超精密垂直轴系设计参数优化及其性能研究

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1、硕士学位论文超精密垂直轴系设计参数优化及其性能研究RESEARCHONOPTIMIZATIONDESIGNANDPERFORMANCEOFULTRA-PRECISIONVERTICALSHAFTINGSYSTEM韩春腾哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH-39学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文超精密垂直轴系设计参数优化及其性能研究（应用型）硕士研究生：韩春腾导师：孙涛教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex

2、:TH-39U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONOPTIMIZATIONDESIGNANDPERFORMANCEOFULTRA-PRECISIONVERTICALSHAFTINGSYSTEMCandidate：HanChuntengSupervisor：Prof.SunTaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：Schoolof

3、MechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要制造业的发展对精密和超精密的加工技术提出了更加严格的要求，超精密五轴机床是实现超精密加工技术的重要基础。超精密垂直轴系是五轴超精密机床的重要组成部分，其性能的优劣直接决定着五轴超精密机床的运行精度及整体加工性能。由于重力的影响，垂直轴在运动过程中的高精度定位会受到很大的影响，而高精度定位主要由超精密垂直运动系统的卸

4、荷气缸和液压导轨的结构设计参数和静态性能所决定。因此，要对超精密垂直轴系的卸荷气缸和导轨等关键部件的性能进行深入研究，从而提高垂直轴系的高精度定位性能，提高五轴超精密机床的加工精度和可靠性。本文采用仿真分析和实验验证的方式对卸荷气缸和液体静压导轨的主要结构参数进行了研究，分别对卸荷气缸结构参数，气体静压轴承的静态性能和不同偏载情况下各参数对于液体静压导轨的静态性能的影响进行研究，综合分析其影响规律之后提出超精密垂直轴系各部件结构设计参数优化方案。基于动网格方法建立卸荷气缸内气体模型和活塞运动模型。采用FLUENT软件对以上模型进行仿真模拟计算，定量分

5、析了活塞的加速度、进气孔直径和初始启动高度等参数对于缸内气体压力的变化的影响，明确了其对活塞运动响应的影响。通过卸荷气缸的动态响应实验验证了仿真分析结果的正确性，根据各参数对卸荷气缸活塞动态响应的影响的结果，针对卸荷气缸的设计参数和启动方式提出了相应的优化方法。利用Gambit软件对气体静压轴承的气膜进行了建模和网格划分，采用了渐进的方式细化节流孔处的网格。利用FLUENT软件基于Reynolds方程对气体静压轴承气膜模型进行有限元计算分析，研究了卸荷气缸的气体静压轴承的偏心率、供气压力、平均气膜厚度以及节流孔位置等参数对于其静态性能的影响规律。并通

6、过气体静压轴承静态性能实验验证仿真计算结果，寻求在不违反机械设计的原则下保证其最大的承载力和静态刚度的最优结构设计参数，最终实现卸荷系统的平稳运行。建立了液体静压导轨油膜的三维仿真模型，同时考虑其在不同偏转参数下油膜的变化和节流孔直径、平均油膜厚度、偏心率和供油压力对静态性能的影响。寻找保证性能要求的最大偏转参数以及受偏转参数影响最小的结构设计参数，用于超精密垂直轴系的参数优化建议。关键词：超精密垂直轴；卸荷系统；气体静压轴承；液体静压导轨；静态特性；偏转参数-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThedevelopmentofthem

7、anufacturingindustryplacesmorestringentrequirementsonprecisionandultra-precisionmachiningtechnologies.Theultra-precisionfive-axismachinetoolisanimportantfoundationfortherealizationofultra-precisionmachiningtechnologyandplaysaveryimportantroleinpromotingthedevelopmentofultra-pre

8、cisionmachiningtechnology.Theultra-precisionverticalax