基于静压气浮导轨的直线电机高性能工作台的研制

精密定位技术是精密工程领域的关键技术,由直线电机驱动的气浮直线导轨工作台在超精密运动领域得到广泛应用。本文介绍了静压气浮导轨的设计方法,开发了止推气浮轴承设计软件;为了提高气浮导轨的承载能力和刚度,总结提出了几种适用于不同结构气浮导轨的预加载技术;运用气浮轴承设计系统和适合的预加载技术,研制了能满足大惯量、高速度、高精度要求的H型直线电机气浮工作台。     

可拆卸式气浮导轨滑架组件的设计与分析

设计了一种可拆卸式整体气浮导轨组件结构,该气浮导轨滑架采用框架组合结构,可更换多种型号及不同数量的气浮轴承,实现对称和非对称全封闭结构布置。研究了气浮轴承安装位置对平台性能的影响。研究表明:所设计的滑架定位装置能够保证在更换气浮轴承时滑架与气浮导轨的相对位置保持不变,定位装置结构简单、操作方便,对进一步提高气浮导轨对整个精密平台的性能具有重要的指导和借鉴意义。     

整体闭式与开式气浮导轨静态性能对比分析

静压气浮导轨是精密气浮工作台的重要组成部件,其承载能力和刚度直接影响了工作台的平稳性以及所加工零件的精度。针对所设计的精密高刚度二维气浮工作台,提出采用有限差分的数值计算方法,在双边间隙总和与供气压力相同的条件下,对整体闭式及开式气浮导轨的气浮面进行整体求解计算,对比分析其压力分布、承载能力、刚度等静态性能参数。结果表明:由于闭式气浮导轨的下气浮块在垂直方向上起到了辅助支撑的作用,形成了四周封闭的气膜面,因此增强了闭式气浮导轨的紧密性和可靠性,使得整体闭式气浮导轨的刚度和稳定性均优于开式气浮导轨;实验结果与理论分析较吻合,为此类精密定位平台的设计优化提供了理论依据。     

精密高刚度二维气浮工作台的设计与分析

目前精密二维气浮工作台的研究,存在着二维气浮工作台的刚度和承载力较小的问题,设计了一种以精密方箱为基准的精密高刚度二维气浮工作台。该气浮工作台采用整体式气浮导轨副设计,全部构件以精密方箱为位置基准,用精密方箱自身的高平面度、平行度和垂直度来保证X轴和Y轴导轨的运行直线精度和系统刚度,并且工作台采用直线电机驱动,消除了传统机械传递带来的误差。该实验台具有机械精度高、运动直线度高、系统刚度大、安装维护容易等特点,能在精密加工、精密测量领域中广泛使用。     

气膜结构对长光栅刻制气浮平台气膜特性的影响

为满足长光栅刻制气浮平台的设计要求,通过建立气浮导轨上气膜面的有限元模型,以承载能力、耗气量及流场"死区"速度作为性能指标,分析不同的节流器和均压槽形式对气浮导轨气膜特性的影响。结果表明:不同的导轨结构会造成压力场特性发生变化,进而影响气膜承载力、死区速度及耗气量;3×3节流器王字型均压槽的结构形式能有效提高承载能力,消除速度死区,且耗气量未明显增加,该结构能满足长光栅刻制对气浮平台长时间工作的要求。     

定位运动平台气浮导轨设计

针对高加速度高精度定位气浮平台对气浮导轨高刚度高承栽能力的要求,采用二维线性插值和有限元法推导平面气浮空气轴承的静态性能公式,利用数学软件MATLAB编写有限元程序计算气浮导轨的静态性能并分析相关参数对静态性能的影响.有限元分析结果表明:当气浮平台中节流孔之问的排距与气浮面宽度的比值为一定值、气浮厚度为另一定值时,气浮平台的角刚度和承栽能力得到较优值.研究结果为气浮导轨的静态性能优化提供了理论参考,为气浮平台的结构优化提供了方向.     

二维运动平台气浮静压导轨承载性能计算与研究

为了进一步探索和研究气浮静压润滑支承机理及气浮静压导轨承载性能,提出并研制了一种具有气浮静压润滑支承的精密二维运动平台。结合气浮静压导轨的物理模型建立了其笛卡儿坐标系下的控制方程,采用有限差分方法和流量平衡原理对其控制方程进行了离散差分推导,运用超松弛迭代以及二分快速寻找收敛区间法对其承载性能进行数值计算并开展了实验研究。结果表明：气浮静压导轨承载性能受节流器类型的影响比较显著,多节流孔节流器的承载性能明显优于单节流孔节流器;供气压力对气浮静压导轨承载性能影响显著,供气压力越高其承载性能越强;同等条件下气浮静压导轨组合形式承载性能均优于单独形式承载性能;气浮静压导轨的承载性能实验测试结果和数值计算结果具有较好的一致性,验证了数值计算的有效性。相关研究对推动和促进气浮静压轴承和导轨在精密运动机构和测量设备的研究和工程应用具有较好的借鉴和指导意义。     

节流孔分布对矩形止推气浮静压轴承承载力的影响

为了分析矩形止推气浮静压轴承的承载性能,研究节流孔分布结构对轴承承载性能的影响,通过SolidWorks三维建模软件建立了气浮轴承的流场模型。通过FLUENT软件对气浮轴承的流场模型进行仿真分析,求解得到了不同节流孔分布结构的轴承气膜压力分布及其承载力。分析结果表明,在节流孔个数相同的情况下,当分布结构由多组沿圆周方向均匀分布的节流孔组成时,气膜间隙中间的压力更高,气浮轴承的承载力也更大;说明对节流孔分布结构进行优化设计能提高气浮轴承的承载力。     

直线电机驱动的H型气浮导轨运动平台

建立了双边直线电机驱动的H型气浮精密定位平台,对该精密定位系统的气浮导轨设计方法和双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究。利用有限元法设计了气浮导轨,分析了气膜压力场的分布情况,采用预加载技术提高气浮导轨的承载能力和刚度等性能。静态特性实验表明,开发的定位平台气浮导轨具有较高的承载能力和刚度,X、Y导轨的竖直方向静刚度为276.9 N/μm和333.3 N/μm。设计了基于同步速度偏差的改进型并联结构同步控制器,采用模糊控制实现PID参数的自适应在线整定。运动实验表明,改进的控制器具有较高的同步控制精度,速度同步精度比一般同步控制提高了3倍多,适合于具有强机械耦合的多电机同步运动控制。H型直线电机气浮定位平台具有承载能力强、精度高的优点,可以用于光刻机和光学检测等精密工程领域。     

闭式双排节流孔矩形气浮导轨的计算方法(二)

闭式双排节流孔矩形气浮导轨是气浮导轨中最常见的结构,本文推导了它的计算方法,从而为该导轨的设计找到了一条有效、快捷的途径