專利名稱：一種氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密回轉(zhuǎn)基準技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準 方法與裝置。
背景技術(shù)：
回轉(zhuǎn)基準是精密/超精密測量儀器、試驗裝備與制造裝備中的核心技術(shù)之一。 氣浮軸系由于具有回轉(zhuǎn)運動精度高、位移靈敏度高以及摩擦損耗極小等優(yōu)勢， 作為高精度回轉(zhuǎn)基準已越來越多地應(yīng)用于上述設(shè)備。
目前常用的氣浮軸系基本結(jié)構(gòu)主要由氣浮主軸和氣浮軸套兩部分組成，當 在軸向和徑向構(gòu)建氣膜間隙以形成氣體支承和潤滑后，氣浮主軸可帶動負載在
氣浮軸套內(nèi)回轉(zhuǎn)運動。然而，該類軸系結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中存在如下幾個問題 (l)軸向支承剛度較小、承載能力較差。因此在承載過大的負載或有沖擊時氣 膜厚度急劇減小，極易引起主軸與軸套的直接接觸，發(fā)生干摩擦現(xiàn)象，嚴重破 壞軸系精度，甚至導(dǎo)致軸系報廢；(2)系統(tǒng)中存在的中、高頻微振動破壞了運 動系統(tǒng)的動態(tài)特性，主軸運動重復(fù)性較差；(3)軸系的定位精度不高。 一方面 由于負載慣量的存在及聯(lián)軸節(jié)等傳動部件具有應(yīng)力釋放過程，使主軸在定位過 程中存在緩慢地漂移現(xiàn)象；另一方面由于處于定位狀態(tài)下的軸系外加阻尼極小， 始終處于一種臨界的運動狀態(tài)，由軸系內(nèi)部的氣流擾動及外部微小振動等均可 使運動系統(tǒng)處于微抖動狀態(tài)，難以可靠、快速地定位于預(yù)定位置。
上述問題極大地影響和限制了氣浮軸系的使用，尤其在要求儀器與裝備同 時兼有大載荷、高精度、高剛度、低振動及高定位精度等特性時，這些問題顯 得更為突出。
為解決氣浮軸系剛度小、承載能力低、易產(chǎn)生中、高頻微振動及定位精度 差的問題，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員做了很多有益嘗試。
專利95245209.X "高剛度靜壓氣體止推軸承"提出了一種在止推盤上開有 兩排或兩排以上的供氣小孔，且不同排上的供氣小孔成徑向排列或交錯排列的 止推軸承形式，以增加軸向支承剛度和承載能力；專利200510009745.5 "復(fù)合 節(jié)流靜壓氣體止推軸承"提出在軸承工作面上沿靜壓氣浮供氣點分布圓法線方 向加工有表面節(jié)流溝槽，并以靜壓氣浮供氣點為中心，沿靜壓氣浮供氣點分布 圓的圓周方向加工有不相通的均壓槽，使均壓槽與鄰近表面節(jié)流溝槽相通，可 在 一 定程度上改善軸承的承載能力和支承剛度。
以上兩種方案都是通過改善軸系供氣性能的途徑達到提高承載能力和軸向 支承剛度的目的，可適用于中、小載荷情況，但不能解決大承載或超大承載問 題；此外，這兩個方案對系統(tǒng)中存在的中、高頻微振動及定位精度差的問題也 沒有解決。
-專利200710098789.9 "—種空氣軸承"提出了 一種在空氣軸承的中部區(qū)域設(shè) 計一個由上腔室和下腔室及阻尼孔組成的類似空氣彈簧雙腔室的結(jié)構(gòu)，當空氣
軸承發(fā)生上、下振動時，中部的壓力空氣經(jīng)過阻尼孔在兩個腔室中往復(fù)運動， 產(chǎn)生與空氣彈簧一樣的能量耗散機制，從而提升空氣軸承的阻尼能力。該發(fā)明 可在一定程度上改善氣浮主軸上、下方向的振動幅度，但對于徑向振動改善效 果并不顯著。此外，該方法是一種間接阻尼，仍利用氣體的可壓縮性構(gòu)建阻尼 效應(yīng)，因此存在著較大的時間常數(shù)和過渡過程。同樣，該方法也沒有解決氣浮 軸系無法用于大承載或超大承載以及定位精度差的問題。

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，提出一種將氣體潤滑兼 誤差均化技術(shù)與固體支承兼阻尼技術(shù)復(fù)合使用的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法， 即通過在軸向止推氣膜和徑向氣膜內(nèi)配裝固體彈性元件，并對其進行優(yōu)化設(shè)計， 達到在最大程度保留氣浮軸系回轉(zhuǎn)精度高的優(yōu)勢前提下，實現(xiàn)顯著提高氣浮軸 系岡'J度和承載能力，減小或消除中、高頻微振動以及提高定位精度的目的。本 發(fā)明還提供了一種基于上述方法的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置。
上述目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)
一種氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法，該方法將氣體潤滑兼誤差均化技術(shù)與固 體支承兼阻尼技術(shù)復(fù)合使用，實現(xiàn)可同時兼顧二者優(yōu)勢的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基 準
在氣浮軸系軸向止推氣膜內(nèi)施加軸向固體支承，并對支承元件優(yōu)化設(shè)計使 其工作特性滿足未加負載時，支承元件不工作，氣體支承單獨作用；負載逐 漸增大時，支承元件發(fā)生微彈性變形，隨變形量的微量增加，固體支承作用顯 著增強，最終形成以固體支承為主、氣體支承為輔,或氣體支承為主、固體支承 為輔，或氣體支承與固體支承作用相當?shù)膹?fù)合支承形式，以顯著提升氣浮軸系 的軸向剛度和承載能力。
在氣浮軸系徑向氣膜內(nèi)施加徑向固體支承，并對支承元件優(yōu)化設(shè)計使其工 作特性滿足支承元件與主軸預(yù)先保持一定的接觸預(yù)緊力，并最終形成以氣體 支承為主、固體支承為輔的徑向支承形式。在主軸回轉(zhuǎn)時徑向支承元件與主軸 表面滑動摩擦并發(fā)生微小彈性變形以耗散主軸的中、高頻微振動能量，形成阻 尼環(huán)，提高主軸運動的重復(fù)性；在主軸定位狀態(tài)下，支承元件與主軸保持靜摩 擦狀態(tài)，利用其變形儲能特性和靜摩擦特性增大定位阻尼，提高定位精度。
軸向支承剛度隨軸向固體支承元件的微量壓縮變形而顯著增強;徑向支承剛 度隨徑向固體支承元件的微量壓縮變形而顯著增強。
一種基于上述方法的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置，包括氣浮主軸上止推 板、氣浮主軸和氣浮軸套，位于氣浮主軸上止推板與氣浮軸套之間的軸向止推 氣膜內(nèi)配置軸向固體彈性元件，該軸向固體彈性元件的下端固連在氣浮軸套的
上止推面上，其上端與氣浮主軸上止推板接觸配合；在位于氣浮主軸與氣浮軸 套之間的徑向氣膜內(nèi)配裝徑向固體彈性元件，該徑向固體彈性元件的一端與氣 浮軸套固接，另一端與氣浮主軸接觸配合。
在軸向止推氣膜內(nèi)的軸向固體彈性元件采用三個或三個以上且整體呈環(huán)形 均布配置結(jié)構(gòu)；在徑向氣膜內(nèi)的徑向固體彈性元件采用單排三個或三個以上在 圓周方向上均布、且沿軸向呈雙排或多排配置結(jié)構(gòu)；軸向固體彈性元件和徑向 固體彈性元件均用具有微彈性變形特性的非金屬材料制作。
本發(fā)明方法具有以下特點及有益效果
本發(fā)明方法將氣體潤滑兼誤差均化技術(shù)與固體支承兼阻尼技術(shù)這兩個原本 相互獨立的技術(shù)有機的復(fù)合為一體，并使其功能與結(jié)構(gòu)相融合，利用優(yōu)化設(shè)計 方法，使所建立的復(fù)合回轉(zhuǎn)基準充分利用固體摩擦的阻尼特性和應(yīng)變/剛度特性， 最大限度的發(fā)揮固體支承/摩擦的承載能力強、剛度高和靜摩擦系數(shù)大的優(yōu)勢； 充分利用氣體的自潤滑特性和誤差均化作用，最大限度的保持其位移靈敏度高 和回轉(zhuǎn)精度高的優(yōu)勢，可克服現(xiàn)有氣浮軸系無法同時兼顧這些特性的缺陷。
本發(fā)明裝置具有如下顯著特點
1 、本發(fā)明裝置中通過將多個固體彈性元件呈環(huán)形均布配置在軸向止推氣膜 內(nèi)，并與氣體支承復(fù)合作用，使復(fù)合后的軸向支承剛度遠高于現(xiàn)有的純氣體支 承剛度，同時極大地提升了回轉(zhuǎn)基準的軸向承載能力；固體支承的加入亦可有 效避免在過大負載或沖擊下軸系發(fā)生干摩擦現(xiàn)象，有效保護氣浮軸系不被破壞， 保證了其使用精度及使用壽命。
2 、本發(fā)明裝置中通過將多個固體彈性元件在氣浮軸系的徑向氣膜內(nèi)沿圓周
均布、且沿軸向呈雙排或多排配置，利用彈性元件的^:變形消耗振動能量，可 顯著增大系統(tǒng)阻尼，有效抑制軸系徑向與軸向的中、高頻微振動；在主軸定位 狀態(tài)下，利用彈性元件與主軸間靜摩擦?xí)r具有靜摩擦系數(shù)大及變形儲能特性的 特點，可增大定位阻尼并產(chǎn)生輔助鎖緊功能，顯著抑制定位過程中的抖動和漂移。
本發(fā)明方法與裝置用途廣泛，尤其適用于精密/超精密測量儀器、試驗裝備 與制造裝備中回轉(zhuǎn)基準的建立。


圖1為氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置總體配置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的A-A向剖視圖。
圖3為軸向負載逐漸增大時軸向固體彈性元件變形示意圖。 圖4為軸向氣體支承、固體支承和氣/固兩相復(fù)合支承剛度特性曲線示意圖。 圖中1、氣浮主軸上止推板；2、軸向固體彈性元件；3、軸向止推氣膜； 4、氣浮主軸；5、徑向氣膜；6、氣浮軸套；7、徑向固體彈性元件；a、軸向氣 體支承剛度特性曲線；b、軸向固體支承剛度特性曲線；c、軸向氣/固兩相復(fù)合 支承剛度特性曲線；ho、未加負載時氣膜厚度；hp軸向氣體支承剛度達到最大 時的氣膜厚度；h2、軸向固體支承元件的彈性變形量；Ko、軸向氣體支承剛度最 大值；W、負載。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明。
如圖1所示，為克服氣浮軸系軸向剛度低和承載能力差的問題，采用在軸
向止推氣膜3內(nèi)施加固體支承的方法，利用固體支承的大剛度、高承載特性與
氣體支承相復(fù)合，以提高氣浮軸系總的支承能力。對軸向支承進行優(yōu)化設(shè)計， 具體的設(shè)計原則可根據(jù)實際使用情況確定。本實施例以在軸向氣膜剛度達到最 大時，氣/固兩相復(fù)合支承恰好平衡負載重量作為設(shè)計準則。已知待設(shè)計的復(fù)合
回轉(zhuǎn)基準可承擔負載重量為W0,未加負載時氣浮主軸上止推板1與氣浮軸套6 之間的氣膜厚度為ho,通過理論計算可預(yù)先獲得軸向止推氣膜剛度曲線，曲線 示意圖如圖4中a所示，由曲線a可得到氣體支承剛度達到最大值Ko時的氣膜 厚度值為hp此時氣體支承自身可承擔的負載重為Wr，才艮據(jù)上述已知條件可將 固體支承的彈性壓縮變形量設(shè)計為ho-hp除去氣體支承所分擔的負載Wi,此時 固體支承應(yīng)承擔的負載重量為Wo-W,;對固體支承元件的使用數(shù)量和安裝方式 進行設(shè)計，令優(yōu)化設(shè)計后的固體支承工作特性滿足主軸未加負載時，支承元 件上端恰好和氣浮主軸上止推板1接觸，但沒有接觸壓力，此時氣體支承單獨 作用；在負載W逐漸增大時，支承元件2發(fā)生微彈性變形，其變形示意圖如圖 3所示，圖3中標號1為未加負載時氣浮主軸上止推板1的軸向初始位置，r 為負載增大時上止推板1的軸向變化位置；2為未加負載時支承元件的初始狀態(tài)， 2'為增大負載后支承元件變形后狀態(tài)。隨變形量的微量增大，固體支承作用顯 著增強，其剛度也顯著增加，并逐步形成以固體支承為主，氣體支承為輔的復(fù) 合支承形式，復(fù)合后的軸向支承剛度得到大幅度提升，不同支承形式的支承剛 度對比曲線如圖4所示，其中曲線a為純氣體支承剛度曲線，曲線b為固體支 承剛度曲線，曲線c為氣/固兩相復(fù)合的支承剛度曲線。從圖4中不難看出，氣/ 固兩相復(fù)合后的軸向剛度遠大于純氣體支承剛度。同理，復(fù)合承載能力也隨之 大幅度地提升。
為克服氣浮軸系存在的中、高頻微振動和定位精度差的問題，采用在軸系
的徑向氣膜5內(nèi)施加徑向固體支承，并對支承元件7優(yōu)化設(shè)計后令其工作特性 滿足支承元件7與主軸4預(yù)先保持一定的接觸預(yù)緊力，并形成以氣體支承為 主，固體支承為輔的徑向支承形式，以盡量確保主軸的回轉(zhuǎn)精度損失最小。在 主軸4回轉(zhuǎn)時徑向支承元件7與主軸表面滑動摩擦并發(fā)生微小彈性變形以耗散 主軸的中、高頻微振動能量，提高主軸運動的重復(fù)性；在主軸定位狀態(tài)下，支 承元件7與主軸4保持靜摩擦，并利用支承元件的變形儲能特性和靜摩擦特性 增大定位阻尼，提高定位精度。
基于上述方法建立的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2 所示，包括氣浮主軸上止推板l、氣浮主軸4和氣浮軸套6，在位于氣浮主軸上 止推板1與氣浮軸套6之間的軸向止推氣膜3內(nèi)配置軸向固體彈性元件2,該軸 向固體彈性元件2的下端固連在氣浮軸套6上止推面上，其上端與氣浮主軸上 止推板1接觸配合，并根據(jù)三點確定一個平面的原理，軸向固體支承設(shè)計為三 點環(huán)形支承結(jié)構(gòu)，即三個相同結(jié)構(gòu)的軸向固體彈性元件2沿圓周方向以120°等 間隔均勻布置，且為減小其與上止推板1的摩擦，將彈性元件2與上止推板設(shè) 計為小面積接觸，為近似的點接觸結(jié)構(gòu)。
在位于氣浮主軸4與氣浮軸套6之間的徑向氣膜5內(nèi)配置徑向固體彈性元 件7，該徑向固體彈性元件7的一端與氣浮軸套6固接，另一端與氣浮主軸4接 觸配合。同理，根據(jù)三點確定一個平面的原理，以一個平面為一排，將每排徑 向固體支承也設(shè)計為三點環(huán)形支承結(jié)構(gòu)，即三個相同結(jié)構(gòu)的徑向固體彈性元件7 在氣浮軸套6內(nèi)部同一平面上沿圓周方向以120°等間隔均勻布置，為使徑向支 承平衡，在沿軸向方向設(shè)置雙排或者多排支承。
軸向固體彈性元件2可著重選擇支承特性好、摩擦損耗小的材料制作，如 聚四氟乙烯、尼龍等工程塑料；徑向固體彈性元件7可著重選擇阻尼特性較好的材料制作，如采用美國3M公司的ISD110、 ISD112等牌號的阻尼材料。需要說明的是，對于軸向固體支承的使用形式，也可根據(jù)實際需要進行設(shè)計，如當承載要求不是很高時，可設(shè)計為氣體支承為主、固體支承為輔的支承形式，或氣體支承與固體支承作用相當?shù)闹С行问?；對于徑向固體支承，也可根據(jù)主軸實際長度及微振動特性等設(shè)置多排支承結(jié)構(gòu)。依據(jù)本發(fā)明建立的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準，可同時兼有高精度、大剛度、大承載、低振動以及高的位移靈敏度等特性。
權(quán)利要求
1、一種氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法，其特征在于該方法將氣體潤滑兼誤差均化技術(shù)和固體支承兼阻尼技術(shù)復(fù)合使用在氣浮軸系軸向止推氣膜內(nèi)施加軸向固體支承，并對支承元件優(yōu)化設(shè)計使其工作特性滿足未加負載時，支承元件不工作，氣體支承單獨作用；負載逐漸增大時，支承元件發(fā)生微彈性變形，且隨變形量的微量增加，固體支承作用顯著增強，最終形成以固體支承為主、氣體支承為輔，或氣體支承為主、固體支承為輔，或氣體支承與固體支承作用相當?shù)膹?fù)合支承形式；在氣浮軸系徑向氣膜內(nèi)施加徑向固體支承，并對支承元件優(yōu)化設(shè)計使其工作特性滿足支承元件與主軸保持一定的接觸預(yù)緊力，并形成以氣體支承為主、固體支承為輔的徑向支承形式。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法，其特征在于其軸向 支承剛度隨軸向固體支承元件的微量壓縮變形而顯著增強。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法，其特征在于其徑向 支承剛度隨徑向固體支承元件的微量壓縮變形而顯著增強。
4、 一種氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置，包括氣浮主軸上止推板(1 )、氣浮主 軸(4)和氣浮軸套(6),其特征在于在位于氣浮主軸上止推板(1)與氣浮軸 套(6)之間的軸向止推氣膜(3)內(nèi)配裝軸向固體彈性元件(2),該軸向固體 彈性元件(2)的下端固連在氣浮軸套(6)的上止推面上，其上端與氣浮主軸 上止推板(1)接觸配合；在位于氣浮主軸(4)與氣浮軸套(6)之間的徑向氣 膜(5)內(nèi)配裝徑向固體彈性元件(7),該徑向固體彈性元件(7)的一端與氣 浮軸套(6)固接，另一端與氣浮主軸(4)接觸配合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置，其特征在于在軸向 止推氣膜(3)內(nèi)的軸向固體彈性元件(2)采用三個或三個以上且整體呈環(huán)形 均布配置結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置，其特征在于在徑向 氣膜(5)內(nèi)的徑向固體彈性元件(7)采用每排三個或三個以上在圓周方向上 均布、且沿軸向呈雙排或多排配置結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準裝置，其特征在于軸向固 體彈性元件(2)和徑向固體彈性元件(7)均用具有微彈性變形特性的非金屬 材料制作。
全文摘要
氣/固兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)基準方法與裝置屬于精密回轉(zhuǎn)基準技術(shù)領(lǐng)域；該方法將氣體潤滑兼誤差均化技術(shù)和固體支承兼阻尼技術(shù)復(fù)合使用，通過在氣浮軸系的軸向止推氣膜內(nèi)施加軸向固體支承，形成以固體支承為主、氣體支承為輔，或氣體支承為主、固體支承為輔，或氣體支承與固體支承作用相當?shù)膹?fù)合支承形式，顯著提升軸向剛度和承載能力；在氣浮軸系的徑向氣膜內(nèi)施加徑向固體支承，利用彈性元件的微小彈性變形耗散主軸的中、高頻微振動能量，并利用彈性元件的變形儲能與靜摩擦特性增大定位阻尼，提高定位精度；其裝置分別在軸向止推氣膜和徑向氣膜內(nèi)配裝固體彈性元件；本發(fā)明可建立一種同時兼顧高精度、高剛度、大承載、低振動以及高位移靈敏度的回轉(zhuǎn)基準。
文檔編號F16C32/06GK101338790SQ20081013690
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13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)