超精密机床立柱的动态分析及结构优化

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1、分类号：UDC：密级：学校代号：11845学号：2111i01191广东工业大学硕士学位论文(工程硕士)超精密机床立柱的动态分析及结构优化王英乾指导教师姓名、职称：刘强教授学科(专业)或领域名称：扭越电王王猩学生所属学院：机电工程学院ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMasterofEngineeringSciencelMillIllllllllIIIIIIr]lPIIIIIlY2581617theColumnStructureofUltraPrecisionMachineToo

2、lDynamicCharacteristicAnalysisandOptimizationDesignMasterCandidate：WangYingqianSupervisor：Prof．LiuQiangJune2014SchoolofElectro—mechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou，Guangdong，P．R．China，51000摘要微纳机床是进行微纳加工机床设备的总称，其代表着一个国家最高的工业技术水平，是高端制造产业的重要基石，决定着国家整体制造产业的核心竞争力，直接影响着国计民生。

3、NVG．300微V型槽精密加工机床主要用于微V沟槽、微柱面槽、导光槽、背光模组及划片等超精密加工，要求X、Z轴定位精度0．5pm，Y轴定位精度lgm，加工工件表面粗糙度小于0．019m，主轴径向跳动精度O．1pm。这类加工设备广泛应用于国防、航空、航天以及微电子等领域，是高科技产品生产加工的母机。而我国微纳加工设备的结构动态设计水平与国外有很大差距，主要依靠经验设计、试制样机、安装调试、结构修改等，开发周期较长且难以满足高速、高精度的加工要求。因此为了在短时间内开发出结构合理、高精度、低振动、低成本的微纳米机床，必须采用先进的CAE分析技术对纳米机床结构进行动态分析以及动态参数优化

4、。立柱结构是机床的主要组成部分，其动态性能直接影响到微纳机床的加工精度。本文主要针对NVG．300微纳米机床的立柱结构展开研究，采用有限元分析的方法对立柱进行动态分析及动态参数优化，提高机床的动态刚度。主要研究工作有：微纳米机床立柱的参数化CAD建模、立柱的动态分析和模态测试(因为目前条件限制只给出模态测试方案)、立柱的动态响应参数优化(响应曲面的建立、灵敏度分析、多目标优化)。本文的创新点主要体现在如下几部分：(1)采用静、动态相结合的方法对微纳机床的立柱进行分析，首先对立柱的连接螺栓施加预紧力的条件下对立柱进行静力学分析，在此基础上对机床进行模态分析和谐响应分析，研究立柱在磨削

5、力的作用下的磨削点和工件之间的动态刚度。(2)对立柱结构整体进行尺寸优化，把结构的设计尺寸设置为设计变量，采用中心复合实验设计方法确定有限元优化分析的样本，并且分别求解。(3)采用响应曲面法建立各个设计变量和目标变量之间的响应曲面模型，建立设计变量和目标变量之间的函数关系。(4)采用基于响应曲面法的多目标遗传算法对立柱进行结构优化，并对每个目标变量进行权衡，获得一组pareto解集，选择最佳的设计方案；采用灵敏度度分析对设计变量进行取整，便于设计和加工，取整后对立柱进行动态分析获得最终的动态参数并确定最终的设计方案。广东工业大学硕士学位论文经过优化后机床立柱的质量没有增加，而机床的

6、一、二阶固有模态明显提高，有效的提高了机床加工的稳定性，磨削点与工件之间的相对振动位移明显降低，理论上提高了机床磨削点与加工工件之间的刚度，提高了机床整机的加工精度。关键词：超精密机床；立柱；动态特性；有限元；响应曲面；多目标优化AbatractAbstractMicro。nanomachinetoolwhichisageneraltermfornanofabricationequipment，representsacountry’Shighestlevelofindustrialtechnologyaswellasthecornerstoneofhigh-techmanufact

7、uringindustries．whatismoreimportantisthatitdeterminesthecorecompetitivenessofthecountry’Soverallmanufacturingindustryandwhichalsohasanimpactonpeople’Slivelihoodofthecountry．NVG·300microV-grooveultra．precisionmachinetoolsismainlyusedtopr