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。     

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。     

光学玻璃专用平面磨床工作台静压导轨设计

光学玻璃专用平面磨床是应用于激光技术、光电通讯、航空航天以及国防工业等领域大尺寸光学玻璃精密加工的专用机床。工作台所在轴的运动是加工辅助运动,其运动精度是影响加工精度的一个重要因素,通过创新设计确定了工作台与床身之间结构为直线电机驱动的双层静压导轨设计方案,力封闭直线电机驱动静压导轨和结构封闭的工作台闭式静压导轨双层结构之间采用弹性连接,有效地避开了直线电机驱动过程中电磁力等因素对工作台运动精度的影响,确保了光学玻璃专用平面磨床的加工精度。     

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。     

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...     

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.     

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。     

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 ...     

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.     

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.     

精密双层气浮直线电机动力学响应分析

高分辨率步进扫描投影光刻机中的精密双层气浮直线电机采用气浮轴承支撑,实现亚微米级定位的高速高精运动。考虑其气固耦合特性以及对运动精度产生的影响,通过有限元的方法建立了精密双层气浮直线电机的有限元模型。在该模型的基础上,应用模态叠加法分析了该系统在各种条件下的动力学响应,得到了在X、Y、Z三个方向的加速度响应曲线;同时,借助实验模态方法,验证了该系统动态响应,从而得到了该系统的谐振频率。仿真计算结果和模态实验结果的偏差小于10％,证明了该模型是正确有效的,为下一步的动态优化和控制设计打下基础。     

直线电机精密工作台扰动观测器设计

针对直线电机驱动、气浮导轨支撑的精密工作台没有机械阻尼、抗扰动性能差的特点,为了在较短的位置伺服周期内(110μs)抑制工作台上的线缆扰动以及直线电机推力波动的影响,提高工作台的轨迹跟踪精度,采用了基于精密工作台名义模型的方法设计扰动观测器,构成PD+扰动观测器的运动控制结构。通过实验,与没有扰动观测器的PD控制相比较,工作台静态定位精度提高了0.3μm,以120 mm/s匀速运动时工作台的轨迹跟踪精度提高了2μm。结果表明,该控制方法计算量小,抑制外部扰动效果好,有利于工作台综合性能的提高。     

直线电机驱动二维精密定位平台的设计研究

对直线电机驱动的两维大范围、高速、精密二维定位平台进行了总体设计,然后对导轨、直线电机和测量反馈系统进行了选型与计算,最后分析了二维定位平台的定位精度.样机测试结果表明,该平台在XY两个方向的定位精度基本满足设计要求,为系统标定与误差补偿提供了参考.     

Air-bearing position optimization based on dynamic characteristics of ultra-precision linear stages

Air-bearings are installed between the stator and the mover of ultra-precision linear stages to suppress vibration and mechanical contact. Spring-damping elements are used to emulate the complex interaction of the finite element model (FEM) developed in this paper and the system dynamic behaviors are analyzed. Through the experimental modal test, the validity and reliability of the model are proven. However, the dynamic characteristics including mode frequency, mode shape, and response amplitude are obviously changed with the position of air-bearings. The combined optimization method is used to optimize the air-bearings position. The best and worst positions are obtained using the dynamic characteristic analysis. The method can be generalized to the connection position of different components in manufacture elements and to implement the system dynamic characteristics optimization when the connection position can be changed.     

基于组合体的高速卧式加工中心滑架有限元分析

为了保证高速加工中心的加工精度和动态特性,必须对高速加工中心的滑架进行有限元仿真分析,检验滑架的设计是否符合要求并为滑架的优化设计提供依据。针对滑架的具体结构,利用基于组合体的滑架有限元模型进行简化,并施加作用力,利用组合约束方法对模型边界条件进行设置并对模型进行静力学和动态特性分析。通过对有限元分析结果进行对比分析,进一步验证了基于组合体滑架有限元分析的正确性与便利性。     

斜动子与塔形定子构成的单驱双动超声电机

针对两相超声电机对模态频率一致性要求高及单相超声电机难于实现双向运动等问题,提出了一种单相驱动双向运动斜动子塔形直线超声电机。动子相对于塔形定子倾斜安装,利用塔形定子的面内对称模态或面内弯曲模态为工作模态,通过切换工作模态改变定子驱动足运动轨迹相对于动子的倾斜方向,实现动子正、反向运动。在分析电机工作原理及设计原则的基础上,推导了电机运行的导轨倾角适用范围,对设计制作的原理样机进行了模态实验和机械特性测试。实验表明,在导轨倾斜角为35°,激励电压为500 V,预压为力4.5 N的条件下,面内对称振动模态工作时的最大空载速度为79 mm/s,最大输出力为0.5 N;面内弯曲模态工作时的最大空载速度为756 mm/s,最大输出力为0.8 N。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

悬浮滑块近似分析模型研究

建立了考虑气膜刚度、阻尼分布特征与非线性性质的浮动系统动态特性综合分析的近似模型，在此基础上得到了滑块的运动微分方程，并以此为依据研究了悬浮滑块的跟随性。     

基于ADAMS的推弹滑座与阻铁在不同倾角下的碰撞动力学分析

利用三维建模软件建立火炮扣机的三维实体模型,基于多体系统动力学理论,利用机械系统动力学软件ADAMS对火炮扣机的推弹滑座与阻铁碰撞过程进行了分析,定量地确定出随着倾角的增大,推弹滑座与阻铁的碰撞力变化情况.优化得出了碰撞力最小时的最佳倾角模型结构,在提高零部件刚强度及运动的可靠性方面提供了依据.     

Influence of Non-Gaussian-Distributed Surface Roughness on the Static Performance of Slider Bearings

An investigation on full fluid film lubrication assuming non-Gaussian-distributed surface roughness has been conducted. A typical slider bearing is chosen as the research object. Edgeworth expansion containing skewness and kurtosis is introduced to approximate the roughness density function. Using Christensen's stochastic roughness model, effects of roughness direction and non-Gaussian distribution properties on the working performance of slider bearings have been quantitatively analyzed. The results show that the variation range of working performance caused by skewness and kurtosis is up to 9.82%. Effects of skewness and kurtosis on the performance are nontrivial and should not be neglected. Compared to the Gaussian distribution, Edgeworth series can represent physical rough surfaces more accurately. Though the effects of skewness and kurtosis on the working performance are complicated, some laws can still be found. For example, large skewness decreases the load capacity, whereas large kurtosis reduces friction force. According to the results, we can choose certain machining processes that can produce the desired surface roughness.