軸頸誤差和電磁偏心對動靜壓電主軸回轉(zhuǎn)精度的影響研究.pdf

1、精密超精密機床是事關(guān)國計民生的戰(zhàn)略性裝備，在國防工業(yè)和民用光學工業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵零件的精密超精密加工中具有獨特而廣泛的用途。液體動靜壓電主軸是精密超精密機床的核心功能部件，其回轉(zhuǎn)精度對機床的加工精度具有決定性影響。但由于主軸動不平衡、軸頸形狀誤差、軸系偏心誘發(fā)的電磁激振等因素的綜合作用，導致主軸回轉(zhuǎn)精度的分析預測十分困難，目前國內(nèi)外在這方面的研究尚不系統(tǒng)深入，亟需研究形狀誤差及電磁力作用下的液體動靜壓電主軸回轉(zhuǎn)精度變化規(guī)律。
　　(1)

2、建立了基于Timoshenko梁的“軸承—磁拉力—磨削力—主軸系統(tǒng)”轉(zhuǎn)子動力學模型及回轉(zhuǎn)精度評定方法。采用Timoshenko梁理論和拉格朗日動力學方程推導了主軸單元質(zhì)量矩陣、單元剛度矩陣和單元阻尼矩陣;采用Matlab符號積分功能模塊得到了重力、動不平衡力的單元載荷向量;通過整體質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣及整體載荷向量的組裝構(gòu)建統(tǒng)一的基于Timoshenko梁的“軸承-磁拉力-磨削力-主軸系統(tǒng)”動力學模型。采用Wilson-θ數(shù)值算法，編程

3、實現(xiàn)了對該動力學模型的求解。研究了圓圖像同心圓半徑之差、最小包絡圓的半徑值和敏感方向同步誤差峰峰值三個回轉(zhuǎn)精度評價指標的特點及適用范圍。通過與現(xiàn)有文獻中固有頻率值的對比，驗證了所建立動力學模型和所提出算法的有效性。
　　(2)根據(jù)平行平板擴散流動模型及兩平板相向運動產(chǎn)生擠壓流量的物理現(xiàn)象，提出了基于有限體積的小孔節(jié)流深淺腔動靜壓軸承非線性油膜力的計算方法。為解決固定網(wǎng)格難以有效消除低頻迭代誤差的難題，采用多重網(wǎng)格迭代技術(shù)加快了收斂

4、速度，提高了計算效率。利用歐拉迭代法求出了主軸的平衡位置，施加位移、速度小擾動條件后得到了軸承動力特性系數(shù)。采用文中方法研究了供油壓強、主軸轉(zhuǎn)速、進油孔徑、淺腔深度、初始油膜厚度等參數(shù)對小孔節(jié)流深淺腔動靜壓軸承穩(wěn)態(tài)特性的影響規(guī)律。數(shù)值驗證了工程經(jīng)驗中深淺腔動靜壓軸承的淺腔深度約為初始油膜厚度2倍的合理性。在搭建的實驗平臺上，測量了不同轉(zhuǎn)速及供油壓強下油腔的壓強值，驗證了基于有限體積法的非線性油膜力計算方法的正確性。
　　(3)針對

5、轉(zhuǎn)子傾斜偏心誘發(fā)的不平衡磁拉力計算模型尚不完善的現(xiàn)狀，提出了利用氣隙域各個節(jié)點的氣隙磁阻及Maxwell應力求解不平衡磁拉力的半解析解法。通過與現(xiàn)有文獻對比研究，結(jié)果表明:文中磁拉力計算方法正確可信且較有限元法計算效率更高;在其余電磁參數(shù)相同的條件下，要盡量減少磁拉力引起的回轉(zhuǎn)誤差，應保證電機極對數(shù)不少于2。采用Ansoft2D瞬態(tài)模塊仿真驗證了文中給出的某型號電機電磁參數(shù)的合理性，并利用文中方法研究了該型號電機不平衡磁拉力及電磁剛度隨

6、偏心率及傾斜角度的變化規(guī)律。結(jié)果表明磁拉力與動不平衡力數(shù)量級相同，其對回轉(zhuǎn)精度的影響不容忽視。
　　(4)定量研究了軸頸形狀誤差對軸承回轉(zhuǎn)精度的影響規(guī)律，構(gòu)建了軸頸圓度誤差形成回轉(zhuǎn)誤差運動的力學模型，揭示了圓度誤差影響回轉(zhuǎn)精度的機理。該模型可解釋的規(guī)律包括:在不考慮重力和動不平衡力等外力條件下，以及在同心工況時，奇數(shù)波圓度誤差產(chǎn)生回轉(zhuǎn)誤差運動，而偶數(shù)波圓度誤差不產(chǎn)生回轉(zhuǎn)誤差運動;在考慮以上諸外力后，軸頸奇數(shù)波圓度誤差比偶數(shù)波圓度誤

7、差對回轉(zhuǎn)精度的影響更為顯著;回轉(zhuǎn)精度隨轉(zhuǎn)速、圓度誤差幅值的增大而降低;軸頸復合圓度誤差的奇數(shù)波成份對回轉(zhuǎn)精度的影響起主導作用。
　　(5)研究揭示了軸頸形狀誤差、磁拉力和磨削力等綜合因素對電主軸回轉(zhuǎn)精度的影響規(guī)律。結(jié)果表明:2對極電機的磁拉力和階躍型磨削力僅改變軸端的平衡位置，對回轉(zhuǎn)精度的影響不大;在相同條件下，當軸頸奇數(shù)波圓度誤差的幅值足夠小時，主軸軸端的回轉(zhuǎn)精度也能達到精密級。軸頸圓柱度誤差（錐形圓柱度、鼓形圓柱度及鞍形圓柱度

8、）對主軸軸端回轉(zhuǎn)精度的影響很小。
　　(6)參與搭建了液體動靜壓電主軸實驗臺，對主軸的固有頻率和回轉(zhuǎn)精度進行了實驗測試。結(jié)果表明:低階固有頻率的理論計算值與實驗值的吻合度較高;同步回轉(zhuǎn)誤差的實驗測試值及理論計算值均小于1μm，且隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本一致。從而驗證了所建立模型、所提出算法和研究結(jié)果的正確性。
　　本文研究為實現(xiàn)主軸軸心從原點到平衡位置的動態(tài)過渡過程的定量仿真、揭示軸頸形狀誤差對回轉(zhuǎn)精度的影響規(guī)律提供了重要的理論