[发明专利]基于重力平衡的卧式气/气两相复合直线基准方法与装置

说明书

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琐；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，可达到提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冲击产生的作用力，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技术方案实现：

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。

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。