超精密机床液压支承主轴振动特性分析及基础隔振研究

摘要

本文以某超精密加工机床为研究背景，采用Materials Studio、LAMMPS等软件建立了主轴分子动力学模型，分析了轴承刚度的影响因素;采用ABAQUS建立了机床有限元模型，并设计了双层隔振体系，进行了隔振前后主轴位移响应分析。主要研究内容如下: 1)基于分子动力学原理，综合使用Materials Studio、LAMMPS等软件建立了主轴轴向模型及径向模型，分析了不同油膜厚度、不同主轴转速、不同进油压强等因素对轴承刚度的影响规律。研究结果表明:在本文主轴工作状态下，轴承刚度随油膜膜厚变化呈现先增后减变化趋势;轴承刚度与主轴转速、进油压强均呈正相关; 2)对该超精密机床进行了试验模态分析，得到机床前16阶固有频率、阻尼比、振型图等固有动力学属性，发现前8阶固有频率与环境微振动频率范围基本重合;采用ABAQUS建立机床有限元模型，并进行模态分析，前8阶固有频率与实测频率较为吻合，最大误差不超过6.40％，并且振动特征与实测振动特征一致，证实了模型的有效性; 3)采用Matlab生成白噪声随机信号以模拟环境微振动，将振动信号同时从X、Y、Z三个方向加载于机床模型中，得到16种组合试验下主轴位移响应。结果表明:环境微振动下主轴三个方向的位移响应均超出加工精度要求，必须进行隔振设计; 4)针对该超精密机床设计采用双层隔振体系，对该隔振体系进行环境微振动下主轴位移响应分析。分析结果表明:机床经过隔振后，主轴三个方向位移响应均产生较大幅度降低，满足超精密加工要求; 5)分别考虑上下层不同隔振器刚度、阻尼比、不同中间质量块与机床质量比等隔振参数设置对隔振效果的影响。模拟结果表明:随弹簧刚度增大，主轴三个方向位移响应增大，且改变上层或下层弹簧刚度对体系隔振效果影响近似;随阻尼比改变，主轴三个方向位移响应减小，且改变上层隔振器阻尼比效果更明显;随质量比的改变，主轴位移响应先减小后增大，在质量比接近1时隔振效果较好。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2超精密加工技术发展现状

1．3分子动力学研究现状

1．4精密设备基础隔振技术研究现状

1．5传统方法存在的问题

1．6本文主要研究内容

2基于分子动力学的液压轴承油膜刚度分析

2．1分子动力学模拟的基本原理

2．1．1力场

2．1．2系综

2．1．3积分方法

2．1．4控温方法

2．1．5周期性边界

2．1．6宏观物理量的统计

2．2修正雷诺方程

2．2．1微元体平衡

2．2．2质量流量

2．2．3流量连续条件

2．2．4滑移边界条件

2．3液压支承主轴分子动力学建模

2．3．1液压支承主轴物理模型

2．3．2相似理论

2．3．3液压支承主轴分子动力学模型

2．4液压支承油膜刚度分析

2．4．1润滑膜厚度对轴承刚度的影响

2．4．2主轴转速对轴承刚度的影响

2．4．3进油压强对轴承刚度的影响

2．4．4小孔直径对轴承刚度的影响

2．5正交试验分析

2．6本章小结

3超精密加工机床的模态试验及有限元建模

3．1模态分析理论

3．2试验模态分析

3．2．1试验模态分析理论基础

3．2．2试验模态分析方法及实施

3．3有限元建模及模态分析

3．3．1有限元模型的建立

3．3．2模态分析

3．3．3模态分析结果对比

3．4本章小结

4环境微振动及主轴运动共同作用下超精密加工机床的动态响应分析

4．1环境微振动特性

4．2振动信号的生成

4．2．1扫描频率信号

4．2．2拍波信号

4．2．3白噪声随机信号

4．2．4人工模拟地震波信号

4．3环境微振动对不同工作状态下机床主轴运动的影响

4．4本章小结

5超精密加工机床的隔振设计及参数分析

5．1隔振设计

5．1．1隔振体系的选择

5．1．2双层隔振体系原理

5．1．3隔振系统设计

5．2隔振系统在不同试验下的动态响应分析

5．3参数改变对隔振系统的影响

5．3．1隔振弹簧刚度对隔振效果的影响

5．3．2隔振器阻尼比对隔振效果的影响

5．3．3质量比对隔振效果的影响

5．4本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2展望

致谢

参考文献

附录