五轴联动超精密磨床结构分析及驱动系统设计

发布时间：2020-11-13 17:48

　　 近年来,超精密加工技术成为航空、深空探测、光电显示等领域的技术支撑,超精密加工零件在军事、民用等领域出现了大量需求;作为实现零部件超精密加工的母机,超精密机床的发展受到了各国广泛关注。在实际应用中,五轴联动超精密机床能够满足复杂光学曲面、大型超精密光学元件等零件的高质量加工,能够解决诸多加工难题,具有广泛的应用前景与巨大的应用价值。但是,现阶段我国在五轴联动超精密机床结构设计、运动控制、装配调试等方面都未成熟,研制水平有待提升,又要面临国外技术封锁等问题。本课题为解决硬脆材料光学元件加工问题,开展了五轴联动超精密磨床结构设计与分析研究,选择液体静压丝杠作为直线运动系统的驱动装置,搭建实验平台开展相关实验研究。本文首先对五轴联动超精密磨床进行结构设计与分析。从硬脆材料光学零件的加工质量要求出发,分析机床功能需求,确定整机构型及主要运动部件形式。机床各直线轴均采用液体静压导轨以保证导向精度,根据液体静压支承相关理论设计机床X轴、Z轴、垂直轴导轨结构;选择液体静压丝杠作为X、Z轴的驱动装置并完成机床三维建模。将五轴磨床整体抽象为多体系统并建立机床几何误差模型,分析了加工误差敏感方向几何误差的来源,通过误差分配确定了机床主要运动部件的精度指标。考虑到五轴磨床对动态特性具有较高要求,在完成机床结构设计的基础上,对机床主要运动部件以及整机结构进行了有限元分析,预测机床动态特性。有限元分析内容包括液体静压导轨与垂直轴的静力学变形、热变形以及模态特性,还包括整机的模态以及谐响应特性。仿真分析主要以结构变形量、固有频率与振型、刚度等指标评价结构特性,找出结构的薄弱环节以指导结构优化工作。最后,本文设计并搭建了液体静压丝杠驱动的超精密直线运动系统,完成了机械结构装配以及控制系统调试工作,搭建了高性能液压系统,保证直线轴稳定运行。在电流环条件下进行了系统位置闭环伺服参数优化并测试了系统伺服特性;实验证明,该系统能够实现10nm运动分辨率,具有良好的稳态特性、抗干扰特性以及动态特性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG580.2
【部分图文】：

Nanotech500FG五轴联动超精密自由曲面加工机床[3]

a）碳化硅材料加工 b）铝材料非球面加工 c）微透镜阵列加工图 1-2 多种材料及结构的超精密加工在超精密加工领域，由于我国起步相对较晚，与国外相比仍存在一定差距。近年来，在国防、航天、通讯、电子工业等领域中，出现越来越多超精密加工应用需求。例如惯性导航仪器等相关系统中的陀螺轴承、浮子以及支架等零件

图 1-3 Moore 公司 Nanotech 350FG 超精密机床Nanotech 系列机床主要功能部件包括：花岗岩床身、主（C）轴及其驱、液体静压导轨（X、Z 轴）及其驱动装置、垂直轴及其驱动装置、B 轴动装置、快刀伺服系统、金刚石刀具、光学对刀仪等。X、Z 轴的运动行为 350mm、300mm，以“T 型”布局分布，采用分辨率 0.034nm 激光全
【参考文献】

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本文编号：2882457