二维龙门式直线驱动气浮精密定位平台的运动特性研究

摘要

基于静压气浮支撑和直线电机驱动的气浮定位工作台是一种典型的精密机械结构。静压气浮支承因其具有精度高、寿命长、摩擦阻力小、清洁等优点，在精密、超精密测量和微纳加工等领域得到广泛应用。而直线驱动结构简单，刚度高，推重比大且不存在中间传递环节，极大的提高了加工效率和加工精度。
　　直线驱动气浮定位平台是一个机电一体化系统，它需要应用到静压气体导轨技术、直线驱动技术、数控技术和自动控制原理等多种技术，其中，气浮导轨的承载力和刚度决定了工作台能否正常和平稳的工作。而控制系统、定位精度的补偿和二维轮廓的研究则对工作台的定位精度和两轴的联合运动精度起到了很重要的作用。本文的目的是为了提高气浮工作台的定位精度，研究其二维运动轮廓误差和相关运动特性，为二维精密气浮定位平台的制造奠定良好的基础。本文主要采用数值仿真、机电联合仿真分析和实验研究相结合的方法对二维气浮定位工作台进行研究。主要研究内容包括:
　　1、对Y轴工作台的气浮导轨采用Fluent流体分析软件进行了流体仿真分析，得到了其不同供气压力与不同偏心率情况下压力、速度的分布图，以及偏心率和供气压力对气浮导轨承载能力和刚度的影响规律，并对气浮导轨的承载力和刚度进行了实验验证。
　　2、建立了二维气浮平台的运动控制系统模型，并采用MATLAB软件分别对两轴单独控制和两轴耦合控制状态下的二维运动轮廓精度进行了仿真分析。
　　3、以ADAMS为平台采用动力学仿真与控制分析相结合的方法，对二维气浮平台进行机电联合仿真，通过将气浮平台的机械结构和运动控制相结合，建立了其机电联合仿真模型，研究了控制参数Kpp、Kvp、Kvi对气浮工作台的位置、速度和加速度运动特性的影响规律。
　　4、设计单轴直线定位精度测量实验方案，测试本二维龙门式气浮平台的Y轴运动平台的定位精度。采用激光干涉仪对其定位误差进行分析，并通过间隙补偿与线性补偿的误差补偿方法对Y轴工作台定位精度进行了补偿，并采用球杆仪对X轴和Y轴的两轴联合运动精度进行了测试分析。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 静压气浮导轨技术

1．2．2 直线驱动控制技术

1．2．3 二维轮廓误差精度研究

1．3 课题来源、主要研究内容和特色

1．3．1 课题来源

1．3．2 本课题主要研究的内容

1．3．3 本课题的研究特色

第二 静压气浮导轨承载力分析和实验研究

2．1 气浮导轨研究的理论基础

2．1．1 气体静压润滑理论

2．1．2 气体润滑的分类

2．1．3 气浮导轨特点和相关的性能指标

2．2 静压气浮导轨的结构

2．3 静压气浮导轨的流体运动特性分析

2．3．1 仿真分析流程介绍

2．3．2 静压气浮导轨模型的建立和网格划分

2．3．3 模型假设和边界条件设定

2．3．4 仿真结果与分析

2．4 实验设计与分析

2．4．1 实验设计和原理

2．4．2 实验结果与分析

2．5 本章小结

第三章 二维直线驱动气浮平台控制系统建模和轮廓误差分析

3．1 二维直线驱动式气浮平台的单轴直线电机数学模型

3．1．1 直线电机的结构和运行原理

3．1．2 直线电机的数学模型

3．1．3 永磁直线同步电机解耦方程

3．2 直线驱动气浮平台单轴控制系统建模和仿真分析

3．2．1 直线电机单轴控制结构设计

3．2．2 气浮平台单轴控制系统控制参数对响应特性的影响

3．3 二维直线驱动式气浮平台的轮廓误差研究

3．3．1 直线电机运动轮廓误差建模

3．3．2 两轴独立控制时的轮廓误差分析

3．3．3 交叉耦合控制器的研究

3．3．4 两轴联合控制轮廓误差分析

3．4 本章小结

第四章 二维直线驱动气浮平台机电联合运动仿真分析

4．1 ADAMS／MATLAB联合仿真技术介绍

4．2 二维龙门式气浮平台机电联合仿真建模

4．2．1 二维直线驱动式气浮平台机械系统建模

4．2．2 直线驱动式静压气浮平台ADAMS模型边界条件的确定

4．2．3 二维龙门式直线驱动气浮平台的机电联合仿真模型建立

4．3 直线驱动式气浮平台运动学仿真分析

4．3．1 单轴运动路线规划设计

4．3．2 单轴直线驱动气浮平台仿真分析结果

4．3．3 两轴联合仿真轮廓误差精度分析

4．4 本章小结

第五章 二维气浮运动平台的定位精度测试补偿和二维轮廓误差实验研究

5．1 激光线性测长的原理

5．2 测试平台的搭建和调试

5．3 直线定位精度的测试和分析

5．3．1 直线定位精度测试的前期准备

5．3．2 定位精度的测量与分析

5．3．3 采用激光尺作反馈时的定位精度

5．4 直线定位精度的误差补偿和分析

5．5 误差补偿实验结果分析

5．6 二维轮廓精度的测量和分析

5．6．1 QC-10球杆仪介绍

5．6．2 球杆仪实验平台搭建

5．6．3 实验测试方法和步骤

5．6．4 数据的采集和分析

5．7 本章小结

总结与展望

参考文献

作者攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢