一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及了一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其主要包括直线电机部件、滑块式液体静压导轨及竖直运动工作台部件、高精度位置检测单元、配重及自动抱闸单元、导轨液压系统，以及控制系统。该系统的主要特点在于，采用直线电机驱动方式、滑块式液体静压导轨及闭环控制，使竖直运动工作台可以承担40Kg或以上负载，并具有良好的接触刚度和摩擦磨损特性，竖直工作台运动均匀、无低速爬行现象并具有良好的工作平稳性。工作行程为100mm的竖直导轨系统定位精度≤±200nm、重复定位精度≤±100nm。采用具有抱闸功能的配重气缸，有效地解决了直驱液体静压竖直导轨系统运动时不能断电制动的技术瓶颈。
【专利说明】一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种支持微细加工高速主轴竖直运动的纳米级精度直驱闭式液体静压导轨系统，特别适应于高速微纳机械加工、纳米级的精密测量等先进制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]难加工高性能关键件在现代武器系统、航空航天设备及新兴战略产业中占有极其重要的地位，如动力调谐陀螺仪整体式双平衡挠性接头，高精度氮化硅陶瓷球轴承，惯性平台等，其制造质量与精度集中反映了我国航空航天、武器系统和高端制造系统的综合能力和水平，是影响武器命中精度，航天器导航性能及关键工业装备的核心部件。难加工高性能关键件的微纳制造工艺与装备，担负着发展我国尖端科学和国防事业发展的重大使命。目前，我国在这一【技术领域】，与先进工业化国家有很大差距。国外在这一【技术领域】对我国进行技术封锁，严重阻碍了我国在这一【技术领域】的发展，对我国尖端科学发展与国家安全，造成极大的威胁。以动力调谐陀螺仪整体式双平衡挠性接头为例，其特点在于，4组细筋(内外扭杆)是至关重要的关键特征，细筋厚度为35-40 μ m,长度达8mm，通过加工2个直径< 2mm小孔间接形成，要求8根细筋一致性为0.5 μ m，4组细筋的对称度、共面度、竖直和水平细筋平面的竖直度等均要求小于I μ m,因此，要求微纳加工机床，尤其是主轴部件的高速旋转精度及其稳定性、进给部件的定位精度和重复定位精度等具有极高的要求，如纳米级精度垂直运动导轨系统，且导轨系统的定位精度< (1/3?1/2)工序公差。
[0003]目前为止，相类似的专利为:
[0004]2014年6月欧洲专利局授权的“采用静压轴承的立式车床结构”(EP2641691A1)；2014年4月2日中国专利局公开了“采用直线驱动的闭式静压导轨结构”(CN103692223A)。但上述两个专利及其它直线电机驱动的静压导轨都是在水平面工作的导轨，都未涉及直驱闭式液体静压竖直导轨系统必须解决的负载和制动等关键技术，因而不属于竖直导轨系统范畴。
[0005]美国专利局于2008年9月2日公布了美国Aerotech公司的水冷式高精度Z-Θ平台，US 7, 420, 298 B2:ffater Cooled High Precis1n Z-theta stage (包括相关参考专利:N0.6511504 “制造相同扩展支架的方法；N0.5759192 “直接切割金属支架的方法与设备”;N0.6521865 “应用于医疗植入的脉冲光纤激光切割系统”)。该专利的主要权利要求是，一种具有水平移动(Z)和平行于移动轴线的旋转轴(Θ轴)的高精度平台，采用一对无刷直线电机驱动水平移动平台，主要用于植入人体的扩张支架或相关回转类零件的激光加工。该专利的局限性在于:1)因为该高精度平台为水平放置，故不需要对旋转电机部件重量提出苛刻限制；2)旋转电机用于驱动扩张支架等零件，只需要较低的旋转速度；3)因为是采用激光加工，故加工过程不存在切(磨)削力。也即，该专利涉及的Z轴是水平方向，不属于竖直导轨系统范畴。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:用于支持高速主轴的竖直运动、工作行程100mm、定位精度±200nm、重复定位精度± lOOnm、最大负载40Kg。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:包括直线电机部件，由直线电机部件驱动静压滑块竖直运动，在静压滑块的两侧分别左右对称地布置有滑块式液体静压导轨组件，在每个滑块式液体静压导轨组件上形成有竖直凹槽，两侧滑块式液体静压导轨组件上的竖直凹槽相对布置，静压滑块的两侧分别伸入同侧的竖直凹槽内从而使得静压滑块与两侧的滑块式液体静压导轨组件形成间隙配合，由滑块式液体静压导轨组件限制静压滑块仅能沿竖直方向上下运动形成闭式静压导轨，在静压滑块上设有多个流量控制器且在静压滑块内形成有多个油腔，流量控制器与油腔一一对应，导轨液压系统给出的油通过流量控制器流入静压滑块内与其对应的油腔中从而在竖直凹槽表面形成油膜，通过控制油膜的厚度及直线电机部件的运动精度来提高静压滑块竖直运动的精度；
[0008]高速主轴竖直运动工作台固定在静压滑块上，由静压滑块带动高速主轴竖直运动工作台竖直运动，精密光栅尺的读数头固定在高速主轴竖直运动工作台的侧面，精密光栅尺的尺子固定在同侧的滑块式液体静压导轨组件上且平行于高速主轴竖直运动工作台的运动方向，由精密光栅尺的尺子实时接收高速主轴轴向运动工作台的实际移动量；
[0009]在高速主轴竖直运动工作台的两侧分别左右对称地布置有用于实现制动功能的配重气缸，配重气缸的缸体固定在高速主轴竖直运动工作台上，配重气缸的推杆的端部固定安装在位于配重气缸下方的配重气缸安装底座上。
[0010]优选地，所述直线电机部件包括直线电机及两个电机极限位置限位开关，两个电机极限位置限位开关分别位于直线电机的上方及下方，由两个电机极限位置限位开关限制直线电机行程的两个运动极限。
[0011 ] 优选地，还包括立柱，立柱中部开槽，两个所述滑块式液体静压导轨组件分别位于槽的左右两侧，电机安装板位于槽内，所述直线电机固定在电机安装板上，两个所述电机极限位置限位开关分别固定在电机安装板的上端及下端；直线电机的初级线圈安装在所述静压滑块上，从电机安装板的顶端进行通风，对直线电机的初级线圈进行散热。
[0012]优选地，所述滑块式液体静压导轨组件包括直线导轨，在直线导轨的顶端固定有压板，由直线导轨及压板共同形成所述竖直凹槽；所述油膜形成在直线导轨表面；所述精密光栅尺的尺子固定在压板上。
[0013]优选地，所述高速主轴竖直运动工作台包括动滑台及用于固定高速主轴的支架，动滑台固定在所述静压滑块上，支架固定在动滑台上；所述精密光栅尺的读数头固定在动滑台的侧面；两个所述配重气缸的缸体分别固定在动滑台的两侧。
[0014]优选地，在每个所述配重气缸内至少安装有制动箍、制动活塞、弹簧及压板杆，当紧急断电时，高压气体瞬间停止供气，弹簧伸长推动压板杆，使得制动箍抱住活塞杆，从而实现制动功能。
[0015]优选地，所述导轨液压系统包括进油管、出油管、油箱、净化器、冷却泵及油泵，进油管与所述流量控制器的进油口连接，流量控制器的出油口和所述静压滑块内对应的油腔通过油管相连，油腔通过出油管一边与净化器相连，净化器经由冷却泵与油箱相连，油箱内有油泵，油泵将油箱内的油通过进油管泵入所述流量控制器。
[0016]优选地，所述精密光栅尺的测量范围大于等于所述滑块式液体静压导轨组件的总行程。
[0017]本发明涉及了直驱闭式液体静压竖直导轨系统的负载和制动的解决方案和方法，并可修复导轨系统制造误差所引起的倾覆，因此可以很好地用于竖直方向工作台的可靠精确驱动。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明高精度竖直直驱液体静压导轨系统三维外形示意图；
[0019]图2是本发明高精度竖直直驱液体静压导轨系统的俯视图。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0021]本发明提供的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统包括直线电机I，直线电机I装配时，先将直线电机I次级线圈安装在电机安装板11上，然后将两个电机极限位置限位开关13安装在电机安装板11上，最后把安装好的电机安装板11安装在立柱12中部的槽内。两个电机极限位置限位开关13用以限制直线电机I行程的两个运动极限，当高速主轴竖直运动工作台4移动到极限位置时，发出报警信号以进行制动操作和实现安全保护功能。电机安装板11采用铸件，便于加工、安装及更换，且该电机安装板11上面有冷却风道，能够有效地将直线电机I运动时产生的热传导出去。
[0022]装配滑块时，先将流量控制器6安装在静压滑块5上，上下两端安装各安装6个流量控制器6，静压滑块5内形成有多个油腔，流量控制器6与油腔一一对应，静压滑块5中包含导轨内油膜形成的油路，因此，能够有效的节约空间，使得机构紧凑。再将直线电机I的初级线圈与静压滑块5装配在一起，之后将高速主轴竖直运动工作台4与静压滑块5装配在一起，然后将精密光栅尺7的读数头安装在读数头支架上，再将支架安装在高速主轴竖直运动工作台4上。
[0023]装配导轨时，将精密光栅尺7的尺子部分安装在压板3上，再将压板3安装在直线导轨2上，然后将直线导轨2及其压板3安装在立柱12上，并调整直线度和平面度到达装配要求。
[0024]最后，将装配好的滑块与装配好的导轨装配在一起，形成静压滑块导轨系统。在该静压滑块导轨系统中，直线导轨2及压板3各有两套，分别在静压滑块5两侧左右对称设置，静压滑块5与直线导轨2和压板3间隙配合。静压滑块5带动高速主轴竖直运动工作台4沿竖直方向上下运动，由导轨结构限定其他自由度，而形成闭式静压导轨。
[0025]导轨液压系统给出的油通过流量控制器6流入静压滑块5内与其对应的油腔中从而在直线导轨2表面形成油膜，通过控制油膜的厚度及直线电机I的运动精度来提高垂直静压导轨系统的运动精度。
[0026]精密光栅尺7的测量范围大于等于导轨总行程。精密光栅尺7由读数头和尺子两部分组成。精密光栅尺7的读数头被安装在高速主轴竖直运动工作台4的动滑台侧面，精密光栅尺7的尺子部分平行于动滑台运动方向，且一侧安装在压板3上。并实时接收高速主轴竖直运动工作台4的实际移动量。提出高精度位置检测单元的目的在于，通过精密光栅尺7对高速主轴竖直运动工作台4实际位移进行测试、分析和计算位移误差，以对工作台进给运动进行实时补偿，并提高工作台的运动精度。
[0027]导轨液压系统包括进油管、出油管、油箱、净化器、冷却泵及油泵，进油管与流量控制器6的进油口连接，流量控制器6的出油口和静压滑块5内对应的油腔通过油管相连，油腔通过出油管一边与净化器相连，净化器经由冷却泵与油箱相连，油箱内有油泵，油泵将油箱内的油通过进油管泵入流量控制器6
[0028]随后，将配重气缸安装底座10装配在立柱12上，再将配重气缸8的移动部分安装在高速主轴竖直运动工作台4的两侧，然后将配重气缸8的固定部分安装在配重气缸安装底座10上，最后装配配重气缸8的移动部分与固定部分。最后将接油槽安装在立柱12上，并安好防护罩，则装配完成。
[0029]两个配重气缸8左右各一个对称分布，其中，配重气缸8的缸体作为移动部件安装在高速主轴竖直运动工作台4上，配重气缸8的推杆作为固定部分安装在配重气缸安装底座10上，配重气缸安装底座10安装在立柱12上。配重气缸8为垂直直驱液体静压导轨系统提供运动平衡，以减少高速主轴竖直运动工作台8的负载强度，提高其工作平稳性。配重气缸8内安装有制动箍、制动活塞、弹簧及压板杆，当紧急断电时，高压气体瞬间停止供气，弹簧伸长推动压板杆，使得制动箍抱住活塞杆，从而实现制动功能。因此，能够实现竖直安装直线电机断电制动的功能，实现安全保护功能。当出现断电等突发事件时，该抱闸单元可将竖直运动滑台的下降滑移量控制在10微米以内。
[0030]直线导轨2、压板3和高速主轴竖直运动工作台4的动滑台都采用花岗岩材料，可减少的重量占竖直导轨系统总重量或负载的5%或以上。
[0031]本发明在工作时，通过直线电机驱动静压滑块5，静压滑块5带动高速主轴竖直运动工作台4实现竖直方向的运动。将油通过流量控制器6流入静压滑块5内与其对应的油腔中，油膜厚度可以通过流量控制器6进行自适应调节。静压滑块5与流量控制器6在直线导轨2与压板3之间沿垂直方向上下运动，其他自由度都由导轨的结构所约束，形成几何封闭。从电机安装板11的顶端进行通风，对直线电机I的初级线圈进行散热。通过精密光栅尺7实时接收到高速主轴竖直运动工作台4的移动距离值，分析和计算位移误差，以对工作台进给运动进行实时补偿。采用配重气缸8为竖直直驱液体静压导轨系统提供运动平衡，当竖直运动导轨系统出现断电等问题时，配重气缸8具有制动功能，能够使得高速主轴竖直运动工作台4只下降10微米。导轨上的两个光电感应开关13，能够保证高速主轴竖直运动工作台4移动到极限位置时发出报警信号，并进行制动操作。
[0032]本发明的高精度高速主轴竖直运动直驱液体静压导轨系统将静压导轨滑块化，并且应用于竖直方向，通过控制液体静压导轨中油膜的厚度及直线电机的运动精度的方式，提高垂直静压导轨系统的位移精度。通过精密光栅尺对工作台实际位移进行测试、分析和计算位移误差，以对工作台进给运动进行实时补偿，来提高工作台的位移精度。本发明还有效的解决了直线电机的冷却问题。并通过带有制动功能的配重气缸8来减少高速主轴竖直运动工作台4的负载强度，来提高其工作平稳性，并解决了直线电机I用于竖直方向时的断电制动问题。
[0033]对比相关产品:美国Ae1tech公司是世界著名的高精度平台制造商，其目前提供的产品很多，与本发明要求(竖直导轨工作台、工作行程彡100mm、定位精度(±200nm(0.2um)、重复定位精度彡±100nm(0.1um)、最大负载40Kg)相接近的产品有多种，以ATS20015产品为例，其最大负载为40Kg、行程150mm，但精度指标为:采用滚珠丝杠和Aerotech控制器的定位精度为± Ium(100nm)，重复定位精度±0.5um (500nm)。
【权利要求】
1.一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:包括直线电机部件，由直线电机部件驱动静压滑块(5)竖直运动，在静压滑块(5)的两侧分别左右对称地布置有滑块式液体静压导轨组件，在每个滑块式液体静压导轨组件上形成有竖直凹槽，两侧滑块式液体静压导轨组件上的竖直凹槽相对布置，静压滑块(5)的两侧分别伸入同侧的竖直凹槽内从而使得静压滑块(5)与两侧的滑块式液体静压导轨组件形成间隙配合，由滑块式液体静压导轨组件限制静压滑块(5)仅能沿竖直方向上下运动形成闭式静压导轨，在静压滑块(5)上设有多个流量控制器(6)且在静压滑块(5)内形成有多个油腔，流量控制器(6)与油腔一一对应，导轨液压系统给出的油通过流量控制器(6)流入静压滑块(5)内与其对应的油腔中从而在竖直凹槽表面形成油膜，通过控制油膜的厚度及直线电机部件的运动精度来提高静压滑块(5)竖直运动的精度； 高速主轴竖直运动工作台(4)固定在静压滑块(5)上，由静压滑块(5)带动高速主轴竖直运动工作台(4)竖直运动，精密光栅尺(7)的读数头固定在高速主轴竖直运动工作台(4)的侧面，精密光栅尺(7)的尺子固定在同侧的滑块式液体静压导轨组件上且平行于高速主轴竖直运动工作台(4)的运动方向，由精密光栅尺(7)的尺子实时接收高速主轴竖直运动工作台(4)的实际移动量； 在高速主轴竖直运动工作台(4)的两侧分别左右对称地布置有用于实现制动功能的配重气缸(8)，配重气缸(8)的缸体固定在高速主轴竖直运动工作台(4)上，配重气缸(8)的推杆的端部固定安装在位于配重气缸(8)下方的配重气缸安装底座(10)上。
2.如权利要求1所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:所述直线电机部件包括直线电机(I)及两个电机极限位置限位开关(13)，两个电机极限位置限位开关(13)分别位于直线电机(I)的上方及下方，由两个电机极限位置限位开关(13)限制直线电机⑴行程的两个运动极限。
3.如权利要求3所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:还包括立柱(12)，立柱(12)中部开槽，两个所述滑块式液体静压导轨组件分别位于槽的左右两侧，电机安装板(11)位于槽内，所述直线电机(I)固定在电机安装板(11)上，两个所述电机极限位置限位开关(13)分别固定在电机安装板(11)的上端及下端；直线电机(I)的初级线圈安装在所述静压滑块(5)上，从电机安装板(11)的顶端进行通风，对直线电机(I)的初级线圈进行散热。
4.如权利要求1所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:所述滑块式液体静压导轨组件包括直线导轨(2)，在直线导轨(2)的顶端固定有压板(3)，由直线导轨(2)及压板(3)共同形成所述竖直凹槽；所述油膜形成在直线导轨(2)表面；所述精密光栅尺(7)的尺子固定在压板(3)上。
5.如权利要求1所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:所述高速主轴竖直运动工作台(4)包括动滑台及用于固定高速主轴的支架(9)，动滑台固定在所述静压滑块(5)上，支架(9)固定在动滑台上；所述精密光栅尺(7)的读数头固定在动滑台的侧面；两个所述配重气缸(8)的缸体分别固定在动滑台的两侧。
6.如权利要求1所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:在每个所述配重气缸(8)内至少安装有制动箍、制动活塞、弹簧及压板杆，当紧急断电时，高压气体瞬间停止供气，弹簧伸长推动压板杆，使得制动箍抱住活塞杆，从而实现制动功能。
7.如权利要求1所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:所述导轨液压系统包括进油管、出油管、油箱、净化器、冷却泵及油泵，进油管与所述流量控制器￠)的进油口连接，流量控制器￠)的出油口和所述静压滑块(5)内对应的油腔通过油管相连，油腔通过出油管一边与净化器相连，净化器经由冷却泵与油箱相连，油箱内有油泵，油泵将油箱内的油通过进油管泵入所述流量控制器(6)。
8.如权利要求1所述的一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于:所述精密光栅尺(7)的测量范围大于等于所述滑块式液体静压导轨组件的总行程。
【文档编号】B23Q1/01GK104148952SQ201410394913
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】李蓓智, 董婉娇, 李炜, 王庆霞, 杨建国 申请人:东华大学