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。     

闭式C型静压气浮导轨承载力的CFD数值仿真和实验研究

对不同供气压力与不同偏心率情况下的闭式C型气浮导轨进行CFD(计算流体力学)分析,得到其压力、速度的分布图,以及偏心率和供气压力对气浮导轨承载能力和刚度的影响规律。结果表明:偏心率越大,上气浮面的压力值会越大,下气浮面的压力值越小,上下气膜速度的差值越大;随着偏心率的增加,承载力呈增大趋势,刚度会有所降低;相同偏心率情况下,供气压力增大,承载力和刚度都会增加。对闭式C型气浮导轨的承载性能进行实验研究,实验结果与数值仿真结果吻合较好,证明了该仿真分析方法的可行性和有效性。     

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。     

静压气浮导轨承载能力的解析法和有限元法对比分析

承载能力是静压气浮导轨的一个重要的静态性能指标.采用解析法和有限元分析法2种方法计算了闭式矩形静压气浮导轨的承载能力.结果表明:闭式矩形静压气浮导轨的承载能力随供气压力的增大而增大;2种方法计算结果具有较好的一致性,其中有限元法实现了对气体流场的三维仿真,不仅考虑了扩散效应的影响,而且把求解域从传统的薄膜区扩展到节流孔上游,可考虑更多因素的影响,结果更符合实际情况.     

有负载的闭式静压气浮导轨动态仿真研究

为避免因导轨承载力及刚度不足造成超精密机床加工精度不合格,建立闭式静压气浮导轨仿真模型,利用Fluent采用动态网格的动态仿真计算方法对气浮导轨承载力及刚度进行接近于实际的精确仿真计算,并结合简单孔式节流理论验证动态仿真计算的正确性.结论显示:动态网格计算结果与简单孔式节流原理相符;导轨负重50 kg时其承载力大于负重...     

直线电机气浮精密平台的设计与控制

高精度综合测量仪在工作中要求达到亚微米级的运动精度,为此建立了X Z直线电机气浮精密运动平台,对气浮导轨设计、直线电机控制等关键技术进行了研究.采用有限元设计法设计了气浮导轨,实验结果表明,采用该方法设计的气浮导轨具有较高的承载能力和刚度.提出一种改进的PID控制策略,从而改善直线电机运动平台的抗干扰能力,并使其获得较高的稳态位置精度.实验结果显示,在采用这种控制方法后,直线电机气浮精密平台的定位精度可达到0.5μm.     

矩形闭式静压气浮导轨结构设计计算与仿真分析

在科技高速发展的今天,高速高精密技术已成为装备制造业的一个发展方向,静压气浮导轨以高精度、无摩擦、温升小、寿命长等优点满足高速和高精密技术的要求,从而引起广泛的关注和研究。本文以矩形闭式静压气浮导轨为研究对象,通过运用流体力学、气体润滑技术和空气静压轴承设计技术等知识,对其进行了合理的设计计算及反复的验证计算。通过仿真分析软件,对其进行了仿真分析,并验证了其设计的合理性。     

基于腹底式被动阻尼器抑制精密气浮工作台的定位噪声

针对已开发的精密直线气浮工作台,设计了腹底式被动结构的阻尼器以解决静压气浮导轨传动阻尼小,抗干扰能力差等问题。设计的阻尼器由固定于气浮滑套下端面的阻尼片以及处于阻尼片正下方的阻尼油槽和阻尼油组成。通过实验获取了阻尼器的阻尼系数,继而建立了气浮工作台机电控制模型。仿真分析了阻尼器对工作台气浮噪声和动态特性的影响规律:随着阻尼的增大,气浮工作台的稳定裕度和衰减噪声的能力增加,但动态响应速度降低。实验表明,实验结果与所推导的气浮工作台特性一致,且增加阻尼系数为293.78N/m.s-1的阻尼器后,气浮工作台的定位噪声由60nm(峰峰值)降为20nm(峰峰值),位移灵敏度为20nm,实验验证了采用此种结构的阻尼器可有效抑制精密气浮工作台定位噪声。     

闭式T形工作台结合面结构对气浮导轨性能的影响

闭式T形工作台在加工过程中选择不同的工艺方法导致结合面结构变化对气浮导轨性能的影响是不容忽视的。通过建立一体式和组合式两种结构的气浮导轨气膜面有限元模型,对其压力场分布、承载力、刚度和耗气量进行分析、对比。通过分析发现:砂轮越程槽会影响气膜结合面处的压力场分布,进而造成导轨承载能力的变化,但对耗气量的影响并不明显;与一体式导轨结构相比,组合式导轨结构明显提高了各气膜及导轨的承载力。结果表明:使用组合式的结合面结构形式不但能降低加工难度和材料成本,还能获得较大的承载力。     

气浮导轨性能测试实验台设计与分析

在超精密气浮定位平台研究工作中,对静压空气轴承的安装位置对系统影响的研究相对较少,文中介绍了一种新型机械结构的气浮导轨性能测试实验台,实验台导轨滑架采用焊接框架组合结构,实现不同类型气浮轴承的更换及不同数量的气浮轴承的安装,形成不同结构布局的气浮导轨,能够满足多种气浮导轨的实验研究,提高了气浮导轨实验台的利用率和使用范围。此实验台具有机械精度高、系统刚度大、结构稳定性好,安装使用方便等特点。     

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。     

一种精密测量用立柱气浮导轨的设计

针对立柱导轨的结构形式,分析了气体阻塞条件,给出了气体压力分布示意图,根据导轨尺寸计算出了其承载力和刚度,经实践证明满足了仪器的精度要求。     

Experimental Analysis of the Gas Film Damping Effect in an Aerostatic Guideway under Microscale

This article studies the mechanism of gas film damping on the aerostatic guideway system at a microscale with the modified Reynolds equation. The slide film damping force due to the fluid viscous effect is calculated, and the squeeze damping force caused by the gas compression and escape between two plates is analyzed. The damping ratio in the calculation model for the slide film damping is compared with the calculated results from the experiment and the finite element analysis results. Using the results of the study, the optimal supply pressure is designed. The method applied in this article provides the theoretical basis for the analysis and solution of the dynamic performance of an aerostatic guideway.     

超精密空气静压主轴静态性能的数值分析

为了对超精密空气静压主轴静态性能进行数值分析，利用有限元法求解空气静压轴承内的压力分布，计算径向和止推轴承的承载、刚度和供气流量。研究轴承参数对轴承静态性能的影响，提出空气静压轴承的设计准则。推导出精密主轴承载、径向刚度、轴向刚度和角刚度的计算公式。实验证明数值分析是正确的。     

Design of the aerostatic linear guideway with a passive disk-spring compensator for PCB drilling machine

Problems with the conventional linear aerostatic guideway for a PCB drilling machine include deviation from straightness or parallelism tolerance between the granite guideways, and thermal expansion caused by the heat generated from ball screw and the driving system. These factors will result in vibration and affect the positioning accuracy during machine drilling.This paper describes the development of the resistance network method (RNM) for analyzing the static behaviors of aerostatic grooved thrust bearing designed with a disk-spring compensator to hold the table in a suitable position. Comparison is demonstrated between the RNM results and experimental data. Finally, a realizable application of these types of bearing to the linear guideway system for a PCB drilling machine is presented.     

基于精密空气静压导轨的扭轮传动机构的设计与分析

基于空气静压导轨传动系统的精度和速度要求,设计了无级可调扭轮传动机构,运用摩擦传动理论详细介绍了其工作原理。在可行性分析的基础上,运用ADAMS虚拟样机,对设计成功的传动系统进行了运动学仿真分析,最终得出了传动系统平稳性与主轴转速间的关系。     

基于匀压和阻尼的空气静压轴承静态特性研究*

针对常规空气静压轴承设计时存在的承载能力、刚度与气动锤之间的矛盾,提出一种基于虚拟均压和被动阻尼设计方法。采用该方法设计一种含环布均压槽和阵列阻尼孔的矩形平面空气静压止推轴承,并研究其静态特性。研究结果表明：与常规空气静压轴承结构相比,设计的空气静压止推轴承在供气压力0.5 MPa下的最高承载力提高了43.4%,最高刚度提高了51.3%;减小阻尼孔数量、减小节流孔径、提高供气压力和增设均压槽可获得最佳刚度特性;增加阻尼孔数量、减小节流孔径、提高供气压力和增设均压槽可获得最佳静态特性和动态稳定特性的综合性能。     

大行程纳米级定位工作台的结构设计

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关,设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构,由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构,并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性,结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声,结果表明,对X向行程为220mm、Y向行程为300mm的工作台,其X方向的定位精度优于±5nm,定位稳定性可达±25nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。     

新型径向槽结构静压气体轴承静态特性研究

设计一种新型径向槽结构静压气体轴承,其周向和径向截面分别呈椭圆弧形和扇形。建立该径向槽结构静压气体轴承CFD模型,分析径向槽结构参数如深度、半径、数目、角度和试验参数供气压力,对静压气体轴承承载能力和刚度的影响。研究结果表明:静压气体轴承承载能力随槽结构深度、数目、角度和供气压力增加逐渐增大,随槽结构半径增加先增大后减小;槽结构数目和供气压力对其承载能力影响尤为显著;静压气体轴承径向槽结构参数和供气压力影响其刚度及最佳刚度对应的气膜厚度,其中槽结构半径、数目和供气压力对刚度值影响显著,槽结构角度和半径对最佳刚度对应的气膜厚度影响显著。由此可见,径向槽结构参数显著影响静压气体轴承的承载能力和刚度。     

基于气浮导轨的字航员失重飞行模拟训练平台设计

气浮导轨是借助有一定压力的空气使工作台悬浮,并且不与导轨表面接触的一种导轨形式,工作时的摩擦力几乎为零。本文设计了一种能实现二维运动的气浮式平台,利用这种无摩擦约束可随意飘荡的空中悬浮平台,再通过球轴承把转椅及宇航员悬吊起来,可真实地模拟宇航员在太空中的失重飞行。