空气静压主轴优化设计论文

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1空气静压主轴静态性能分析

研究的高刚度卧式空气静压主轴由双向止推轴承和径向轴承组成，下面分别建立止推轴承和径向轴承的椭圆型偏微分方程形式。以MATLAB软件中的PDE工具箱为求解器，编制程序进行迭代求解空气静压主轴的承载力、刚度和流量等静特性。

2空气静压主轴的仿真优化设计

空气静压主轴的性能受到结构尺寸、供气压力、气膜间隙、节流孔孔径和数目等诸多参数的影响。在仿真计算中对部分影响主轴性能的参数做正交实验，选择最优化的空气静压主轴结构参数。在径向轴承中，径向节流器的长度、节流孔孔径及分布、气膜间隙等影响最大，在恒定气膜间隙和供气压力的情况下，分析以上参数之间的相互影响;而止推轴承中气膜间隙和节流孔孔径以及分布等影响较大。采用基于MATLAB软件PDE工具箱自主研发的程序进行数值仿真分析，并根据其他主轴的实验结果修正了仿真分析程序。为了确定空气静压主轴的结构参数，仿真采用了正交实验的理论方法，空气静压主轴的转子直径为100mm，为了提高径向的承载和刚度，径向节流器相对立式主轴较长，因此设计时径向节流器为2段，每段长度分别采用80、100和120mm3种形式，每段节流方式为双排小孔(每排12个)节流;止推轴承有效承载面外径为226mm，内径为106mm，节流方式为双排(每排12个)小孔节流;供气压力ps=0.5MPa(绝对压力);间隙为目前国内外气浮主轴普遍采用的单边10μm。在优化设计中，上述提到的参数对轴承性能(刚度、载荷)的影响是单调的，在更大程度上受到加工能力和结构尺寸的限制。空气静压主轴的优化设计主要是确定轴承的气膜间隙和节流小孔直径的最优匹配关系，优化设计的目标是根据使用情况实现刚度或承载最大。根据以上方案数值仿真的结果，得到优化的空气静压主轴的关键参数。其中，对于径向轴承，气浮间隙为10μm，供气压力为0.5MPa，长度为100mm，节流小孔直径为0.1mm，节流孔距端面距离为节流器总长度的1/4时，得到最大径向刚度171N/μm，两段为342N/μm。对于止推轴承，单边气膜间隙为10μm，节流小孔直径为0.1mm，得到最大轴向刚度723N/μm。采用以上优化后的结构参数，可以达到该套空气静压主轴的最优性能。

3实验测试

3.1实验装置

实验采用的空气静压主轴采用双向止推轴承和径向轴承的T型结构，止推轴承和径向轴承独立供气。主轴的转子与止推板组成转子组件，径向节流器与下止推节流器的垂直度误差均要求小于1μm。止推间隙由垫环与止推板的厚度差来保证，径向间隙由径向节流器与转子的直径差来保证。止推和径向的气膜间隙一般控制在10～15μm之间，具体参数由实际使用情况和仿真分析结果确定。空气静压主轴的精度一般受到驱动电机的影响，要实现其超高回转精度，驱动是非常关键的一个环节。实验采用的空气静压主轴采用分体式力矩电机，力矩电机的转子采用直联的方式与空气静压主轴的转子连成一体。采用这种连接方式，省去普通联轴器传动环节，因此简化了传动路径，提高了主轴的回转精度。该结构还配备了旋转变压器和高精度圆光栅来提供位置反馈信号，为实现C轴功能，还配备了旋转变压器。

3.2实验结果

采用上述方案对卧式空气静压主轴的轴向和径向刚度进行测试，在供气表压为0.5MPa时，测得轴向刚度为785N/μm，径向刚度为313N/μm。实验结果与仿真结果比较，轴向刚度的误差为7.9%;径向刚度的误差为9.3%，证明了优化设计方案的可行性。

4结论

采用MATLABPDE工具箱，通过编制迭代计算程序，实现气体轴承性能的计算。通过对卧式空气静压主轴结构参数的仿真优化，得到有助于提高其承载力和刚度的结构参数;通过制定实验方案，采用力传感器和位移传感器测试了优化后主轴的轴向和径向刚度，实验结果与仿真结果基本一致，证明了仿真方法的正确性。该仿真程序为改善空气静压主轴的性能设计提供了依据。

作者:夏欢 赵午云 张连新 单位:中国工程物理研究院机械制造工艺研究所