CN109909758B

CN109909758B - 一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块

Info

Publication number: CN109909758B
Application number: CN201910221159.9A
Authority: CN
Inventors: 彭云峰; 施晨淳; 王振忠; 郭隐彪
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN109909758A

Abstract

一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，涉及液体静压节流装置领域，包括滑块本体、及与滑块本体连接的压力传感器和流量控制器；滑块本体开设有滑块本体进油口、至少一个油腔、与油腔数量相对应的出油分流口和进油分流口；油腔设有油腔出油口，出油分流口与滑块本体进油口连通，进油分流口与油腔出油口连通；油腔的周边设有微织构封油面；流量控制器设有流量控制器进油口和流量控制器出油口，且流量控制器进油口和出油分流口连通，流量控制器出油口和进油分流口连通；压力传感器与油腔连通，以实时监测油腔的油压大小。安装有本发明模块的线性轴机台不仅可以具有高油膜刚度和高承载能力，而且还可以具有较好的运动直线度。

Description

一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块

技术领域

本发明涉及液体静压节流装置领域，尤其涉及一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块。

背景技术

液体静压支承因具有高运动精度、低摩擦阻力、高服役寿命以及良好的抗振性能等优点，而在超精密机床和超精密测量仪器中都有着广泛的应用。

节流器是恒压供油液体静压支承系统中不可或缺的关键元件，它能够自动调节油腔压力，使恒压供油静压支承系统具有相应的油膜承载力和油膜刚度。常用的固定节流器主要有毛细管节流器和小孔节流器，虽然结构简单，但是节流比不可调，油膜刚度也有限；常用的可变节流器主要有薄膜式节流器和滑伐式节流器，尽管内部节流比可调，且具有更大的油膜刚度，但并不能实时、主动控制节流比。此外，传统静压导轨没有压力传感器作为油腔压力的直接反馈。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，集主动可变节流器、压力传感器和滑块本体于一体，既能实时、主动控制节流比，又能直接反馈油腔压力大小。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，包括滑块本体、至少一个压力传感器和至少一个流量控制器；

所述滑块本体的表面开设有滑块本体进油口、至少一个油腔、与油腔数量相对应的出油分流口和进油分流口；油腔设有油腔出油口，出油分流口与滑块本体进油口通过滑块本体内部通道连通，进油分流口与油腔出油口通过滑块本体内部通道连通；油腔的外沿周边设有微织构封油面，所述微织构封油面的高度高于滑块本体的表面；

所述流量控制器与滑块本体连接，流量控制器设有流量控制器进油口和流量控制器出油口，且流量控制器进油口和出油分流口连通，流量控制器出油口和进油分流口连通；

所述压力传感器与滑块本体连接，压力传感器通过滑块本体内部通道与油腔连通，以实时监测油腔的油压大小。

本发明中，所述油腔设有两个，且分别设于滑块本体的上下表面，压力油从滑块本体的进油口流入，经过内部通道分流至两个流量控制器，再由流量控制器流至对应的油腔；所述压力传感器设有一个，该压力传感器与其中之一的油腔连通。在实际中，油腔个数和位置可根据需要设置，滑块模块需要固接在工作台上使用，本发明中油腔设有两个，油腔结构相同，可从用途上命名为举升油腔和保持油腔，举升油腔对应闭式静压导轨的下导轨面，保持油腔对应闭式静压导轨的上导轨面。

所述压力传感器也可设有多个，即每个油腔对应一个压力传感器，本发明中，可只采用一个压力传感器与其中之一的油腔连通，最优地，该压力传感器与举升油腔连通，便于有效的安装调试。

所述微织构封油面的微织构形状包括直线微沟槽、锯齿状微沟槽、花瓣状微凹坑、六边形微凹坑，在本发明中，所述微织构封油面可采用上述单一的形状或者各形状的组合。

所述流量控制器包括套体、设于套体内的节流本体和压电促动器；套体的前端开设有所述流量控制器进油口和流量控制器出油口，压电促动器设于套体内的后端且压电促动器与节流本体连接，节流本体的外壁与套体的内壁之间设有密封件，节流本体的前端面与流量控制器出油口的后端面形成有缝隙。

所述套体包括依次固定连接的前安装套、后安装套和端盖；前安装套和后安装套之间设有密封圈；前安装套设有朝向节流本体方向凸出的环形圆台，所述流量控制器出油口设于环形圆台的中央，所述流量控制器进油口设于前安装套上，且位于环形圆台的侧边；所述压电促动器设于端盖和节流本体之间，端盖开设有光孔，用以压电促动器外接。

所述节流本体为圆柱体结构，节流本体的外壁开设有至少一个环槽，所述密封件嵌套于环槽内，且密封件与后安装套的内壁紧密贴合。所述环槽可为矩形环槽。

所述密封件为具有段口的弹性密封环，且两段面形状适配；密封环的外轮廓直径大于后安装套的内壁直径，以使密封环在自身弹力下段口闭合，且密封环与后安装套内壁紧密贴合形成密封。所述段口可为斜面段口或直面段口。

所述密封环的中部设有向内凹的环形槽，以使环形槽的两端向外延伸形成双层密封结构。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、安装有本发明模块的线性轴机台具有高油膜刚度和高承载能力：本发明的流量控制器具有主动控制内部液阻(或说节流比)的能力，当液阻恒定，则可以作为固定节流器使用，当液阻变化，则可以作为可变节流器使用，因此可以兼具两种节流器的优点，如油膜刚度和承载能力；可变节流器的油膜刚度要优于固定节流器，但是可变节流器的液阻随载荷变化而自动变化，本发明的流量控制器内部液阻可实现主动可控，因此油膜刚度可达到更高水平。

2、安装有本发明模块的线性轴机台具有较好的运动直线度：固定节流器和可变节流器不具备运动误差的补偿功能，而本发明流量控制器可以主动针对性地改变流量控制器内部的液阻(或说节流比)，主动调整油腔与对应导轨面之间的距离，因此具有更优的运动直线度。

3、微织构封油面可用以减缓和减轻滑块本体与导轨在不正常工作状态下直接接触的剧烈摩擦磨损，改善耐磨性。

4、当某一滑块模块故障时，只需更换故障的滑块模块即可，安装维护方便，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为滑块模块呈现上表面时的立体结构示意图；

图2为滑块模块呈现下表面时的立体结构示意图；

图3为流量控制器与滑块本体分解结构示意图之一；

图4为流量控制器与滑块本体分解结构示意图之二；

图5为滑块模块一端的正视示意图；

图6为流量控制器分解结构示意图；

图7为以前安装套为正面的流量控制器的正视示意图；

图8为图7中A-A剖面示意图；

图9为流量控制器的密封环结构示意图；

图10为密封环的密封原理示意图；

图11为滑块模块的应用示意图之一；

图12为滑块模块的应用示意图之二；

图13为滑块模块应用的侧面示意图；

图14为图11中一条导轨上两块滑块模块运动直线度的原理示意图。

附图标记：1工作台，2滑块本体进油口，3流量控制器，4压力传感器，5滑块本体，6微织构封油面，7油腔，8油腔出油口，9上导轨面，10下导轨面，11螺栓孔，13出油分流口，14进油分流口，15螺钉孔，3-1流量控制器进油口，3-2流量控制器出油口，3-3O型圈槽，3-4O型圈槽，3-5前安装套，3-6密封圈，3-7后安装套，3-8光孔，3-9压电促动器，3-10端盖，3-11密封组件，3-12节流本体，3-13环形圆台，3-14端盖螺栓，3-15安装套螺栓，3-16后安装套光孔，3-17前安装套光孔，3-18端盖光孔，3-19密封环，3-20第一密封面，3-21第二密封面，3-22第三密封面，3-23矩形环槽，3-24工作腔室，3-25节流本体的前端面。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～5所示，本发明包括滑块本体5、一个压力传感器4和两个流量控制器3。

滑块本体5的结构如下：

滑块本体5的上表面开设有一滑块本体进油口2；

滑块本体5设有两个油腔7，其分别设于滑块本体5的上下表面，油腔7设有油腔出油口8；油腔7的外沿周边设有微织构封油面6，所述微织构封油面6的高度高于滑块本体5的表面，本实施例中，微织构采用圆形凹坑，开设的微织构可以在液体静压导轨无油或少油的非正常情况下，改善滑块本体5与静压导轨面之间的摩擦磨损特性；本实施例中，滑块本体5下表面的油腔7称为举升油腔，滑块本体5上表面的油腔7称为保持油腔；

滑块本体5的两端面均分别开设有与两个油腔7对应的出油分流口13和进油分流口14，滑块本体5内部设有供油口之间连通的多个内部通道，具体地，出油分流口13与滑块本体进油口2通过内部通道连通，进油分流口14与油腔出油口8通过内部通道连通；

滑块本体5开设有螺栓孔11，用以将本发明滑块模块连接线性轴机台。

所述两个流量控制器3分别设于滑块本体5的两端，流量控制器3设有流量控制器进油口3-1和流量控制器出油口3-2，且流量控制器进油口3-1和出油分流口13对应连通，流量控制器出油口3-2和进油分流口14对应连通。

本发明设有上下两个油腔，上油腔和下油腔可各自对应一个压力传感器；在实际中，由于成本、设计空间有限等原因，可只在下油腔设置一个压力传感器，因为“下油腔受到的油膜反力＝上油腔受到的油膜反力+外加载荷”，安装调试时需要压力传感器对应下油腔。

本实施例中，所述压力传感器4设于滑块本体5的一端，压力传感器4通过滑块本体5内部通道与其中之一油腔7连通，以实时监测油腔7的油压大小并反馈给外接的控制系统；本实施例中，压力传感器4与举升油腔连通，举升油腔即为设于滑块本体下表面的油腔。

如图6～10所示，所述流量控制器3包括套体、节流本体3-12和压电促动器3-9。

所述套体包括依次固定连接的前安装套3-5、后安装套3-7和端盖3-10，三者共同形成有腔室，所述节流本体3-12和压电促动器3-9从前到后依次设于套体的腔室内，即压电促动器3-9设于套体的后端，且压电促动器3-9分别与端盖3-10和节流本体3-12连接，节流本体3-12与前安装套3-5之间的空白空间称为工作腔室3-24。

所述端盖3-10开设有光孔3-8，用以压电促动器3-9有线外接控制系统。

所述前安装套3-5设有朝向节流本体3-12方向凸出的环形圆台3-13，所述流量控制器出油口3-2开设于环形圆台3-13的中央，所述流量控制器进油口3-1设于前安装套3-5上，且位于环形圆台3-13的侧边；节流本体的前端面3-25与环形圆台3-13之间形成平面圆环缝隙。

所述节流本体3-12为圆柱体结构，节流本体3-12的外壁与后安装套3-7的内壁之间形成有密封组件3-11，所述密封组件3-11包括节流本体3-12外壁开设的三个矩形环槽3-23，以及嵌套于矩形环槽3-23内的密封环3-19，且密封环3-19与后安装套3-7的内壁紧密贴合，以防止压力油从流量控制器3的工作腔室渗透出去。

所述密封环3-19为具有段口的弹性密封环3-19，且两段面形状适配；密封环3-19自由不受力状态时的外轮廓直径大于后安装套3-7的内壁直径，以使密封环3-19在自身弹力下段口闭合，且密封环3-19与后安装套3-7内壁紧密贴合形成密封。所述段口为45°斜面段口。

所述密封环3-19的中部设有向内凹的环形槽，以使环形槽的两端向外延伸形成双层密封结构。

如图10所示，本实施例密封环3-19的密封原理如下：

密封环3-19自由状态下非正圆形，并且外轮廓直径大于后安装套3-7内壁直径，因此，在自身弹力作用下，由于双层密封结构形成了第一密封面3-20和第二密封面3-21；另外，在压力油作用下，又形成了第三密封面3-22，进入矩形环槽3-23的压力油进一步使密封环3-19的外圆面与后安装套3-7内壁面更加贴紧。

滑块本体5与流量控制器3的连接：所述滑块本体5的端面设有螺钉孔15，前安装套3-5和后安装套3-7分别设有与螺钉孔15对应的光孔，以通过安装套螺栓3-15将流量控制器3与滑块本体5连接；流量控制器3的流量控制器进油口3-1和流量控制器出油口3-2的外周分别设有O型圈槽3-3和O型圈槽3-4，O型圈槽内卡有密封O型圈以防止压力油泄漏。

套体的组装：端盖3-10和后安装套3-7由端盖螺栓3-14通过端盖光孔3-18进行连接；后安装套3-7和前安装套3-5由安装套螺栓3-15通过后安装套光孔3-16和前安装套光孔3-17进行连接，前安装套3-5设有O型圈槽，该O型圈槽内设有密封圈3-6，如此，前安装套3-5和后安装套3-7之间可通过密封圈3-6进行密封。

如图11～13所示，本发明的实际应用方法如下：

本发明滑块模块需要固接在工作台1上使用，滑块模块处于闭式导轨内，当滑块模块在导轨内来回移动，从而带动与滑块模块固接的工作台1移动。工作台1可固接4块滑块模块(导轨两侧各2块)，滑块模块的上表面油腔即保持油腔对应上导轨面9，滑块模块的下表面油腔即举升油腔对应下导轨面10；滑块模块也可以为6块(两侧各3块)，根据外加载荷分布情况，导轨一侧的3个滑块之间的布置可以等间距，也可以是不等间距分布，而导轨一侧与导轨另一侧的3个滑块模块布置方式完全相同，是对称的。

本发明的工作原理如下：

1、液压站的压力油从滑块本体进油口2流入，经过内部通道分流，从出油分流口13流出，并经流量控制器进油口3-1流入至工作腔室，压力油继续流动，经过节流本体的前端面3-25与环形圆台3-13之间的平面圆环缝隙，接着从流量控制器出油口3-2流出并进入滑块本体5的进油分流口14，经过内部通道，从油腔出油口8流出，聚集在油腔7的压力油继续流动，从微织构封油面6与导轨面之间的缝隙流出，最后回油至液压站并重复上述流动。

2、节流本体的前端面3-25与环形圆台3-13之间的平面圆环缝隙构成了流量控制器3的节流工作区，控制系统通过主动控制固接于节流本体3-12后端的压电促动器3-9以调整平面圆环缝隙大小，进而实时主动调整流量控制器3的液阻和节流比。

3、当控制系统给予压电促动器3-9为恒定信号时，节流本体的前端面3-25与环形圆台3-13之间的平面圆环缝隙大小固定，流量控制器3的节流比固定，此时的流量控制器3为固定节流器；当控制系统给予压电促动器3-9为变动信号时，平面圆环缝隙大小实时变化，此时的流量控制器3为主动可变节流器。

4、微织构封油面的原理：带有滑块模块的工作台是在静压导轨内来回直线移动的，本发明滑块模块中，举升油腔对应下导轨面，保持油腔对应上导轨面，正常工作状态下，俩油腔所在的封油面与各自对应的导轨面通过油膜隔开，不发生直接接触，因此滑块是纯液体滑行，然而，在非正常状态下，并非纯液体油膜隔开，滑块封油面与导轨面可能处于直接接触情况，可能是边界润滑，甚至是干摩擦，那么，滑块面和对应的导轨面之间相互剧烈摩擦磨损，导致滑块面和导轨面的双双磨损，进而影响静压导轨系统预期的工作性能，因此，本发明所述的微织构封油面可发挥作用，微织构具有储油功能，可以在急剧不正常状态下将储备的静压油用以延缓和减轻这种剧烈摩擦磨损，改善耐磨性。

5、安装有本发明模块的线性轴机台可以具有高油膜刚度和高承载能力：

上式为滑块单个油腔压力公式，其中，P_r为油腔的油压(重力越大，举升油腔的P_r也要相应的增大，以支撑重力变化，才能达到静力平衡状态)，P_s为供油压力(恒压式液体静压导轨中，P_s为常数)，h为滑块封油面与对应的导轨面之间的距离，R_c为流量控制器(或节流器)的液阻，C_R为与滑块油腔尺寸参数和静压油粘度有关的参数，静压系统需要恒温环境，因此静压油粘度大小为定值，所以C_R视为常数。因此，P_r只与h和R_c有关，若P_r恒定不变，那么，h变小则R_c会变大，而R_c变小则h得变大。

固定节流器的特性参数R_c是固定不变的，如毛细管节流器和小孔节流器等，当载荷从G变大为G₀，工作台下移，与之固接的滑块模块也下移，滑块模块的举升油腔与对应的导轨面之间距离减小，即h变小为h₀，P_r变大为P_r0，以支撑变重的重物，这种情况下，虽然能够支撑变重了的整个工作台，但是整个工作台是有下移量的，油膜刚度比较差。

而在可变节流器中，R_c是能够随着载荷的变化而变化的，如薄膜反馈节流器和滑阀反馈节流器等，可变节流器可以在h微变动的情况下，使油腔压力P_r随载荷的变化而变化，这种节流器R_c的变化是一种自动的变化，同时也跟材料属性有关，如薄膜式反馈节流器就与其中的薄膜材料属性有关，而滑阀式可变节流器与内部的弹簧有关，这种可变节流器R_c的变化不能人为主动进行控制。可变节流器工作原理如下：当工作台载荷从G变大为G₀，工作台开始会下沉即h变小，因为要满足力平衡，举升油腔压力会变大为P_r0(G₀对应P_r0，若G₀不变，那么对应的P_r0也不变，这样才能始终力平衡)，而油腔压力变大使得可变节流器的R_c会自动变小(内部薄膜或弹簧发生弹性变形)，液阻R_c随载荷变化而变化，不能人为主动控制它的变化，所以h要变大即工作台上浮(甚至可以接近至载荷增大前的工作台位置)才能使P_r0保持不变。如前所述，P_r只与h和R_c有关，若P_r0恒定不变，那么，R_c变小则h变大到h₁，但是h₁绝对大于h₀，因此可变节流器也有承载能力，并且油膜刚度更好。

本发明滑块模块涉及到的流量控制器也是一种可变节流器，具体的，是一种主动控制的可变节流器。现有的可变节流器的液阻R_c是随载荷的变化而变化，是一种被动式变化，但是，本发明模块的流量控制器的液阻R_c不随载荷变化而变化，它的液阻R_c是主动控制的，变大变小均需要通过控制系统实现。特别地，当控制系统给予压电促动器为恒定信号时，平面圆环缝隙大小也恒定，那么此时流量控制器实际上就是一种固定节流器。例如，初始状态时的流量控制器受到的信号恒定，即初始状态时充当固定节流器，当安装有本发明滑块模块的工作台受到的载荷加重，那么，举升油腔压力也会变大以平衡加重的载荷，此时工作台下沉，但是，控制系统通过主动调整举升油腔对应的流量控制器的液阻大小(具体是调整平面圆环缝隙的大小)，使液阻R_c减小，从而使h变大即工作台上浮，甚至回到原位置，这样就保证了高油膜刚度。

本发明所述流量控制器可以作为固定节流器，因此可以达到固定节流器的承载能力；也可以作为可变节流器，所以可以达到可变节流器的承载能力，具有较高的承载能力。

6、安装有本发明模块的线性轴机台还可以具有较好的运动直线度：

不管是固定节流器还是可变节流器，由于导轨面实际上并不能加工成一个理想的平面而是一个曲面，所以，带有滑块模块的工作台在导轨内运动时，既会有角度偏摆又会有位移运动误差，即角度运动误差和位移运动误差，如图14所示，{A}时的上下导轨面是理想平面，力平衡状态下，没有运动误差，而{B}时的上下导轨面是实际的曲面，力平衡状态下，存在运动误差。

而本发明所述流量控制器可以实时主动控制内部的R_c，根据上述公式，外部载荷不变，P_r不变，调整R_c，则h可以变化。以图12为例，1号油腔和2号油腔分别为第一个滑块模块的举升油腔和保持油腔，同理，3号油腔和4号油腔分别为第二个滑块模块的举升油腔和保持油腔。此时各油腔的力分别为F₁～F₄，用以支撑整个重力，减小2号油腔对应的流量控制器的R_c，则2号油腔的h变大，增大1号油腔对应的流量控制器R_c，则1号油腔的h减小，最后，可以使整个工作台水平而无角度偏差，然后，提高1号和3号油腔处的h，减小2号和4号油腔处的h，可以使整个工作台往上平移至平衡位置。平衡位置和初始的有运动误差的位置的F₁～F₄是一样的。

因此，安装有本发明模块的线性轴机台可以具有较好的运动直线度。

Claims

1.一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：包括滑块本体、至少一个压力传感器和至少一个流量控制器；

所述压力传感器与滑块本体连接，压力传感器通过滑块本体内部通道与油腔连通，以实时监测油腔的油压大小；

2.如权利要求1所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述套体包括依次固定连接的前安装套、后安装套和端盖；前安装套和后安装套之间设有密封圈；前安装套设有朝向节流本体方向凸出的环形圆台，所述流量控制器出油口设于环形圆台的中央，所述流量控制器进油口设于前安装套上，且位于环形圆台的侧边；所述压电促动器设于端盖和节流本体之间，端盖开设有光孔，用以压电促动器外接。

3.如权利要求2所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述节流本体为圆柱体结构，节流本体的外壁开设有至少一个环槽，所述密封件嵌套于环槽内，且密封件与后安装套的内壁紧密贴合。

4.如权利要求3所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述环槽为矩形环槽。

5.如权利要求3所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述密封件为具有段口的弹性密封环，且两段面形状适配；密封环的外轮廓直径大于后安装套的内壁直径，以使密封环在自身弹力下段口闭合，且密封环与后安装套内壁紧密贴合形成密封。

6.如权利要求5所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述段口为斜面段口。

7.如权利要求5所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述密封环的中部设有向内凹的环形槽，以使环形槽的两端向外延伸形成双层密封结构。

8.如权利要求1所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：所述油腔设有两个，且分别设于滑块本体的上下表面；所述压力传感器设有一个，该压力传感器与其中之一的油腔连通。

9.如权利要求1所述的一种二腔闭式液体静压导轨滑块模块，其特征在于：微织构形状包括直线微沟槽、锯齿状微沟槽、花瓣状微凹坑、六边形微凹坑中的至少一种。