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《湖南大学》 2013年
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非球面超精密气浮式测头的研究

彭杰宏  
【摘要】:非球面超精密测量是非球面光学元件高精度加工制造的重要保证,而非球面超精密测头则是测量系统中的关键部件,其性能影响测量的精度,同时测头对被测表面压力过大可能会破坏光学元件表面质量。本文研究的非球面超精密气浮式测头,采用空气静压轴承和气动控制,可以调控测头对被测非球表面的压力,为该问题提供了一种解决方法,为非球面超精密数控复合机床的在机测量系统提供了技术支持。 在进行深入分析和总结国外非球面超精密气浮式测头原理的基础上,首先对非球面超精密气浮式测头的总体结构进行了设计。同时,采用工程算法对测头关键零件方形空气静压轴承的尺寸及性能进行了初步计算,设计了三种节流孔形式的方形空气静压轴承。仿照高压气流通过间隙的流体动力学原理,设计了测头内部高压气腔的尺寸与结构,确定气腔之间留有平均高0.03mm的间隙。根据测头测量方式以及气腔气压大小,设计了测量轴的结构和轴上台阶面积的大小。 然后,采用建模软件UG分别建立了方形空气静压轴承、气腔和测头内部整体气流的三维模型。应用Ansys-ICEM网格划分软件将这些模型进行了网格划分,并采用流体分析软件Fluent进行了仿真计算。得到了三种节流孔形式的方形空气静压轴承承载力与流量的计算值,分析了气腔压力与流量随气腔间间隙高度的变化规律,重新调整气腔间平均间隙高度可在30-40μm之间,降低了加工精度要求。在对整体气流模型的气压分布,压强以及流量进行仿真计算后,预测了测头的静态性能。结果表明测头刚度可达1.77N/μm,测头与被测表面之间的接触力可控制在0.0001~0.007N之间,所消耗空气流量最多3.6m3/h,满足测头设计要求。 最后,采用一种经济型的修配法对测头进行了加工制造,克服了空气静压轴承方孔难以加工等难题。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TG803

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【参考文献】
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