（机械制造及其自动化专业论文）直线驱动式精密静压气浮平台的动静态特性分析与实验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c eo f p r e c i s i o na e r o s t a t ib e a r igs t a g e c i s i o na e r o s t a t i ce a rn m a s t e rc a n d i d a t e ：c h e na i m i n s u p e r v i s o r ：p r o f m ap i n g r o t m a y2 0 10 m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 静压气浮导轨具有摩擦小、发热量小、寿命长、精密度高、无污染、无辐射 等优点，直线电机驱动具有无接触、速度快、精度高、噪声低等特点，将两者结 合的运动进给平台充分发挥了气浮导轨和直线电机的优势，在高速、高精密机械 设备中具有广阔的应用前景。但由于静压气浮导轨承载小、刚度低、稳定性差以 及制造安装精度要求高等缺点，成为气浮运动平台推广应用的一个瓶颈。 目前，在气浮导轨承载能力和刚度等特性的设计计算方面，工程应用中多采 用一维解析方法，一般误差高达2 0 之多；理论研究中采用的数值求解方法对精 度有较大提高，但由于忽略了许多实际结构，影响了最终的求解精度。因此研究 并采用新的设计分析方法，提高静压气浮平台动静态性能的求解精度，在实际应 用中具有重要的意义。本文以矩形闭式静压气浮平台为研究对象，主要从以下几 方面内容进行了研究： 1 、通过对气体润滑理论的深入分析，运用工程解析法对闭式静压气浮导轨进 行初步设计。 2 、对闭式气浮导轨进行全参数的三维流体建模分析，把求解域从传统的薄膜 区扩展到节流小孔上游，并把气浮面交接处的结构特征纳入模型，考虑了更多实 际结构的影响。通过对气场分布规律的研究，分析了导轨在不同偏心率下气膜内 的压力分布情况及导轨承载能力和刚度的变化规律。在此基础上，进一步分析了 节流器结构设计参数、气浮面结构设计参数和工艺参数对导轨承载能力和刚度的 影响，最后对静压气浮平台的静态性能进行了实验研究。 3 、建立了三维流体有限元模型，分析了平台在不同运动速度情况下的气膜内 部压力场分布的变化规律及平台承载特性的变化情况。 4 、根据气膜支承的实际情况，提出将气膜层假设为弹性垫，并运用流一固耦 合方法确定弹性垫的结构和材料特性，建立弹性垫质量系统方法来研究静压气浮 平台的模态频率和振型特性，并建立了模态实验系统，对气浮平台进行了实验。 最后，将自由模态法和弹簧质量系统法与弹性垫质量系统法综合对比分析。 关键词：静压气浮平台流一固耦合有限元模态 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a e r o s t a t i cg u i d e w a yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wf r i c t i o n ，l o wh e a t ，l o n g w o r kl i f ea n dh i g hp r e c i s i o n ，l i n e a rm o t o ri san e wd r i v e rw i t ha d v a n t a g e so fn o n c o - n t a c t ，h i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n dl o wn o i s e ，e t c a e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g ed r i v e n b yl i n e a rm o t o r sh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r o s e p e c t si nh i g hs p e e d ，h i g h p r e c i s i o nm e c h a n i c a le q u i p m e n ti n d u s t r yb yg i v i n gf u l lp l a yt ot h ea d v a n t a g e so fa e r o s t a t i cg u i d e w a ya n dl i n e a rm o t o r h o w e v e r ，t h ed i s a d v a n t a g e sw i t hl o wl o a d i n gc a p - a c i t y ，l o ws t i f f n e s s ，p o o rs t a b i l i t y ，a n dh i g h e rr e q u i r e m e n t so fh i g hm a c h i n i n ga n da s s e m b l ya c c u r a c yb e c o m et h eb a r r i e ro ft h ea e r o s t a t i cg u i d e w a ya n de n c u m b e rp r o m o - t i o na n da p p l i c a t i o no fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e a tp r e s e n t ，l o a d i n gc a p a c i t ya n ds t i f f n e s so fa e r o s t a t i cg u i d e w a ya r ed e s i g n e d a n da n a l y z e dw i t ht h eo n e - d i m e n s i o n a la n a l y t i cm e t h o d ，i nw h i c ht h ee r r o ro v e r r u n s 2 0 i g n o r i n gm a n yr e a ls t r u c t u r eo ft h ea e r o s t a t i cg u i d e w a yl o w e r st h ef i n a la c c u r a - c yo ft h en u m e r i c a lm e t h o d s oi ti si m p o r t a n tt od i s c o v e rt h en e ww a yt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo fs t a t i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e i nt h i sa r t i c l e ， c l o s e t y p er e c t a n g l ea e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g eh a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h em a i nr e s e a r c h w o r ki n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 、t h ec l o s e t y p ea e r o s t a t i cg u i d e w a yi sd e s i g n e dw i t ha n a l y t i cm e t h o d 2 、i no r d e rt oc o n s i d e rm o r er e a ls t r u c t u r e ，ac o m p l e t ep a r a m e t e rt h r e ed i m e n s i o n a lm o d e li sb u i l tu p ，w h i c ht h ea i r f l o wf i e l di se x t e n d e df r o mt r a d i t i o n a lf i l mf i e l dt o f i e l da b o v et h r o t t l eh o l e s ，i n c l u d et o o lw i t h d r a w a lc h u t e b y s t u d y i n gd i s t r i b u t i o n f e a t u r eo fa i r f l o wf i e l d ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，l o a d i n gc a p a c i t ya n ds t i f f n e s so ft h e g u i d e w a yi sa n a l y z e di nt h ec a s e sw h e r ei t se c c e n t r i c i t yi sd i f f e r e n t b a s e do nt h e a n a l y s i so fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ei n f l u e n c eo fr e s t r i c t o rp a r a m e t e r s ，a i r f l o wf l a t p a r a m e t e r sa n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nl o a d i n gc a p a c i t ya n ds t i f f n e s so fg u i d e w a y h a v eb e e ns t u d i e d f i n a l l y ，s t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h ea e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g eh a v e b e e ns t u d i e db ye x p e r i m e n t s 3 、b a s e do n3 一df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa i r f l o wf i e l d ，d i s t r i b u t i o no fa i r f l o w a b s t r a c t f i e l da n dl o a d i n gc a p a b i l i t yo ft h es t a g eh a v eb e e ns i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tm o v i n g v e l o c i t y 4 、a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ff i l ms u p p o r t ，t h em e t h o dt h a tt h ef i l mi s a s s u m e dt ob ee l a s t i cc u s h i o ni sd e v e l o p e df o rs t u d y i n gm o d a lc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o - s t a t i cb e a r i n gs t a g e s t r u c t u r ea n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ec u s h i o na r ed e t e r m i n e d b yf l u i d - s o l i dc o u p l i n gt h e o r y f i n a l l y ，t h em o d a lt e s t i n gs y s t e mh a sb e e nb u i l tu p ，t h e e x p e r i m e n t a lm o d a lt e s th a sb e e nc o n d u c t e d ，t h ea n a l y s i sw i t hf r e em o d a lm e t h o d ， s p r i n g m a s ss y s t e mm e t h o da n dt h ed e v e l o p e de l a s t i cc u s h i o ns y s t e mh a v ea l s ob e e n c o m p a r e d k e y w o r d s ：a e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e ，f l u i d s o l i dc o u p l e , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m o d e i i i 广东r - , _ l k 大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v c o n t e n t s 一v i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外气浮导轨及静压气浮平台的研究现状l 1 3 本课题的来源。研究内容与特色4 1 3 1 本课题的来源及研究内容4 1 3 2 本课题的研究特色5 第二章气体润滑理论与静压气浮导轨的结构设计一6 2 1 气体润滑理论6 2 1 1 气体润滑技术简介6 2 1 2 气体润滑原理6 2 1 3 节流器及节流原理7 2 1 4 气体力学的基本方程9 2 2 静压气浮导轨静态性能的解析算法1 1 2 2 1 承载能力的计算1 1 2 2 2 刚度的计算1 4 2 3 静压气浮导轨的结构设计一1 4 2 3 1 确定气浮导轨的基本结构形式一1 5 2 3 2 气浮滑块及节流器镶件的结构设计1 6 2 3 3 主要技术参数的设计1 7 2 3 4 闭式静压气浮导轨的稳定性校核2 2 2 4 本章小结2 3 目 录 第三章静压气浮平台静态性能分析及实验研究2 4 3 1 静态性能仿真分析2 4 3 1 1 流体有限元模型的建立2 4 3 1 2 边界条件的施加2 5 3 1 3 求解设置2 6 3 1 4 气场分布规律分析2 6 3 1 5 静态性能分析3 0 3 2 静态性能的影响因素分析3 3 3 2 1 节流器结构设计参数的影响3 4 3 2 2 气浮面结构设计参数的影响3 6 3 2 3 工艺参数的影响3 8 3 3 静态性能实验4 0 3 4 1 实验装置与方法4 0 3 4 2 气膜总间隙的测试及气膜平均间隙的确定4 3 3 4 3 初始气膜间隙的测试及初始偏心率的确定4 3 3 4 4 承载能力和刚度测试4 5 3 4 本章小结4 6 第四章静压气浮平台动态特性分析及实验研究4 8 4 1 平台运动流场特性分析4 8 4 1 1 流体有限元模型的建立4 8 4 1 2 边界条件的施加4 8 4 1 3 静压气浮平台的压力场端部效应分析4 9 4 1 4 平台运动承载特性分析5 2 4 2 静压气浮平台的模态特性分析5 4 4 2 1 平台自由模态仿真分析5 5 4 2 2 静压气浮平台模态仿真分析弹簧质量系统法5 8 4 2 3 两种求解方法存在的问题6 0 4 2 4 静压气浮平台模态仿真分析一弹性垫法6 1 4 3 静压气浮平台模态特性实验6 8 v 广东工业大学硕士学位论文 4 3 1 实验装置与方法6 8 4 3 2 实验模型与支承方式7 1 4 3 3 实验设计7 1 4 。3 4 实验结果分析7 2 4 3 5 理论计算结果和实验结果对比分析7 5 4 4 本章小结7 5 总结与展望”7 6 参考文献7 8 攻读学位期间发表的论文8 2 独创性声明一8 3 致谢8 4 v i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( i ne n g l i s h ) v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho na e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 1 1 3s o u r c e 、c o n t e n ta n di n n o v a t i o no ft h i st h e s i s 4 1 3 1s o u r c ea n dc o n t e n t 4 1 3 2i n n o v a t i o n 5 c h a p t e r 2g a sl u b r i c a t i o nt h e o r ya n ds t r u c t u r ed e s i g no fa e r o s t a t i cg u i d e w a y 6 2 1g a sl u b r i c a t i o n t h e o r y 6 2 1 1i n t r o d u c t i o no fa i rf i l ml u b r i c a t i n gt e c h n o l o g y 6 ：! 1 2a i rf i l ml u b r i c a t i o np r i n c i p l e 6 2 1 3r e s t r i c t o ra n dt h r o t t l ep r i n c i p l e 7 2 1 4a e r o d y n a m i c se q u a t i o n s 9 2 2a n a l y t i cm e t h o df o rs t a t i cp e r f o r m a n c eo fa e r o s t a t i cg u i d e w a y 11 ：! 2 1s o l u t i o no fl o a d i n gc a p a c i t y 11 ：! ：! 2s o l u t i o no fs t i f f n e s s 1 4 2 3s t r u c t u r ed e s i g no fa e r o s t a t i cg u i d e w a y 1 4 2 3 1b a s i cs t r u c t u r e 1 5 2 3 2s t r u c t u r ed e s i g no f a e r o s t a t i cs l i d ea n dr e s t r i c t o r 1 6 2 3 3d e t e r m i n a t i o no fm a j o rp a r a m e t e r s 17 2 3 4v e r i f i c a t i o no f s t a b i l i t y 2 2 ：! 4c h a p t e rs u m m a r y 2 3 v i i 广东工业大学硕士学位论文 c h a p t e r3r e s e a r c ho nt h es t a t i cp e r f o r m a n c eo fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 2 4 3 1a n a l y s i so fs t a t i cp e r f o r m a n c e 2 4 3 1 1a e r o s t a t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l 2 4 3 1 2b o u n d a r yc o n d i t i o n 2 5 3 1 3s e t t i n go fs o l u t i o n 2 6 3 1 4a n a l y s i so f a i r f l o wf i e l d 2 6 3 1 5a n a l y s i so fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s 3 0 3 2i n f l u e n c eo fm a j o rp a r a m e t e r so nt h es t a t i cp e r f o r m a n c e 3 3 3 2 1i n f l u e n c eo fr e s t r i c t o rp a r a m e t e r so ns t a t i cp e r f o r m a n c e 3 4 3 2 2i n f l u e n c eo fg u i d e w a y sp a r a m e t e r so ns t a t i cp e r f o r m a n c e 3 6 3 2 3i n f l u e n c eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ns t a t i cp e r f o r m a n c e 3 8 3 3e x p e r i m e n t a ls t u d yo fs t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h ea e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 4 0 ：；3 1e x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dm e t h o d 4 0 3 2 2t h et o t a lc l e a r a n c ea n da v e r a g ec l e a r a n c eo ff i l m 4 3 3 3 3t h ei n i t i a l i z a t i o no ff i i mc l e a r a n c ea n de c c e n t r i c i t y 4 3 一 ：；3 4t e s to fl o a d i n gc a p a c i t ya n ds t i f f n e s s 4 5 ：；4c h a p t e rs u m m a r y 4 6 c h a p t e r4r e s e a r c ho nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 4 8 4 1a n a l y s i so fa i r f l o wf i e l du n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t y 4 8 4 1 1f i n i t ee l e m e n tm o d e l 4 8 4 1 2b o u n d a r yc o n d i t i o n 4 8 4 1 3e n de f f e c t sa n a l y s i so fp r e s s u r ef i e l d 4 9 4 1 4a n a l y s i so fl o a d i n gc a p a c i t yo ft h es t a g eu n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t y 5 2 4 2m o d a la n a l y s i so fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 5 4 4 2 1f r e e d o mm o d a la n a l y s i so ft h ea e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 5 5 4 2 1 1f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ea e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 5 5 4 2 1 2l o a d i n ga n ds o l v i n g 5 6 4 2 1 3s i m u l a t i o na n dd i s c u s s i o n 5 7 4 2 2m o d a la n a l y s i so fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g ew i t hs p r i n g - m a s ss y s t e m 5 8 c o n t e n t s 4 2 2 1f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 5 8 4 2 2 2l o a d i n ga n ds o l v i n g 5 9 4 2 2 3s i m u l a t i o na n dd i s c u s s i o n ! ；9 4 2 3p r o b l e m so ft w om e t h o d 6 0 4 2 4m o d a la n a l y s i so fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g ew i t he l a s t i cc u s h i o ns y s t e m 61 4 2 4 1f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o u p l i n gs y s t e m 6 1 4 2 4 2 s e t t i n go fp h y s i c a le n v i r o n m e n t 6 3 4 互4 3p r o c e s so fs o l u t i o n 6 5 4 2 4 3r e s u l t so fm o d a la n a l y s i s ，6 6 4 ，3m o d a le x p e r i m e n t a ls t u d yo fa e r o s t a t i cb e a r i n gs t a g e 6 8 z i 3 1 e x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dm e t h o d 6 8 4 3 2e x p e r i m e n t a lm o d e la n ds u p p o r ts t y l e s 7 1 z i 3 3e x p e r i m e n t a ld e s i g n 7 1 z i 3 4a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 7 2 4 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静压气浮导轨是静压止推空气轴承的一种。由于空气轴承无标准化产品供选取， 且其性能受节流形式等诸多因素影响【：，3 】，因此，设计性能优越的气浮导轨并不容易， 需要丰富的实践经验和理论知识。 广东5 - 业大学硕士学位论文 国内外学者在理论研究方面进行了大量的研究。采用的理论模型和研究方法也 各有不同。工程中求解闭式导轨的静态特性多采用j w p o w e l l 提供的方法【4 j ，即把 闭式导轨当作2 个相对安装的开式导轨。其求解模型为简化的数学解析模型，再利 用线性气源假设( 一维流动分析法) 对气膜气场进行近似处理，其缺点是不能考虑 扩散效应的影响。为了提高工程解析模型的求解精度，常通过实验的方法获得扩散 效应系数来进行补偿。k a r k o u bm a n s o u r 和e