带有高精度空气静压主轴的轴向定位设备.doc

带有高精度空气静压主轴的轴向定位设备
Tadahiko Shinshi, Toshiki Hayashi, Yusuke Inami, Hitoshi Hashizume, Kaiji Sato和 Akira Shimokohbe
精密与智能实验室，日本东京工业大学，4259长津田绿区横滨，226-8503，日本
一简介
为了节约空间 能源 和材料，开发出了很多类型的微型机床用于加工微小高精度的机械零件 [1-3].微型机床的下一个目标将是多轴和高精度加工.传统的多轴机床是由几个单一自由度限制叠加而成的过定位机制来限制设备自由度的运动[4]。但是，过定位机制不适合对于微型和精密运动的控制，是因为被许多单自由度定位机制和非执行机构配置与位移反馈传感器占用的空间累计所产生的效果。
在普通的立式铣床中，双自由度运动平台和主轴的垂直方向移动，通常是先组装几个单一自由度运动平台，铅制的螺栓，单自由度线性导轨，伺服电机和旋转编码器。自由度机制叠加的数量越大，执行机构所需的自由度运动机制越大.此外，定位仪表或主轴和位移传感器的位置搭配不对.这种不搭配可能会导致运动和加工误差.
建立一个多点非单一自由度的定位机制，是实现高精密加工和微型化的一个解决方案.因此只有一种机制是直接由几个全方位移动执行机构组成。
我们小组正在研究一种小型纳米机械工具（高精密立式铣床具有纳米定位的手段，可以放置在一个正常大小的工作台上。精简的纳米机械工具由一种新型的x-y-o运动坐标系统组成，其中悬浮的平面使用高压空气支撑，直接由六个带有三轴激光反射和空气静压主轴轴向定位器和气动马达组成的音圈电机驱动，普通精密主轴和单自由度定位机制不要求。
本文主要讲述的是制造一个高精度的空气静压主轴结合轴向定位精度测量仪和气动电机。对主轴的动态特性进行了评估。

2.空气静压主轴（主动轴）
主轴按规定如图一所示，主轴径向受到了来自轴承两边空气压力的支持.气静压轴承不仅支持主轴的径向运动，还同样作为主轴的轴向向线性导轨。由于压缩主轴之间间隙的气压和轴承受力平衡，主轴可以在没有摩擦的情况下旋转和滑动。因此，主轴轴向运动的自由度可以省略。
主轴的运动和轴向定位是通过主轴和线圈之间产生的洛伦兹力来完成的。通过调节线圈中的电流值的比例产生等比例的洛伦茨力还调节轴向方向的运动。洛伦茨力的反作用力在轴向方向推动主轴的运动.这样的驱动机制和音圈电机相同，但是他还可以保证正主轴的精确旋转。该空芯线圈的优点在于能通过铁芯和线圈之间来回运动产生的力从一个不平衡的位置拉到轴的径向，这个力是在轴向方向上最小的动力，大小等同于电磁铁的铁芯所有的力。但是，这个微小的动力或许并不是精密机械加工的一个主要缺点，因为这个操作并不需要多大的轴向力。
反馈控制是必要的，用来控制轴向方向主轴的位置.用激光干涉仪系统来测量主轴的轴向位移，将平面镜放置于主轴一端 以尽量减少镜子想旋转轴倾斜。Abbe原理和传感器和执行器之间的配置在主轴系统得到了很好的体现。
空气涡轮机用来旋转主轴，重量轻，结构紧凑，并能够通过主轴旋转产生的扭矩使之在轴向方向上移动。此外空气涡轮驱动器不仅只会产生很少量的力干扰轴向的的磁力驱动装置，还有冷却在绝热空气中膨胀的线圈的作用。所以主轴热膨胀就得到了抑制。空气涡轮机有8个叶片，涡轮机定子有两个喷嘴，对称放置旋转中心以取消径向力.

3.制造
如图2所示，加工好的主轴的长度和不含平面镜的主轴的直径分别为147.5mm和20mm.其重量包括平面镜在内是0.26公斤.轴心和空气轴承转子分别是由硅铝合金和氧化铝陶瓷制造而成。硅铝合金具有很高的抗压强度.转子加工精度达到亚微米且同心后焊接在轴心上。套筒和主轴之间的平均空气间隙为3微米。通过测量空气轴承和平面镜两侧的刚度分别为25N/μm和50N/μm，另外在1.7NL/min是空气压力位0.5MP.
从钕铁硼永磁中提取制作的圆柱，打磨后做成轴并轴向装配粘在轴心.空气涡轮机采用高强度铝合金制造，固定在轴心采用收缩配合。用激光干涉仪测量平面镜，有效直径为12mm，精确附着在轴端。平面镜的平面度为2.53nm开平方。
如图2（b）所示，在套筒内，有一对圈，每组357匝串联放置，使他们产生对立的磁通量。线圈电流由电流控制器放大，制动器产生了0.4N/A的安培力.
主轴的轴向定位范围设计为10mm。位移信号有一个简易的激光干涉仪测量系统（Zygo公司，ZMI中501）中发出，最高速度达到了28.4mm/s，最高分辨率达到了1.24nm,提供了一个反馈的信号。位置信号输入到服务台，并引用于25MHzDPS板来计算一个控制信号的采样周期为33千赫兹。高精度加工的平衡环 用于传感器的目标定位用于测量回转精度，安装在主轴的两端。平衡环侧面的圆度为0.11μm.

4.定位测试
主轴在轴向磁力方向受力，采用空气涡轮机 ，旋转可以超过15000转。通过电容式测位移传感器来量主轴的径向位移。从活跃的径向运动变化达到15000转的峰值的范围可以确定，在径向方向上NRRO约为23nm。
图4显示了主轴在轴方向运动1微米的变化曲线，而不是旋转地的主轴。使用高精度激光干涉测量系统和传递函数的相反的闭环系统测量得出，高速和超调没有取得明显的反应。±5毫米长的行程定位也得到了验证。
图5显示了在有无旋转情况下的轴向定位结果。显示的定位落差由于空气涡轮机受力不稳定从0rpm时1.2nm到15000rpm时24.7nm.为了改善高速定位手段，封闭系统的带宽需要扩展。
在主轴旋转或静止时，测量主轴套筒温度上情况如图6所示.这些数据说明了空气涡轮的冷却效果
。

5结论
一个高性能精密的带有轴向定位装置的气静压主轴制造和测试以实现小型纳米机床的设计。今后的工作将涉及多轴加工和x-y-o坐标系统的微型铣削和主轴加工。这个项目是由日本NEDO机构在02年为支持工业科技研究的资助计划。笔者有种感学米福田博士为主轴实验做出的贡献。