基于内反馈闭式静压节流原理的静压导轨设计

主要介绍了基于内反馈闭式静压节流原理的静压导轨的设计。首先阐述了内反馈闭式静压的节流原理和理论计算过程,其次结合基于内反馈闭式静压节流原理,提供了静压导轨的设计步骤;最后在分析了静压导轨的基本结构和参数特性的基础上,从理论计算和仿真分析两个方面论述了设计方法的有效性和合理性。     

二维运动平台气浮静压导轨承载性能计算与研究

为了进一步探索和研究气浮静压润滑支承机理及气浮静压导轨承载性能,提出并研制了一种具有气浮静压润滑支承的精密二维运动平台。结合气浮静压导轨的物理模型建立了其笛卡儿坐标系下的控制方程,采用有限差分方法和流量平衡原理对其控制方程进行了离散差分推导,运用超松弛迭代以及二分快速寻找收敛区间法对其承载性能进行数值计算并开展了实验研究。结果表明：气浮静压导轨承载性能受节流器类型的影响比较显著,多节流孔节流器的承载性能明显优于单节流孔节流器;供气压力对气浮静压导轨承载性能影响显著,供气压力越高其承载性能越强;同等条件下气浮静压导轨组合形式承载性能均优于单独形式承载性能;气浮静压导轨的承载性能实验测试结果和数值计算结果具有较好的一致性,验证了数值计算的有效性。相关研究对推动和促进气浮静压轴承和导轨在精密运动机构和测量设备的研究和工程应用具有较好的借鉴和指导意义。     

复合节流式静压气体轴承静态特性分析

为进一步提升静压气体轴承的静态性能,以普通孔式节流为基础,配合表面周向和径向槽节流,提出复合节流式静压气体轴承,以充分发挥2种节流方式的优点,使静压气体轴承具有更好的承载能力和刚度。利用Fluent计算轴承内流场参数并分析流场特性,比较复合节流式与普通孔式节流静压气体轴承的承载能力和刚度,并研究孔式参数和表面槽参数对复合节流式静压气体轴承静态特性的影响。结果表明：在一定气膜厚度范围内,复合节流式静压气体轴承对于提升承载力、增强刚度有着显著的效果;复合式节流因为有表面槽二次节流的存在,均压效果更好。增加节流孔数、节流孔直径、节流孔分布圆半径,以及在气膜厚度较小时增加表面槽长、槽宽、槽深,均有利于增加轴承承载力;在气膜厚度较小时,增加节流孔数、减小节流孔直径,以及增加表面槽长和槽宽、降低槽深,均有利于增加轴承刚度。     

微结构参数对静压气体导轨节流系数和转动刚度的影响

小型复合节流静压气体导轨是保证光刻机高速运动和精确定位的关键部件.为提升导轨的承载力及刚度,在工作面常增加浅腔和沟道等微结构,但微结构对导轨的力学特性、特别是转动刚度的影响一直不清晰.采用网络自适应方法研究了微结构的四个主要参数的影响,以此为依据归纳拟合出修正节流系数,建立了带有修正节流系数的导轨性能半解析模型,揭示了...     

有负载的闭式静压气浮导轨动态仿真研究

为避免因导轨承载力及刚度不足造成超精密机床加工精度不合格,建立闭式静压气浮导轨仿真模型,利用Fluent采用动态网格的动态仿真计算方法对气浮导轨承载力及刚度进行接近于实际的精确仿真计算,并结合简单孔式节流理论验证动态仿真计算的正确性.结论显示:动态网格计算结果与简单孔式节流原理相符;导轨负重50 kg时其承载力大于负重...     

节流器结构参数对Nanosys-1000液体静压导轨承载特性的影响

从实际加工角度出发,研究了节流器结构参数对Nanosys-1000超精密加工机床静压导轨承载特性的影响。利用流体分析软件建立导轨承载油垫的有限元模型并搭建了相关静压导轨实验台,研究了进口油压为1.7 MPa,油膜厚度为36μm时承载油垫的压力场分布特征,并通过对压力场积分得到油膜承载力,求导得到油膜刚度,从而揭示不同结构参数对静压导轨承载特性的影响。研究结果表明:节流器结构参数中节流孔孔径对机床承载特性影响最大,其次为节流孔孔长,出入口倒角对其影响甚微。导轨负载较小时,扩大节流孔孔径与缩短节流孔孔长有助于改善静压导轨承载特性;但在重载条件下,缩小节流孔直径,增加节流孔孔长反而更有利。将仿真数据与实验数据作对比,得到3个承载力测量点数据误差分别为7.9%,6.9%,8.6%。最后根据研究成果,确定了Nanosys-1000机床静压导轨节流孔结构参数。     

微米尺度二维压力驱动Couette流分区特性的实验分析

小孔节流是空气静压导轨中常见的节流方式,为了研究空气静压导轨气膜压力分布问题,研制了一种气体止推轴承气膜压力分布测试试验台。以小孔节流为例。基于空气静压导轨气膜压力递减规律,将气膜沿长度方向划分为压力驱动区和牛顿摩擦区。通过Fluent仿真气膜支撑区气体流态并计算其流速和压力,得到的实验结果与气体压力分布的数值分析结果吻合。得出了相关结论:气膜沿长度方向分为压力驱动区和牛顿摩擦区。通过实验验证压力分区理论的有效性。     

新型气体静压支承技术的研究

介绍了气体静压支承的工作原理,针对精密加工设备开式气体静压支承工作过程中存在的漂移和运动不稳定问题,提出采用负压发生器与节流器相结合的新型负压吸附静压支承技术,应用仿真软件对负压吸附静压支承中的小孔节流和多孔质节流形式进行了分析探讨,分析了负压吸附静压支承的工作原理、间隙压力计算方程和气膜刚度的计算;通过试验测试分析该技术,保证了开式气体静压导轨所需的气膜厚度和刚度;将该技术应用到精密数控机床导轨中,使机床抗振性和运动精度得到提高。     

流固耦合对油静压导轨动静特性的影响

油静压导轨被广泛应用于超精密机床,在设计和计算时往往都是将结构件作为刚体,即在工作过程中结构件不影响静压支承油膜厚度以及油压的分布。针对环形缝隙节流闭式油静压导轨,以封油面上动态雷诺方程和导轨的弹性变形方程为基础,再结合导轨工作台动力平衡方程,建立静压导轨的流固耦合模型。分析流固耦合对静压导轨压板变形量、动静刚度以及阶跃响应的影响。研究表明,导轨压板的变形随油腔压力的增加而线性增加;导轨压板的变形会导致动静刚度减小,也会导致阶跃响应的过渡时间变长;动静刚度的实测值与导轨压板有变形时的理论计算值吻合较好。     

小孔节流闭式液体静压导轨流场分布规律及承载特性

传统的液体静压支承设计计算方法是基于求解模型的简化得到的,其计算结果存在一定误差,并且部分关键物理参数是通过液体静压支承设计计算方法所难以获得的。而计算机数值仿真技术的引入弥补了上述理论设计方法的不足。采用理论计算和有限元仿真相结合的方法,对小孔节流闭式液体静压导轨的流场分布规律和纲承载特性进行了研究。首先,根据液体静压导轨设计参数求得无量纲承载能力系数理论曲线和无量纲油膜刚度理论曲线;接着,利用ANSYS/Fluent软件对液体静压导轨的流场分布规律和承载特性进行了仿真研究。研究结果表明:节流孔处液压油流动状态为紊流;压力在油腔区域比较均匀,沿封油面线性下降;无量纲承载能力系数曲线和无量纲油膜刚度曲线的理论值与仿真值变化趋势一致。     

超精密车床伺服进给机构设计研究

在分析影响超精密金刚石车床伺服进给机构运动精度的误差源的基础上,不采取提高机床部件制造精度的办法,而从伺服进给机构的机械结构上提出消除这些误差的措施.这些措施主要包括:利用闭合的复合节流方式的气体静压导轨结构与在丝杠与工作台联接之间安装浮动单元.经过实践证明这些措施是有效的,使自研的超精密车床的伺服进给机构运动精度完全达到超精密加工的需求.     

超精密环境温度控制及温度测量技术研究

分析在超精密加工环境中进行高精度温度测量与控制的原理及方法。在分层次逐步实现的原则下,依据传热学原理,规则并初步建成了一个超精密的加工环境。     

液体圆柱静压导轨设计参数对其性能的影响

为研究液体圆柱静压导轨的初始参数对导轨性能的影响,以内反馈节流形式的液体圆柱静压导轨为研究对象,列出力平衡方程、流量连续性方程,经推导和线性化处理得到液体圆柱静压导轨的线性化微分方程组,利用Laplace变换得到传递函数,推导出液体圆柱静压导轨的数学模型。从时域、频域内分别分析初始油膜厚度、油液黏度、供油压力对导轨性能的影响。研究表明在低频段减小初始油膜厚度、增大油液黏度和供油压力,在高频段增大初始油膜厚度,可增大导轨动态刚度,提高支承的稳定性,减小导轨间隙相对稳态位移值。在高频段,油液黏度、供油压力对液体圆柱静压导轨的动态性能影响不大。研究工作对液体圆柱静压导轨的设计提供参考价值。     

静压圆柱导轨系统静态刚度理论模型研究

静态刚度是静压圆柱导轨系统的重要性能指标,然而到目前为止尚未见到该类导轨静态刚度的理论模型。研究建立静压圆柱导轨五自由度静态刚度模型,考虑到静压圆柱导轨系统是由导柱与静压直线轴承的串联系统,首先,给出了工作台位移与导柱变形、静压直线轴承位移之间的几何关系,并根据静压圆柱导轨五自由度静态刚度的定义,推导了各刚度系数的数学表达式;其次,基于梁弯曲变形理论,采用线性叠加原理推导导柱在轴承油膜力作用下的变形方程;再次,基于静压理论,运用高斯积分推导了考虑导柱挠曲影响的轴承油膜承载能力模型,提出了轴瓦相对导柱的位移计算方法;最后,搭建了静压圆柱导轨刚度测试装置,完成了五自由度静态刚度的测试,验证了理论模型。结果表明：建立的静压圆柱导轨五自由度静态刚度模型精度高,可为静压圆柱导轨静态特性计算奠定理论基础。     

开式静压导轨在球面车床上的典型应用

阐述了静压导轨在球面车床刀架床鞍上应用的必要性。通过对静压导轨的设计,静压导轨的工作原理和特点,油膜形式及尺寸的设计,油腔的初始托举力计算等方面的研究,证明在球面车床回转工作台低速、重负载的条件下,采用静压技术,把摩擦副的两个接触面隔开,使摩擦副的静摩擦为纯液体摩擦,从而保证了机床的回转精度和加工精度,有效的延长了工作台上摩擦副的使用寿命。     

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of the Static and Dynamic Characteristics of Hydrostatic Guides Based on Progressive Mengen Flow Controller

The oil film thickness of oil hydrostatic guide with constant pressure supply based on capillary restrictor is greatly affected by load,and this kind of hydrostatic guide is usually applied to the machine tools with moderate load.The static and dynamic characteristics of the guide have been studied by using some theoretical,numerical and experimental approaches,and some methods and measures have been proposed to improve its performances.The hydrostatic guide based on progressive mengen(PM) flow controller is especially suitable for the heavy numerical control(NC) machine tools.However,few literatures about the research on the static and dynamic characteristics of the hydrostatic guides based on PM flow controller are reported.In this paper,the formulae are derived for analyzing the static and dynamic characteristics of hydrostatic guides with rectangle pockets and PM flow controller according to the theory of hydrostatic bearing.On the basis of the analysis of hydrostatic bearing with circular pocket,some equations are derived for solving the static pressure,volume pressure and squeezing pressure which influence the dynamic characteristics of hydrostatic guides with rectangle pocket.The function and the influencing factors of three pressures are clarified.The formulae of amplitude-frequency characteristics and dynamic stiffness of the hydrostatic guide system are derived.With the help of software MATLAB,programs are coded with C++ language to simulate numerically the static and dynamic characteristics of the hydrostatic guide based on PM flow controller.The simulation results indicate that the sensitive oil volume between the outlet of the PM flow controller and the guide pocket has the greatest influence on the characteristics of the guide,and it should be reduced as small as possible when the field working condition is met.Choosing the oil with a greater viscosity is also helpful in improving the dynamic performance of hydrostatic guides.The research work has instructing significance for analyzing and designing the guide with PM flow controller.     

某型轨道巡检车导向系统的强度分析

介绍一种用于轨道巡检作业车辆的结构特征,并详细介绍其采用的导向系统,这是保证车辆在轨道上安全行驶的重要部件。然后建立整车动力学模型,并利用多体动力学软件（ADAMS）对其进行动力学分析,由安装在滑动基座内部的可伸缩弹簧的弹簧力变化得出巡检车在通过曲线轨道时导向系统的动态极限载荷。最后利用有限元软件（ANSYS）对连接导向轮系和车身的关键部件——导向架进行应力强度分析。结果表明,导向系统的强度设计满足要求。     

力载荷下液体静压导轨的主动振动分析

以力载荷下的液体静压导轨为对象,建立了闭式导轨、开式导轨的主动振动模型,推导了系统的油膜刚度、阻尼系数的计算公式,计算了简谐、非简谐周期载荷下导轨系统的固有频率、幅值及相角,从理论上分析了设计参数对导轨系统的固有频率、幅值的影响。以闭式液体静压导轨为例,对导轨系统的固有频率、幅值放大系数进行了分析,结果表明：调整油腔压力、油膜厚度均可改变导轨系统的固有频率;力载荷作用下导轨的幅值放大系数基本上不受油腔压力的影响,而随油膜厚度的增大、油液温度的升高、载荷频率的降低而增大。详细地分析了力载荷下液体静压导轨的主动振动,为工程实际中减少导轨振动、提高加工精度提供了参考依据。     

润滑油黏度对液体静压导轨性能的影响

为了提高液体静压导轨的性能,采用5种牌号润滑油,定量分析了润滑油黏度对导轨性能的影响。首先,根据现场工况确定了导轨系统的初始设计参数,计算了不同温度、不同牌号润滑油的动力黏度;接着,基于导轨的力平衡方程及流量方程,建立了导轨系统总功率损失、静态性能、动态性能的线性化数学模型,以总功率损失、承载能力、静刚度、固有频率、调整时间和动刚度作为导轨系统的性能指标;最后,利用MATLAB软件分析了润滑油黏度对导轨性能的影响。研究表明：增大润滑油牌号(VG22→VG100),降低工作温度(60℃→10℃),润滑油黏度增大,导轨系统总功率损失由507.58W (VG22,60℃)降低至33.93W (VG100,10℃),承载能力、静刚度、固有频率恒定不变,调整时间由29.84μs (VG22,60℃)缩短至0.46 μs (VG100,10℃),动刚度由173kN/μm (VG22,60℃)增大至10 369kN/μm (VG100,10℃)。因此,增大润滑油的动力黏度,能降低导轨系统的功率损失,静态性能不受其影响,动态性能大大提高。     

Quasi-static kinematics model for motion errors of closed hydrostatic guideways in ultra-precision machining

Aspheric optics has been widely employed in some high-tech industries for its superiority. In order to achieve the ultra-precision machining of these aspheric surfaces, the large optical ultra-precision grinding machine becomes crucial because it determines the efficiency of the whole process. As the key functional unit in ultra-precision machine tool, the hydrostatic guideways are commonly adopted for the excellent performance. However, the motion errors of hydrostatic guideways have a direct influence on the accuracy of the machined workpiece, and some analysis approaches have been reported correspondingly. Although the existed analysis models do work, their imperfections also can be easily captured. Accordingly, a novel analysis model with less imperfection is deserved to be developed. In this paper, the kinematic theory is utilized to establish the quasi-static analysis model for motion errors in closed hydrostatic guideways. Through the large ultra-precision grinding machine designed by our research group, the consistently good agreement between the predicted results and the measured experimental data are obtained. Furthermore, it is found that the motion accuracy is more sensitive to the profile error of the guide rail bearing the external load rather than that of the other guide rail in the closed hydrostatic guideway. The presented research is supposed to be valuable to the peer designers.