超精密液体静压导轨静动态特性分析及控制技术研究

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精密和超精密技术的发展直接影响国防工业和民用工业的发展,世界各个强国都在超精密加工领域进行了大量研究并取得了大量成果。超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件,而导轨部件是超精密机床里的关键部件,其性能很大程度上决定了超精密机床的精度,因此很有必要对超精密机床导轨进行研究。根据课题中机床设计的高精度和高刚度要求,选择闭式液体静压导轨作为运动部件。超精密机床要求导轨具有良好的静动态特性和控制性能,对导轨的静动态特性和控制技术进行研究以提高导轨精度是非常必要的。本文针对课题中超精密金刚石车床的研制,对超精密液体静压导轨的静动态特性和控制技术进行了相关研究。根据机床设计要求和静压导轨设计方法确定了导轨的结构尺寸,基于Fluent软件对单个油垫的静态特性进行仿真分析,对单个油垫的油膜厚度、节流孔直径和油腔深度进行了优化计算,得到了最佳结构参数。根据优化的结构参数计算了整个导轨的承载力和刚度,并进行了导轨刚度实验测试,来验证仿真刚度的正确性。利用ANSYS对导轨进行模态分析,得出其各阶固有频率和模态振型。基于PMAC和工控机完成了控制系统搭建,在搭建的数控系统基础上建立了直线电机运动的数学模型,设计出控制系统的带宽,使其满足设计要求,并调试得出最佳PID参数,同时研究了负载变化对伺服系统性能的影响,建立了两轴联动运动模型,进行了圆弧运动仿真,计算了圆弧圆度误差。基于PMAC控制器对控制参数进行了整定,得到了最佳的控制参数,并进行微位移实验测试了导轨的最小分辨率。利用激光干涉仪测量了导轨初始定位精度并基于PMAC的误差补偿功能进行补偿,大大提高了导轨定位精度。在调整完参数后进行了硬铝加工实验,证明了该导轨控制系统具有良好性能,适用于超精密加工设备。
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