CN102062125B - 一种空气式位置补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种空气式位置补偿装置，属于机械设备领域。该装置具有五个自由度，可对驱动对象进行高精度调整，且该装置可由基座(101)和变截面活塞(102)承载驱动对象(106)的大部分重力，由于内部介质为空气，可以屏蔽外部振动等的影响。当该装置内置电机联合驱动时，由于驱动对象(106)的大部分重力均由空气位置补偿装置承载，所需电机的驱动力较小，发热量低，对驱动对象(106)的热应力影响甚微，可以满足高速度、高精度的位置补偿需求。

Description

一种空气式位置补偿装置

技术领域

本发明涉及一种精密设备驱动装置，具体涉及一种空气式位置补偿装置，属于机械设备领域。

背景技术

随着精密设备的不断发展和器件尺寸的进一步缩小，在精密设备的驱动方案中，越来越多的需要对驱动对象的位置调节具有高精度、多自由度，并要求驱动装置具备屏蔽外部振动的作用。在现有技术中，采用多个洛伦兹电机的组合或平面电机的驱动方案，可以满足精密设备驱动的上述要求，但对于大载荷的位置驱动，单纯依靠电机调节位置，会带来很大的发热量，势必对驱动对象产生热应力变形等影响。

对此，美国专利US6473161B2公开了一种环形电机和活塞推杆型的位置补偿器装置。该装置通过恒压室压力经活塞推杆传递至驱动对象并维持其静态重力，通过环形电机实时调节驱动对象的垂直位移。但在该专利提供的技术方案中，对气浮部件的设计较为复杂，不易加工，而对于环形电机的设计制造也是一个技术壁垒，实际应用起来还有一定差距。

美国专利US6388733B1也公开了一种提高驱动调节精度的技术方案。该专利通过水平面的三个音圈电机、大理石平台地面的四个气囊被动隔振系统和四个垂向音圈电机将工作台大理石模块隔离成内部世界。在该专利提供的技术方案中，四个气囊的材料较为特殊，为橡胶气囊，而橡胶材料制备的气囊容易因前后压差过大而影响使用寿命，特别对于一些载荷较大的驱动装置，使用起来有一定隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种高精度、多自由度且具有屏蔽外部振动作用的空气式位置补偿装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种空气式位置补偿装置，该装置包括：基座101，位于基座101内、可垂向(Z向)运动的变截面活塞102，变截面活塞102上设有与驱动对象106直接接触的水平气浮件105，基座101与变截面活塞102上设有供气腔，外部气体导入该供气腔内使变截面活塞102相对基座101垂向气浮且相互间以隔离振动式相对运动，该装置还包括：变截面活塞102与水平气浮件105之间的自由度调节装置，该自由度调节装置包括：设于变截面活塞102上方并与之一体的内凹球面，以及气浮于该变截面活塞内凹球面内的球面气浮件104。其中，变截面活塞102的上下端直径尺寸不同，其上端直径D₁大于其下端直径D₂，变截面活塞102上端直径D₁与下端直径D₂的计算关系大致为： $D_1=\sqrt{\frac{40\mathrm{mg}}{P_1\mathrm{\π}}+{D_2}^2},$ 其中：P₁为压缩空气气源处压力值，单位为Bar，D₁为活塞上端直径，单位为mm，D₂为活塞下端直径，单位为mm，m为驱动对象的质量，单位为kg。

根据本发明提供的空气式位置补偿装置，基座101与变截面活塞102上的供气腔包括：由基座101与变截面活塞102中间的侧壁凹陷处围成的第一气腔107a，位于变截面活塞102内部中上端的第二气腔107b，以及位于变截面活塞102内部下端的备用空间108，其中，第一气腔107a为一环形空间，通过位于变截面活塞102侧壁的通孔与第二气腔107b连接，第二气腔107b的大小与该装置的隔振频率有关。球面气浮件104内有一垂向(Z向)贯穿该球面气浮件104的第三气腔107c，第三气腔107c下端通过位于变截面活塞102内凹球面的球面节流孔与第二气腔107b连接。利用该装置对驱动对象的位置进行调节时，基座101和变截面活塞102组成承载驱动对象106的主要部件，使该装置具有垂向(Z向)自由度。当压缩空气进入第一气腔107a处，由变截面产生压差的原理使变截面活塞102沿基座101浮起，从而将驱动对象106浮起，相关对象计算关系大致如下： $P_1\×{10}^5\×\mathrm{\π}[{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2]\×{10}^{-6}=\mathrm{mg},$ 式中：P₁为压缩空气气源处压力值，单位为Bar，D₁为活塞上端直径，单位为mm，D₂为活塞下端直径，单位为mm，m为驱动对象的质量，单位为Kg。进入装置中的压缩空气不仅使变截面活塞102浮起，同时也通过在基座101和变截面活塞102的径向间隙中形成高压气膜，使变截面活塞102与基座101在运动过程中相互没有物理摩擦，有效的达到了隔离振动的目的。高压空气由第一气腔107a处流动至第二气腔107b处，并继续沿球面节流孔向贯穿球面气浮件104的第三气腔107c方向流动，此时，在变截面活塞102的球面与球面气浮件104之间形成高压气膜，使该装置具有RX和RY两个转动自由度。流至第三气腔107c的高压空气继续向上流动，可在球面气浮件104和水平气浮件105之间形成水平向高压气膜，从而使该装置具有可沿水平面运动的X向、Y向两自由度。综上所述，本发明提供的变截面特征的空气式位置补偿装置具有X/Y/Z/RX/RY五个自由度。

根据本发明提供的空气式位置补偿装置，还包括气室密封件103以及密封圈110、螺钉111。该气室密封件103用于隔开第二气腔107b和备用空间108，密封圈110、螺钉111和气室密封件103用于密封第二气腔107b，保证其不漏气。备用空间108用于安装垂向(Z向)位置传感器或洛伦兹电机或两者皆安装。其中，传感器或洛伦兹电机的定子与基座101连接，动子与变截面活塞102连接。在基座101和变截面活塞102径向气膜中压缩空气的输送干道为均布的径向气道114，从气路接头109进入装置的压缩空气，进入径向气道114后，通过在变截面活塞102的上端或下端加工有均布的节流孔113，以自成节流的方式在基座101和变截面活塞102间隙的部分圆周区域内形成高压气膜区。该节流孔113根据径向气道114的均布个数，为3个或4个或6个径向均布，孔径为0.05mm～0.5mm，采用直接加工或嵌套红宝石节流塞的方式，并在节流孔113周边加工有均压槽以提高径向气膜的承载能力。

在基座101侧壁上有均布的排气孔112，用于将部分高压气体带至空气中，以减小高压区域面积，避免高压损伤并降低零件的加工精度。排气孔112的均布数量根据基座101以及变截面活塞102直径的不同，以及空气流量的设计值，为3个或4个或6个等数量均布。在排气孔112的对应位置，变截面活塞102侧壁外侧存在对应的凹槽，以保证排气孔112能畅通的将基座101和变截面活塞102的径向间隙中部分高压气体带至外界空气中。排气孔112孔径为X3，位于变截面活塞102侧壁外侧的凹槽为矩形，其垂向(Z向)尺寸为X2，二者关系为：X2≥X3+2δX，式中：±δX为该装置的动程，且δX≤X1。此外，该凹槽可以为半圆形、矩形、正方形或三角形。

根据本发明提供的空气式位置补偿装置，其中，球面气浮件104的球面半径D₃与其垂向(Z向)负载mg大致有以下关系：P₂×10⁵×π(D₃sinθ)²×10^-6＝mg，即： $D_3=\frac{1}{\sin \mathrm{\θ}}\sqrt{\frac{10\mathrm{mg}}{P_2\mathrm{\π}}}\≈\frac{10}{\sin \mathrm{\θ}}\sqrt{\frac{m}{P_1\mathrm{\π}}},$ 式中：P₁为压缩空气气源处压力值，单位为Bar；P₂为变截面活塞102凹陷处球面与球面气浮件104球面间气压值，单位为Bar；D₃为球面半径，单位为mm；θ为球面轴承的包角，单位为°；m为驱动对象的质量，单位为kg。

球面气浮可分为中心单孔节流和周面多空节流两种。第三气腔107c的气室张角θ₁与球面气浮件(104)的球面包角θ₂关系为：30°≤(θ₂-θ₁)≤70°。中心单孔节流的方式可用于球径D₃较小的情况，该情况下，张角为θ₁的第三气腔(107c)供气量可满足在包角为(θ₂-θ₁)内球面上形成气膜，从而将球面气浮件104浮起。周面多孔节流适用于球径D₃较大，中心供气室不足以在包角球面上形成气膜，故采用球面多个节流孔的方式。球面节流孔可3个或4个或6个径向均布，孔径为0.05mm～0.5mm，可采用直接加工或嵌套红宝石节流塞的方式，并在小孔周边加工有均压槽以提高球面气膜的承载能力。

根据本发明提供的空气式位置补偿装置，其中，球面气浮件104两端具有环形翼，用以限制球面气浮件104的过度偏摆，起到了角度限位的作用，为加工方便，球面气浮件104为整体式，环形翼与下球面为一不可分割的整体，作为另一实施方案，球面气浮件104为分体式，环形翼与下球面分开加工，后采用密封圈和螺钉将二者连接。

该空气式位置补偿装置带有电机或不带电机，布置在驱动对象106下方，单个布置或三个等边/等腰布置或四个均布，多个布置时，采用差动方式完成沿RX/RY的转动调节。以上述方式分布在驱动对象106下方的空气式位置补偿装置100，其各自的设计载荷值可以相等，可以某两个相等，也可以互不相等。

本发明的技术效果是，提供了一种拥有五个自由度、可精确调整的变截面特征的空气式位置补偿装置，该装置可由基座101和变截面活塞102承载驱动对象106的大部分重力，且由于内部介质为空气，可以屏蔽外部振动等的影响。当该装置内置电机联合驱动时，由于驱动对象106的大部分重力均由空气位置补偿装置承载，所需电机的驱动力较小，发热量低，对驱动对象106的热应力影响甚微，可以满足高速度、高精度的位置补偿需求。

附图说明

图1为本发明提供的空气式位置补偿装置结构图，其中：101-基座；102-变截面活塞；103-气室密封件；104-球面气浮件；105-水平气浮件；106-驱动对象；107-气腔或者气道(107a-第一气腔；107b-第二气腔；107c-第三气腔)；108-备用空间；D₁-变截面活塞102上端直径；D₂-变截面活塞102下端直径；D₃-球面气浮件104的球面半径；θ-球面轴承包角。

图2为本发明提供的空气式位置补偿装置径向气浮的实施方式示意图，其中：101-基座；102-变截面活塞；107b-第二气腔；109-气路接头；110-密闭圈；111-螺钉；112-排气孔；113-节流孔；114-径向气道；115-气路堵头；X1-变截面活塞102顶端高出基座101顶端的距离；X2-变截面活塞102侧壁外侧、与排气孔112位置对应的凹槽径向尺寸；X3-排气孔112孔径；

图3为本发明提供的空气式位置补偿装置球面气浮的实施方式示意图，图3a)为中心单孔节流方式示意图，图3b)为周面多孔节流方式示意图，其中：102-变截面活塞；104-球面气浮件；θ₁-第三气腔107c的气室张角；θ₂-球面包角；116-中心供气孔；117-球面节流孔；

图4为本发明提供的空气式位置补偿装置的分布方式示意图，其中：100-空气式位置补偿装置；106-驱动对象。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明提供的空气式位置补偿装置结构图。

如图1所示，本发明提供的空气式位置补偿装置包括：基座101，变截面活塞102，气室密封件103，球面气浮件104，水平气浮件105和驱动对象106。其中，变截面活塞102位于基座101内，可做垂向(Z向)运动，基座101与变截面活塞102中间位置的侧壁凹陷处围成第一气腔107a，变截面活塞102内部中上端存在第二气腔107b，位于变截面活塞102内部下端有备用空间108，驱动对象106与水平气浮件105直接接触，球面气浮件104嵌入位于变截面活塞102上端内凹球面内，并位于变截面活塞102和水平气浮件105之间。

在该装置中，变截面活塞102的上下端直径尺寸不同，其上端直径D₁大于其下端直径D₂，变截面活塞102上端直径D₁与下端直径D₂的计算关系大致为： $D_1=\sqrt{\frac{40\mathrm{mg}}{P_1\mathrm{\π}}+{D_2}^2},$ 式中：P₁为压缩空气气源处压力值，单位为Bar，D₁为活塞上端直径，单位为mm，D₂为活塞下端直径，单位为mm，m为驱动对象的质量，单位为Kg。第一气腔107a为一环形空间，通过位于变截面活塞102侧壁的通孔与第二气腔107b连接，第二气腔107b的大小与该装置的隔振频率有关。球面气浮件104内有一径向贯穿该球面气浮件104的第三气腔107c，第三气腔107c下端通过位于变截面活塞102内凹球面的球面节流孔与第二气腔107b连接。

利用该装置对驱动对象的位置进行调节时，基座101和变截面活塞102组成承载驱动对象106的主要部件，使该装置具有垂向(Z向)自由度。当压缩空气进入第一气腔107a处，由变截面的原理使变截面活塞102沿基座101浮起，从而将驱动对象106浮起，相关对象计算关系大致如下： $P_1\×{10}^5\×\mathrm{\π}[{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2]\×{10}^{-6}=\mathrm{mg},$ 式中：P₁为压缩空气气源处压力值，单位为Bar，D₁为活塞上端直径，单位为mm，D₂为活塞下端直径，单位为mm，m为驱动对象的质量，单位为Kg。进入装置中的压缩空气不仅使变截面活塞102浮起，同时也通过在基座101内侧壁和变截面活塞102外侧壁的间隙中形成高压气膜，使变截面活塞102与基座101在运动过程中相互没有物理摩擦，有效的达到了隔离振动的目的。高压空气由第一气腔107a处流动至第二气腔107b处，并继续沿球面节流孔向贯穿球面气浮件104的第三气腔107c方向流动，此时，在变截面活塞102的球面与球面气浮件104之间形成高压气膜，使该装置具有RX和RY两个转动自由度。流至第三气腔107c的高压空气继续向上流动，可在球面气浮件104和水平气浮件105之间形成水平向高压气膜，从而使该装置具有可沿水平面移动的X向、Y向两自由度。综上所述，本发明提供的变截面特征的空气式位置补偿装置具有X/Y/Z/RX/RY五个自由度。

图1中的结构图为装置处于垂向气浮状态的描述。以下各实施方式示意图皆基于垂向气浮状态进行原理和参数描述。

图2为本发明提供的空气式位置补偿装置径向气浮的实施方式示意图。

如图2所示，气室密封件103用于隔开第二气腔107b和备用空间108，密封圈110、螺钉111和气室密封件103用于密封第二气腔107b，保证其不漏气。备用空间108用于安装垂向(Z向)位置传感器或洛伦兹电机或两者皆安装。其中，传感器或洛伦兹电机的定子与基座101连接，动子与变截面活塞102连接。在基座101和变截面活塞102径向气膜中压缩空气的输送干道为均布的径向气道114，从气路接头109进入装置的压缩空气，进入径向气道114后，通过在变截面活塞102的上端或下端加工有均布的节流孔113，以自成节流的方式在基座101和变截面活塞102间隙的部分圆周区域内形成高压气膜区。该节流孔113依据径向气道114的均布个数，为3个或4个或6个径向均布，孔径为0.05mm～0.5mm，采用直接加工或嵌套红宝石节流塞的方式，并在节流孔113周边加工有均压槽以提高径向气膜的承载能力。

在基座101侧壁上有均布的排气孔112，用于将部分高压气体带至空气中，以减小高压区域面积，避免高压损伤并降低零件的加工精度。排气孔112的均布数量根据基座101以及变截面活塞102直径尺寸的不同，以及空气流量的设计值，为3个或4个或6个径向均布。在排气孔112的对应位置，变截面活塞102侧壁外侧存在对应的凹槽，以保证排气孔112能畅通的将基座101和变截面活塞102的径向间隙中部分高压气体带至外界空气中，该凹槽可以为半圆形、矩形、正方形或三角形。

在本具体实施方式中，排气孔112孔径为X3，位于变截面活塞102侧壁外侧的凹槽为四边形，其径向尺寸为X2，二者关系为：X2≥X3+2δX，式中：±δX为该装置的动程，且δX≤X1。

球面气浮件104的球面半径D₃与其垂向(Z向)负载mg大致有以下关系：P₂×10⁵×π(D₃sinθ)²×10^-6＝mg，即： $D_3=\frac{1}{\sin \mathrm{\θ}}\sqrt{\frac{10\mathrm{mg}}{P_2\mathrm{\π}}}\≈\frac{10}{\sin \mathrm{\θ}}\sqrt{\frac{m}{P_1\mathrm{\π}}},$ 式中：P₁为压缩空气气源处压力值，单位为Bar；P₂为变截面活塞102凹陷处球面与球面气浮件104球面间气压值，单位为Bar；D₃为球面半径，单位为mm；θ为球面轴承的包角，单位为°；m为驱动对象的质量，单位为kg。

图3为本发明提供的空气式位置补偿装置球面气浮的实施方式示意图，其中，图3a)为中心单孔节流方式示意图，图3b)为周面多孔节流方式示意图。

球面气浮可分为中心单孔节流和周面多孔节流两种。第三气腔107c的气室张角θ₁与球面气浮件(104)的球面包角θ₂关系为：30°≤(θ₂-θ₁)≤70°。如图3a)所示，中心单孔节流的方式可用于球径D₃较小的情况，该情况下，张角为θ₁的第三气腔(107c)供气量可满足在包角为(θ₂-θ₁)内球面上形成气膜，从而将球面气浮件104浮起。如图3b)所示，周面多孔节流适用于球径D₃较大的情况，中心供气室不足以在整个包角球面上形成气膜，故采用球面多个节流孔的方式，球面节流孔可3个或4个或6个径向圆周上均布，孔径为0.05mm～0.5mm，可采用直接加工或嵌套红宝石节流塞的方式，并在小孔周边加工有均压槽以提高径向气膜的承载能力。

在本具体实施方式中，球面气浮件104两端具有环形翼，用以限制球面气浮件104的过度偏摆，起到了角度限位的作用。为加工方便，球面气浮件104为整体式，环形翼与下球面为一不可分割的整体。作为另一实施方案，球面气浮件104为分体式，环形翼与下球面分开加工，后采用密封圈和螺钉将二者连接。

图4为本发明提供的空气式位置补偿装置的分布方式示意图。

如图4所示，该空气式位置补偿装置带有电机或不带电机，布置在驱动对象106下方，单个布置或三个等边/等腰布置或四个均布，多个布置时，采用差动方式完成沿RX、RY的转动调节。以上述方式分布在驱动对象106下方的空气式位置补偿装置100，其各自的设计载荷值可以相等，可以某两个相等，也可以互不相等。

根据本具体实施方式提供的空气式位置补偿装置，可实现对驱动对象106五个自由度的高精度调整置，该装置可由基座101和变截面活塞102承载驱动对象106的大部分重力，且由于内部介质为空气，可以屏蔽外部振动等的影响。当该装置内置电机联合驱动时，由于驱动对象106的大部分重力均由空气位置补偿装置承载，所需电机的驱动力较小，发热量低，对驱动对象106的热应力影响甚微，可以满足高速度、高精度的位置补偿需求。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (8)

1.一种空气式位置补偿装置，包括：基座（101），相对所述基座（101）垂向运动的变截面活塞（102），所述变截面活塞（102）上设有水平气浮件（105），所述基座（101）与变截面活塞（102）上设有供气腔，外部气体导入该供气腔内使所述变截面活塞（102）相对所述基座（101）垂向气浮且相互间以隔离振动式相对运动，其特征在于，所述变截面活塞（102）与所述水平气浮件（105）之间设有自由度调节装置，该自由度调节装置包括设于所述变截面活塞（102）上方并与之一体的内凹球面，以及气浮于该变截面活塞内凹球面内的球面气浮件（104），所述供气腔包括：所述基座（101）与变截面活塞（102）凹陷处围成的第一气腔（107a），所述变截面活塞（102）内部中上端的第二气腔（107b），以及所述变截面活塞（102）内部下端的备用空间（108），其中：所述第一气腔（107a）为一环形空间，其与所述第二气腔（107b）通过位于所述变截面活塞（102）侧壁的通孔连接。

2.根据权利要求1所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述第二气腔（107b）的大小根据该装置的隔振频率界定

3.根据权利要求2所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述球面气浮件（104）内有一径向贯穿球面气浮件（104）的第三气腔（107c），所述第三气腔（107c）通过位于变截面活塞（102）内凹球面的球面节流孔（117）与所述第二气腔（107b）连接。

4.根据权利要求3所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，进入装置中的压缩空气在所述基座（101）内侧壁和变截面活塞（102）外侧壁的间隙中形成高压气膜，使变截面活塞（102）与基座（101）在运动过程中相互隔离振动，无物理摩擦。

5.根据权利要求3所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述第三气腔（107c）的气室张角θ₁与球面气浮件（104）的球面包角θ₂关系为：30°≤(θ₂-θ₁)≤70°，其中，30°＜θ₂≤90°，0°＜θ₁＜60°，以在包角为（θ₂-θ₁）的内球面上形成气膜。

6.根据权利要求1所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述装置工作时，球面气浮的方式为中心单孔节流或周面多孔节流。

7.根据权利要求6所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述球面气浮的方式为周面多孔节流，变截面活塞（102）的球面上均布有3或4或6个球面节流孔，孔径为0.05mm~0.5mm。

8.根据权利要求7所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述球面节流孔采用直接加工或嵌套红宝石节流塞的方式，并在小孔周边加工有均压槽以提高球面气膜的承载能力。

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