CN101338790A - 一种气/固两相复合回转基准方法与装置 - Google Patents

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Abstract

气/固两相复合回转基准方法与装置属于精密回转基准技术领域；该方法将气体润滑兼误差均化技术和固体支承兼阻尼技术复合使用，通过在气浮轴系的轴向止推气膜内施加轴向固体支承，形成以固体支承为主、气体支承为辅，或气体支承为主、固体支承为辅，或气体支承与固体支承作用相当的复合支承形式，显著提升轴向刚度和承载能力；在气浮轴系的径向气膜内施加径向固体支承，利用弹性元件的微小弹性变形耗散主轴的中、高频微振动能量，并利用弹性元件的变形储能与静摩擦特性增大定位阻尼，提高定位精度；其装置分别在轴向止推气膜和径向气膜内配装固体弹性元件；本发明可建立一种同时兼顾高精度、高刚度、大承载、低振动以及高位移灵敏度的回转基准。

Description

一种气/固两相复合回转基准方法与装置
技术领域
本发明属于精密回转基准技术领域，特别涉及一种气/固两相复合回转基准方法与装置。
背景技术
回转基准是精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中的核心技术之一。气浮轴系由于具有回转运动精度高、位移灵敏度高以及摩擦损耗极小等优势，作为高精度回转基准已越来越多地应用于上述设备。
目前常用的气浮轴系基本结构主要由气浮主轴和气浮轴套两部分组成，当在轴向和径向构建气膜间隙以形成气体支承和润滑后，气浮主轴可带动负载在气浮轴套内回转运动。然而，该类轴系结构在实际应用中存在如下几个问题：(1)轴向支承刚度较小、承载能力较差。因此在承载过大的负载或有冲击时气膜厚度急剧减小，极易引起主轴与轴套的直接接触，发生干摩擦现象，严重破坏轴系精度，甚至导致轴系报废；(2)系统中存在的中、高频微振动破坏了运动系统的动态特性，主轴运动重复性较差；(3)轴系的定位精度不高。一方面由于负载惯量的存在及联轴节等传动部件具有应力释放过程，使主轴在定位过程中存在缓慢地漂移现象；另一方面由于处于定位状态下的轴系外加阻尼极小，始终处于一种临界的运动状态，由轴系内部的气流扰动及外部微小振动等均可使运动系统处于微抖动状态，难以可靠、快速地定位于预定位置。
上述问题极大地影响和限制了气浮轴系的使用，尤其在要求仪器与装备同时兼有大载荷、高精度、高刚度、低振动及高定位精度等特性时，这些问题显得更为突出。
为解决气浮轴系刚度小、承载能力低、易产生中、高频微振动及定位精度差的问题，众多学者和工程技术人员做了很多有益尝试。
专利95245209.X“高刚度静压气体止推轴承”提出了一种在止推盘上开有两排或两排以上的供气小孔，且不同排上的供气小孔成径向排列或交错排列的止推轴承形式，以增加轴向支承刚度和承载能力；专利200510009745.5“复合节流静压气体止推轴承”提出在轴承工作面上沿静压气浮供气点分布圆法线方向加工有表面节流沟槽，并以静压气浮供气点为中心，沿静压气浮供气点分布圆的圆周方向加工有不相通的均压槽，使均压槽与邻近表面节流沟槽相通，可在一定程度上改善轴承的承载能力和支承刚度。
以上两种方案都是通过改善轴系供气性能的途径达到提高承载能力和轴向支承刚度的目的，可适用于中、小载荷情况，但不能解决大承载或超大承载问题；此外，这两个方案对系统中存在的中、高频微振动及定位精度差的问题也没有解决。
专利200710098789.9“一种空气轴承”提出了一种在空气轴承的中部区域设计一个由上腔室和下腔室及阻尼孔组成的类似空气弹簧双腔室的结构，当空气轴承发生上、下振动时，中部的压力空气经过阻尼孔在两个腔室中往复运动，产生与空气弹簧一样的能量耗散机制，从而提升空气轴承的阻尼能力。该发明可在一定程度上改善气浮主轴上、下方向的振动幅度，但对于径向振动改善效果并不显著。此外，该方法是一种间接阻尼，仍利用气体的可压缩性构建阻尼效应，因此存在着较大的时间常数和过渡过程。同样，该方法也没有解决气浮轴系无法用于大承载或超大承载以及定位精度差的问题。
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，提出一种将气体润滑兼误差均化技术与固体支承兼阻尼技术复合使用的气/固两相复合回转基准方法，即通过在轴向止推气膜和径向气膜内配装固体弹性元件，并对其进行优化设计，达到在最大程度保留气浮轴系回转精度高的优势前提下，实现显著提高气浮轴系刚度和承载能力，减小或消除中、高频微振动以及提高定位精度的目的。本发明还提供了一种基于上述方法的气/固两相复合回转基准装置。
上述目的通过以下的技术方案实现：
一种气/固两相复合回转基准方法，该方法将气体润滑兼误差均化技术与固体支承兼阻尼技术复合使用，实现可同时兼顾二者优势的气/固两相复合回转基准：
在气浮轴系轴向止推气膜内施加轴向固体支承，并对支承元件优化设计使其工作特性满足：未加负载时，支承元件不工作，气体支承单独作用；负载逐渐增大时，支承元件发生微弹性变形，随变形量的微量增加，固体支承作用显著增强，最终形成以固体支承为主、气体支承为辅，或气体支承为主、固体支承为辅，或气体支承与固体支承作用相当的复合支承形式，以显著提升气浮轴系的轴向刚度和承载能力。
在气浮轴系径向气膜内施加径向固体支承，并对支承元件优化设计使其工作特性满足：支承元件与主轴预先保持一定的接触预紧力，并最终形成以气体支承为主、固体支承为辅的径向支承形式。在主轴回转时径向支承元件与主轴表面滑动摩擦并发生微小弹性变形以耗散主轴的中、高频微振动能量，形成阻尼环，提高主轴运动的重复性；在主轴定位状态下，支承元件与主轴保持静摩擦状态，利用其变形储能特性和静摩擦特性增大定位阻尼，提高定位精度。
轴向支承刚度随轴向固体支承元件的微量压缩变形而显著增强；径向支承刚度随径向固体支承元件的微量压缩变形而显著增强。
一种基于上述方法的气/固两相复合回转基准装置，包括气浮主轴上止推板、气浮主轴和气浮轴套，位于气浮主轴上止推板与气浮轴套之间的轴向止推气膜内配置轴向固体弹性元件，该轴向固体弹性元件的下端固连在气浮轴套的上止推面上，其上端与气浮主轴上止推板接触配合；在位于气浮主轴与气浮轴套之间的径向气膜内配装径向固体弹性元件，该径向固体弹性元件的一端与气浮轴套固接，另一端与气浮主轴接触配合。
在轴向止推气膜内的轴向固体弹性元件采用三个或三个以上且整体呈环形均布配置结构；在径向气膜内的径向固体弹性元件采用单排三个或三个以上在圆周方向上均布、且沿轴向呈双排或多排配置结构；轴向固体弹性元件和径向固体弹性元件均用具有微弹性变形特性的非金属材料制作。
本发明方法具有以下特点及有益效果：
本发明方法将气体润滑兼误差均化技术与固体支承兼阻尼技术这两个原本相互独立的技术有机的复合为一体，并使其功能与结构相融合，利用优化设计方法，使所建立的复合回转基准充分利用固体摩擦的阻尼特性和应变/刚度特性，最大限度的发挥固体支承/摩擦的承载能力强、刚度高和静摩擦系数大的优势；充分利用气体的自润滑特性和误差均化作用，最大限度的保持其位移灵敏度高和回转精度高的优势，可克服现有气浮轴系无法同时兼顾这些特性的缺陷。
本发明装置具有如下显著特点：
1、本发明装置中通过将多个固体弹性元件呈环形均布配置在轴向止推气膜内，并与气体支承复合作用，使复合后的轴向支承刚度远高于现有的纯气体支承刚度，同时极大地提升了回转基准的轴向承载能力；固体支承的加入亦可有效避免在过大负载或冲击下轴系发生干摩擦现象，有效保护气浮轴系不被破坏，保证了其使用精度及使用寿命。
2、本发明装置中通过将多个固体弹性元件在气浮轴系的径向气膜内沿圆周均布、且沿轴向呈双排或多排配置，利用弹性元件的微变形消耗振动能量，可显著增大系统阻尼，有效抑制轴系径向与轴向的中、高频微振动；在主轴定位状态下，利用弹性元件与主轴间静摩擦时具有静摩擦系数大及变形储能特性的特点，可增大定位阻尼并产生辅助锁紧功能，显著抑制定位过程中的抖动和漂移。
本发明方法与装置用途广泛，尤其适用于精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中回转基准的建立。
附图说明
图1为气/固两相复合回转基准装置总体配置结构示意图。
图2为图1的A-A向剖视图。
图3为轴向负载逐渐增大时轴向固体弹性元件变形示意图。
图4为轴向气体支承、固体支承和气/固两相复合支承刚度特性曲线示意图。
图中：1、气浮主轴上止推板；2、轴向固体弹性元件；3、轴向止推气膜；4、气浮主轴；5、径向气膜；6、气浮轴套；7、径向固体弹性元件；a、轴向气体支承刚度特性曲线；b、轴向固体支承刚度特性曲线；c、轴向气/固两相复合支承刚度特性曲线；h0、未加负载时气膜厚度；h1、轴向气体支承刚度达到最大时的气膜厚度；h2、轴向固体支承元件的弹性变形量；K0、轴向气体支承刚度最大值；W、负载。
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。
如图1所示，为克服气浮轴系轴向刚度低和承载能力差的问题，采用在轴向止推气膜3内施加固体支承的方法，利用固体支承的大刚度、高承载特性与气体支承相复合，以提高气浮轴系总的支承能力。对轴向支承进行优化设计，具体的设计原则可根据实际使用情况确定。本实施例以在轴向气膜刚度达到最大时，气/固两相复合支承恰好平衡负载重量作为设计准则。已知待设计的复合回转基准可承担负载重量为W0，未加负载时气浮主轴上止推板1与气浮轴套6之间的气膜厚度为h0，通过理论计算可预先获得轴向止推气膜刚度曲线，曲线示意图如图4中a所示，由曲线a可得到气体支承刚度达到最大值K0时的气膜厚度值为h1，此时气体支承自身可承担的负载重为W1；根据上述已知条件可将固体支承的弹性压缩变形量设计为h0-h1，除去气体支承所分担的负载W1，此时固体支承应承担的负载重量为W0-W1；对固体支承元件的使用数量和安装方式进行设计，令优化设计后的固体支承工作特性满足：主轴未加负载时，支承元件上端恰好和气浮主轴上止推板1接触，但没有接触压力，此时气体支承单独作用；在负载W逐渐增大时，支承元件2发生微弹性变形，其变形示意图如图3所示，图3中标号1为未加负载时气浮主轴上止推板1的轴向初始位置，1′为负载增大时上止推板1的轴向变化位置；2为未加负载时支承元件的初始状态，2′为增大负载后支承元件变形后状态。随变形量的微量增大，固体支承作用显著增强，其刚度也显著增加，并逐步形成以固体支承为主，气体支承为辅的复合支承形式，复合后的轴向支承刚度得到大幅度提升，不同支承形式的支承刚度对比曲线如图4所示，其中曲线a为纯气体支承刚度曲线，曲线b为固体支承刚度曲线，曲线c为气/固两相复合的支承刚度曲线。从图4中不难看出，气/固两相复合后的轴向刚度远大于纯气体支承刚度。同理，复合承载能力也随之大幅度地提升。
为克服气浮轴系存在的中、高频微振动和定位精度差的问题，采用在轴系的径向气膜5内施加径向固体支承，并对支承元件7优化设计后令其工作特性满足：支承元件7与主轴4预先保持一定的接触预紧力，并形成以气体支承为主，固体支承为辅的径向支承形式，以尽量确保主轴的回转精度损失最小。在主轴4回转时径向支承元件7与主轴表面滑动摩擦并发生微小弹性变形以耗散主轴的中、高频微振动能量，提高主轴运动的重复性；在主轴定位状态下，支承元件7与主轴4保持静摩擦，并利用支承元件的变形储能特性和静摩擦特性增大定位阻尼，提高定位精度。
基于上述方法建立的气/固两相复合回转基准装置结构示意图如图1和图2所示，包括气浮主轴上止推板1、气浮主轴4和气浮轴套6，在位于气浮主轴上止推板1与气浮轴套6之间的轴向止推气膜3内配置轴向固体弹性元件2，该轴向固体弹性元件2的下端固连在气浮轴套6上止推面上，其上端与气浮主轴上止推板1接触配合，并根据三点确定一个平面的原理，轴向固体支承设计为三点环形支承结构，即三个相同结构的轴向固体弹性元件2沿圆周方向以120°等间隔均匀布置，且为减小其与上止推板1的摩擦，将弹性元件2与上止推板设计为小面积接触，为近似的点接触结构。
在位于气浮主轴4与气浮轴套6之间的径向气膜5内配置径向固体弹性元件7，该径向固体弹性元件7的一端与气浮轴套6固接，另一端与气浮主轴4接触配合。同理，根据三点确定一个平面的原理，以一个平面为一排，将每排径向固体支承也设计为三点环形支承结构，即三个相同结构的径向固体弹性元件7在气浮轴套6内部同一平面上沿圆周方向以120°等间隔均匀布置，为使径向支承平衡，在沿轴向方向设置双排或者多排支承。
轴向固体弹性元件2可着重选择支承特性好、摩擦损耗小的材料制作，如聚四氟乙烯、尼龙等工程塑料；径向固体弹性元件7可着重选择阻尼特性较好的材料制作，如采用美国3M公司的ISD110、ISD112等牌号的阻尼材料。
需要说明的是，对于轴向固体支承的使用形式，也可根据实际需要进行设计，如当承载要求不是很高时，可设计为气体支承为主、固体支承为辅的支承形式，或气体支承与固体支承作用相当的支承形式；对于径向固体支承，也可根据主轴实际长度及微振动特性等设置多排支承结构。
依据本发明建立的气/固两相复合回转基准，可同时兼有高精度、大刚度、大承载、低振动以及高的位移灵敏度等特性。

Claims (7)

1、一种气/固两相复合回转基准方法，其特征在于该方法将气体润滑兼误差均化技术和固体支承兼阻尼技术复合使用：
在气浮轴系轴向止推气膜内施加轴向固体支承，并对支承元件优化设计使其工作特性满足：未加负载时，支承元件不工作，气体支承单独作用；负载逐渐增大时，支承元件发生微弹性变形，且随变形量的微量增加，固体支承作用显著增强，最终形成以固体支承为主、气体支承为辅，或气体支承为主、固体支承为辅，或气体支承与固体支承作用相当的复合支承形式；
在气浮轴系径向气膜内施加径向固体支承，并对支承元件优化设计使其工作特性满足：支承元件与主轴保持一定的接触预紧力，并形成以气体支承为主、固体支承为辅的径向支承形式。
2、根据权利要求1所述的气/固两相复合回转基准方法，其特征在于其轴向支承刚度随轴向固体支承元件的微量压缩变形而显著增强。
3、根据权利要求1所述的气/固两相复合回转基准方法，其特征在于其径向支承刚度随径向固体支承元件的微量压缩变形而显著增强。
4、一种气/固两相复合回转基准装置，包括气浮主轴上止推板(1)、气浮主轴(4)和气浮轴套(6)，其特征在于在位于气浮主轴上止推板(1)与气浮轴套(6)之间的轴向止推气膜(3)内配装轴向固体弹性元件(2)，该轴向固体弹性元件(2)的下端固连在气浮轴套(6)的上止推面上，其上端与气浮主轴上止推板(1)接触配合；在位于气浮主轴(4)与气浮轴套(6)之间的径向气膜(5)内配装径向固体弹性元件(7)，该径向固体弹性元件(7)的一端与气浮轴套(6)固接，另一端与气浮主轴(4)接触配合。
5、根据权利要求4所述的气/固两相复合回转基准装置，其特征在于在轴向止推气膜(3)内的轴向固体弹性元件(2)采用三个或三个以上且整体呈环形均布配置结构。
6、根据权利要求4所述的气/固两相复合回转基准装置，其特征在于在径向气膜(5)内的径向固体弹性元件(7)采用每排三个或三个以上在圆周方向上均布、且沿轴向呈双排或多排配置结构。
7、根据权利要求4所述的气/固两相复合回转基准装置，其特征在于轴向固体弹性元件(2)和径向固体弹性元件(7)均用具有微弹性变形特性的非金属材料制作。
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