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研究生:蔡祐健
論文名稱:精密氣靜壓迴轉台系統研發與測試
論文名稱(外文):Development and Experimentation of a Precision Aerostatic Rotary Table System
指導教授:陳明飛陳明飛引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:氣靜壓軸承動壓效應穩定性雙向環狀止推軸承分析止推軸承Newmark積分法
外文關鍵詞:Aerostatic bearingsqueeze film effectStability analysisDouble-padsannular thrust bearingNewmark integration method
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  本文的目的為設計分析與開發一組精密氣靜壓迴轉工作台。其訂定的規
格為外徑190mm 及旋轉精度1.0μm。在驅動系統我們選用直驅式馬達。
  首先,我們採用的簡易工程算法設計氣靜壓迴轉工作台的結構及系統配
置。然後,利用有限差分法進行氣靜壓軸承及雙環形止推軸承性能分析。
其次,Newmark 積分法及有限差分方法,均考慮流量守衡且具擠壓膜效應,
用於分析的止推軸承在每一時間的動態行為。最後,與所開發完成之氣靜
壓轉台進行實驗所得數據,驗證本文計算分析結果之正確性。
The purpose of this paper is to develop the rotary table with the aerostatic bearing. The specifications of developed rotary table consists the outer diameter of 190mm, rotation accuracy of 1.0μm, respectively. In the driving system of the structure we use a direct drive (DD) motor to connected rotary table.
Firstly, we employ the simplified calculation method of the structure of an aerostatic rotary table system configuration and design. And then, using the finite difference method the air bearing and double-pads annular thrust bearing performances will be analyzed. Secondly, the Newmark integration method and the Finite Difference Method, which takes into account the equilibrium of the mass flow rate and the squeeze film effect , are used to analyze the thrust bearing dynamic behaviors at each stop. Finally, based on the experimentally extracted model parameters, the FEM model could be verified.
口試簽名頁 I
博碩士論文授權頁 II
摘要 III
Abstract IV
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 研究方法 4
1-5 論文架構 5
第二章 氣靜壓迴轉平台系統設計概述 6
2-1 氣靜壓系統組成 6
2-2 氣體軸承工作原理 7
2-2-1 節流器原理 7
2-2-2 氣體軸承原理 8
2-3 本文之氣靜壓迴轉台系統規範與設計 9
2-3-1 氣靜壓軸承簡易工程設計 11
2-3-2 馬達選用 20
2-3-3 編碼器 22
第三章 氣靜壓軸承基礎理論與靜態性能分析 26
3-1 氣靜壓軸承理論分析 26
3-1-1 雷諾方程式的建立 26
3-1-2 有限差分基礎理論 27
3-1-3 流量方程式的建立 30
3-2 氣靜壓止推軸承性能分析 35
3-2-1 平面圓形止推軸承有限差分分析 35
3-2-2 靜態性能分析 37
3-3 氣靜壓徑向軸承性能分析 45
3-3-1 圓柱型徑向軸承有限差分分析 45
3-3-2 徑向軸承靜態性能分析 52
第四章 運動方程式及性能探討 57
4-1 Newmark積分法 57
4-2 止推軸承動態特性分析 58
第五章 氣靜壓迴轉台系統之加工組裝與測試 66
5-1 氣靜壓迴轉台系統之加工 66
5-1-1 全支撐軸承 67
5-1-2 旋轉件 71
5-1-3 殼體及其他零組件 74
5-1-4 高精密加工方法 77
5-2 氣靜壓迴轉台系統迴轉偏擺測試 80
5-3 氣靜壓迴轉台系統組裝 84
5-4 氣靜壓迴轉台系統承載力實驗 87
第六章 結論與建議 90
6-1 結論 90
6-2 建議 91
參考文獻 92

圖目錄
圖2.1 氣靜壓軸系統示意圖 6
圖2.2 電路示意圖 7
圖2.3 氣體軸墊的種類 8
圖2.4 氣靜壓迴轉台示意圖 10
圖2.5 小孔節流器示意圖 11
圖2.6 氣體靜壓軸承分類 12
圖2.7 雙向止推軸承示意圖 12
圖2.8 環形止推軸承的型式 13
圖2.9 止推軸承示意圖 15
圖2.10 氣靜壓徑向軸承 16
圖2.11 周向節流孔的排列方式 18
圖2.12 節流孔排數對軸承壓力分佈的影響 19
圖2.13 徑向軸承示意圖 20
圖2.14 ETEL 公司之DD 馬達 21
圖2.15 本文選用之旋轉編碼器 23
圖2.16 氣靜壓旋轉工作台組合圖 25
圖3.1 中心差分網格圖 27
圖3.2 流量係數與壓力比的關係圖 32
圖3.3 矩形軸墊間隙中的流量 32
圖3.4 平面氣軸承特性流程圖 34
圖3.5 止推軸承幾何尺寸 35
圖3.6 止推軸承邊界條件設定 36
圖3.7 上止推軸承壓力分佈(Ps:7kgf/cm2、h0:15μm) 37
圖3.8 下止推軸承壓力分佈(Ps:7kgf/cm2、h0:15μm) 38
圖3.9 雙止推軸承示意圖 39
圖3.10 上、下止推軸承間隙-承載力的關係圖 40
圖3.11 承載力-間隙的關係圖 41
圖3.12 剛性-間隙的關係圖 41
圖3.13 供氣壓力下承載力-間隙的關係圖 42
圖3.14 不同供氣壓力下剛性-間隙的關係圖 43
圖3.15 不同孔徑下承載力-間隙的關係圖 44
圖3.16 不同孔徑下剛性-間隙的關係圖 44
圖3.17 心軸偏位示意圖 46
圖3.18 徑向軸承示意圖 46
圖3.19 徑向邊界條件設定 47
圖3.20 徑向軸承間隙中的流量(雙排1/6 軸承) 48
圖3.21 徑向軸承特性流程圖 51
圖3.22 氣體靜壓徑向軸承壓力分佈(ω=0 , ε=0) 52
圖3.23 氣體靜壓徑向軸承壓力分佈(ω=500 , ε=0) 53
圖3.24 氣體靜壓徑向軸承壓力分佈(ω=0 , ε=0.3) 54
圖3.25 氣體靜壓徑向軸承壓力分佈(ω=500 , ε=0.3) 54
圖3.26 氣靜壓軸承承載力與偏心率關係圖 55
圖3.27 氣靜壓軸承承載力與偏心率關係圖 55
圖4.1 Newmark 常加速度法 57
圖4.2 雙止推軸承動態示意圖 59
圖4.3 動態特性計算流程圖 61
圖4.4 供氣壓力對雙止推軸承之動態響應 62
圖4.5 總間隙(H)對雙止推軸承之動態響應 63
圖4.6 擾動力(FT)對雙止推軸承之動態響應 63
圖4.7 孔口直徑(d0)對雙止推軸承之動態響應 64
圖4.8 初始間隙(ht0)對雙止推軸承之動態響應 65
圖5.1 軸承之形狀公差示意圖 68
圖5.2 軸承加工程序 69
圖5.3 全支稱軸承實體圖 70
圖5.4 氣膜間隙與間隔環之關係示意圖 73
圖5.5 轉盤實體圖 73
圖5.6 托盤實體圖 73
圖5.7 間隔環體圖 74
圖5.8 旋轉心軸實體圖 74
圖5.9 殼體實體圖 75
圖5.10 上蓋實體圖 76
圖5.11 供氣心軸實體圖 76
圖5.12 基座軸實體圖 77
圖5.13 Digimar CX1 高精度測高儀 80
圖5.14 Taylor Hobson 真圓度儀 81
圖5.15 旋轉心軸-外徑真圓度 82
圖5.16 旋轉心軸-內徑真圓度 82
圖5.17 旋轉心軸圓筒度 82
圖5.18 全支撐軸承-真圓度 83
圖5.19 全支撐軸承-圓筒度及垂直度 83
圖5.20 初步迴轉篇擺量測 84
圖5.21 氣靜壓迴轉工作台組裝治具 85
圖5.22 花崗岩V 枕進行組裝之流程 86
圖5.23 靜態軸向軸承承載力實驗系統 88
圖5.24 靜態承載力實驗結果與數值分析比對(6.5kgf/cm2) 89

表目錄
表1.1 旋轉工作台比較表 2
表2.1 氣靜壓轉台規格表 10
表2.2 簡易工程初估 15
表2.3 氣靜壓軸承設計參數 17
表2.4 本文選用DD 馬達相關規格表 22
表2.5 旋轉編碼器之相關規格 24
表4.1 參數對照表 60
表5.1 磷青銅成份表 67
表5.2 零件平面度量測值 81


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