CN106272275A - 一种组合式超精密直线运动工作台 - Google Patents

Abstract

用于超精密加工、测量领域的组合式超精密直线运动工作台，它涉及一种超精密直线运动装置。本装置为解决现有基于滚珠丝杠工作台直线度差，基于直线电机工作台成本高、控制复杂，基于液体静压丝杠工作台静压丝杠加工难度大、价格昂贵的问题，所述基于滚珠丝杠的滚动导轨安装于液体静压导轨内部且轴线平行设置，旋转伺服电机通过滚珠丝杠带动滚动导轨平台产生直线运动，液体静压耦合元件分别与滚动导轨和液体静压导轨相连并通过液体静压油膜将滚动导轨的直线运动传递到液体静压导轨滑块上，所述液体静压耦合元件的静压支撑面设置于液体静压导轨滑块几何中心位置。本发明的组合式超精密直线运动工作台装置用于需要实现超精密直线运动的加工或测量装备。

Description

一种组合式超精密直线运动工作台

技术领域

本发明涉及一种组合式直线运动工作台，具体涉及一种能够实现超精密直线运动的由滚动工作台与液体静压工作台组合而成的直线运动工作台装置。

背景技术

超精密加工技术是制作精密光学镜片模具、惯性导航陀螺仪、激光打印机棱镜、复印机感光鼓等诸多高附加值元件的基础，对国家安全和经济发展都有重要的意义。支撑超精密加工研究和应用的是超精密加工装备，超精密直线运动工作台则为超精密加工装备的核心部件，其性能在一定程度上决定了整个加工装备的性能。超精密直线运动工作台还在集成电路制造装备、超精密测量仪器等领域具有广泛的应用。

目前，超精密工作台多为流体静压工作台，根据流体介质的不同分为气体静压和液体静压工作台。通常气体静压工作台的刚度相对于液体静压工作台刚度较低，负载能力以及对外界作用力的抗干扰能力较差。而液体静压工作台刚度更大，负载能力更强，承载能力也更好，由于油液的阻尼系数要远远大于空气的阻尼系数，因此其也容易获得更好的运动控制效果。超精密直线运动工作台的驱动主要采用滚珠丝杠驱动、直线电机驱动和液体静压丝杠驱动三种形式。

对于采用滚珠丝杠直接驱动的超精密直线运动工作台，其通过滚珠丝杠将电机的旋转运动直接转换为工作台的直线运动，减小了负载驱动力矩波动对驱动部件的影响，可以实现纳米量级定位。但是不仅丝杠本身的直线度会直接影响工作台运动的直线度，丝杠轴线与液体静压工作台的运动轴线在装配时候的不平行也会导致工作台的运动直线度难以保证。为制造一套基于滚珠丝杠的超精密工作台，必须将滚珠丝杠以及与滚珠丝杠相连接的各个部件都加工的非常精密，还要装配的极其准确，这不仅对所加工的零件还对装配人员的技术经验都提出了更高的要求，极大增加了工作台的成本。

对于采用直线电机直接驱动的超精密工作台，直线电机的线圈和磁轨通常分别与滑块和导轨相连，没有了中间的传动部件，无机械滞后和螺距误差。直线电机控制的导轨系统是一个大质量、低阻尼的系统，在控制方面十分复杂。直线电机存在由齿槽效应和边缘效应所引起的力矩纹波，导致工作台上微小的力的波动都会影响到工作台的定位误差。此外，直线电机价格昂贵、电气刚度较低、电机产生的热量对工作台误差影响严重等不足，制约了基于直线电机的超精密工作台的推广。

对于采用液体静压丝杠驱动的超精密工作台，螺母与丝杠之间由一层高压液体隔开，没有了直接的机械摩擦，避免了爬行和反向间隙等现象，可以使整个滚珠丝杠系统长时间保持较高的精度。由于油膜的均化作用，使液体静压丝杠可以在大范围内能够达到纳米级的定位精度。液体静压丝杠所具有的结构复杂、制造工艺繁琐、对加工装备的精度要求高、价格昂贵、轴向刚度和承载能力较小等不足。

综上，现有的超精密直线运动工作台或难以保证直线度要求，或控制复杂刚度不足，或丝杠结构复杂、工艺繁琐、价格昂贵。

发明内容

本发明为了解决现有的采用滚珠丝杠驱动的工作台直线度较差，基于直线电机驱动的工作台成本高、控制复杂，基于液体静压丝杠驱动的工作台结构复杂、价格昂贵的问题，提供一种由滚珠丝杠驱动的滚动导轨与液体静压导轨通过液体静压耦合元件组合而成的超精密直线进给工作台。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明组合式超精密工作台包括采用滚珠丝杠作为传动元件的滚动直线工作台Ⅰ、液体静压工作台Ⅲ、滚动和液体静压导轨间的液体静压耦合元件Ⅱ。所述采用滚珠丝杠作为传动元件的滚动直线工作台Ⅰ包括滚动工作台底座2、伺服电机5、电机支撑座8、弹性联轴器7、滚珠丝杠前支座10、角接触球轴承9、滚珠丝杠13、滚珠丝杠螺母24、直线导轨条14、滑块15、螺母连接座16、滚动导轨工作台23、丝杠后支座25、调整螺母27、轴承端盖28、防尘盖29，所述伺服电机5端面凸台与电机支撑座8相配合，保证定位的准确性，并由内六角螺钉实现与电机支撑座8的固定，所述电机支撑座8的下表面通过内六角螺钉3与滚动工作台底座2固接，所述滚珠丝杠13通过弹性联轴器7与伺服电机5的输出轴联接，并由紧定螺钉6锁紧，所述滚珠丝杠13的前后端分别由双列角接触球轴承支撑，并通过滚珠丝杠螺母24将电机的旋转运动转换为直线运动，所述螺母连接座16通过内六角螺钉与滚珠丝杠螺母24固接，上表面与滚动导轨工作台23通过内六角螺钉固接，所述滚动导轨工作台23通过内六角螺钉与滑块15固接，所述直线导轨条14通过内六角螺钉与滚动工作台底座2固接，保证滑块15能在其上平稳运动。

所述液体静压工作台Ⅲ包括液体静压工作台基座1，液体静压工作台滑块22。所述液体静压工作台基座1与液体静压工作台滑块22的接触面之间充有静压油液。

所述液体静压耦合件Ⅱ包括左侧静压支撑件17、导流板18、节流器19、右侧静压支撑件20，所述导流板18为T型，中间加工有静压油液导流孔，两侧面加工有静压油液导流槽，所述导流板18通过其上表面的孔18-2与液体静压工作台滑块22固接，其两侧面分别于左侧静压支撑件17、右侧静压支撑件20之间充有压力油液，所述左侧静压支撑件17、右侧静压支撑件20，通过其上的螺钉孔与滚动导轨工作台23固接。

本发明的有益效果是：发明的组合式超精密直线运动工作台，采用所设计的一种液体静压耦合元件将基于滚珠丝杠驱动的滚动导轨与液体静压导轨组合到一起，避免了滚动导轨直线度误差直接传递到液体静压导轨上，保证了整个工作台的直线度。

本发明采用基于滚珠丝杠的滚动导轨驱动液体静压导轨，滚动导轨的滚珠丝杠、直线导轨条、滑块均采用标准件有效降低了成本，避免了采用直线电机而带来的成本高、电气刚度低、控制复杂、电机发热导致的精度降低等不足。

本发明采用平板式的元件作为液体静压耦合元件，相对于液体静压丝杠而言其液体静压油膜所在的面为平面，相对于液体静压丝杠的螺旋曲面其制造更加容易，并可通过调整左、右两侧静压支撑板来调整油膜的厚度。此外，本发明液体静压耦合元件中的静压支撑面相对于静压丝杠的螺旋曲面面积更大，易获得更高的轴向刚度。

附图说明

图1是本发明的组合式超精密直线运动工作台的立体图，图2是图1的俯视图，图3是图2的A-A剖面图，图4是液体静压耦合部件的立体图，图5是图4的导流板零件的立体图，图6是图4中的右侧静压支撑件的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式用于滚动直线工作台Ⅰ，包括滚动工作台底座2、伺服电机5、电机支撑座8、弹性联轴器7、滚珠丝杠前支座10、角接触球轴承9、滚珠丝杠13、滚珠丝杠螺母24、直线导轨条14、滑块15、螺母连接座16、滚动导轨工作台23、滚珠丝杠后支座25、调整螺母27，轴承端盖28、防尘盖29。所述电机支撑座8、滚珠丝杠前支座10、滚珠丝杠后支座25均通过内六角螺钉固连于滚动工作台底座2上，通过保证所述零件滚珠丝杠前支座10、滚珠丝杠后支座25上的轴承孔中心线到底面的高度，以及安装所述滚珠丝杠前支座10、滚珠丝杠后支座25的滚动工作台底座2的平面度保证，通过加工保证所述电机支撑座8的中心孔到底面的距离，保证所述伺服电机5的旋转轴线与所述滚珠丝杠13的轴线共线。通过刮研保证所述滚动工作台底座2上装配所述直线导轨条14处平面的平面度以及与所述滚动工作台底座2上安装电机支撑座8平面的平行度。通过采用所述弹性联轴器7减小所述伺服电机5与所述滚珠丝杠13的不同轴对滚动工作台造成的影响。

所述滚珠丝杠13的生产厂家是日本THK，型号为：BNK1204,直线滚动导轨的生产厂家是日本NSK型号为：R106300AP5。

具体实施方式二：如图1～3所示，所述液体静压工作台Ⅲ包括液体静压工作台基座1，液体静压工作台滑块22。所述液体静压工作台基座1由整块大理石加工而成从而保证其整体的刚度，所述液体静压工作台滑块22与所述液体静压工作台基座1之间的静压支撑面需要对研以保证运动精度，装配时通过塞尺保证液体静压支撑面之间的间隙在10～15μm之间。

具体实施方式三，如图3～4所示，所述液体静压耦合元件Ⅱ，起到连接所述液体静压工作台Ⅲ与所述滚动直线工作台Ⅰ的作用，包括左侧静压支撑件17、导流板18、节流器19、右侧静压支撑件20。所述导流板18与所述左侧静压支撑件17、右侧静压支撑件20之间的间隙在10～15μm之间。所述液体静压耦合元件Ⅱ的装配顺序为先将所述左侧静压支撑件17、右侧静压支撑件20预安装于所述滚动导轨工作台23上，然后将导流板18置于两支撑件之间通过塞尺保证液体静压支撑面之间的间隙，最后将左侧静压支撑件17、右侧静压支撑件20与滚动导轨工作台23之间的连接螺钉拧紧。

具体实施方案四，如图3～5所示所述组合式超精密工作台的整体装配顺序为：先装配所述滚动直线工作台Ⅰ，组成及连接关系与具体实施方案一相同，然后将所述液体静压耦合元件Ⅱ安装于所述滚动导轨工作台23上，组成及连接关系与实施方案三相同。将所述滚动直线工作台Ⅰ通过所述液体静压耦合元件Ⅱ与所述液体静压工作台Ⅲ集成时，先将所述导流板18取下，然后将所述滚动直线工作台Ⅰ与液体静压耦合件的剩余部件通过内六角螺钉4预安装于所述液体静压工作台基座1上，再将所述导流板18穿过液体静压工作台滑块22插入所述左侧静压支撑件17与右侧静压支撑件20之间，并通过所述导流板18上的螺钉孔与所述液体静压工作台滑块22预固定。进而将所述液体静压工作台Ⅲ通入静压油液，用手推动所述液体静压工作台滑块22，并用橡皮锤调整所述滚动工作台的位置，使液体静压工作台滑块22能够平稳地运动，最后将内六角螺钉4拧紧，将所述导流板18固定。从而保证液体静压工作台Ⅲ的运动轴线与所述滚动直线工作台Ⅰ的轴线平行。

具体实施方案五：如图3所示，所述液体静压耦合元件Ⅱ的液体静压支撑面位于所述液体静压工作台滑块22的几何中心位置，以减少液体静压工作台滑块22在运动时产生的扭转、俯仰误差。

具体实施方案六：如图3～6所示，导流板18上的密封孔18-1为加工其中液体流到时的工艺孔，在使用时采用螺纹密封，导流板18下部加工有倒角以便于将其安装于左右两支撑板中间。所述18-3为导流槽其在所述导流板18的两个液体静压支撑面上各有一个且对称分布，导流槽的形状为“工”字型，可使高压油液均匀地充溢与左右支撑板与导流板18之间。与所述导流槽18-3相连通的静压油路上安装有节流器19控制液压油流量。所述右侧静压支撑件20的静压支撑面20-1需精密研磨保证平面度，且与左侧静压支撑件17的静压支撑面大小相等从而减小油液压力波动对所述液体静压工作台Ⅲ位置波动的影响。

具体实施方案七：在所述工作台滑块22上安装超精密光栅尺，从而实现对整个工作台的闭环控制保证运动精度，其它与一至五实施方案相同。

工作原理：

伺服电机5通过弹性联轴器7带动滚珠丝杠13产生旋转运动，同时滚珠丝杠13通过滚珠丝杠螺母24将丝杠的旋转运动转换为直线运动；由于滚动导轨工作台23通过螺母连接座16与丝杠螺母24连接，并通过内六角螺钉与滑块15相连，滚动导轨工作台23将在直线导轨条14上进行直线运动；液体静压工作台滑块22以液体静压工作台基座1进行导向，并与液体静压耦合元件Ⅱ的导流板18固连，左侧静压支撑件17、右侧静压支撑件20均与滚动导轨工作台23固连，从而将滚动导轨工作台23的直线运动传递到液体静压工作台滑块22上；由于滚动直线工作台Ⅰ与液体静压工作台Ⅲ之间采用液体静压耦合元件Ⅱ传递运动，避免的直接的机械接触，有效隔离了滚动直线工作台Ⅰ的直线度误差向液体静压工作台Ⅲ的传递。

Claims (6)

1.一种组合式超精密直线运动工作台，所述组合式超精密工作台包括基于滚珠丝杠的滚动直线工作台Ⅰ，液体静压工作台Ⅲ，液体静压耦合元件Ⅱ，其特征在于：所述液体静压耦合元件Ⅱ中的导流板(18)与液体静压滑块(22)固连，左侧静压支撑件(17)与右侧静压支撑件(20)均与滚动导轨工作台(23)固连，以实现滚动直线工作台Ⅰ与液体静压工作台Ⅲ的组合。

2.根据权利要求1，所述的组合式超精密直线运动工作台，其特征在于：所述液体静压耦合元件Ⅱ由导流板（18）、左侧静压支撑件（17）、右侧静压支撑件（20）三部分组成，其形成的液体静压面为平面，且左、右两侧静压支撑面面积大小相等。

3.据权利要求1或2，所述的组合式超精密直线运动工作台，其特征在于：所述的导流板（18）为T型结构，其上加工有静压液体流道工艺孔（18-1）与所述液体静压工作台滑块（22）连接的螺钉孔（10-2），导流板（18）左侧面加工有“工”字型导流槽（18-3），右侧面也加工有与左侧面的所述导流槽大小形状相同的导流槽，且与左侧面的所述导流槽（18-3）的位置对称；两侧导流槽中间由油道相连，油道中置有节流器（19）。

4.据权利要求1或2，所述的组合式超精密直线运动工作台，其特征在于：所述右侧静压支撑件（20）的静压支撑面（20-1）的下部加工有大的倒角起到倒流作用，且加工有螺钉固定孔（20-2），左侧静压支撑件右侧静压支撑件结构相同。

5.据权利要求1或2，所述的组合式超精密直线运动工作台，其特征在于：所述液体静压耦合元件Ⅱ的液体静压支撑面位于所述液体静压导轨滑块（22）的几何中心位置。

6.据权利要求1、2或5，所述组合式超精密直线运动工作台，其特征在于：所述滚动直线工作台Ⅰ安装于液体静压工作台Ⅲ的内部，两者的运动轴线相互平行。