Abstract ：

空气静压主轴是晶圆减薄设备的关键部件，其磨削晶圆的精度取决于空气静压止推轴承和径向轴承的静态性能。针对空气静压径向轴承在静态性能方面存在承载力小和刚度低等问题，研究了空气静压径向轴承结构参数对静态性能的影响。通过建立流体场数学模型和数值模型，对供气压力、平均气膜厚度、节流孔直径、节流孔个数以及节流孔轴向位置这几种因素对空气静压径向轴承静态性能的影响进行了研究，得出了相关因素与轴承承载力、刚度和耗气量的变化规律曲线，据此优选出空气静压径向轴承的最佳参数。通过对比，流体场数学模型计算结果与数值模型有限元分析结果误差为3%，验证了有限元仿真方法的准确性，为晶圆减薄设备空气静压径向轴承设计提供了理论依据。

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晶圆减薄 径向轴承 空气静压主轴 静态性能

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空气静压主轴作为精密超精密机床的关键部件，其回转精度高，运转平稳，振动及噪声较传统轴承小，高速回转时的温升较小.但其存在刚度和承载力较差的问题.因而，有必要对现有的空气静压主轴重要研究成果进行系统的总结及分析.回顾空气静压主轴的历史发展及研究成果，空气静压主轴的主要研究目的在于提高其承载力和刚度，改善动/静压特性以及稳定性等，并通过改进雷诺方程以及优化结构参数进行实现.同时其微尺度特性也成为研究的热点，研究结果表明，微尺度特性对于主轴的承载力以及刚度等具有重要影响.该研究从空气静压主轴的发展历程、静/动力学性能以及微尺度领域的黏度、速度滑移和稀薄效应等对空气静压主轴性能产生重要影响的因素进行综述和分析.结合现有的数值模拟方法，对主轴回转精度的测量和主轴运动状态进行了分析.最后，对空气静压主轴的研究发展趋势进行了预测.

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空气静压主轴 气体润滑 数值模拟 微尺度效应 动静态特性 回转精度

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As the key component of precision ultra-precision machine tools, the aerostatic spindle is characterized by high rotary accuracy, smooth operation, less vibration and noise than conventional bearings, and less temperature rise at high-speed rotation. However, it has poor stiffness and load-bearing capacity. Therefore, it is necessary to systematically summarize and analyze the existing important research results of aerostatic spindles. Reviewing the historical development and research results of aerostatic spindles, the primary research aims to improve the load capacity and stiffness, dynamic/static characteristics and stability of aerostatic spindles by improving the Reynolds equation and optimizing the structural parameters. At the same time, the microscale characteristics have also become a research hotspot, and the research results show that the microscale characteristics influence the load carrying capacity and stiffness of the spindle. The development history of aerostatic spindles, static/dynamic performance, and the factors that significantly affected the performance of aerostatic spindles, such as viscosity, velocity slip, and thinning effects in the microscale field was reviewed in this paper. Combined with existing numerical simulation methods, the measurement of spindle rotation accuracy and the state of spindle motion were analyzed. Finally, the research development trend of aerostatic spindles was forecasted. © 2023 Beijing University of Technology. All rights reserved.

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aerostatic spindle microscale effect rotary accuracy gas lubrication dynamic and static characteristics numerical simulation

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由于空气静压主轴气膜厚度处于微米级别，而主轴中的不平衡现象会影响轴承内的气膜厚度变化，因而需要对各微尺度影响因素综合考虑，并对影响主轴不平衡的各因素进行充分考虑才能真实反映主轴内的气膜流动状态，仿真出轴承的静态性能。充分考虑影响主轴不平衡的各因素并对传统雷诺方程进行修正，研究黏度、流量因子、速度滑移3个微尺度因子及转子偏心和制造误差对轴承静态性能的影响，并通过实验验证从而实现对空气静压主轴静态特性的真实预测和分析。结果表明：3个微尺度因子中，速度滑移对轴承气体压力分布影响最大，同时考虑3个微尺度因子时更能反映轴承气膜流动真实状态；转子偏心与制造误差耦合时，随转子偏心率增大，轴承中各节流孔附近的...

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静态特性 微尺度因子 转子偏心 制造误差

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针对空气静压主轴气膜刚度不高,在工作中易受自身及外部激励的影响,从而产生不平衡振动的现象,设计了一种基于压电陶瓷的可控空气静压径向轴承,研究了压电陶瓷的相关特性.结合气体主轴建立了轴承-转子-压电陶瓷的耦合模型,并在此基础上建立了基于扩张观测器的滑模控制器,同时将压电陶瓷综合控制器串联其中,在限制条件内利用控制器使压电陶瓷挤压气膜为主轴提供有效的主动控制力,从而抑制空气静压主轴的振动.研究结果表明,利用压电陶瓷对空气静压主轴系统的振动进行抑制取得了良好的效果,对于主要控制点可使其振动位移减小99.17％,对于次要控制点均有不同程度的减振效果,最多可减少94.36％.

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空气静压主轴 扩张观测器滑模控制 压电陶瓷 麦克斯韦模型 振动抑制 耦合模型

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随着空气静压主轴在超精密加工过程中的广泛应用,对主轴的运动精度的要求不断提高,如何准确预测和提高主轴运动精度是十分必要的。基于空气静压轴承的非线性动态特性,研究空气静压主轴的振动特性和预测模型,探索非线性动态特性分析对主轴回转精度的影响。首先,对空气静压径向轴承的动态特性进行分析,建立气膜动态流动模型,采用扰动法求解模型得到轴承的非线性动刚度与动阻尼系数。将空气静压轴承内的气膜作为弹簧阻尼系统建立轴承–转子系统,并通过动力学分析建立了轴承–转子的动态振动模型。将轴承的非线性动态特性参数引入振动模型,结合MATLAB对模型进行求解,得出了空气静压主轴径向跳动误差曲线、偏转误差曲线和径向总振动误差...

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振动误差 空气静压径向轴承 轴承–转子系统 非线性分析

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针对微尺度下空气静压主轴的动态特性问题,建立了体现稀薄效应的主轴有限元模型,对主轴的模态、谐响应进行了研究。首先,基于有限元法对主轴进行建模,轴承部分采用Combin14弹簧单元建模。接着,通过扰动法得出稀薄效应下以及传统情况下轴承的刚度、阻尼参数,将此参数替代主轴模态分析中采用的弹簧单元的刚度、阻尼参数,结合主轴实际工作状态,进而分析出两种情况下的主轴的模态结果。然后,对主轴进行谐响应分析,校核之前模态分析结果。最后,对主轴进行锤击模态试验,从而检验两种状态下的模态分析结果。实验结果表明:稀薄效应下分析所得主轴1阶固有频率值较试验测量值的误差只有3.6%左右,而传统情况下得出的1阶频率值的误...

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模态分析 空气静压主轴 动态性能 稀薄效应

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