[发明专利]一种空气静压主轴径向回转误差预测方法

说明书

一种空气静压主轴径向回转误差预测方法，该方法考虑空气静压轴承内气膜流动的微尺度效应及其非线性动态特性进行预测。根据空气静压轴承的结构及原理，引入体现微尺度效应的流量因子，建立微尺度下空气静压径向轴承的气膜流动数学模型；将气膜转化为具有相互垂直的两个自由度的弹簧阻尼系统，计算流动模型并将微尺度下非线性的动态刚度和阻尼系数赋予弹簧阻尼系统；根据空气静压主轴的结构和工作原理，建立由气膜与转子组成的轴承—转子系统模型；综合主轴振动特点，建立轴承—转子系统的动力学振动数学模型；得到空气静压主轴的各项振动误差，综合各项误差得到主轴总的径向回转误差。

技术领域

本发明涉及一种回转误差预测方法，适用于空气静压主轴在不同工况下的回转误差预测与分析，可以实现空气静压主轴振动信号的时域与频域信号预测。

背景技术

空气静压主轴作为精密及超精密加工过程中重要的加工设备，其运动误差直接影响到被加工零件的表面质量、形状精度及粗糙度。因此对空气静压主轴的回转误差进行预测分析十分重要，这对空气静压主轴的优化设计和误差监测控制具有重要意义。

在实际运行过程中，空气静压主轴由于受到外力、自身重力以及偏心质量的作用，会产生受迫振动、自激振动和偏摆振动行为，综合考虑各种振动建立空气静压主轴运动误差模型是主轴回转误差预测的关键。由于空气静压轴承内的气膜具有可压缩性，气膜的波动会直接反映到主轴振动中；同时由于空气静压轴承的轴承间隙在微米级别使得其内部的气体流动属于微尺度流动，此时会表现出传统流动不具有的微尺度效应，如：稀薄效应、速度滑移等，这些微尺度效应会影响轴承的动态特性，从而对主轴的振动造成影响。因此如何将气膜的波动引入振动分析实现气固耦合分析，以及将微尺度效应引入振动分析实现宏微尺度结合的振动分析是空气静压主轴回转误差预测的难题。

空气静压主轴的径向回转误差主要包括量径向跳动误差和偏摆振动误差，其共同复合作用形成了主轴的回转误差。从时域上对空气静压主轴的回转误差进行描述，直观的反映主轴回转误差的实时运动状况。同时工作会有不同的工况，对不同工况下的回转误差进行预测分析达到降低振动误差提高运动精度的目的。

发明内容

针对气固耦合的空气静压主轴回转误差的问题，本发明提供了一种空气静压主轴回转误差的预测方法，本发明通过考虑气膜波动以及微尺度效应，综合自激振动、受迫振动和偏摆振动建立一套空气静压主轴的预测方法，将空气静压轴承动态参数和主轴各种工作参数与主轴振动进行了对接，达到了对空气静压主轴回转误差的预测及描述分析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种空气静压主轴回转误差的预测方法，该方法包括以下步骤：

(1)建立空气径向静压轴承微尺度下气膜动态流动模型。

根据空气静压径向轴承的结构和工作特点，对空气静压径向轴承的气膜流动进行动态建模，同时引入体现微尺度效应的流量因子对气膜的宏观流动进行修正，从而得到宏微尺度结合的动态流动模型，以达到对微尺度下轴承内气体流动的描述，轴承内气膜流动状态如图1所示。无量纲的微尺度下气膜动态流动模型如式(1)所示。无量纲公式如式(2)所示。

p＝P·p_a,h＝H·h₀,z＝Z·R (2)

式中，P为无量纲的气膜压强，H为无量纲的气膜厚度，Z为无量纲的轴承轴向长度，p为气膜压强，h为气膜厚度，z为无量纲的轴承轴向长度，C₁和C₂为微尺度流量系数，t为时间，θ为轴承的周向角度，p_a为大气压强，h₀为轴承间隙，R为轴承半径，μ为气体粘度，U为主轴转速。

(2)获取空气静压径向轴承微尺度下非线性的动态参数。