三坐标测量机气浮导轨引起的动态误差

目前，移动桥式坐标测量机三轴的运动导轨均采用空气静压气浮导轨，使用交流伺服电动机单边驱动，避免了双边驱动的高精度同步控制和复杂的结构． 但是单边驱动存在不足，由于桥架的质心随着滑架 Y 向移动和主轴 Z 向伸长而改变，驱动力不通过质心，这样测量机沿 X 向移动时将产生不对称惯性力． 同时由于气浮导轨的有限刚度，该惯性力会使整个桥架出现振动、变形和倾斜等现象，这些变形会通过横梁、主轴和其他部件传递到测头，引起测量机产生动态测量误差． 目前，尚无相关文献对三坐标测量机的平面气浮导轨弱刚度和单边驱动引起的动态测量误差的传递路径、影响因素和表现形式加以系统的研究［1 －4］． 本文将应用动力学知识对上述问题进行理论研究，并设计相应的实验加以验证．

1 气浮导轨工作原理及摩擦力特点

1. 1 气浮轴承工作原理

用于本文研究的 MC850 测量机，其结构如图1所示，三轴的运动导轨均采用空气静压气浮导轨，由定压源、节流器及静压支承三部分组成［5］.

气浮导轨工作原理示意图如图 2 所示，在相互运动的两平面间有一间隙 h( 一般为几个微米到几十个微米) ，在被支承件①的下平面上开有一定面积的气腔( 气腔的直径为 d1) ，气体经过节流器( 节流器直径为 d) 进入气腔，使被支承件①在气压的作用下浮在支承件②上，使被支承件①在其上滑动，从而构成气浮支承． 当高压气体以一定的压力 PB经节流器流进气腔时，其压力降为PS，然后从气腔经间隙 h 流出． 若气腔和间隙这两部分所具有的面积需要合理设计，则系统即能保持间隙 h 基本恒定不变而处于力平衡状态． 但当外负载 F 突然变大时，则间隙 h 立即减少． 因气体流经间隙的流量与间隙h的3次方成正比，所以流量将显著减少，导致 PS自动增大到与外负载 F 平衡为止．

从上述工作原理得知，气浮导轨气膜的厚度大于两摩擦面的几何不平度，气膜中形成纯流体摩擦，其摩擦阻力完全来至气体的粘性． 由于气膜中无固体摩擦，因此，气浮导轨具有可靠性及长寿命，又因为摩擦系数非常小，所以它的传动效率高，具有良好的速度适应性，并且由于气体的可压缩性及流动性，因此，其具有误差均化作用，可保持一定的精度． 气浮导轨的承载能力和气腔内的压力分布及承载面积有关．

测量机气浮导轨( 气垫) 根据其作用可分为承载气垫、导向气垫和压紧气垫． 图 3 为 X 向导轨气垫分布示意图( 俯视图) ． X 向导轨无驱动侧有 4 个气垫，上下各 2 个． 驱动侧有 6 个气垫，其中①、②、③为承载气垫，依靠它们承受整个移动桥的重量，并保持一定的工作间隙． 当移动桥沿 X向移动时，它们同时使桥框平行于 XY 平面运动，即限制在 Z 向的直线运动误差和绕 X、Y 轴的转动． ④、⑤为导向气垫，它们限制桥框在 Y 方向的直线度运动误差和绕 Z 轴的转动． 气垫⑥为预紧气垫，它使气垫④、⑤于导轨间有一定的预紧力．