一種立式直線基準(zhǔn)方法與裝置的制作方法

專利名稱：一種立式直線基準(zhǔn)方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種立式直線基準(zhǔn)方 法與裝置。
背景技術(shù)：
氣浮導(dǎo)軌在立式狀態(tài)下使用時(shí)，常被作為高精度立式直線基準(zhǔn)應(yīng)用于 精密/超精密測量儀器、試驗(yàn)裝備與制造裝備中。目前常用的立式氣浮導(dǎo)軌 主要由氣浮導(dǎo)套和導(dǎo)軌立柱組成，在氣浮導(dǎo)套和導(dǎo)軌立柱之間構(gòu)建氣膜間 隙以形成氣體支承和潤滑后，在電機(jī)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，氣浮導(dǎo)套及置 于其上的負(fù)載沿導(dǎo)軌立柱上下運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)形式的氣浮導(dǎo)軌在使用中存在如下幾個(gè)問題 一是徑向支承剛度較小、抗干擾能力差，因此在有沖擊和 擾動(dòng)時(shí)，X向和Y向氣膜厚度產(chǎn)生微量變化，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)部件的微"顫動(dòng)"； 二是氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)內(nèi)由于氣膜紊亂引起運(yùn)動(dòng)部件中、高頻微振動(dòng)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)軌跡不平滑，運(yùn)動(dòng)重復(fù)性較差；三是運(yùn)動(dòng)部件處于定位狀態(tài) 時(shí)，因內(nèi)外擾動(dòng)使得運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)定位穩(wěn)定性和可靠性較差，尤其在沿導(dǎo)軌立 柱方向上存在隨機(jī)的微"顫動(dòng)"。上述問題極大地限制了立式氣浮導(dǎo)軌的應(yīng) 用和制約了其性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高。為解決立式氣浮導(dǎo)軌剛度低、抗干擾能力弱的問題，國內(nèi)外學(xué)者和工 程技術(shù)人員做了很多有益嘗試，分別研制出被動(dòng)補(bǔ)償式膜壓導(dǎo)軌、主動(dòng)內(nèi) 部節(jié)流空氣靜壓導(dǎo)軌、表面節(jié)流空氣靜壓導(dǎo)軌、靜壓控制節(jié)流器空氣靜壓 導(dǎo)軌、電控節(jié)流空氣靜壓導(dǎo)軌、排氣控制空氣靜壓導(dǎo)軌等新型空氣靜壓導(dǎo) 軌。這些導(dǎo)軌都是在結(jié)構(gòu)上采取一些控制措施，以獲得較高剛度或可控剛 度，但它們的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制和調(diào)節(jié)比較繁瑣，可實(shí)施性較差，效果也 不明顯。國防科技大學(xué)提出一種采用多孔質(zhì)節(jié)流的新型空氣靜壓導(dǎo)軌，其 基本原理為利用多孔質(zhì)材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)流，同時(shí)在導(dǎo)軌表面設(shè)置與多 孔質(zhì)節(jié)流器相連通的淺溝槽，利用溝槽的阻抗形成二次節(jié)流，達(dá)到提高空氣導(dǎo)軌剛度和承載能力的目的，但多孔質(zhì)軸承制造比較復(fù)雜，且容易阻塞。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是針對上述已有技術(shù)存在的問題，提出一種立式直線 基準(zhǔn)方法，該方法通過構(gòu)建一個(gè)四面環(huán)抱式全封閉立式氣浮導(dǎo)軌并在該導(dǎo) 軌的可動(dòng)部件和固定部件之間引入固體相，利用固體相的軟支承和其與固 定部件表面適度的機(jī)械摩擦形成阻尼環(huán)節(jié)，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，達(dá)到在 最大程度地保留氣浮導(dǎo)軌原始精度的前提下，實(shí)現(xiàn)顯著提高導(dǎo)軌的支承剛 度和抗干擾能力，以及^^是高系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和定位穩(wěn)定性的目的。本發(fā)明 還提供了一種基于上述方法的立式直線基準(zhǔn)裝置。上述目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種立式直線基準(zhǔn)方法，該方法包括以下步驟 (1 )、首先構(gòu)建一個(gè)四面環(huán)抱式全封閉立式氣浮導(dǎo)軌作為直線導(dǎo)向基 準(zhǔn)，并在導(dǎo)軌中充入壓力氣體使可動(dòng)部件圍繞固定部件完全浮起，可動(dòng)部 件所受氣膜支承力為F^(2) 、在所述氣浮導(dǎo)軌的可動(dòng)部件和固定部件之間引入固體相，該固 體相與可動(dòng)部件保持同步運(yùn)動(dòng)，并以軟摩擦形式單側(cè)或雙側(cè)作用于固定部 件對應(yīng)的氣浮工作表面上，接觸壓力為F2，可動(dòng)部件處于開式或閉式支承 狀態(tài)；(3) 、根據(jù)固體相的材料特性及在氣浮導(dǎo)軌上的配置結(jié)構(gòu)，在F^F2 條件下，對Fp F2進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并將氣膜支承力和接觸壓力進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)整。一種立式直線基準(zhǔn)裝置，包括導(dǎo)向立柱和氣浮導(dǎo)套構(gòu)建的四面環(huán)抱 式全封閉立式氣浮導(dǎo)軌，導(dǎo)向立柱和氣浮導(dǎo)套之間構(gòu)建有氣膜，該裝置還 包括配裝在氣膜內(nèi)部或外部的固體相，該固體相的一端固定于氣浮導(dǎo)套上， 其另一端與導(dǎo)向立柱對應(yīng)的氣浮工作表面軟摩擦接觸；其中固體相的配裝 方式為在垂直截面內(nèi)，固體相沿導(dǎo)向立柱上下兩排配置；在水平截面內(nèi)， 固體相兩點(diǎn)對稱配置在導(dǎo)向立柱的Mi和&面上，且單點(diǎn)居中配置在M2 和N2面上；或在Mi、 N！ 、 ]Vb和N2四個(gè)面上均為兩點(diǎn)配置；或在]V^、 N! 、 M2和N2四個(gè)面上均為單點(diǎn)居中配置；或僅居中配置于M2和N2面上。 固體相采用具有柔性變形及軟摩擦特性的材料制作，其有效變形量為l~3jum;固體相與導(dǎo)向立柱為點(diǎn)或面接觸。 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及有益效果1、 由于固體相支承剛度遠(yuǎn)大于氣體支承，因此固體相的加入明顯提高 了氣浮導(dǎo)軌的徑向剛度和角剛度，使抗干擾能力顯著增強(qiáng)，有效避免了氣 浮導(dǎo)軌受到?jīng)_擊和擾動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)的微"顫動(dòng)"現(xiàn)象，這是區(qū)別于現(xiàn) 有氣浮導(dǎo)軌的創(chuàng)新點(diǎn)之一 ；2、 固體相軟支承和適度的機(jī)械摩擦給氣浮導(dǎo)軌引入了阻尼環(huán)節(jié)，其作 用為顯著吸收和消耗運(yùn)動(dòng)部件或定位部件的振動(dòng)能量，起到抑制振動(dòng)和提 高直線基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和定位穩(wěn)定性的作用，這是區(qū)別現(xiàn)有氣浮導(dǎo)軌的創(chuàng) 新點(diǎn)之二；3、 本發(fā)明裝置避免了由于氣浮導(dǎo)軌承載能力低導(dǎo)致的出現(xiàn)過載時(shí)，氣 浮工作面出現(xiàn)的"硬接觸"現(xiàn)象，并且通過合理設(shè)計(jì)氣膜支承力Fj口固體相的接觸壓力F2以及微彈性支承和機(jī)械摩擦環(huán)節(jié)等的相關(guān)參數(shù)，可使固體相的引入不影響或盡可能小的影響氣浮導(dǎo)軌的原始直線精度，這是區(qū)別現(xiàn) 有氣浮導(dǎo)軌的創(chuàng)新點(diǎn)之三。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制與調(diào)節(jié)簡易方便，操作性好，使用可靠。


圖1為本發(fā)明裝置總體配置結(jié)構(gòu)三維示意圖； 圖2為圖1的A-A向剖視圖； 圖3為圖1的B-B向剖浮見圖；圖4為固體相在Mi、 Ni 、 M2和N2四個(gè)面上均為兩點(diǎn)配置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為固體相在Mp Ni 、 M2和N2四個(gè)面上均為單點(diǎn)居中配置結(jié)構(gòu) 示意圖；圖6為固體相單點(diǎn)居中配置在M2和N2面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為固體相配置于氣膜外部時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中1、導(dǎo)向立柱；2、氣浮導(dǎo)套；2-1、氣浮板；3、氣膜；4、固體 相；5、 Fi —?dú)饽ぶС辛Γ?、 F2—接觸壓力。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。實(shí)施例1:如圖1和圖2所示，首先構(gòu)建一四面環(huán)抱式全封閉立式氣浮導(dǎo)軌作為 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向基準(zhǔn)。將導(dǎo)向立柱1和氣浮導(dǎo)套2兩部分裝配成立式氣浮導(dǎo) 軌，導(dǎo)向立柱l為固定部件，提供直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向基準(zhǔn)，其底座固定于穩(wěn)定 的基體上；氣浮導(dǎo)套2為運(yùn)動(dòng)部件，氣浮導(dǎo)套2與導(dǎo)向立柱1的配合表面 之間構(gòu)建有氣膜3，形成氣體支承與潤滑。在氣膜3內(nèi)充入適當(dāng)壓力的壓 縮氣體，氣浮導(dǎo)套2所承受的氣膜支承力為F^在氣膜支承力FJ々作用下， 氣浮導(dǎo)套2與導(dǎo)向立柱1的工作表面相分離，圍繞導(dǎo)向立柱1完全浮起， 并在電機(jī)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作用下沿導(dǎo)向立柱1上下運(yùn)動(dòng)。其中，導(dǎo)向立柱l的 橫截面為矩形，其四個(gè)氣浮工作表面Mi、 M2、 Ni和N2均經(jīng)過精密研磨加 工，以保證工作表面具有良好的粗糙度和平面度。同時(shí)這四個(gè)氣浮工作面 與導(dǎo)軌立柱1的安裝底座的垂直度也通過精密檢測和修正加以保證。此外， 與導(dǎo)向立柱1相配合工作的氣浮導(dǎo)套2由四塊氣浮才反2-1經(jīng)過精密裝配組 成，該部分裝置用以確保直線基準(zhǔn)具有高的直線精度和較高的運(yùn)動(dòng)分辨力。為保證氣浮導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命，導(dǎo)向立柱1和氣浮導(dǎo)套2制 造材料的選擇十分重要，選擇材料時(shí)主要應(yīng)考慮材料穩(wěn)定性、防腐性、熱 膨脹、機(jī)械加工性能以及高的耐磨性。因此，本裝置選擇經(jīng)過自然界上萬 年老化沉積、應(yīng)力釋;^文完全的"濟(jì)南青，，花崗巖，可獲得極佳的幾何穩(wěn)定 性。氣浮導(dǎo)套2的各氣浮板2-1工作面和導(dǎo)向立柱1工作面均通過超精研 磨使氣浮工作面達(dá)到深亞微米級形狀精度和位置精度，同時(shí)達(dá)到十幾納米 級表面粗糙度，使表面具有極高的氣體平均效應(yīng)和抗腐蝕性。導(dǎo)向立柱1 和氣浮導(dǎo)套2也可采用性能穩(wěn)定的特殊合金制造。因空氣的摩擦系數(shù)極小，故上述氣浮導(dǎo)軌在氣浮導(dǎo)套2運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎與 導(dǎo)向立柱l沒有摩擦，因此具有極高的位移靈敏度。但是因氣體支承剛度 較小、抗干擾能力差，因此在有沖擊和擾動(dòng)時(shí)，X向和Y向氣膜厚度會(huì)產(chǎn) 生微量變化，主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)部件的微"顫動(dòng)"；另外導(dǎo)軌系統(tǒng)內(nèi)由于氣膜 紊亂引起運(yùn)動(dòng)部件中、高頻微振動(dòng)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)軌跡不平滑，運(yùn) 動(dòng)重復(fù)性較差，以及運(yùn)動(dòng)部件處于定位狀態(tài)時(shí)，內(nèi)外擾動(dòng)使得運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)定 位穩(wěn)定性和可靠性較差。解決上述問題的關(guān)鍵在于增大氣浮導(dǎo)套2的阻尼和其與導(dǎo)向立柱1間的摩擦。因此本發(fā)明在上述氣浮導(dǎo)軌的氣浮導(dǎo)套2和導(dǎo)向立柱1之間引入 固體相4,將原本互為獨(dú)立的氣浮導(dǎo)套2和導(dǎo)向立柱1整合為具有軟滑動(dòng) 摩擦特性的結(jié)構(gòu)，固體相4配置在氣膜3的內(nèi)部，其一端與氣浮導(dǎo)套2固 連為一體，其另一端與導(dǎo)向立柱1的對應(yīng)表面^妻觸，并具有一定的接觸壓 力F2。該固體相4與氣浮導(dǎo)套2保持同步運(yùn)動(dòng)，為抑制氣浮導(dǎo)套2的微"顫 動(dòng)"，同時(shí)確保導(dǎo)向精度，將固體相4的有效伸縮變形量設(shè)計(jì)為l~3ym。如圖2所示，固體相4配裝于四個(gè)氣浮板2-l上，且與導(dǎo)向立柱l的 四個(gè)氣浮工作面均為軟摩4察接觸，其配裝方式為在垂直截面內(nèi)，固體相 4沿導(dǎo)向立柱1上下兩排配置，如圖3所示；在水平截面內(nèi)，固體相4兩 點(diǎn)對稱配置在導(dǎo)向立柱1的Mi和Ni面上，單點(diǎn)居中配置在導(dǎo)向立柱1的 M2和N2面上，使氣浮導(dǎo)套2處于閉式支承狀態(tài)。固體相4釆用橡膠材料 制作，其具有柔性變形及軟摩擦特性。引入固體相4后，直線基準(zhǔn)工作原理為固體相4作為中介物，通過 其與導(dǎo)向立柱1軟摩擦，將氣浮導(dǎo)套2和導(dǎo)向立柱1由原來互為獨(dú)立的狀 態(tài)整合為相互接觸的、具有軟滑動(dòng)摩擦特性的結(jié)構(gòu)，極大地提高了導(dǎo)軌系 統(tǒng)的整體剛性和阻尼。由于固體相4的支承剛度遠(yuǎn)大于氣體支承，固體相 4的加入明顯提高了氣浮導(dǎo)軌的徑向剛度和角剛度，使抗干擾能力顯著增 強(qiáng)，有效避免了氣浮導(dǎo)軌受到?jīng)_擊和擾動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)的微"顫動(dòng)"現(xiàn) 象；此外適度的機(jī)械摩擦給氣浮導(dǎo)軌引入了阻尼環(huán)節(jié)，其作用為顯著吸收 和消耗運(yùn)動(dòng)部件或定位部件的振動(dòng)能量，起到抑制振動(dòng)和提高直線基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和定位穩(wěn)定性的作用；引入固體相4后的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)避免了由于氣 浮導(dǎo)軌承載能力低導(dǎo)致的出現(xiàn)過載時(shí)氣浮工作面出現(xiàn)"硬接觸"現(xiàn)象。由 于阻尼和摩擦過大又會(huì)使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)位移靈敏度低問題，具有爬行現(xiàn)象， 故此通過合理設(shè)計(jì)氣膜支承力F！和接觸壓力F2以及微彈性支承和機(jī)械摩 擦環(huán)節(jié)等的相關(guān)參數(shù)，將固體相4與導(dǎo)向立柱1設(shè)計(jì)為點(diǎn)或面接觸，在R〉F2 條件下，對F^ F2進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并將氣膜支承力R和接觸壓力F2進(jìn)行對應(yīng) 的調(diào)整，可使固體相4的引入不影響或盡可能小的影響氣浮導(dǎo)軌的原始直 線精度。實(shí)施例2:如圖4所示，為固體相4在導(dǎo)向立柱1的Mi、 N] 、 M2和N2四個(gè)面均為兩點(diǎn)配置，該配置結(jié)構(gòu)適用于對導(dǎo)軌的支承剛度和擾動(dòng)要求較高的場 合。本實(shí)施例的其他部件和工作原理均與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3:如圖5所示，為固體相4在導(dǎo)向立柱1的1V^、 N！ 、 M2和N2四個(gè)面 上均為單點(diǎn)居中配置結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例的其他部件和工作原理與實(shí)施例l相 同。實(shí)施例4:如圖6所示，為固體相4單點(diǎn)居中配置在導(dǎo)向立柱1的M2和N2面的 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)安裝和調(diào)整比較簡單，本實(shí)施例的其他部件與工作原理與實(shí) 施例1相同。實(shí)施例5:如圖7所示，為固體相4配置在氣膜3外部時(shí)的結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例的工 作原理與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1、一種立式直線基準(zhǔn)方法，該方法包括以下步驟(1)、首先構(gòu)建一個(gè)四面環(huán)抱式全封閉立式氣浮導(dǎo)軌作為直線導(dǎo)向基準(zhǔn)，并在導(dǎo)軌中充入壓力氣體使可動(dòng)部件圍繞固定部件完全浮起，可動(dòng)部件所受氣膜支承力為F1，其特征在于(2)、在所述氣浮導(dǎo)軌的可動(dòng)部件和固定部件之間引入固體相，該固體相與可動(dòng)部件保持同步運(yùn)動(dòng)，并以軟摩擦形式單側(cè)或雙側(cè)作用于固定部件對應(yīng)的氣浮工作表面上，接觸壓力為F2，可動(dòng)部件處于開式或閉式支承狀態(tài)；(3)、根據(jù)固體相的材料特性及在氣浮導(dǎo)軌上的配置結(jié)構(gòu)，在F1＞F2條件下，對F1、F2進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并將氣膜支承力和接觸壓力進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)整。
2、 一種立式直線基準(zhǔn)裝置，包括導(dǎo)向立柱(1 )和氣浮導(dǎo)套(2)構(gòu)建 的四面環(huán)抱式全封閉立式氣浮導(dǎo)軌，導(dǎo)向立柱(1)和氣浮導(dǎo)套(2)之間 構(gòu)建有氣膜(3),其特征在于該裝置還包括配裝在氣膜(3)內(nèi)部或外部的 固體相(4),該固體相(4)的一端固定于氣浮導(dǎo)套(2)上，其另一端與 導(dǎo)向立柱(1)對應(yīng)的氣浮工作表面軟摩擦接觸；其中固體相(4)的配裝 方式為在垂直截面內(nèi)，固體相(4)沿導(dǎo)向立柱(1)上下兩排配置；在 水平截面內(nèi)，固體相(4)兩點(diǎn)對稱配置在導(dǎo)向立柱(1)的Mi和Ni面上， 且單點(diǎn)居中配置在M2和N2面上；或在Mp N！ 、 M2和N2四個(gè)面上均為 兩點(diǎn)配置；或在Mi、 Ni 、 M2和N2四個(gè)面上均為單點(diǎn)居中配置；或^又居中配置于M2和N2面上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種立式直線基準(zhǔn)裝置，其特征在于固體相 (4)采用具有柔性變形及軟摩擦特性的材料制作，其有效變形量為1~3 ja m。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種立式直線基準(zhǔn)裝置，其特征在于固體相 (4)與導(dǎo)向立柱(1)為點(diǎn)或面接觸。
全文摘要
一種立式直線基準(zhǔn)方法與裝置屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域；在全封閉立式氣浮導(dǎo)軌的可動(dòng)部件和固定部件之間引入固體相，與可動(dòng)部件保持同步運(yùn)動(dòng)，以軟摩擦形式單側(cè)或雙側(cè)作用于固定部件對應(yīng)的氣浮工作表面上，接觸壓力為F₂，可動(dòng)部件處于開式或閉式支承狀態(tài)；在氣膜支承力F₁大于接觸壓力F₂條件下，對F₁、F₂進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并將氣膜支承力和接觸壓力進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)整；其裝置中固體相配裝在氣膜內(nèi)部或外部；本發(fā)明在保留氣浮導(dǎo)軌原始精度的前提下，顯著增強(qiáng)了氣浮導(dǎo)軌的支承剛度和抗干擾能力，提高了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和定位穩(wěn)定性。
文檔編號G01D11/00GK101403627SQ200810137529
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者楊文國, 譚久彬, 金國良, 黃景志 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)