超精密机床多尺度设计方法和仿真研究.pdf

3 微结构对宏观动特性影响分析 气浮导轨上下表面之间设计时要求高精度和一定 的承载能力 ， 提高气浮导轨 的精度和刚度是止推气浮 轴承研究的一个热点 。本文通过仿真计算 了动导 轨表面具有如图 2左侧所示的两种气浮导轨的表面结 构 的压强分布。在此基础上进行了气压波动时宏观动 态性能仿真 。 3 ． 1 微结构与无微结构导轨工作条件 为保证仿真数据的可信性， 仿真中数据使用了笔 者实验室现有超精 密机床导轨设计数据 。此数据 可通过传统无微结构导轨表面压强的仿真数据和实验 数据一致性 ， 确保仿真方法的正确性。 导轨工作基本条件如表 1 所示。 表 1 导轨工况表 参数 值 喷口压力／ MP a 0 ． 4 动定导轨工作间距／ tx m 2 0 喷 口间距／ mm 7 0 喷 口直径／ Ix m 2 0 o 3 ． 2 仿真及实验结果 图 4为微结构和无微结构压强分布图 ， 其 中传统 无微结构导轨压强仿真结果与实验结果基本一致 ， 传 统小孔节流压力分布曲线如图4 a 所示。 0 ．4 0 ．3 凸一 出 Ql 0 、 ， 1 Q5 0 Q5 1 距喷口中心距离／ ram 广 厂 a 传统导轨小孔节i ifi 压力曲线 无微结构 b 十字槽机构压力分布曲线 图4 两种结构压力分布曲线 由以上图谱可知， 微结构表面的设计明显改善了 导轨表面的压强分布， 因此， 将会改善整体的动性能。 3 ． 3 不 同微结构下机床的动特性 为了进一步说 明微结构对动态性能的改善 ， 进行 了气压波动时压强波动仿真。图 5 是外界气压从 0 ． 4 M P a 波动到0 ． 5 M P a 时， 动导轨气压面上压强对面积 积分后得到的压力波动曲线。方点为有微结构， 圆点 为无微结构。 由图 5可知 ， 微结构改变了导轨的动态承载能力 ， I a F -I ． ， 一 ‘ u ‘ 帚 朋 主题 精密．超精密及微纳加工技术l f o p l c s ff r e C l S lO n ．U lt r a - p r e c i s io n a n d Mi c r o - n a n o I e c h n o lo q y’ 同时， 基于承载能力与刚度成正比的关系， 微结构提升 了导轨 的动刚度 。可 以肯定地说 ， 微结构将同样提升 机床的动刚度 ， 改善机床的动态特性。 2 7 5 2 7 O 26 5 Z 26 0 25 5 25 0 24 5 24 0 2 35 一 ．／ ’ 一 一 ∥_ 圆 孔 仿 真 数 据 _ P o l y ． 十字槽仿真数据 P o l y ． 圆孔仿真数据 o ． 4 o． 4 2 0． 44 o ． 4 6 o． 4 8 O． 5 气压波动／ MP a 图5 气 压被动 时不同结构导轨承 载力变化 曲线 图6是使用多尺度集成模型计算出的两种结构在 0 ． 1 S 内压强 由0 ． 4 MP a波动到 0 ． 5 M P a并复原后 引 发的宏观结果 y向跳动。考虑到两导轨 同时受气压 影响发生跳 动 ， 计算 y向跳 动时 ， 计算 相对跳动。 从图中可知， 与传统气腔 图 6 a 相 比， 带有微结构 的 图 6 b 机床 气压变化 引起 的 】 ， 向跳 动减小 了 0 ． 0 9 m， 机床动特性更好。 O ．6 O 暑 l 1 ． 2 L 4 时间／ s 时间／ s a 传统机床气压变化引 起的y 向跳动 b 带有微结构表面机床气压变化引 起的y 向跳动 图6 气压变化引起的y向波动 4 结语 本文提出了多尺度集成设计方法 ， 建立了多尺度 集成设计模型。并通过动导轨微结构设计对超精密机 床宏观动态性能的影响， 说明了机床设计时采用多尺 度方法 的必要性和重要性。 参考文献 [ 1 ] L U O X C，C H E N G K，WE B B D E，e t a1．D e s i g n o f u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l s w i t h a p p l i c a t i o n s t o ma n u f a c t u r e o f mi n i a t u r e a n d mi c r o c o m p o n e n t s [ J ] ．J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 5， 1 6 7 2 ／ 3 5 1 5 - 5 2 8 ． [ 2 ] S H I N N O H， Y O S H I O K A H， T A N I G U C H I K ． A n e w l y d e v e l o p e d l i n e a r mo t o r d r i v e n a e r o s t a t i c Y p l a n a r mo t i o n t a b l e s y s t e m f o r n a n o ma c h i ． 2 9 机床导轨技术研究综述 屈 重年伍 良生 北京工业大学机械工程及应用 肖毅川 张仕海 电子技术学院， 北京 1 0 0 1 2 4 摘要 对机床技术中的关键技术之一导轨技术的研究进行了梳理 。 论述了其形式分类、 原理及 目前的 研究现状和研究重点 ， 对今后导轨技术的研究发展进行 了展望。 关键词 滑动导轨滚动导轨静压导轨磁浮导轨机床 中图分类号 T P 1 2 文献标识码 A Su mma r y o f g u i d e wa y t e c h n o l o g y r e s e a r c h o n ma c h i n e t o o l s Q U C h o n g n i a n ， WU L i a n g s h e n g ， X I A O Y i c h u a n ， Z HA N G S h i h a i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ，C H N Abs t r a c t I n c o n n e c t i o n wi t h o ne o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s a mo n g ma c h i n e t o o l s，g u i d e wa y t e c h n o l o g y，i t s r e s e a r c h w o r k s i s c o mb e d ．I t s f o r m，c l a s s i f i c a t i o n，s t a t u s a n d p r i o r i t i e s o f p r i n c i p l e a n d r e s e a r c h a r e d i s c u s s e d ． An d t h e f ut ur e o f t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t a r e f o r e c a s t e d． Ke ywo r d sS l i d i n g Gui d e wa y； Ro l l i n g Gu i d e wa y；Hy d r o s t a t i c Gui de wa y； Ma g n e t i c S u s p e n s i o n Gu i d e wa y； Ma c h i n e TO O 1 S 装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的 战略性产业， 素有“ 工作母机” 之称的机床更是具有举 足轻重的作用 ， 从 “ 十一五” 开始 ， 我 国为加快重大关 键技术攻关和重大创新产 品集成创新 ， 开始实施 “ 高 档数控机床与基础制造装备” 等重大专项。在 “ 十二 五” 规划 中 ， 更是提出了以高档数控机床等基础装备 n i n g [ J ] ．A n n a l s o f t h e C I R P ， 2 0 0 7 ， 5 6 1 3 6 9 3 7 2 ． [ 3 ] U R I A R T E L ，H E R R E R O A，Z A T A R A I N M，e t a 1 ．E r r o r b u d g e t a n d s t i f f n e s s c h a i n a s s e s s me n t i n a mi c r o mi l l i n g ma c h i n e e q u i p p e d w i t h t o o l s l e s s t h a n 0 ． 3 m m i n d i a me t e r [ J ] ．P r e c i s io n E n g i n e e ri n g ，2 0 0 7， 3 1 1 1 1 2 ． [ 4 ] 李圣怡 ， 戴 一凡 ， 王建 敏 ， 等． 精密 和超 精密 机床 设计 理论 与方 法 [ M] ． 长沙 国防科技大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 5] S L OC U M A H．P r e c i s i o n ma c h in e d e s i g n[ M] ．P r e n t i c e Ha l l I n c ， De a r b o r n，Mi c h i g a n．US A ，1 9 9 2． [ 6] A L T I N T A S Y，B R E C HE R C，WE C K M，e t a 1 ．Vi r t u a l m a c h i n e t o o l s [ J ] ．A n n Ms o f t h e C I R P， 2 0 0 5， 5 4 2 6 5 1 - 6 7 4 ． [ 7 ] C H E NG K，S H OR E P ．S p e c i a l i s s u e o n“ d e s i g n o f u h r a p r e c i s i o n a n d m i c r o m a c h i n e t o o l s a n d t h e i r k e y e n a b l i n g t e c h n o l o g i e s ” [ J ] ．I n t e r n a - t io n a l J o u r n al o f Ma c h i n e T o o l s＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 0 ， 5 0 4 3 0 9 ． [ 8 ] L I T i a n j i a n， D I N G Hu i ， C H E N S h i j i n ， e t a 1 ．An I n t e g r a t e d e n g i n e e r i n g a p p r o a c h f o r a g i l e d e s i g n o f h i g h p r e c i s i o n ma c h i n e s a n d i t s i mp l e me n t a t i o n p e r s p e c t i v e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f A g i l e M a n u f a c t u r i n g ， 2 0 1 1 ， 1 1 2 6 0 - 6 5 ． [ 9 ] C H E N M F ， H U A N G W L ， C H E N Y P ．D e s i g n o f t h e a e r o s t a t i e l i n e a r g u i d e wa y wi t h a p a s s i v e d i s k s p r i n g c o mp e n s a t o r for PCB d r i l l i n g ma 。 国家重大专项 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 4 - 0 3 6 3 0 c h i n e [ J ] ． T r i b o l o g y I n t e rna t i o n a l ， 2 0 1 0 ， 4 3 1 ／ 2 3 9 5 4 0 3 ． [ 1 0 ] K A WA I T，E B I HA R A K， T A K E U C H I Y ．I m p r o v e m e n t o f m a c h i n i n g a c c u r a c y o f 5 -a x i s c o n t r o l u h r a p r e c i s i o n ma c h i n i n g b y me a n s o f l a mi n a r i z a t i o n a n d m i r r o r s u r f a c e f i n i s h i n g [ J ] ．A n n a l s o f t h e C I R P， 2 0 0 5， 5 4 1 3 2 9 3 3 2 ． [ 1 1 ] 张君安． 高刚度空气静压轴承研究 [ D] ．西安 西北工业大学， 2 0 0 6 ． [ 1 2] 孙 西芝 ．台式纳微米机 床关键技术研究 [ D] ．哈尔滨 哈 尔滨 工业 大学 ， 2 0 0 3 1 2 ～ 1 9 ． [ 1 3 ] L I T i a n j i a n ， C H E N S h i j i n ， C HE N G K a i ．O p t i mi z a t i o n o n m o t i o n e rr o l s o f u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e to o l s b a s e d o n mu l t i b o d y s y s t e m a n d mo n t e c a r l o s i mu l a t i o n 『 J 1 ．Ad v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h， 2 0 1 1 ， 2 0 1 5 4 3 5 4 9 ． 第一作者 李天箭， 女， 1 9 7 5年生， 博士研究生， 讲 师， 主要研 究方向为精密机床设计。 编辑宋业钧 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 1 5 交章编号 1 2 mo 8 如 果您想发表 对本文的看法。 请将文 章编 号填天读者意见调查表中 的相应位置。 j 刹毫烈 喜 扎 2 0 1 2年 第 1期