气浮导轨性能测试实验台设计与分析

　　引言

　　在超精密加工领域中，总是希望驱动力或输入位移的微小变化就能使定位工作台有所响应，对超精密运动平台提出了更高的要求，如精度、运行速度和运行加速度等进一步提高，出现了基于气浮支承技术，以及直线电机驱动技术为载体的超精密工作平台。对超精密气浮定位平台的研究工作中，多是忽略了静压气浮轴承的安装位置对超精密平台的影响，需要对现有超精密平台提出优化方案、改进方法。

　　本文设计一种直线电机驱动的气浮导轨实验台机械结构。此实验台可更换与安装多种型号、不同数量气浮轴承，实现对称和非对称全封闭结构布置。满足对气浮轴承安装位置对平台系统性能影响的实验研究。

　　1 机械结构及工作原理

　　它由花岗石平台、气浮导轨、导轨支座、直线电机、光栅尺等组成。导轨支撑设计有调整结构。直线电机安装在导轨上，滑架是框架组合结构，设计有可拆卸滑槽，气浮轴承在滑槽中不同位置安装或者滑槽安装数量的增减，可以实现不同数量及不同种类气浮轴承的布局。该实验台( 如图 1 所示) 采用直线电机直接驱动。

　　通过对直线电机的控制，在运动系统中能够直接产生直线运动，实现了直接驱动气浮导轨的无接触驱动，从而完成不同结构布局导轨的实验测量。导轨间的工作介质是一层很薄的且厚度基本保持恒定不变气膜。具有近零摩擦和低热量产生等特点，直线电机驱动的气浮驱动平台集中体现了直线电机和空气轴承的优点，真正实现了无磨损直接驱动。

　　2 机械系统设计

　　2. 1 结构布局

　　总体结构采用封闭框架移动式。花岗石平台、花岗石直线导轨结构及花岗石支撑。直线导轨为闭式气浮导轨; 主轴采用高精度气浮主轴; 驱动机构采用了直线电机，消除了中间的传动机构，实现直接驱动。滑架为框架组合结构，用于安装气浮轴承。

　　2. 2 气浮导轨

　　导轨是精密机械运动中用来保证各运动部件相对精度的一个重要部件。本实验台组件采用空气静压进行设计，气浮导轨具有刚度高、振动小、无摩损、不易发生爬行、寿命长等特点。空气静压导轨是将具有一定压力的空气经过节流器送入导轨间隙，借助其静压使导轨悬浮起来，使导轨面之间形成一层极薄的气膜，且气膜厚度基本保持恒定不变的一种纯空气摩擦的滑动导轨。气浮轴承和承导面的间隙内气体压力 p 的分布状况能左右气浮块的性能决定压力分布的方程式可由气体动量方程、连续方程、能量方程和气体状态方程导出。根据其间隙内气体压力分布的方程式可以得出流体的雷诺方程式