专利名称：提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气浮装置，尤其是一种提供恒定吊挂力的无摩擦二维运动的吊挂装置。
背景技术：
对于与地面水平和垂直随动的二维吊挂装置，现有技术通常采用在直线导轨的滑 块上通过悬挂绳直接吊挂运动件实现水平方向运动，而通过收紧或放松悬挂绳实现垂直方 向的随动。但由于被测力或力矩值往往很小，而且为保证测量精度，必须尽可能不对机构产 生附加作用力影响，直线导轨的摩擦力不能忽略不计。另一方面，空气轴承作为气悬浮技术在机械相对运动方面的一个成功应用，其技 术已经相当成熟。空气轴承又称气浮轴承，是一种轴承，它通过向轴腔内注入压缩气体，气 膜就像润滑剂一样把相关运动的两个表面分离，从而使套在轴承中的气浮轴悬浮，其中气 膜的厚度在1到10微米之间。相对普通轴承，除了非接触无摩擦相对运动外，空气轴承在 更高旋转精度、高速、减少振动、耐震强度高、延长使用寿命、减少污染及增加轴向/径向负 载能力等方面的优越性，使其刚出现便很快发展并得到很广的应用。气悬浮系统除了可应 用在气浮轴转动领域，由于其两表面非接触无摩擦的特性，亦可很好的应用于气浮轴轴向 移动领域，例如在专利申请号为CN200710071515. 0的“气浮磁动无摩擦悬吊装置”公开了 一种将气浮轴应用在立式无摩擦运动领域的气浮装置，其中使用了两个空气轴承很好地实 现了在竖直方向上轴的无摩擦运动。气浮导轨技术就是采用压缩气体产生气膜，实现导轨 和滑块的无摩擦运动。气浮导轨具有摩擦阻力小、运动精度高、清洁无污染等特点，近年来 在测量仪器、精密机械中得到了广泛的应用。通过气浮导轨替换普通的直线导轨是一种很好的方法。但是在具体实现过程中存 在以下几方面的问题(1)、为保证气浮套的承载力，气浮套与气浮轴之间的气隙非常小(通常为1至10 微米)，因此气浮轴的同轴度加工精度要求非常高。另一方面，由于受到运动件、气浮轴、气 浮套等的重力作用，对气浮轴材料的弯曲刚度要求很高。随着运动件移动距离的增加，气浮 轴的长度增加，因为气浮轴是细长杆件，要保证气浮轴长度全长与气浮套之间的间隙，加工 难度很大。因此，能应用在超长距离场合下气浮轴几乎无法加工。该方案可实现短距离的 无摩擦运动，对于长距离甚至超长距离的无摩擦运动几乎无法实现。即使可加工超长距离 高精度的气浮轴，也能难运输与安装，且很难维护，一旦气浮轴出现问题必须全部更换。(2)、为保证气浮，必须有一定压力的压缩气体进入气浮轴与气浮套之间从而产生 气膜。接入方式有两种，轴供气或轴套供气。对于轴向运动来说，通常采用轴套供气，即压 缩气体通过气管连接到气浮套，气浮套内侧气孔排出气体从而产生气膜。这类方式连接方 便、耗气量小。如果采用气浮轴供气，即压缩气体通过气管接入气浮轴，气浮轴外侧气孔排 出气体与气浮套间产生气膜。这种方式对于轴向运动来说，由于气浮轴比气浮套长得多，必 须保证整个气浮套运动范围内都有气孔，因此气体泄漏量大，随着气浮轴的长度增加泄漏
3量十分巨大，导致实际工程应用上无法实现。但不论采用哪种方式供气，压缩气体都必须通 过气管连接，当气浮轴或气浮套做轴向运动时，气管也需要做运动，会导致气管弯曲，因气 管具有一定的刚度，这就可能会带来附加力的影响。所产生的附加力必然会传递到运动件， 从而对运动件空间位置及运动造成影响。
发明内容
为了克服已有的基于气浮导轨的二维吊挂装置的距离受限、受到气管的附加力影 响、可靠性较低的不足，本发明提供一种可以延长水平移动距离、有效消除气管的附加力影 响、可靠性较高的提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，包括气浮轴和气浮套，所述气浮套套 装在所述气浮轴上，所述气浮套至少有两个，所述气浮套均与贮气套密封连接，所述贮气套 与气浮轴之间为贮气腔，所述气浮轴的轴心开有进气通道，所述进气通道与压缩气体进气 管连接，所述进气通道与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气 管与各个气浮套的进气口连通，所述气浮装置还包括滑块和导轨，所述气浮轴安装在所述 滑块上，所述滑块可滑动地安装在导轨上；所述贮气套与定滑轮座固定连接，所述定滑轮座 与气浮滑轮组件固定连接，所述气浮滑轮组件的气浮滑轮的轴心开有进气孔，所述进气孔 与所述连接气管连通，所述气浮滑轮上套装悬挂绳，运动件吊挂在所述悬挂绳上。所述气浮滑轮组件包括第一定滑轮、第二定滑轮、附加定滑轮、动滑轮、悬挂绳和 减重砝码，所述第一定滑轮和第二定滑轮安装在所述定滑轮座上，所述动滑轮安装在动滑 轮座上，所述动滑轮座吊装所述运动件，悬挂绳的一端固定在固定框架上，并依次穿过第一 定滑轮、动滑轮、第二定滑轮和附加定滑轮，所述悬挂绳的另一端连接减重砝码，所述第一 定滑轮和第二定滑轮均为气浮轴承滑轮，所述第一定滑轮和第二定滑轮轴心均开有进气 孔。所述附加定滑轮为气浮轴承滑轮，所述附加定滑轮轴心均开有进气孔。所述动滑轮为气浮轴承滑轮，所述动滑轮轴心均开有进气孔。动滑轮在运动过程 中，气管会跟随运动，气管弯曲会产生附加力影响。通过延长气管固定点与动滑轮间的长度 可以减少气管扰动影响。所述二维气浮随动装置还包括用于检测气浮套水平运动靠近气浮轴安装座的位 置传感器，所述位置传感器安装在气浮轴安装座与气浮套之间；所述位置传感器为霍尔传感器和永磁铁，所述霍尔传感器安装在所述气浮轴安装 座上，所述永磁铁安装在气浮套靠近气浮轴安装座的外侧。当然，也可以采用诸如光电传感 器、光栅编码器之类的其他位置传感器或其它非接触式接近开关。本发明的有益效果主要表现在可以延长水平移动距离、有效消除气管的附加力 影响、可靠性较高，除动滑轮外，整个随动过程无附加力、无摩擦。
图1是随动机构无阻尼送气机构的结构图。图2是提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置的结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步描述。参照图1和图2，一种不受气管扰动影响的二维气浮随动装置，包括气浮轴1和气 浮套2，所述气浮套2套装在所述气浮轴1上，所述气浮套2至少有两个，所述气浮套2均与 贮气套3密封连接，所述贮气套3与气浮轴1之间为贮气腔，所述气浮轴1的轴心开有进气 通道4，所述进气通道4与压缩气体进气管连接，所述进气通道4与所述贮气腔连通，所述 贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管与各个气浮套的进气口连通，所述气浮装置 还包括滑块5和导轨6，所述气浮轴1安装在所述滑块5上，所述滑块5可滑动地安装在导 轨6上，所述贮气套3与定滑轮座7固定连接，所述定滑轮座7与气浮滑轮组件固定连接， 所述气浮滑轮组件的气浮滑轮的轴心开有进气孔，所述进气孔与所述连接气管连通，所述 气浮滑轮上套装悬挂绳，运动件吊挂在所述悬挂绳上。所述气浮滑轮组件包括第一定滑轮8、第二定滑轮9、附加定滑轮10、动滑轮11、悬 挂绳12和减重砝码13，所述第一定滑轮8和第二定滑轮9安装在所述定滑轮座7上，所述 动滑轮11安装在动滑轮座16上，所述动滑轮座16吊装所述运动件，悬挂绳12的一端固定 在固定框架上，并依次穿过第一定滑轮8、动滑轮11、第二定滑轮9和附加定滑轮10，所述悬 挂绳12的另一端连接减重砝码13，所述第一定滑轮8和第二定滑轮9均为气浮轴承滑轮， 所述第一定滑轮8和第二定滑轮9的轴心均开有进气孔。所述附加定滑轮10为气浮轴承滑轮，所述附加定滑轮10的轴心开有进气孔。所 述动滑轮11为气浮轴承滑轮，所述动滑轮轴心均开有进气孔。动滑轮在运动过程中，气管 会跟随运动，气管弯曲会产生附加力影响。通过延长气管固定点与动滑轮间的长度可以减 少气管扰动影响。所述二维气浮随动装置还包括用于检测气浮套水平运动靠近气浮轴安装座的位 置传感器14，所述位置传感器安装在气浮轴安装座与气浮套之间；所述位置传感器14为霍尔传感器和永磁铁，所述霍尔传感器安装在所述气浮轴 安装座上，所述永磁铁安装在气浮套靠近气浮轴安装座的外侧。当然，也可以采用诸如光电 传感器、光栅编码器之类的其他位置传感器或其它非接触式接近开关。本实施例的X方向机构由滑块和导轨组成，其功能是保证滑块水平移动。滑块上 安装气浮轴安装座，气浮轴上安装有由贮气套、气浮套等组成的随动系统，分别实现X方向 的随动。随动系统送气机构采用图1所示结构，使气管与移动构件之间的相对位置保持固 定，解决随动过程中可能产生的气管阻力的问题。Z方向机构为减重平衡悬挂系统，由两个固定在贮气套上的定滑轮、一个固定在横 梁端部的定滑轮、安装在动滑轮座上的一个动滑轮、悬挂绳、配重砝码及固定在动滑轮座上 的运动件悬挂绳组成。其功能是保证恒定的吊挂力的基础上实现Z轴随动，同时平衡钢丝 绳的外加侧向力。二维运动吊挂系统工作原理如下根据所需减重量调整配重砝码重量。当运动 件运动时，如向右运动，带动动滑轮座向右运动，从而通过悬挂绳带动气浮轴安装座向右运 动，右边的传感器接受到信号，发给控制系统，控制驱动电机顺时针旋转，通过牵引绳15带 动滑块向右运动，从而悬挂点始终在滑块中心位置附近。如图2所示。
悬挂绳12 —端固定在固定框架上，依次绕过定滑轮、动滑轮、定滑轮、固定在框架 上的定滑轮后，另一端连接减重砝码。为了减小摩擦力，定滑轮与滑轮轴间用气浮轴承连 接。气浮轴轴心加工进气管，将压缩气体送入贮气套。贮气套外壁上用气管将压缩气 体分别送入左右端的气浮套，以及送入X方向随动机构的气浮轴。气浮轴安装座安装在主动移动的滑块上。为保证运动件运动时，吊点能在机构运 动方向实现随动，需要吊点机构能无摩擦运动。吊点系统中轴与气浮套的方式满足该要求。为保证悬挂绳与定滑轮之间的摩擦力足够小，定滑轮嵌套在安装板中，安装板两 侧面与气浮轴固定连接，且定滑轮亦采用气浮轴承支承，使用技术与上述气浮套通用。气管集束后与滑块连接。即气管与气浮套和定滑轮空气轴承的相对位置固定不 变，气管随动所需的力由拉动滑块主动移动的电机提供，保证吊点系统跟随运动件移动过 程中，不会由于气管产生附加力。
权利要求
一种提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，包括气浮轴和气浮套，所述气浮套套装在所述气浮轴上，其特征在于所述气浮套至少有两个，所述气浮套均与贮气套密封连接，所述贮气套与气浮轴之间为贮气腔，所述气浮轴的轴心开有进气通道，所述进气通道与压缩气体进气管连接，所述进气通道与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管与各个气浮套的进气口连通，所述气浮装置还包括滑块和导轨，所述气浮轴安装在所述滑块上，所述滑块可滑动地安装在导轨上；所述贮气套与定滑轮座固定连接，所述定滑轮座与气浮滑轮组件固定连接，所述气浮滑轮组件的气浮滑轮的轴心开有进气孔，所述进气孔与所述连接气管连通，所述气浮滑轮上套装悬挂绳，运动件吊挂在所述悬挂绳上。
2.如权利要求1所述的提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，其特征在于所述气浮 滑轮组件包括第一定滑轮、第二定滑轮、附加定滑轮、动滑轮、悬挂绳和减重砝码，所述第一 定滑轮和第二定滑轮安装在所述定滑轮座上，所述动滑轮安装在动滑轮座上，所述动滑轮 座吊装所述运动件，悬挂绳的一端固定在固定框架< 上，并依次穿过第一定滑轮、动滑轮、第 二定滑轮和附加定滑轮，所述悬挂绳的另一端连接减重砝码，所述第一定滑轮和第二定滑 轮均为气浮轴承滑轮，所述第一定滑轮和第二定滑轮轴心均开有进气孔。
3.如权利要求2所述的提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，其特征在于所述附加 定滑轮为气浮轴承滑轮，所述附加定滑轮轴心均开有进气孔。
4.如权利要求2所述的提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，其特征在于所述动滑 轮为气浮轴承滑轮，所述动滑轮轴心均开有进气孔。
5.如权利要求1 4之一所述的提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，其特征在于 所述二维气浮随动装置还包括用于检测气浮套水平运动靠近气浮轴安装座的位置传感器， 所述位置传感器安装在气浮轴安装座与气浮套之间。
6.如权利要求5所述的提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，其特征在于所述位置 传感器为霍尔传感器和永磁铁，所述霍尔传感器安装在所述气浮轴安装座上，所述永磁铁 安装在气浮套靠近气浮轴安装座的外侧。
全文摘要
一种提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置，包括气浮轴和气浮套，气浮套套装在气浮轴上，气浮套至少有两个，气浮套均与贮气套密封连接，贮气套与气浮轴之间为贮气腔，气浮轴的轴心开有进气通道，进气通道与压缩气体进气管连接，进气通道与贮气腔连通，贮气腔设有出气口，出气口通过连接气管与各个气浮套的进气口连通，气浮装置还包括滑块和导轨，气浮轴安装在滑块上，滑块可滑动地安装在导轨上；贮气套与连接板固定连接，连接板与气浮滑轮组件固定连接，气浮滑轮组件的气浮滑轮的轴心开有进气孔，进气孔与连接气管连通，气浮滑轮上套装悬挂绳，运动件吊挂在悬挂绳上。本发明可以延长水平移动距离、有效消除气管的附加力影响、可靠性较高。
文档编号G01L1/26GK101852660SQ20101016616
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者单晓杭, 孙建辉 申请人:浙江工业大学