专利名称：基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于精密仪器与测量技术领域，特别涉及一种基于重力平衡的 卧式气/气两相复合直线基准方法与装置。
背景技术：
随着先进制造和测量技术的快速发展，越来越多的大型、精密型加工 设备和测量仪器上使用的卧式直线基准要求在具有高导向精度的同时，还 要具备大行程和高负载能力。传统的滑动摩擦导轨副虽然承载能力大，但 因存在着导向精度低、运动灵敏度差和易爬行等缺陷，已逐渐为气体润滑 导轨所取代。目前在高端仪器与设备中普遍使用的卧式直线基准多为静压气体润滑导轨，但在实际应用中存在着如下两个问题 一是导轨的结构形 式为两端固定梁结构，即导向导轨在工作状态下处于两端固定支承、中间 悬空状态，负载重力全部作用于导向导轨上，当导轨处于大跨距、高负载 时极易发生导向导轨的弯曲变形(图1中虚线所示为导向导轨弯曲变形示 意图)，且该类变形多为塑性变形，直接破坏导轨的工作精度；二是因气体 粘度很小以及气体具有可压缩特性，导致竖直方向气体支承刚度相对较小， 承载能力不大，在承担过大的负载或有冲击时竖直方向气膜厚度急剧减小， 极易引起气浮导套与导向导轨直接接触，发生"抱轴"现象，严重损坏导 轨结构。上述问题已极大地限制了卧式气体润滑导轨在大行程、高负载工 作场合的使用。目前从改善静压气体润滑导轨支承刚度和承载能力的角度出发，已提 出来被动补偿式膜压导轨、主动内部节流空气静压导轨、表面节流空气静 压导轨、静压控制节流器空气静压导轨、电控节流空气静压导轨、排气控 制空气静压导轨等新型空气静压导轨。这些方法都是在导轨结构上采取一 些控制措施，以获得较高刚度或可控刚度，但它们的结构很复杂，控制和 调节也比较繁瑣；此外，这些方法都没有解决大行程、大负载或超大负载 下导轨横梁的弯曲变形问题。国防科技大学提出的采用多孔质节流的新型空气静压导轨，其基本原 理为利用多孔质材料的微结构进行节流，同时在导轨表面设置与多孔质节 流器相连通的浅沟槽，利用沟槽的阻抗形成二次节流，可达到4是高空气导 轨刚度和承载能力的目的，但该结构容易阻塞，且同样也无法解决大负载 载和大行程下导轨横梁的弯曲变形问题。发明内容本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出一种基于重力 平衡的卧式气/气两相复合直线基准方法，在封闭内部气体支承基础上，构 建一开式的外部气体支承，且针对承担负载大小，合理设计该外部气体支 承的刚度与承载能力，使其平衡掉大负载重力或大沖击产生的作用力，达 到显著提高卧式气体润滑导轨刚度和承载能力、减小或消除大负载下导向 导轨弯曲变形的目的。本发明还提供了一种基于上述方法的基于重力平衡 的卧式气/气两相复合直线基准装置。上述目的通过以下的4支术方案实现一种基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准方法，具体包括以下 步骤a、 构建导向导轨，形成直线基准，该基准由一常规型全封闭卧式气体 静压润滑导轨实现；b、 在所述导向导轨下方构建平衡导轨，形成开式外部气体支承；c、 该开式外部气体支承作用于气浮导套下部的止推平板上，并针对负 载重力W总进行导向导轨和平衡导轨的重力平衡设计；d、将导向导轨的供气压力调整到0.3 0.5MPa之间的某一固定值P导， 并才艮据该压力下所对应的"刚度一气膜厚度"关系曲线找到其支承刚度最 大时的气膜厚度H，；e、 再由P导对应的"负载一气膜厚度"关系曲线获得此时导向导轨的 承载能力Wv，f、 根据W总、将平衡导轨承担的负载重力设计为Wt-W总-W导；g、 在0.4~ 1.5MPa范围内调整平衡导轨的供气压力P平，在满足平衡 导轨的承载为W+条件下，使其气膜支承刚度达到最大值或处在该气膜支承刚度确定范围内。一种基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准装置，包括气浮导 套、导向导轨、支承座和平衡导轨，其中气浮导套和导向导轨组成导向基 准，气浮导套与平衡导轨之间形成开式外部气体支承，该装置还包括固连 于气浮导套下部上的止推平板，该止推平板位于气浮导套与平衡导轨之间 形成的开式外部气体支承内，止推平板与平衡导轨之间形成止推气浮偶面；止推平板上设有面向平衡导轨的节流结构B;平衡导轨平行于导向导轨布置。止推平板上的节流结构B和气浮导套上的节流结构A采用各自单独供 气结构，或者采用连通后统一供气结构；止推平板上的节流结构B釆用小 孔节流、狭缝节流或多孔质节流结构，或者采用混合节流结构。本发明具有以下特点及有益效果1、 本发明方法针对外加负载大小，构建双重气体支承，并通过合理设 计导向导轨和平衡导轨的气浮支承力，在平衡掉负载重力的同时，使导向 导轨形成的内部气体支承和平衡导轨形成的外部气体支承同时达到最大的 支承刚度，使气浮导套及置于其上的负载具有优异的稳定性，这是区别现 有技术的创新点之一；2、 本发明装置通过在导向导轨下方配置平衡导轨，建立对大负载或超 大负载的平衡机制，有效的平衡掉负载重力，可根据实际应用情况使导轨 的承载能力和支承刚度提高数倍以上，克服现有卧式气体润滑导轨刚度小、 承载低的不足，这是区别现有技术的创新点之二 ；3、 本发明中平衡导轨形成的气体平衡支承具有随气浮导套移动而同步 移动的特性，即相当于在气浮导套下方安装了一个"移动支承座"，可克服 现有气体润滑导轨中间部分刚性差的不足，显著减小或消除重载时导向导 轨的弯曲变形，确保导轨在大负载或大的冲击下仍具有高的直线精度，这 是区别现有技术的创新点之三；此外，本发明结构简单，设计与安装简易方便，适用范围广泛。
图1为现有卧式气体润滑导向导轨弯曲变形示意图；图2为基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准装置结构示意图； 图3为图2的A-A向剖—见图； 图4为止推平板三维结构示意图； 图5为图4的B-B向剖视图； 图6为图4的C-C向剖视图；图7为止推平板和气浮导套上的节流结构连通时结构示意图。 图中1、气浮导套；2、导向导轨；3、支承座；4、止推平板；5、平 衡导轨；6、节流结构A; 7、供气管A; 8、负载；9、供气管B; 10、节 流结构B; 11、排气腔；12、排气孔；13、横向气道；14、纵向气道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。如图2所示，气浮导套1和导向导轨2构成卧式静压气体润滑导轨的 基本结构，其中导向导轨2的两端部固定于支承座3上，气浮导套l配装 在导向导轨2上，二者相互配合的表面经过精密研磨和装配，并在配合表 面之间形成封闭的内部支承气膜。如图3所示，在气浮导套l的四周设有 节流结构A6，节流结构A6上连有供气管A7，外接压力调节器、油水分 离系统等装置，为导向导轨2提供所需的压力气体，压力气体喷向导向导 轨2的对应表面，形成气体支承和润滑，继而在电机等驱动下带动气浮导 套1及置于其上的负载8沿导向导轨2水平运动。在气浮导套1的下部固连止推平板4，如图4所示，其上设有节流结 构B 10，该节流结构B 10相对于排气腔11对称分布，每排设有8个节流 结构，共设4排，并开有横向气道13和四排纵向气道14;如图5、图6 所示，横向气道13和纵向气道14将节流结构B10全部贯通，采用整体连 通方式为导向导轨2供气，保证各供气点压力均衡；排气腔ll的中部开有 贯通的排气孔12，有助于将流出的气体快速排入大气中，避免激振等现象 发生；供气管B9接入纵向气道14中，提供平衡导轨所需的压力气体；止 推平板4的尺寸由负载重量和节流结构B 10的分布和设置确定。平衡导轨5平行于导向导轨2安装，布置在止推平板4的下方，平衡 导轨5的上表面与止推平板4形成止推气浮偶面，对气浮导套1及置于其上的负载8形成向上的气体支承，其下部固定于稳固的基体上。该装置的工作原理及工作过程为针对负载8的重力W总进行导向导 轨2和平衡导轨5的重力平衡设计，首先通过供气管A 7将压力气体通向 节流结构A 6喷向导向导轨2的气浮工作面，并将供气压力调整到0.3 ~ 0.5MPa之间的某一固定值P导，根据该压力下所对应的"刚度一气膜厚度" 关系曲线找到其支承刚度为最大时的气膜厚度H导；再由P导对应的"负载 一气膜厚度"关系曲线获得此时导向导轨2的承载能力W导；根据负载8 的重力W总将平衡导轨5承担的负载重力设计为W平=W总-W导；然后在 0.4~ l.OMPa范围内调整平衡导轨5的供气压力P平，在满足平衡导轨5的 承载为W+条件下，使其气膜支承刚度达到最大值或处在该气膜支承刚度 确定范围内，其中P平由与供气管B9相连的压力调节器控制；P导和P平各 自单独控制进气压力。由于该状态下的平衡导轨5和导向导轨2除了平衡掉负载8的重力外， 也同时获得了最大的支承刚度，因此即使当气浮导套l受到大的沖击时， 该结构也可进行有效抑制，避免对导向导轨2的损害。其工作过程为当 冲击作用破坏了气浮导套1原有的平衡状态时，气浮导套1偏离原来的平 衡位置，同时封闭的内部支承和所建立的开式外部支承压力及刚度在短时 间内迅速上升，直到平衡冲击作用为止，使气浮导套1具有很高的沖击稳 定性。止推平板4和平衡导轨5可采用特殊合金或花岗岩等稳定性能好的材 料制作。本发明也可将止推平板4上的节流结构B 10和气浮导套1上的节流结 构A6采用连通后统一供气结构，如图7所示。基于本发明构建的卧式直线基准建立了对大负载或超大负载的平衡机 制，有效的平衡掉负载重力对导向导轨2的影响，并可根据实际使用情况 进行设计，使导轨的承载能力和支承刚度提高数倍以上，尤其适用于大行 程、大负载的高精度大型设备和仪器中。此外，本发明因采用辅加外部气体支承的方法来提高导轨的支承刚度 和承载能力，因此对原有导向导轨2的导向精度基本没有影响，且结构简 单，设计和安装容易。
权利要求
1、一种基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准方法，具体包括以下步骤a、构建导向导轨，形成直线基准，该基准由一常规型全封闭卧式气体静压润滑导轨实现；b、在所述导向导轨下方构建平衡导轨，形成开式外部气体支承；其特征在于c、该开式外部气体支承作用于气浮导套下部的止推平板上，并针对负载重力W总进行导向导轨和平衡导轨的重力平衡设计；d、将导向导轨的供气压力调整到0.3～0.5MPa之间的某一固定值P导，并根据该压力下所对应的“刚度-气膜厚度”关系曲线找到其支承刚度最大时的气膜厚度H导；e、再由P导对应的“负载-气膜厚度”关系曲线获得此时导向导轨的承载能力W导；f、根据W总将平衡导轨承担的负载重力设计为W平＝W总-W导；g、在0.4～1.5MPa范围内调整平衡导轨的供气压力P平，在满足平衡导轨的承载为W平条件下，使其气膜支承刚度达到最大值或处在该气膜支承刚度确定范围内。
2、 一种基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准装置，包括气浮导 套(1)、导向导轨(2)、支承座(3)和平衡导轨(5),其中气浮导套(1) 和导向导轨(2)组成导向基准，气浮导套(1)与平衡导轨(5)之间形成 开式外部气体支承，其特征在于该装置还包括固连于气浮导套(1 )下部上 的止推平板(4 )，该止推平板(4 )位于气浮导套(1 )与平衡导轨(5 )之 间形成的开式外部气体支承内，止推平板(4)与平衡导轨(5)之间形成 止推气浮偶面；止推平板(4)上设有面向平衡导轨(5 )的节流结构B ( 10 ); 平衡导轨(5)平行于导向导轨(2)布置。
3、 根据权利要求2所述的一种基于重力平衡的卧式气/气两相复合直 线基准装置，其特征在于止推平板(4)上的节流结构B (10)和气浮导套(1)上的节流结构A (6)采用各自单独供气结构，或者采用连通后统一 供气结构。
4、 根据权利要求2所述的一种基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准装置，其特征在于止推平板(4)上的节流结构B (10)采用小孔节 流、狭缝节流或多孔质节流结构，或者采用混合节流结构。
全文摘要
基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准方法与装置属于精密仪器与测量技术领域；其方法是在导向导轨下方构建平衡导轨，形成开式外部气体支承并作用于气浮导套下部的止推平板上，针对负载重力进行导向导轨和平衡导轨的重力平衡设计，在满足平衡导轨的承载重力条件下，使其气膜支承刚度达到最大值或处在该气膜支承刚度确定范围内；其装置包括固连于气浮导套下部上的止推平板，该止推平板与平衡导轨之间形成止推气浮偶面，止推平板上设有面向平衡导轨的节流结构，平衡导轨与导向导轨平行；本发明使气浮导套具有优异的稳定性，导轨承载能力和支承刚度大幅度提高，确保导轨在大负载、大行程下的高直线精度，结构简单，适用范围广。
文档编号G01D11/00GK101403628SQ200810137530
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者杨文国, 谭久彬, 金国良, 黄景志 申请人:哈尔滨工业大学