□ 卢志伟 □ 张旭忠 □ 魏明明

西安工业大学 机电工程学院 西安 710032

可拆卸式气浮导轨滑架组件的设计与分析*

□ 卢志伟 □ 张旭忠 □ 魏明明

西安工业大学 机电工程学院 西安 710032

设计了一种可拆卸式整体气浮导轨组件结构，该气浮导轨滑架采用框架组合结构，可更换多种型号及不同数量的气浮轴承，实现对称和非对称全封闭结构布置。研究了气浮轴承安装位置对平台性能的影响。研究表明：所设计的滑架定位装置能够保证在更换气浮轴承时滑架与气浮导轨的相对位置保持不变，定位装置结构简单、操作方便，对进一步提高气浮导轨对整个精密平台的性能具有重要的指导和借鉴意义。

气浮导轨 滑架 可拆卸式 刚度

超精密气浮工作平台一般采用直线电机驱动，在将电能直接转换成直线运动的动能时，不需要中间的动力传动装置，而是将直线运动直接传递给工作平台［1-2］。目前，工作平台的定位精度已从微米级延伸到纳米级甚至亚纳米级，采用直线电机直接驱动气浮导轨的高速高精度直线运动平台已成为现代科研的主流方向。

气浮导轨大多可以以单个气浮轴承按对称、非对称方式布置，并利用不同数量的气浮轴承组合成满足承载要求的气浮导轨，此种布置方法安装结构相对容易，拆装方便，载荷的调节简单［3-4］。由于单个气浮轴承承载能力有限，实际应用中，常采用两个及两个以上的气浮轴承来满足结构设计和承载要求，用于支承较大载荷的仪器设备［5］。笔者对可拆卸式气浮导轨组件进行了设计，并对其中气浮导轨滑架的承载力和静刚度进行了分析。

1 可拆卸式气浮导轨组件定位平台的总体设计

可拆卸式气浮导轨组件定位平台的总体设计由平

台、气浮导轨（包括气浮轴承和静导轨）、导轨支座、直线电机、光栅尺等组成，如图1所示，结合直线电机直接驱动以及气浮轴承的特点，总体结构采用卧式放置，运动部件采用气浮导轨支承。在图1所示的平台结构中，作为驱动动力的直线电机通过螺栓安装在静导轨中间的槽型结构中，直线电机的动子与滑架连接，利用了直线电机的特点实现直接驱动。滑架采用焊接框架组合结构，用于安装气浮轴承，可以实现5自由度的微位移调节，从结构上保证了气浮导轨水平位置的可调，使气浮导轨的定位精度、刚度及速度等性能得到保证。

▲图1 实验台总体结构示意图

▲图2 滑架结构示意图

▲图3 滑槽结构示意图

2 滑架的设计

2.1 滑架结构设计

滑架是可拆卸式气浮导轨组件的重要运动部件，也是布置气浮轴承的安装载体。滑架的外形尺寸为：400 mm×380 mm×260 mm，如图2所示。设计要求滑架的刚度性能好、质量轻、结构简单，并能够完成不同数量气浮轴承的布置。滑架由槽钢与角钢焊接而成，中间安装有可拆卸滑槽，如图3所示。通过滑槽的增减以及气浮轴承在滑槽中位置的变化，可以安装不同数量及不同类型的气浮轴承，完成不同结构气浮导轨的设计。滑槽通过螺栓与滑架固定连接，在滑架的移动方向上共设计有7列滑槽的安装位置，实现气浮轴承在纵、横向的位置变化。此种结构的设计，能够满足边长或直径小于60 mm、厚度小于30 mm的各系列气浮轴承布置的气浮导轨的实验研究。

2.2 气浮轴承在滑架上的布局

在气浮轴承的安装分配布置时，需考虑由于温度变化、加工误差及实验环境对气浮轴承的气膜间隙的影响，保持气膜间隙的稳定性。当气浮轴承倾斜时，会降低气浮导轨的刚度，气膜间隙越小，刚度对倾斜率的变化越敏感。气膜间隙较小时，承载力对气浮轴承的倾斜变化不敏感，气膜间隙较大时，倾斜率越大，承载力也越大。设计气浮导轨时应综合考虑影响气浮导轨性能的因素，笔者设计了对称布局和非对称布局两种气浮轴承的布局分配方式。

滑架上气浮轴承的对称布局，可以减少直线电机法向电磁力对系统的影响，为达到较好的支承刚度，采用对称布局的全封闭结构，并尽可能增大气浮轴承的间距，如图4所示。

滑架上气浮轴承的非对称布局是在单个方向上布置3个气浮轴承，结构设计中采用了框架结构，在保证刚度的情况下，降低运动件的质量可提高运动的平稳性。考虑到载荷及刚度的不同要求，可以在辅助方向选择安装不同数量或者不同大小的气浮轴承，如图5所示。

▲图4 对称布局分配

▲图5 非对称布局分配

2.3 气浮轴承安装支架的设计

闭式气浮导轨安装调试时，应保证承载气浮轴承和辅助气浮轴承与静导轨面之间的最佳气膜间隙，通过计算，闭式气浮导轨刚度要比单个开式气浮导轨刚度高一倍。气浮轴承可近似看作弹簧，闭式气浮导轨就相当于两个弹簧的相互并联，对整个气浮导轨具有一定的气膜预加载作用，在闭式气浮导轨中，承载气浮轴承的安装支架为自准式刚性连接，串联弹簧的刚度为：

式中：K2为辅助支撑气浮轴承的刚度；K3为串联弹簧的弹性系数；K2′为辅助支撑面气浮轴承与弹簧相串联后的刚度。

由式（1）可知，通过改变串联弹簧的弹性系数K3，

可以改变K2′的大小。利用弹簧的弹性变形自动补偿由温度变化或导向面的制造误差等引起的气膜间隙的变化，可以影响导轨辅助支撑面的刚度，进而影响整个闭式气浮导轨的气膜间隙变化。如某工作台气浮导轨运动直线度要求为0.1 μm，按原有的支撑结构，则气浮导轨的两导向面的不平行度误差在0.4 μm以内，如选取串联弹簧适当的K3值，取K1∶K2′=10∶1，利用弹簧的弹性变形补偿气膜间隙的变化，若工作台产生0.1 μm的位移，则辅助支撑气浮轴承允许的位移量为：

式中：K1为气浮轴承的刚度。

3 气浮导轨的承载力与静态刚度分析

3.1 气浮导轨承载力及静态刚度的计算

气浮导轨的承载力是气浮导轨中每个气浮轴承的承载力之和。每个气浮轴承的承载力是工作面的压力分布沿整个工作面的积分，则气浮导轨的承载能力为：

式中：n为气浮轴承的数量；p为供气压力；pa为环境大气压力。

气浮导轨的刚度可由气浮导轨承载力的变化相对于气膜厚度的变化率求得：

式中：△W为承载力的变化量；△h为气膜厚度的变化量。

3.2 气浮导轨承载力与静态刚度的分析

本文研究的气浮导轨结构以气浮轴承为研究对象，选取闭式气浮导轨滑架的气浮轴承平均气膜间隙分别为6 μm、11 μm。当气浮导轨滑架承载气浮轴承的工作间隙为h0时，则辅助气浮轴承的工作间隙为hh0；气浮导轨的承载力W是气浮轴承在工作间隙为h0时的承载力W1与辅助气浮轴承的承载力W2之差（即W=|W1-W2|）；当气浮导轨承载气浮轴承的承载力最大时，则辅助气浮轴承承载力最小，且二者方向相反，承载力互相抵消，承载力曲线如图6、图7所示，可以得到：当h0=h-h0时，闭式气浮导轨的承载能力为零；闭式气浮导轨的刚度高于组成的开式导轨的刚度，且闭式气浮导轨的刚度等于在同一处作用两开式气浮导轨的刚度之和。

图8、图9分别表示相同开式气浮导轨组成的闭式气浮导轨，分别取气膜间隙为h=6 μm和h=11 μm的刚度对比可以看出，图8所示的闭式气浮导轨的刚度比图9中的刚度要高。因此，若h＞2h0时，闭式气浮导轨的刚度曲线是双峰，如图9所示；若h＜2h0时，闭式气浮导轨的刚度曲线是单峰，如图8所示；当h=2h0时，刚度曲线是单峰且最大刚度正好叠加，此时闭式气浮导轨的刚度最大。

▲图6 h=6 μm时导轨承载力

▲图7 h=11 μm时导轨承载力

▲图8 h=6 μm时导轨刚度

▲图9 h=11 μm时导轨刚度

在供气压力不变的情况下，闭式气浮导轨存在一个最佳气膜间隙。在安装调试闭式气浮导轨时尽可能调节到最佳气膜工作间隙，获得最大刚度。滑架与直线电机的动子、光栅尺的读数头连接，直线电机动子与定子间的间隙大小对直线电机的性能有很大的影响，间隙在安装时是可以调整的。设计的滑架定位装置在确保更换气浮轴承时，滑架与气浮导轨的相对位置要保持不变，保证直线电机及光栅尺的安装精度，该定位装置结构操作简单方便且效

果明显。

4 结论

设计了一种可拆卸式整体气浮导轨组件，导轨滑架采用框架组合结构，可更换与安装边长或直径小于60 mm、厚度小于30 mm的各系列多种型号和不同数量的气浮轴承，实现对称和非对称全封闭结构的布置。利用误差均化原理，得出了在不同数量气浮轴承的布置情况下，误差均化作用对气浮导轨性能的影响。设计了整体焊接组合式框架，以及多种数量、不同种类气浮轴承在气浮导轨滑架中的不同组合形式。同时分析了闭式气浮导轨的刚度及气浮轴承安装支架对闭式气浮导轨刚度的影响，设计了辅助气浮轴承安装支架，改善了闭式气浮导轨的刚度性能。

［1］卢志伟，刘波，张君安，等.精密空气静压导轨组件的设计与分析［J］.润滑与密封，2007（2）：165-167.

［2］刘伟.静压轴承自控系统的动态特性［J］.清华大学学报，2000（5）：80-83.

［3］熊联友.多功能止推气体轴承试验台及微机动态测试系统［J］.润滑与密封，2000（4）：50-51.

［4］李树森.小孔节流方式对气体静压轴承工作刚度影响的分析［J］.润滑与密封，2000（4）：6-7.

［5］郭红，李瑞珍，岑少起.超高速动静压推力轴承特性优化分析［J］.机床与液压，2008（1）：4-5.

（编辑 丁 罡）

TH122

A

1000-4998（2015）08-0012-04

*陕西省教育厅专项基金资助项目（编号：12JK0692）

2015年2月