供气压力对气体轴承——转子系统稳定性影响的实验研究(英文)

为解决气浮轴承在经过临界转速的剧烈振动不稳定这一问题,进行了供气压力对气体轴承-转子系统稳定性影响的实验研究。基于涡轮驱动和电器比例阀压力控制,搭建了基于高速静压气体轴承-转子系统实验台,对不同供气压力工况组合下系统振动进行了测试与分析。结果表明: 在一定供气压力范围内,临界转速值随着轴承供气压力增大而升高,振动幅值随着轴承供气压力增大而降低,合理控制临界转速区域附近供气压力可一定程度内抑制振动幅值,达到提高系统稳定性的目的。     

基于观测器的直线电机气浮工作台扰动抑制

直线电机伺服系统中,各种外部扰动会直接“零传动”到控制系统,导致伺服系统性能下降,影响运动平台的精度。为了抑制外部干扰对直线电机气浮工作台精度性能的影响,在不增加控制系统硬件的情况下,基于工作台的名义模型,设计了阶次低、易于实现的速度型干扰观测器,通过观测工作台指令速度来观测等效的外部干扰,在控制系统中进行补偿。在直线电机气浮运动平台的控制中,采用上述干扰观测器进行干扰控制实验。实验表明,基于干扰观测器的控制系统对外部扰动具有很强的抑制作用,降低了工作台的定位误差和轨迹跟随误差。     

静压气浮轴承承载能力的计算机仿真分析

对于气浮轴承承载力求解方法,学术界通常采用有限元单元法或有限差分法对建立起来的可压缩Reynolds方程求解。但是可压缩Reynolds方程的边界的条件不易获得,求解非常繁琐、工作量大,且求解精度不高。为此,应用计算流体动力学分析软件FLUENT对气浮轴承进行建模和数值仿真,使求解过程得到了简化,而且精度也得到了改善。此方法可缩短气浮轴承商品化的周期。     

基于参数化CAE流程的曲面气浮轴承流场的研究

气浮技术的典型应用跨立式气浮支撑技术由径向止推轴承和轴向轴承组成。该形式便于加工但组装缝隙会被承载力以杠杆效应放大,导致结构失稳或重启后精度丧失。通过对气体轴承传统模型功用利弊的分析,提出了曲面式气浮轴承,并建立了数值仿真模型,用以分析曲面式气浮轴承与跨立式气浮轴承的承载特性。借助FLUENT与DX模块的参数化设计功能,对该类问题的数值模拟精度提出了解决方案。借用以上方法,求得了该尺寸下具有数值稳定性的离散化模型文件,并应用该文件对曲面气浮轴承进行了仿真研究。结果表明:新式网格无关性数值模拟实验有助于提高数值模拟的计算精度,曲面气浮轴承比较与跨立式气浮轴承具有结构紧凑承载稳定等优点。     

基于滑模变结构控制的气浮工作台定位精度仿真分析

气浮轴承存在明显的非线性的特性,而精密工作台又要求较高的精度,传统的PID控制方法较难满足系统定位精度的要求。在分析精密气浮平台工作原理的基础上,建立了气浮工作台直线运动的数学模型和基于滑模控制（SMC）的系统控制模型,并进行了参数分析和研究。研究结果表明,在受外界干扰较大,且存在较大非线性情况下,工作台仍能达到较好的定位精度,实现几十纳米的定位控制精度,证明了SMC控制器具有较好的鲁棒性。参数分析结果显示,气浮阻尼的存在有利于提高平台的定位精度。     

基于参数化CAE流程下提高曲面气浮承载能力方法的研究

气浮轴承的流场结构具有极大的长径比,通常与轴承直径之间相差四个数量级以上,气浮轴承的仿真运算变得十分困难。通过对气体轴承传统模型功用利弊的分析,提出了曲面式气浮轴承,并建立了数值仿真模型,用以分析曲面式气浮轴承与跨立式气浮轴承的承载特性。借助FLUENT与DX模块的参数化设计功能,对该类问题的数值模拟精度提出了解决方案。借用以上方法,求得了该尺寸下具有数值稳定性的离散化模型文件,并应用该文件对曲面气浮轴承进行了仿真研究。结果表明:新式网格无关性数值模拟实验有助于提高数值模拟的计算精度,曲面气浮支撑结构比较比跨立式气浮支撑结构具有更紧凑的承载特性。     

三轴气浮台重力梯度引起的不平衡力矩分析

为降低重力干扰力矩对三轴气浮台平衡及仿真精度的影响,提出了气浮台重力梯度不平衡力矩的计算方法。根据台体上各质点受到的重力大小存在略微的差别,建立了重力梯度引起的不平衡力矩计算模型,分析了重力梯度不平衡力矩对气浮台平衡过程的影响。仿真结果表明:重力梯度不平衡力矩是气浮台台体二倍倾斜角的正弦函数;随着台体质心趋近回转中心重力梯度不平衡力矩作用越来越显著。     

高速气浮静压轴承的结构设计

在分析一类高速气浮轴承工作原理的基础上,建立其轴径轴承的静态承载力模型,并据此分析出轴承间隙中气体流量、压强与节流孔孔径间的相互关系,以及在低速运转下受离心力作用的轴径中心运动轨迹.最后,通过模拟仿真并考虑实际工况给出了轴承间隙和节流孔孔径两个关键尺寸.此举为高速气浮轴承的国产化奠定了一个良好的基础.     

基于Design Explorer网格优化的曲面气浮承载能力的研究

目前静压气浮轴承通常采用跨立式组合支撑技术来满足应用需求,但该支撑技术存在着如供气调节复杂,结构不紧凑等一系列固有问题制约着该支撑技术的使用效果。基于此,在对跨立式支撑系统进行分析后,针对其可以改进之处提出了曲面气浮支承系统。借助FLUENT与Design Explorer模块的参数化设计功能,对该类问题的数值模拟精度提出了解决方案。求得了设计参数对于该支撑系统承载力的影响。得出新式网格无关性数值模拟实验有助于提高数值模拟的计算精度。     

负压式气浮平台供气压力的研究

液晶平板在线检测过程中,使用负压式气浮系统的稳定性更高,为了比较负压的大小对气膜稳定性、供气参数、质量流量的影响,运用气体润滑理论,对气浮平台的单个节流孔进行理论分析,得到气膜平面的压力分布规律。建立正负压节流孔间隔排布的通孔阵列模型,通过Gambit建立模型并划分网格,对模型提供不同的负压,导入Fluent进行数值计算,得到各种情况下通孔阵列和阵列中心的压力、速度分布曲线。比较得到负压为-2 k Pa时,气膜稳定性更好。分析不同负压所需与之匹配的正压,得到对同一支承物,气膜厚度不变的情况下,正压随负压的变化规律。最后从稳定性和经济性因素出发,得到玻璃光学检测仪器的气浮支承平台的供气参数。     

多气压压缩供气系统设计

针对现有空气压缩机只能提供单一工作气压的现状,提出一种能同时提供高、低压供气系统方案,着重描述系统的组成、各部件连接关系以及压缩供气系统气压控制及过温保护原理、流程,提高了系统的安全性,并且低气压供应可通过软件灵活配置。     

Characterizations and models for the thermal growth of a motorized high speed spindle

In this paper, the characterizing and modeling of the thermal growth of a motorized high speed spindle is reported. A motorized high speed spindle has more complicated dynamic, non-stationary and speed-dependent thermal characteristics than conventional spindles. The centrifugal force and thermal expansion occurring on the bearings and motor rotor change the thermal characteristics of the built-in motor, bearings and assembly joints. It was found that conventional static models using regression analysis and artificial neural network failed to give satisfactory model accuracy and robustness. An auto-regression dynamic thermal error model, that considers the temperature history and spindle-speed information, has been proposed and proved to improve the model accuracy. However, it was found that temperature-based thermal error models, that correlated thermal displacement of the rotating cutting tool to the temperature measurements on the spindle housing, were not robust. Many nonlinear and time-varying thermal sources, such as coolant jacket, motor air gap, motion joints and assembly interfaces influence thermal displacement. The relationship between temperature measurements and thermal displacements is highly nonlinear, time-varying and non-stationary. A new thermal model which correlates the spindle thermal growth to thermal displacements measured at some locations of the rotating spindle shaft has been proposed. It was found that the displacement-based thermal error model has much better accuracy and robustness than the temperature-based model.     

高精度坐标镗床伺服电机温度主动控制装置研发与运用

针对高精度坐标镗床伺服电机温升影响机床精度问题,研发伺服电机温度主动控制装置。使用PLC程序实时读取电机内部温度,与室温进行比较,由程序控制在4种不同模式下调节比例阀控制冷却气体流量,并在冗余环路连接方式下使用传感器对各冷却口流量进行监控,实现闭环控制,使得电机温升幅度和速度得到抑制,同时在冷却气流影响下使电机周围温度场快速均衡。     

微量润滑系统参数对加工残余应力影响试验

微量润滑(MQL)切削是一种绿色加工技术。为了解MQL系统对加工残余应力影响,通过45钢车削正交试验,研究MQL系统的空气压力、润滑液用量、喷射距离、油雾温度对加工残余应力的影响。试验结果表明:油雾温度对加工残余应力的影响最大,润滑液用量也有一定的影响,空气压力和喷射距离的影响不显著;油雾温度降低,残余(拉)应力变小;润滑液用量增加,残余(拉)应力变小;MQL系统对加工残余应力的影响机制是通过改变油雾的冷却能力和渗透性,改变残余应力热力耦中的热效应。     

多功能超音速火焰喷涂粒子特性的数值模拟

通过建立多功能超音速火焰喷涂火焰流场的数值模型,对超音速火焰喷涂粒子的速度特性和温度特性进行数值模拟,其结果揭示了多功能超音速火焰喷涂粒子的速度和温度的变化规律.根据数值模拟结果分析了粉末粒度对火焰焰流速度和温度的影响,用不同粒度参数重复模拟计算,这对喷涂粉末的加速和加热性能具有重要意义.     

暂冲气源系统设计

现阶段的大多数用于气体轴承实验的气源系统,供气压力低,所需气体流量小,因此均采用小流量、压力变化缓慢的气源系统,这种情况也导致了气体轴承的承载能力较小。为了研究高压、大流量气体轴承的特性,基于Lab VIEW平台,开发了用于高压气体轴承试验的暂冲气源管道系统的测试系统,该系统不仅给气体轴承提供了良好的平台,也可通过测量暂冲气源放气过程的流场参数来分析整个管道系统的流场特性,同时可为其他气源系统试验台的设计开发提供参考。     

温度对力矩马达气隙磁阻和极化磁动势的影响

针对双喷嘴挡板电液伺服阀的力矩马达,将温度因素引入建模过程,提出气隙磁阻和极化磁动势的温度模型,从而得到更为准确的磁通计算方法。理论、仿真和实验相互印证后,得出气隙长度随时间呈线性变化,极化磁动势接近线性变化。     

选择性阳极键合技术在光栅陀螺中的应用

阳极键合技术广泛应用在晶圆级MEMS器件制造和封装当中,对于有悬臂梁结构器件容易在键合时发生吸合. 采用选择性阳极键合技术防止陀螺在键合中吸合失效. 推导了陀螺梁与玻璃的静电吸合电压公式并建立吸合电压与硅结构-玻璃间隙关系模型. 采用深硅制作陀螺结构,在玻璃基底溅射Al/Cr制作光栅,最后进行阳极键合. 结果表明,键合界面没有缺陷,铬及其氧化物导电抗吸合性使得硅-玻璃阳极键合未发生静电吸合失效现象,对样品进行抗剪强度测试,得出平均键合强度为33.94 MPa,键合质量良好.