流体静压支承对超精密金刚石车床动态特性影响的研究

摘要

超精密加工技术在现代国防和高新技术中占有重要地位,超精密金刚石车床是实现超精密加工的重要设备。从加工的观点看,机床的作用是准确的控制刀具和工件之间的位置,机床加工时使刀具和工件之间按预定的轨迹运动,以获得所需要的工件表面。这需要超精密金刚石车床具有良好的动态性能。但是,由于机床各部分的连接刚度是有限的,机床加工时刀具刀尖和工件之间的振动是不可避免的。随着对加工精度的要求越来越高,机床本身的动态特性对加工精度的影响越来越突出。机床的结合面是影响机床动态特性的主要因素。相比普通机床,超精密机床的一大特点是大量采用流体静压支承,流体静压支承的油膜或气膜作为超精密机床的结合面,它们的性能是影响超精密机床动态特性的重要因素。因此,本文针对流体静压支承的性能及其对超精密金刚石车床动态特性的影响进行研究。
　　首先,建立了考虑支撑面倾斜情况时液体静压导轨油腔流量公式和油膜厚度表达式,以此为基础建立了超精密金刚石车床液体静压导轨的有限元计算模型。根据该模型编制了计算程序,得到了导轨五自由度方向的刚度和角刚度,并对其影响因素进行了研究。在分析气体静压主轴和液体静压导轨异同的基础上建立了气体静压主轴的有限元模型,编制了计算程序,计算了主轴五自由度方向的刚度和角刚度,分析了其影响因素。
　　分析了所设计的超精密机床的结构特征,依据拉格朗日方程建立了机床的动力学方程,并对建立机床动力学方程所需的参数进行了辨识。通过实验辨识了液体静压导轨和气体静压主轴各方向的刚度,验证了所建立的有限元模型的正确性。通过实验辨识了液体静压导轨和气体静压主轴各方向的阻尼。建立了直线电机直接驱动的液体静压导轨和分体式无框架力矩电机直接驱动的气体静压主轴的控制系统模型,仿真得到了控制系统的刚度。
　　机床的动态特性用刀尖和工件之间的频率响应来表示。首先对机床进行了模态分析,求解得到了机床的固有频率和振型。然后通过刀尖和工件处的响应分析找出了对机床精度影响较大的固有频率和振型。研究了液体静压导轨和气体静压主轴的刚度、角刚度和阻尼等参数的变化对其机床动态特性的影响规律。为超精密机床的设计提供了理论依据。慢速刀具伺服加工和快速刀具伺服加工是超精密机床常用的独特加工工艺,因此,研究了慢速刀具伺服加工时液体静压导轨的运动特性,以及误差产生的原因和影响因素。建立了快速刀具伺服系统的动力学模型,分析了快刀加工时由于自身的高频振动引起的误差大小及其影响规律,为误差补偿提供了理论依据。
　　最后,对超精密金刚石车床振动信号进行了测试,并开展了端面车削加工实验研究。通过机床振动信号的测试得出机床加工时刀尖与工件之间的振动频率,与理论计算得出的频率进行对比,验证了理论分析的正确性。对车削加工实验得到的表面进行功率谱密度分析,获得了工件表面形貌的空间频率成分,与机床振动相对照,揭示了机床振动频率与工件表面形貌空间频率之间的关系。采用功率谱密度与二维小波变换相结合的方法提取出车削加工表面上特定空间频率成分的三维表面形貌,计算得到了这些特定空间频率成分对原始表面形貌的影响程度。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 超精密机床的国内外发展现状

1.3 流体静压支承的研究现状

1.4 机床动态特性的研究现状

1.5 工件表面形貌表征及分析方法

1.6 本文的主要研究内容

第2章 超精密金刚石车床流体静压支承性能的研究

2.1 引言

2.2 流体静压支承的数学模型

2.3液体静压导轨静态性能的有限元计算模型

2.4液体静压导轨静态性能分析与影响因素研究

2.5气体静压主轴静态性能的有限元计算模型

2.6气体静压主轴静态性能分析与影响因素研究

2.7 本章小结

第3章 超精密金刚石车床动力学建模与参数辨识

3.1 引言

3.2 超精密金刚石车床的结构特征

3.3 超精密金刚石车床动力学模型的建立

3.4 超精密金刚石车床刚度角刚度和阻尼辨识

3.5 超精密金刚石车床运动控制系统模型的建立

3.6 本章小结

第4章 超精密金刚石车床动态特性及影响因素的研究

4.1 引言

4.2 超精密金刚石车床动态特性的评定参数

4.3 超精密金刚石车床的模态分析

4.4 超精密金刚石车床动态特性分析

4.5 超精密金刚石车床动态特性影响因素分析

4.6超精密金刚石车床刀具伺服加工精度影响因素的研究

4.7 本章小结

第5章 基于工件表面形貌分析的超精密金刚石车床动态特性研究

5.1 引言

5.2超精密金刚石车床振动特性的实验研究

5.3 基于车削加工表面的功率谱密度分析和机床振动辨识

5.4车削加工表面的小波多尺度分析和特定频率表面的提取

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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