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滑移及黏度对超精密气浮工作台性能影响研究

西安交通大学学报 2017年第11期51卷 63-70,143页

作者：陈东菊董丽华潘日范晋伟北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室北京100124

针对超精密气浮工作台内部微小间隙气体的性能展开研究,实现了微尺度下气体滑移及黏度对气浮工作台性能影响的分析。基于气体润滑理论和微尺度下气体滑移和黏度的研究,实现了气浮工作台内气膜流态模型的修正,利用有限差分法给出了雷诺... 详细信息

针对超精密气浮工作台内部微小间隙气体的性能展开研究,实现了微尺度下气体滑移及黏度对气浮工作台性能影响的分析。基于气体润滑理论和微尺度下气体滑移和黏度的研究,实现了气浮工作台内气膜流态模型的修正,利用有限差分法给出了雷诺方程的数值求解过程;通过求解修正模型,分析不同供气压强和气膜间隙下,滑移和黏度对气浮工作台性能影响的机理。研究结果表明:气体滑移和黏度会引起气浮工作台承载力的降低和气膜刚度的增大,但不会改变供气压强和气膜间隙对工作台的影响趋势,只是影响程度发生改变,当同时考虑滑移和黏度时,承载力比忽略时降低最多(约为21.95%),最大刚度比忽略时提升最大(约为15%)。滑移和黏度的存在使得气浮工作台的实际性能最优参数小于理想的最优性能参数,最优气膜间隙由原来的10μm变为6μm。最后,通过试验验证发现,同时考虑气体滑移和黏度时,气浮工作台的性能最接近实际工况,承载力的仿真曲线与试验曲线最吻合,刚度的试验值与仿真值的误差约为9.59%。

关键词：气浮工作台滑移黏度承载力刚度

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气浮工作台性能研究

气浮工作台性能研究

作者：牛童河南科技大学

学位级别：硕士

气浮工作台是精密设备的新型线性传动导向装置，其优点主要是克服了传统工作台响应滞后大、存在摩擦等不足，可在大规模集成电路制造、微机械加工、二维精细测量上广泛应用，代表着超精密、长行程的工作台的发展方向。目前，气浮工作台... 详细信息

气浮工作台是精密设备的新型线性传动导向装置，其优点主要是克服了传统工作台响应滞后大、存在摩擦等不足，可在大规模集成电路制造、微机械加工、二维精细测量上广泛应用，代表着超精密、长行程的工作台的发展方向。目前，气浮工作台的国内研究与国际水平存在差距，成果尚少。关于气浮工作台的静力学和动力学性能等方面的理论研究工作还相对较少，因此，本文主要就以下方面进行较全面的性能研究分析。首先根据气浮工作台在国内外研究现状，分析了该课题研究的重点和难点。遵循气浮支承的基本理论，建立了气浮工作台的数学模型，并运用有限差分法求解雷诺方程。其次，建立了气浮工作台的三维实体模型。针对气膜流场模型，利用FLUENT软件对气浮工作台进行静力学分析，获取其静力学性能参数（承载能力、静刚度），并分析几何参数对其静力学性能的影响。在静力学性能分析基础上，利用FLUENT软件的动网格功能，分析气浮工作台的动力学性能。设计用户自定义函数(UDF)，输入定义阶跃信号，仿真分析运动输出，获取动力学性能指标(上升时间、峰值时间),分析其几何参数对动力学性能的影响。最后进行实验分析，实验结果达到了预定的目标，且与仿真结果一致，证明了模型建立的正确性和有效性。研究结果表明气浮工作台几何参数和其静力学、动力学性能密切相关。其中，节流孔直径和气膜厚度越小，工作台的承载能力和气膜刚度越好;随着节流孔直径的增加，上升时间t r，峰值时间t p增加，对输入信号响应速度变慢。FLUENT软件适用于气浮工作台的性能分析与优化设计中。

关键词：气浮工作台有限差分法 FLUENT 静力学分析动力学分析

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基于方箱的气浮工作台控制系统稳定性分析

制造技术与机床 2022年第8期 178-184页

作者：朱思达卢志伟刘波张君安西安工业大学机电工程学院陕西西安710021

为了进一步开展对气浮静压导轨支承与直线电机驱动相互匹配稳定性研究,设计并研制了一种基于方箱的二维气浮工作台。二维气浮工作台以方箱为机构设计和装配基准可以有效提高其承载性能和运动精度,但由于整个气浮工作台摩擦阻尼小、负载... 详细信息

为了进一步开展对气浮静压导轨支承与直线电机驱动相互匹配稳定性研究,设计并研制了一种基于方箱的二维气浮工作台。二维气浮工作台以方箱为机构设计和装配基准可以有效提高其承载性能和运动精度,但由于整个气浮工作台摩擦阻尼小、负载惯性大而导致其控制系统稳定性较差,因而需对其系统的稳定性进行分析并提出其改进措施。论文基于气浮工作台建立了其直线电机数学模型并推导了其控制系统传递函数,采用Matlab对其伯德图进行计算和稳定性裕度分析并搭建了实验平台进行验证。结果表明:气浮工作台两轴向的电流环、速度环以及位置环的相角裕度均大于60°以及幅值裕度大于10 dB,满足系统稳定裕度要求从而保证了控制系统具有良好的稳定性;实验结果与仿真分析结果具有较好的一致性,验证了气浮工作台控制系统的稳定性。

关键词：方箱气浮工作台控制系统稳定性

玻璃基板光学检测仪器气浮工作台特性仿真研究

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现代制造工程 2018年第11期 107-111页

作者：权露陶晓杰张群张蓝合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009

针对2×2对称毛细管节流气浮工作台模型,运用Fluent数值仿真软件分析得到气膜区压力及速度分布、质量流量和承载力等特性,分析毛细管节流器间距、结构参数和供气压力对气浮工作台特性的影响。结果表明:不同节流器间距分布对质量流量影... 详细信息

针对2×2对称毛细管节流气浮工作台模型,运用Fluent数值仿真软件分析得到气膜区压力及速度分布、质量流量和承载力等特性,分析毛细管节流器间距、结构参数和供气压力对气浮工作台特性的影响。结果表明:不同节流器间距分布对质量流量影响不大,承载力随节流器间距增大而增大;节流器弯折角度变化对质量流量、承载力和静刚度影响不显著;质量流量和承载力随供气压力的增加而增加。分析结果为设计优化气浮工作台和实际工程需要提供了仿真数据参考。

关键词：气浮工作台毛细管节流静特性 Fluent数值仿真

基于单边驱动的精密气浮工作台之振动分析与抑制

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机床与液压 2004年第6期32卷 19-21,68页

作者：胡建兵周云飞朱红光胡科峰吴昊刘可照华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心湖北武汉430074

在精密气浮工作台中 ,经常采用单边驱动方式 ,它避免了复杂的同步运动控制 ,但由于质心偏置也容易引起振动和不稳定性。为了消除单边驱动所带来的不利影响 ,本文从导轨气膜刚度、共振频率等几个方面提出了消除振动和不稳定性的不良影响... 详细信息

在精密气浮工作台中 ,经常采用单边驱动方式 ,它避免了复杂的同步运动控制 ,但由于质心偏置也容易引起振动和不稳定性。为了消除单边驱动所带来的不利影响 ,本文从导轨气膜刚度、共振频率等几个方面提出了消除振动和不稳定性的不良影响的设计方法。

关键词：动力学振动气浮工作台精密运动

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三维表面粗糙度测量仪中应用的气浮工作台

液压与气动 2012年第10期36卷 5-7页

作者：贾晨辉牛童崔凤奎河南科技大学机电工程学院河南洛阳471003

测量平台运动精度是三维表面粗糙度测量仪中的关键技术。该文讨论了气浮工作台的设计方法,分析了承载能力和气膜刚度,推算出相应的计算公式,研制出能满足三维表面粗糙度测量仪精度要求的气浮工作台,具有十分重要的现实意义和可观的经济... 详细信息

测量平台运动精度是三维表面粗糙度测量仪中的关键技术。该文讨论了气浮工作台的设计方法,分析了承载能力和气膜刚度,推算出相应的计算公式,研制出能满足三维表面粗糙度测量仪精度要求的气浮工作台,具有十分重要的现实意义和可观的经济效益。

关键词：三维表面粗糙度测量气浮工作台

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旋转超声波钻削用气浮工作台的设计与实验

机械设计与制造 2016年第9期 108-110页

作者：刘礼平林彬房丰洲天津大学微纳制造中心天津300072 天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300072 天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室天津300072

旋转超声波加工是一种精密、有效的硬脆材料加工方法,为了获得最佳加工质量,旋转超声波钻削加工中,恒定、灵敏地控制工件与工具之间的静载荷至关重要。设计了一种新型的气浮工作台,用于恒定、灵敏地控制旋转超声波加工中的力。并且对比... 详细信息

旋转超声波加工是一种精密、有效的硬脆材料加工方法,为了获得最佳加工质量,旋转超声波钻削加工中,恒定、灵敏地控制工件与工具之间的静载荷至关重要。设计了一种新型的气浮工作台,用于恒定、灵敏地控制旋转超声波加工中的力。并且对比恒速和恒力两种进给方式下,旋转超声波钻削加工高纯氧化铝的加工孔出入口形貌、刀具形貌以及刀具磨损率。研究表明,采用气浮工作台的恒力进给方式可以延长刀具寿命,减小刀具磨损状况下的工件损伤。

关键词：工程陶瓷气浮工作台恒速加工恒力加工

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基于精密二维气浮工作台的自抗扰控制研究

基于精密二维气浮工作台的自抗扰控制研究

作者：周昊洋西安工业大学

学位级别：硕士

气浮工作台具有高速、高精度以及低摩擦等优点,被广泛的应用于航空航天、精密测量以及半导体等领域。由于气浮工作台在实际运行中容易受到外界扰动因素的影响,并且采用传统PID控制策略使其无法快速抑制扰动,导致气浮工作台的运动性能以... 详细信息

气浮工作台具有高速、高精度以及低摩擦等优点,被广泛的应用于航空航天、精密测量以及半导体等领域。由于气浮工作台在实际运行中容易受到外界扰动因素的影响,并且采用传统PID控制策略使其无法快速抑制扰动,导致气浮工作台的运动性能以及抗干扰性能较差。针对上述问题,本文的主要研究工作如下:1)探究了精密二维气浮工作台的结构与工作原理,根据坐标变换原理构建了d-q坐标系下的永磁同步直线电机(PMSLM)数学模型。针对气浮工作台自身特性,分析其扰动来源并建立气浮工作台干扰模型。基于Simulink软件搭建PMSLM仿真模型,为气浮工作台控制系统的设计奠定基础。2)针对气浮工作台存在多种扰动因素以及传统PID的局限性,设计了一种基于气浮工作台的线性自抗扰控制器。通过Simulink软件搭建了气浮工作台自抗扰控制仿真模型,并针对多种扰动因素进行了仿真分析。仿真结果表明,所设计的自抗扰控制器相较于PID控制,具有跟踪性能更高、抗扰动性能更强、稳定性更好等优点,适用于高精密控制要求的气浮工作台系统。3)根据气浮工作台的硬件组成,设计了基于GTS系列运动控制器的伺服控制系统,搭建了气浮工作台的驱动控制系统并进行调试。根据伺服系统需求,采用了Qt软件进行二维气浮工作台控制软件的设计;编写了登录模块、主界面模块、自检模块、运动控制模块和控制算法模块的驱动程序,完成控制软件的开发工作。4)为验证本文所设计的自抗扰控制器在气浮工作台上的实际控制性能,设计了单轴定位运动与双轴联动轨迹实验,并分别采用PID控制与LADRC进行实验验证。实验结果表明,通过采用本文所设计的LADRC算法,不仅降低了气浮工作台的稳态误差、提升了系统的动态性能,而且对于扰动的抑制能力更好,验证了算法的有效性。综上所述,本文以二维气浮工作台为研究对象,针对PID控制在气浮工作台中存在的抗扰动性能差等问题,采用自抗扰控制方法并进行深入研究。研究结果表明,所设计的自抗扰控制算法相比PID控制具有明显优势,不仅有效地降低了扰动对气浮工作台的影响,而且提升气浮工作台的运动控制性能。为提升气浮工作台的控制性能奠定了良好的基础,为相关领域的研究和发展提供借鉴和参考。

关键词：气浮工作台直线电机自抗扰控制扰动抑制稳定性

气体流场作用下直线驱动二维气浮工作台的振动特性研究

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气体流场作用下直线驱动二维气浮工作台的振动特性研究

作者：李巍广东工业大学

学位级别：硕士

直线驱动气浮工作台具备摩擦低、传动环节少的特点,其精度比传统的机械式工作台高两个数量级,因此成为精密运动平台的首选。气膜流场内的漩涡和压力不均匀会引起工作台的微振动现象,虽然目前气浮工作台已经应用于精度高达38nm的光刻机... 详细信息

直线驱动气浮工作台具备摩擦低、传动环节少的特点,其精度比传统的机械式工作台高两个数量级,因此成为精密运动平台的首选。气膜流场内的漩涡和压力不均匀会引起工作台的微振动现象,虽然目前气浮工作台已经应用于精度高达38nm的光刻机扫描定位工作台,但是随着技术的发展,对气浮工作台的精度要求不断提高,微振动现象已经成为气浮工作台向更高精度发展的掣肘。本文从CFD计算法分析工作台气体流场、谐响应法分析气体流场作用下下工作的振动响应、气浮工作台的振动信号分析三个方面入手,对气体流场下气浮工作台的振动特性展开研究,主要内容包括：1、从流致振动的原理入手,研究气膜的气体流场对气浮工作台微振动的影响机理。采用单因素分析法,通过分析不同节流孔结构形式、节流孔直径、气膜厚度和供气压力下气膜的流场状态,以研究节流孔结构形式、节流孔直径、气膜厚度和供气压力对气浮工作台微振动的影响。2、建立气膜与气浮工作台的振动分析模型,推导气膜刚度公式,对工作台进行静态刚度检测试验以验证气膜刚度计算模型的正确性,根据相应结果对气膜抗振性能的影响因素进行研究。3、通过模态叠加谐响应分析法获取在气体流场作用下气浮工作台的振动响应特性,根据气浮工作台的设计要求,气浮工作台振动的最大幅值不能超过2μm,根据谐响应分析结果对气浮工作台进行结构优化,使气浮工作台的振幅达到精度要求。4、建立气浮工作台的振动信号采集系统,采集不同供气压力和气膜厚度下工作台的振动信号,根据实验结果分析供气压力和气膜厚度对振动强度的影响,并与理论结果进行对比验证。提出了用HHT变换提取振动信号特征参数的方法,通过分析在供气前和供气压力后的工作台振动信号的IMF分量、Hilbert谱和Hilbert边际谱,研究气浮工作台振动信号的特征参数。本文的研究工作揭示了气体流场引发气浮工作台微振动的机理,阐明了气浮工作台微振动的的影响因素,研究了气体流场作用下气浮工作台的振动响应,对采集的振动信号做了特征参数分析,为提高气浮工作台的振动性能提供了理论依据。

关键词：气浮工作台微振动漩涡振动响应 HHT变换