CN100590389C - 一种立式直线基准方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种立式直线基准方法与装置属于精密仪器与测量技术领域；在全封闭立式气浮导轨的可动部件和固定部件之间引入固体相，与可动部件保持同步运动，以软摩擦形式单侧或双侧作用于固定部件对应的气浮工作表面上，接触压力为F₂，可动部件处于开式或闭式支承状态；在气膜支承力F₁大于接触压力F₂条件下，对F₁、F₂进行参数优化并将气膜支承力和接触压力进行对应的调整；其装置中固体相配装在气膜内部或外部；本发明在保留气浮导轨原始精度的前提下，显著增强了气浮导轨的支承刚度和抗干扰能力，提高了运动稳定性和定位稳定性。

Description

一种立式直线基准方法与装置

技术领域

本发明属于精密仪器与测量技术领域，特别涉及一种立式直线基准方法与装置。

背景技术

气浮导轨在立式状态下使用时，常被作为高精度立式直线基准应用于精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中。目前常用的立式气浮导轨主要由气浮导套和导轨立柱组成，在气浮导套和导轨立柱之间构建气膜间隙以形成气体支承和润滑后，在电机等驱动系统的作用下，气浮导套及置于其上的负载沿导轨立柱上下运动。该结构形式的气浮导轨在使用中存在如下几个问题：一是径向支承刚度较小、抗干扰能力差，因此在有冲击和扰动时，X向和Y向气膜厚度产生微量变化，表现为运动部件的微“颤动”；二是气浮导轨系统内由于气膜紊乱引起运动部件中、高频微振动导致运动系统直线运动轨迹不平滑，运动重复性较差；三是运动部件处于定位状态时，因内外扰动使得运动系统定位稳定性和可靠性较差，尤其在沿导轨立柱方向上存在随机的微“颤动”。上述问题极大地限制了立式气浮导轨的应用和制约了其性能指标的进一步提高。

为解决立式气浮导轨刚度低、抗干扰能力弱的问题，国内外学者和工程技术人员做了很多有益尝试，分别研制出被动补偿式膜压导轨、主动内部节流空气静压导轨、表面节流空气静压导轨、静压控制节流器空气静压导轨、电控节流空气静压导轨、排气控制空气静压导轨等新型空气静压导轨。这些导轨都是在结构上采取一些控制措施，以获得较高刚度或可控刚度，但它们的结构较复杂，控制和调节比较繁琐，可实施性较差，效果也不明显。国防科技大学提出一种采用多孔质节流的新型空气静压导轨，其基本原理为利用多孔质材料的微结构进行节流，同时在导轨表面设置与多孔质节流器相连通的浅沟槽，利用沟槽的阻抗形成二次节流，达到提高空气导轨刚度和承载能力的目的，但多孔质轴承制造比较复杂，且容易阻塞。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出一种立式直线基准方法，该方法通过构建一个四面环抱式全封闭立式气浮导轨并在该导轨的可动部件和固定部件之间引入固体相，利用固体相的软支承和其与固定部件表面适度的机械摩擦形成阻尼环节，并通过优化设计方法，达到在最大程度地保留气浮导轨原始精度的前提下，实现显著提高导轨的支承刚度和抗干扰能力，以及提高系统运动稳定性和定位稳定性的目的。本发明还提供了一种基于上述方法的立式直线基准装置。

上述目的通过以下的技术方案实现：

一种立式直线基准方法，该方法包括以下步骤：

(1)、首先构建一个四面环抱式全封闭立式气浮导轨作为直线导向基准，并在导轨中充入压力气体使可动部件围绕固定部件完全浮起，可动部件所受气膜支承力为F₁；

(2)、在所述气浮导轨的可动部件和固定部件之间引入固体相，该固体相与可动部件保持同步运动，并以软摩擦形式单侧或双侧作用于固定部件对应的气浮工作表面上，接触压力为F₂，可动部件处于开式或闭式支承状态；

(3)、根据固体相的材料特性及在气浮导轨上的配置结构，在F₁＞F₂条件下，对F₁、F₂进行参数优化并将气膜支承力和接触压力进行对应的调整。

一种立式直线基准装置，包括导向立柱和气浮导套构建的四面环抱式全封闭立式气浮导轨，导向立柱和气浮导套之间构建有气膜，该装置还包括配装在气膜内部或外部的固体相，该固体相的一端固定于气浮导套上，其另一端与导向立柱对应的气浮工作表面软摩擦接触；其中固体相的配装方式为：在垂直截面内，固体相沿导向立柱上下两排配置；在水平截面内，固体相两点对称配置在导向立柱的M₁和N₁面上，且单点居中配置在M₂和N₂面上；或在M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为两点配置；或在M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为单点居中配置；或仅居中配置于M₂和N₂面上。

固体相采用具有柔性变形及软摩擦特性的材料制作，其有效变形量为1～3μm；固体相与导向立柱为点或面接触。

本发明具有以下特点及有益效果：

1、由于固体相支承刚度远大于气体支承，因此固体相的加入明显提高了气浮导轨的径向刚度和角刚度，使抗干扰能力显著增强，有效避免了气浮导轨受到冲击和扰动时运动部件出现的微“颤动”现象，这是区别于现有气浮导轨的创新点之一；

2、固体相软支承和适度的机械摩擦给气浮导轨引入了阻尼环节，其作用为显著吸收和消耗运动部件或定位部件的振动能量，起到抑制振动和提高直线基准运动稳定性和定位稳定性的作用，这是区别现有气浮导轨的创新点之二；

3、本发明装置避免了由于气浮导轨承载能力低导致的出现过载时，气浮工作面出现的“硬接触”现象，并且通过合理设计气膜支承力F₁和固体相的接触压力F₂以及微弹性支承和机械摩擦环节等的相关参数，可使固体相的引入不影响或尽可能小的影响气浮导轨的原始直线精度，这是区别现有气浮导轨的创新点之三。

本发明装置结构简单，控制与调节简易方便，操作性好，使用可靠。

附图说明

图1为本发明装置总体配置结构三维示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图1的B-B向剖视图；

图4为固体相在M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为两点配置结构示意图；

图5为固体相在M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为单点居中配置结构示意图；

图6为固体相单点居中配置在M₂和N₂面的结构示意图；

图7为固体相配置于气膜外部时的结构示意图。

图中：1、导向立柱；2、气浮导套；2-1、气浮板；3、气膜；4、固体相；5、F₁-气膜支承力；6、F₂-接触压力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

实施例1：

如图1和图2所示，首先构建一四面环抱式全封闭立式气浮导轨作为直线运动导向基准。将导向立柱1和气浮导套2两部分装配成立式气浮导轨，导向立柱1为固定部件，提供直线运动导向基准，其底座固定于稳定的基体上；气浮导套2为运动部件，气浮导套2与导向立柱1的配合表面之间构建有气膜3，形成气体支承与润滑。在气膜3内充入适当压力的压缩气体，气浮导套2所承受的气膜支承力为F₁，在气膜支承力F₁的作用下，气浮导套2与导向立柱1的工作表面相分离，围绕导向立柱1完全浮起，并在电机等驱动系统作用下沿导向立柱1上下运动。其中，导向立柱1的横截面为矩形，其四个气浮工作表面M₁、M₂、N₁和N₂均经过精密研磨加工，以保证工作表面具有良好的粗糙度和平面度。同时这四个气浮工作面与导轨立柱1的安装底座的垂直度也通过精密检测和修正加以保证。此外，与导向立柱1相配合工作的气浮导套2由四块气浮板2-1经过精密装配组成，该部分装置用以确保直线基准具有高的直线精度和较高的运动分辨力。

为保证气浮导轨的运动精度和使用寿命，导向立柱1和气浮导套2制造材料的选择十分重要，选择材料时主要应考虑材料稳定性、防腐性、热膨胀、机械加工性能以及高的耐磨性。因此，本装置选择经过自然界上万年老化沉积、应力释放完全的“济南青”花岗岩，可获得极佳的几何稳定性。气浮导套2的各气浮板2-1工作面和导向立柱1工作面均通过超精研磨使气浮工作面达到深亚微米级形状精度和位置精度，同时达到十几纳米级表面粗糙度，使表面具有极高的气体平均效应和抗腐蚀性。导向立柱1和气浮导套2也可采用性能稳定的特殊合金制造。

因空气的摩擦系数极小，故上述气浮导轨在气浮导套2运动时几乎与导向立柱1没有摩擦，因此具有极高的位移灵敏度。但是因气体支承刚度较小、抗干扰能力差，因此在有冲击和扰动时，X向和Y向气膜厚度会产生微量变化，主要表现为运动部件的微“颤动”；另外导轨系统内由于气膜紊乱引起运动部件中、高频微振动导致运动系统直线运动轨迹不平滑，运动重复性较差，以及运动部件处于定位状态时，内外扰动使得运动系统定位稳定性和可靠性较差。

解决上述问题的关键在于增大气浮导套2的阻尼和其与导向立柱1间的摩擦。因此本发明在上述气浮导轨的气浮导套2和导向立柱1之间引入固体相4，将原本互为独立的气浮导套2和导向立柱1整合为具有软滑动摩擦特性的结构，固体相4配置在气膜3的内部，其一端与气浮导套2固连为一体，其另一端与导向立柱1的对应表面接触，并具有一定的接触压力F₂。该固体相4与气浮导套2保持同步运动，为抑制气浮导套2的微“颤动”，同时确保导向精度，将固体相4的有效伸缩变形量设计为1～3μm。

如图2所示，固体相4配装于四个气浮板2-1上，且与导向立柱1的四个气浮工作面均为软摩擦接触，其配装方式为：在垂直截面内，固体相4沿导向立柱1上下两排配置，如图3所示；在水平截面内，固体相4两点对称配置在导向立柱1的M₁和N₁面上，单点居中配置在导向立柱1的M₂和N₂面上，使气浮导套2处于闭式支承状态。固体相4采用橡胶材料制作，其具有柔性变形及软摩擦特性。

引入固体相4后，直线基准工作原理为：固体相4作为中介物，通过其与导向立柱1软摩擦，将气浮导套2和导向立柱1由原来互为独立的状态整合为相互接触的、具有软滑动摩擦特性的结构，极大地提高了导轨系统的整体刚性和阻尼。由于固体相4的支承刚度远大于气体支承，固体相4的加入明显提高了气浮导轨的径向刚度和角刚度，使抗干扰能力显著增强，有效避免了气浮导轨受到冲击和扰动时运动部件出现的微“颤动”现象；此外适度的机械摩擦给气浮导轨引入了阻尼环节，其作用为显著吸收和消耗运动部件或定位部件的振动能量，起到抑制振动和提高直线基准运动稳定性和定位稳定性的作用；引入固体相4后的导轨结构避免了由于气浮导轨承载能力低导致的出现过载时气浮工作面出现“硬接触”现象。由于阻尼和摩擦过大又会使运动系统出现位移灵敏度低问题，具有爬行现象，故此通过合理设计气膜支承力F₁和接触压力F₂以及微弹性支承和机械摩擦环节等的相关参数，将固体相4与导向立柱1设计为点或面接触，在F₁＞F₂条件下，对F₁、F₂进行参数优化并将气膜支承力F₁和接触压力F₂进行对应的调整，可使固体相4的引入不影响或尽可能小的影响气浮导轨的原始直线精度。

实施例2：

如图4所示，为固体相4在导向立柱1的M₁、N₁、M₂和N₂四个面均为两点配置，该配置结构适用于对导轨的支承刚度和扰动要求较高的场合。本实施例的其他部件和工作原理均与实施例1相同。

实施例3：

如图5所示，为固体相4在导向立柱1的M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为单点居中配置结构，本实施例的其他部件和工作原理与实施例1相同。

实施例4：

如图6所示，为固体相4单点居中配置在导向立柱1的M₂和N₂面的结构，该结构安装和调整比较简单，本实施例的其他部件与工作原理与实施例1相同。

实施例5：

如图7所示，为固体相4配置在气膜3外部时的结构，本实施例的工作原理与实施例1相同。

Claims (4)

1、一种立式直线基准方法，该方法包括以下步骤：

(1)、首先构建一个四面环抱式全封闭立式气浮导轨作为直线导向基准，并在导轨中充入压力气体使可动部件围绕固定部件完全浮起，可动部件所受气膜支承力为F₁；

(2)、在所述气浮导轨的可动部件和固定部件之间引入固体相，该固体相与可动部件保持同步运动，并以软摩擦形式单侧或双侧作用于固定部件对应的气浮工作表面上，接触压力为F₂，可动部件处于开式或闭式支承状态；

(3)、根据固体相的材料特性及在气浮导轨上的配置结构，在F₁＞F₂条件下，对F₁、F₂进行参数优化并将气膜支承力和接触压力进行对应的调整。

2、一种立式直线基准装置，包括导向立柱(1)和气浮导套(2)构建的四面环抱式全封闭立式气浮导轨，导向立柱(1)和气浮导套(2)之间构建有气膜(3)，其特征在于该装置还包括配装在气膜(3)内部或外部的固体相(4)，该固体相(4)的一端固定于气浮导套(2)上，其另一端与导向立柱(1)对应的气浮工作表面软摩擦接触；其中固体相(4)在垂直截面内的配装方式为沿导向立柱(1)上下两排配置；在水平截面内的配装方式包括以下4种：(a)固体相(4)两点对称配置在导向立柱(1)的两相邻M₁和N₁面上，单点居中配置在两相邻M₂和N₂面上，且M₁和M₂面对称布置，N₁和N₂面对称布置；(b)固体相(4)在M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为两点配置，这里M₁和N₁面相邻布置，M₂和N₂面相邻布置，且M₁和M₂面对称布置，N₁和N₂面对称布置；(c)固体相(4)在M₁、N₁、M₂和N₂四个面上均为单点居中配置，这里M₁和N₁面相邻布置，M₂和N₂面相邻布置，且M₁和M₂面对称布置，N₁和N₂面对称布置；(d)固体相(4)仅居中配置于两相邻的M₂和N₂面上。

3、根据权利要求2所述的一种立式直线基准装置，其特征在于固体相(4)采用具有柔性变形及软摩擦特性的材料制作，其有效变形量为1～3μm。

4、根据权利要求2所述的一种立式直线基准装置，其特征在于固体相(4)与导向立柱(1)为点或面接触。

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