用,但其回转误差的形成机理长期以来并不明确。利用现有的静压主轴计算模型,难以对主轴从静平衡位置到动态回转误差轨迹的过渡过程进行定量精确的计算和仿真,难以揭示出回转误差运动的扰动因素与主轴位置、轴承流量和油膜力等因素之间的内在联系,因而不能从物理本质上合理解释静压主轴回转误差的形成机理。建立了液体静压主轴回转误差的动力学模型,采用全程动网格方法、平衡位置动网格方法和平衡位置油膜刚度阻尼等三种方法,定量再现了主轴从轴颈与轴承的同心初始位置到形成回转误差运动轨迹的过渡过程,揭示了静压主轴形成平均回转中心和回转误差时扰动因素与主轴合力、轴承流量和轴心位置之间的相互影响规律。采用最小二乘法对回转误差轨迹进行评价,对比分析了三种方法计算结果存在差异的原因,提出了可同时兼顾计算效率和计算精度的将动网格与油膜刚度阻尼相结合的回转误差计算方法。

节流器结构参数对Nanosys-1000液体静压导轨承载特性的影响

从实际加工角度出发,研究了节流器结构参数对Nanosys-1000超精密加工机床静压导轨承载特性的影响。利用流体分析软件建立导轨承载油垫的有限元模型并搭建了相关静压导轨实验台,研究了进口油压为1.7 MPa,油膜厚度为36μm时承载油垫的压力场分布特征,并通过对压力场积分得到油膜承载力,求导得到油膜刚度,从而揭示不同结构参数对静压导轨承载特性的影响。研究结果表明:节流器结构参数中节流孔孔径对机床承载特性影响最大,其次为节流孔孔长,出入口倒角对其影响甚微。导轨负载较小时,扩大节流孔孔径与缩短节流孔孔长有助于改善静压导轨承载特性;但在重载条件下,缩小节流孔直径,增加节流孔孔长反而更有利。将仿真数据与实验数据作对比,得到3个承载力测量点数据误差分别为7.9%,6.9%,8.6%。最后根据研究成果,确定了Nanosys-1000机床静压导轨节流孔结构参数。

偏载液体静压转台旋转工况下承载力及倾覆力矩动网格计算方法

针对液体静压转台在承受偏载运行时,转台上下导轨面易发生刮擦的现象,为解决传统解析计算方法难以建立偏载静压转台转动状态下承载力及倾覆力矩数学模型,且传统CFD计算方法无法实现对几何边界运动变化的流体域进行建模计算的难题,提出偏载液体静压转台旋转工况下承载力及倾覆力矩动网格计算方法。该方法采用自定义程序实现对静压转台旋转时油膜形态变化的控制;利用弹簧光顺模型更新因转台倾斜方向改变引起的油膜网格变形;将油膜旋转动边界转换为静止边界,有效避免转台旋转引起的网格畸变。采用该方法进行计算,能利用同一模型实现对不同油膜厚度、不同倾斜位移率的油膜进行仿真,避免重复建模,提高了计算效率;能形象再现油膜三维流场压力分布的动态变化过程,计算结果体现了转台运动对流场分布的影响,更贴近工程实际。利用所提出的方法对国产某典型静压转台的承载力及倾覆力矩进行计算,并建立静压转台试验系统,对偏载静压转台进行试验研究。试验数据与动网格方法计算结果的对比分析表明,两者基本吻合,证实所提出的偏载液体静压转台旋转工况下承载力及倾覆力矩动网格计算方法有效。

液体静压导轨定压供油式油腔承载力的超静定力学模型

在机床液体静压导轨的设计计算中,准确计算各油腔的承载力是正确设计液体静压导轨系统的前提。目前液体静压导轨的油腔承载力的计算一般采用'平移外负载'的方法。不同的油腔布置形式对应不同的力学模型,使'平移外负载'的通用性较差。根据叠加原理,利用逆向思维,将定压供油式油腔的承载力分为6部分,分别承受外载荷的6个分量。导轨上油腔的布置较复杂时,油腔承载力的计算变成超静定问题。借鉴'弹性体'的求解方法,列出油膜的变形协调方程,将超静定问题转化成静定问题,进而求解出各油腔的承载力。将油腔承载力的6部分进行矢量叠加,推导出油腔承载力的最终求解方程。以工程中的回转工作台为范例进行计算,与实际的已测结果进行比较,验证了该方法的正确可行性。所做研究提供了定压供油式液体静压导轨油腔承载力的通用计算方法,并能借助计算机编程求解,提高了设计效率和精度。

液体静压转台倾斜油膜承载特性解析

针对CFD数值仿真计算过程中建模周期长、计算效率低的缺点,基于各封油边当量油膜厚度思想采用解析法来研究液体静压转台倾斜承载特性,推导了倾斜油膜承载力、弯矩和刚度的计算公式,提高了计算效率。利用CFD软件Fluent对油膜进行了数值仿真,结果表明倾斜油膜承载力误差保持在6%以内,弯矩误差保持在8%以内,验证了解析公式的可靠性。利用所提出的解析方法研究了倾斜位移率、供油压力、节流孔径和转速对油膜基本性能参数的影响规律。

PM流量控制器节流液体静压轴承静动态特性分析

将PM流量控制器用于无周向回油槽四腔向心静压轴承,建立了PM流量控制器静压轴承数学模型,重点研究分析了轴承结构参数及PM流量控制器参数对静压轴承特性的影响。研究结果表明:轴承轴流封油边系数越小、周流封油边系数越大,轴承油膜刚度和承载力越大,初始油膜间隙增大,油膜刚度减小;润滑油动力粘度较大且初始油膜间隙较小时,油膜刚度和承载力较大;液阻比越小,比流量越大,油膜刚度越大;供油压力越大,油膜刚度、承载力和流量越大。同时基于线性化下液体静压轴承系统的传递函数,利用Matlab Simulink软件在时域和频域内分别研究了静压轴承系统的动态特性。研究结果表明:在阶跃载荷作用下,随着供油压力和比流量的提高,过渡过程时间越短,静压轴承系统的动态特性越好;在正弦载荷作用下,提高供油压力、比流量都会使轴心偏移量的稳态幅值减小,油膜动刚度增大,且供油压力较比流量对系统频率特性的影响显著。

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。

油膜厚度对闭式液体静压导轨性能的影响

为了研究油膜厚度对静压支承的影响,以闭式液体静压导轨为研究对象,确定了导轨系统的初始参数;基于力平衡方程及流量方程,建立了功率损失、静态性能、动态性能的数学模型;将总功率损失、承载能力和静刚度、固有频率、调整时间和动刚度等参数作为导轨的性能指标,利用MATLAB软件定量分析了油膜厚度对导轨性能的影响。研究结果表明:增大油膜厚度,则液体静压导轨的总功率损失增大,调整时间变长,承载能力不变,静刚度、固有频率及动刚度减小。因此,减小油膜厚度,可降低导轨总功率损失,提高静态性能和动态性能。研究结果为工程实际中闭式液体静压导轨静压油膜的设计提供了理论依据。

立式液体静压主轴的设计及温度场分析

目前国内外大口径KDP晶体加工都采用立式空气静压主轴超精密飞切机床加工,但立式空气静压主轴存在阻尼低、抑振困难的缺陷。利用液体的高阻尼特性,设计出采用大止推盘的立式液体静压主轴结构,研究止推油膜厚度和偏心量对立式主轴的最高温升及承载力的影响规律。结果表明:随着油膜厚度的减小,温升量和承载力逐渐增大,且增大的越来越快;主轴温升主要出现在轴承油膜区域,同时由于结构和散热条件的影响,止推轴承区域的温升明显高于径向轴承区域温升。

基于理想点法的液体静压支承系统多目标参数优化设计

利用多学科优化理论,以液体静压支承系统的结构最大位移最小、单元最大Von Misses应力最小为优化目标,以无量纲的材料弹性模量和油膜刚度作为设计变量,利用响应面方法,将满足结构强度和刚度条件的目标函数进行显式化,建立了以结构综合性能指标为目标的单目标优化模型,通过求解获得了提高系统力学性能的参数条件。本文的研究工作对于增强数控机床工作台的承载能力和性能,满足高精度的加工需求,推动先进制造业的自主创新发展,具有重要的理论意义和应用价值。

液体静压导轨油膜厚度的控制方案研究

为了保证在不同载荷条件下,机床静压导轨具有良好的运动精度和低速平稳性,必须对液体静压导轨的油膜厚度进行有效的控制。在介绍了液体静压导轨的工作原理后,提出了基于直流调速和矢量变频调速的两种油膜厚度控制方案,并比较了两种方案的优缺点。研究结果表明:采用矢量变频调速的油膜厚度控制方案,在保证控制精度的同时,可以使系统的成本降低,系统的可维护性和节能效果更好。

液体静压导轨支承油膜的有限元分析

介绍了液体静压导轨支承的设计,并对其油膜压力分布进行了研究。根据流体润滑理论及雷诺方程,构建了导轨油膜压力的数学物理模型,提出了运用有限元法进行油膜刚度及导轨承载能力的分析与计算方法。借助非线性有限元软件M arc对一个应用实例进行了分析与计算,得到油膜压力的分布云图和曲线,求解出了油膜刚度和导轨的承载能力。计算结果表明,该方法计算结果精确,可以满足设计要求。