超精密气浮转台的设计和静动态特性分析

发布时间：2019-08-17 14:11

【摘要】：超精密加工技术是现代制造技术的重要组成部分,它直接影响着国防水平和民用加工技术的发展,几十年来,各工业强国都在超精密加工领域进行了深入的研究,并取得了巨大的成就。超精密机床是超精密加工的重要手段,转台系统是确保机床加工质量的核心装备之一,因此对转台部件研究具有重大的意义。根据课题中转台设计的具体要求,选择闭式气体静压轴承作为支撑部件,将重点放在了支撑系统和控制系统的设计上。研究了气浮轴承的原理,确定了小孔节流的结构形式,轴承布局为径向轴承和双向止推轴承结合的方式。利用表压比法设计了轴承的详细尺寸,通过工程计算,得到了转台在一定工作压强下的承载力、静刚度和耗气量等性能参数。为了提高转台的控制精度,采用UMAC控制器、线性驱动器、直流无刷力矩电机和圆光栅组成全闭环控制系统。根据气体润滑轴承的基本原理,建立了转台止推轴承在柱坐标下的Reynolds方程,利用Fluent有限元分析软件,研究了气膜平均厚度和供气压强对止推轴承静态特性的影响规律,并对转台的静态刚度进行测量,将测量的结果与理论计算结果和仿真结果进行比较,验证了转台系统设计的合理性。利用WORKBENCH对转台进行模态分析,得出其各阶固有频率和模态振型,结果表明转台在正常转速下不会引起谐振,同时也采用高精度回转误差分析仪对转台的回转精度进行了测试,结果表明转台的轴向误差比较小,径向误差稍大,针对转台的回转误差进行了分析并提出了改进措施。基于UMAC和驱动器完成了控制系统搭建,在搭建的控制系统基础上建立了力矩电机运动的数学模型,使其满足设计要求,通过Simulink仿真调试得出最佳PID参数。基于UMAC控制器对控制参数进行了整定,得到了转台实际工作的最佳控制参数。利用激光干涉仪测量了转台初始定位精度并基于UMAC的误差补偿功能进行补偿,使转台定位精度达到设计指标。
【图文】：

图 2-1 气浮转台总体结构图Fig.2-1 The overall structure of air bearing rotary stage气浮转台主要由径向轴承、止推轴承、直流无刷力矩电机、圆光栅、推力轴环、转子转轴、光栅转轴、外壳和工件转盘组成。工件转盘，推力轴环，转子转轴通过螺栓连接，轴承固定环与转台外壳通过螺栓连接，电机转子与转子转轴过盈配合，电机定子与转台外壳过盈配合，圆光栅与光栅转轴通过螺栓连接。圆光栅与轴采用锥面配合安装方式，只要稍微增大轴在配合部位的直径，利用该方法，即使轴偏心，光栅尺也可以获得较高的同心度，提高转台的精度，一旦安装螺栓预紧力调到适当水平，系统会对热扰动或冲击干扰产生很强的抗干扰能力。研发气浮转台的实物图如下图 2-2 所示。

图 2-1 气浮转台总体结构图Fig.2-1 The overall structure of air bearing rotary stage要由径向轴承、止推轴承、直流无刷力矩电机、圆光转轴、外壳和工件转盘组成。工件转盘，推力轴环固定环与转台外壳通过螺栓连接，电机转子与转子外壳过盈配合，圆光栅与光栅转轴通过螺栓连接。式，只要稍微增大轴在配合部位的直径，利用该方法得较高的同心度，提高转台的精度，，一旦安装螺栓热扰动或冲击干扰产生很强的抗干扰能力。研发气。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG659

【参考文献】

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本文编号：2527833