CN104400763A - 气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台 - Google Patents

Abstract

气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台属于精密仪器及机械技术领域；X向气浮滑板配置于底座与Y向气浮滑板之间，X向气浮滑板上的气浮工作面x5与Y向气浮滑板上的气浮工作面y3之间形成支承气膜，支承Y向气浮滑板；底座上的气浮工作面z与X向气浮滑板上的气浮工作面x3和气浮工作面x4之间形成支承气膜，支承X向气浮滑板；在底座的气浮工作面z上固装有相互平行的导轨A和B，在X向气浮滑板上固装有相互平行的导轨C和D；摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B接触配合，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D接触配合；本发明建立了一种兼顾高刚度和高定位稳定性的精密平面二维调整装置。

Description

气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台

技术领域

本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及一种气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台。

背景技术

近年来，随着先进装备制造业逐渐朝向精密化和超精密化发展，特别是航空发动机性能的不断提升，对发动机加工装配的精度要求越来越高，尤其是在追求更高推重比的同时，由于装配误差产生的发动机振动、噪声等因素对性能的影响逐渐突显出来。这就对发动机的测试装备性能提出了严峻的挑战，因而也对所使用的调整定位工作台性能有了更高的要求。

2000年，法国Compiegne工业大学的Samir Mckid等人于研制的摩擦驱动工作台通过液体静压导轨支撑，并使用了零膨胀材料微晶玻璃制作导轨，从而能够降低对环境的要求。该工作台行程为220mm，定位精度可达16nm.(Mekid S. High precision linear slide. Part I: design and construction[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2000, 40(7): 1039~1050)。

2001年，东京工业大学的Shinno等人研制了混合直线电机驱动的两级驱动大行程超精密平台，采用直线电机进行粗定位，音圈电机精密定位（Shinno H, Hashizume H. High speed nanometer positioning using a hybrid linear motor[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2001, 50(1): 243~246）。

台湾淡江大学的Chao.C.L等人也对精密调整定位工作台展开了研究，他们采用摩擦轮驱动和气体支撑的方式对工作台进行了设计，使用激光干涉仪作为反馈测量装置。该工作台在温度20±1℃和湿度60±5%的环境中，其定位精度优于15nm(Chao.C.L, Neou J. Model reference adaptive control of air-lubricated capstan drive for precision positioning[J]. Precision engineering, 2000, 24(4): 285~290)。

2003年，东京工业大学的Mao J、Tachikawa H等人，成功研制了采用直线电机驱动和空气静压丝杠驱动技术的超精密纳米定位工作台，并使用空气静压导轨进行支撑和导向，整个工作台的定位精度可以达到±2nm (Mao J, Tachikawa H, Shimokohbe A. Precision positioning of a DC-motor-driven aerostatic slide system[J]. Precision engineering, 2003, 27(1): 32~41)。

上述运动平台都具有较高的定位精度和位移分辨力，但都是在轻载情况下工作，无法满足航空发动机装配中数百公斤的大负载要求。

专利CN201310166438“大行程微驱动精密二维工作台”提出了一种大行程微驱动精密二维工作台，为一种宏/微驱动结合结构；X向进给装置包括X向大行程进给装置和X向微进给装置，Y向进给装置包括Y向大行程进给装置和Y向微进给装置；Y向大行程进给装置设置于X向微进给装置之上且能随X向微进给装置的进给动作而移动；底座的过渡连接板与机床连接。

专利CN200620072502“大行程高精度二维工作台”提出一种大行程高精度二维工作台，采用复合式磁浮－滑动导轨，设置二维移动工作台的顶部导向面与测量光栅的测量面相重合的结构形式，设置驱动区和工作区二级隔离。

专利CN200920177016“单层小行程二维工作台”提出一种单层小行程二维工作台，由固定滑块、过渡滑块、目标滑块、板式弹簧和调节螺钉组成，采用环状板式结构，通过调节螺钉和板式弹簧的共同作用，使目标滑块在同一水平层中完成X轴、Y轴二维方向的移动，解决普通双层结构的二维工作台占用较大空间的问题。

上述现有技术存在的共性问题是在大载荷的情况下，无法实现调整装置的高位移灵敏度和高定位可靠性；在航空发动机装配测量中，由于发动机转静子以及相关夹具等回转体组件重达数百公斤，其装配工作直接在工作台上进行，装调中需大量反复调整工作以保证装配精度，这就要求使用的调整工作台能够承受大载荷的同时，既要满足易于对工件进行调整，又要确保调整后工作台具有良好的定位稳定性和足够的刚度。

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，提出一种气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台；通过采用气体润滑配合光栅测距，提高工作台的运动精度；通过摩擦阻尼的方式弥补气体润滑定位稳定性差的不足，提高工作台的稳定性和刚度。

上述目的通过以下的技术方案实现：

一种气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，包括底座、X向气浮滑板、Y向气浮滑板、X向驱动***、Y向驱动***、工作台面、导气管和外部供气***。 

所述的X向气浮滑板上配置有气浮工作面x1、气浮工作面x2、气浮工作面x3、气浮工作面x4、气浮工作面x5、非气浮工作面x6和非气浮工作面x7，其中气浮工作面x1和气浮工作面x2相互平行，气浮工作面x5和气浮工作面x3相互平行，气浮工作面x3和气浮工作面x4共面，气浮工作面x1垂直于气浮工作面x3。

所述的Y向气浮滑板上配置有气浮工作面y1、气浮工作面y2、气浮工作面y3、非气浮工作面y4、非气浮工作面y5和非气浮工作面y6，其中气浮工作面y1和气浮工作面y2相互平行，气浮工作面y1垂直于气浮工作面y3。

所述的X向气浮滑板上的气浮工作面x5与Y向气浮滑板上的气浮工作面y3之间充入压力气体，形成支承气膜，支承Y向气浮滑板。

所述的底座的上表面为气浮工作面z，在气浮工作面z与X向气浮滑板上的气浮工作面x3和气浮工作面x4之间充入压力气体，形成支承气膜，支承X向气浮滑板；在气浮工作面z上以X轴为中心上、下两侧对称固装有导轨A和导轨B，导轨A和导轨B平行安装；导轨A上的气浮工作面a与X向气浮滑板上的气浮工作面x1相互配合，在气浮工作面a与气浮工作面x1之间充入压力气体，形成导向气膜；导轨B上的气浮工作面b与X向气浮滑板上的气浮工作面x2相互配合，在气浮工作面b与气浮工作面x2之间充入压力气体，形成导向气膜。

在所述的X向气浮滑板的气浮工作面x1和气浮工作面x2上，固连有摩擦阻尼单元E1，摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B接触配合；

在X向气浮滑板的气浮工作面x5上，以Y轴为中心左、右两侧对称固装有导轨C和导轨D，导轨C和导轨D平行安装；导轨C上的气浮工作面c与Y向气浮滑板上的气浮工作面y1相互配合，在气浮工作面c与气浮工作面y1之间充入压力气体，形成导向气膜；导轨D上的气浮工作面d与Y向气浮滑板上的气浮工作面y2相互配合，在气浮工作面d与气浮工作面y2之间充入压力气体，形成导向气膜。

在所述的Y向气浮滑板的气浮工作面y1和气浮工作面y2上，固连有摩擦阻尼单元E2，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D接触配合；Y向气浮滑板的非气浮工作面y6上，开设有多个螺纹孔，通过螺纹孔连接Y向气浮滑板与工作台面；

在所述的X向气浮滑板的气浮工作面x1上，固装有光栅尺F1，与安装在导轨A的读数头G1配用；在所述的Y向气浮滑板的气浮工作面y1上，固装有光栅尺F2，与安装在导轨C的读数头G2配用；

在所述的X向气浮滑板的非气浮工作面x7上固装有限位器W1，与固装在导轨B上的限位触发开关H1配用，在所述的Y向气浮滑板的非气浮工作面y4上固装有限位器W2，与固装在导轨D上的限位触发开关H2配用；

当X向气浮滑板运动时，所述的摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B不接触，当X向气浮滑板停止运动时，摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B摩擦接触。

当Y向气浮滑板运动时，所述的摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D不接触，当Y向气浮滑板停止运动时，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D摩擦接触。

所述的摩擦阻尼单元E1在气浮工作面x1上呈左右对称形式配置，在气浮工作面x2上呈左右对称形式配置。

所述的摩擦阻尼单元E2在气浮工作面y1上呈左右对称形式配置，在气浮工作面y2上呈左右对称形式配置。

所述的摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B之间的摩擦力大小可调，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D之间的摩擦力大小可调。

本发明具有以下特点及有益效果：

1、本发明装置沿X轴和Y轴的运动导向和支承均采用气体润滑结构，显著提升了装置的直线运动导向精度，提高了装置的位移灵敏度；

2、本发明装置采用光栅测距的方式，配合气体润滑的导向作用，对装置沿X轴和Y轴的运动位置进行实时监测，提高了装置的调整定位精度；

3、本发明装置通过摩擦阻尼的方式弥补了气体润滑定位稳定性差的不足，提高了工作台的定位稳定性和刚度，实现了对调整装置高精度、高刚度、高稳定性同时兼顾的使用要求。

本发明装置特别适用于航空发动机静转子装配测量场合，解决了大负载及超大负载场合下平面二维调整装置的精确调整与高定位稳定性兼顾的问题。

附图说明

图1为带工作平台和外部供气***的气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台结构示意图；

图2为气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台结构示意图；

图3为X向气浮滑板结构示意图；

图4为Y向气浮滑板结构示意图。

图中：1、底座；2、X向气浮滑板；3、Y向气浮滑板；4、X向驱动***；5、Y向驱动***；6、工作台面；7、导气管；8、外部供气***；9、螺纹孔；A、导轨A；B、导轨B；C、导轨C；D、导轨D；E1、摩擦阻尼单元E1；E2、摩擦阻尼单元E2；F1、光栅尺F1；F2、光栅尺F2；G1、读数头G1；G2、读数头G2；H1、限位触发开关H1；H2、限位触发开关H2； W1、限位器W1；W2、限位器W2；a、气浮工作面a；b、气浮工作面b；c、气浮工作面c；d、气浮工作面d；x1、气浮工作面x1; x2、气浮工作面x2; x3、气浮工作面x4; x4、气浮工作面x4; x5、气浮工作面x5; x6、非气浮工作面x6; x7、非气浮工作面x7; y1、气浮工作面y1；y2、气浮工作面y2；y3、气浮工作面y3；y4、非气浮工作面y4；y5、非气浮工作面y5；y6、非气浮工作面y6。

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。

一种气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，包括底座1、X向气浮滑板2、Y向气浮滑板3、X向驱动***4、Y向驱动***5、工作台面6、导气管7和外部供气***8。

所述的X向气浮滑板2上配置有气浮工作面x1、气浮工作面x2、气浮工作面x3、气浮工作面x4、气浮工作面x5、非气浮工作面x6和非气浮工作面x7，其中气浮工作面x1和气浮工作面x2相互平行，气浮工作面x5和气浮工作面x3相互平行，气浮工作面x3和气浮工作面x4共面，气浮工作面x1垂直于气浮工作面x3。

所述的Y向气浮滑板3上配置有气浮工作面y1、气浮工作面y2、气浮工作面y3、非气浮工作面y4、非气浮工作面y5和非气浮工作面y6，其中气浮工作面y1和气浮工作面y2相互平行，气浮工作面y1垂直于气浮工作面y3。

所述的X向气浮滑板2上的气浮工作面x5与Y向气浮滑板3上的气浮工作面y3之间充入压力气体，形成支承气膜，支承Y向气浮滑板3。

所述的底座1的上表面为气浮工作面z，在气浮工作面z与X向气浮滑板2上的气浮工作面x3和气浮工作面x4之间充入压力气体，形成支承气膜，支承X向气浮滑板2；在气浮工作面z上以X轴为中心上、下两侧对称固装有导轨A和导轨B，导轨A和导轨B平行安装；导轨A上的气浮工作面a与X向气浮滑板2上的气浮工作面x1相互配合，在气浮工作面a与气浮工作面x1之间充入压力气体，形成导向气膜；导轨B上的气浮工作面b与X向气浮滑板2上的气浮工作面x2相互配合，在气浮工作面b与气浮工作面x2之间充入压力气体，形成导向气膜。

在所述的X向气浮滑板2的气浮工作面x1和气浮工作面x2上，固连摩擦阻尼单元E1的一端，摩擦阻尼单元E1的另一端与其下方的导轨相配合接触。

在X向气浮滑板2的气浮工作面x5上，以Y轴为中心左、右两侧对称固装有导轨C和导轨D，导轨C和导轨D平行安装；导轨C上的气浮工作面c与气浮工作面y1相互配合，在气浮工作面c与Y向气浮滑板3上的气浮工作面y1之间充入压力气体，形成导向气膜；导轨D上的气浮工作面d与Y向气浮滑板3 上的气浮工作面y2相互配合，在气浮工作面d与气浮工作面y2之间充入压力气体，形成导向气膜。

在所述的Y向气浮滑板3的气浮工作面y1和气浮工作面y2上，固连摩擦阻尼单元E2的一端，摩擦阻尼单元E2的另一端与其下方的导轨相配合接触。

在所述的Y向气浮滑板3非气浮工作面y6上，开设有多个螺纹孔9，通过螺纹孔9与工作台面6固连。

在所述的X向气浮滑板2的气浮工作面x1上，固装有光栅尺F1，与安装在导轨A的读数头G1配用；在所述的Y向气浮滑板3的气浮工作面y1上，固装有光栅尺F2，与安装在导轨C的读数头G2配用。

在所述的X向气浮滑板2的非气浮工作面x7上固装有限位器W1，与固装在导轨B上的限位触发开关H1配用，在所述的Y向气浮滑板3的非气浮工作面y4上固装有限位器W2，与固装在导轨D上的限位触发开关H2配用。

X向气浮滑板2沿X轴的运动时，供气***8通过导气管7为X向气浮滑板2供气，气浮工作面z对气浮工作面x3和气浮工作面x4形成垂向支承；同时气浮工作面a与气浮工作面x1之间、气浮工作面b与气浮工作面x2之间形成导向支承；X向驱动***4驱动X向气浮滑板2沿X轴运动，运动位置由读数头G1配合光栅尺F1进行实时监测，当运动到极限位置时，由限位触发开关H1启动限位保护；当X向气浮滑板2运动到指定位置时，启动摩擦阻尼单元E1，进行摩擦阻尼定位；

Y向气浮滑板3Y轴的运动时，供气***8通过导气管7为Y向气浮滑板3供气，气浮工作面x5对气浮工作面y3形成垂向支承；同时气浮工作面c与气浮工作面y1之间、气浮工作面d与气浮工作面y2之间形成导向支承；Y向驱动***5驱动Y向气浮滑板3沿Y轴运动，运动位置由读数头G2配合光栅尺F2进行实时监测，当运动到极限位置时，由触发开关H2启动限位保护；当Y向气浮滑板3运动到指定位置时，启动摩擦阻尼单元E2，进行摩擦阻尼定位。

当X向气浮滑板2运动时，所述的摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B不接触，当X向气浮滑板2停止运动时，摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B摩擦接触。

当Y向气浮滑板3运动时，所述的摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D不接触，当Y向气浮滑板3停止运动时，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D摩擦接触。

所述的摩擦阻尼单元E1在气浮工作面x1上左右对称配置两个，在气浮工作面x2上左右对称配置两个。

所述的摩擦阻尼单元E2在气浮工作面y1上左右对称配置两个，在气浮工作面y2上左右对称配置两个。

所述的摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B之间的摩擦力大小可调，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D之间的摩擦力大小可调。

Claims (6)

1.一种气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，包括底座(1)、X向气浮滑板(2)、Y向气浮滑板(3)、X向驱动***(4)、Y向驱动***(5)、工作台面(6)、导气管(7)和外部供气***(8)，其特征在于：

所述的X向气浮滑板(2)上配置有气浮工作面x1、气浮工作面x2、气浮工作面x3、气浮工作面x4、气浮工作面x5、非气浮工作面x6和非气浮工作面x7，其中气浮工作面x1和气浮工作面x2相互平行，气浮工作面x5和气浮工作面x3相互平行，气浮工作面x3和气浮工作面x4共面，气浮工作面x1垂直于气浮工作面x3；

所述的Y向气浮滑板(3)上配置有气浮工作面y1、气浮工作面y2、气浮工作面y3、非气浮工作面y4、非气浮工作面y5和非气浮工作面y6，其中气浮工作面y1和气浮工作面y2相互平行，气浮工作面y1垂直于气浮工作面y3；

所述的X向气浮滑板(2)上的气浮工作面x5与Y向气浮滑板(3)上的气浮工作面y3之间充入压力气体，形成支承气膜，支承Y向气浮滑板(3)；

所述的底座(1)的上表面为气浮工作面z，在气浮工作面z与X向气浮滑板(2)上的气浮工作面x3和气浮工作面x4之间充入压力气体，形成支承气膜，支承X向气浮滑板(2)；在气浮工作面z上以X轴为中心上、下两侧对称固装有导轨A和导轨B，导轨A和导轨B平行安装；导轨A上的气浮工作面a与X向气浮滑板(2)上的气浮工作面x1相互配合，在气浮工作面a与气浮工作面x1之间充入压力气体，形成导向气膜；导轨B上的气浮工作面b与X向气浮滑板(2)上的气浮工作面x2相互配合，在气浮工作面b与气浮工作面x2之间充入压力气体，形成导向气膜；

在所述的X向气浮滑板(2)的气浮工作面x1和气浮工作面x2上，固连有摩擦阻尼单元E1，摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B接触配合；

在X向气浮滑板(2)的气浮工作面x5上，以Y轴为中心左、右两侧对称固装有导轨C和导轨D，导轨C和导轨D平行安装；导轨C上的气浮工作面c与Y向气浮滑板(3)上的气浮工作面y1相互配合，在气浮工作面c与气浮工作面y1之间充入压力气体，形成导向气膜；导轨D上的气浮工作面d与Y向气浮滑板(3) 上的气浮工作面y2相互配合，在气浮工作面d与气浮工作面y2之间充入压力气体，形成导向气膜;

在所述的Y向气浮滑板(3)的气浮工作面y1和气浮工作面y2上，固连有摩擦阻尼单元E2，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D接触配合；Y向气浮滑板(3)的非气浮工作面y6上，开设有多个螺纹孔(9)，通过螺纹孔(9)连接Y向气浮滑板(3)与工作台面(6)；

在所述的X向气浮滑板(2)的气浮工作面x1上，固装有光栅尺F1，与安装在导轨A的读数头G1配用；在所述的Y向气浮滑板(3)的气浮工作面y1上，固装有光栅尺F2，与安装在导轨C的读数头G2配用；

在所述的X向气浮滑板(2)的非气浮工作面x7上固装有限位器W1，与固装在导轨B上的限位触发开关H1配用，在所述的Y向气浮滑板(3)的非气浮工作面y4上固装有限位器W2，与固装在导轨D上的限位触发开关H2配用。

2.根据权利要求1所述的气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，其特征在于：当X向气浮滑板(2)运动时，所述的摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B不接触，当X向气浮滑板(2)停止运动时，摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B摩擦接触。

3.根据权利要求1所述的气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，其特征在于：当Y向气浮滑板(3)运动时，所述的摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D不接触，当Y向气浮滑板(3)停止运动时，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D摩擦接触。

4.根据权利要求1所述的气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，其特征在于：所述的摩擦阻尼单元E1在气浮工作面x1上呈左右对称形式配置，在气浮工作面x2上呈左右对称形式配置。

5.根据权利要求1所述的气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，其特征在于：所述的摩擦阻尼单元E2在气浮工作面y1上呈左右对称形式配置，在气浮工作面y2上呈左右对称形式配置。

6.根据权利要求1所述的气体润滑与摩擦阻尼复合式高刚度高稳定性二维调整工作台，其特征在于：所述的摩擦阻尼单元E1与导轨A和导轨B之间的摩擦力大小可调，摩擦阻尼单元E2与导轨C和导轨D之间的摩擦力大小可调。