超精密机床多尺度设计方法和仿真研究

床宏观动态性能的影 响， 明了机床设计时采用 多尺 说 度方法 的必 要性 和重要 性 。
参 考 文 献
［ ］Ｕ １ Ｌ Ｏ Ｘ Ｃ，Ｃ Ｅ Ｇ Ｋ，ＷＥ Ｂ Ｄ Ｅ，ｅ ａ．Ｄ ｓ ｎｏ ｌａ ｐｅｉｏ ＨＮ Ｂ ｔ１ ｅｉ ｆｕｔ — ｒｃｓ ｎ ｇ ｒ ｉ
ｍａ ｈ ｎ ｏ ｌ ｉｈ ａ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｆ ｍｉ ｉ ｔ ｒ ｎ ｃ ｏ ｃ ｉ ｅ ｔｏ ｓ ｗ ｔ ｐ ｌｃ ｔｏ ｓ ｔ ｎ ｆ ｃｕ ｅ ｏ ｎ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｍｉｒ
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 ， 保仿 真方 法 的正确性 。 确 导轨 工作基 本 条件如 表 １ 示 。 所
表 １ 导轨工况表
参数
喷 口压 力 ／ ａ ＭＰ
—
—
Ｐ ｌ． ｏｙ （ 圆孔仿真数据）
２４ ０
２ ３５ ｏ４ ．
为 了进 一步说 明微 结构 对 动 态 性 能 的改 善 ， 行 进
了气压波动时压强波动仿真。图 ５ 是外界气压从 ０ ４ ． Ｍａ Ｐ 波动到 ０５Ｍ ａ 动导轨气压 面上压强对 面积 ． Ｐ 时， 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 ， 结构改 变 了导轨 的 动态承 载能 力 ， 微
［ ］ Ｈ Ｎ Ｏ Ｈ， Ｏ Ｈ Ｏ Ａ Ｈ， Ａ Ｉ Ｕ Ｈ ． ｅ ｌ ｄｖ ｏｅ ｎａ ２ Ｓ Ｉ Ｎ Ｙ Ｓ ＩＫ Ｔ Ｎ Ｇ Ｃ Ｉ Ａ ｎｗｙ ｅｅ ｐｄ ｉ ｒ Ｋ ｌ ｌｅ
ｍｏ ｏ — ｒｖ ｎ ａ ｒ ｓａ ｉ —Ｙ ｐ ａ ａ ｔｏ ｂ ｅｓ ｓｅ ｆ ｒｎ ｎ —ｍａ ｈ ． ｔ ｒ ｄ ｉｅ ｅ ｏ ｔ ｔ ｃ ｌｎ ｒ ｍｏｉ ｎ ｔ ｌ ｙ ｔｍ ｏ ａ ｏ ａ ｃｉ
时间／ ｓ
出
Ｑｌ
、 ，
时间／ ｓ
广
厂
（） 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
０ １ Ｑ５ ０ Ｑ５ １
距喷 口中心距离／ ｍ ａ ｒ
（）传 统 导轨 小 孔节 ｉ 压力曲线 （ ａ ｉ ｆ ｉ 无微 结 构 ） （）十字 槽 机 构压 力分 布 曲线 ｂ
４ 结 语
本文 提 出了多尺 度 集 成设 计 方 法 ， 立 了 多 尺度 建
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 ．
集 成设 计模 型 。并通过 动 导轨微 结构设 计对 超精 密机
主题 ：精密 ．超精密及微纳加工技术ｌ
ｆ ｐｃ ： ｒＣＳ ｎ ｌ ａ ｐｅ ｉｉｎ ａ ｄ Ｍｉｒ－ ａ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ’ ｏ ｌｓ ｆｅ ｌｌ ．Ｕｔ － ｒｃｓ ｎ ｃｏ ｎ ｎ Ｉｃ ｎ ｌ Ｏ ｒ ｏ ｑ
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 ， 高气 浮 导轨 的精 度 和 刚度 是 止 推 气 浮 提 轴 承研 究 的一个热 点 。本文通 过仿 真计算 了动导
３ １ 微 结构 与无微 结构 导轨 工作 条件 ．
’
／
一
Ｚ ２６ ０
２５ ５ ２５ ０ ２４ ５
一
∥
＿
＿
＋ 圆仿 数 孔真据
— —
Ｐ ｌ． ｏｙ （ 十字槽仿真数据
为保证仿真数据 的可信性 ， 真中数据使用 了笔 仿 者 实验 室现 有 超精 密机 床 导 轨 设 计 数 据 ¨ 。此 数 据
， 一 ‘ Ｉ ： 帚 Ｉ 朋 ｕ ａ ‘ Ｆ －
ｃｍ ｏｅ ｔ［］ ｏｒａ ｆ ｔｒ ｌ Ｐｏｅｓ ｇＴ ｃｎｌｇ，２０ １７ ｏ ｐｎ ｎｓＪ ．Ｊｕｎｌｏ ｅｉ ｓ ｒｃｓｉ ｅｈ ｏ ｙ ０ ５，６ Ｍａ ａ ｎ ｏ
（ ／ ）５ ５ ５ ８ ２ ３ ：１ － ２ ．
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 ５ ７
一
２ Ｏ ７ ２６ ５
．
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 动机床动特性更好。
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 ， 中传统 其 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 所示。 ａ
０４ ．
０３ ．
凸一
Ｏ６ 暑 ｌ １ Ｌ ． Ｏ ． ２ ４
ｏ． ２ ４
０． ４４
ｏ４ ．６
ｏ． ８ ４
Ｏ． ５
气压波 动／ ａ ＭＰ
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
值
０４ ．
０ １Ｓ ． 内压强 由 ０ ４ ＭＰ ． ａ波 动 到 ０ ５ Ｍ ａ并 复原 后 引 ． Ｐ
动定导轨工作间距／ｘ ｔ ｍ 喷 口间距／ ｍｍ
喷 口直径 ／ｘ Ｉ ｍ
２ ０ ７ ０
２ｏ ０
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 ， 算 相 对 跳 动 。 ， 计 从 图中可 知 ， 与传 统 气 腔 （ ６ ） 比 ， 有微 结 构 的 图 ａ相 带 （ ６ ） 床 气 压 变 化 引 起 的 】向跳 动 减 小 了 ００ 图 ｂ机 ， ．９