CN105114459A - 一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨 - Google Patents

Abstract

一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，包括导轨、侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座，导轨采用MgO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃经光学加工方法加工而成，侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座均采用大理石制作而成，导轨上设有上滑块，导轨的两侧分别设有一侧面滑块，导轨的底部两侧均设有一下滑块，侧面滑块与上滑块连接，下滑块与其相邻的侧面滑块连接，导轨的底部设置在支撑座上，上滑块、侧面滑块以及下滑块上均部设有直径为50μm的节流孔，气体静压导轨供气后，侧面滑块、上滑块、下滑块与导轨之间构成气体静压润滑。采用光学材料用光学加工的方法制作导轨，使导轨能达到极高的面形精度，保证了小间隙气膜的润滑条件，实现了气体静压润滑的高刚度。

Description

一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨

技术领域

本发明涉及气体静压导轨技术领域，尤其是一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨。

背景技术

随着精密测量和加工技术的发展，测量仪器和加工设备对支撑零部件的性能提出了更高的要求，气体静压导轨具备满足这些性能的潜力，但其存在承载和刚度低的缺点，使其仅在小载荷的测量仪器和加工设备中得到应用。如何提升气体静压导轨的承载和刚度，一直是国内外众多学者重点研究的问题。

根据气体静压导轨的工作原理，提高气体静压导轨的方法有：(a)减小节流孔径，导致导轨气膜工作间隙减小，美国ProfessionInstrument公司制造了直径100mm，平均间隙2.5μm的10B型静压气体轴承，径向承载800N，刚度达到374N·μm-1。(b)增大有效节流面积，这种方法受空间限制。(c)提高气源压力，这种方法容易导致气体静压导轨的不稳定。

减小节流孔径将使最佳刚度(工作区间)对应的气膜间隙减小。气膜间隙减小的条件下，为了保证小气膜间隙的气体润滑，对气体静压滑块单元带来的极高的加工要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨。为了使导轨达到高精度，首先要实现其高刚度。本发明采用减小节流孔径的方式提高气体静压导轨刚度，根据理论计算，减小节流孔径会导致气膜工作间隙(最大刚度对应的间隙附近区间)减小，工作间隙减小将对导轨的加工制造和装配提出更高的要求，因此，本发明采用光学材质作为导轨材料，这样可以采用光学加工的方法制作导轨，保证了小间隙气膜的润滑状态。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：包括导轨、侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座，所述导轨采用MgO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃经光学加工方法加工而成，所述侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座均采用大理石制作而成，所述导轨上设有上滑块，所述导轨的两侧分别设有一侧面滑块，所述导轨的底部两侧均设有一下滑块，所述侧面滑块与上滑块连接，所述下滑块与其相邻的侧面滑块连接，所述导轨的底部设置在支撑座上，导轨以及设置在导轨上的侧面滑块、上滑块和下滑块由支撑座支撑，所述上滑块、侧面滑块以及下滑块上均部设有直径为50μm的节流孔,气体静压导轨供气后，侧面滑块、上滑块、下滑块与导轨之间构成气体静压润滑。导轨材料采用的是MgO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃(光学材料)，利用其机械强度高，绝缘性能优良、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、耐磨、热稳定性好的特性，其作为导轨原材料十分合适。导轨的材料为光学材料，导轨也就采用光学加工方法加工成型，其加工方法为：经磁流变抛光(MRF)和计算机控制修形(CCOS)后，利用干涉仪(Zygo公司生产的WATTS180型)进行面形的测量，通过测量结果决定下一次的加工方式(MRF或者CCOS)和去除量，在加工和测量之间反复迭代，直至面形满足加工的要求。上述加工方法在光学加工领域是常规加工技术，本发明采用光学加工的方法加工微晶玻璃，使其能达到极高的面形精度，由于有了较高的加工精度，保证了小间隙条件下的气体静压润滑条件，实现了气体静压润滑的高刚度。

本发明中，所述侧面滑块同理螺母与上滑块相连接，所述下滑块通过螺母与其相邻的侧面滑块连接。

本发明中：所述上滑块、侧面滑块以及下滑块上均部设有直径为50μm的节流孔。因为50μm节流孔对应的气膜间隙很小约为6μm，本发明采用光学材料作为原材料，采用光学加工方法进行加工，能够实现50μm节流孔。气体静压导轨刚度、节流孔径、气膜最佳工作间隙之间的关系如图4和图5所示，随着节流孔径的减小，气膜的最佳工作间隙减小，其最佳工作间隙对应的气膜刚度增大。通过减小节流孔可以有效的提高气膜刚度。但是，减小节流孔的同时，气膜的最佳工作间隙(最大刚度对应的气膜间隙)相应的减小。200μm的节流孔径滑块最大刚度约为18N/μm，其对应的最佳间隙约为16μm；50μm的节流孔径滑块最大刚度约为38N/μm，其对应的最佳间隙约为6μm。气体静压导轨要想达到高刚度，需要采用50μm节流孔，为了满足小间隙的气体静压润滑要求，必须对导轨的节流面面形精度提出更高的要求。导轨采用微晶玻璃材料，可以光学加工达到较高的面形精度。用光学加工微晶玻璃导轨，可以很好的满足气体静压导轨小间隙条件下的润滑要求，从而达到高刚度。导轨材料的低膨胀系数和气体静压润滑的高刚度可以保证气体静压导轨具备极高的精度。

本发明中：节流孔由红宝石打孔制成，通过冲压的方式将打有节流孔的红宝石固定在铜柱上构成节流器，所述节流孔的中心轴线与铜柱的中心轴线重合，所述节流孔下方的铜柱空腔形成气腔，所述铜柱再将节流器安装在滑块上。几何结构如图7所示，其中b为铜柱直径，d为节流孔径，a为气腔直径，h为气膜间隙。

本发明的有益效果：

本发明导轨采用微晶玻璃制作而成，其良好的机械性能保证了导轨的精度较高。由于导轨采用了微晶玻璃作为原材料，通过光学加工方法加工微晶玻璃，能使导轨其能达到极高的面形精度。本发明保证了小间隙条件下的气体静压润滑条件，实现了气体静压润滑的高刚度。

附图说明

图1本发明的整体结构图

图2本发明的主视图

图3本发明的侧视图

图4不同节流孔径的承载曲线图

图5不同节流孔径的刚度曲线图

图6显微镜下的50μm节流孔

图7节流器结构示意图

图8上滑块节流孔布局图

图9节流孔位置对上滑块静态特性的影响

图10侧面滑块节流孔布局图

图11节流孔位置对侧面滑块静态特性的影响

图12下滑块节流孔布局图

图13节流孔位置对下滑块静态特性的影响

附图标记说明：

①、上滑块

②、导轨

③、左侧滑块

④、下滑块

⑤、支撑座

⑥、下滑块

⑦、右侧滑块

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

参照图1，为本发明的整体结构图，一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，包括导轨2、侧面滑块、上滑块1、下滑块4和支撑座5，所述导轨2采用MgO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃经光学加工方法加工而成，所述侧面滑块、上滑块1、下滑块4和支撑座5均采用大理石制作而成，所述导轨2上设有上滑块1，所述导轨2的两侧分别设有一侧面滑块，分别为左侧滑块3和右侧滑块7。所述导轨2的底部两侧均设有一下滑块6，所述侧面滑块通过螺母与上滑块1连接，所述下滑块6通过螺母与其相邻的侧面滑块连接，所述导轨2的底部设置在支撑座5上，导轨2以及设置在导轨2上的侧面滑块、上滑块1和下滑块6由支撑座5支撑，所述上滑块1、侧面滑块以及下滑块4上均部设有直径为50μm的节流孔，气体静压导轨供气后，侧面滑块、上滑块、下滑块与导轨之间构成气体静压润滑。导轨材料采用的是MgO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃(光学材料)，利用其机械强度高，绝缘性能优良、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、耐磨、热稳定性好的特性，其作为导轨原材料十分合适。导轨的材料为光学材料，导轨也就采用光学加工方法加工成型，其加工方法为：经磁流变抛光(MRF)和计算机控制修形(CCOS)后，利用干涉仪(Zygo公司生产的WATTS180型)进行面形的测量，通过测量结果决定下一次的加工方式(MRF或者CCOS)和去除量，在加工和测量之间反复迭代，直至面形满足加工的要求。上述加工方法在光学加工领域是常规加工技术，本发明采用光学加工的方法加工微晶玻璃，使其能达到极高的面形精度，由于有了较高的加工精度，保证了小间隙条件下的气体静压润滑条件，实现了气体静压润滑的高刚度。

所述上滑块、侧面滑块以及下滑块上均部设有50μm节流孔。图6为显微镜下的50μm节流孔。因为50μm节流孔对应的气膜间隙很小约为6μm，本发明采用光学材料作为原材料，采用光学加工方法进行加工，能够实现50μm节流孔。气体静压导轨刚度、节流孔径、气膜最佳工作间隙之间的关系如图4和图5所示，随着节流孔径的减小，气膜的最佳工作间隙减小，其最佳工作间隙对应的气膜刚度增大。通过减小节流孔可以有效的提高气膜刚度。但是，减小节流孔的同时，气膜的最佳工作间隙(最大刚度对应的气膜间隙)相应的减小。200μm的节流孔径滑块最大刚度约为18N/μm，其对应的最佳间隙约为16μm；50μm的节流孔径滑块最大刚度约为38N/μm，其对应的最佳间隙约为6μm。气体静压导轨要想达到高刚度，需要采用50μm节流孔，为了满足小间隙的气体静压润滑要求，必须对导轨的节流面面形精度提出更高的要求。导轨采用微晶玻璃材料，可以光学加工达到较高的面形精度。用光学加工微晶玻璃导轨，可以很好的满足气体静压导轨小间隙条件下的润滑要求，从而达到高刚度。导轨材料的低膨胀系数和气体静压润滑的高刚度可以保证气体静压导轨具备极高的精度。

本发明中：节流孔由红宝石打孔制成，通过冲压的方式将打有节流孔的红宝石固定在铜柱上构成节流器，所述节流孔的中心轴线与铜柱的中心轴线重合，所述节流孔下方的铜柱空腔形成气腔，所述铜柱再将节流器安装在滑块上。几何结构如图7所示，其中b为铜柱直径，d为节流孔径，a为气腔直径，h为气膜间隙。

上滑块的节流孔布局如图8所示，其中c为上滑块的长度，c为120mm，b为上滑块的宽度，b为200mm，长方形的上滑块上布置了四个节流孔(四孔)，且四个节流孔均布置在上滑块的对角线上，每根对角线上分布有两个节流孔，节流孔距两对角线交点的距离相等，e为节流孔在长度方向之间的距离，节流孔在长度方向之间的距离和上滑块的长度c的比例为e/c，e/c＝0.6。对节流孔在滑块对角线上的位置进行优化，随着节流孔之间在长度方向上的距离e的变化，定义该距离和上滑块的长度c的比例为e/c，e/c可以唯一作为节流孔在上滑块对角线位置上的变量(e变化等同于e/c变化，不同的e对应了节流孔在滑块上的不同位置，优化的目的就是找到这个最佳的e，也就是e/c，使得该布局条件下上滑块刚度最大)，优化目标是滑块的刚度最大。利用有限差分方法对上滑块在不同的e下进行计算，得到不同e对应的静态特性曲线，也就是不同的节流孔位置对应的静态特性曲线。在e/c分别等于0.2、0.4、0.6和0.8条件下的静态特性曲线如图9所示，从图中可以可知，当上滑块在e/c＝0.6时刚度曲线对应的最佳刚度最大。综上可得导轨的结构参数表1所示:

表1上滑块结构参数

长方形的侧面滑块的节流孔布局如图10所示，其中c为侧面滑块的长度，b为侧面滑块的宽度，布置了两个节流孔(双孔)，且两节流孔对称布置在侧面滑块水平中心线上，e为节流孔之间的距离。对节流孔在侧面滑块中心线上的位置进行优化，随着节流孔之间距离e的变化，定义该距离和侧面滑块的长度c的比例为e/c，e/c可以唯一作为节流孔在侧面滑块中心线位置上的变量(e变化等同于e/c变化，不同的e对应了节流孔在滑块上的不同位置，优化的目的就是找到这个最佳的e，也就是e/c，使得该布局条件下侧面滑块刚度最大)，优化目标是滑块的刚度最大。利用有限差分方法对侧面滑块在不同的e下进行计算，得到不同e对应的静态特性曲线，也就是不同的节流孔位置对应的静态特性曲线。在e/c分别等于0.2、0.4、0.6和0.8条件下的静态特性曲线如图11所示，从图中可以可知，当侧面滑块在e/c＝0.4时刚度曲线对应的最佳刚度最大。综上可得导轨的结构参数表2所示:

表2侧面滑块结构参数

下滑块的节流孔布局如图12所示，其中c为下滑块的宽度，b为下滑块的长度，长方形的下滑块上布置了两个节流孔(双孔)，且节流孔对称布置在垂直中心线上，e为节流孔之间的距离。对节流孔在滑块中心线上的位置进行优化，随着节流孔之间距离e的变化，定义该距离和下滑块的宽度c的比例为e/c，e/c可以唯一作为节流孔在下滑块中心线位置上的变量(e变化等同于e/c变化，不同的e对应了节流孔在滑块上的不同位置，优化的目的就是找到这个最佳的e，也就是e/c，使得该布局条件下侧面滑块刚度最大)，优化目标是滑块的刚度最大。利用有限差分方法对下滑块在不同的e下进行计算，得到不同e对应的静态特性曲线，也就是不同的节流孔位置对应的静态特性曲线。在e/c分别等于0.2、0.4、0.6和0.8条件下的静态特性曲线如图13所示，从图中可以可知，当侧面滑块在e/c＝0.4时刚度曲线对应的最佳刚度最大。综上可得导轨的结构参数表3所示:

表3下滑块结构参数

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (7)

1.一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：包括导轨、侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座，所述导轨采用MgO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃经光学加工方法加工而成，所述侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座均采用大理石制作而成，所述导轨上设有上滑块，所述导轨的两侧分别设有一侧面滑块，所述导轨的底部两侧均设有一下滑块，所述侧面滑块与上滑块连接，所述下滑块与其相邻的侧面滑块连接，所述导轨的底部设置在支撑座上，导轨以及设置在导轨上的侧面滑块、上滑块和下滑块由支撑座支撑，所述上滑块、侧面滑块以及下滑块上均部设有直径为50μm的节流孔，气体静压导轨供气后，侧面滑块、上滑块、下滑块与导轨之间构成气体静压润滑。

2.根据权利要求1所述的基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：导轨采用光学加工方法加工成型，其加工方法为：经磁流变抛光和计算机控制修形后，利用干涉仪进行面形的测量，通过测量结果决定下一次的加工方式和去除量，在加工和测量之间反复迭代，直至面形满足加工的要求。

3.根据权利要求1所述的基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：所述侧面滑块同理螺母与上滑块相连接，所述下滑块通过螺母与其相邻的侧面滑块连接。

4.根据权利要求1所述的基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：节流孔由红宝石打孔制成，通过冲压的方式将打有节流孔的红宝石固定在铜柱上构成节流器，所述节流孔的中心轴线与铜柱的中心轴线重合，所述节流孔下方的铜柱空腔形成气腔，所述铜柱再将节流器安装在滑块上。

5.根据权利要求1所述的基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：长方形的上滑块上布置了四个节流孔，其中上滑块的长度为120mm，上滑块的宽度为200mm，四个节流孔均布置在上滑块的对角线上，每根对角线上分布有两个节流孔，节流孔距两对角线交点的距离相等，节流孔在长度方向之间的距离和上滑块的长度的比例为0.6。

6.根据权利要求1所述的基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：长方形的侧面滑块上布置有两个节流孔，侧面滑块的长度为120mm，侧面滑块的宽度为72mm，且两节流孔对称布置在侧面滑块的水平中心线上，节流孔之间的距离和侧面滑块的长度的比例为0.4。

7.根据权利要求1所述的基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：长方形的下滑块上布置有两个节流孔，下滑块的宽度为120mm，下滑块的长度为60mm，两节流孔对称布置在下滑块的垂直中心线上，节流孔之间的距离和下滑块的宽度的比例为0.4。