（机械工程专业论文）超精密气体静压轴系部分关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 气体静压轴系的研究一直是超精密机床研究的重点内容之一，随着气体静压 导轨与主轴在超精密机床上的广泛运用，高刚度、高精度、结构简单和阻尼特性 良好的静压轴承成为超精密机床轴系设计追求的目标。小孔节流和全多孔质材料 节流是气体静压轴承主要的节流形式之一，目前均存在轴承刚度不高和加工制造 困难等方面的问题。局部多孔质节流作为一种新的节流方式，结合了小孔节流和 全多孔质节流的特点，因而具有简单结构、高刚度和易于制造的特点，且已经受 到大家所关注，遗憾的是对这一类型轴承的研究还比较少。另外气体静压轴系回 转精度的评价也存在着理论评价体系不完善的缺陷。本论文针对气体静压轴系设 计和检测评价方面存在的问题，选择局部多孔质气体静压轴承设计理论和单圈非 重复轴系回转精度的测评作为主要的研究内容，具体开展以下研究： 在极薄膜润滑和层流的假设下，基于b e a v e r s j o s e p h 模型及简化s t o k e s 方程， 并考虑轴承交界面处速度滑移影响，推导建立了稳态条件下局部多孔质气体静压 轴承气膜压力分布的数学模型，结合由d a r c y 定律及气体连续性方程建立的多孔 质内气体的流动模型，为研究局部多孔质气体静压轴承稳态特性奠定了理论基础。 利用伽辽金原理和格林公式，将局部多孔质气体静压轴承气体流动的数学方 程转换为“弱 积分方程。通过有限元数值计算，发现局部多孔质节流器的直径、 厚度、渗透系数、个数及位置的分布等参数都会对轴承的静态特性产生重要影响， 发现只有按照一定的规律选择合适的参数，轴承才能得到较高的承载能力及刚度。 系列的止推轴承实验结果，证明了所建立数学模型及数值求解方法的正确性，同 时也证明了局部多孔质气体静压轴承具有更高刚度和易加工等优良特性。 对局部多孔质气体静压轴承气膜压力分布的数学模型进行了数值求解的收敛 性研究，提出改进型比例分割法，并给出了比例分割因子g 的求解公式，从而较 好地解决了有限元方程的收敛性问题。 轴系回转误差广泛具有单圈非重复性的特点，目前的评价理论和评价方法非 常有限。针对这个问题建立了轴系回转误差评价的数学模型。提出集合转换的方 法，并利用极差极小化原理，分别建立了基于计算机处理的最小区域法和作用表 面的统一判别准则。为了提高评价速度，还建立了统一的步长求解公式。编制的 算法软件，在实验中已得到了验证，大大提高了误差的评价精度及效率，从而完 善了轴系回转精度的测评理论体系。 主题词：超精密机床气体静压轴承精密主轴多子l 质速度滑移有限 元方法回转精度误差评价方法 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nu l t r a - p r e c i s i o na e r o s t a t i cb e a r i n ga x e ss y s t e mi sa l w a y so n eo ft h em a j o r r e s e a r c hs u b j e c t so fu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n et o o l s w i t l lt h ee x t e n s i v eu s eo fa e r o s t a t i c s l i d e w a y sa n ds p i n d l ei nu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n et o o l s ，a e r o s t a t i cb e a r i n ga x e ss y s t e m h a sb e c o m ea no b j e c tt ob ed e s i g n e dw i t hh i g h e rs t i f f n e s s ，h i g h e ra c c u r a c y ，m o r es i m p l e c o n s t r u c t i o na n db e t t e rd a m p i n gc a p a c i t y o r o f i c er e s t r i c t o ra n dp o r o u sr e s t r i c t o ra r e o n eo ft h em a i nf e e d i n gt y p e sw i t hw h i c ht h i sk i n do f b e a r i n g sh a v es u c hd i s a d v a n t a g e s a sl o ws t i f f n e s sa n dd i f f i c u l tt ob em a d ea tp r e s e n t a san e wf e e d i n gt y p e ，p a r t i a l p o r o u sr e s t r i c t o rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r i f i c er e s t f i c t o ra n dp o r o u sr e s t r i c t o r p a r t i a l p o r o u sa e r o s t a t i cb e a r i n gh a sb e e nc o n c e r n e df o ri t sa d v a n t a g e so fs i m p l ec o n s t r u c t i o n , h i g h e rs t i f f n e s sa n de a s yt ob ep r o d u c e d i ti sap i t yt h a tf e wr e s e a r c hw o r k so nt h i sk i n d o fb e a r i n g sh a v eb e e nm a d e m o r e o v e r ，t h e r ea r ed e f e c t st oa s s e s st h es p i n d l er a d i a l e r r o rm o t i o n si nt h ea p p r e c i a t i o nt h e o r y f o rt h e s ep r o b l e m s ，t h ed e s i g nt h e o r ys t u d yo n p a r t i a lp o r o u sa e r o s t a t i cb e a t i n ga n dm e a s u r e m e n ta p p r e c i a t i o ns t u d yo nt h ea p e r i o d i c s p i n d l er a d i a le r r o rm o t i o n si no n ec i r c l ea r ec h o s ea st h em a i nc o n t e n t ，i nd e t a i la s f o l l o w s ： w i t ht h eu s u a la s s u m p t i o n so fat h i nl u b r i c a t i n gf i l ma n dt h ei s o t h e r m a ll a m i n a r f l o wc o n d i t i o n s ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec l e a r a n c es p a c eo fa na i rl u b r i c a t e d p a r t i a lp o r o u sb e a r i n gi sg i v e nb yt h em o d i f i e dr e y n o l d se q u a t i o nd e r i v e df r o m s i m p l i f i e dn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ss a t i s f y i n gt h ev e l o c i t ys l i pb o u n d a r yc o n d i t i o n ， f o l l o w i n gt h eb e a v e r s j o s e p hs l i pv e l o c i t ym o d e l t h e nt h ef l o wm o t i o ni nt h ep o r o u s m e d i ai s g i v e nb yt h ee q u a t i o n sg o v e m e db yd a r c y sl a ww i t ht h ee q u a t i o no f c o n t i n u i t y b a s e do nt h et w on o n l i n e a re q u a t i o n s ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sp r e s e n t e dt o p r e d i c tt h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i a lp o r o u sa e r o s t a t i cb e a r i n g g a l e r k i nw e i g h t e dr e s i d u a lm e t h o da n dg r e e n st h e o r e ma r eu s e dt ot r a n s f o r mt h e a b o v et w oe q u a t i o n si n t ot h ec o r r e s p o n d i n gw e a ki n t e g r a lf o r m s t h e nb yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p a r a m e t e r sh a v e i m p o r t a n te f f e c to nt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i cr e g u l a r l y ，i n c l u d i n gd i a m e t e r ，h e i g h t ， p e r m e a b i l i t y ，n u m b e r ，p o s i t i o nl a y o u to fp o r o u sr e s t r i c t o ra n ds oo n m o r e o v e r , h i g h l o a dc a p a c i t yo rh i 曲s t i f f n e s sc a nb ea c h i e v e db yc h o o s i n gr i g h tp a r a m e t e r so n l y a c c o r d i n gt ot h er u l e s b yt e s t i n gs e r i a l i z a t i o np a r t i a lp o r o u sa e r o s t a t i ct h r u s tb e a r i n g s p r o t o t y p ew o r k p i e e e ，g o o da g r e e m e n ti sa c h i e v e db e t w e e nt h er e s u l t sf r o mt h ep r e s e n t m o d e la n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s n 圮c o m p a r i s o nr e s u l t sn o to n l yp r o v e dt h a tt h e p r e s e n tm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o da r ev a l i d ，b u ta l s o t h a tt h e r ea r es o m ea d v a n t a g e so fh i g h e rs t i f f n e s s ，e a s yt ob em a d ea n ds oo nf o rt h i s k i n do fb e a r i n g s t h ec o n v e r g e n c ei sa n a l y z e dt oo b t a i nt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec l e a r a n c e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 s p a c eo fap a r t i a lp o r o u sa e r o s t a t i cb e a r i n gd u r i n gt h ep r o c e s so fs o l v i n gt h ef e m e q u a t i o n a ni m p r o v e dp r o p o r t i o n a l d i v i s i o nm e t h o da n dt h ep r o p o r t i o n a ld i v i s i o n f a c t o rga r ep r o v i d e dt og e tm et r u ec o n v e r g e n tr o o t sd u r i n gt h ew h o l ew o r k i n g c l e a r a n c es p a c e t h e r ea r ev e r yf e wm e t h o d st o a p p r e c i a t ee x t e n s i v e l ya p e r i o d i cs p i n d l e e r r o r m o t i o n s an e wa p p r e c i a t i o nm o d e li sp r o v i d e dt of l s s e ss p i n d l er a d i a le r r o rm o t i o n s ， a f t e rt h es p i n d l er a d i a le r r o rm o t i o n ss e tt r a n s f o r m e d b a s e do nt h em i n i m a xt h e o r y ，t h e u n i f o r n le v a l u a t i o nc r i t e r i o no fm i n i m u mz o n er e f e r e n c ec i r c l e sm e t h o di st h e n e s t a b l i s h e d a n da l s ot h ee f f e c t ss u r f a c eu n i f o r i de v a l u a t i o nc r i t e r i o n m o r e o v e r ，a u n i f o r ms t e pe q u a t i o ni so b t a i n e dt oi m p r o v e dt h es p e e do fa p p r e c i a t i o n 1 1 1 et e s to f a p p r e c i a t i o na l g o r i t h m h a s p r o v e d t h a tb o t ht h ea p p r e c i a t i o np r e c i s i o na n dt h e e f f i c i e n c ya r ei m p r o v e dg r e a t l y t h e nt h ea p p r e c i a t i o nt h e o r yi sc o m p l e t e df o rm e s p i n d l er a d i a le r r o rm o t i o n s k e yw o r d s ：u l t r a p r e c i s i o nm a c h i n e t o o l p r e c i s i o nm a i ns p i n d l e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d e r r o ra p p r e c i a t i o nm e t h o d a e r o s t a t i cb e a r i n g p o r o u s s l i pv e l o c i t y s p i n d l ee r r o rm o t i o n s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 圆度基准元件性能l 表1 2 平直度基准元件性能2 表5 1 矩形止推轴承j 1 渗透系数实验数据9 1 表5 2 各矩形止推试件渗透系数测试结果9 2 表5 3 各圆环止推试件渗透系数测试结果9 2 表5 4 各圆盘止推试件渗透系数测试结果9 2 表6 1 误差评价结果1 1 2 附：试件j 1 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d - - 6 r a m ，厚度h = 6 m m ) 13l 附：试件j 2 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d - - 6 m m ，厚度h = 3 m m ) 1 ： l 附：试件j 3 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d = 1 0 m m ，厚度h = 6 m m ) ， 13l 附：试件j 4 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d = 1 0 m m ，厚度h = 3 m m ) 13 2 附：试件j 5 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d = 5 m m ，厚度h = 5 m m ) 13 ：! 附：试件y h l 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d = 5 m m ，厚度h = 5 m m ) 1 3 3 附：试件y h 2 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d = 1 0 r a m ，厚度h = 5 m m ) 1 3 3 附：试件y p l 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d - - - 5 m m ，厚度h = 5 m m ) 13 4 附：试件y p 2 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径d = 1 0 r a m ，厚度h = 3 m m ) 13 4 附：试件y p 3 渗透系数测试数据( 多孔质节流器直径矗= 1 0 m m ，厚度h = 5 m m ) 1 3 4 附：试件y p 4 渗透系数测试数据( 全多孔质节流器直径d = 5 0 m m ，厚度h = 5 m m ) 1 3 5 附：局部多孔质矩形止推轴承儿承载刚度测试数据1 3 6 附t 局部多孔质圆环止推轴承y h l 承载刚度测试数据1 3 7 附：局部多孔质圆环止推轴承y h 2 承载刚度测试数据1 3 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 气体静压轴承的几种应用实例3 图1 2 电容测微仪原理图3 图1 3 小孔节流的两种形式5 图1 4 小孔、分割式狭缝、连续式狭缝示意图5 图1 5 表面节流示意图6 图1 6 多孔质节流形式6 图1 7 速度滑移现象9 图1 8 轴线回转误差运动图1 6 图1 9 轴误差运动的五个自由度1 6 图1 1 0 双标准球杆五自由度误差的测量1 7 图1 1 1 极座标表示的回转误差运动1 7 图1 1 2 误差运动值定义1 8 图1 1 3 误差评价原理图2 0 图1 1 4 最小区域法2 1 图2 1 局部多孔质气体静压矩形止推轴承2 5 图2 2 局部多孔质气体静压圆环止推轴承3 3 图2 3 局部多孔质气体静压径向轴承3 7 图3 1 局部多孔质矩形止推轴承有限元划分4 5 图3 2 比例分割法5 4 图3 3 次佳比例分割因子g 求解原理图5 5 图3 4 比例分割法的非收敛情况5 6 图3 5 改进型比例分割法。5 7 图3 6 改进型比例分割法一两节点情况5 8 图4 1 局部多孔质气体静压轴承静态特性f e m 计算流程图6 1 图4 2 速度滑移、气浮间隙对局部多孔质矩形止推轴承静态特性影响6 3 图4 3 供气压力、气浮间隙对局部多孔质矩形止推轴承静态特性影响6 4 图4 4 多孔质节流器直径、气浮间隙对局部多孔质矩形止推轴承静态特性影响6 5 图4 5 多孔质节流器厚度、气浮间隙对局部多孔质矩形止推轴承静态特性影响6 6 图4 6 多孔质节流器渗透系数、气浮间隙对局部多孔质矩形止推轴承静态特性影 响6 7 图4 7 局部多孔质矩形止推轴承的压力分布曲线6 8 图4 8 速度滑移、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影响7 0 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图4 9 供气压力、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影响7 1 图4 1 0 多孔质节流器直径、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影响 7 ：! 图4 1 1 多孔质节流器厚度、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影响 7 ：； 图4 1 2 多孔质节流器渗透系数、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影 响7 4 图4 1 3 多孔质节流器个数、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影响 7 z i 图4 1 4 多孔质节流器位置、气浮间隙对局部多孔质圆环止推轴承静态特性影响 7 1 ； 图4 1 5 局部多孔质圆环止推轴承的压力分布曲线7 6 图4 1 6 平均半径间隙、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响7 8 图4 1 7 供气压力、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响7 8 图4 1 8 多孔质节流器厚度、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响7 9 图4 1 9 多孔质节流器厚度、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响8 0 图4 2 0 多孔质节流器渗透系数、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响 8 ( ) 图4 2 1 轴承直径、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响8 1 图4 2 2 轴承长度、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响8 1 图4 2 3 多孔质节流器个数、偏心率对局部多孔质径向轴承的静态特性影响8 2 图4 2 4 局部多孔质径向轴承的压力分布曲线8 2 图5 1 承载刚度实验台8 7 图5 2 试件样品8 8 图5 3 流量测试装置9 0 图5 4 压力流量曲线9 1 图5 5 矩形止推轴承j 1 、j 2 静态特性仿真与实验曲线9 3 图5 6 矩形止推轴承j 3 、j 4 静态特性仿真与实验曲线9 3 图5 7 矩形止推轴承j 5 静态特性仿真与实验曲线9 4 图5 8 不同矩形止推轴承静态特性仿真与实验拟合曲线9 4 图5 9 圆环止推轴承y h l 、y h 2 静态特性仿真与实验曲线9 6 图6 1 最小区域法1 0 2 图6 2 最小区域法特例( i ) 10 2 图6 3 最小区域法特例( i i ) 10 2 图6 4 最小区域算法流程图1 0 4 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 5 最小外切圆法( 最大内接圆法) 算法流程图1 0 6 图6 6 步长求解示意图1 0 8 图6 7 轴系回转误差运动图1 0 9 图6 8 测量系统原理图1 1 0 图6 9 动力调谐陀螺仪驱动轴回转精度测试系统1 1 1 图6 1 0 动力调谐陀螺仪驱动轴回转精度评价1 1 1 图6 1 1 轴系回转精度测评软件一最小区域法评价。1 1 2 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 主要符号表 节流面积( m 2 ) 矩形止推轴承宽度( m ) 径向轴承直径( m ) 比例分割因子 多孔质节流器厚度( m ) 矩形止推轴承长度或者径向轴承长度( m ) 轴承的气体质量流量( k g s ) 轴承的无量纲气体质量流量 气体薄膜单元插值函数 多孔质内单元插值函数 通过多孔质试件的空气体积流量( m s s ) 圆环止推轴承的内半径( m ) 圆环止推轴承的外半径( m ) 圆环止推轴承的半径( m ) 径向轴承半径( m ) 气体薄膜润滑区域 多孔质节流器部分与气体薄膜润滑区域对应的部分 绝对环境温度( k ) 矩形止推轴承副之间的相对运动速度( m s ) 多孔质气体流动区域 轴承的承载( n ) 轴承的无量纲承载 径向轴承承载的径向分量( n ) 径向轴承承载的切向分量( n ) 多孔质节流器直径( m ) 三棱柱单元高( m ) 径向轴承的偏心值( m ) 气膜间隙无量纲参考值( m ) 气膜间隙( m ) 无量纲气膜间隙 第页 彳b d g三m露m也q心冠r r s&瓦u矿矿旷彬嘭磊p厅万 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 对称边界法线方向 气膜压力( p a ) 无量纲气膜压力 大气环境压力( p a ) 无量纲大气环境压力 气源压力( p a ) 无量纲气源压力 多孔质内气体压力( p a ) 多孔质内无量纲气体压力 实验测量出来的多孔质滑移经验系数 径向轴承的偏心率 轴承刚度( n pm ) 轴承无量纲刚度 气体的动力粘度( n s m 2 ) 理想气体常数( j k g k ) 气体密度( k g m 3 ) 径向轴承轴承角( r a d ) 圆盘止推、圆环止推或者径向轴承副之间的相对转速( r a d s ) 气膜润滑区域的边界部分 气膜润滑区域的压力边界 气膜润滑区域的流量边界 多孔质部分的整个表面区域边界 多孔质部分的压力边界 多孔质部分的流量边界 k r o n e e k e rd e l t a 函数 离散单元三角形面积 从试件流入流出的气体压力差( p a ) 流体薄膜无量纲气体压方变分 多孔质内无量纲气体压方变分 万( c e h + i 1 第x 页 元p歹以瓦只最砟砟口力万7弧户彩r 0 0 r 0 0 t 色卸印印 缸 国防科学技术大学研究生院博士学1 ：) = 论文 缶， 3 办厄巾办( 矗+ 厄口) 受， 厄和办+ 厄) 考3 x3 ( 2 1 p ，+ h j 9 x 镰、3 9 x 7 a + h 2 、) 人， 3 r l u l ( 2 p , h 0 ) 9多孔质材料的渗透系数( 各向同性) ( m 2 ) 纯 粘性渗透系数( m 2 ) 铭 惯性渗透系数( m b 纹，吼，纪多孔质材料分别在笛卡尔三坐标方向的渗透系数( 各向异性) ( m 2 ) 纺，伤，吼 多孔质材料分别在柱坐标三方向的渗透系数( 各向异性) ( m 2 ) x ，y ，z 笛卡尔坐标 i ，歹，虿 无量纲笛卡尔坐标 ，p ，y 柱坐标 “，1 ，w气膜内气体流动沿x ，y ，z 方向的速度分量 材p ， 多孔质内气体流动沿x ，y ，z 方向的速度分量 咋、v ， 气膜内气体流动沿，、秒、y 方向的速度分量 、多孔质内气体流动沿，、秒、y 方向的速度分量 第x i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：趁揎窒氢体整压轴丕螯佥差筵遮苤盟究 学位论文作者签名： 立鏖缸日期：哆年j _ 月歹。日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：碰丝 作者指导教师签名：二驻 日期：纠年，月岁。日 日期： 叩年j 月乡d 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 1 1 课题的来源 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 课题来源及意义 课题一：“空气静压悬浮测试平台 ，来源于航天部一院的研制开发项目， 目的是研制4 5 米超长空气静压导轨系统及高精度测控系统。 课题二：“超精密轴系动态精度测试的研究，超精密加工技术国防科技重 点实验室基金资助，项目号为“5 1 4 6 4 0 3 0 2 0 5 k g 0 1 0 1 。该项目研究的主要目的 是实现对超精密轴系动态精度的测量及测量结果的评价研究。 根据课题的来源，本论文对局部多孔质气体静压轴承静态特性和轴系回转精 度测评两项关键技术展开研究。 1 1 2 课题研究的背景与意义 超精密加工技术是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段，不管是军 事工业还是民用工业都需要这种先进的加工技术。例如，关系到现代飞机、潜艇、 导弹性能和命中率的惯导仪表用精密陀螺、激光核聚变用的反射镜、大型天体望 远镜的反射镜和多面棱镜、大规模集成电路的硅片、各种光学仪器的反射镜、陀 螺仪框架、伺服阀、激光打印机用的多棱镜、复印机的感光鼓；空气轴承、导弹 零件、精密泵零件、动压马达；高速摄影机和自动检测装备的扫描镜、激光加工 机的多曲面反射镜和聚光镜；录象机的磁头和煤气灶的转阀等都需要超精密加工。 从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡 量一个国家科学技术水平的重要标志之一【1 1 。 超精密机床是超精密加工最重要，最基本的加工设备，是实现超精密加工的 物质基础。超精密机床技术是一项综合技术，包括机床的结构、关键基础部件、 测控技术和环境技术等。其关键部件是主轴及其驱动系统、导轨及其驱动系统、 检测装置、微进给机构等。 精密、超精密机床通常是由高精度基准元件组成的模块构成。目前高精度基 准元件模块的主要性能如下【2 】： 表1 i 圆度基准元件性能 一般精度特殊精度 轴承类别 刚度速度摩擦价格 ( pm ) ( um ) 滚动轴承1 3o 5 两高小低 第1 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 液体动压轴承1 2o 5 1中中大中 液体静压轴承 10 1 0 0 2 5 高中大商 气体静压轴承0 5o 0 5 o 0 1 低商很小 两 磁力轴承 1 3 o 5 - - 0 1中极高极小高 表1 2 平直度基准元件性能 一般精度 特殊精度 导轨类别刚度速度摩擦价格 ( um r e m )( um n u n ) 滑动导轨 1 2 1 0 00 1 1 0 0 高中大低 滚动导轨1 2 1 0 00 5 1 0 0 中高小 中 液体静压导轨 l 2 1 0 00 1 1 0 0 中中大局 气体静压导轨0 5 1 0 00 0 5 0 0 3 10 0 低两极小 两 从上面的表1 1 和1 2 的对比中可以看出，目前的气体静压轴承和气体静压导 轨具有高精度、高速及摩擦小的优势，但是在刚度和制造成本上还需要继续改进。 精密、超精密气体静压轴系包括气体静压轴承及气体静压导轨，长期以来对 轴系的研究一直是超精密领域内研究的重点内容之一。气体静压轴承、气体静压 导轨作为流体润滑的一种应用形式，随着航空、航天、原子能及半导体等尖端技 术的飞速发展而被越来越多地在精密、超精密机床上得到应用。 气体静压轴承相对于其它传统的直接接触轴承具有以下优点【3 】：a ) 气体粘度 低，摩擦阻力小。几乎没有摩擦力的特点可以使气体静压轴承工作在极低的转速 下而不出现爬行和蠕动现象，更可以工作在极高的转速下而不易产生温升，无摩 擦的特点同时也大大降低了振动和噪声。b ) 高精密支撑。气体静压轴承本身的制造 精度高，气膜又具有匀化作用，所以气体静压轴承的精度比滚动轴承高2 个数量 级以上。c ) 能够实现特殊工况下的支撑，具有耐高温、低温及原子辐射的能力。d ) 无污染或少污染。气体静压轴承一般用空气或惰性气体做润滑剂，所以对环境无 任何污染。e ) 寿命长。滚动轴承致命的弱点是寿命短、寿命分布离散，特别是高速 轴承更甚。气体静压轴承在正常工作时，无直接接触，理论上无磨损，轴承寿命 应该是无限长，而且能始终保持精度不变。 气体静压轴承也存在着一些缺点：a ) 承载小、刚度低，因此用于轻载精密支承； 由于气体连续地从轴承外边缘排入大气，所以空气不具有边界润滑能力，在工作 过程中，会因超载而发生固体的直接接触而抱死，致使导轨受损。b ) 可靠性不足， 如果设计不当或者工作环境条件变化，可能导致气体静压轴承失稳，出现气锤振 动或涡动现象；另一方面，由于气体静压轴承的工作间隙小，承载相对较小，则 在瞬间较大的外力作用下，易卡滞，乃至发生咬合或抱轴现象。e ) n 造精度高、造 价昂贵，工作条件要求苛刻。这些缺点在一定程度上限制了它的推广应用。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 自1 9 世纪末，人类初探到气体润滑的效果，直到2 0 世纪中期由于工业的发 展具有了初步加工能力，以及2 0 世纪后期的大量的理论研究和试验，气体润滑技 术从理论研究走向了实用设计，传统的气体润滑轴承理论日益完善，动态性能的 研究和基础试验也日渐增多，气体静压轴承也逐渐在工业上得到了广泛应用。如 图1 。1 所示的是小孔节流型气体静压轴承的应用实例。 a 圆盘止推轴承b 球轴承 cj 争酮 1 承d 气i r ：# e 卅f ：j = i 1 ，r 图1 1 气体静压轴承的几种应川实例 图1 2 是美国l i o np r e c i s i o n 公司生产的电容测微仪原理图，该电容测微仪分 辨率可达0 5 n m ，热漂移每度0 0 4 满量程。在该传感器中，探头的旋转部分就采 用了多孔质材料作为节流器，从而实现了极高的稳定性。 矩形轴多孑l 碳材不锈铜外壳 触点 图1 2 电容测微仪原理图 小孔节流类型和狭缝节流类型的气体静压轴承，其稳态特性和静态特性已经 得到了充分研究【3 1 5 】。近些年来，多孔质类型的气体静压导轨、丝杠螺母、止推 轴承及径向轴承等逐渐在超精密机床上得到应用，它采用具有透气性能的多孔质 材料作为节流器，由多孔质材料的流体阻抗产生节流效果。由于导轨面上均匀分 布着许多微细的供气孔，与小孔节流型及狭缝节流型气体静压轴承相比，多孔质 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 气体静压轴承具有相对简单的结构，安装和加工也相对容易，制造成本也相对较 低，而且多孔质轴承理论上具有较高的承载、刚度和更高的阻尼，并具有宽范围 的稳定性。上述部分优点也已经被研究【1 1 】所证实。 对于全多孔质气体静压轴承来说，要实现高刚度，就需要较低渗透系数的多 孔质材料，但由于较低渗透系数的多孔质材料难以加工，致使高刚度的特性在全 多孔质气体静压轴承的实验过程中难以实现。局部多孔质气体静压轴承作为一种 新的节流形式，则因为兼具了多孔质轴承的特点和小孔节流型轴承的节流效果而 表现出一些优良的特性，有个别学者在使用多孔质材料作为嵌入式节流器的研究 过程中，得到了比具有相同渗透系数的全多孔质气体静压轴承更高刚度的事实。 实践中，低渗透系数的多孔质材料是难以加工的，尤其是材料的各项异性、颗粒 的均匀度、烧结的孔隙度等工艺问题都是难以确定性控制的，所以对多孔质材料 的研究也一直是不少学者和机构研究的重点。在对材料的现有加工工艺基础上， 能否设计出更高刚度、更高精度、成本更低的气体静压轴承则是需要进行深入研 究的，本论文针对这个问题展开对局部多孔质气体静压轴承静态特性的系统研究。 精密、超精密机床轴系回转精度的测量和评价也是需要研究的另一个重点内 容。目前对主轴回转精度的测量大都停留在静态的测量手段上，即使用单测头或 者双测头传感器对主轴在极低转速下进行的敏感方向上的跳动测量，并以此测量 结果作为主轴的回转精度，也有使用多探头采用误差分离方法实现测量，但也是 在较低的转速下实现的测量。在企业单位基本上都是采用这种静态的测量方法来 实现对主轴回转精度的测量。实际上这样的静态测量结果根本不能代表主轴在工 作转速下的回转精度，即动态回转精度，因为静态条件下测量的主轴回转精度往 往是重复的，而主轴回转精度的动态测量结果则是非重复的。随着超精密技术的 发展，静态测量结果已经越来越不能满足行业的需求。本论文针对这种非重复性 的误差现象进行了详细的分析，并建立了轴系回转误差的理论评价准则，从而实 现了对该类型误差的多种评价方法研究，也使得非重复性轴系回转误差评价有了 基于计算机算法的理论依据。 1 2 气体静压轴承的研究 自1 8 5 4 年以来，科研工作者已经在理论和实践上对气体静压轴承做了大量的 研究，追求更高性能或者制造出适用不同工况条件及特殊支撑的气体静压轴承一 直是研究的主要目标。 1 - 2 1 气体静压轴承的分类 根据供气形式来分1 刀，基本可以分为小孔节流型气体静压轴承，狭缝节流型 第4 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 气体静压轴承，多孔质节流型气体静压轴承，表面节流型气体静压轴承和其它类