基于可控节流和动网格算法的液体静压主轴回转精度极限研究

Hydrostatic spindles are used in ultra-precision machine tools due to their advantages of high precision and high stiffness. However,what limitation is the rotational accuracy of hydrostatic spindle? How to approach the limitation in engineering? Whether the rotational accuracy can be achieved under the condition of online controll? The essences of the scientific problems have so far not been resolved completely. The purpose of the project is to explore the limitation of rotating accuracy and to control rotating accuracy online at full speed range. The theory of hydrostatic spindle accuracy limitation will be established based on the active compensation technology and the dynamic mesh algorithm. The stiffness coefficients and the damping coefficients will be calculated by the dynamic mesh algorithm under the condition of various disturbances. The research will reveals the influence of throttle parameters and active control mode on stiffness and damping characteristics of the hydrostatic bearings. The trajectory of hydrostatic spindle axis will be simulated and the rotational accuracy limitation will be predicted by use of the dynamic mesh algorithm. The active control strategy of the rotational accuracy and the dynamic performance of hydrostatic spindle will be achieved at the full speed range. It will provide new theory and technique for developing the advanced ultra-precision hydrostatic spindle with independent intellectual property rights.

液体静压主轴因兼有高精度和高刚度优点，常用作超精密机床中承载能力大、回转精度高的主轴。但其回转精度的极限是多少，工程上如何趋近该精度极限，回转精度能否实现在线主动控制？这些本质的科学问题迄今未得到圆满解决。本项目提出了旨在探索回转精度极限，在全速域范围内实现油膜刚度阻尼"在线主动控制"的思想。项目将建立基于可控节流技术和动网格算法的液体静压主轴回转精度极限研究理论体系；提出并实现液体静压主轴在不同扰动条件下的油膜刚度和阻尼特性的动网格计算方法，揭示可控节流器参数和主动控制方式对液体静压主轴油膜刚度和阻尼的影响规律，实现可控节流液体静压主轴轴心轨迹的动态仿真及回转精度极限预测，提出在全速域范围内调控静压主轴刚度、阻尼和回转精度的主动控制策略，为研制开发具有自主知识产权和国际前沿水平的新型超精密液体静压主轴提供新的理论和技术支撑。

本项目针对超精密加工对液体静压主轴回转精度不断提升的精度需求，提出了利用可控节流手段和动网格方法探索液体静压主轴回转精度极限的思想。发明并实现了液体静压轴承的可控节流器结构，建立了可控节流液体静压轴承的承载能力和油膜刚度的理论分析模型，定量揭示了供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力对轴承承载性能的影响规律。建立了基于N-S方程和主轴运动方程的液体静压主轴流固耦合动力学模型，提出了基于CFD动网格的模型求解新方法，通过将主轴旋转和平动方程嵌入CFD并求解N-S方程，实现了瞬态油膜压力求解；通过将轴颈旋转运动边界转换为静止物理边界，解决了因轴颈旋转而引起的油膜网格扭曲问题；通过利用弹簧光顺模型防止主轴位移引起的油膜网格畸变，实现了主轴在油膜中的运动轨迹模拟。利用所提出的动网格方法研究了主轴回转时油膜力、轴承流量和主轴位置的周期性变化规律，揭示了轴承形状误差、轴颈圆度误差和圆柱度误差影响主轴回转误差的物理机理。定量揭示了零件形状误差、轴承结构参数和工作参数对液体静压主轴回转精度的影响规律。研制了可控节流电机内置式液体静压电主轴样机，开发了可对电主轴电流、转速、油腔压力、温升和主轴振动等进行实时测量的在线监控系统，搭建了基于标准球和五点法的液体静压主轴回转精度测试系统。部分典型工况实验证实了所提出的回转精度研究方法的有效性和研究结果的合理性。项目研究结果在湖南海捷主轴科技有限公司的高精度液体静压主轴和武汉重型机床集团有限公司的大型卧车静压主轴、大型镗床静压主轴和大型立车静压转台上的设计中成功应用。研究成果“极端工况液体静压（电）主轴及转台关键技术与应用”获得教育部科技进步奖二等奖。项目从理论上探讨了液体静压主轴可能达到的回转精度极限，结合近年来积累的数百套液体静压主轴产品案例，提出了工程上检测和预估液体静压主轴回转精度的实用方法，对可能实现的液体静压主轴回转精度极限进行了预测。