图

2

　气体止推轴承有限元计算流程图

Fig. 2

　

Finite element met hod flowchart of t hrust

air bearing

为流入空气轴承的气体量

, w

out

为流出空气轴承

的气体量 。

根据图 2 所示的计算流程 ,集成了工程计算

方法和有限元计算方法 ,设计了出空气轴承的计
算软件 。利用此开发工具 ,对工作台的一个四节
流孔止推轴承进行计算 ,将有限元的各节点压力
值绘制成三维图 ,得到的气膜压力场的三维分布
图如图 3 。

图

3

　压力分布图

Fig. 3

　

Pressure field dist ributio n

图 3 表明 ,小孔节流的止推轴承气膜压力场

呈马鞍状分布 ,节流孔处压力最高 ,空气轴承边缘
压力和外界环境压力相等 ,因此空气轴承具有比
较低的角刚度 。在设计轴承时 ,应合理的设置节

流孔的位置 ,以获得满意的角刚度 。

2. 2 　预加载技术

预加载技术是提高气浮导轨的承载能力和刚

度的有效途径 。气浮导轨的预加载方式有三种 :
气膜预加载 、

真空预加载和磁力预加载 。

气膜预加载是在支撑方向上设计两个相对的

气膜 ,从而产生预加载荷 ,使之具有承载双向载荷
能力和双向刚度 ,气浮导轨的稳定性比较好 。

真空预加载是在滑块的气浮工作面上设计一

个真空腔 ,靠真空负压把滑块吸附在导轨的气浮
面上 ,从而产生预加载荷 ,提高气浮轴承的刚度 ,
当浮力和吸力平衡时 ,形成稳定的工作气膜 。

磁力预加载是在导轨和滑套上镶嵌磁钢等永

磁体 ,靠磁场吸引力把滑块吸附在导轨的气浮面
上 ,形成磁力预加载 。

采用有限元计算方法和预加载技术 ,利用本

文设计的气浮导轨计算软件设计的直线电机 H
型气浮导轨运动平台如图 4 所示 。

图

4

　气浮工作台图片

Fig. 4

　

Air bearing stage

图 4 所示气浮工作台的双边导轨为

Y

导轨

,

中间横梁方向为

X

导轨 。工作台的

Y

导轨采用

闭式结构 ,在竖直方向和

X

方向均采用气膜预加

载技术来提高性能 。

X

导轨在竖直方向上以大

基面为气浮工作面 ,采用真空预加载技术 ; 在

Y

方向上采用气膜预加载技术 。

X

、

Y

导轨采用全

方向的预加载设计 ,获得满意的承载能力和刚度 。

2. 3 　气浮导轨静态特性试验

2. 3. 1 　

X

导轨竖直方向的静态刚度测试

加载方式 :竖直方向上依次静态加载 10 kg 、

20 kg 、

30 kg 、

40 kg 。第一组实验 :供气压力

p

s

=

2

4

5

1

　　　　　光学 　精密工程 　　　　　

第

15

卷