基于激光传感器的液体静压导轨模态仿真与测试方法研究
基于激光传感器的液体静压导轨模态仿真与测试方法研究
作者:张立斌;
近年来,基于超精密光学零件的激光测距仪应用越来越广泛,在民用、国防以及空间科学等领域都有着广泛的需求;而光学零部件加工最重要的设备是超精密加工机床。超精密加工机床具有良好的加工性能,是光学零部件质量、精度的重要保证。它综合应用了机械、现代电子、自动控制、传感技术、光学和计算机等不同专业领域的最新技术成果,是高科技领域中的基础技术,不管是在军用或是民用工业中都有广阔的应用前景。液体静压导轨是精密超精密加工设备关键基础功能部件之一,能够直接影响超精密加工的最终精度。超精密加工机床在加工过程中产生的振动不仅影响机床的动态特性和零件加工质量,也会影响刀具的使用寿命和耐用度,甚至会影响超精密加工机床的使用寿命。除了生产加工过程产生的振动外,供给静压导轨的压力油,也是影响导轨动态性能的主要因素。因此,对液体静压导轨的模态分析、实验,掌握导轨的固有频率,对减小液体静压导轨的振动及其运动精度至关重要。
2 液体静压导轨模态仿真及测试实验
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性,即结构的固有频率和振型,给出模态参与系数,它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。对于液体静压导轨而言,避免机床主轴等振动源的频率与液体静压导轨的固有频率相重合,就能尽量避免由机床振动造成的加工精度降低。本节将针对自行研制的某型超精密机床的液体静压导轨进行仿真分析。
2.1 液体静压导轨的有限元建模
本文研究的液体静压导轨为闭式结构。液体静压导轨由溜板和静导轨组成,其中溜板又由主导轨和侧导轨组成。溜板和静导轨之间的支撑面形成油膜,使溜板和静导轨完全分开,导轨支撑面不接触,实现导轨之间的纯液体摩擦,大大减小了摩擦力。
由于固有频率只与结构的刚度和质量有关系,因此在运用有限元元件对液体静压导轨进行建模与仿真时,没有考虑结构的阻尼和油液的粘性阻尼问题。
液体静压导轨结合面处主要由油膜提供刚度和阻尼。而阻尼在 ansys 模态分析时不对计算得到的固有频率和模态振型产生影响。故可在油垫处采用弹簧单元进行模拟。对液体静压导轨进行简化处理,对静导轨座底面进行全位移约束,溜板在滑动方向进行方向约束。
网格划分是有限元前处理中的主要工作,也是整个有限元分析效果的关键所在,网格的优劣对整个结构分析的有效性和可靠性具有全局性的影响。不同的分析类型需要有不同的网格划分要求,结构分析使用高阶单元划分较为粗糙的网格,CFD 要求使用好的、平滑过渡的网格、边界层转化。
本文研究的液体静压导轨在结构上有大量孔结构,在仿真时对模型进行了简化,但导轨结构仍然复杂,再考虑到分析的目的,对不同部件选择不同的网格密度的单元,设置溜板部分最小网格单元为 20mm,底座部分网格自由划分。
模态分析中,材料属性对分析结构有较强的影响。根据实际情况选取设定相应结构部分的材料属性。导轨底座选取的是铸铁材料,弹性模量为 1.52×1011Pa,泊松比为 0.3。导轨幅板部分采用氮化钢材料,弹性模量2.06×1011Pa,泊松比为 0.3。
2.2 模态仿真结果
将约束条件输入到仿真模型中,经计算得到液体静压导轨固有频率。对于一般结构而言,其一阶固有频率是影响结构动态特性的重要指标。由于溜板与静导轨之间存在着油膜,使得液体静压导轨的固有频率较低,尤其导轨的一阶固有频率为 51.27Hz,容易受到外界振动信号的干扰,影响超精密机床的动态特性。
2.3 导轨模态测试实验
本实验中,针对超精密机床中的液体静压导轨,采用了锤击试验法进行模态分析,通过对激光测头采集的数据进行 FFT 变换后得到频响函数曲线,确定导轨的固有频率。实验中,用橡皮锤对液体静压导轨进行激励,激励位置位于导轨中间位置。激光测头采集数据位置位于导轨侧面。激光测头采用米依 1700 型激光侧头,测头最高采样频率为 2.5kHz。最大分辨率为 0.1μm。
通过多次对液体静压导轨进行锤击,通过激光测头采集液体静压导轨的振动数据,取其中波形较好的一组,波形图可知,液体静压导轨在受到激励后,其振动情况呈明显的自由振动衰减波形,振动情况良好。对采集的数据进行 FFT 变换后,得到液体静压导轨的频谱图。通过数据分析得到了液体静压导轨的固有频率,图6 中第一个峰值为导轨的一阶固有频率,其值为 41Hz,该频率相对较低,静压导轨结构容易受到外界低频激励而产生较大的振动,对机床整体的动态特性也存在着影响,在加工零件的过程中,机床主轴应该避免此频率范围的转动。除了仿真得到的第三阶固有频率与试验得到的第三阶固有频率存在的差距较大外,其他三阶两种结果吻合较好。实验得出导轨固有频率较低的原因可能为导轨的实验状态与仿真的理想状态不一致造成的,实验中的导轨与联轴器等相连,会对其频率造成影响。
3 结论
本文针对液体静压导轨系统的模态测试,根据米依激光传感器的测试原理及性能,给出了静压导轨系统模态的模拟仿真和测试新方法。通过仿真与实验结果的比较分析,表明该测试方法是可行的、有效的。随着对激光传感器的不断研究,液体静压导轨系统的性能测试的准确性将进一步得到保证,从而促进超精密设备的研制能力。
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