高精度高刚度双锥支撑液体静压转台设计与研制
发布时间：2021-06-18 14:15
随着制造加工技术的发展,超精密加工对其机床高精度运动部件的静、动态特性提出了越来越高的要求。液体静压转台作为超精密机床的关键部件之一,需具有精度高、刚度高、动态性能好等优良特性,液体静压转台的设计制造和对其性能的研究具有非常重要的意义。为此,本文设计了一种具有高刚度锥形轴承结构支撑的超精密液体静压转台,并对其加工制造过程,电控系统,性能测试进行了系统地研究,为该类型液体静压轴系的研制提供了理论基础和技术指导。本文首先确定了锥形静压轴承采用小孔节流的方式,根据液体静压转台高刚度的技术指标要求,对锥形静压轴承进行理论计算和结构设计。基于现有的柱形静压轴承的刚度、承载力的计算公式,使用近似的方法,建立锥形液体静压轴承的刚度、承载力计算模型。接着,运用有限元仿真的方法对轴承的结构参数不断地进行优化,并将仿真的结果和理论公式的计算结果相互验证。根据粘性流体剪切力公式,计算了静压轴承油膜的内摩擦力矩和油液的平均温升,确保轴承工作的稳定性。为了避免轴承工作时的过度形变量导致其性能的降低,还通过流固耦合的方法,使用了有限元仿真软件对轴承在三种偏置情况下的形变量进行了计算。在轴承设计完成后,为保证高精度...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光学系统零件[1]
程硕士学位论文-3-稳定性阈值和速度裕度随轴承磨损而降低。Meng等人[13]采用计算流体动力学（CFD）方法对锥形液体动静压轴承进行了理论和设计方面的研究。Zuo等人[14]提出了两种带有不同补偿装置的锥形静压轴承，用扰动理论和有限元法对两者的刚度和承载能力进行分析和对比，为提高锥形轴承的刚度提供了一种解决方案。哈工大的卢礼华和苏浩[15,16]等人为了更准确地计算静压轴承的静态性能，提出了流固耦合模型。通过计算流体动力学（CFD）和有限元法（FEM）分析了在多影响因素情况下，液压油对轴承结构变形的影响，如图1-2所示，为优化静压轴承设计方面提供了理论依据。a)静压轴承流固耦合模型b)主轴系统热液固耦合模型图1-2静压轴承和主轴系统有限元仿真模型[13,14]在转台控制系统方面，卫进[17]设计了一种应用于液压马达的伺服阀速度闭环控制系统，并对影响液压转台制动距离的主要因素进行了分析，发现可以通过采用PID控制，达到抑制外负载扰动对转台制动距离影响的效果，该方法大大提高了转台的定位精度。任海燕等人[18]采用频域特性法对转台控制系统进行校正，结合MATLAB仿真，证明了控制算法的有效性，实现了速率传感器的速率标定以及惯性产品的摆动实验。林森等人[19]针对双轴转台的运动精度控制，提出了使用PID驱动转台控制系统，并设计了速度环、位置环、电流环的三闭环数字反馈控制系统，使转台的运动控制特性得以提升。在转台测量方面的研究，石炳存[20]分析了转台运动过程中的误差对机床精度的影响，通过误差点的优选，以及一些少数误差点的补偿试验，证明了采用该方法可以消除转台安装误差的影响。在误差分离方法中，最常见的是多步法，Buajarern等人[21]采用多步法研究了步数对圆度误差分离的影响，表明步数在测量精
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-为0.004”[31]。表1-1国外转台发展进程年份型号驱动方式支撑结构反馈装置精度1945A型转台交流电机滚珠轴承滚珠和微动开关组合角分1950B型转台直流力矩电机精密级锥形滚珠轴承电感元件角分20世纪70年代51系列直流力矩电机空气轴承感应同步器1”20世纪80年代三轴转台ITATT多项感应电机磁悬浮轴承支撑感应同步器和圆光栅0.1”美国Moore公司超精密机床中的转台，轴向、径向回转误差≤0.05μm，定位精度为±1.0”（经补偿），反馈分辨率为0.005”[32]；AEROTECH公司的ABRT系列产品，其高精度型径向运动误差为≤0.05μm，轴向运动误差为≤0.075μm，定位精度为±1.0”，反馈分辨率为0.012”。图1-3Precitech公司双圆锥液体在机床中的应用[31]德国的LTUltr公司主要生产和研究超精密气浮转台，其研制的LTRT200型的转台轴向径向误差均≤0.08μm，轴向刚度150N/μm，径向刚度40N/μm，双向可重复性1”。我国对超精密静压转台的研究起步较晚，相比于美国晚了足足有20年之久，但是具有很快的发展速度。1966年，我国第一台单轴转台DT-1由707所研制成功。1979年，哈工大成果研制出我国第一台双轴伺服转台7191。80年代初，第一台计算机控制的数字化转台研制成功，型号DPCT-11，控制精度可达1”。1989年，哈
【参考文献】：
期刊论文
[1]现代机械制造及精密加工技术研究[J]. 孙浩雷. 南方农机. 2020(10)
[2]现代机械制造工艺与精密加工技术探究[J]. 禹强. 中国设备工程. 2020(10)
[3]圆光栅配合自准直仪测量主轴径向运动误差[J]. 娄志峰,郝秀朋,刘力,王晓东. 光学精密工程. 2019(09)
[4]单轴测试转台控制系统设计[J]. 任海燕,金挺,董青华. 计测技术. 2019(02)
[5]双轴转台运动控制系统[J]. 林森,于宁. 中国科技信息. 2018(24)
[6]直驱技术在静压转台上的开发及应用[J]. 崔君君. 机电信息. 2017(24)
[7]基于流固耦合的多油楔滑动轴承动特性研究[J]. 李强,张硕,马龙,许伟伟,郑水英. 中国机械工程. 2017(09)
[8]高精度相机测试转台设计及其精度测试[J]. 李月锋,曹宗伟,杜沛远. 测绘技术装备. 2016(03)
[9]测试转台的研究现状及发展趋势[J]. 花新峰,武祎. 电子制作. 2015(05)
[10]提高测角精度的双读数头转台设计[J]. 娄云鸽,严隽藩,陈伟伟. 机械制造. 2015(01)
博士论文
[1]超精密机床自补偿液体静压轴承设计与特性研究[D]. 佐晓波.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]超精密液体静压B轴转台设计及静动态特性分析[D]. 张晏铭.哈尔滨工业大学 2019
[2]大径高比超精密液体静压转台的设计与分析[D]. 吴九达.哈尔滨工业大学 2013
[3]数控系统加减速算法及定位技术研究[D]. 张振华.大连理工大学 2007
本文编号：3236810
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光学系统零件[1]
程硕士学位论文-3-稳定性阈值和速度裕度随轴承磨损而降低。Meng等人[13]采用计算流体动力学（CFD）方法对锥形液体动静压轴承进行了理论和设计方面的研究。Zuo等人[14]提出了两种带有不同补偿装置的锥形静压轴承，用扰动理论和有限元法对两者的刚度和承载能力进行分析和对比，为提高锥形轴承的刚度提供了一种解决方案。哈工大的卢礼华和苏浩[15,16]等人为了更准确地计算静压轴承的静态性能，提出了流固耦合模型。通过计算流体动力学（CFD）和有限元法（FEM）分析了在多影响因素情况下，液压油对轴承结构变形的影响，如图1-2所示，为优化静压轴承设计方面提供了理论依据。a)静压轴承流固耦合模型b)主轴系统热液固耦合模型图1-2静压轴承和主轴系统有限元仿真模型[13,14]在转台控制系统方面，卫进[17]设计了一种应用于液压马达的伺服阀速度闭环控制系统，并对影响液压转台制动距离的主要因素进行了分析，发现可以通过采用PID控制，达到抑制外负载扰动对转台制动距离影响的效果，该方法大大提高了转台的定位精度。任海燕等人[18]采用频域特性法对转台控制系统进行校正，结合MATLAB仿真，证明了控制算法的有效性，实现了速率传感器的速率标定以及惯性产品的摆动实验。林森等人[19]针对双轴转台的运动精度控制，提出了使用PID驱动转台控制系统，并设计了速度环、位置环、电流环的三闭环数字反馈控制系统，使转台的运动控制特性得以提升。在转台测量方面的研究，石炳存[20]分析了转台运动过程中的误差对机床精度的影响，通过误差点的优选，以及一些少数误差点的补偿试验，证明了采用该方法可以消除转台安装误差的影响。在误差分离方法中，最常见的是多步法，Buajarern等人[21]采用多步法研究了步数对圆度误差分离的影响，表明步数在测量精
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-为0.004”[31]。表1-1国外转台发展进程年份型号驱动方式支撑结构反馈装置精度1945A型转台交流电机滚珠轴承滚珠和微动开关组合角分1950B型转台直流力矩电机精密级锥形滚珠轴承电感元件角分20世纪70年代51系列直流力矩电机空气轴承感应同步器1”20世纪80年代三轴转台ITATT多项感应电机磁悬浮轴承支撑感应同步器和圆光栅0.1”美国Moore公司超精密机床中的转台，轴向、径向回转误差≤0.05μm，定位精度为±1.0”（经补偿），反馈分辨率为0.005”[32]；AEROTECH公司的ABRT系列产品，其高精度型径向运动误差为≤0.05μm，轴向运动误差为≤0.075μm，定位精度为±1.0”，反馈分辨率为0.012”。图1-3Precitech公司双圆锥液体在机床中的应用[31]德国的LTUltr公司主要生产和研究超精密气浮转台，其研制的LTRT200型的转台轴向径向误差均≤0.08μm，轴向刚度150N/μm，径向刚度40N/μm，双向可重复性1”。我国对超精密静压转台的研究起步较晚，相比于美国晚了足足有20年之久，但是具有很快的发展速度。1966年，我国第一台单轴转台DT-1由707所研制成功。1979年，哈工大成果研制出我国第一台双轴伺服转台7191。80年代初，第一台计算机控制的数字化转台研制成功，型号DPCT-11，控制精度可达1”。1989年，哈
【参考文献】：
期刊论文
[1]现代机械制造及精密加工技术研究[J]. 孙浩雷. 南方农机. 2020(10)
[2]现代机械制造工艺与精密加工技术探究[J]. 禹强. 中国设备工程. 2020(10)
[3]圆光栅配合自准直仪测量主轴径向运动误差[J]. 娄志峰,郝秀朋,刘力,王晓东. 光学精密工程. 2019(09)
[4]单轴测试转台控制系统设计[J]. 任海燕,金挺,董青华. 计测技术. 2019(02)
[5]双轴转台运动控制系统[J]. 林森,于宁. 中国科技信息. 2018(24)
[6]直驱技术在静压转台上的开发及应用[J]. 崔君君. 机电信息. 2017(24)
[7]基于流固耦合的多油楔滑动轴承动特性研究[J]. 李强,张硕,马龙,许伟伟,郑水英. 中国机械工程. 2017(09)
[8]高精度相机测试转台设计及其精度测试[J]. 李月锋,曹宗伟,杜沛远. 测绘技术装备. 2016(03)
[9]测试转台的研究现状及发展趋势[J]. 花新峰,武祎. 电子制作. 2015(05)
[10]提高测角精度的双读数头转台设计[J]. 娄云鸽,严隽藩,陈伟伟. 机械制造. 2015(01)
博士论文
[1]超精密机床自补偿液体静压轴承设计与特性研究[D]. 佐晓波.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]超精密液体静压B轴转台设计及静动态特性分析[D]. 张晏铭.哈尔滨工业大学 2019
[2]大径高比超精密液体静压转台的设计与分析[D]. 吴九达.哈尔滨工业大学 2013
[3]数控系统加减速算法及定位技术研究[D]. 张振华.大连理工大学 2007
本文编号：3236810
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