基于自主气体轴承的大型光电精密仪器回转基准技术的研究

　　大刚度精密静压气体轴承是大型精密光电仪器中作为测量回转基准的核心部件。随着精密及超精密光机电技术的发展，对静压气体轴承的刚度、精度及稳 定性均提出更高和迫切的要求。特别是刚度，由于气体的可压缩性，给其提高带来很大的困难，也成为当前气体轴承领域的难点和热点之一。目前，提高轴承刚度方 法可分为传统改进型[1]，被动控制型[2]，主动控制型[3]，复合控制型[4]等。其中，尤以主动控制型最有应用前途。它既克服了传统轴承加工难度 大、提高刚度有限的难点，又避免了被动控制型结构一旦固定，控制规律固定，不能人为进行改变来适应变化工作条件的缺陷。采用主动控制法，人们可以通过改变 控制算法软件来自由调节轴承性能，适应各种变化的使用条件，使气体轴承朝可控化、智能化发展成为可能。但是，主动控制轴承存在着固有节流与主动节流参数不 匹配的问题。本文提出由固有节流与主动节流相结合的自主式静压气体轴承[5]，就是一种主动控制方案。它通过固有结构参数的优化，使主动节流的负载特性得 到改善，使刚度的提高可以主动调节，甚至实现无穷刚度。同时，回转精度也得到相应改善。

　　1 系统组成及原理

　　系统的组成见图1。在传统的小孔节流静压气体轴承中间相互垂直的平面中，布置有四个可控节流阀和两个检测轴位置变化的电容位移敏感器 (x,y)。当轴在某一工作点(e=e0)产生径向位移时，由相应位移传感器测出其大小变化(Δe)，送控制器，根据一定的控制算法产生控制信号，经放大 器放大后，送给控制阀。通过阀的可变节流作用(jx 变化)，改变气体压场的分布，从而控制气膜合力的大小和方向，抵御外载等各种干扰的影响，使轴接近或完全恢复到原有的工作点位置(Δe→0)气膜刚度即可 得到极大提高，在一定条件下甚至达到无穷(Δe=0)。

　　2 静压气体轴承固有节流参数的优化

　　2.1 优化准则

　　一般来说， 静压气体径向轴承的参数优化可以由不同的最优化准则来确定，如最大承载能力准则、最小流量准则及最大刚度准则等。本文以最大刚度准则设计固有节流轴承，用 有限元数值计算法优选参数。对径向圆柱轴承来说，共有 D，L，n(单排节流孔数)，l0，d0，h0，e 等七个轴承几何尺寸和sp ，ap 等气源及环境压力参数。其中，ap 是由环境决定，而sp 使用范围又受到气源条件及性能的限制，其值太高易产生气锤自激，太低使承载能力及刚度下降，一般选在 0.3-0.6M pa。因此，参数优化主要是几何参数为主了。由于径向轴承参数有 7 个之多，直接优选十分复杂，也不符合工程实际，本文采用把它们分成几个参数组合的方法，即：ε—偏心率(e /h0); e/40d n―总节流面积;l0/L―固定节流孔轴向位置比; L/D―长径比;h0―平均气膜径向间隙。按刚最大原则, 一般[5]取 L /D=1，l0/L=1/4，本文取 L=D=100mm，l0=25 mm。从加工及刚度角度考虑, 最终确定 d0=0.2mm。其它参数ε，n，h0等通过有限元计算分析对比，按刚度最大原则及工程可行性来确定。