專利名稱：基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(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，特別涉及一種基于外扶式氣/ 氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)方法與裝置。
背景技術(shù)：
立式直線基準(zhǔn)作為精密/超精密測量儀器與制造裝備中的核心技術(shù)，其 制造水平直接關(guān)系到儀器裝備的最終使用性能。如高精度光學(xué)檢測儀器、 精密/超精密光機(jī)電一體化裝備、以及精密/超精密機(jī)床等先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域 中，都對其中所使用的立式直線基準(zhǔn)提出了越來越高的要求，即要求所使 用的立式直線基準(zhǔn)不但要有高的導(dǎo)向精度，同時還要具有高的支承剛度、 較強(qiáng)的抗擾動能力和良好的工作穩(wěn)定性。目前高精度立式直線基準(zhǔn)通常用立式氣浮導(dǎo)軌來實現(xiàn)，常用的氣浮導(dǎo) 軌結(jié)構(gòu)主要由氣浮導(dǎo)套和導(dǎo)軌立柱兩部分組成，當(dāng)在氣浮導(dǎo)套和導(dǎo)軌立柱 之間構(gòu)建氣膜以形成氣體支承和潤滑后，氣浮導(dǎo)套可帶動負(fù)載沿導(dǎo)軌立柱 上下運動，雖然通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常情況下可實現(xiàn)較高的直線運動導(dǎo) 向精度，但該結(jié)構(gòu)形式的立式氣浮導(dǎo)軌使用中仍存在著下述問題氣浮導(dǎo) 套及其負(fù)載構(gòu)成的運動系統(tǒng)在封閉氣膜壓力的作用下處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，在徑向上(X向和Y向)支承剛度較低，運動系統(tǒng)極易受到外部擾動的影響， 系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性較差。為改善立式氣浮導(dǎo)軌的使用性能，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員做了很 多有益嘗試，分別研制出被動補(bǔ)償式膜壓導(dǎo)軌、主動內(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) 很復(fù)雜，控制和調(diào)節(jié)比較繁瑣，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，可達(dá)到4是高空氣 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。此外，從理論上講也可采用減小節(jié)流孔徑或減小氣膜厚度的方法來提 高.氣浮導(dǎo)軌的剛度和穩(wěn)定性，但由于受目前工藝水平的制約，當(dāng)節(jié)流孔徑 和氣膜厚度過小時又會導(dǎo)致加工和裝配極為困難。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，提出一種基于外扶 式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)方法，通過構(gòu)建與主工作氣膜支承方向相 反的輔助氣膜，并與主工作氣膜共同作用于導(dǎo)向氣浮板兩側(cè)，使導(dǎo)向氣浮 板在雙向工作氣膜的復(fù)合作用下工作，以達(dá)到建立一種剛度高、抗擾動能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)勢兼顧的立式直線基準(zhǔn)的目的；本發(fā)明還提供了一種基于上述方法的外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)裝置。 上述目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)方法，是在氣浮導(dǎo)套的 外部相鄰兩側(cè)面處沿X向和Y向分別構(gòu)建與主工作氣膜支承方向相反的兩 個輔助氣膜，并與主工作氣膜共同作用于導(dǎo)向氣浮板兩側(cè)；導(dǎo)向氣浮板工 作面與內(nèi)側(cè)主氣浮導(dǎo)軌和外側(cè)輔助導(dǎo)軌工作面分別形成正向和負(fù)向工作氣膜，兩氣膜工作壓力分別為P a和P外，且P^P外；導(dǎo)向氣浮板在雙向工作 氣膜的復(fù)合作用下工作。一種基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)裝置，包括主氣浮導(dǎo)軌 和氣浮導(dǎo)套，主氣浮導(dǎo)軌工作面和氣浮導(dǎo)套內(nèi)側(cè)工作面形成正向主工作氣 膜，且氣膜工作壓力為P^，其特征在于在氣浮導(dǎo)套的外部設(shè)有與導(dǎo)向氣浮 板A相平行的輔助導(dǎo)軌A,輔助導(dǎo)軌A工作面和導(dǎo)向氣浮纟反A外側(cè)工作面 形成負(fù)向工作氣膜A;還設(shè)有與導(dǎo)向氣浮板B相平行的輔助導(dǎo)軌B,輔助導(dǎo) 軌B工作面和導(dǎo)向氣浮板B外側(cè)工作面形成負(fù)向工作氣膜B;負(fù)向工作氣 膜A和負(fù)向工作氣膜B的氣膜工作壓力為P外，且P a〉P外；氣浮導(dǎo)套上還 設(shè)有同時面向主氣浮導(dǎo)軌、輔助導(dǎo)軌A和輔助導(dǎo)軌B的節(jié)流結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有以下特點及有益效果1、本發(fā)明通過構(gòu)建與主工作氣膜支承方向相反的輔助氣膜，并與主工作氣膜共同作用于導(dǎo)向氣浮板兩側(cè)，使導(dǎo)向氣浮板在雙向工作氣膜的復(fù)合 作用下工作，明顯提升導(dǎo)軌的徑向支承剛度，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一；2、本發(fā)明通過對主工作氣膜正向壓力P rt和輔助氣膜負(fù)向壓力P外進(jìn)行 合理設(shè)計，并確保P^P力，可解決現(xiàn)有氣浮導(dǎo)軌處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)下易受擾 動的問題，可顯著增強(qiáng)導(dǎo)軌的抗干擾能力和工作穩(wěn)定性，這是區(qū)別于現(xiàn)有 技術(shù)的創(chuàng)新點之二；3、因氣體潤滑具有極好的誤差平均效應(yīng)，因此輔助氣膜的加入對主氣 浮導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度基本沒有影響或影響極小，仍能保留主氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向精 度高的優(yōu)勢；且本發(fā)明裝置中輔助導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，避免了現(xiàn)有 方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工和裝配困難等問題，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之


圖1為基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中A-A向剖面圖。圖中1、主氣浮導(dǎo)軌；2、氣浮導(dǎo)套；3、主氣浮導(dǎo)軌工作面；4、氣 浮導(dǎo)套內(nèi)側(cè)工作面；5、正向主工作氣膜；6、導(dǎo)向氣浮板A; 7、輔助導(dǎo)軌 A; 8、輔助導(dǎo)軌A工作面；9、導(dǎo)向氣浮板A外側(cè)工作面；10、負(fù)向工作 氣膜A; 11、導(dǎo)向氣浮板B; 12、輔助導(dǎo)軌B; 13、輔助導(dǎo)軌B工作面； 14、導(dǎo)向氣浮板B外側(cè)工作面；15、負(fù)向工作氣膜B; 16、節(jié)流結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明。如圖1所示，主氣浮導(dǎo)軌l固定于穩(wěn)定的基體上，氣浮導(dǎo)套2和主氣 浮導(dǎo)軌1經(jīng)過精密裝配構(gòu)成直線運動的主基準(zhǔn)，其中氣浮導(dǎo)套2由導(dǎo)向氣 浮板A和導(dǎo)向氣浮板B等四塊導(dǎo)向氣浮板配裝而成。如圖2所示，主氣浮 導(dǎo)軌工作面3和氣浮導(dǎo)套內(nèi)側(cè)工作面4形成封閉的正向主工作氣膜5,且 氣膜工作壓力為p a 。在正向主工作氣膜5的支承下，氣浮導(dǎo)套2平衡受力， 處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，且在電機(jī)等驅(qū)動系統(tǒng)的作用下可帶動負(fù)載沿主氣浮導(dǎo)軌1上下運動。由于氣體潤滑幾乎沒有摩擦，且具有極好的誤差平均效應(yīng)，
因此對氣浮導(dǎo)套內(nèi)側(cè)工作面4及主氣浮導(dǎo)軌工作面3進(jìn)行超精密研磨，使 氣浮工作面達(dá)到深亞微米級形狀精度和位置精度，同時達(dá)到十幾納米級表 面粗糙度，使氣浮表面具有極高的氣體平均效應(yīng)和抗腐蝕性，實現(xiàn)高的導(dǎo) 向精度。
為避免氣浮導(dǎo)套2及其負(fù)載易受外部擾動的影響，采取在徑向上外加 輔助氣體支承的方法提高導(dǎo)軌的剛度和工作穩(wěn)定性。如圖2所示，在氣浮 導(dǎo)套2的外部設(shè)有與導(dǎo)向氣浮板A 6相平行的輔助導(dǎo)軌A 7，輔助導(dǎo)軌A 工作面8和導(dǎo)向氣浮板A外側(cè)工作面9形成負(fù)向工作氣膜A10;此外還設(shè) 有與導(dǎo)向氣浮板B 11相平行的輔助導(dǎo)軌B 12,輔助導(dǎo)軌B工作面13和導(dǎo) 向氣浮^反B外側(cè)工作面14形成負(fù)向工作氣膜B 15;負(fù)向工作氣膜A10和 負(fù)向工作氣膜B 15的氣膜工作壓力為P外，且有P,沖外；氣浮導(dǎo)套2上還 設(shè)有同時面向主氣浮導(dǎo)軌1、輔助導(dǎo)軌A7和輔助導(dǎo)軌B 12的節(jié)流結(jié)構(gòu)16。
外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)裝置工作原理為通過構(gòu)建與 正向主工作氣膜5支承方向相反的負(fù)向工作氣膜A 10和負(fù)向工作氣膜B 15，并與正向主工作氣膜5共同作用于導(dǎo)向氣浮板A6和導(dǎo)向氣浮板B 11 兩側(cè)，因正向主工作氣膜5工作壓力Prt大于兩負(fù)向工作氣膜壓力P外，可 保證直線運動精度不受影響或影響很小；導(dǎo)向氣浮板A 6和導(dǎo)向氣浮板B 11在雙向工作氣膜的復(fù)合作用下工作，使氣浮導(dǎo)套2及置于其上的負(fù)載在 X向和Y向上受到預(yù)緊作用力，避免了氣浮導(dǎo)套2在正向主工作氣膜5作 用下的準(zhǔn)平衡狀態(tài)，提高了氣膜剛性，使導(dǎo)軌抗擾動能力明顯增強(qiáng)，工作 穩(wěn)定性顯著提高。
輔助導(dǎo)軌A 7和輔助導(dǎo)軌B 12的高度根據(jù)氣浮導(dǎo)套2的運動范圍確定； 負(fù)向工作氣膜壓力P外的大小可通過調(diào)整負(fù)向工作氣膜A 10和負(fù)向工作氣 膜B 15的厚度及供氣壓力加以實現(xiàn)；同時為保證輔助導(dǎo)軌A7和輔助導(dǎo)軌 B12的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其制造材料的選擇也十分重要，選擇材料時主要考慮 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)力釋放完全的"濟(jì)南青，，花崗巖， 可獲得極佳的幾何穩(wěn)定性，也可選擇材料穩(wěn)定性能優(yōu)異的特殊合金制造。
權(quán)利要求
1、一種基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)方法，其特征在于該方法是在氣浮導(dǎo)套的外部相鄰兩側(cè)面處沿X向和Y向分別構(gòu)建與主工作氣膜支承方向相反的兩個輔助氣膜，并與主工作氣膜共同作用于導(dǎo)向氣浮板兩側(cè)；導(dǎo)向氣浮板工作面與內(nèi)側(cè)主氣浮導(dǎo)軌和外側(cè)輔助導(dǎo)軌工作面分別形成正向和負(fù)向工作氣膜，兩氣膜工作壓力分別為P內(nèi)和P外，且P內(nèi)＞P外；導(dǎo)向氣浮板在雙向工作氣膜的復(fù)合作用下工作。
2、 一種基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)裝置，包括主氣浮 導(dǎo)軌(1)和氣浮導(dǎo)套(2)，主氣浮導(dǎo)軌工作面(3)和氣浮導(dǎo)套內(nèi)側(cè)工作 面(4)形成正向主工作氣膜(5)，且氣膜工作壓力為P^其特征在于在 氣浮導(dǎo)套(2)的外部設(shè)有與導(dǎo)向氣浮板A (6)相平行的輔助導(dǎo)軌A (7), 輔助導(dǎo)軌A工作面(8)和導(dǎo)向氣浮板A外側(cè)工作面(9)形成負(fù)向工作氣 膜A ( 10 );還設(shè)有與導(dǎo)向氣浮板B ( 11 )相平行的輔助導(dǎo)軌B ( 12 )，輔 助導(dǎo)軌B工作面(13)和導(dǎo)向氣浮板B外側(cè)工作面(14)形成負(fù)向工作氣 膜B (15);負(fù)向工作氣膜A (10)和負(fù)向工作氣膜B (15)的氣膜工作壓 力為P外，且P內(nèi)〉P外；氣浮導(dǎo)套(2)上還設(shè)有同時面向主氣浮導(dǎo)軌(1)、 輔助導(dǎo)軌A (7)和輔助導(dǎo)軌B (12)的節(jié)流結(jié)構(gòu)(16)。
全文摘要
基于外扶式氣/氣兩相復(fù)合的立式直線基準(zhǔn)方法與裝置屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域；是在氣浮導(dǎo)套的外部相鄰兩側(cè)面處沿X向和Y向分別構(gòu)建與主工作氣膜支承方向相反的兩個輔助氣膜，并與主工作氣膜共同作用于導(dǎo)向氣浮板兩側(cè)；導(dǎo)向氣浮板工作面與內(nèi)側(cè)主氣浮導(dǎo)軌和外側(cè)輔助導(dǎo)軌工作面分別形成正向和負(fù)向工作氣膜，兩氣膜工作壓力分別為P_內(nèi)和P_外，且P_內(nèi)＞P_外；導(dǎo)向氣浮板在雙向工作氣膜的復(fù)合作用下工作；其裝置是在氣浮導(dǎo)套的外部設(shè)有輔助導(dǎo)軌A和輔助導(dǎo)軌B，且在氣浮導(dǎo)套上還設(shè)有同時面向主氣浮導(dǎo)軌、輔助導(dǎo)軌A和輔助導(dǎo)軌B的節(jié)流結(jié)構(gòu)；本發(fā)明建立了一種剛度高、抗擾動能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)勢兼顧的立式直線基準(zhǔn)。
文檔編號G01D11/00GK101403629SQ20081013753
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)