一種超精密空氣靜壓車床主軸的設(shè)計(jì)

1、2012 年第 1 期 液壓與氣動一種超精密空氣靜壓車床主軸的設(shè)計(jì)趙午云， 陶繼忠Design of the ultra-precision aerostatic lathe spindleZHAO Wu- yun， TAO Ji- zhong( 中物院 機(jī)械制造工藝研究所， 四川 綿陽 621900)摘 要: 空氣靜壓主軸是超精密加工機(jī)床的重要功能部件。中物院機(jī)械制造工藝研究所研發(fā)了一種“ 圓柱與平面止推型” 空氣靜壓車床主軸， 整體

2、布局采用 “ T” 型結(jié)構(gòu)， 兩個圓柱徑向軸承和一個平面止推軸承集成一體， 結(jié)構(gòu)緊湊、 便于批量加工與裝配。該主軸回轉(zhuǎn)精度高、 剛度較大， 切削黃銅( H62) 零件圓度可優(yōu)于0. 1 μm， 表面粗糙度可優(yōu)于 0. 03 μm， 具有較好的工程應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞: 空氣靜壓; 車床主軸; 徑向軸承; 止推軸承; 工程應(yīng)用中圖分類號: TH138 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B 文章編號: 1000- 4858( 2012) 01- 0025- 03引

3、言精密、 超精密加工是機(jī)械加工領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。目前， 國際上的精密及超精密軸系大多數(shù)采用空氣軸承作為支承單元。具有空氣靜壓軸承的主軸結(jié)構(gòu)形式主要有三種: 一是徑向圓柱與平面止推型; 二是雙半球型; 三是前端球后端柱型 ［ 1 ］。詳細(xì)例證可參見文獻(xiàn)［ 1］ 。機(jī)械制造工藝研究所結(jié)合自身的超精密加工的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢， 自主研發(fā)了 “圓柱與平面止推型”空氣靜壓車床主軸。本文將介紹該空氣靜壓車床主設(shè)計(jì)與制造方面的內(nèi)容。1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空

4、氣靜壓車床主軸由兩個圓柱徑向軸承和一個平面止推軸承構(gòu)成。整體布局采用 “T” 型結(jié)構(gòu)， 止推軸承位于主軸的加工端。結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示:圖 1 空氣靜壓車床主軸結(jié)構(gòu)示意圖與普通的主軸結(jié)構(gòu)有所不同的是， 主軸的兩個圓柱徑向軸承和平面止推軸承的一個面是集成到一起的。這樣的設(shè)計(jì)大大提高了兩個圓柱徑向軸承的同軸度和止推軸承與兩個徑向軸承綜合軸線的垂直度。同時， 在批量生產(chǎn)條件下也可以降低裝配難度， 提高裝配效率。利用我單位自主開發(fā)的數(shù)值模擬

5、優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)定軸承間隙、 小孔直徑、 節(jié)流形式等參數(shù)， 給定供氣壓力、 軸承長徑比等條件， 采用遺傳算法優(yōu)化空氣靜壓軸承的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:收稿日期: 2011- 07- 21作者簡介: 趙午云( 1979—) ， 男， 湖北當(dāng)陽人， 工程師， 碩士，主要從事超精密加工裝備研究工作。徑向軸承( 單個) : 軸承直徑 D = 60 mm; 軸承寬度B = 60 mm; 節(jié)流器孔數(shù) 6 個/排; 雙排供氣 i = 2?？椎墓馕恢? b

6、 /B = 0. 25， ξ = ( B － 2b) /D = 0. 5; 節(jié)流孔的直徑 d = 0. 4 mm; 采用均壓槽結(jié)構(gòu)， 標(biāo)況下的耗氣量約為 9. 3 L/min。止推軸承( 單面) : 軸承外半徑 R2 = 48 mm， 內(nèi)半徑 R1 = 31 mm; 采用單排孔供氣， 每排 8 孔; 采用均壓槽結(jié)構(gòu)， 標(biāo)況下的耗氣量約為 4. 2 L/min。2 主軸靜態(tài)性能測試測試之前， 在主軸的右端裝上高精密的陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球作為測量基準(zhǔn)

7、， 并將其相對于主軸回轉(zhuǎn)中心的偏心調(diào)整到 0. 5 μm 以下。在標(biāo)準(zhǔn)球上安放兩個超精密電感微位移傳感器( 分辨率為 0. 01 μm) 作為位置檢測元件， 如圖 2 所示:圖 2 調(diào)好偏心的標(biāo)準(zhǔn)球及傳感器5 2 2012 年第 1 期 液壓與氣動櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘

8、櫘圓度優(yōu)于 0. 1 μm、 表面粗糙度( Ra 值) 優(yōu)于 0. 03 μm的切削試件， 具有較好的市場應(yīng)用前景。同時需要指出的是， 本文中全部的實(shí)驗(yàn)空氣靜壓主軸均采用的是 “ 聯(lián)軸器 + 電機(jī)” 的驅(qū)動方式， 由于電機(jī)的振動、 聯(lián)軸器的 “對中” 和 “動平衡” 等因素影響，不能充分發(fā)揮出該主軸的最佳工作能力。若將主軸改為 “ 直驅(qū)” 或 “ 電主軸” 驅(qū)動方式， 該主軸的性能還將有較大的提升空間。參考文獻(xiàn):［ 1］ 吳起， 王揚(yáng)，

9、 袁哲?。?超精加工機(jī)床靜壓空氣軸承的主軸部件［ J］ ． 機(jī)械工程師， 1994， ( 4) ．基于 T-S 模糊 PID 控制的氣動系統(tǒng)研究張軍兆， 王叢嶺， 楊 平， 黃 濤The research of pneumatic system based on T-Smodel fuzzy PID controlZHANG Jun- zhao， WANG Cong- ling， YANG Ping， HUANG Tao( 電子科技大學(xué)

10、 機(jī)械電子工程學(xué)院， 四川 成都 611731)摘 要: T- S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于氣動伺服控制， 從而避免復(fù)雜的非線性氣動系統(tǒng)動力學(xué)建模過程。其中模糊邏輯系統(tǒng)完成氣動系統(tǒng)的伺服控制， 同時利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)隸屬度函數(shù)的參數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值， 可在一定程度上適應(yīng)參數(shù)的變化從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能。應(yīng)用所提出的控制方法， 氣動執(zhí)行器通過多傳感器信息融合獲取運(yùn)動狀態(tài)和氣體壓力， 自動的根據(jù)獲取的信息調(diào)節(jié)比例壓力閥的輸出， 在各種

11、環(huán)境條件下達(dá)到合理的控制效果。關(guān)鍵詞: T- S 模型; 模糊控制; PID 控制; 優(yōu)化; 氣動位置控制中圖分類號: TH138 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B 文章編號: 1000- 4858( 2012) 01- 0027- 05引言本文提出一個 T- S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于氣動伺服系統(tǒng)的控制， 其中模糊邏輯系統(tǒng)完成氣動系統(tǒng)的控制，同時利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)隸屬度函數(shù)的參數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值， 從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能。應(yīng)用所提出的控制方法

12、， 氣動執(zhí)行器通過多傳感器信息融合獲取運(yùn)動狀態(tài)和氣體壓力， 自動的根據(jù)獲取的信息調(diào)節(jié)比例壓力閥的輸出， 在各種環(huán)境條件下達(dá)到合理的控制效果。所提出的方法的有效性， 通過了仿真學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1 T- S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法1． 1 T- S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)由 Takagi 和 Sugeno 提出的一種用于多維模糊推理方法， 本質(zhì)非線性， 易于表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)特性的模型， 稱之為 T- S 模型 ［ 1 ］。基于 Takagi-

13、 Sugeno 模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有局部逼近功能，又具有模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)二者的優(yōu)點(diǎn)， 它既可以容易地表示模糊和定性的知識， 又具有很好的學(xué)習(xí)能力。本文基于 T- S模型建立的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖 1 所示:系統(tǒng)的 5 個輸入由多傳感器系統(tǒng)獲得:( 1) x1 /pa， x2 /pb 分別表示左， 右兩腔的壓強(qiáng)， 它們可以分別由兩個壓力傳感器測得。( 2)x3 /Δp 表示壓力差， 由 Δp = pa － pb 決定。( 3)x4 /e

14、表示氣動執(zhí)行器設(shè)定位移與實(shí)際位移的誤差， e( t) = w( t)－ y( t) 。 式中: w( t)為設(shè)定位移;y( t)為實(shí)際位移。( 4)x5 /Δe( t)表示誤差的變化率。由 Δe( t) =d dte( t)決定。收稿日期: 2011- 07- 11基金項(xiàng)目: 中央高校基本科研項(xiàng)目; UESTC- SMC 國際合作科研項(xiàng)目作者簡介: 張軍兆( 1985—) ， 男， 山東禹城人， 碩士研究生， 研究方向: 機(jī)電伺服驅(qū)動及