超精密机床系统动态特性空间演变规律的研究

The dynamic characteristics of ultra-precision machine tool, such as stiffness and natural frequency vary with the changing of position and posture of the machine components in working space. Not only the mass, stiffness, damping ratios should be considered during the research of the dynamic characteristics of ultra-precision machine tool, the spatial position change of machining point should also be paid more attention. The project determines and analyses dynamic characteristics and precision characteristics through the Spatial Statistics Analysis Method, thus the mathematical relation between the machine tool’s dynamic characteristics, precision and its position, posture can be analyzed. Based on the model, select machine tool’s dynamic performance variation function, and the spatial statistics analysis model to predict dynamic characters can be established, so the aim of the project, the prediction of the changing rules of machine tool’s dynamic characteristics, can be realized. To verify the predication models, The established model can be compared with the dynamic characteristics from tests. The research of ultra-precision machine tool dynamics based on spatial statistics provides a new design and analyze method and technical support for the dynamic design of the ultra-precision machine tools.

超精密机床在加工空间中的刚度、质量分布、固有频率、精度等动态特性变化及制约因素一直是国内外专家学者关注和研究的热点。超精密机床的动力学特性、精度特性都与超精密机床具体位置姿态相关，并直接决定加工空间中具体位置的加工效果。本项目通过空间统计分析的方法进行加工空间中超精密机床动力学特性和精度特性研究，建立超精密机床结构设计与动力学特性、精度特性的映射关系，分析这些基于同一结构，体现在同一加工空间上的各项指标的相关性，形成设计方法，科学指导刚度、精度系统级优化设计，获得具有优化动力学性能的超精密机床产品。

超精密机床在加工空间中的刚度、质量分布、固有频率、精度等动态特性变化及制约因素一直是国内外专家学者关注和研究的热点。超精密机床的动力学特性、精度特性都与超精密机床具体位置姿态相关，并直接决定加工空间中具体位置的加工效果。本项目通过空间统计分析的方法进行加工空间中超精密机床动力学特性和精度特性研究，完成了机床动力学性能的空间特性分析与建模，建立的动力学性能变化预测的Kriging 方法模型，其R2 检验大于0.96，预测准确性优于同等条件下正交多项式方法、径向基神经网络方法、二阶响应面方法等方法建立动力学性能预测分析模型。项目完成了机床动态性能与精度的相关性建模及控制策略研究，提出了基于空间固有频率的机床工作路径规划方案，并应用与二维运动平台，实验数据显示规划方案的精度稳定性比随机选取的其他3条路径更佳。进行了机床整机性能与部件性能的相关性研究，确定了最适合超精密机床气浮导轨表面减阻需求的构型是V 形沟槽结构表面，并进行了仿真验证，给出了优化的结构参数，进一步保障了超精密机床设计精度和运动精度。提出了结构与多学科优化过程中代理模型构造方法，针对多种机床案例结构在实际环境与荷载作用下的刚度、强度、振动、可靠性等力学及多学科性能的优化的更高要求，根据所提出的方法，在最小相对位置条件下，对机床进行动态性能优化设计。项目按目标建立了超精密机床结构设计与动力学特性、精度特性的映射关系，分析了这些基于结构，体现在加工空间上的各项指标的相关性，形成了基于动态特性的机床产品设计方法，圆满完成了预定目标和计划。