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基于自主气体轴承的大型光电精密仪器回转基准技术的研究

来源:-- 作者:-- 浏览:652

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摘要: 摘要:提出一种用于大型光电精密仪器的自主控制静压气体轴承方案。按气体轴承刚度最大准则优化了固有节流轴承参数。给出了进气、排气、进气-排气三种主动节流方式下的承载能力特性。计算结果表明,轴承参数优化是合理的,能为自主控制轴承实现无穷刚度提供良好的负载范围。三种主动节流方式也为自主控制气体轴承提供了多样性选择。   大刚度精密静压气体轴承是大型精密光电仪器中作为测量回转基准的核心部件。随着精密及超精密

  摘要:提出一种用于大型光电精密仪器的自主控制静压气体轴承方案。按气体轴承刚度最大准则优化了固有节流轴承参数。给出了进气、排气、进气-排气三种主动节流方式下的承载能力特性。计算结果表明,轴承参数优化是合理的,能为自主控制轴承实现无穷刚度提供良好的负载范围。三种主动节流方式也为自主控制气体轴承提供了多样性选择。

  大刚度精密静压气体轴承是大型精密光电仪器中作为测量回转基准的核心部件。随着精密及超精密光机电技术的发展,对静压气体轴承的刚度、精度及稳定性均提出更高和迫切的要求。特别是刚度,由于气体的可压缩性,给其提高带来很大的困难,也成为当前气体轴承领域的难点和热点之一。目前,提高轴承刚度方法可分为传统改进型[1],被动控制型[2],主动控制型[3],复合控制型[4]等。其中,尤以主动控制型最有应用前途。它既克服了传统轴承加工难度大、提高刚度有限的难点,又避免了被动控制型结构一旦固定,控制规律固定,不能人为进行改变来适应变化工作条件的缺陷。采用主动控制法,人们可以通过改变控制算法软件来自由调节轴承性能,适应各种变化的使用条件,使气体轴承朝可控化、智能化发展成为可能。但是,主动控制轴承存在着固有节流与主动节流参数不匹配的问题。本文提出由固有节流与主动节流相结合的自主式静压气体轴承[5],就是一种主动控制方案。它通过固有结构参数的优化,使主动节流的负载特性得到改善,使刚度的提高可以主动调节,甚至实现无穷刚度。同时,回转精度也得到相应改善。

  1 系统组成及原理

  系统的组成见图1。在传统的小孔节流静压气体轴承中间相互垂直的平面中,布置有四个可控节流阀和两个检测轴位置变化的电容位移敏感器(x,y)。当轴在某一工作点(e=e0)产生径向位移时,由相应位移传感器测出其大小变化(Δe),送控制器,根据一定的控制算法产生控制信号,经放大器放大后,送给控制阀。通过阀的可变节流作用(jx 变化),改变气体压场的分布,从而控制气膜合力的大小和方向,抵御外载等各种干扰的影响,使轴接近或完全恢复到原有的工作点位置(Δe→0)气膜刚度即可得到极大提高,在一定条件下甚至达到无穷(Δe=0)。

  2 静压气体轴承固有节流参数的优化

  2.1 优化准则

  一般来说, 静压气体径向轴承的参数优化可以由不同的最优化准则来确定,如最大承载能力准则、最小流量准则及最大刚度准则等。本文以最大刚度准则设计固有节流轴承,用有限元数值计算法优选参数。对径向圆柱轴承来说,共有 D,L,n(单排节流孔数),l0,d0,h0,e 等七个轴承几何尺寸和sp ,ap 等气源及环境压力参数。其中,ap 是由环境决定,而sp 使用范围又受到气源条件及性能的限制,其值太高易产生气锤自激,太低使承载能力及刚度下降,一般选在 0.3-0.6M pa。因此,参数优化主要是几何参数为主了。由于径向轴承参数有 7 个之多,直接优选十分复杂,也不符合工程实际,本文采用把它们分成几个参数组合的方法,即:ε—偏心率(e /h0); e/40d n―总节流面积;l0/L―固定节流孔轴向位置比; L/D―长径比;h0―平均气膜径向间隙。按刚最大原则, 一般[5]取 L /D=1,l0/L=1/4,本文取 L=D=100mm,l0=25 mm。从加工及刚度角度考虑, 最终确定 d0=0.2mm。其它参数ε,n,h0等通过有限元计算分析对比,按刚度最大原则及工程可行性来确定。

  2.2 有限元优化计算

  对于稳态工况,带有节流孔气体轴承的压力分布满足下述雷诺方程:

  其中F 为节点未知压力平方(p2);K 为与几何形状、有限元参数及气膜厚度有关的函数矩阵;T 为与边界已知压力(ps)和节流孔后压力(pdi)有关的非线性阵列。求解(6)式,并按气体轴承刚度最大原则,得出轴承参数ε,n,h0等的关系曲线,见图 2。由图 2 可以看出,不同的偏心率( ε),及节流孔数(n)均存在着使刚度(Kw)达到最大的、最佳的气膜平均间隙(*0h )。另外,随着节流孔数(n)的增大,最佳间隙(*0h )及最大刚度值均最大。但由于节流孔数增多,耗气量损失大,综合考虑,最终优选结果为 n=8,h0*=18μm。

  3 自主轴承静态性能计算

  上一节对固定节流参数进行了有限元计算,优选了几何参数。在此基础上,进行自主控制轴承在不同节流方式下的性能分析。概括起来分三种节流组合方式(见图1):1)进气节流:下阀进气,上阀关闭;2)排气节流:上阀排气,下阀关闭;3)进气-排气节流:上阀排气,下阀进气。

  由有限元法算得1)~3)节流方式下,在偏心率ε=0 时,由控制阀产生附加承载力的静态性能曲线w-xi,见图3。图中 w 为附加气膜支持力,xi为控制阀开度。由图3 计算曲线分析,可以看出,在轴承未发生偏移的条件下,由控制阀产生附加支撑力,从而产生无穷刚度( →→∞we 0, k)。三种节流方式对应的支撑力分别为进气节流 200N,排气节流 180N 及进气-排气节流 500N 左右,其中进气-排气节流产生调节力最大。

  结束语

  本文通过有限元法按刚度最大原则优选了固有节流轴承参数。以此为基础,全面分析和计算了三种主动节流方式下的自主轴承性能。计算结果证明,固有节流参数的优化是合理的,它能有效改善普通气体轴承承载和刚度特性,为自主轴承控制提供负载更宽广的提高刚度范围。三种主动节流方式的计算分析,为自主轴承控制精密仪器回转基准提供了多样性的选择。

  参考文献:

  [1] SEKI T, TOGO S. Improvement of the Gas Bearing Stiffness by Higher Pressure (Ist Report)[J]. JSPE, 1992, 58(4): 621-627.

  [2] SAITO Y, TOGO S. Study on Externally Pressurized Gas Bearings with Infinite Stiffness[J]. JSPE, 1994, 60(7): 1009-1013.

  [3] MIZUMOTO H, KAMI Y. An Active Inherent Restrictor for an Infinite Stiffness Aerostatic Bearing[J]. JSPE, 1994, 60(9):1325-1329.

  [4] HARA S. A Trial Product of Ultra Precision Spindle[J]. JSME, 1997, 25(6): 25-29.

  [5] 齐乃明,刘暾,谭久彬.自主式静压气体轴承实现无穷刚度的条件分析[J].南京理工大学学报,2001,25(2):147-151.

  基金项目:国家自然科学基金资助项目(50075020)

  作者简介:齐乃明(1962-),男(汉族),河北玉田人,工学博士,副教授,主要从事大型光电精密仪器回转基准技术研究。E-mail: Qinm@up369、com

型号 厂商 价格
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STM32F103RCT6 ST ¥461.23
STM32F103C8T6 ST ¥84
STM32F103VET6 ST ¥426.57
STM32F103RET6 ST ¥780.82
STM8S003F3P6 ST ¥10.62
STM32F103VCT6 ST ¥275.84
STM32F103CBT6 ST ¥130.66
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