Modeling and design of a miniature high precision linear stage on ball bearings

par Zidong Yin

Thèse de doctorat en Mécanique avancée

Sous la direction de Marc Bonis.

Soutenue en 2010

à Compiègne .

  • Titre traduit

    Modélisation et conception d'un guidage linéaire miniature de haute précision sur paliers à billes


  • Résumé

    Aujourd'hui, la miniaturisation est une tendance forte dans le développement technologique des produits industriels, avec les exigences en composants microtechniques. Le micro / usinage conventionnel à l'outil est de plus en plus important, car il peut créer des pièces en 3-D avec des matériaux divers et il présente de nombreux avantages en efficacité, productivité, flexibilité et rentabilité, etc. Us guidages linéaires miniatures sont des composants clés des méso machines-outils. Cette thèse porte sur la conception d'une table linéaire miniature sur roulements à billes avec une raideur élévée, apte à satisfaire les exigences des méso machines-outils de haute précision. Deux critères de conception de base sont considérés: le premier est que les paliers à billes doivent être en mesure de supporter la charge maximale d'utilisation tout en conservant un comportement élastique et maximisant la rigidité ; l'autre est que l'influence des tolérances sur le diamètre des billes et la planéité de la paroi sur les mouvements parasites doit rester en dessous de l'erreur maximale autorisée sur la surface usinée. Un palier ouvert avec des erreurs géométriques est étudié en premier lieu par la théorie de He. Ensuite, une structure de palier fermé précontraint est proposée pour sa capacité à soutenir une charge relativement élevée, avec une grande rigidité, dans un encombrement limité. Sur la base des éléments de palier fermé proposés, une méthode de modélisation et de minimisation d'un guidage a été développée pour répondre aux exigences d'une taille limite de 70x 140 mrra, une capacité de charge > 250N et une rigidité > 500N/gm. Une évaluation théorique des erreurs de rectitude et de tangage d'un mini guidage avec des paliers sur roulements précontraints a été développée et analysé pour différentes préchuges, erreurs géométriques et charges externes. L'erreur de rectitude du mouvement peut ainsi être réduite à environ 1/10' de l'erreur de fabrication, ou moins selon la longueur d'onde de l'erreur de planéité des parois. Une optimisation des profils d'entrée sous le chariot est étudiée pour réduire les mouvements parasites et les excitations vibratoires induits par l'effet de bord du contact de roulement. Enfin, un prototype de mini-rail de guidage pour méso machines-outils a été conçu et fabriqué. La course est de 80 mm. S parois du roulement sont en acier GCr15 et les billes sont en céramique Si3N4, pour son niveau élevé de résistance à la compression et sa dureté. Les dimensions de la structure de la table miniature ont été déterminées avec des évaluations par éléments finis ; l'épaisseur des parois doit être >Ilmm. Les erreurs de tangage et de rectitude du mouvement du prototype ont été étudiées. Pour une erreur maximale du diamètre des billes d'environ 0,13gm et des erreurs de profil des parois d'environ 1,0 à 3,0gm, l'erreur de rectitude du guidage est d'environ 0,25gm sur une course de avec une précontrainte géométrique de 6gm. Ces résultats sont en bon accord avec les prédictions théoriques.


  • Résumé

    In actual technological developments, the trend to miniaturization of industrial products requtes micro components. Tool based micro/meso-scale machining is becoming increasingly important, since it cm create 3-D parts in various engineering materials and has many advantages in productivity, efficiency, flexibility and cost effectiveness, etc. Mini-guideways are key components of meso-machine tools. This thesis fuses on the design of an ultra precision miniature linear guideways on bail bearings, able to fulfilling the requirements of ultra predision meso-machine tools with a high stiffness. Two basic design criteria are consider: one is that the bail bearing elements must be able to bear the maximum working load while keeping an elastic behaviour and maximizing the stiffness; the other is that the influence of halls diameter and wall flatness tolerances on peasidc movements must be kept below the maximum error allowed to surface machining. Firstly, based on Hertzian contact theory, an open bearing with geometrical errors is studied. Then a structure of preloaded closed bearing element is proposed for its potential ability to supporting a heavy load with a high stiffness in a limited size. Based on the proposed closed bearing elements, a method of modeling and minimisation of a guideway is developed, targeting at fulfilling the conditions of a limited size of 70x140 mm, load capacity >250N and stiffness >500N/gm. A Theoretical evaluation of straightness error and pitch error of the motion of the mini-guideway with closed bearing elements is developed and is analyzed with various specified preloads, geometrical errors and external loads. Straightness error of motion of the mini-guideway may be reduced to about 1610 times the given fabrication error or even less, for specified appropriate wavelength of surface error of the walls. To lower the puasitic motion and excitation generated by bUls entering or exiting from under the cage, opdMzation of the cage's profiles is discussed to minimize the edge effect on rolling contact. At last, a prototype of mini-guideway for meso machine tools has been design and manufactured. The travel is80 mm. The beuings walls have been made of steel GCr15 and the bans are in ceramics Si4, rince they have a high level of compressive strength and hardness. The dimension of the ni-guideway structure have been dened via evaluations with the Finite Element Method (FEM); thickness of the walls of the ni-guideway should be >11 mm. Fitch errors and straighness error of motion of the prototype have been invesfigated. For a diameter error of balls of about 0. 13gm and straightness profile errors of the walls aof about I. 0-3. 0gm, the straightness motion error of the mini-guideway is about 0. 251tm over a travel of 5m with a geometrical preload of 6jrm. These results agree well with the theoretical prédictions.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (181 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 53 réf.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 YIN 1914
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