新概念大型精密动静压转台运动平稳性分析与参数优化

In order to solve the key problems in rotary table, such as the lower speed movement stability and heat dissipation difficulties,two new concepts of "differential" rotary table and sprial lubricant seperation were proposed.The former makes the rotary table launching and running on the moving plate through the differential plate design, it can eliminate the “difference between the dynamic friction and static friction”, which is the fundamental reason for crawling; The latter improve oil drainage quantity, and realize sepration of cold and hot oil, to avoid heating repetition through the unique design of spiral oil wedge,which can significantly reduce the temperature rise. .This project carries out the investigation of basic theories and experiment researches on the new concept rotary table.Firstly, according to the idea of“static pressure raise the rotary table, dynamic pressure make it work”, study the reasonable design of static pressure oil cavity and spiral dynamic pressure oil wedge, and build the model of structure, lubricant feeding, and motion parameters description.Next, study the differential lubrication mechanism of spiral oil wedge,and build mathematical model of lubricating oil velocity, pressure and oil streamline distribution.Study the characteristics of bearing load capacity, lubricant seperation and temperature. Establish the rotary table movement stability model, and study the stationarity at lower speed.Finally, research the influence of the shape, layout and parameters of dynamic and static pressure oil wedge/cavity to the performance of rotary table,Seek the optimum parameters with multi-objective optimization..The accomplishment of this project can provide a new way to improve the division accuracy, positioning accuracy and low-speed stability on large scale precise rotary table

针对大型精密转台存在着低速爬行和散热困难等关键难题，提出了“差动”转台和螺旋分流的设计概念；前者通过差动盘设计，使转台始终在动面上启动和运行，消除了“静、动摩擦之差”这一造成运动不稳定的根本因素；可显著提高转台的运动平稳性；后者通过独特的螺旋油楔设计，显著提高泄油量，并实现冷、热油的分流，避免重复加热，可显著降低温升。.本项目开展新概念转台的基础理论与试验研究。首先，根据静压抬起，动压工作的思路，研究静压油腔与螺旋动压油楔的合理设计，建立结构、供油与运动参数描述模型；接着，研究螺旋油楔的差动润滑机理；建立润滑油速度、压力和流线分布数学模型；研究承载、分流和温度特性；然后，建立转台运动平稳性模型，研究低速平稳性；最后，研究动静压油楔/腔的形状、布局及参数等对转台性能的影响规律。进行多目标优化，寻求最佳参数。.本项目的完成，可为提高大型精密转台的分度、定位精度和低速运转平稳性开辟新的途径。

提出了动静压“差动”转台和螺旋分流的设计概念，使转台在流动的油膜上启动和运行，消除了“静、动摩擦之差”，可显著提高转台的低速运动平稳性。研究螺旋油楔分流特性和参数优化，降低转台温升，提高其承载能力。完成的主要工作如下：.⑴、构建新型动静压差动转台，研究油膜力及动静特性的建模分析.构建动静压差动转台，配置测试传感器，组建了测试系统，对油膜压力、油膜厚度及转台运动平稳性信号进行了实验研究。.建立了油膜力及动静特性的计算模型，并与实验数据进行了比较，验证了计算模型的正确性。.⑵、转台运动平稳性理论分析与试验研究.建立了转台的轴向运动计算模型，研究转速、供油压力、不同外载荷对转台的动静态特性及轴向运动的影响规律。.对转台的低速周向运动平稳性进行了实验研究。在多种工况下，研究中盘转与不转对转台低速运动平稳性的影响规律。实验结果表明，新型转台的差动原理能够有效的减小动静摩擦力之差，提高运动平稳性。.⑶、螺旋油楔承载与分流特性研究.建立了静压腔/螺旋油楔的CFD计算模型，研究了不同转速、膜厚及供油压力对油膜压力分布、温度分布及流量的影响规律。.研究螺旋油楔的分流特性，以降低转台的温升。分析了螺旋油楔数量、螺旋角大小及螺旋油楔半径等参数，对油膜速度场、流量和温升的影响规律。.⑷、转台热特性分析.建立中盘的有限元模型，根据热力耦合理论，研究中盘的热力变形，分析了转速、膜厚对中盘热力变形影响规律，为转台的结构改进提供理论指导。.⑸、螺旋动压油楔参数优化.建立螺旋动压油楔优化模型，以承载力为目标，最小温升为约束条件，使用遗传算法对油楔参数进行优化，得到了最优解。.提出了一种变螺旋角的油楔模型，将固定的螺旋角变为随半径变化的螺旋角，得到边界轮廓可以变化的螺旋油楔优化方案。.提出了新的自由边界油楔优化方案。油楔表面在各个方向无约束限制，并用光滑的样条曲线表达其轮廓，得到了承载能力更高的形状近似为“苹果形”的油楔表面形貌。.本项目提出的新型差动转台结构原理和取得的研究成果对提高大型精密转台的运动平稳性具有重要意义。