音圈电机位移台模组

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精密定位是精密机械中的关键部件之一，它为微光刻技术、数控加工、生物技术、IC 封装设备、纳米表面形貌测量等领域提供一个能够实现精密定位和精确运动的载物平台，在先进的电子制造设备比如光刻机贴片机等，高性能的运动平台是其工作的主要机构。由于电子产品制造中产品的尺寸越来越小而精度却要求越来越高，因此满足高精度、高稳定性的运动平台对于先进电子制造装备的开发具有决定性意义。此外，在微型机电系统的制造和检测、光学测量加工领域、超精密机械加工、航空发动机测量制造都离不开精密定位技术。由于空气轴承的精度比滚动轴承高两个数量级，具有精度高、摩擦低、可以在极限工作环境下工作等等有点，因此在精密运动平台的设计采用气浮工作台方案成为理想选择。

精密定位平台按导轨形式可分为机械式、磁悬浮式和气浮式等，它是一个机电一体化系统，是集静压气体导轨技术、直线驱动技术、数控技术、动静态特性分析与优化、自动控制原理、测试与实验分析等多种技术于一体的综合技术，其中，控制系统是定位平台能否实现高速精度定位的关键。机械式导轨由于摩擦、死区等特性难以达到超精密的定位要求，而磁悬浮式和气浮式导轨因为没有摩擦，故能实现超精密定位。磁悬浮式导轨需要高性能的控制系统，制造成本较高，气浮式导轨则具有结构简单、质量轻便和设计灵活等优点。超精密气浮定位平台在工作中会受到驱动系统的冲击力、负载的惯性力、气体的脉动力等复杂载荷的作用，还会受到环境振动的干扰，对于需要微米、亚微米甚至纳米级定位精度的定位平台，如果其结构动力学特性设计不好，在工作中发生共振，将严重影响其定位精度。

精密气浮定位平台的主要构成部分，包括底座、导轨、气浮滑块和顶板等，采用直线电机驱动。定位平台的悬浮工作原理是在供气孔道中通入一定气压的压缩空气，气体经过节流孔在气浮滑块与导轨、底座的相对面中形成 10μm 左右的气膜并产生一定的悬浮力,气膜支撑气浮滑块与顶板组成的滑台作一维直线运动，当悬浮力与实验平台重量平衡时，这个运动平台处于稳定悬浮状态。当作为系统负载的气浮滑块发生变化或者有外界干扰时,系统本身通过改变气浮滑块与导轨之间的缝隙量改变悬浮力达到重新平衡；具有一定的自主调节能力。气膜支撑气浮滑块与顶板组成的滑台作一维直线运动。

滑台由气浮导轨和顶板组成，是作为精密定位的部件，承载需要作精密定位的零件或工具，并且光栅尺的读头也安装在顶板的侧面，所以对其也要进行高刚度的设计，因此通过利用三维建模软件Pro/E的参数化造型方法构造零件的三维模型，通过对三维零部件结构特征的修改，使机构的空间布局合理，以满足装配、制造等方面的要求。再将此模型导入 Ansys 中对所设计的平台进行静力学和动力学分析，以寻求设计参数的组合，进行有限元的模态分析，校核其动态刚度，并分析相关参数对结构刚度的影响，最终使超精密气浮定位平台满足动态刚度的要求。通过仿真分析和实验验证的方法研究小孔节流式静压空气轴承的几何参数对轴承性能的影响，得出轴承具有较高的承载能力、刚度和较小气体流量时各几何参数的合理比例，同时给出轴承设计和预测轴承内是否会出现超音速气流的简便方法。

气浮导轨是以气体为润滑剂支撑的导轨,具有高承载力、高刚度、高速度、高精度、无摩擦、无污染等优点,在精密机械中得到广泛的应用。气浮导轨作为气浮平台系统关键部件,其承载能力、刚度、稳定性与导轨结构,如节流孔直径、节流器分布、气膜厚度等密切相关。

为避免气浮面大、节流孔数量多使导轨的加工难度和制造成本增加、内部气体流出导轨的时间延长和灰尘、热变形以及外力作用致使导轨卡死的危险加大，需要对节流孔直径、数量、分布和气膜厚度进行优化，使导轨性能在满足要求的同时，气浮面积和节流孔数量最小，并通过仿真和实验证明计算结果可靠，气浮导轨的承载能力承受压力和扭矩满足设计要求。

气浮工作台配以直线电机直接驱动大大提高机床的加工能力,适应了高精密和高速度装备的发展需要,成为高精密和高速度技术研究的一个热点。对于直线驱动式高速精密气浮平台要求有很高的位置精度、较大的运行速度,并且能稳定运行,而气浮导轨结构和运动控制性能是影响气浮平台定位性能、速度以及加速度运动特性、稳定性的关键因素。针对气浮导轨摩擦阻尼小，容易产生振荡的特点，通过调整控制器中速度环参数，并在位置环中加入微分控制来改善系统的阻尼，从而提高平台的性能。在速度环中采用极点配置并加入适当的前馈补偿，使平台达到很高的加速度和定位精度。

针对当前商业化运动控制器封闭性的特点以及工作台双边直线电机的同步控制问题，在传统并联同步控制的基础上,重新设计基于速度同步偏差的同步误差补偿器,为了消除工作台运动过程中结构参数变化对控制性能的影响,采用模糊PID控制,在线自适应整定PID控制器参数。以满足高加速度高精度气浮定位平台对控制系统的可编程性和实时性的要求。系统中控制计算机用来对运动控制器下达运动参数，绘制运动曲线，以便对平台的性能做出评估。根据芯片封装运动特点编写的控制算法在运动控制器的高性能处理器中运行，可同时满足可编程性和实时性的要求。控制方法和控制参数的选取都影响着气浮平台系统的精度。

超精密气浮定位平台大多以花岗岩作为气浮台主要材料，花岗岩力学稳定性好,经过亿万年的天然力学平衡,其内应力基本上消失,内部结构稳定,能够长期保持较好的稳定性.花岗岩自身形状受温度影响非常小,热膨胀系数非常小,导热率也较低,因此对于周围环境的要求较低,同时花岗岩易于加工,吸震性好.相对于金属制品,不用考虑生锈,腐蚀等其他因素的影响。可以得到比较稳定的气浮机构,实现压缩空气从节流孔喷出时将超精密加工实验台均匀浮起的悬浮系统