专利名称：基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨的制作方法
技术领域：
本发明属于精密仪器与测量技术领域，特别是一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨。
背景技术：
静压气浮导轨作为高精度导向与定位机构，广泛应用于各种大型精密仪器设备中。气浮 导轨在垂直运动方向受气膜平均作用，可较好地约束其自由度，通过精密研磨、均压与复合 节流等技术能够达到很高的导向精度；但在运动方向上由于气浮导轨具有驱动力很小而惯性 很大的特点，同时电机、滚珠丝杠及弹性联轴结等构成的传动机构也存在传动间隙、弹性变 形、应力变形、摩擦力等缺陷，以传动机构约束其自由度效果往往不理想。受气源扰动、非 平稳气流扰动及系统内基础振动和冲击等因素的影响，导轨在运动方向常常存在较大的运动 超调和定位后的固有振动，严重影响其导轨的定位精度和静态稳定性。附图1 (a)是采用 Agilent5529A双频激光干涉仪以lkHz采样率对某型号静压气浮导轨静态稳定性的监测数据。 附图l (b)是对导轨监测数据进行谱分析的结果。由图中可以看出，导轨的运动噪声以低频 振动为主，其频率成分主要集中在20Hz以下，幅度大约在微米量级。
发明专利"一种空气轴承"(公开号CN 101042159A，清华大学朱煜、徐登峰等人) 着眼于通过内腔节流结构设计提升空气轴承本身的阻尼能力来提高其稳定性，在空气轴承的 中部采用了一个类似空气弹簧双腔室的结构，与王云飞所著《气体润滑理论与气体轴承设计》 中介绍的阻尼方法类^Jl。该方法能够在一定程度上克服空气轴承对振动衰减时间过长，系统 难以稳定的缺点，可降低外界振动和冲击及空气轴承本身固有的微振动对系统的静、动态性 能的影响。但该方法是一种被动式径向减振方法，仅能在一定程度上改善导轨在径向的动力 学性能。
要提高静压气浮导轨的静态稳定性，引入阻尼环节对导轨在运动方向上(轴向)的非平 稳运动和定位后固有振动的能量进行吸收是一种较直接的思路。附图2的(a)、 (b)是目前 较成熟的串联型、并联型气液复合阻尼器产品的结构示意图，阻尼器釆用气缸、液压缸串联 或并联结构，在油缸上附加节流阀、单向阀等元件并以管子构成回路，构成调节阀式粘滞阻 尼结构，通过控制节流阀与单向阀回路及阀开度的大小，可产生可控的阻尼与阻尼比，提供
慢进一快退、快进一慢退等速度调节特性，由于利用了液体工作介质刚度高、粘度大的特性， 其刚度与阻尼特性较为理想。但这种阻尼器产品多用在车床进给、液压驱动等大输出力应用 场合，其迟滞与爬行现象严重，位置控制精度一般较低。
发明专利"伸縮式一振动阻尼器"(公开号CN1135584)、"通用空气伺服动力消振器" (授权公告号CN1333181C)、"摩擦阻尼器"(授权公告号CN1322249C)及实用新型专 利"粘滞阻尼器"(授权公告号CN2572130Y)、"直线运动阻尼器"(授权公告号 CN2379649Y)中，均提供了以减振和阻尼为目的的结构设计，但这些结构一般应用于液压 缓冲器、机床切削振颤抑制、隔振基础、建筑与桥梁的减振抗灾等场合，在精密或超精密运 动和定位中的动力学性能不能满足静压气浮导轨的要求。
发明内容
本发明针对现有静压气浮导轨对振动衰减时间过长、系统难以稳定的问题及现有解决方 法的不足，提供了一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，可在不损失导轨导向精度的前提 下，显著减小导轨的运动超调和定位后固有振动的幅度，从而提高导轨的定位精度和静态稳 定性，可广泛用于各种大型精密仪器设备的导向与定位机构中。
本发明的技术解决方案是
一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，在静压气浮导轨(10)的气浮套(9)两端对称 布置两套技术参数完全相同的粘滞阻尼器(1)构成一个双向粘滞阻尼器，粘滞阻尼器(1)
的力输出机构(8)作用在气浮套(9)两端对称的位置上，阻尼力的方向与气浮套运动方向 相反，且与气浮套运动方向在一条直线上。
一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其左、右侧的粘滞阻尼器(1)分别由洁净压縮 气源(2)、阀门(3)、精密减压阀(4)、气液转换器(5)、双作用液压缸(7)、节流阀(6) 构成，洁净压縮气源(2)与阀门(3)连通，在左侧和右侧的粘滞阻尼器(1)内由精密减压 阀(4)、气液转换器(5)、节流阀(6)依次串接成两条通道，该两条通道的精密减压阀(4) 均与阀门(3)连通，两条通道的节流阀(6)分别与双作用液压缸(7)两端的进油口连通。 左、右侧粘滞阻尼器(1)的双作用液压缸(7)对称布置在气浮套(9)两侧，两个力输出机 构(8)输出力的方向与气浮套(9)的运动方向在一条直线上。
本发明的技术创新性在于
(1) 本发明针对静压气浮导轨对振动衰减时间过长、系统难以稳定、定位后受随机扰动 易产生固有振动的问题，从导轨位置闭环控制系统的阶跃与冲击响应特性出发，在系统中引 入双向阻尼器构成速度反馈环节，直接作用在被控对象上，以弥补PID控制器中微分参数阻 尼作用的不足和不及时，达到提高系统阻尼比、减小运动超调、消除导轨定位后的固有振动 的目的。这是区别于现有技术的创新点之一。
(2) 本发明构建了基于双侧对称阻尼结构的气/液复合系统，以气体提供动力，以液体提 供阻尼。综合了气动系统洁净无污染的优点和液体工作介质刚度高、粘度大的特性，克服了 由于气体可压縮性和低粘性带来的静、动态性能上的缺陷，实现较理想的刚度与阻尼特性， 这是区别于现有技术的创新点之二。
(3) 本发明在结构及参数调节上具有很大的灵活性，阻尼环节的阻尼与阻尼比;大小可 根据静压气浮导轨的运行速度、行程等参数和实验结果进行优化，使导轨兼顾了气体润滑在 动态特性方面的优势和液体阻尼在静态定位特性方面的优势，并使其静、动态性能达到最优。 这是区别于现有技术的创新点之三。
本发明具有以下特点及良好效果
(1) 本发明可有效提高静压气浮导轨所在位置闭环控制系统的阻尼比；，从而显著地减 小其冲击响应的超调量与振荡的幅度，必要时可调节阻尼比(;使其大于l，从而使系统成为无 超调过阻尼系统，这对某些不允许产生超调和振荡的特殊应用场合具有重要的应用价值。
(2) 本发明可显著减小静压气浮导轨定位后，受各种阶跃和冲击形式的随机扰动影响产 生的固有的微振动，在不影响导轨导向精度的同时可显著提高其静态稳定性，在常用静压气 浮导轨上的试验结果表明，其静态与低速定位精度可提高约一个数量级。
(3) 本发明是在传统静压气浮导轨的结构基础上，通过附加双侧对称阻尼结构来改善系 统的静、动态性能，因此既可用于新型气浮导轨的设计，又可用于对现有气浮导轨的改造。
图1为现有静压气浮导轨静态稳定性监测数据及其频谱;
图2为现有的串联式和并联式气液阻尼器结构示意图； 图3为本发明的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨的结构示意图； 图4为本发明的静压气浮导轨所在的位置闭环控制系统结构框图； 图5为采用本发明前后导轨冲击响应仿真结果。
图中l粘滞阻尼器、2洁净压縮气源、3阀门、4精密减压阀、5气液转换器、6节流阀、 7双作用液压缸、8力输出机构、9气浮套、IO静压气浮导轨。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方案进行详细说明。
一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，在静压气浮导轨(10)的气浮套(9)两端对称 布置两套技术参数完全相同的粘滞阻尼器(1)构成一个双向粘滞阻尼器，粘滞阻尼器(1) 输出的阻尼力通过力输出机构(8)作用在气浮套(9)两端对称的位置上，阻尼力的大小与 气浮套(9)的运动速度成正比，阻尼力的方向与气浮套的运动方向相反，且与气浮套的运动 方向在一条直线上，粘滞阻尼器(1)输出的阻尼比可调。
一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，左、右侧的粘滞阻尼器(1)分别由洁净压縮气 源(2)、阀门(3)、精密减压阀(4)、气液转换器(5)、双作用液压缸(7)、节流阀(6)构 成，洁净压縮气源(2)与阀门(3)连通，在左侧和右侧的粘滞阻尼器(1)内由精密减压阀 (4)、气液转换器(5)、节流阀(6)依次串接成两条通道，该两条通道的精密减压阀(4) 均与阀门(3)连通，两条通道的节流阔(6)分别与双作用液压缸(7)两端的进油口连通， 通过调节精密减压阀(4)的输出压力，精确控制双作用液压缸(7)的力输出机构(8)输出 力的大小，以精密减压阀(4)、节流阀(6)与液压油构成调节阀式粘滞阻尼器，向系统提供 可控阻尼比的阻尼输出。
所述左、右侧粘滞阻尼器(1)的双作用液压缸(7)对称布置在气浮套(9)两侧，两个 力输出机构(8)输出力的方向与气浮套(9)的运动方向在一条直线上。
所述双作用液压缸(7)工作所需的液压油封闭在双作用液压缸(7)、气液转换器(5) 与管路构成的连续封闭结构中。
所述精密减压阀(4)输出压力范围为0.01MPa 0.3Mpa。
所述双作用液压缸(7)采用的是低摩擦型气液联用缸。
所述气液转换器(5)液压油的容积大于双作用液压缸(7)的容积。 下面对本发明的工作原理和使用过程进行详细介绍
附图3给出了本发明的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨的示意图，设阻尼力/^、尸2的 正方向如图中箭头所示，当气浮套沿图中方向以速度v运动时
A = -(1)
尸2 = fev (2)
其中，&、 fe分别为两个阻尼器的阻尼系数，A式前的负号表示实际阻尼力的方向和图中标 识的相反。
静压气浮导轨所在的位置闭环反馈控制系统的结构框图如附图4所示，整个系统由运动 控制器、驱动器、电机及传动机构、位置反馈传感器等组成。不妨假设运动控制器采用的是 PID控制算法，电机釆用电流控制的力矩电机，对其它形式的运动控制器、驱动器与电机分 析可得到类似的结果。位置控制指令i 一般由计算机发出，和位置反馈传感器返回的负载位 置信号y进行比较后，得到偏差量信号e，经PID运动控制器后给出电压形式的控制信号w。 驱动器将电压控制信号转化为与之正比的电流驱动信号！ 作用在电机上，电机的输出力矩与 驱动电流/成正比，经滚珠丝杠、联轴结等传动机构对气浮套施加作用力F，气浮套的实际位 置y由位置反馈传感器进行闭环负反馈。该模型中对静压气浮导轨受到的摩擦力、传动机构 的弹性变形等细节做了忽略。
本发明中，双向粘滞阻尼器直接作用在静压气浮导轨的气浮套上，产生的阻尼力大小与 气浮套的运动速度成正比，方向与气浮套运动速度相反。因此，双向阻尼结构实质构成一个 直接作用在被控对象上的速度反馈控制环节，如附图4所示。
下面建立系统中各环节的数学模型，系统中PID运动控制器的传递函数为-
G刺- +i!:,丄+ ^ (3)
电机驱动器的输入输出特性为i-A:,w,电机与传动机构的输入输出特性为尸=&/，这两 部分串联后的传递函数为
(^GS),2 (4) 忽略传动机构的弹性变形及静压气浮导轨的摩擦力，设静压气浮导轨的气浮套与负载的 <formula>formula see original document page 8</formula>(6)
总质量为w，导轨运动的加速度为a，则静压气浮导轨环节的输入输出特性为F - wa = ，
战
该环节的传递函数为
<formula>formula see original document page 8</formula>(5) 腊
设导轨运动的速度为V，阻尼器输出阻尼力的大小与导轨的运动速度成正比，即
因此该环节的传递函数为-
不妨设位置反馈传感器实现的是位置信息的l: l传递，其传递函数为-
<formula>formula see original document page 8</formula>
可以写出静压气浮导轨与气/液阻尼^&组成的闭环单元的传递函数为
附<formula>formula see original document page 8</formula>
整个闭环反馈控制系统的传递函数为
<formula>formula see original document page 8</formula>(7)
<formula>formula see original document page 8</formula>(8)
<formula>formula see original document page 8</formula>(9)
附
其中^ 、 ^、 ^rf是系统中各环节综合作用的等效PID参数。
对某型号静压气浮导轨，设^ =1000000、 f产10000、 AV=6000、 w=200，先令^=0，即 双侧对称阻尼环节不起作用，对系统单位冲击响应的仿真结果如附图5 (a)所示，从图中可 以看出，系统冲击响应的超调量较大，过渡过程时间较长，符合导轨实际运行的情况。当fp =1000000、 y产10000、 fflOOO、 AfO时系统单位冲击响应的仿真结果如附图5 (b)所示， 可见随着阻尼参数的减小，系统产生振动的趋势增强，冲击响应需要经过多个周期的振荡才 能趋于稳定，稳态误差也会加大。
实际导轨运行过程中，气源压力波动、基础振动、外界冲击等因素会产生对导轨的随机
扰动，其在宏观上表现为导轨的运动噪声，微观上表现为时间轴上冲击信号的随机叠加。附
图5 (c)是对系统对时间轴上均匀分布的冲击输入的响应进行叠加的结果，其形式与附图1 中的实验结果十分接近。
通过仿真还可以发现，微分参数/^的阻尼作用对减小系统超调，提高系统响应速度具有 重要的作用，但在实际应用中，通过提高PID控制器的微分参数&来提高系统的阻尼效果往 往不理想，原因如下1)运动控制器位于闭环控制系统前向信号通路的最前端，由于实际系 统中各环节都存在由于惯性、摩擦等引起的响应滞后，气浮套速度信息的反馈和控制信号对 气浮套的作用都存在滞后和相移；2)电机驱动力是通过滚珠丝杠和弹性联轴节等构成的传动 机构作用到气浮套上的，传动部件的弹性变形一方面可以对冲击进行缓冲，另一方面又存在 驱动力发生作用的积分与响应滞后效应。本发明中，采用双侧对称阻尼结构中，以阻尼器作 为速度敏感单元产生与负载速度成正比的阻尼力，阻尼力直接作用在负载上形成速度反馈， 对负载的控制更为直接和及时，因此可以避免上述问题而收到良好的效果，通过调节阻尼器 输出阻尼力和阻尼比的大小，可使静压气浮导轨的运动超调量和导轨定位后的在运动方向上 的固有振动达到最小。
对^p =1000000、 f尸lOOOO、 ^^1000、 w=200、 fe= 20000时系统单位冲击响应的仿真结 果如图5 (d)所示，由图中可以看出，系统超调量和过渡过程时间大大减小。说明本发明的 双侧对称阻尼结构起到了对系统中运动噪声的能量进行衰减和吸收，从而减小系统超调、消 除系统振动、提高系统定位精度和静态稳定性的作用。
附图3同时给出了本发明的一个实施例。该实施例中的静压气浮导轨用于某大型超精密 尺寸测量设备上一个方向的导向与定位，导轨10截面尺寸为300x210mm，长度1100mm，气 浮套9外轮廓尺寸为380X290mm，长度为400mm，工作行程约150mm，设备工作过中导轨 最大运行速度〈5(^m/s，传感器读数过程中导轨运行速度〈l^im/s，基本上属于静态测量。导 轨低频振动的频率主要集中在20Hz以下，中心频率约13Hz，幅度约0.6pm。
该实施例中，双作用液压缸7采用的是日本SMC公司生产的直接安装型双作用式气液联 用缸，型号为CM2HRA40—150。其主要技术参数为缸径40mm，行程150mm，动作方式 为双作用方式，最高使用压力l.OMPa，最低使用压力0.05MPa，活塞速度50 750mm/s，工 作油型号为透平1号油ISOVG32。双向粘滞阻尼器的力输出机构8就是双作用液压缸的活塞 杆，装配时要求与气浮套9的运动方向在同一条直线上。
气液转换器5与节流阀6采用的是SMC公司的CC系列气一液单元，型号为CC63 —
IOOSIO，该单元是将气一液转换器与阀单元紧凑地一体化，实现气液转换与节流阀的功能。 转换器缸径63mm，有效行程100mm，阀单元为小流量控制阀。安装时应尽量将四个气液单 元对称布置，油管长度也尽量一致。气液单元安装在控制柜中时，油管长度需小于lm。节流 阀开度较小，是调节阀式粘滞阻尼器的主要组成部分。
精密减压阀4采用的是SMC公司的IR2000系列，具有体积小、重量轻、压力设定精确 的优点，型号为IR2020—02BG。其设定压力范围0.01 0.8MPa，带压力表。它的作用一是 对洁净压縮气源送来的压縮气体进行一级减压与稳压，提供恒定压力给气液转换器，二是其 本身具有一定的阻尼作用，与气一液单元上的节流阀一起构成调节阀式粘滞阻尼器。双作用 液压缸输出力大小等于其对应的两个精密减压阀输出压力的差值。 一般情况下应使左、右侧 的双作用液压缸输出力相等。
本实施例中，精密减压阀、气一液单元上的节流阀及具有一定粘性的液体工作介质(液 压油)形成调节阀式粘滞阻尼器，是提高静压气浮导轨稳定性与定位精度的关键环节。阻尼 器的阻尼输出和阻尼比大小通过调整节流阀的开度来实现。系统安装调试时，需根据静压气 浮导轨的运行速度、行程等参数，调节双作用液压缸7的输出力、双向粘滞阻尼器l的阻尼 和阻尼比大小，使静压气浮导轨达到最优的静态稳定性和定位精度。
以上结合附图对本发明的具体实施方式
和效果作了说明，但这些说明依照法律规定并不 限制本发明的范围，本发明的保护范围由权利要求书限定，任何包含本发明权利要求或以其 为基础的改动都是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于在静压气浮导轨(10)的气浮套(9)两端对称布置两套技术参数完全相同的粘滞阻尼器(1)构成一个双向粘滞阻尼器，粘滞阻尼器(1)的力输出机构(8)作用在气浮套(9)两端对称的位置上，阻尼力的方向与气浮套运动方向相反，且与气浮套运动方向在一条直线上。
2、 根据权利要求1所述的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于左、右侧的粘滞阻 尼器(O分别由洁净压缩气源(2)、阀门(3)、精密减压阀(4)、气液转换器(5)、双作用 液压缸(7)、节流阀(6)构成，洁净压縮气源(2)与阀门(3)连通，在左侧和右侧的粘滞 阻尼器(1)内由精密减压阀(4)、气液转换器(5)、节流阀(6)依次串接成两条通道，该 两条通道的精密减压阀(4)均与阀门(3)连通，两条通道的节流阀(6)分别与双作用液压 缸(7)两端的进油口连通。
3、 根据权利要求2所述的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于所述左、右侧粘滞 阻尼器(1)的双作用液压缸(7)对称布置在气浮套(9)两侧，两个力输出机构(8)输出 力的方向与气浮套(9)的运动方向在一条直线上。
4、 根据权利要求2或3所述的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于所述双作用械 压缸(7)工作所需的液压油封闭在双作用液压缸(7)、气液转换器(5)与管路构成的连续 封闭结构中。
5、 根据权利要求2所述的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于所述精密减压阀(4) 输出压力范围为0.01MPa 0.3Mpa。
6、 根据权利要求2或3所述的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于所述双作用液 压缸(7)采用的是低摩擦型气液联用缸。
7、 根据权利要求2所述的基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨，其特征在于所述气液转换器(5) 液压油的容积大于双作用液压缸(7)的容积。
全文摘要
基于双侧对称阻尼的静压气浮导轨属于精密仪器与测量技术领域，是针对气浮导轨驱动力小而惯性大的特点，根据导轨位置闭环控制系统的阶跃响应与冲击响应特性，在系统中引入双向粘滞阻尼器构成速度反馈环节，弥补PID控制器中微分参数阻尼作用的不足，达到提高系统阻尼比、减小其运动超调、消除随机扰动引起的固有振动的目的；本导轨是在气浮套两端对称布置两套具有相同参数的粘滞阻尼器构成双向粘滞阻尼器，阻尼力大小与气浮套运动速度成正比，方向与气浮套运动方向在同一条直线上，阻尼系数精确可调，可有效减小导轨的运动超调和定位后在运动方向上的固有振动，使导轨的定位精度和静态稳定性提高约一个数量级。
文档编号G01D11/00GK101373146SQ20081006474
公开日2009年2月25日 申请日期2008年6月17日 优先权日2008年6月17日
发明者崔俊宁, 崔继文, 飞 王, 谭久彬, 金国良 申请人:哈尔滨工业大学