耦合变形对环形缝隙节流闭式油静压导轨运动误差影响的研究

The motion errors of oil hydrostatic guideways play the key role in the accuracy and surface quality of the ultra-precision machine tool. In addition to improve the machining precision of the guide rails, further research on error averaging mechanism of hydrostatic guideways is another very effective way for improving motion accuracy of oil hydrostatic guideways. At present, the deformations of structural parts are often neglected in the research process. To make a more realistic prediction of motion errors, the fitting method of rail profile error is developed under the condition of rail deformations. The transfer and coordination mechanism between rail deformations and mechanical boundary conditions are investigated. The coupling mechanism between rail deformations and film action force are analysed. The influences of deformations of annular slit restrictors caused by non concentric on oil film pressure compensation are presented. The coupling behavior between deformations of restrictors and error averaging of hydrostatic guideways are studied. A motion errors model of hydrostatic guideways that conform to the actual operating conditions is established. Then, the quantitative analysis method of error averaging of hydrostatic guides is presented. Finally, validation experiments are conducted on a hydrostatic guideway.

油静压导轨的运动误差对超精密机床的精度和加工表面质量起着关键性的作用。除了提高导轨面加工精度外，深入研究油静压导轨的误差均化机理成了提高静压导轨运动精度的另一种非常有效途径。目前对静压导轨的误差均化机理的研究往往都忽视了结构件的变形。为了更真实的预测油静压导轨的运动误差，本项目研究导轨存在变形情况下导轨轮廓误差的拟合方法，探索导轨变形与导轨条力学边界条件的传递与协调机制，揭示导轨条的变形与油膜作用力之间耦合机理。研究非同心环形缝隙节流器耦合变形对系统压力补偿的影响，分析节流器变形与静压导轨误差均化的耦合行为。建立一个满足实际工况的环形缝隙节流闭式油静压导轨的运动误差模型，提出该类油静压导轨在服役态下误差均化的量化分析方法。最后对理论模型进行试验验证研究。

油静压导轨由于其具备运动精度高、刚度高和摩擦低等特性，所以被广泛应用于超精密机床。目前，针对于静压导轨运动误差的研究往往都忽视了结构件的变形和外载荷的影响，对指导实际工况下静压导轨的设计和制造具有一定的局限性。为此本项目旨在通过考虑变形和外载荷的作用下研究恒压式油静压导轨运动误差形成机理，为静压导轨的设计提供理论依据。. 1、提出一种可快速求解的闭式油静压导轨动力学模型；对比研究了三种弹簧-阻尼油膜等效模型；针对不同载荷条件，给出各种等效模型的适应条件。新的动力学模型的计算速度要比传统模型快10倍。. 2、基于静压导轨中结构件存在的几何误差，分析静态偏心载荷，动态偏心载荷和几何误差导致的油膜力波动情况下动压效应产生的合力，使其作用于闭式静压导轨的动力学模型，进而构建运动误差模型。在无载荷和静载荷下动压效应对线性偏差影响较大；在偏心静载荷作用下，运动方向对线性偏差有较大影响。. 3、基于结构件的弹性变形理论和上述动力学模型，建立静压导轨的流固耦合运动误差模型。分析工作台在全行程中不同位置的变形情况，研究耦合变形对静压导轨运动误差的影响。基于结构补偿提出减小变形影响的措施。. 4、考虑形位公差建立节流间隙闭环混合尺寸链公差模型，通过统计方法分别对节流器的尺寸误差和形位误差对油膜刚度系数和阻尼系数的影响进行分析。提出以针规替代传统环形缝隙节流器的节流方式，可大幅降低节流器加工成本。. 5、考虑外载荷和旋转速度情况下，基于运动学平衡构建更接近实际工况的静压推力轴承的回转误差模型。研究垂直度误差方位、回转速度和偏心载荷对推力轴承回转误差的影响。增加供油压力可以减小回转误差；当上、下垂直度误差方向相同时，可以减小外载荷对旋转轴向误差的影响。. 在本项目的资助下取得如下成果：3篇学术论文（1篇SCI收录，1篇核心期刊，1篇会议论文）；1项发明专利授权；1项实用新型专利授权；已培养一名硕士研究生。