【摘要】：精密超精密機床是事關國計民生的戰(zhàn)略性裝備,在國防工業(yè)和民用光學工業(yè)領域關鍵零件的精密超精密加工中具有獨特而廣泛的用途。液體動靜壓電主軸是精密超精密機床的核心功能部件,其回轉精度對機床的加工精度具有決定性影響。但由于主軸動不平衡、軸頸形狀誤差、軸系偏心誘發(fā)的電磁激振等因素的綜合作用,導致主軸回轉精度的分析預測十分困難,目前國內外在這方面的研究尚不系統(tǒng)深入,亟需研究形狀誤差及電磁力作用下的液體動靜壓電主軸回轉精度變化規(guī)律。(1)建立了基于Timoshe nko梁的“軸承—磁拉力—磨削力—主軸系統(tǒng)”轉子動力學模型及回轉精度評定方法。采用Timoshenko梁理論和拉格朗日動力學方程推導了主軸單元質量矩陣、單元剛度矩陣和單元阻尼矩陣;采用Matlab符號積分功能模塊得到了重力、動不平衡力的單元載荷向量;通過整體質量、剛度和阻尼矩陣及整體載荷向量的組裝構建統(tǒng)一的基于Timoshenko梁的“軸承-磁拉力-磨削力-主軸系統(tǒng)”動力學模型。采用Wilson-θ數(shù)值算法,編程實現(xiàn)了對該動力學模型的求解。研究了圓圖像同心圓半徑之差、最小包絡圓的半徑值和敏感方向同步誤差峰峰值三個回轉精度評價指標的特點及適用范圍。通過與現(xiàn)有文獻中固有頻率值的對比,驗證了所建立動力學模型和所提出算法的有效性。(2)根據(jù)平行平板擴散流動模型及兩平板相向運動產生擠壓流量的物理現(xiàn)象,提出了基于有限體積的小孔節(jié)流深淺腔動靜壓軸承非線性油膜力的計算方法。為解決固定網格難以有效消除低頻迭代誤差的難題,采用多重網格迭代技術加快了收斂速度,提高了計算效率。利用歐拉迭代法求出了主軸的平衡位置,施加位移、速度小擾動條件后得到了軸承動力特性系數(shù)。采用文中方法研究了供油壓強、主軸轉速、進油孔徑、淺腔深度、初始油膜厚度等參數(shù)對小孔節(jié)流深淺腔動靜壓軸承穩(wěn)態(tài)特性的影響規(guī)律。數(shù)值驗證了工程經驗中深淺腔動靜壓軸承的淺腔深度約為初始油膜厚度2倍的合理性。在搭建的實驗平臺上,測量了不同轉速及供油壓強下油腔的壓強值,驗證了基于有限體積法的非線性油膜力計算方法的正確性。(3)針對轉子傾斜偏心誘發(fā)的不平衡磁拉力計算模型尚不完善的現(xiàn)狀,提出了利用氣隙域各個節(jié)點的氣隙磁阻及Maxwell應力求解不平衡磁拉力的半解析解法。通過與現(xiàn)有文獻對比研究,結果表明:文中磁拉力計算方法正確可信且較有限元法計算效率更高;在其余電磁參數(shù)相同的條件下,要盡量減少磁拉力引起的回轉誤差,應保證電機極對數(shù)不少于2。采用Ansoft 2D瞬態(tài)模塊仿真驗證了文中給出的某型號電機電磁參數(shù)的合理性,并利用文中方法研究了該型號電機不平衡磁拉力及電磁剛度隨偏心率及傾斜角度的變化規(guī)律。結果表明磁拉力與動不平衡力數(shù)量級相同,其對回轉精度的影響不容忽視。(4)定量研究了軸頸形狀誤差對軸承回轉精度的影響規(guī)律,構建了軸頸圓度誤差形成回轉誤差運動的力學模型,揭示了圓度誤差影響回轉精度的機理。該模型可解釋的規(guī)律包括:在不考慮重力和動不平衡力等外力條件下,以及在同心工況時,奇數(shù)波圓度誤差產生回轉誤差運動,而偶數(shù)波圓度誤差不產生回轉誤差運動;在考慮以上諸外力后,軸頸奇數(shù)波圓度誤差比偶數(shù)波圓度誤差對回轉精度的影響更為顯著;回轉精度隨轉速、圓度誤差幅值的增大而降低;軸頸復合圓度誤差的奇數(shù)波成份對回轉精度的影響起主導作用。(5)研究揭示了軸頸形狀誤差、磁拉力和磨削力等綜合因素對電主軸回轉精度的影響規(guī)律。結果表明:2對極電機的磁拉力和階躍型磨削力僅改變軸端的平衡位置,對回轉精度的影響不大;在相同條件下,當軸頸奇數(shù)波圓度誤差的幅值足夠小時,主軸軸端的回轉精度也能達到精密級。軸頸圓柱度誤差(錐形圓柱度、鼓形圓柱度及鞍形圓柱度)對主軸軸端回轉精度的影響很小。(6)參與搭建了液體動靜壓電主軸實驗臺,對主軸的固有頻率和回轉精度進行了實驗測試。結果表明:低階固有頻率的理論計算值與實驗值的吻合度較高;同步回轉誤差的實驗測試值及理論計算值均小于1μm,且隨轉速的變化趨勢基本一致。從而驗證了所建立模型、所提出算法和研究結果的正確性。本文研究為實現(xiàn)主軸軸心從原點到平衡位置的動態(tài)過渡過程的定量仿真、揭示軸頸形狀誤差對回轉精度的影響規(guī)律提供了重要的理論方法和有效實現(xiàn)途徑,從而為開發(fā)新型高精度的液體動靜壓電主軸和磨削裝備提供有力技術支持。
[Abstract]:The precision ultra-precision machine tool is a strategic equipment for the national economy and the people's livelihood, and has unique and wide application in the precision ultra-precision machining of key parts in the field of national defense industry and civil optical industry. The fluid dynamic and static pressure electric spindle is the core function part of the precision ultra-precision machine tool, and its rotation precision has a decisive influence on the machining precision of the machine tool. However, due to the unbalance of the main shaft, the error of the journal shape, the electromagnetic shock induced by the eccentricity of the shaft system and other factors, the analysis and prediction of the rotation accuracy of the main shaft are very difficult. At present, the research in this area is not in-depth. It is necessary to study the change law of the rotary precision of the electric spindle under the action of the shape error and the electromagnetic force. (1) The dynamic model of the 鈥淏earing, magnetic and tensile force, grinding force and main shaft system鈥，

本文編號：2345192