高速气浮电主轴动态特性及其对超精密铣削的影响研究

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1、硕士学位论文高速气浮电主轴动态特性及其对超精密铣削的影响研究RESEARCHONDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHEAEROSTATICBEARINGSPINDLEANDITSINFLUENCEONULTRA-PRECISIONMILLING袁雅阁哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TH133.37学校代码：10213国际图书分类号：621.8密级：公开工学硕士学位论文高速气浮电主轴动态特性及其对超精密铣削的影响研究硕士研究生：袁雅阁导师：杜建军教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位

2、：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH133.36U.D.C:621.7AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringSTUDYONDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHEAEROSTATICBEARINGSPINDLEANDITSINFLUENCEONULTRA-PRECISIONMILL

3、INGCandidate：YuanYageSupervisor：Prof.DuJianjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要超精密光栅铣削（UPRM）是一种新兴

4、的先进制造加工技术，主要用于制造具有超镜面质量的非对称自由表面，而无需任何后续抛光加工，特别适用于加工特殊的光学晶体材料。在超精密光栅铣削中，由于高速静压气浮电主轴的高速和高精度等优点，通常被作为唯一的动力源，带动装夹在转子上的单点金刚石铣刀高速旋转以去除工件表面多余材料，获得理想表面，因此，电主轴的性能和表面加工质量息息相关，但是，电主轴的动态特性对加工表面的影响却很少被重视。在实际加工过程中切削力、不平衡磁拉力及转子质量分布不均匀导致的偏心力等都会引起转子振动，转子振动会直接降低被加工表面的质量；而且在超精密加工中当

5、使用新刀具、加工新材料或加工新设计的表面时仍然要用试切法来反复试验；加工具有高精度质量的表面依然很大程度上依赖于机床操作者的经验和技能水平。本课题通过转子在高速旋转时发生的柱面涡动和锥面涡动展开理论研究；为了研究电主轴在不同转速下转子的动态特性建立了一个五自由度的转子动力学铣削模型，模型中考虑转子偏心、不平衡磁拉力及切削力等对转子动态特性的影响，并进行了不平衡磁拉力的推导分析与计算；模型建立后，基于牛顿-欧拉方程推导了转子动力学方程，并结合状态空间模型、特征方程、阻抗法、系统初始条件等求解转子动力学方程获得解析解，利用M

6、ATLAB编写数值仿真程序，仿真转子在空切削、断续切削下的动态特性，解析解也进一步验证了理论仿真的正确性。为了研究转子振动对所加工表面质量的影响，利用基于点云的Z-map法建立工件模型，并考虑到进给速度及步长大小对表面质量的影响进行工件表面网格划分，仿真过程中根据刀位点（CLpoint）计算出刀触点（CCpoint），并实时更新存储表面形貌坐标的二维数组，仿真完成后便可得到表面形貌仿真结果，通过与转子在不同转速下切削实验的对比可以看出理论研究与实验有很好的一致性，这也说明了仿真算法的可行性与正确性。本课题通过理论指导实际

7、加工过程，为切削加工时不同转速下转子动态特性对加工表面的影响提供依据，避免了运用新型刀具或切削新材料时的反复试切过程，对于降低生产成本，提高加工效率，优化切削参数具有重要意义。关键词：超精密光栅铣削；表面生成；轴承-转子系统；动态特性-I-ABSTRACTAbstractUltra-precisionrastermilling(UPRM)isanadvancedmanufacturingtechnology,mainlyusedinthemanufactureofnon-symmetricfreeformcomponen

8、tswithsupermirrorquality,withoutanysubsequentpolishing,especiallysuitablefortheprocessingofopticalcrystalmaterialsspecial.InUPRM,duetotheadvantagesofhighspeeda