基于平面气浮导轨误差均化原理的轮廓仪研制

杨利霞

基于平面气浮导轨误差均化原理的轮廓仪研制

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近些年来，精密和超精密加工技术不断发展，这对精密测量仪器的精度、稳定性等方
面提出了更高的要求。基于气浮导轨的运动精度高、摩擦小、稳定性好等优点，其被广泛
应用到精密测量仪器中，轮廓仪即是精密测量仪器中的典型代表。探究气体误差均化效应
作用规律及设计新型Ｘ－Ｙ气浮运动平台成为如何提高轮廓仪测量精度需要研究的两个关
键问题，具有重要的理论和实际意义。
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根据物体表面形貌的形成规律，采用函数拟合的方法对物体平面轮廓进行模拟，得出
1 O6 c" ^1 |5 [! s8 B物体表面形貌的具体表达式，此作为后续计算的数据储备。

5 R: C  A. Z  Z4 w0 s根据气体润滑轴承的基本方程式Ｎ－Ｓ方程、雷诺方程及气浮导轨的运动状态可Ｗ推导
出平面气浮导轨的气体涧滑控制方程，并得出其相应的边界条件。设置动气浮导轨位置参
数，根据动气浮导轨平衡原理及动气浮导轨力学平衡条件列出力学一数学平衡方程。运用
有限差的数值计算方法对相关方程进行离散化，在公环境下进行编程，采用超松
弛迭代（ＳＬＯｉ？）法，首先计算动气浮导轨在理论气膜厚度条件下的承载力，再Ｗ此承载
) w0 O, E+ ?6 W( Q* Y8 E, `5 o力为初始条件，计算模拟物体表面形貌条件下的动导轨各个平衡位置参数值，之后运用最
# P* w5 u+ R6 F/ F+ O小包容法求出动导轨运动曲线的直线度误差值。根据无气体润滑状态动导轨运动原理，采
9 \8 W+ k; Z1 N9 t用两点支撑平衡原理的计算方法求出无气体润滑状态下动导轨平衡状态运动曲线，进而也
( c2 d; E9 G2 ?# ~! N; J得出其直线度误差。为了更进一步探巧气体的误差均化效应作用规律，分别计算了在不同
波长轮廓条件、不同理论气膜厚度条件及不同运动位移条件下的误差均化效果。
5 g' Y; f4 Z5 M; J0 ]; \0 ]* t为更大效果的发挥气体的误差均化效应，设计了新型Ｘ－Ｙ气浮运动平台，此结构简单，
5 X3 i& G# o* v运动平稳，实现方便。运动平台Ｗ丝枉导轨为导向机构，Ｗ气浮为支撑，Ｗ气浮轴承为推
动机构。首先对运动平台相关组件进行了选型及性能分析，之后，绘制关键部件零件图，
* C9 o; E% Z# d确定了加工工艺方案，制造成样机，并搭建实验测试平台。设计了承载力探究试验方案，
/ M& ^: j" ?" n5 u, ~9 P得出了承载力与气膜厚度关系规律；设计了运动误差探究实验方案，测试了不同供气压力
条件下气浮平台的运动轨迹，编制最小包容法程序，评定直线度误差，通过多沮实验数据
对比，得出在实际工况条件下最佳误差均化效果的供气压力值，这对后续实践具有重要意
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& ^6 O) E1 }8 i1 ?关键词：气浮导轨；误差均化；直线度；轮廓�崳�
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