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  精密定位是精密機(jī)械中的關(guān)鍵部件之一，它為微光刻技術(shù)、數(shù)控加工、生物技術(shù)、IC 封裝設(shè)備、納米表面形貌測量等領(lǐng)域提供一個能夠?qū)崿F(xiàn)精密定位和精確運(yùn)動的載物平臺，在先進(jìn)的電子制造設(shè)備比如光刻機(jī)貼片機(jī)等，高性能的運(yùn)動平臺是其工作的主要機(jī)構(gòu)。由于電子產(chǎn)品制造中產(chǎn)品的尺寸越來越小而精度卻要求越來越高，因此滿足高精度、高穩(wěn)定性的運(yùn)動平臺對于先進(jìn)電子制造裝備的開發(fā)具有決定性意義。此外，在微型機(jī)電系統(tǒng)的制造和檢測、光學(xué)測量加工領(lǐng)域、超精密機(jī)械加工、航空發(fā)動機(jī)測量制造都離不開精密定位技術(shù)。由于空氣軸承的精度比滾動軸承高兩個數(shù)量級，具有精度高、摩擦低、可以在極限工作環(huán)境下工作等等有點(diǎn)，因此在精密運(yùn)動平臺的設(shè)計(jì)采用氣浮工作臺方案成為理想選擇。

   精密定位平臺按導(dǎo)軌形式可分為機(jī)械式、磁懸浮式和氣浮式等，它是一個機(jī)電一體化系統(tǒng)，是集靜壓氣體導(dǎo)軌技術(shù)、直線驅(qū)動技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、動靜態(tài)特性分析與優(yōu)化、自動控制原理、測試與實(shí)驗(yàn)分析等多種技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，其中，控制系統(tǒng)是定位平臺能否實(shí)現(xiàn)高速精度定位的關(guān)鍵。機(jī)械式導(dǎo)軌由于摩擦、死區(qū)等特性難以達(dá)到超精密的定位要求，而磁懸浮式和氣浮式導(dǎo)軌因?yàn)闆]有摩擦，故能實(shí)現(xiàn)超精密定位。磁懸浮式導(dǎo)軌需要高性能的控制系統(tǒng)，制造成本較高，氣浮式導(dǎo)軌則具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕便和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。超精密氣浮定位平臺在工作中會受到驅(qū)動系統(tǒng)的沖擊力、負(fù)載的慣性力、氣體的脈動力等復(fù)雜載荷的作用，還會受到環(huán)境振動的干擾，對于需要微米、亞微米甚至納米級定位精度的定位平臺，如果其結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性設(shè)計(jì)不好，在工作中發(fā)生共振，將嚴(yán)重影響其定位精度。

   精密氣浮定位平臺的主要構(gòu)成部分，包括底座、導(dǎo)軌、氣浮滑塊和頂板等，采用直線電機(jī)驅(qū)動。定位平臺的懸浮工作原理是在供氣孔道中通入一定氣壓的壓縮空氣，氣體經(jīng)過節(jié)流孔在氣浮滑塊與導(dǎo)軌、底座的相對面中形成 10μm 左右的氣膜并產(chǎn)生一定的懸浮力,氣膜支撐氣浮滑塊與頂板組成的滑臺作一維直線運(yùn)動，當(dāng)懸浮力與實(shí)驗(yàn)平臺重量平衡時，這個運(yùn)動平臺處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。當(dāng)作為系統(tǒng)負(fù)載的氣浮滑塊發(fā)生變化或者有外界干擾時,系統(tǒng)本身通過改變氣浮滑塊與導(dǎo)軌之間的縫隙量改變懸浮力達(dá)到重新平衡；具有一定的自主調(diào)節(jié)能力。氣膜支撐氣浮滑塊與頂板組成的滑臺作一維直線運(yùn)動。

 滑臺由氣浮導(dǎo)軌和頂板組成，是作為精密定位的部件，承載需要作精密定位的零件或工具，并且光柵尺的讀頭也安裝在頂板的側(cè)面，所以對其也要進(jìn)行高剛度的設(shè)計(jì)，因此通過利用三維建模軟件Pro/E的參數(shù)化造型方法構(gòu)造零件的三維模型，通過對三維零部件結(jié)構(gòu)特征的修改，使機(jī)構(gòu)的空間布局合理，以滿足裝配、制造等方面的要求。再將此模型導(dǎo)入 Ansys 中對所設(shè)計(jì)的平臺進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)分析，以尋求設(shè)計(jì)參數(shù)的組合，進(jìn)行有限元的模態(tài)分析，校核其動態(tài)剛度，并分析相關(guān)參數(shù)對結(jié)構(gòu)剛度的影響，最終使超精密氣浮定位平臺滿足動態(tài)剛度的要求。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究小孔節(jié)流式靜壓空氣軸承的幾何參數(shù)對軸承性能的影響，得出軸承具有較高的承載能力、剛度和較小氣體流量時各幾何參數(shù)的合理比例，同時給出軸承設(shè)計(jì)和預(yù)測軸承內(nèi)是否會出現(xiàn)超音速氣流的簡便方法。

 氣浮導(dǎo)軌是以氣體為潤滑劑支撐的導(dǎo)軌,具有高承載力、高剛度、高速度、高精度、無摩擦、無污染等優(yōu)點(diǎn),在精密機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。氣浮導(dǎo)軌作為氣浮平臺系統(tǒng)關(guān)鍵部件,其承載能力、剛度、穩(wěn)定性與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),如節(jié)流孔直徑、節(jié)流器分布、氣膜厚度等密切相關(guān)。

為避免氣浮面大、節(jié)流孔數(shù)量多使導(dǎo)軌的加工難度和制造成本增加、內(nèi)部氣體流出導(dǎo)軌的時間延長和灰塵、熱變形以及外力作用致使導(dǎo)軌卡死的危險加大，需要對節(jié)流孔直徑、數(shù)量、分布和氣膜厚度進(jìn)行優(yōu)化，使導(dǎo)軌性能在滿足要求的同時，氣浮面積和節(jié)流孔數(shù)量最小，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明計(jì)算結(jié)果可靠，氣浮導(dǎo)軌的承載能力承受壓力和扭矩滿足設(shè)計(jì)要求。

 氣浮工作臺配以直線電機(jī)直接驅(qū)動大大提高機(jī)床的加工能力,適應(yīng)了高精密和高速度裝備的發(fā)展需要,成為高精密和高速度技術(shù)研究的一個熱點(diǎn)。對于直線驅(qū)動式高速精密氣浮平臺要求有很高的位置精度、較大的運(yùn)行速度,并且能穩(wěn)定運(yùn)行,而氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制性能是影響氣浮平臺定位性能、速度以及加速度運(yùn)動特性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對氣浮導(dǎo)軌摩擦阻尼小，容易產(chǎn)生振蕩的特點(diǎn)，通過調(diào)整控制器中速度環(huán)參數(shù)，并在位置環(huán)中加入微分控制來改善系統(tǒng)的阻尼，從而提高平臺的性能。在速度環(huán)中采用極點(diǎn)配置并加入適當(dāng)?shù)那梆佈a(bǔ)償，使平臺達(dá)到很高的加速度和定位精度。

 針對當(dāng)前商業(yè)化運(yùn)動控制器封閉性的特點(diǎn)以及工作臺雙邊直線電機(jī)的同步控制問題，在傳統(tǒng)并聯(lián)同步控制的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計(jì)基于速度同步偏差的同步誤差補(bǔ)償器,為了消除工作臺運(yùn)動過程中結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對控制性能的影響,采用模糊PID控制,在線自適應(yīng)整定PID控制器參數(shù)。以滿足高加速度高精度氣浮定位平臺對控制系統(tǒng)的可編程性和實(shí)時性的要求。系統(tǒng)中控制計(jì)算機(jī)用來對運(yùn)動控制器下達(dá)運(yùn)動參數(shù)，繪制運(yùn)動曲線，以便對平臺的性能做出評估。根據(jù)芯片封裝運(yùn)動特點(diǎn)編寫的控制算法在運(yùn)動控制器的高性能處理器中運(yùn)行，可同時滿足可編程性和實(shí)時性的要求?？刂品椒ê涂刂茀?shù)的選取都影響著氣浮平臺系統(tǒng)的精度。

       超精密氣浮定位平臺大多以花崗巖作為氣浮臺主要材料，花崗巖力學(xué)穩(wěn)定性好,經(jīng)過億萬年的天然力學(xué)平衡,其內(nèi)應(yīng)力基本上消失,內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,能夠長期保持較好的穩(wěn)定性.花崗巖自身形狀受溫度影響非常小,熱膨脹系數(shù)非常小,導(dǎo)熱率也較低,因此對于周圍環(huán)境的要求較低,同時花崗巖易于加工,吸震性好.相對于金屬制品,不用考慮生銹,腐蝕等其他因素的影響?？梢缘玫奖容^穩(wěn)定的氣浮機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)壓縮空氣從節(jié)流孔噴出時將超精密加工實(shí)驗(yàn)臺均勻浮起的懸浮系統(tǒng)