超精密液体静压B轴转台设计及静动态特性分析

作     者：张晏铭 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙雅洲

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：液体静压轴承 流固耦合 转台 静动态特性 跳动误差 

摘      要：随着高新技术的发展,超精密加工技术和机床已越来越广泛地应用于国防工业和高端民用产业。利用了流体静压支撑原理和电机直驱技术的液体静压转台具有承载能力大和运动精度高等优点,其非常适用于超精密加工和检测设备。作为超精密机床的重要部件,液体静压转台的性能对于机床的精度和稳定性有着极其重要的影响,分析静压转台的静态和动态特性并设计制造出高刚度和高回转精度的静压转台具有十分重要的意义。本文首先根据液体静压转台的设计指标,完成了静压转台的结构配置和伺服系统的方案设计。编写了计算液体静压轴承承载力和刚度的软件,并利用软件确定了转台止推轴承和径向轴承的结构尺寸参数。根据粘性流体剪切力公式计算静压轴承的内摩擦力矩和平均温升,利用静力仿真初步确定转台的幅板尺寸,并完成静压转台装配体结构的三维模型。利用顺序耦合法和Workbench软件对静压转台的止推轴承和径向轴承进行流固耦合仿真。利用ICEM和Fluent软件实现静压轴承液压油流场的结构性网格划分和稳态分析;将流场的仿真结果导入Mechanical静力分析模块,得到了轴承结构在流场压力作用下的变形,并分析计算了结构变形后的轴承间隙和静压转台刚度的变化量。仿真分析了液体静压转台结构及其伺服系统的动态特性。通过模态分析得到静压转台的固有频率和振型,利用谐响应分析了在不同频率的载荷作用下转台结构的振动幅值。建立液体静压转台的闭环伺服系统模型,基于传统的PID控制原理设计了伺服系统的参数,并利用Simulink仿真分析了伺服系统的稳态误差和跟踪精度。在初步完成静压转台的加工和装配后,进行了液体静压转台的静态和结构动态特性的测量实验。利用逐步加载法和高精度电感测微仪测量静压转台的轴向刚度,利用动态信号分析系统测量静压转台结构的固有频率,并对比分析了仿真和实验的结果。最后,利用反转法和超精密标准球测量静压转台的跳动误差,并将被测件的形状和偏心误差从测量结果中分离。