CN110181295A - 一种高精度竖直轴进给升降机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度竖直轴进给升降机构，包括底座、伺服电机、丝杠以及静压螺母副，在所述的静压螺母副上设有若干均匀分布的节流孔，所述的节流孔的出口位于静压螺母副与丝杠的齿形啮合的位置，在所述的节流孔内通入高压气体使得齿形啮合的位置形成气膜。采用基于气体静压丝杠结构实现竖直方向的位移，由于丝杠轴向刚度高，承载力高，克服了直线电机在竖直方向锁紧力小以及机构尺寸大的问题。由于气体薄膜的均化效应，不仅进一步提高进给精度，而且大幅降低了丝杠与静压螺母副的形状误差对运动精度的影响，同时避免了机械部件的直接接触，有效减小了运行中的摩擦力，结合高精度伺服电机，实现工作台的精密升降控制。

Description

一种高精度竖直轴进给升降机构
技术领域
本发明涉及超精密加工设备领域，尤其涉及一种高精度竖直轴进给升降机构。
背景技术
随着超精密加工制造技术的发展，许多高科技产品对超精密加工机床加工精度的要求越来越高。超精密直线运动平台是超精密机床实现高加工精度的重要执行部件，其性能在一定程度上决定了整个机床的加工性能。基于机械切削方法实现自由曲面、微结构等光学元件的加工，具有加工效率高、成本低及加工材料范围广等优点。复杂自由曲面和微结构的加工往往需要用到竖直轴升降机构，然而由于超精密垂直直线轴运动方向平行于重力方向，受重力场作用，其受载工况较水平直线轴更为严苛，实现高精度进给更为困难。在超精密机床中竖直轴进给一般采用驱动系统配合直线导轨、光栅尺反馈与气缸平衡配合实现，该设计具有尺寸大、结构复杂、成本高等缺点。
传统滚珠丝杠副作为一种广泛使用的进给系统驱动元件，由于自身结构的原因暴露出一系列缺点，比如丝杠螺距误差导致的运动不平稳、接触磨损、重载点蚀等。由于解决问题难度大，直线电机得到了越来越多的关注。
直线电机虽然有跟踪与定位精度高、加速度大与进给行程长度不受限等优势，但因其结构尺寸大、竖直方向锁紧力小等缺点限制了其在竖直方向进给的超精密直线运动平台的应用。特别是由于直线电机在传动过程没有多余传动部件，导致其在运动过程中，外在负载及运动条件的改变会直接作用在电机上，导致直线电机伺服系统剧烈振荡，以至于系统稳定性下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于气体静压丝杠的高精度竖直轴进给升降机构，其结构简单，适用性强，可以满足自由曲面、微结构等光学元件的加工对竖直轴升降机构的刚度与运动、进给精度的需求。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种高精度竖直轴进给升降机构，包括底座、设置在底座上的伺服电机、通过伺服电机驱动的丝杠以及设置在丝杠上的静压螺母副，在所述的静压螺母副上设有若干均匀分布的节流孔，所述的节流孔的出口位于静压螺母副与丝杠的齿形啮合的位置，在所述的节流孔内通入高压气体使得齿形啮合的位置形成气膜。
进一步具体的，所述的静压螺母副包括与丝杠啮合的螺母以及直线导轨，所述的直线导轨包括固定于底座上的定子以及设置于螺母上的动子。
进一步具体的，所述的动子包括固定于螺母上的导向块以及设置于导向块内的导向槽，所述的定子插入导向槽内，所述的节流孔向导向槽内通入高压气体并在导向槽与定子之间形成气膜。
进一步具体的，所述的导向块为一环形块，所述的螺母设置在环形块的内壁，所述的导向槽为一环形槽。
进一步具体的，在所述的直线导轨的动子上设置若干供气通道，每个所述的供气通道与多个节流孔连通。
进一步具体的，所述的节流孔包括设置于直线导轨动子上的供气孔以及设置于螺母上的丝杠节流孔，在所述的直线导轨动子与螺母之间形成封闭的间隙节流通道，所述的间隙节流通道与供气孔、丝杠节流孔连通。
进一步具体的，所述的丝杠节流孔为偶数个，其中一半数量的丝杠节流孔连通至螺母齿形的上表面，另一半数量的丝杠节流孔连通至螺母齿形的下表面。
进一步具体的，所述的静压螺母副呈圆柱形并在端面开设用于容纳丝杠的容纳腔。
进一步具体的，在所述的底座与静压螺母副之间设置角度编码器。
进一步具体的，所述的伺服电机与丝杠之间通过柔性联轴器连接。
本发明的有益效果是：采用基于气体静压丝杠结构实现竖直方向的位移，由于丝杠轴向刚度高，承载力高，克服了直线电机在竖直方向锁紧力小以及机构尺寸大的问题。由于气体薄膜的均化效应，本发明与传统滚珠丝杠螺母副相比不仅可以进一步提高进给精度，而且大幅降低了丝杠与静压螺母副的形状误差对运动精度的影响，同时在气体静压丝杠中，由于采用气膜将机械部件隔开，避免了机械部件的直接接触，有效减小了运行中的摩擦力，结合高精度伺服电机，实现工作台的精密升降控制，可实现纳米级的定位精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖视结构示意图；
图3是图2中A部位的放大结构示意图。
图中：1、底座；2、伺服电机；3、丝杠；4、静压螺母副；5、节流孔；6、供气通道；7、角度编码器；8、柔性联轴器；41、螺母；42、直线导轨；421、定子；422、导向块；423、导向槽；51、供气孔；52、丝杠节流孔；53、间隙节流通道；71、读数头；72、光栅尺。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1与图2所示一种高精度竖直轴进给升降机构，包括底座1、设置在底座1上的伺服电机2、通过伺服电机2驱动的丝杠3以及设置在丝杠3上的静压螺母副4，伺服电机2通过螺钉固定在底座1上，伺服电机2通过柔性联轴器8连接在丝杠3上，伺服电机2驱动丝杠3转动，丝杠3驱动静压螺母副4运动实现上下升降；在所述的静压螺母副4上设有若干均匀分布的节流孔5，所述的节流孔5的出口位于静压螺母副4与丝杠3的齿形啮合的位置，在所述的节流孔5内通入高压气体使得齿形啮合的位置形成气膜；形成的气膜使得丝杠3与静压螺母副4之间避免直接接触，有效减少了摩擦。
静压螺母副4由两部分组成，分别为与丝杠啮合的螺母41以及固定在螺母41上并随螺母41上下运动的直线导轨42，该直线导轨42包括与螺母41固定的动子以及与底座1固定的定子421，定子421与动子配合实现对螺母41的导向；定子421的外形为长方体或者圆柱体，而动子是由固定于螺母41上的导向块422以及设置于导向块422内的导向槽423组成，定子421插入导向槽423内实现导向作用；导向块422为一端封闭的环形块，所述的螺母41设置在环形块的内壁并与环形块同轴，同时与环形块为过盈配合；所述的导向槽423为一端封闭的环形槽；环形块的内部形成用于容纳丝杠3的容纳腔。
基于上述结构，对形成气膜的节流孔5进行设计，第一，丝杠2与螺母41之间形成气膜，通过在导向块422以及螺母41上设置节流孔5实现，在导向块422上的节流孔5为供气孔51，在螺母41上的节流孔为丝杠节流孔52；在安装的时候，安装方式有两种，第一种，需要使得供气孔51与丝杠节流孔52对齐，方便高压气体的进入，这种方式对加工要求以及安装精度有很高的要求，故具有较高的难度，第二种，在螺母41与导向块422接触的面上开设间隙节流通道53，同时使得供气孔51、丝杠节流孔52均与间隙节流通道53连通，这种方式加工以及安装精度要求不高，适合批量生产；在导向块422内设置若干个供气通道6且均匀分布在导向块422内，供气通道6竖向设置，进气孔在下方，每个供气通道6均与多个供气孔51连通，实现统一供气；为了能够保证气膜均匀，所述的丝杠节流孔52为偶数个，其中一半数量的丝杠节流孔52连通至螺母41齿形的上表面，另一半数量的丝杠节流孔52连通至螺母41齿形的下表面，在本案中丝杠节流孔52为6个，其中位于上方的3个丝杠节流孔52的开口设置在螺母41齿形的下表面，位于下方的3个丝杠节流孔52的开口设置在螺母41齿形的上表面；第二，直线导轨42内形成气膜，供气孔51与导向块422内的导向槽423连通，导向槽423将供气孔51分为两部分，位于导向槽423内侧的供气孔51以及位于导向槽423外侧的供气孔51，位于导向槽423内侧的供气孔51通过供气通道6供气，位于导向槽423外侧的供气孔52在导向块422的外表面开口，通过该开口直接供气即可。
上述节流孔5的形式有小孔节流、环面节流、狭缝节流、多孔质节流、毛细管节流等，可以采用一种形式设置，也可以采用多种形式混合设置。
如图3所示在所述的底座1与静压螺母副4之间设置角度编码器7，用于精确的角度闭环控制，很方便计算伺服电机2回转的角度在竖直方向上升的高度；该角度编码器7包括读数头71和光栅尺72，可以将读数头71设置在丝杠3或者底座1上，相应的需要将光栅尺72设置在底座1或者丝杠3上，以实现在丝杠3转动时，读数头71与光栅尺72发生相对转动，光栅尺72与丝杠3同轴设置。
在导向块422的上表面设置需要上升工件或者刀具，工作的时候，通过供气通道7向导向槽423内侧的供气孔51输送高压气体，此处的高压气体分为两路，第一路进入导向槽423内在定子421的内侧形成气膜，第二路通过间隙节流通道53进入丝杠节流孔52之后在螺母41的齿形表面形成气膜，在导向槽423外侧的供气孔51直接通入高压气体之后在定子421的外侧形成气膜；此时，三处气膜形成后，控制伺服电机2转动，伺服电机2通过柔性联轴器8带动丝杠3转动，丝杠3转动使得螺母41向上或者向下运动，螺母41带动导向块422向上或者向下运动，实现该升降机构的上升或者下降；其上升或者下降的高度通过角度编码器7精确控制，丝杠3转动带动光栅尺72转动，读数头71读出光栅尺72的转动角度并将该角度信息传递给控制器，控制器经过计算得出上升或者下降的高度进行显示，并能够根据设定的阙值来控制伺服电机2的转动。
综上，气体静压丝杠作为较有潜力的一种传动机构，其工作原理属于气体静压支撑，在静压气膜的作用下，气体静压丝杠具有更高的刚度和更大的承载力，且与传统滚珠丝杠副相比有更好的运动平稳性、无爬行现象、近似无摩擦运动等优势，在同类型产品中逐渐显露出极强的竞争力，有助于提高静压丝杠在机床竖直轴进给的定位精度及承载能力；该设计将基于气浮丝杠驱动的驱动系统和基于气浮静压的直线导轨系统组合到一起，气体静压丝杠与气体静压直线导轨可采用同一套供气系统，本发明结构紧凑，设计简单，成本低，避免了传统超精密机床中竖直轴进给系统尺寸大、结构复杂、成本高等缺点。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高精度竖直轴进给升降机构，包括底座(1)、设置在底座(1)上的伺服电机(2)、通过伺服电机(2)驱动的丝杠(3)以及设置在丝杠(3)上的静压螺母副(4)，其特征在于，在所述的静压螺母副(4)上设有若干均匀分布的节流孔(5)，所述的节流孔(5)的出口位于静压螺母副(4)与丝杠(3)的齿形啮合的位置，在所述的节流孔(5)内通入高压气体使得齿形啮合的位置形成气膜。
2.根据权利要求1所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的静压螺母副(4)包括与丝杠(3)啮合的螺母(41)以及直线导轨(42)，所述的直线导轨(42)包括固定于底座(1)上的定子(421)以及设置于螺母(41)上的动子。
3.根据权利要求2所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的动子包括固定于螺母(41)上的导向块(422)以及设置于导向块(422)内的导向槽(423)，所述的定子(421)插入导向槽(423)内，所述的节流孔(5)向导向槽(423)内通入高压气体并在导向槽(423)与定子(421)之间形成气膜。
4.根据权利要求3所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的导向块(422)为一环形块，所述的螺母(41)设置在环形块的内壁，所述的导向槽(423)为一环形槽。
5.根据权利要求2所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，在所述的直线导轨(42)的动子上设置若干供气通道(6)，每个所述的供气通道(6)与多个节流孔(5)连通。
6.根据权利要求2所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的节流孔(5)包括设置于直线导轨(42)动子上的供气孔(51)以及设置于螺母(41)上的丝杠节流孔(52)，在所述的直线导轨(42)动子与螺母(41)之间形成封闭的间隙节流通道(53)，所述的间隙节流通道(53)与供气孔(51)、丝杠节流孔(52)连通。
7.根据权利要求6所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的丝杠节流孔(52)为偶数个，其中一半数量的丝杠节流孔(52)连通至螺母(41)齿形的上表面，另一半数量的丝杠节流孔(52)连通至螺母(41)齿形的下表面。
8.根据权利要求1所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的静压螺母副(4)呈圆柱形并在端面开设用于容纳丝杠(3)的容纳腔。
9.根据权利要求1所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，在所述的底座(1)与静压螺母副(4)之间设置角度编码器(7)。
10.根据权利要求1所述的高精度竖直轴进给升降机构，其特征在于，所述的伺服电机(2)与丝杠(3)之间通过柔性联轴器(8)连接。
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