气体静压主轴多场耦合特性对超精光学元件加工表面频域误差的影响及其可控性研究

As the important structural units of many precision optical-mechanical equipments, strong performance constraint-based optical components have wide application in the cutting-edge technology fields such as aerospace and military industry. This ultra-precision optical component must meet the stringent requirement of machined surface frequency domain error for achieving the corresponding performance index. Ultra-precision aerostatic spindle is the key component of special ultra-precision machine tool for such optical component machining, whose frequency domain error under multi-field coupling effect has the important influence on the machined surface frequency domain error. This project carries out the related fundamental research of ultra-precision aerostatic spindle for the controllability of machined surface frequency domain error of such optical component. The numerical model and finite element simulation model of the “motor-bearing-rotor” coupling system of ultra-precision aerostatic spindle is established. The frequency domain error formation mechanism of the spindle under multi-field coupling of “magnetism-fluid-structure” is revealed. The influence law of spindle frequency domain error on the machined surface error under typical machining modes is obtained. The optimization design model is built based on the controllability of surface frequency domain error, and the optimal design parameters are gained. The research results will provide important theoretical guidance and technical support on the development and frequency domain error control of ultra-precision aerostatic spindle, machine tool accuracy improvement and process planning, for the machining of strong performance constraint-based optical components.

强性能约束类光学元件是许多精密光机装备的重要结构单元，在航空航天、军事工业等尖端科技领域有着广泛应用，该类超精光学元件需满足极为苛刻的加工表面频域误差要求才能实现其相应物理性能指标。超精密气体静压主轴作为该类光学元件专用超精密加工机床的关键部件，其在多场耦合作用下的频域误差对于加工表面频域误差具有重要影响。本项目面向该类超精光学元件加工表面频域误差可控性的需求，针对超精密气体静压主轴开展有关基础研究。建立超精密气体静压主轴“电机-轴承-转子”耦合系统的数值分析模型和有限元仿真模型，揭示“磁-流-固”多场耦合作用下主轴频域误差的形成机理，获得主轴频域误差在典型加工模式下对于加工表面频域误差的影响规律，建立基于表面频域误差可控性的主轴优化设计模型并得到最优设计参数。研究成果将为面向该类光学元件加工的超精密气体静压主轴研制及其频域误差控制、机床精度改善与工艺规划提供重要的理论指导和技术支持。

强性能约束类光学元件是许多精密光机装备的重要结构单元，在航空航天、军事工业等尖端科技领域有着广泛应用，该类超精光学元件需满足极为苛刻的加工表面频域误差要求才能实现其相应物理性能指标。超精密气体静压主轴作为该类光学元件专用超精密加工机床的关键部件，其在多场耦合作用下的频域误差对于加工表面频域误差具有重要影响。本项目围绕超精密气体静压主轴多场耦合特性及频域误差形成机理、超精密气体静压主轴频域误差和气膜流场测量、超精密气体静压主轴频域误差对于加工表面频域误差的影响规律、面向加工表面频域误差可控性的主轴优化设计等方面开展了深入研究。建立了适用于超精密气体静压主轴多场耦合研究的数值分析和有限元仿真模型，提出了气体静压主轴多场耦合转子动力学建模方法，实现了多场耦合作用下转子时变运动轨迹的求解，基于该方法研究了不同影响因素对于主轴频域误差的影响规律，揭示了“磁-流-固”多场耦合作用下超精密气体静压主轴频域误差的形成机理。研究了多种气膜流场测量实验平台及相关技术，开展了超精密气体静压主轴频域误差和气体轴承气膜流场测量实验研究，验证了有关理论研究结果。以超精密端面车削和飞切加工为例，通过理论和实验研究了主轴频域误差与进给方向和切削方向表面轮廓误差的关系，获得了超精密气体静压主轴频域误差对于加工表面频域误差的影响规律，部分研究结果在KDP晶体超精密飞切加工机床精度设计和加工工艺规划中得到了有效应用。建立了面向加工表面频域误差可控性的主轴多目标优化设计模型，基于遗传算法进行了优化设计研究，并得到了最优设计参数。研究成果可为面向强性能约束类光学元件切削加工的超精密气体静压主轴稳定运行、加工表面频域误差控制和工艺规划提供一定的理论指导和技术支撑，有助于提升超精密气体静压主轴的创新研发能力。