精密高剛度二維氣浮工作臺的設計與分析

(西安工業(yè)大學機電工程學院， 陜西西安 710021)

引言

隨著現代制造工程技術的飛速發(fā)展和科學技術的快速進步，我國對機械加工技術及加工精度提出了更高的要求，這也使得精密直驅氣體靜壓導軌組件有了進一步的研究及應用。精密直驅氣體靜壓導軌副是利用氣體潤滑原理而研制出來的精密機械組件，其將直線電機作為驅動元件，并利用壓縮氣體產生的壓力將動導軌懸浮起來和靜導軌實現零接觸，因此動靜導軌之間沒有機械摩擦，同時其借助氣膜的氣體誤差均化作用，能減小導軌表面輪廓誤差影響，使其能達到很高的運行直線度。氣體靜壓導軌還能產生很高的氣浮力，其結構簡單，設計靈活，且由于潤滑介質是空氣，比較清潔也不會產生發(fā)熱的現象。所以采用氣體靜壓導軌副作為二維氣浮工作臺的支撐元件為其實現精密直線運動奠定了技術基礎[1-2]。基于方箱的精密高剛度二維氣浮工作臺是通過對氣體靜壓導軌、氣體靜壓軸承的設計研發(fā)以及大量實驗檢測和調試的經驗基礎之上，設計的一種擁有高剛度、大承載以及精密運動直線度的二維工作臺，具有適應性強、應用場合廣、安裝維護方便的特點。對用于精密測量、精密加工的精密設備的運動直線精度、承載剛度、運行速度、行程、自動化程度和可靠性等方面都有著重要的指導和借鑒意義。

1 結構設計

1.1 總體方案設計

研究設計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軌與方箱一體化設計、氣動系統(tǒng)設計、驅動系統(tǒng)設計。總體設計主要是由精密方箱、X軸靜導軌、Y軸動滑架、直線電機、光柵尺組成。設計的二維氣浮工作臺是結合精密方箱自身的“高垂直度和高平面度”與氣浮導軌“無摩擦高精度”的優(yōu)點，并且直接采用直線電機直驅技術，方案以精密方箱為基準，以氣浮導軌作為支撐導向，以直線電機作為驅動裝置，光柵尺作為位置反饋裝置。研究主要對精密方箱與X、Y兩方向的氣浮導軌一體化組件進行設計和論證，并對氣浮導軌的承載力與剛度進行分析。精密高剛度二維氣浮工作臺總體結構如圖1所示。

1.X軸靜導軌 2.方箱 3.光柵 4.Y軸動滑架5.X軸直線電機 6.Y軸直線電機 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構中，X軸上直線電機的定子固定安裝在精調花崗巖平臺上，將直線電機的動子與精密方箱連接，從而實現X軸的直接驅動。Y軸上的直線電機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的定子，將直線電機的動子與滑架相連接，從而實現Y軸的直接驅動。

1.2 氣浮導軌與方箱一體化設計

1) 方箱與X軸氣浮導軌一體化設計

方箱是機械制造業(yè)中常用的計量器具，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。導軌副是一種關鍵的傳動系統(tǒng)部件，它是傳動系統(tǒng)運動的基礎。氣體靜壓導軌副是多種類型導軌副中的一種，它是利用導軌面之間的一層極薄的氣膜產生的氣浮力將動導軌懸浮起來從而實現零接觸，因此動靜導軌之間幾乎沒有摩擦，不易發(fā)生爬行，原理如圖2所示。氣體靜壓導軌副承載面的間隙內氣體壓力p的分布狀況能決定氣浮導軌副的性能。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)方程推導出來。根據氣浮導軌副間隙內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—— 直角坐標系中橫縱坐標

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—— 時間

p—— 氣膜壓力

圖2 氣浮導軌原理

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

圖3 閉式平面導軌

方箱與X軸氣浮導軌的一體化設計中，選用精密方箱組合設計，精密方箱各個面的加工平面度保證1 μm 以下。將方箱作為X軸方向氣浮導軌的動導軌，方箱尺寸為400 mm×400 mm×100 mm，X軸靜導軌總長為260 mm，總高為200 mm。方箱的邊長為400 mm，大于X軸靜導軌260 mm，從而使得方箱成為了X軸靜導軌的基準，有效行程為100 mm。氣浮導軌采用閉式平面導軌結構設計方案，如圖4、圖5所示，X軸靜導軌分為3層，將方箱作為動導軌閉合在中間，導軌工作時通過靜導軌向潤滑面通入氣體。根據氣體誤差均化效應當方箱與X軸靜導軌的平面度輪廓誤差在0.4 ～1 μm時，經過氣體誤差均化效應其運行直線精度理論能達到0.1～0.3 μm左右[4]。靜導軌的第3層與第2層，第2層與第1層之間采用螺釘連接，并可根據調節(jié)螺釘使每層靜導軌之間產生微位移來調節(jié)氣膜間隙，保證氣浮導軌的剛度。

圖4 方箱與X軸氣浮導軌一體化示意圖

圖5 X軸一體化方案結構原理圖

2) 方箱與Y軸一體化設計

方箱與Y軸氣浮導軌的一體化設計中，同樣是以精密方箱為基準，導軌的氣浮面的加工平面度保證1 μm 以下，與方箱和X軸一體化設計中不一樣的是，將方箱作為Y軸的靜導軌，將懸浮在方箱上的滑架作為動導軌，方箱尺寸為400 mm×400 mm×100 mm，Y軸動導軌總長為200 mm，總高為180 mm，方箱的邊長為400 mm，大于Y軸動導軌200 mm，從而使得方箱成為了Y軸動導軌的基準，有效行程為100 mm。滑架由三部分組成，分別為上氣浮塊、側氣浮塊和下氣浮塊，將精密方箱閉合在中間形成閉式氣浮導軌結構。上氣浮塊與側氣浮塊、側氣浮塊與下氣浮塊之間采用螺釘連接，可通過調節(jié)氣浮塊之間的螺釘產生微位移從而達到調節(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軸的導軌均以精密計量方箱作為基準，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軸氣浮導軌一體化示意圖

圖7 Y軸一體化方案結構原理圖

1.3 氣動系統(tǒng)設計

當氣浮導軌正常工作時，需要給氣浮導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]。

本氣浮工作臺設計把X、Y兩軸氣浮導軌供氣合二為一。為了保證氣浮工作臺在工作過程中的穩(wěn)定性，避免出現氣錘、激振等不穩(wěn)定現象，通入氣浮導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，由空氣壓縮機制備高壓空氣，經由過濾器進行水油過濾，再通過流量計和普通減壓閥進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精密減壓閥分別控制X、Y軸氣浮導軌的供氣壓力，實現氣浮工作臺的穩(wěn)定工作，原理圖如圖8所示。

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

1.4 驅動系統(tǒng)設計

本設計的試驗臺，是采用直驅技術，即利用直線電機的將電能直接轉換為直線運動機械能的驅動方式，中間沒有其他傳動裝置，因而能保證高直線運行精度[8]。從原理上看直線電機是回轉電機沿著圓柱截面展開其結構如圖9所示，當直線電機的動子繞組中通過交流電時會產生行波磁場，與定子的永磁體產生相互作用從而產生直線電磁推力。將X軸上直線電機的定子固定安裝在花崗巖平臺上，將直線電機的動子與精密方箱用螺釘連接，從而實現X軸的直接驅動。Y軸上的直線電機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定子的安裝位置，將直線電機的動子與滑架進行螺釘連接，從而實現Y軸的直接驅動。此種驅動方式避免了依靠機械接觸傳遞推力而產生摩擦、形變、間隙帶來的問題，提高了驅動效率和響應頻率，保證了工作臺的高直線運動精度。

圖9 直線電機工作原理

在本設計的技術指標中，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軸方向電機拖動的總重量為:

mx=70+50=120 kg

Y軸方向電機拖動的總重量為：

my=50 kg

空氣靜壓導軌副的摩擦系數約為0，所以摩擦可以忽略不計。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

選用直線電機型號TUI-030-C2、TUI-030-C1分別作為X軸和Y軸的驅動，滿足設計要求。

2 氣浮導軌的氣浮承載力和氣膜剛度分析

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

(2)

整體式氣浮導軌副的承載力為：

W=W2-W1

(3)

式中，ps—— 氣浮導軌氣膜的供氣壓力

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

經過工程估算，當供氣壓力為0.4 MPa，有效系數為0.25時，X軸氣浮導軌最大承載力為：

Wx=W2-W1=3570 N

Y軸氣浮導軌最大承載力為：

Wy=W′2-W′1=5625 N

氣浮導軌的氣膜剛度是導軌的承載力的變化與相對氣膜間隙的變化的比值，氣浮導軌系統(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

閉式氣浮導軌的氣膜剛度要比開式氣浮導軌氣膜剛度高很多，可以將氣浮導軌的氣浮塊支撐面看作彈簧，所以等效為2個彈簧串聯，對氣浮導軌也起到一個氣膜的預加載作用[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—— 氣浮導軌的總剛度

閉式氣浮導軌承載力與剛度原理圖如圖10所示。

圖10 閉式氣浮導軌承載力與剛度原理圖

3 氣浮導軌的靜態(tài)結構分析及動態(tài)檢查

氣浮工作臺要求有很高的運行直線度，經過初步計算設計好各部件尺寸后，需要對氣浮工作臺整體驗證尺寸設計的合理性，采用ANSYS workbench仿真軟件分別對氣浮工作臺的兩軸進行靜態(tài)結構仿真分析[13]。本設計的氣浮工作臺整體采用濟南青花崗巖材料，其主要物理參數如下：密度為3070 kg/m3，抗壓強度為257 MPa，彈性模量為120 GPa，吸水率0.6%，泊松比0.26。分別將Y軸氣浮導軌的靜態(tài)模型以及X軸氣浮導軌的靜態(tài)受力模型導入到ANSYS workbench中進行分析，添加約束和邊界調節(jié)，設置材料物理參數，可以直觀得到模型在最大載荷情況下的總形變云圖、總應變云圖和總應力云圖。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軌面，對整體影響幾乎沒有。導軌面的最大形變均在0.03～0.08 μm，而氣浮導軌系統(tǒng)的氣膜厚度一般控制在10～40 μm，所以導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變是1.18×10-6，其值非常小幾乎可以忽略不計；圖11c氣浮工作臺的最大應力為0.14 MPa，遠遠小于其抗壓強度。從仿真分析內容可以看出總形變、總應變、總應力均能滿足本設計氣浮工作臺的設計性能要求。本設計二維氣浮工作臺機械結構合理簡單，擁有精密直線運動精度，經過SolidWorks動態(tài)干涉仿真，當氣浮工作臺的兩軸均滿足最大行程時，沒有出現干涉現象，能滿足設計要求。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 仿真結果圖

圖12 Solidworks 動態(tài)干涉檢查

4 結論

設計了一種以精密方箱為基準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量方箱為基準，以精密計量方箱的高平面度、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。采用整體式氣浮導軌副的設計，提高了氣浮導軌的氣浮承載力和氣浮剛度。并根據氣浮誤差均化原理，采用高平面度的氣浮導軌和方箱設計，能使得氣浮導軌的運行直線精度最高化，達到精密直線運行的目的。同時通過仿真軟件的分析，對氣浮工作臺的靜態(tài)結構和動態(tài)干涉進行分析仿真，驗證了該氣浮工作臺設計的合理性和可行性，對氣浮導軌、氣浮工作臺的相關研究提供了新指導。