间隙补偿机构、封闭型气浮导轨及定位平台的制作方法

本发明属于大行程高精度运动定位相关技术领域，更具体地，涉及一种间隙补偿机构、封闭型气浮导轨及定位平台。

背景技术：

高速高精密技术在装备制造领域占有重要地位，静压气浮导轨以高精度、无摩擦、温升小、无污染等优点被广泛应用于各种高精密工作台中，而封闭型气浮导轨常用于高精度、高刚度、大负载的工况。由于气浮导轨采用气体作为润滑剂，气膜厚度通常在微米级，气浮封闭型导轨在工作过程中，由于装配应力释放、温度变化等会导致气浮导轨发生变形而使得气膜厚度无法保证，造成刚度损失而模态频率降低，严重时会发生运动卡死而损坏气浮轴承，磨花气浮面等严重后果。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如提出的一种高精度间隙补偿闭式气浮导轨，所述气浮导轨采用两侧气足自准定位，一侧气足与弹簧串联，免去了传统气浮导轨中气足与工作台导轨连接部位及长导轨导向面形位公差要求甚严的弊端，实现不平行度误差放宽至1微米，有较好的效果，但由于弹簧的存在，导致当导轨间距离变化时，气膜厚度及刚度也会随之改变。相应地，本领域存在着发展一种能够保持气膜厚度不变的间隙补偿机构的技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种间隙补偿机构、封闭型气浮导轨及定位平台，其基于现有封闭型气浮导轨的工作特点，针对间隙补偿机构进行了研究和设计。所述间隙补偿机构的第三磁铁及支架通过同步移动来保持气膜厚度不变，进而实现间隙补偿，且结构简单，灵活性较高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种间隙补偿机构，其特征在于：

所述间隙补偿机构包括第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、支架及底座，所述第一磁铁、所述第三磁铁及所述第二磁铁依次间隔收容于所述底座内，所述第一磁铁及所述第二磁铁均连接于所述底座；所述第一磁铁及所述第二磁铁受到的磁合力与所述第三磁铁受到的磁合力的大小相等、方向相反；

所述支架设置在所述底座上，其连接于所述第三磁铁，所述第三磁铁及所述支架通过同步移动以实现间隙补偿。

进一步地，所述第一磁铁的磁化方向与所述第三磁铁的磁化方向相同，所述第三磁铁的磁化方向与所述第二磁铁的磁化方向相反；或者，

所述第一磁铁的磁化方向与所述第三磁铁的磁化方向相反，所述第三磁铁的磁化方向与所述第二磁铁的磁化方向相同。

进一步地，所述间隙补偿机构还包括两个垫片，两个所述垫片中的一个设置在所述第一磁铁朝向所述第三磁铁的表面上，另一个设置在所述第二磁铁朝向所述第三磁铁的表面上；两个所述垫片均与所述第三磁铁间隔设置。

进一步地，所述底座开设有开口槽，所述第一磁铁、所述第二磁铁及所述第三磁铁收容于所述开口槽内。

进一步地，所述开口槽的四个槽壁上均开设有与所述开口槽相连通的导向槽，所述支架上设置有四个位置分别与四个所述导向槽的位置相对应的导向条，四个所述导向条分别收容于四个所述导向槽内，所述导向槽用于为所述支架的移动提供导向。

按照本发明的另一方面，提供了一种封闭型气浮导轨，其特征在于：

所述封闭型气浮导轨包括导轨及如上所述的间隙补偿机构，所述间隙补偿机构连接于所述导轨。

本发明还提供了一种定位平台，其特征在于：

所述定位平台包括支撑座及如上所述的封闭型气浮导轨，所述导轨设置在所述支撑座上。

进一步地，所述导轨包括第一导轨及与所述第一导轨间隔设置的第二导轨，所述定位平台还包括分别设置在所述第一导轨及所述第二导轨上的第一竖向气浮板及第二竖向气浮板，所述第一导轨及所述第二导轨均水平设置。

进一步地，所述定位平台还包括第一气浮垫及第二气浮垫，所述第一气浮垫连接于所述间隙补偿机构，所述间隙补偿结构连接于所述第二竖向气浮板；所述第二气浮垫连接于所述第一竖向气浮板，其位于所述第一导轨与所述第一竖向气浮板之间。

进一步地，所述定位平台还包括第二运动部件，所述第二运动部件设置于所述支撑座上；所述第二运动部件的运动方向与所述第一导轨的长度方向垂直。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的间隙补偿机构、封闭型气浮导轨及定位平台主要具有以下有益效果：

1.所述第一磁铁、所述第三磁铁及所述第二磁铁依次间隔收容于所述底座内，所述第一磁铁及所述第二磁铁受到的磁合力与所述第三磁铁受到的磁合力的大小相等、方向相反，所述第三磁铁及所述支架通过同步移动来保持气膜厚度不变，进而实现间隙补偿；

2.两个所述垫片中的一个设置在所述第一磁铁朝向所述第三磁铁的表面上，另一个设置在所述第二磁铁朝向所述第三磁铁的表面上；两个所述垫片均与所述第三磁铁间隔设置，两者分别用于将所述第一磁铁与所述第三磁铁隔开及将所述第二磁铁与所述第三磁铁隔开，使得磁铁间具有一定的间隙，避免磁铁吸引在一起而产生磁力变化；

3.所述开口槽的四个槽壁上均开设有与所述开口槽相连通的导向槽，所述支架上设置有四个位置分别与四个所述导向槽的位置相对应的导向条，四个所述导向条分别收容于四个所述导向槽内，所述导向槽用于为所述支架的移动提供导向，提高了支架移动的准确性。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的间隙补偿机构的结构示意图；

图2是图1中的间隙补偿机构的局部剖视图；

图3是图1中的间隙补偿机构的原理示意图；

图4是图1中的间隙补偿机构的第三磁铁的受力示意图；

图5是本发明第二实施方式提供的定位平台的结构示意图；

图6是图5中的定位平台沿一个方向的示意图；

图7是图5中的定位平台的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-间隙补偿机构，11-第一磁铁，12-第二磁铁，13-第三磁铁，14-支架，15-底座，16-垫片，2-第一气浮垫，3-第二气浮垫，4-第一导轨，5-第二导轨，6-第一运动部件，61-第一竖向气浮板，62-第二竖向气浮板，7-第二运动部件，71-第三竖向气浮板，8-支撑座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图4，本发明第一实施方式提供的间隙补偿机构1，所述间隙补偿机构1适用于封闭型气浮导轨。所述间隙补偿机构1包括第一磁铁11、第二磁铁12、第三磁铁13、支架14、底座15及两个垫片16，所述第一磁铁11、所述第三磁铁13及所述第二磁铁12依次间隔收容于所述底座15内，所述第三磁铁13与所述第一磁铁11及所述第二磁铁12均间隔设置。所述第一磁铁11、所述第二磁铁12与所述底座15固联，所述第三磁铁13与所述支架14固联，所述第三磁铁13可在所述第一磁铁11与所述第二磁铁12之间移动，所述第三磁铁13与所述支架14沿所述底座15同步移动以实现补偿。两个垫片16中的一个设置在所述第一磁铁11朝向所述第三磁铁13的表面上，另一个所述垫片16设置在所述第二磁铁12朝向所述第三磁铁13的表面上。本实施方式中，所述第一磁铁11、所述第二磁铁12及所述第三磁铁13均为矩形；可以理解，在其他实施方式中，所述第一磁铁11的形状、所述第二磁铁12的形状及所述第三磁铁13的形状均可以为其他形状，如圆形、圆环形。

所述第一磁铁11的磁化方向与所述第三磁铁13的磁化方向相同，所述第一磁铁11与所述第三磁铁13相互吸引；所述第三磁铁13的磁化方向与所述第二磁铁12的磁化方向相反，所述第三磁铁13与所述第二磁铁12相互排斥。所述第三磁铁13受到竖直向上的磁合力。当所述第三磁铁13运动到上下极限位置时，两个所述垫片16分别用于将所述第一磁铁11与所述第三磁铁13隔开及将所述第三磁铁13与所述第二磁铁12隔开，使得磁铁间具有一定的间隙，避免磁铁吸引在一起而产生磁力变化。

所述底座15开设有开口槽，所述开口贯穿所述底座15的一个表面，其用于收容所述第一磁铁11、所述第二磁铁12及所述第三磁铁13。所述开口槽的四个槽壁上分别开设有导向槽，所述导向槽与所述开口槽相连通。本实施方式中，所述导向槽的长度方向垂直于所述开口槽的底面。所述导向槽用于为所述支架14的移动提供导向。

所述支架14设置在所述底座15上，其上设置有四个位置分别与四个所述导向槽的位置相对应的导向条，所述导向条收容于对应的所述导向槽内，且所述导向条连接于所述第三磁铁13，所述支架14与所述第三磁铁13通过沿着所述导向槽上下移动，以实现气浮导轨间隙的自动补偿。本实施方式中，所述第一磁铁11及所述第二磁铁12连接于所述底座15。

本实施方式中，所述第一磁铁11、所述第二磁铁12及所述第三磁铁13采用钕铁硼磁铁n38，磁极化强度j＝1.23t，真空磁导率μ0＝1.023×4π×10^-7h/m，所述第一磁铁11、所述第二磁铁12及所述第三磁铁13的尺寸均为75×75×5mm，相邻两块磁铁之间的间距为0.5mm，所述垫片16的厚度为0.4mm，所述第三磁铁13的行程为0.2mm，即补偿间隙为0.2mm。

如图4所示，所述第三磁铁13在所述底座15内移动时，以行程中点为初始位置，可上下移动0.1mm，f13是所述第一磁铁11对所述第三磁铁13的吸引力，f23是所述第二磁铁12对所述第三磁铁13的排斥力，所述第三磁铁13受到的磁合力为f3基本不变，约为591.1n，当应用到封闭型气浮导轨中时，需调节气浮垫承载力与所述第三磁铁13受到的磁合力相等。利用所述第三磁铁13在间隙补偿装置的行程内移动时受到的磁合力基本不变来实现间隙补偿功能。

请参阅图5至图7，本发明第二实施方式提供的定位平台，所述定位平台为两自由度定位平台，其包括有间隙补偿机构1、第一气浮垫2、第二气浮垫3、导轨、第一运动部件6、第二运动部件7及支撑座8，所述导轨设置在所述支撑座8上，所述第一运动部件6设置于所述导轨上，所述第二运动部件7设置于所述支撑座8上。所述第二气浮垫3连接于所述第一运动部件6，所述间隙补偿机构1连接所述第一运动部件6。所述第一气浮垫2连接于所述间隙补偿机构1。

所述导轨包括横梁、第一导轨4及第二导轨5，所述第一导轨4及所述第二导轨5沿空间坐标系的y轴方向设置。所述第一运动部件6包括第一竖向气浮板61及所述第二竖向气浮板62，所述第一竖向气浮板61及所述第二竖向气浮板62分别浮起在所述第一导轨4及所述第二导轨5上。所述第一气浮垫2连接于所述间隙补偿机构1的支架14，所述间隙补偿机构1的底座15连接于所述第二竖向气浮板62。

所述第二气浮垫3连接于所述第一竖向气浮板61。所述第一气浮垫2及所述第二气浮垫3通过通入压缩气体以产生气膜，以分别与所述第二导轨5及所述第一导轨4隔开，以避免接触摩擦。

所述第二运动部件7包括第三竖向气浮板71，所述第三竖向气浮板71浮起在所述支撑座8上。本实施方式中，所述横梁、所述第一导轨4、所述第二导轨5及所述支撑座8均是由大理石制成的。

工作过程中，所述第一磁铁11及所述第二磁铁12受到向左的磁合力f，所述第三磁铁13受到向右的磁合力f；由于所述第一导轨4及所述第二导轨5的平行度误差及装配误差等原因，所述第一导轨4与所述第二导轨5之间的距离会随着位置的不同而发生改变，当距离增大时，两气膜的厚度d均增大，则所述第一气浮垫2受到的向左的气浮力减小，但所述第三磁铁13受到的向右的磁合力的大小不变，则所述磁合力f3会推动所述第三磁铁13及所述第一气浮垫2向右移动；同样，所述第二气浮垫3受到的向右的气浮力减小，而所述第一磁铁11及所述第二磁铁12受到的磁合力不变，则对应的磁合力会推动所述第一磁铁11、所述第二磁铁12、所述第二气浮垫3及所述第一竖向气浮板61向左移动，使的两气膜的厚度减小，气浮力增大，直到气浮力恢复到f3为止，所述定位平台恢复平衡状态。

当距离减小时，两气膜厚度d减小，所述第一气浮垫2受到的向左的气浮力增大，所述第三磁铁13受到的向右的磁合力不变，则对应的气浮力会推动所述第三磁铁13及所述第一气浮垫2向左移动；同样，所述第二气浮垫3受到的向右的气浮力增大，所述第一磁铁11及所述第二磁铁12受到的向左的磁合力不变，对应的所述气浮力会推动所述第一磁铁11、所述第二磁铁12、所述第二气浮垫3及所述第一竖向气浮板61向右移动，使得气膜的厚度增大，气浮力减小，直至恢复到f3为止，所述定位平台恢复平衡。

当所述第二运动部件7被直线电机驱动时，其反作用力会作用在所述第一运动部件6上，该反作用力会影响第一运动部件6在运动方向上的定位精度，此反作用力为扰动力，当扰动力向左，则所述第二气浮垫3的气膜被压缩，所述第二气浮垫3受到的向右的气浮力增大，所述第一磁铁11及所述第二磁铁12所受向左的磁合力不变，则所述第一磁铁11、所述第二磁铁12、所述第二气浮垫3及所述第一运动部件6所受的合力向右来平衡扰动力；当扰动力向右，则所述第二气浮垫3的气膜厚度增大，所述第二气浮垫3受到的向右的气浮力减小，所述第一磁铁11及所述第二磁铁12所受的向左的磁合力不变，则所述第一磁铁11、所述第二磁铁12、所述第二气浮垫3及所述第一运动部件6所受的合力向左来平衡扰动力，即所述第一运动部件6的水平方向刚度为单个气浮垫刚度。

安装时，所述间隙补偿机构1在不受外力作用时，所述第三磁铁13与所述第一磁铁11吸引在一起，两者之间有所述垫片16隔开。为避免气浮面划伤，首次通气时，需要调节左侧的所述第二气浮垫3的螺杆，使其与气浮面分开，先对竖直方向气浮板通气，使整个运动部件浮起来，之后调节左侧气浮垫螺栓，使两气浮垫均与两侧导轨面接触，设此时两气浮面距离为l，再对两气浮垫通入压缩气体，则水平方向力平衡后，气膜厚度会稳定在10um左右，则此时所述第三磁铁13与所述第一磁铁11之间的间距为20um，该间隙补偿机构1可补偿两导轨最大间距为l+20um，再增大时气膜厚度会超过10um，气浮力小于591.1n，所述第三磁铁13会与所述第一磁铁11吸引在一起，达到了极限位置，可补偿最小间距为l-(0.2mm-20um)＝l-180um。工作结束后，所述第三磁铁13位于行程中间位置，断气后所述第三磁铁13不能回到限位位置，所述第三磁铁13受的磁力会推动两气浮垫与导轨面接触而产生反作用力，如果先关断水平向气源，再关断竖直向气源，可能导致运动部件水平向卡在两导轨间，如果滑下来，可能会磨坏气浮面，所以需要先关闭竖直向气源，让运动部件先落在支撑座上，再关闭水平向气源，气浮垫会贴在导轨面上；打开气源时，应先打开水平向气浮垫气源，使气浮垫与导轨面间用气膜隔开，再打开竖直向气源，使运动部件浮起在导轨上，这样可保护气浮面不被划伤。

本发明的间隙补偿机构，其第三磁铁及支架通过同步移动来保持气膜厚度不变，进而实现间隙补偿，且结构简单，灵活性较高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。