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系統識別號 U0002-0510201810253700
中文論文名稱 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌之研製
英文論文名稱 Design and Development of a vacuum preloaded porous ceramic aerostatic slide
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 陳冠志
研究生英文姓名 Kuan-Chih Chen
學號 605350049
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-20
論文頁數 79頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-劉道恕
委員-陳盈同
委員-趙崇禮
中文關鍵字 摩擦  氣靜壓軸承  空氣軸承  氣錘  真空預壓  滑軌 
英文關鍵字 Friction  aerostatic bearing  air bearing  pneumatic hammer  vacuum preload  slide 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 精密定位平台現在於幾乎所有精密機械中都是必需的。液靜壓和氣靜壓軸承廣泛用於代替滾動軸承,以消除摩擦引起的非線性運動和磨損。與液靜壓軸承相比,氣靜壓軸承(氣體潤滑軸承)能夠以相對高得多的速度運行,能夠在非常高或非常低的溫度下運行,並且諸如空氣和氮氣的氣體在大氣中是無污染的。然而,氣腔式氣體軸承易受氣錘不穩定的影響。為了糾正這個缺點,本研究設計並開發了帶有和不帶真空預載的多孔式氣靜壓軸承。採用有限元法對設計的空氣軸承進行了數值模擬,研究了流場和壓力分佈。隨後製造空氣軸承並將其安裝在精密滑軌上。滑軌可以在98 N的負載下平穩運行,垂直剛度約為7 N / um。
英文摘要 Precision positioning stage is now a necessity in almost all precision machinery. Aerostatic and hydrostatic bearings are widely used to replace rolling element bearing to get rid of the friction induced nonlinearities and wear. In comparison to hydrostatic bearing, aerostatic bearing (gas lubricated bearing) is capable of at running at relatively much higher speeds, capable of operating in very high or very low temperature and gases such as air and nitrogen are non-polluting in the atmosphere. However, orifice-fed type of gas bearings are vulnerable to pneumatic hammer instability. To rectify this drawback, porous type aerostatic bearings with and without vacuum preload were designed and developed in this study. The designed air bearings were simulated by finite element method to investigate the flow field and pressure distribution. The air bearings were subsequently fabricated and mounted on a precision slide. The slide can operate smoothly under a load of 98 N with a vertical stiffness around 7 N/um.
論文目次 目錄
中文摘要 II
英文摘要 III
致謝 V
目錄 VIII
圖目錄 X
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 3
1-3 研究目的 5
第二章 文獻回顧與基礎理論 7
2-1 接觸式滑軌 7
2-2 接觸式軸承 9
2-3 氣靜壓滑軌 9
2-4 氣體軸承 12
2-4-1 氣體軸承分類 12
2-4-2 氣體軸承原理與比較 14
2-5 氣靜壓軸承應用 14
2-5-1 氣靜壓軸承應用 15
2-5-2 氣靜壓軸承之優劣勢 16
2-6 多孔陶瓷材料於軸承之應用 19
2-6-1 多孔性陶瓷製備及性能 19
2-6-2 多孔性陶瓷 21
2-7 真空預壓力 22
第三章 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承實驗 25
3-1 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承研究流程 25
3-2 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承設計初版 27
3-2-1 初版之預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承設計理念 27
3-2-2 初版軸承加工、組裝 29
3-2-3 初步實驗設備及方法 30
3-2-4 初步實驗結果 32
3-3 圓形預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承設計理念 34
3-3-1 進氣槽之參數設定 37
3-3-2 中心預壓孔之設計 37
3-3-3 多孔陶瓷設計 38
3-4 圓形預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承模擬 39
3-4-1 模擬參數設定 39
3-4-2 軸承模擬結果 41
3-5 圓形預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承實驗設備&方法 43
3-5-1 實驗設備 43
3-5-2 軸承剛性實驗方法 44
3-5-3 軸承流量實驗方法 45
3-5-4 軸承吸力實驗方法 46
第四章 預壓式氣靜壓軸承實驗結果與討論 48
4-1 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承實驗 48
4-1-1 軸承剛性實驗 48
4-1-2 軸承流量實驗 53
4-1-3 軸承中心吸力實驗 55
4-2 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承實驗結果與討論 56
4-3 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承改良與設計 57
4-3-1 圓形預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承 57
4-3-2 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承設計 59
4-3-3 預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承模擬 60
4-4 修改後氣靜壓軸承實驗結果與討論 61
第五章 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌實驗結果與討論 67
5-1 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌設計組裝 67
5-1-1 軸承座設計 67
5-1-2 單向靜氣壓軸承 68
5-1-3 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌組裝 69
5-1-4 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌之系統架構 71
5-2 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌實驗方法 72
5-3 預壓式多孔陶瓷氣靜壓滑軌實驗結果與討論 73
第六章 結論 75
參考文獻 77
圖目錄
圖2- 1 線性馬達與滾珠螺桿之荷重-誤差【2】 8
圖2- 2氣擠壓(Squeeze film)示意圖 12
圖2- 3氣動壓(Aerodynamic)示意圖 13
圖2- 4氣擠壓(Squeeze film)示意圖 13
圖2- 5於車削加工機上旋轉主軸之氣靜壓軸承 15
圖2- 6氣浮平臺示意圖 18
圖2- 7 動摩擦力與最大靜摩擦力關係圖 19
圖2- 8各種氣孔設計於氣浮軸承之表面氣壓分析 22
圖2- 9 有無多孔陶瓷之市售氣體軸承 23
圖3- 1預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承之設計流程 26
圖3- 2 有無配氣槽之軸承壓力分布圖【9】 27
圖3- 3預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承設計初版 29
圖3- 4組合後之軸承 30
圖3- 5空氣壓縮機 30
圖3- 6 UFR/L-02的調壓過濾閥 31
圖3- 7真空幫浦 31
圖3- 8初步實驗示意圖 32
圖3- 9初版軸承實驗 33
圖3- 10初版真空預壓氣靜壓軸承設計改良 35
圖3- 11初步圓形預壓多孔陶瓷氣靜壓軸承設計 36
圖3- 12初步圓形預壓多孔陶瓷氣靜壓軸承之C型槽 36
圖3- 13圓形預壓多孔陶瓷氣靜壓軸承設計 37
圖3- 14 流阻關係圖 39
圖3- 15 多孔陶瓷設計圖 39
圖3- 16軸承網格分佈圖 40
圖3- 17軸承剖面網格分佈圖 40
圖3- 18軸承網格品質量表 41
圖3- 19 陶瓷中心孔ψ2 mm之流場模擬(流阻: 3.846E+10 ) 42
圖3- 20陶瓷中心孔ψ2 mm之壓力分佈模擬 (a) 3.846E+10 (b) 5.769E+10 (c) 7.692E+10 42
圖3- 21電子秤 43
圖3- 22位移感測器之4頻道電子分厘卡顯示器 43
圖3- 23位移感測器之類比感測頭(DP-10) 44
圖3- 24軸承剛度測試示意圖 44
圖3- 25剛度測試實驗 44
圖3- 26軸承流量測試示意圖 45
圖3- 27 限制軸承出口面範圍示意圖 46
圖3- 28 不同內徑之環形壓克立罩 46
圖3- 29 壓克力罩安裝圖 46
圖3- 30軸承吸力測試示意圖 47
圖3- 31 軸承吸力實驗 47
圖4- 1不同進氣壓中各真空壓之荷重-間隙圖 50
圖4- 2不同進氣壓中各真空壓之荷重-剛度圖 52
圖4- 3軸承於水中之出氣狀況 54
圖4- 4中心預壓孔之平均氣流率 55
圖4- 5軸承出口面直徑-平均吸力關係圖 56
圖4- 6不同陶瓷中心孔徑之流場模擬圖 (a)2mm (b)6mm (c)8mm 58
圖4- 7不同中心孔徑之壓力分佈模擬圖 (a)2mm (b)6mm (c)8mm 59
圖4- 8修改後預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承 60
圖4- 9預壓式多孔陶瓷氣靜壓軸承修改後之模擬 61
圖4- 10不同進氣壓中各真空壓之荷重-間隙圖 63
圖4- 11不同進氣壓中各真空壓之荷重-剛度圖 65
圖4- 12修改前、後軸承出口流量比較圖 65
圖4- 13軸承出口面直徑-平均吸力關係圖 66
圖5- 1軸承座之透視圖 (a) Top (b) Side 67
圖5- 2軸承座組合示意圖 68
圖5- 3單向靜氣壓軸承 68
圖5- 4軸承組合圖 (a) Top (b) Side 69
圖5- 5 (a) 花崗岩滑軌 (b) 滑軌組裝示意圖 69
圖5- 6 (a) 光學尺 (b) 線性馬達 70
圖5- 7真空預壓氣靜壓滑軌設計爆炸圖 70
圖5- 8滑軌實驗系統架構圖 71
圖5- 9滑軌組裝實品 72
圖5- 10真直度實驗 73
圖5- 11滑軌水平方向上各點之偏移量 73
圖5- 12滑軌垂直方向上各點之偏移量 73
表目錄
表2- 1 氣體軸承比較表 14
表3- 1為軸承有無配氣槽之影響【9】 28
表3- 2中國砂輪之多孔陶瓷氣墊板參數 31
表3- 3初版軸承之負荷狀況 33
表3- 4初版軸承荷重時歪斜情況 33
表3- 5 流阻與多孔陶瓷參數關係 38


參考文獻 參考文獻
【1】 賴振平, “虛擬精密線性滑動平台剛性分析及動態模擬之研究”,國立雲林科技大學 機械工程系碩士論文, 2000
【2】 Y. Altintas, A. Verl, C. Brecher, L. Uriarte, G. Pritschow, “ Machine tool feed drives”, CIRP Annals - Manufacturing Technology 60 (2001) 779–796
【3】 J. Mao, H. Tachikawa, A. Shimokohbe, “ Precision positioning of a DC-motor-driven aerostatic slide system”, Precision Engineering 27 (2003) 32–41
【4】 黃華志,“工具機氣體靜壓軸承技術(1)”,中興大學工具機系統設計分析課程,2014
【5】 T. Horiuchi, K. Aono, H. Hiyoshi, “ Development of Aerostatic Bearing Spindle for Precision Machine Tools”, NTN Technical Review No.74, 2006
【6】 A. Charki, K. Diop, S. Champmartin, A. Ambari, “ Numerical simulation and experimental study of thrust air bearings with multiple orifices”, International Journal of Mechanical Sciences, April 2013
【7】 Z.Y. Deng, T. Fukasawa, and M. Ando, G.J. Zhang and T. Ohji, “ Microstructure and Mechanical Properties of Porous Alumina Ceramics Fabricated by the Decomposition of Aluminum Hydroxide”, J. Am. Ceram. Soc. , 84 [11] 2638–44 (2001)
【8】 J. H. She, Z. Y. Deng, J. D. Doni, T. Ohji, “Oxidation bonding of porous silicon carbide ceramics”, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 37 (2002) 3615 – 3622
【9】 蘇雅玲,“氣靜壓軸承是氣壓鋼及定位平台設計與控制之研究”, 國立成功大學機械工程學系, 2005
【10】 K. Erkorkmaz, J.M. Gorniak, D.J. Gordon, “ Precision machine tool X-Y stage utilizing a planar air bearing arrangement ”, CIRP Annals - Manufacturing Technology 59 (2010) 425-428
【11】 Aerotech, “Air Bearings Aid Assembly of Flat Panel Displays ”, ASSEMBLY , January 2004
【12】 K.Amano, S. Yoshimoto, M. Miyatake, T. Hirayama,“ Basic investigation of noncontact transportation system for large TFT-LCD glass sheet used in CCD inspection section ” , Precision Engineering 35 (2011) 58-64
【13】 蘇青森,“真空技術精華(Vacuum Technology) ”,五南出版社,2009
【14】 M. Zhang, Y. Zhu, G. Ren, G. Duan, G. Gao,“ Finite Element and Experimental Analysis on Micro-vibration of air bearing stage ” , Proceedings of MNC2007
【15】 W. Brian Rowe, “ Hydrostatic, Aerostatic and Hybrid Bearing Design ” , 1983
【16】 游積富,“氣靜壓超精密定位平台之驅動 系統配置及其微觀動態特性研究 ”, 淡江大學機電工程學系,2004
【17】 L. Licht﹐H.G. Elrod, “ An Experimental Study of the Stability of an Externally Pressurized﹐Gas-Lubricated Thrust Bearing”﹐Journal of Applied Mechanics﹐Trans. ASME﹐Series E﹐Vol.88﹐pp.25-30﹐March 1966
【18】 J.H. Eom, Y.W. Kim, I.H. Song, H.D. Kim,“Microstructure and properties of porous silicon carbide ceramics fabricated by carbothermal reduction and subsequent sintering process”, Materials Science and Engineering A 464 (2007) 129–134
【19】 A. Weiss, A. Saranli, E. Ghelman, D. Baldwin, “High Precision Gas Bearung split-axis stage for transport and constraint of large flat flexible media during processing” , US 7077019B2, Jul. 18, 2006
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