可拆卸式氣浮導(dǎo)軌滑架組件的設(shè)計(jì)與分析*

□ 盧志偉 □ 張旭忠 □ 魏明明

西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710032

可拆卸式氣浮導(dǎo)軌滑架組件的設(shè)計(jì)與分析*

□ 盧志偉 □ 張旭忠 □ 魏明明

西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710032

設(shè)計(jì)了一種可拆卸式整體氣浮導(dǎo)軌組件結(jié)構(gòu)，該氣浮導(dǎo)軌滑架采用框架組合結(jié)構(gòu)，可更換多種型號及不同數(shù)量的氣浮軸承，實(shí)現(xiàn)對稱和非對稱全封閉結(jié)構(gòu)布置。研究了氣浮軸承安裝位置對平臺(tái)性能的影響。研究表明：所設(shè)計(jì)的滑架定位裝置能夠保證在更換氣浮軸承時(shí)滑架與氣浮導(dǎo)軌的相對位置保持不變，定位裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，對進(jìn)一步提高氣浮導(dǎo)軌對整個(gè)精密平臺(tái)的性能具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

氣浮導(dǎo)軌 滑架 可拆卸式 剛度

超精密氣浮工作平臺(tái)一般采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能時(shí)，不需要中間的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，而是將直線運(yùn)動(dòng)直接傳遞給工作平臺(tái)［1-2］。目前，工作平臺(tái)的定位精度已從微米級延伸到納米級甚至亞納米級，采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣浮導(dǎo)軌的高速高精度直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已成為現(xiàn)代科研的主流方向。

氣浮導(dǎo)軌大多可以以單個(gè)氣浮軸承按對稱、非對稱方式布置，并利用不同數(shù)量的氣浮軸承組合成滿足承載要求的氣浮導(dǎo)軌，此種布置方法安裝結(jié)構(gòu)相對容易，拆裝方便，載荷的調(diào)節(jié)簡單［3-4］。由于單個(gè)氣浮軸承承載能力有限，實(shí)際應(yīng)用中，常采用兩個(gè)及兩個(gè)以上的氣浮軸承來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載要求，用于支承較大載荷的儀器設(shè)備［5］。筆者對可拆卸式氣浮導(dǎo)軌組件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對其中氣浮導(dǎo)軌滑架的承載力和靜剛度進(jìn)行了分析。

1 可拆卸式氣浮導(dǎo)軌組件定位平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

可拆卸式氣浮導(dǎo)軌組件定位平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)由平

臺(tái)、氣浮導(dǎo)軌（包括氣浮軸承和靜導(dǎo)軌）、導(dǎo)軌支座、直線電機(jī)、光柵尺等組成，如圖1所示，結(jié)合直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)以及氣浮軸承的特點(diǎn)，總體結(jié)構(gòu)采用臥式放置，運(yùn)動(dòng)部件采用氣浮導(dǎo)軌支承。在圖1所示的平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的直線電機(jī)通過螺栓安裝在靜導(dǎo)軌中間的槽型結(jié)構(gòu)中，直線電機(jī)的動(dòng)子與滑架連接，利用了直線電機(jī)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。滑架采用焊接框架組合結(jié)構(gòu)，用于安裝氣浮軸承，可以實(shí)現(xiàn)5自由度的微位移調(diào)節(jié)，從結(jié)構(gòu)上保證了氣浮導(dǎo)軌水平位置的可調(diào)，使氣浮導(dǎo)軌的定位精度、剛度及速度等性能得到保證。

▲圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 滑架結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖3 滑槽結(jié)構(gòu)示意圖

2 滑架的設(shè)計(jì)

2.1 滑架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑架是可拆卸式氣浮導(dǎo)軌組件的重要運(yùn)動(dòng)部件，也是布置氣浮軸承的安裝載體。滑架的外形尺寸為：400 mm×380 mm×260 mm，如圖2所示。設(shè)計(jì)要求滑架的剛度性能好、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，并能夠完成不同數(shù)量氣浮軸承的布置。滑架由槽鋼與角鋼焊接而成，中間安裝有可拆卸滑槽，如圖3所示。通過滑槽的增減以及氣浮軸承在滑槽中位置的變化，可以安裝不同數(shù)量及不同類型的氣浮軸承，完成不同結(jié)構(gòu)氣浮導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。滑槽通過螺栓與滑架固定連接，在滑架的移動(dòng)方向上共設(shè)計(jì)有7列滑槽的安裝位置，實(shí)現(xiàn)氣浮軸承在縱、橫向的位置變化。此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠滿足邊長或直徑小于60 mm、厚度小于30 mm的各系列氣浮軸承布置的氣浮導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 氣浮軸承在滑架上的布局

在氣浮軸承的安裝分配布置時(shí)，需考慮由于溫度變化、加工誤差及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對氣浮軸承的氣膜間隙的影響，保持氣膜間隙的穩(wěn)定性。當(dāng)氣浮軸承傾斜時(shí)，會(huì)降低氣浮導(dǎo)軌的剛度，氣膜間隙越小，剛度對傾斜率的變化越敏感。氣膜間隙較小時(shí)，承載力對氣浮軸承的傾斜變化不敏感，氣膜間隙較大時(shí)，傾斜率越大，承載力也越大。設(shè)計(jì)氣浮導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)綜合考慮影響氣浮導(dǎo)軌性能的因素，筆者設(shè)計(jì)了對稱布局和非對稱布局兩種氣浮軸承的布局分配方式。

滑架上氣浮軸承的對稱布局，可以減少直線電機(jī)法向電磁力對系統(tǒng)的影響，為達(dá)到較好的支承剛度，采用對稱布局的全封閉結(jié)構(gòu)，并盡可能增大氣浮軸承的間距，如圖4所示。

滑架上氣浮軸承的非對稱布局是在單個(gè)方向上布置3個(gè)氣浮軸承，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了框架結(jié)構(gòu)，在保證剛度的情況下，降低運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量可提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。考慮到載荷及剛度的不同要求，可以在輔助方向選擇安裝不同數(shù)量或者不同大小的氣浮軸承，如圖5所示。

▲圖4 對稱布局分配

▲圖5 非對稱布局分配

2.3 氣浮軸承安裝支架的設(shè)計(jì)

閉式氣浮導(dǎo)軌安裝調(diào)試時(shí)，應(yīng)保證承載氣浮軸承和輔助氣浮軸承與靜導(dǎo)軌面之間的最佳氣膜間隙，通過計(jì)算，閉式氣浮導(dǎo)軌剛度要比單個(gè)開式氣浮導(dǎo)軌剛度高一倍。氣浮軸承可近似看作彈簧，閉式氣浮導(dǎo)軌就相當(dāng)于兩個(gè)彈簧的相互并聯(lián)，對整個(gè)氣浮導(dǎo)軌具有一定的氣膜預(yù)加載作用，在閉式氣浮導(dǎo)軌中，承載氣浮軸承的安裝支架為自準(zhǔn)式剛性連接，串聯(lián)彈簧的剛度為：

式中：K2為輔助支撐氣浮軸承的剛度；K3為串聯(lián)彈簧的彈性系數(shù)；K2′為輔助支撐面氣浮軸承與彈簧相串聯(lián)后的剛度。

由式（1）可知，通過改變串聯(lián)彈簧的彈性系數(shù)K3，

可以改變K2′的大小。利用彈簧的彈性變形自動(dòng)補(bǔ)償由溫度變化或?qū)蛎娴闹圃煺`差等引起的氣膜間隙的變化，可以影響導(dǎo)軌輔助支撐面的剛度，進(jìn)而影響整個(gè)閉式氣浮導(dǎo)軌的氣膜間隙變化。如某工作臺(tái)氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度要求為0.1 μm，按原有的支撐結(jié)構(gòu)，則氣浮導(dǎo)軌的兩導(dǎo)向面的不平行度誤差在0.4 μm以內(nèi)，如選取串聯(lián)彈簧適當(dāng)?shù)腒3值，取K1∶K2′=10∶1，利用彈簧的彈性變形補(bǔ)償氣膜間隙的變化，若工作臺(tái)產(chǎn)生0.1 μm的位移，則輔助支撐氣浮軸承允許的位移量為：

式中：K1為氣浮軸承的剛度。

3 氣浮導(dǎo)軌的承載力與靜態(tài)剛度分析

3.1 氣浮導(dǎo)軌承載力及靜態(tài)剛度的計(jì)算

氣浮導(dǎo)軌的承載力是氣浮導(dǎo)軌中每個(gè)氣浮軸承的承載力之和。每個(gè)氣浮軸承的承載力是工作面的壓力分布沿整個(gè)工作面的積分，則氣浮導(dǎo)軌的承載能力為：

式中：n為氣浮軸承的數(shù)量；p為供氣壓力；pa為環(huán)境大氣壓力。

氣浮導(dǎo)軌的剛度可由氣浮導(dǎo)軌承載力的變化相對于氣膜厚度的變化率求得：

式中：△W為承載力的變化量；△h為氣膜厚度的變化量。

3.2 氣浮導(dǎo)軌承載力與靜態(tài)剛度的分析

本文研究的氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)以氣浮軸承為研究對象，選取閉式氣浮導(dǎo)軌滑架的氣浮軸承平均氣膜間隙分別為6 μm、11 μm。當(dāng)氣浮導(dǎo)軌滑架承載氣浮軸承的工作間隙為h0時(shí)，則輔助氣浮軸承的工作間隙為hh0；氣浮導(dǎo)軌的承載力W是氣浮軸承在工作間隙為h0時(shí)的承載力W1與輔助氣浮軸承的承載力W2之差（即W=|W1-W2|）；當(dāng)氣浮導(dǎo)軌承載氣浮軸承的承載力最大時(shí)，則輔助氣浮軸承承載力最小，且二者方向相反，承載力互相抵消，承載力曲線如圖6、圖7所示，可以得到：當(dāng)h0=h-h0時(shí)，閉式氣浮導(dǎo)軌的承載能力為零；閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度高于組成的開式導(dǎo)軌的剛度，且閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度等于在同一處作用兩開式氣浮導(dǎo)軌的剛度之和。

圖8、圖9分別表示相同開式氣浮導(dǎo)軌組成的閉式氣浮導(dǎo)軌，分別取氣膜間隙為h=6 μm和h=11 μm的剛度對比可以看出，圖8所示的閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度比圖9中的剛度要高。因此，若h＞2h0時(shí)，閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度曲線是雙峰，如圖9所示；若h＜2h0時(shí)，閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度曲線是單峰，如圖8所示；當(dāng)h=2h0時(shí)，剛度曲線是單峰且最大剛度正好疊加，此時(shí)閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度最大。

▲圖6 h=6 μm時(shí)導(dǎo)軌承載力

▲圖7 h=11 μm時(shí)導(dǎo)軌承載力

▲圖8 h=6 μm時(shí)導(dǎo)軌剛度

▲圖9 h=11 μm時(shí)導(dǎo)軌剛度

在供氣壓力不變的情況下，閉式氣浮導(dǎo)軌存在一個(gè)最佳氣膜間隙。在安裝調(diào)試閉式氣浮導(dǎo)軌時(shí)盡可能調(diào)節(jié)到最佳氣膜工作間隙，獲得最大剛度。滑架與直線電機(jī)的動(dòng)子、光柵尺的讀數(shù)頭連接，直線電機(jī)動(dòng)子與定子間的間隙大小對直線電機(jī)的性能有很大的影響，間隙在安裝時(shí)是可以調(diào)整的。設(shè)計(jì)的滑架定位裝置在確保更換氣浮軸承時(shí)，滑架與氣浮導(dǎo)軌的相對位置要保持不變，保證直線電機(jī)及光柵尺的安裝精度，該定位裝置結(jié)構(gòu)操作簡單方便且效

果明顯。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可拆卸式整體氣浮導(dǎo)軌組件，導(dǎo)軌滑架采用框架組合結(jié)構(gòu)，可更換與安裝邊長或直徑小于60 mm、厚度小于30 mm的各系列多種型號和不同數(shù)量的氣浮軸承，實(shí)現(xiàn)對稱和非對稱全封閉結(jié)構(gòu)的布置。利用誤差均化原理，得出了在不同數(shù)量氣浮軸承的布置情況下，誤差均化作用對氣浮導(dǎo)軌性能的影響。設(shè)計(jì)了整體焊接組合式框架，以及多種數(shù)量、不同種類氣浮軸承在氣浮導(dǎo)軌滑架中的不同組合形式。同時(shí)分析了閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度及氣浮軸承安裝支架對閉式氣浮導(dǎo)軌剛度的影響，設(shè)計(jì)了輔助氣浮軸承安裝支架，改善了閉式氣浮導(dǎo)軌的剛度性能。

［1］盧志偉，劉波，張君安，等.精密空氣靜壓導(dǎo)軌組件的設(shè)計(jì)與分析［J］.潤滑與密封，2007（2）：165-167.

［2］劉偉.靜壓軸承自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（5）：80-83.

［3］熊聯(lián)友.多功能止推氣體軸承試驗(yàn)臺(tái)及微機(jī)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)［J］.潤滑與密封，2000（4）：50-51.

［4］李樹森.小孔節(jié)流方式對氣體靜壓軸承工作剛度影響的分析［J］.潤滑與密封，2000（4）：6-7.

［5］郭紅，李瑞珍，岑少起.超高速動(dòng)靜壓推力軸承特性優(yōu)化分析［J］.機(jī)床與液壓，2008（1）：4-5.

（編輯 丁 罡）

TH122

A

1000-4998（2015）08-0012-04

*陜西省教育廳專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（編號：12JK0692）

2015年2月