一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及气体静压导轨技术领域，尤其是一种基于光学材料的高精度高刚度气 体静压导轨。
【背景技术】
[0002] 随着精密测量和加工技术的发展，测量仪器和加工设备对支撑零部件的性能提出 了更高的要求，气体静压导轨具备满足运些性能的潜力，但其存在承载和刚度低的缺点，使 其仅在小载荷的测量仪器和加工设备中得到应用。如何提升气体静压导轨的承载和刚度， 一直是国内外众多学者重点研究的问题。
[0003] 根据气体静压导轨的工作原理，提高气体静压导轨的方法有：(a)减小节流孔径， 导致导轨气膜工作间隙减小，美国ProfessionInstrument公司制造了直径100mm，平均间 隙2. 5ym的10B型静压气体轴承，径向承载800N，刚度达到374N?ym-1。化）增大有效节 流面积，运种方法受空间限制。（C)提高气源压力，运种方法容易导致气体静压导轨的不稳 定。
[0004] 减小节流孔径将使最佳刚度（工作区间）对应的气膜间隙减小。气膜间隙减小的 条件下，为了保证小气膜间隙的气体润滑，对气体静压滑块单元带来的极高的加工要求。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压 导轨。为了使导轨达到高精度，首先要实现其高刚度。本发明采用减小节流孔径的方式提 高气体静压导轨刚度，根据理论计算，减小节流孔径会导致气膜工作间隙（最大刚度对应 的间隙附近区间）减小，工作间隙减小将对导轨的加工制造和装配提出更高的要求，因此， 本发明采用光学材质作为导轨材料，运样可W采用光学加工的方法制作导轨，保证了小间 隙气膜的润滑状态。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] -种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导轨，其特征在于：包括导轨、侧面滑 块、上滑块、下滑块和支撑座，所述导轨采用MgO-A1203 -Si02系统微晶玻璃经光学加工 方法加工而成，所述侧面滑块、上滑块、下滑块和支撑座均采用大理石制作而成，所述导轨 上设有上滑块，所述导轨的两侧分别设有一侧面滑块，所述导轨的底部两侧均设有一下滑 块，所述侧面滑块与上滑块连接，所述下滑块与其相邻的侧面滑块连接，所述导轨的底部设 置在支撑座上，导轨W及设置在导轨上的侧面滑块、上滑块和下滑块由支撑座支撑，所述上 滑块、侧面滑块W及下滑块上均部设有直径为50ym的节流孔，气体静压导轨供气后，侧 面滑块、上滑块、下滑块与导轨之间构成气体静压润滑。导轨材料采用的是MgO-A1203 -Si02系统微晶玻璃（光学材料），利用其机械强度高，绝缘性能优良、热膨胀系数低、耐化学 腐蚀、耐磨、热稳定性好的特性，其作为导轨原材料十分合适。导轨的材料为光学材料，导轨 也就采用光学加工方法加工成型，其加工方法为：经磁流变抛光（MR巧和计算机控制修形 (CCO巧后，利用干设仪狂ygo公司生产的WATTS180型）进行面形的测量，通过测量结果决 定下一次的加工方式（MRF或者CC0巧和去除量，在加工和测量之间反复迭代，直至面形满 足加工的要求。上述加工方法在光学加工领域是常规加工技术，本发明采用光学加工的方 法加工微晶玻璃，使其能达到极高的面形精度，由于有了较高的加工精度，保证了小间隙条 件下的气体静压润滑条件，实现了气体静压润滑的高刚度。
[0008] 本发明中，所述侧面滑块同理螺母与上滑块相连接，所述下滑块通过螺母与其相 邻的侧面滑块连接。
[0009] 本发明中：所述上滑块、侧面滑块W及下滑块上均部设有直径为50ym的节流孔。 因为50ym节流孔对应的气膜间隙很小约为6ym，本发明采用光学材料作为原材料，采用 光学加工方法进行加工，能够实现50ym节流孔。气体静压导轨刚度、节流孔径、气膜最佳 工作间隙之间的关系如图4和图5所示，随着节流孔径的减小，气膜的最佳工作间隙减小， 其最佳工作间隙对应的气膜刚度增大。通过减小节流孔可W有效的提高气膜刚度。但是，减 小节流孔的同时，气膜的最佳工作间隙（最大刚度对应的气膜间隙）相应的减小。200ym 的节流孔径滑块最大刚度约为18N/ym，其对应的最佳间隙约为16ym;50ym的节流孔径 滑块最大刚度约为38N/ym，其对应的最佳间隙约为6ym。气体静压导轨要想达到高刚度， 需要采用50ym节流孔，为了满足小间隙的气体静压润滑要求，必须对导轨的节流面面形 精度提出更高的要求。导轨采用微晶玻璃材料，可W光学加工达到较高的面形精度。用光 学加工微晶玻璃导轨，可W很好的满足气体静压导轨小间隙条件下的润滑要求，从而达到 高刚度。导轨材料的低膨胀系数和气体静压润滑的高刚度可W保证气体静压导轨具备极高 的精度。
[0010] 本发明中：节流孔由红宝石打孔制成，通过冲压的方式将打有节流孔的红宝石固 定在铜柱上构成节流器，所述节流孔的中屯、轴线与铜柱的中屯、轴线重合，所述节流孔下方 的铜柱空腔形成气腔，所述铜柱再将节流器安装在滑块上。几何结构如图7所示，其中b为 铜柱直径，d为节流孔径，a为气腔直径，h为气膜间隙。
[0011] 本发明的有益效果：
[0012] 本发明导轨采用微晶玻璃制作而成，其良好的机械性能保证了导轨的精度较高。 由于导轨采用了微晶玻璃作为原材料，通过光学加工方法加工微晶玻璃，能使导轨其能达 到极高的面形精度。本发明保证了小间隙条件下的气体静压润滑条件，实现了气体静压润 滑的高刚度。
【附图说明】
[0013] 图1本发明的整体结构图
[0014] 图2本发明的主视图
[0015] 图3本发明的侧视图
[0016] 图4不同节流孔径的承载曲线图
[0017] 图5不同节流孔径的刚度曲线图 阳0化]图6显微镜下的50ym节流孔
[0019] 图7节流器结构示意图
[0020] 图8上滑块节流孔布局图
[0021] 图9节流孔位置对上滑块静态特性的影响
[0022] 图10侧面滑块节流孔布局图
[0023] 图11节流孔位置对侧面滑块静态特性的影响
[0024] 图12下滑块节流孔布局图
[00巧]图13节流孔位置对下滑块静态特性的影响[0026]附图标记说明： 阳〇27] ①、上滑块 阳02引②、导轨W29] ③、左侧滑块 阳030] ④、下滑块 阳0川⑥、支撑座 齡对⑧、下滑块 柳刘⑦、右侧滑块
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0035]参照图1，为本发明的整体结构图，一种基于光学材料的高精度高刚度气体静压导 轨，包括导轨2、侧面滑块、上滑块1、下滑块4和支撑座5,所述导轨2采用MgO-A1203 -Si02系统微晶玻璃经光学加工方法加工而成，所述侧面滑块、上滑块1、下滑块4和支撑座 5均采用大理石制作而成，所述导轨2上设有上滑块1，所述导轨2的两侧分别设有一侧面 滑块，分别为左侧滑块3和右侧滑块7。所述导轨2的底部两侧均设有一下滑块6,所述侧 面滑块通过螺母与上滑块1连接，所述下滑块6通过螺母与其相邻的侧面滑块连接，所述导 轨2的底部设置在支撑座5上，导轨2W及设置在导轨2上的侧面滑块、上滑块1和下滑块 6由支撑座5支撑，所述上滑块1、侧面滑块W及下滑块4上均部设有直径为50ym的节流 孔，气体静压导轨供气后，侧面滑块、上滑块、下滑块与导轨之间构成气体静压润滑。导轨材 料采用的是MgO-A1203 -Si02系统微晶玻璃（光学材料），利用其机械强度高，绝缘性能 优良、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、耐磨、热稳定性好的特性，其作为导轨原材料十分合适。 导轨的材料为光学材料，导轨也就采用光学加工方法加工成型，其加工方法为：经磁流变抛 光（MR巧和计算机控制修形（CC0巧后，利用干设仪狂ygo公司生产的WATTS180型）进行 面形的测量，通过测量结果决定下一次的加工方式（MRF或者CC0巧和去除量，在加工和测 量之间反复迭代，直至面形满足加工的要求。上述加工方法在光学加工领域是常规加工技 术，本发明采用光学加工的方法加工微晶玻璃，使其能达到极高的面形精度，由于有了较高 的加工精度，保证了小间隙条件下的气体静压润滑条件，实现了气体静压润滑的高刚度。
[0036] 所述上滑块、侧面滑块W及下滑块上均部设有50ym节流孔。图6为显微镜下的 50ym节流孔。因为50ym节流孔对应的气膜间隙很小约为6ym，本发明采用光学材料作为 原材料，采用光学加工方法进行加工，能够实现50ym节流孔。气体静压导轨刚度、节流孔 径、气膜最佳工作间隙之间的关系如图4和图5所示，随着节流孔径的减小，气膜的最佳工 作间隙减小，其最佳