(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西西安 710021)

引言

隨著現(xiàn)代制造工程技術(shù)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，我國對機(jī)械加工技術(shù)及加工精度提出了更高的要求，這也使得精密直驅(qū)氣體靜壓導(dǎo)軌組件有了進(jìn)一步的研究及應(yīng)用。精密直驅(qū)氣體靜壓導(dǎo)軌副是利用氣體潤滑原理而研制出來的精密機(jī)械組件，其將直線電機(jī)作為驅(qū)動元件，并利用壓縮氣體產(chǎn)生的壓力將動導(dǎo)軌懸浮起來和靜導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)零接觸，因此動靜導(dǎo)軌之間沒有機(jī)械摩擦，同時(shí)其借助氣膜的氣體誤差均化作用，能減小導(dǎo)軌表面輪廓誤差影響，使其能達(dá)到很高的運(yùn)行直線度。氣體靜壓導(dǎo)軌還能產(chǎn)生很高的氣浮力，其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈活，且由于潤滑介質(zhì)是空氣，比較清潔也不會產(chǎn)生發(fā)熱的現(xiàn)象。所以采用氣體靜壓導(dǎo)軌副作為二維氣浮工作臺的支撐元件為其實(shí)現(xiàn)精密直線運(yùn)動奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[1-2]?；诜较涞木芨邉偠榷S氣浮工作臺是通過對氣體靜壓導(dǎo)軌、氣體靜壓軸承的設(shè)計(jì)研發(fā)以及大量實(shí)驗(yàn)檢測和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)的一種擁有高剛度、大承載以及精密運(yùn)動直線度的二維工作臺，具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用場合廣、安裝維護(hù)方便的特點(diǎn)。對用于精密測量、精密加工的精密設(shè)備的運(yùn)動直線精度、承載剛度、運(yùn)行速度、行程、自動化程度和可靠性等方面都有著重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

研究設(shè)計(jì)的基于方箱的精密高剛度二維氣浮工作臺主要包括氣浮導(dǎo)軌與方箱一體化設(shè)計(jì)、氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)主要是由精密方箱、X軸靜導(dǎo)軌、Y軸動滑架、直線電機(jī)、光柵尺組成。設(shè)計(jì)的二維氣浮工作臺是結(jié)合精密方箱自身的“高垂直度和高平面度”與氣浮導(dǎo)軌“無摩擦高精度”的優(yōu)點(diǎn)，并且直接采用直線電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，方案以精密方箱為基準(zhǔn)，以氣浮導(dǎo)軌作為支撐導(dǎo)向，以直線電機(jī)作為驅(qū)動裝置，光柵尺作為位置反饋裝置。研究主要對精密方箱與X、Y兩方向的氣浮導(dǎo)軌一體化組件進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證，并對氣浮導(dǎo)軌的承載力與剛度進(jìn)行分析。精密高剛度二維氣浮工作臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.X軸靜導(dǎo)軌 2.方箱 3.光柵 4.Y軸動滑架5.X軸直線電機(jī) 6.Y軸直線電機(jī) 7.花崗巖平臺圖1 總體方案圖

在圖1所示的工作臺總體結(jié)構(gòu)中，X軸上直線電機(jī)的定子固定安裝在精調(diào)花崗巖平臺上，將直線電機(jī)的動子與精密方箱連接，從而實(shí)現(xiàn)X軸的直接驅(qū)動。Y軸上的直線電機(jī)定子安裝固定在精密方箱上，留有凹槽的滑架可安裝直線電機(jī)的定子，將直線電機(jī)的動子與滑架相連接，從而實(shí)現(xiàn)Y軸的直接驅(qū)動。

1.2 氣浮導(dǎo)軌與方箱一體化設(shè)計(jì)

1) 方箱與X軸氣浮導(dǎo)軌一體化設(shè)計(jì)

方箱是機(jī)械制造業(yè)中常用的計(jì)量器具，是有著高平面度、平行度、垂直度的六面體，常采用鑄鐵或花崗巖制成。導(dǎo)軌副是一種關(guān)鍵的傳動系統(tǒng)部件，它是傳動系統(tǒng)運(yùn)動的基礎(chǔ)。氣體靜壓導(dǎo)軌副是多種類型導(dǎo)軌副中的一種，它是利用導(dǎo)軌面之間的一層極薄的氣膜產(chǎn)生的氣浮力將動導(dǎo)軌懸浮起來從而實(shí)現(xiàn)零接觸，因此動靜導(dǎo)軌之間幾乎沒有摩擦，不易發(fā)生爬行，原理如圖2所示。氣體靜壓導(dǎo)軌副承載面的間隙內(nèi)氣體壓力p的分布狀況能決定氣浮導(dǎo)軌副的性能。決定其壓力分布的方程可由氣體動量方程、連續(xù)方程、能量方程和氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出來。根據(jù)氣浮導(dǎo)軌副間隙內(nèi)的氣體壓力分布方程可以得出流體的雷諾方程式:

(1)

式中,x，y—— 直角坐標(biāo)系中橫縱坐標(biāo)

η—— 氣體黏度

h—— 氣膜厚度

ρ—— 氣體密度

u,v—— 分別為x,y方向速度

t—— 時(shí)間

p—— 氣膜壓力

圖2 氣浮導(dǎo)軌原理

由于氣體靜壓導(dǎo)軌是采用空氣潤滑，潤滑介質(zhì)是空氣，空氣的黏性低，比較清潔，振動小，不會產(chǎn)生發(fā)熱的現(xiàn)象，基于這些優(yōu)點(diǎn)采用氣體靜壓導(dǎo)軌與精密方箱進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。氣體靜壓導(dǎo)軌有多種結(jié)構(gòu)形式，分為閉式平面導(dǎo)軌、閉式圓柱導(dǎo)軌、重力封閉式導(dǎo)軌、真空吸附平衡式導(dǎo)軌，其中閉式平面導(dǎo)軌在工作過程中由于工作臺產(chǎn)生的撓度比較小，因此理論上具有較高的運(yùn)行精度和剛度，承載力大，非常適合所述方案要求，如圖3所示。當(dāng)氣浮導(dǎo)軌工作時(shí)，產(chǎn)生的一定厚度的氣膜能均化導(dǎo)軌表面的輪廓誤差，經(jīng)過前人的實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證，氣浮導(dǎo)軌在通氣狀態(tài)下與無氣體潤滑狀態(tài)時(shí)相比其運(yùn)行直線度精度提高了約1倍，與靜導(dǎo)軌輪廓誤差相比精度提高了約2倍[3]。

圖3 閉式平面導(dǎo)軌

方箱與X軸氣浮導(dǎo)軌的一體化設(shè)計(jì)中，選用精密方箱組合設(shè)計(jì)，精密方箱各個(gè)面的加工平面度保證1 μm 以下。將方箱作為X軸方向氣浮導(dǎo)軌的動導(dǎo)軌，方箱尺寸為400 mm×400 mm×100 mm，X軸靜導(dǎo)軌總長為260 mm，總高為200 mm。方箱的邊長為400 mm，大于X軸靜導(dǎo)軌260 mm，從而使得方箱成為了X軸靜導(dǎo)軌的基準(zhǔn)，有效行程為100 mm。氣浮導(dǎo)軌采用閉式平面導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖4、圖5所示，X軸靜導(dǎo)軌分為3層，將方箱作為動導(dǎo)軌閉合在中間，導(dǎo)軌工作時(shí)通過靜導(dǎo)軌向潤滑面通入氣體。根據(jù)氣體誤差均化效應(yīng)當(dāng)方箱與X軸靜導(dǎo)軌的平面度輪廓誤差在0.4 ～1 μm時(shí)，經(jīng)過氣體誤差均化效應(yīng)其運(yùn)行直線精度理論能達(dá)到0.1～0.3 μm左右[4]。靜導(dǎo)軌的第3層與第2層，第2層與第1層之間采用螺釘連接，并可根據(jù)調(diào)節(jié)螺釘使每層靜導(dǎo)軌之間產(chǎn)生微位移來調(diào)節(jié)氣膜間隙，保證氣浮導(dǎo)軌的剛度。

圖4 方箱與X軸氣浮導(dǎo)軌一體化示意圖

圖5 X軸一體化方案結(jié)構(gòu)原理圖

2) 方箱與Y軸一體化設(shè)計(jì)

方箱與Y軸氣浮導(dǎo)軌的一體化設(shè)計(jì)中，同樣是以精密方箱為基準(zhǔn)，導(dǎo)軌的氣浮面的加工平面度保證1 μm 以下，與方箱和X軸一體化設(shè)計(jì)中不一樣的是，將方箱作為Y軸的靜導(dǎo)軌，將懸浮在方箱上的滑架作為動導(dǎo)軌，方箱尺寸為400 mm×400 mm×100 mm，Y軸動導(dǎo)軌總長為200 mm，總高為180 mm，方箱的邊長為400 mm，大于Y軸動導(dǎo)軌200 mm，從而使得方箱成為了Y軸動導(dǎo)軌的基準(zhǔn)，有效行程為100 mm。滑架由三部分組成，分別為上氣浮塊、側(cè)氣浮塊和下氣浮塊，將精密方箱閉合在中間形成閉式氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。上氣浮塊與側(cè)氣浮塊、側(cè)氣浮塊與下氣浮塊之間采用螺釘連接，可通過調(diào)節(jié)氣浮塊之間的螺釘產(chǎn)生微位移從而達(dá)到調(diào)節(jié)氣膜間隙的目的，保證氣浮滑架的剛度，如圖6所示。將X軸和Y軸的導(dǎo)軌均以精密計(jì)量方箱作為基準(zhǔn)，利用精密方箱的高垂直度、平行度、平面度，保證了X軸Y軸導(dǎo)軌的高垂直度以及各相對部件的高平行度，并提高了系統(tǒng)剛度，如圖7所示。

圖6 方箱與Y軸氣浮導(dǎo)軌一體化示意圖

圖7 Y軸一體化方案結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)氣浮導(dǎo)軌正常工作時(shí)，需要給氣浮導(dǎo)軌的氣路中通入潔凈、干燥、流量充足并且壓力穩(wěn)定的氣體，所以為了保證能持續(xù)提供高質(zhì)量的氣體，需要搭配一套高性能的氣動系統(tǒng)[5-7]。

本氣浮工作臺設(shè)計(jì)把X、Y兩軸氣浮導(dǎo)軌供氣合二為一。為了保證氣浮工作臺在工作過程中的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)氣錘、激振等不穩(wěn)定現(xiàn)象，通入氣浮導(dǎo)軌的氣體壓力值需要保持恒定。首先通過一套恒流恒壓供氣系統(tǒng)制備潔凈恒流恒壓氣體，由空氣壓縮機(jī)制備高壓空氣，經(jīng)由過濾器進(jìn)行水油過濾，再通過流量計(jì)和普通減壓閥進(jìn)行總體氣體流量的控制和氣體壓力的初步降壓。最后通過三通管分流到兩個(gè)精密減壓閥分別控制X、Y軸氣浮導(dǎo)軌的供氣壓力，實(shí)現(xiàn)氣浮工作臺的穩(wěn)定工作，原理圖如圖8所示。

1.空氣壓縮機(jī) 2.開關(guān)閥 3.儲氣罐 4.壓力表5.過濾器 6.流量計(jì) 7.普通減壓閥 8.精密減壓閥圖8 氣動原理圖

1.4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺，是采用直驅(qū)技術(shù)，即利用直線電機(jī)的將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動機(jī)械能的驅(qū)動方式，中間沒有其他傳動裝置，因而能保證高直線運(yùn)行精度[8]。從原理上看直線電機(jī)是回轉(zhuǎn)電機(jī)沿著圓柱截面展開其結(jié)構(gòu)如圖9所示，當(dāng)直線電機(jī)的動子繞組中通過交流電時(shí)會產(chǎn)生行波磁場，與定子的永磁體產(chǎn)生相互作用從而產(chǎn)生直線電磁推力。將X軸上直線電機(jī)的定子固定安裝在花崗巖平臺上，將直線電機(jī)的動子與精密方箱用螺釘連接，從而實(shí)現(xiàn)X軸的直接驅(qū)動。Y軸上的直線電機(jī)定子安裝固定在精密方箱上，留有凹槽的滑架可容下直線電機(jī)定子的安裝位置，將直線電機(jī)的動子與滑架進(jìn)行螺釘連接，從而實(shí)現(xiàn)Y軸的直接驅(qū)動。此種驅(qū)動方式避免了依靠機(jī)械接觸傳遞推力而產(chǎn)生摩擦、形變、間隙帶來的問題，提高了驅(qū)動效率和響應(yīng)頻率，保證了工作臺的高直線運(yùn)動精度。

圖9 直線電機(jī)工作原理

在本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)中，X軸和Y軸方向的最大速度均為0.02 m/s，最大加速度均為1.5 m/s2，Y軸氣浮滑架總重50 kg，X軸方箱總重70 kg，所以X軸方向電機(jī)拖動的總重量為:

mx=70+50=120 kg

Y軸方向電機(jī)拖動的總重量為：

my=50 kg

空氣靜壓導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)約為0，所以摩擦可以忽略不計(jì)。則X軸所需最大加速度推力為：

Fx=120×1.5=180 N

Y軸所需最大加速推力為：

Fy=50×1.5=75 N

選用直線電機(jī)型號TUI-030-C2、TUI-030-C1分別作為X軸和Y軸的驅(qū)動，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 氣浮導(dǎo)軌的氣浮承載力和氣膜剛度分析

所設(shè)計(jì)的氣浮導(dǎo)軌的承載力，是由工作承載面上每一部分的整體式氣浮導(dǎo)軌副的承載力相加，然后減去輔助面的承載力得到，整體式氣浮導(dǎo)軌副的承載力是在其氣浮面上的氣膜壓力分布沿整個(gè)氣浮面的積分計(jì)算得出的[9]，氣浮導(dǎo)軌的承載力為：

(2)

整體式氣浮導(dǎo)軌副的承載力為：

W=W2-W1

(3)

式中，ps—— 氣浮導(dǎo)軌氣膜的供氣壓力

pa—— 環(huán)境大氣壓力

A—— 氣膜表面的面積

W2—— 工作面承載力

W1—— 輔助面承載力

經(jīng)過工程估算，當(dāng)供氣壓力為0.4 MPa，有效系數(shù)為0.25時(shí)，X軸氣浮導(dǎo)軌最大承載力為：

Wx=W2-W1=3570 N

Y軸氣浮導(dǎo)軌最大承載力為：

Wy=W′2-W′1=5625 N

氣浮導(dǎo)軌的氣膜剛度是導(dǎo)軌的承載力的變化與相對氣膜間隙的變化的比值，氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的氣膜厚度一般控制在10～40 μm，以避免發(fā)生氣錘振動和減小耗氣量。氣膜剛度可由式(3)求得：

(4)

式中, Δw—— 承載力的變化量

Δh—— 氣膜厚度的變化量

閉式氣浮導(dǎo)軌的氣膜剛度要比開式氣浮導(dǎo)軌氣膜剛度高很多，可以將氣浮導(dǎo)軌的氣浮塊支撐面看作彈簧，所以等效為2個(gè)彈簧串聯(lián)，對氣浮導(dǎo)軌也起到一個(gè)氣膜的預(yù)加載作用[10-12]，其氣膜剛度為：

K=K1+K2

(5)

式中，K1—— 主要支撐的氣浮塊的剛度

K2—— 輔助支撐的氣浮塊的剛度

K—— 氣浮導(dǎo)軌的總剛度

閉式氣浮導(dǎo)軌承載力與剛度原理圖如圖10所示。

圖10 閉式氣浮導(dǎo)軌承載力與剛度原理圖

3 氣浮導(dǎo)軌的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析及動態(tài)檢查

氣浮工作臺要求有很高的運(yùn)行直線度，經(jīng)過初步計(jì)算設(shè)計(jì)好各部件尺寸后，需要對氣浮工作臺整體驗(yàn)證尺寸設(shè)計(jì)的合理性，采用ANSYS workbench仿真軟件分別對氣浮工作臺的兩軸進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析[13]。本設(shè)計(jì)的氣浮工作臺整體采用濟(jì)南青花崗巖材料，其主要物理參數(shù)如下：密度為3070 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為257 MPa，彈性模量為120 GPa，吸水率0.6%，泊松比0.26。分別將Y軸氣浮導(dǎo)軌的靜態(tài)模型以及X軸氣浮導(dǎo)軌的靜態(tài)受力模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中進(jìn)行分析，添加約束和邊界調(diào)節(jié)，設(shè)置材料物理參數(shù)，可以直觀得到模型在最大載荷情況下的總形變云圖、總應(yīng)變云圖和總應(yīng)力云圖。如圖11所示。

通過ANSYS workbench仿真分析可以看出，圖11a氣浮工作臺的最大形變?yōu)?.11 μm，并且是在滑架的最外部并非導(dǎo)軌面，對整體影響幾乎沒有。導(dǎo)軌面的最大形變均在0.03～0.08 μm，而氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的氣膜厚度一般控制在10～40 μm，所以導(dǎo)軌面的形變量相對于氣膜厚度是極其小的，對氣膜剛度的整體影響幾乎沒有；圖11b氣浮工作臺的最大應(yīng)變是1.18×10-6，其值非常小幾乎可以忽略不計(jì)；圖11c氣浮工作臺的最大應(yīng)力為0.14 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。從仿真分析內(nèi)容可以看出總形變、總應(yīng)變、總應(yīng)力均能滿足本設(shè)計(jì)氣浮工作臺的設(shè)計(jì)性能要求。本設(shè)計(jì)二維氣浮工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)合理簡單，擁有精密直線運(yùn)動精度，經(jīng)過SolidWorks動態(tài)干涉仿真，當(dāng)氣浮工作臺的兩軸均滿足最大行程時(shí)，沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，能滿足設(shè)計(jì)要求。如圖12分別為X、Y兩軸分別移動到極限位置的模擬圖。

圖11 仿真結(jié)果圖

圖12 Solidworks 動態(tài)干涉檢查

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種以精密方箱為基準(zhǔn)的精密高剛度二維氣浮工作臺，該工作臺的所有零部件位置都是以精密計(jì)量方箱為基準(zhǔn)，以精密計(jì)量方箱的高平面度、平行度、垂直度來保證了X、Y軸的單軸直線度和雙軸垂直度以及系統(tǒng)剛度。采用整體式氣浮導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)，提高了氣浮導(dǎo)軌的氣浮承載力和氣浮剛度。并根據(jù)氣浮誤差均化原理，采用高平面度的氣浮導(dǎo)軌和方箱設(shè)計(jì)，能使得氣浮導(dǎo)軌的運(yùn)行直線精度最高化，達(dá)到精密直線運(yùn)行的目的。同時(shí)通過仿真軟件的分析，對氣浮工作臺的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)干涉進(jìn)行分析仿真，驗(yàn)證了該氣浮工作臺設(shè)計(jì)的合理性和可行性，對氣浮導(dǎo)軌、氣浮工作臺的相關(guān)研究提供了新指導(dǎo)。