CN106958590A - 多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置 - Google Patents

多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置 Download PDF

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Abstract

多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置属于精密测量与仪器技术领域；该装置包括从动系统、解耦系统和驱动系统；从动系统包括固体摩擦器、气浮导套、光电读数头、光栅尺、限位块、限位传感器和精密气浮导轨；解耦系统包括导轨连接部件、滚珠保持架、解耦支架、滚珠和块规A；驱动系统包括驱动电机、主动轮、传动带和从动轮；固体摩擦器包括摩擦块、固定板、摩擦压紧块、顶钉、弹簧、调整螺套和摩擦架；解耦系统两端分别与驱动系统的传动带和从动系统的精密气浮导轨固连；本发明有效解决了驱动系统对从动系统的干扰问题，建立了一种基于多自由度解耦的气/固复合式高精度直线运动基准装置。

Description

多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置
技术领域
本发明属于精密测量与仪器技术领域，特别涉及一种多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置。
背景技术
在超精密计量测试和超精密加工领域，高精度直线运动基准是精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中的核心技术之一。圆柱度测量仪是圆柱回转体类零部件的专用测量仪器，其水平横臂的直线运动精度是确保水平直线度、平面度等技术指标测量的关键技术。
中国计量学院提出了一种凹面气体静压精密气浮导轨结构（凹面气体静压精密气浮导轨，专利公开号：CN101196214）。该装置包括节流孔、凹球面、凹拱形面、气体静压精密气浮导轨和均压槽几个部分，将气体静压精密气浮导轨的两侧都加工为光滑的凹球面，在工作面上设有一个或几个直径小于1毫米的节流孔；其特点是将具有一定压力的空气经过节流孔送入气体静压精密气浮导轨间隙，借助其静压使精密气浮导轨悬浮起来，精密气浮导轨面之间形成一层极薄的气膜，实现精密气浮导轨纯空气摩擦的直线运动。对比传统气体静压精密气浮导轨，气膜振幅将显著降低，提高精密气浮导轨的定位精度。该方案主要着力于降低传统气体静压精密气浮导轨气膜振幅，通过改善供气性能的途径来达到提高承载能力和刚度的目的。
昆明理工大学提出了一种鼓形槽复合节流空气静压精密气浮导轨结构（鼓形槽复合节流空气静压精密气浮导轨装置，专利公开号：CN203743207U）。该装置包括静压精密气浮导轨、供气孔、鼓形槽、复合节流气腔和相配合的精密气浮导轨几个部分，将设有复合节流气腔的静压精密气浮导轨的表面与另一精密气浮导轨接触配合，从静压精密气浮导轨的另一表面上供气孔通入，直至产生气膜。该发明通过合理设计和选择工作参数，可以有效避免由于供气压力过大或者气膜厚度变化而可能带来的激波现象，进而提高空气精密气浮导轨的静刚度、运动精度等特性。
通过精密气浮导轨建立水平测量基准时，要求其具有高精度、高刚度、低振动及高定位精度等特性，但由于处于定位状态时外加阻尼小，精密气浮导轨和导套间气流扰动和外部微小振动等均可能使系统处于微抖动状态，难以可靠、快速地定位于预定位置，定位精度难以保证；此外，在驱动精密气浮导轨运动过程中，为保证其运动精度，要求外加在导轨上的驱动干扰作用尽量小，目前现有技术并没有很好的解决这两个问题。
因此，本发明提出一种基于多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置，能够同时兼顾高运动精度和高定位稳定性，在精密装备制造业等领域的应用具有重要意义。
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，提出一种通过多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置，在保留静压精密气浮导轨直线度高的优势前提下，实现较高的定位精度及定位稳定性；采用多自由度解耦结构的设计，能够实现精密精密气浮导轨与传动带平行性的自校准功能；其固体摩擦器利用弹性及摩擦部分的设计，能够将气流微扰动显著消除，达到提高定位稳定性的目的。
上述目的通过以下的技术方案实现：
一种多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置, 该装置包括从动系统、解耦系统和驱动系统，从动系统和驱动系统通过解耦系统相连接；从动系统包括固体摩擦器、气浮导套、光电读数头、光栅尺、限位块、限位传感器和精密气浮导轨；解耦系统包括导轨连接部件、滚珠保持架、解耦支架、滚珠和块规A；驱动系统包括驱动电机、主动轮、传动带和从动轮；固体摩擦器包括摩擦块、固定板、摩擦压紧块、顶钉、弹簧、调整螺套和摩擦架；解耦系统两端分别与驱动系统的传动带和从动系统的精密气浮导轨固连；
从动系统的两个气浮导套平行安装，精密气浮导轨配装在气浮导套的内侧，在精密气浮导轨上沿X运动方向安装有光栅尺，气浮导套上安装有与光栅尺配合使用的光电读数头；精密气浮导轨上安装有限位块，气浮导套上安装有与限位块配合使用的限位传感器；固体摩擦器的固定板与气浮导套相固连，摩擦架与固定板相固连，摩擦压紧块配置在摩擦架的凹槽内，摩擦块与摩擦压紧块紧密接触配合，弹簧的两端分别与顶钉和调整螺套接触配合；
解耦系统上的块规A固定在解耦支架的内侧；滚珠保持架固定在块规A上；滚珠固定在滚珠保持架内，并与导轨连接部件外侧的块规B接触配合；
驱动系统上的驱动电机与主动轮轴连；从动轮的主轴与主动轮的主轴水平平行安装；传动带紧密环绕接触在主动轮和从动轮上。
解耦系统的滚珠在滚珠保持架内滚动，将传动带沿Y方向和Z方向的干扰分量进行解耦。
从动系统的固体摩擦器内的弹簧将调整螺套的驱动力传递至顶钉，将摩擦块压紧。
摩擦块采用聚四氟乙烯或尼龙等材料制作。
本发明具有如下显著特点和有益效果：
1、本发明装置中设计的固体摩擦器与精密气浮导轨表面接触配合，通过精确计算和实验设定合适的弹簧预紧力，利用固体摩擦器与精密气浮导轨表面接触摩擦时的变形储能效应和吸振特性，可有效抑制精密气浮导轨定位过程中的中高频微振动，使精密气浮导轨在其直线运动精度不受影响的前提下，导轨定位精度和可靠性大幅优于传统的纯气体润滑支承式气浮导轨。
2、本发明装置中通过在从动系统与驱动系统之间配置解耦系统，并设计了多自由度解耦装置，有效地解决了驱动过程中传动带与气浮导轨不平行，以及传动带姿态误差对气浮导轨运动精度的干扰问题；实现了驱动系统在Y向、Z向上的平动，以及绕X、Y和Z三个轴转动误差对气浮导轨影响的解耦，显著降低了驱动系统干扰的影响。
本发明装置用途广泛，尤其适用于精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中直线运动基准的建立。
附图说明
图1为多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置的结构示意图（平面图）；
图2为多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置的结构示意图（三维立体图）；
图3为解耦系统的结构示意图（平面图）；
图4为解耦系统的结构示意图（三维立体图）；
图5为固体摩擦器的结构示意图；
图6为固体摩擦器的结构剖视图；
图中：A、从动系统；B、解耦系统；C、驱动系统；1、固体摩擦器；2、气浮导套；3、光电读数头；4、光栅尺；5、限位块；6、限位传感器；7、精密气浮导轨；8、驱动电机；9、主动轮；10、传动带；11、从动轮；12、导轨连接部件；13、滚珠保持架；14、解耦支架；15、滚珠；16-1、块规A；16-2、块规B；17、摩擦块；18、固定板；19、摩擦压紧块；20、顶钉；21、弹簧；22、调整螺套；23、摩擦架。
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和图2所示，一种多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置，包括从动系统A、解耦系统B和驱动系统C，从动系统A和驱动系统C通过解耦系统B相连接；从动系统A包括固体摩擦器1、气浮导套2、光电读数头3、光栅尺4、限位块5、限位传感器6和精密气浮导轨7；解耦系统B包括导轨连接部件12、滚珠保持架13、解耦支架14、滚珠15和块规16-1；驱动系统C包括驱动电机8、主动轮9、传动带10和从动轮11；固体摩擦器1包括摩擦块17、固定板18、摩擦压紧块19、顶钉20、弹簧21、调整螺套22和摩擦架23；解耦系统B两端分别与驱动系统C的传动带10和从动系统A的精密气浮导轨7固连。
从动系统A的两个气浮导套2平行安装；精密气浮导轨7配装在气浮导套2的内侧；精密气浮导轨7沿X运动方向安装有光栅尺4，气浮导套2上安装有与光栅尺4配合使用的光电读数头3；精密气浮导轨7上安装有限位块5，气浮导套2上安装有与限位块5配合使用的限位传感器6；固体摩擦器1的固定板18与气浮导套2固连，摩擦架23与固定板18相固连，摩擦压紧块19设置在摩擦架23的凹槽内，摩擦块17与摩擦压紧块19接触配合，弹簧21两端分别与顶钉20和调整螺套22接触配合。
解耦系统B上的块规A16-1固定在解耦支架14的内侧；滚珠保持架13固定在块规A16-1上；滚珠15固定在滚珠保持架13内，并与导轨连接部件12外侧的块规B16-2接触配合；
驱动系统C上的驱动电机8与主动轮9轴连；从动轮11的主轴与主动轮9的主轴水平平行安装；传动带10紧密环绕接触在主动轮9和从动轮11上。
解耦系统B的滚珠15在滚珠保持架13内滚动，将传动带10沿Y方向和Z方向的干扰分量进行解耦。
从动系统A的固体摩擦器1内的弹簧21将调整螺套22的驱动力传递至顶钉20，将摩擦块17压紧。
摩擦块17采用聚四氟乙烯或尼龙等材料制作。
驱动电机8牵引主动轮9和从动轮11同步回转运动，传动带10被主动轮9和从动轮11夹持并受到摩擦力的驱动，产生沿X方向的直线运动，通过解耦系统B将沿Y方向和Z方向的干扰分量进行解耦，并将运动传递至精密气浮导轨7上。
固体摩擦器1与精密气浮导轨7预先保持一定的接触预紧力，并最终形成气体支承与固体支承相结合的支承形式。精密气浮导轨7在气浮导套2内做直线运动时，固体摩擦器1与精密气浮导轨7保持动滑动摩擦状态，在精密气浮导轨7处于定位状态下，固体摩擦器1与精密气浮导轨7保持静摩擦状态，利用摩擦块17的微变形储能和阻尼效应，显著提高精密气浮导轨7的定位稳定性。

Claims (4)

1.一种多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置,其特征在于：该装置包括从动系统(A)、解耦系统(B)和驱动系统(C)，从动系统(A)和驱动系统(C)通过解耦系统(B)相连接；从动系统(A)包括固体摩擦器(1)、气浮导套(2)、光电读数头(3)、光栅尺(4)、限位块(5)、限位传感器(6)和精密气浮导轨(7)；解耦系统(B)包括导轨连接部件(12)、滚珠保持架(13)、解耦支架(14)、滚珠(15)和块规A(16-1)；驱动系统(C)包括驱动电机(8)、主动轮(9)、传动带(10)和从动轮(11)；固体摩擦器(1)包括摩擦块(17)、固定板(18)、摩擦压紧块(19)、顶钉(20)、弹簧(21)、调整螺套(22)和摩擦架(23)；解耦系统(B)两端分别与驱动系统(C)的传动带(10)和从动系统(A)的精密气浮导轨(7)固连；
从动系统(A)的两个气浮导套(2)平行安装，精密气浮导轨(7)配装在气浮导套(2)的内侧，在精密气浮导轨(7)上沿X运动方向安装有光栅尺(4)，气浮导套(2)上安装有与光栅尺(4)配合使用的光电读数头(3)；精密气浮导轨(7)上安装有限位块(5)，气浮导套(2)上安装有与限位块(5)配合使用的限位传感器(6)；固体摩擦器(1)的固定板(18)与气浮导套(2)相固连，摩擦架(23)与固定板(18)相固连，摩擦压紧块(19)配置在摩擦架(23)的凹槽内，摩擦块(17)与摩擦压紧块(19)紧密接触配合，弹簧(21)的两端分别与顶钉(20)和调整螺套(22)接触配合；
解耦系统(B)上的块规A(16-1)固定在解耦支架(14)的内侧；滚珠保持架(13)固定在块规A(16-1)上；滚珠(15)固定在滚珠保持架(13)内，并与导轨连接部件(12)外侧的块规B(16-2)接触配合；
驱动系统(C)上的驱动电机(8)与主动轮(9)轴连；从动轮(11)的主轴与主动轮(9)的主轴水平平行安装；传动带(10)紧密环绕接触在主动轮(9)和从动轮(11)上。
2.根据权利要求1所述的多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置，其特征在于：所述解耦系统(B)的滚珠(15)在滚珠保持架(13)内滚动，将传动带(10)沿Y方向和Z方向的干扰分量进行解耦。
3.根据权利要求1所述的多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置，其特征在于：所述从动系统(A)的固体摩擦器(1)内的弹簧(21)将调整螺套(22)的驱动力传递至顶钉(20)，将摩擦块(17)压紧。
4.根据权利要求1所述的多自由度解耦驱动的气/固复合式高精度直线运动基准装置，其特征在于：所述摩擦块(17)采用聚四氟乙烯或尼龙等材料制作。
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