CN108890324A - 基于方箱的超精密x-y气浮平面定位平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于方箱的超精密X‑Y气浮平面定位平台，在花岗石支承平台上设置有超精密花岗石基准方箱、X向运动气浮导轨部件和Y向运动气浮导轨部件，超精密花岗石基准方箱为矩形框架结构，其设置在Y向运动气浮导轨部件内可实现基准方箱的Y向运动，在基准方箱的外部套设所述X向运动气浮导轨部件，X向运动气浮导轨部件为矩形框架结构，基准方箱与X向运动气浮导轨部件之间的四个接触面均设有气浮结构薄膜，X向运动气浮导轨部件的上端面设有X向驱动直线电机组件和X向检测定光栅组件，X向运动气浮导轨部件可在基准方箱上X向气浮运动。将二维气浮运动定位平台的定位精度从微米向亚微米及甚至纳米级方向趋近。

Description

基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台
技术领域
本发明属于机械技术领域，具体涉及一种基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台。
背景技术
随着科学技术的迅速发展，超精密加工技术在国防建设与国民经济发展中具有不可替代的作用，它是现代高技术战争的重要支撑技术，也是现代基础科学技术发展的重要保障。超精密加工技术在航空航天、精密仪器、军事工业、光学与电通讯、新能源等众多高技术领域日益发挥着巨大作用，超精密机床是实现超精密加工的关键载体，它直接决定了零件加工的精度、效率和可靠性。因此研究和发展超精密机床对我国科技和工业的发展具有重要的现实意义。
近年来国内外对精密及超精密加工和测量设备需求量逐渐增加,精密和超精密运动导轨及平台在光刻技术、超精密加工、生物检测技术、纳米表面形貌测量等领域具有了广泛的应用。精密和超精密运动导轨及平台能够实现加工或检测对象的精密运动和精确控制，是各种领域中精密加工和精密检测设备中的重要部件之一，包括光刻机、超精密数控机床、三坐标测量仪等。随着微电子技术、信息技术及生物工程等新兴科技领域的发展，加工和检测对象的特征尺寸逐步从毫米发展到微米、亚微米，目前已经达到纳米水平并向亚纳米发展，对精密和超精密运动导轨和平台提出了高精度、高分辨率、低振动、低污染等方面更为严格的要求。对精密和超精密运动导轨和平台中机构支承设计、驱动、控制、检测定位以及制造等多方面的关键技术提出了挑战。
超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件,而导轨部件和动力驱动部件是超精密机床和测量设备中的关键部件。随着微电子技术、信息技术及生物工程等新兴科技领域的发展，加工和检测对象的特征尺寸逐步从毫米发展到微米、亚微米，目前已经达到纳米水平并向亚纳米发展，对精密和超精密运动导轨和平台提出了高精度、高分辨率、低振动、低污染等方面更为严格的要求。对精密和超精密运动导轨和平台中机构支承设计、驱动、控制、检测定位以及制造等多方面的关键技术提出了挑战。国内外工业界与学术界大量的研究人员不断研究和提升无摩擦支撑技术和无摩擦直接驱动和控制技术，提高精密和超精密运动导轨和平台的运动精度和定位精度。因此研制新型高速精密驱动***是国内外的研究热点。直线电机的出现解决传统进给伺服***的不足，使得直线驱动技术在精密制造业和测量行业的应用日益广泛。
由于空气静压导轨具有粘性低、振动小、热稳定性好及无污染等优点,超精密加工和测量等精密机械越来越多采用空气静压导轨；空气静压导轨的定位、运动精度可以达到亚微米级甚至纳米级,因此空气静压导轨在超精密加工领域中的应用越来越广泛。尽管与传统运动机构相比，气浮支承显著改善了超精密运动导轨的动力学性能，但气浮支承内部气流运动引起流场的振动仍然不容忽视。微振动的振动幅度较小，一般在几纳米至几百纳米之间；气锤振动即气锤的振幅大，它破坏了气浮支承的稳定性,使得气膜润滑层失效。随着气浮运动导轨的定位精度向纳米甚至亚纳米量级提升，即使是气浮支承的微振动也将成为制约超精密运动导轨性能的关键因素，引起了国际学术界的普遍关注。在追求高速、高精度的情况下，对直线电机驱动的推动力的稳定性和气浮静压导轨的气膜的稳定性也提出了较高要求，微小的扰动都会影响到整个运动***的精度；因此，亟需研制一款超精密的X-Y方向定位平台。
发明内容
本申请针对当前精密测试和加工领域对高速、高加速驱动伺服***和高精密的定位、运动的要求，提供一种基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，解决现有技术中定位平台定位不准确，定位误差大的缺陷。
本发明的技术方案如下:
基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，包括花岗石支承平台，在所述花岗石支承平台上设置有超精密花岗石基准方箱、X向运动气浮导轨部件和Y 向运动气浮导轨部件，所述超精密花岗石基准方箱为矩形框架结构，超精密花岗石基准方箱设置在Y向运动气浮导轨部件内可实现超精密花岗石基准方箱的 Y向运动，在所述超精密花岗石基准方箱的外部套设所述X向运动气浮导轨部件，所述X向运动气浮导轨部件为矩形框架结构，所述超精密花岗石基准方箱与X向运动气浮导轨部件之间的四个接触面均设有气浮结构薄膜，所述X向运动气浮导轨部件的上端面设有X向驱动直线电机组件和X向检测定光栅组件， X向运动气浮导轨部件可在超精密花岗石基准方箱上X向气浮运动。
进一步的，所述X向运动气浮导轨部件包括X向上花岗石气浮运动平板、 X向下花岗石气浮支承滑块,X向左花岗石气浮支承滑块和X向右花岗石气浮支承滑块，X向上花岗石气浮运动平板、X向下花岗石气浮支承滑块,X向左花岗石气浮支承滑块和X向右花岗石气浮支承滑块围成矩形框架结构，在所述X向上花岗石气浮运动平板上端面设置有若干连接孔，X向上花岗石气浮运动平板下端面设置有多孔集成节流器，在X向上花岗石气浮运动平板内设置有设置有供气管路，供气管路与多孔集成节流器连通；在所述X向下花岗石气浮支承滑块的上端面设置有多孔集成节流器，X向下花岗石气浮支承滑块内设置有供气管路，供气管路与多孔集成节流器连通；在所述X向左花岗石气浮支承滑块的内侧端面设置有多孔集成节流器，X向左花岗石气浮支承滑块内设置有供气管路，供气管路与多孔集成节流器连通；在所述X向右花岗石气浮支承滑块的内侧端面设置有多孔集成节流器，X向左花岗石气浮支承滑块内设置有供气管路，供气管路与多孔集成节流器连通。
进一步的，所述Y向运动气浮导轨部件包括两组对称设置的Y向运动气浮导轨单元，每组Y向运动气浮导轨单元均包括Y向下花岗石气浮支承导轨、Y 向侧面花岗石气浮支承导轨和Y向上花岗石气浮支承导轨，所述超精密花岗石基准方箱设置在两组Y向运动气浮导轨单元之间，超精密花岗石基准方箱7与两组Y向运动气浮导轨单元的上下接触面设有气浮薄膜，所述Y向运动气浮导轨部件的设有Y向驱动直线电机组件和Y向检测定光栅组件。
进一步的，所述超精密花岗石基准方箱两端部的上、下端面及侧端面均设置多孔集成节流器，在超精密花岗石基准方箱内设置供气管路，供气管路与多孔集成节流器连通。
进一步的，所述X向检测定光栅组件包括X向检测定光栅尺和X向检测定光栅读数头。
进一步的，所述X向检测定光栅组件包括X向检测定光栅尺和X向检测定光栅读数头。
进一步的，所述Y向检测定光栅组件包括Y向检测定光栅尺和Y向检测定光栅读数头。
进一步的，所述X向驱动直线电机组件包括X向驱动直线电机定子部件和 X向驱动直线电机动子部件。
进一步的，所述两组对称设置的Y向运动气浮导轨单元之间设置有调整块。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，该平台主体结构采用“箱中箱”的对称分布结构，分别实现二维平面中X-Y方向的气浮静压运动，该结构所用X-Y方向运动部件和导轨都以矩形框架结构的超精密花岗石基准方箱为基准，将二维气浮运动定位平台的定位精度从微米向亚微米及甚至纳米级方向趋近。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是图2的B-B向剖视图；
图4是超精密花岗石基准方箱的侧端面示意图；
图5是图4的D向视图；
图6是图4的C向视图；
图7是X向上花岗石气浮运动平板的侧端面示意图；
图8是图7的J向视图；
图9是图7的K向视图；
图10是X向下花岗石气浮支承滑块的上端面示意图；
图11是X向左花岗石气浮支承滑块的内端面示意图；
图12是X向右花岗石气浮支承滑块的内端面示意图；
图中，1-花岗石支承平台,2-调整块,3-Y向驱动直线电机部件,4-X向上花岗石气浮运动平板,5-Y向检测定光栅尺,6-Y向检测定光栅读数头,7-超精密花岗石基准方箱,8-Y向下花岗石气浮支承导轨,9-Y向侧面花岗石气浮支承导轨,10- X向检测定光栅尺,11-X向检测定光栅读数头,12-Y向上花岗石气浮支承导轨,13-X向下花岗石气浮支承滑块,14-X向左花岗石气浮支承滑块,15-X向驱动直线电机定子部件,16-X向驱动直线电机动子部件,17-X向右花岗石气浮支承滑块，18-连接孔，19-多孔集成节流器，20-供气管路。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
如图1、图2、图3所示的基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，包括用于基座的花岗石支承平台1，在花岗石支承平台1上设置有超精密花岗石基准方箱7、X向运动气浮导轨部件和Y向运动气浮导轨部件，超精密花岗石基准方箱7为矩形框架结构，超精密花岗石基准方箱7设置在Y向运动气浮导轨部件内通过Y向驱动直线电机组件3可实现超精密花岗石基准方箱7的Y向气浮运动，并通过Y向检测定光栅组件控制精确的Y向气浮运动；在超精密花岗石基准方箱7的外部套设X向运动气浮导轨部件，X向运动气浮导轨部件为矩形框架结构，超精密花岗石基准方箱7与套设其外的X向运动气浮导轨部件之间形成的四个接触面均设有气浮结构薄膜，X向运动气浮导轨部件的上端面设有X 向驱动直线电机组件和X向检测定光栅组件，X向运动气浮导轨部件可在超精密花岗石基准方箱7上X向气浮运动。
图4为超精密花岗石基准方箱7的侧端面示意图，在设计和制造过程中需要严格保证其平面度和表面粗糙度的质量要求，其次是超精密花岗石基准方箱7 的各面垂直度要求。参见图5和图6，为了实现超精密花岗石基准方箱7的超精密空气静压支承，在超精密花岗石基准方箱7的上、下端面的两端及侧端面均设置了按照一定规则分布的多孔集成节流器19，可以实现超精密花岗石基准方箱7相对于Y向运动气浮导轨部件的近乎无摩擦运动和高刚度支承；在超精密花岗石基准方箱7的内部设置有供气管路20，供气管路20分为总供气管路和各分管路，外部高压供气通过总供气管路后然后分别进入各分管路，最后通过多孔集成节流器进入超精密花岗石基准方箱7两端与Y向运动气浮导轨部件两运动支承平面之间，实现气浮润滑与支承。为了实现高精度定位运动精度检测与驱动的保证，在超精密花岗石基准方箱7的上、下表面设置有高精度光栅安装孔和高精度直线驱动电机安装孔。
X向上花岗石气浮运动平板4、X向下花岗石气浮支承滑块13、X向左花岗石气浮支承滑块14和X向右花岗石气浮支承滑块17四个部件组成封闭式的矩形框架框架结构。其中X向左花岗石气浮支承滑块14、X向右花岗石气浮支承滑块17与超精密花岗石基准方箱7等高；为了实现高精度驱动和高刚度，X向驱动直线电机定子部件15、X向驱动直线电机动子部件16安装于X向左花岗石气浮支承滑块14的安装槽中；高精度X向检测定光栅尺10安装于X向右花岗石气浮支承滑块17的安装槽中。
参见图7-图9，X向上花岗石气浮运动平板4主要具有以下两个作用：一是承载作用：最终端加工对象或测试对象安装于该X向上花岗石气浮运动平板4 上端面上，则在该平板的上端面设置有若干安装孔接口；二是气浮支撑作用：在X向上花岗石气浮运动平板4的下端面上实现与超精密花岗石基准方箱7上端面的超精密空气静压支承相对运动，在X向上花岗石气浮运动平板4的下端面设置了按照一定规则分布的多孔集成节流器19，可以实现与超精密花岗石基准方箱7的近乎无摩擦运动和高刚度支承，在平板4的内部设置有气浮支承的供气管路20，外部高压供气分别进入各供气管路20，最后通过多孔集成节流器 19进入运动支承平面之间，实现气浮润滑与支承。为了实现X向上花岗石气浮运动平板4分别与X向左花岗石气浮支承滑块14、X向右花岗石气浮支承滑块 17的联接固定，在X向上花岗石气浮运动平板4上设置若干联接孔18。
参见图10，X向下花岗石气浮支承滑块13，在该滑块13的上端面设置了按照一定规则分布的多孔集成节流器19，可以实现与超精密花岗石基准方箱7 下端面的近乎无摩擦运动和高刚度支承，在X向下花岗石气浮支承滑块13的内部设置有气浮支承的供气管路20，外部高压供气分别进入各供气管路20，最后通过多孔集成节流器19进入运动支承平面之间，实现气浮润滑与支承。在X向下花岗石气浮支承滑块13上设置若干联接孔18，用于实现X向下花岗石气浮支承滑块13分别与X向左花岗石气浮支承滑块14、X向右花岗石气浮支承滑块17联接固定。
参见图11，图11为X向左花岗石气浮支承滑块14，在该X向左花岗石气浮支承滑块14的侧面设置了按照一定规则分布的多孔集成节流器19，可以实现与超精密花岗石基准方箱7侧壁的近乎无摩擦运动和高刚度支承，在X向左花岗石气浮支承滑块14的内部设置有供气管路20，供气管路20包括气浮支承的总供气管路、各分管路和单气路，外部高压供气通过总供气管路后然后分别进入各分管路，最后进入单气路，通过多孔集成节流器19进入运动支承平面之间，实现气浮润滑与支承。为了实现高精度驱动和高刚度的保证，在X向左花岗石气浮支承滑块14的上表面设置安装槽，用于安装X向驱动直线电机定子部件 15和X向驱动直线电机动子部件16。
参见图12，图12为X向右花岗石气浮支承滑块17，在该X向右花岗石气浮支承滑块17的侧面设置了按照一定规则分布的多孔集成节流器19，可以实现与超精密花岗石基准方箱7侧壁的近乎无摩擦运动和高刚度支承，在X向右花岗石气浮支承滑块17的内部设置有供气管路20，供气管路20包括总供气管路、各分管路和单气路，外部高压供气通过总供气管路后然后分别进入各分管路，最后进入单气路，通过多孔集成节流器19进入运动支承平面之间，实现气浮润滑与支承。为了实现高精度定位运动精度检测和高刚度的保证，在X向右花岗石气浮支承滑块17的上表面设置安装过位槽，用于给在超精密花岗石基准方箱 7安装高精度X向检测定光栅尺10时让位置。
下面介绍本发明装置的安装方法：
1)首先安装和调试X向运动气浮导轨部件。以超精密花岗石基准方箱7为基准，将X向上花岗石气浮运动平板4、X向下花岗石气浮支承滑块13、X向左花岗石气浮支承滑块14、X向右花岗石气浮支承滑块17四部件组成封闭式的花岗石框架结构，将超精密花岗石基准方箱7包围在内部；然后将X向驱动直线电机定子部件15、X向驱动直线电机动子部件16安装于X向左花岗石气浮支承滑块14的安装槽中，将高精度X向检测定光栅尺10、X向检测定光栅读数头11安装于X向右花岗石气浮支承滑块17的安装槽中；在通气状况下，分别调整X向上花岗石气浮运动平板4、X向下花岗石气浮支承滑块13、X向左花岗石气浮支承滑块14、X向右花岗石气浮支承滑块17四部件与超精密花岗石基准方箱7的位置间隙，直至达到X向运动***的位置检测、驱动和定位精度的设计要求。
2)其次安装和调试X向运动气浮导轨部件；将两组Y向下花岗石气浮支承导轨8放置于花岗石支承平台1上进行调整和固定，将超精密花岗石基准方箱7放置于两组Y向下花岗石气浮支承导轨8上，同时将左、右的Y向侧面花岗石气浮支承导轨9初步放置和安装于Y向下花岗石气浮支承导轨8上；然后将与超精密花岗石基准方箱7配套的一对花岗石支承与调整块2等长放置于Y 向下花岗石气浮支承导轨8上，通过调整花岗石支承与调整块2与Y向侧面花岗石气浮支承导轨9相互位置间隙，然后安装两组Y向上花岗石气浮支承导轨 12；在通气的情况下，以超精密花岗石基准方箱7为基准，调整Y向上花岗石气浮支承导轨12与Y向侧面花岗石气浮支承导轨9的相互位置和间隙，调整Y 向侧面花岗石气浮支承导轨9与超精密花岗石基准方箱7的相互位置和间隙；最后安装Y向驱动直线电机部件3、Y向检测定光栅尺5和Y向检测定光栅读数头6。
3)最后进行固定安装和封装。以超精密花岗石基准方箱7为基准，对超精密X-Y气浮平面定位平台整体***的各个性能参数进行测试和调试，直到调试和测试达到设计要求为止，最后对整个***进行固定安装和封装。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：包括花岗石支承平台(1)，在所述花岗石支承平台(1)上设置有超精密花岗石基准方箱(7)、X向运动气浮导轨部件和Y向运动气浮导轨部件，所述超精密花岗石基准方箱(7)为矩形框架结构，超精密花岗石基准方箱(7)设置在Y向运动气浮导轨部件内可实现超精密花岗石基准方箱(7)的Y向气浮运动，在所述超精密花岗石基准方箱(7)的外部套设所述X向运动气浮导轨部件，所述X向运动气浮导轨部件为矩形框架结构，所述超精密花岗石基准方箱(7)与X向运动气浮导轨部件之间的四个接触面均设有气浮结构薄膜，所述X向运动气浮导轨部件的上端面设有X向驱动直线电机组件和X向检测定光栅组件，X向运动气浮导轨部件可在超精密花岗石基准方箱(7)上X向气浮运动。
2.根据权利要求1所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述X向运动气浮导轨部件包括X向上花岗石气浮运动平板(4)、X向下花岗石气浮支承滑块(13),X向左花岗石气浮支承滑块(14)和X向右花岗石气浮支承滑块(17)，X向上花岗石气浮运动平板(4)、X向下花岗石气浮支承滑块(13),X向左花岗石气浮支承滑块(14)和X向右花岗石气浮支承滑块(17)围成矩形框架结构，在所述X向上花岗石气浮运动平板(4)上端面设置有若干连接孔(18)，X向上花岗石气浮运动平板(4)下端面设置有多孔集成节流器(19)，在X向上花岗石气浮运动平板()4内设置有设置有供气管路(20)，供气管路(20)与多孔集成节流器(19)连通；在所述X向下花岗石气浮支承滑块(13)的上端面设置有多孔集成节流器(19)，X向下花岗石气浮支承滑块(13)内设置有供气管路(20)，供气管路(20)与多孔集成节流器(19)连通；在所述X向左花岗石气浮支承滑块(14)的内侧端面设置有多孔集成节流器(19)，X向左花岗石气浮支承滑块(14)内设置有供气管路(20)，供气管路(20)与多孔集成节流器(19)连通；在所述X向右花岗石气浮支承滑块(17)的内侧端面设置有多孔集成节流器(19)，X向左花岗石气浮支承滑块(14)内设置有供气管路(20)，供气管路(20)与多孔集成节流器(19)连通。
3.根据权利要求1或2所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述Y向运动气浮导轨部件包括两组对称设置的Y向运动气浮导轨单元，每组Y向运动气浮导轨单元均包括Y向下花岗石气浮支承导轨(8)、Y向侧面花岗石气浮支承导轨和Y向上花岗石气浮支承导轨(12)，所述超精密花岗石基准方箱(7)设置在两组Y向运动气浮导轨单元之间，超精密花岗石基准方箱(7)与两组Y向运动气浮导轨单元的上下接触面设有气浮薄膜，所述Y向运动气浮导轨部件的设有Y向驱动直线电机组件(3)和Y向检测定光栅组件。
4.根据权利要求3所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述超精密花岗石基准方箱(7)两端部的上、下端面及侧端面均设置多孔集成节流器(19)，在超精密花岗石基准方箱(7)内设置供气管路(20)，供气管路(20)与多孔集成节流器(19)连通。
5.根据权利要求4所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述X向检测定光栅组件包括X向检测定光栅尺(10)和X向检测定光栅读数头(11)。
6.根据权利要求5所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述X向检测定光栅组件包括X向检测定光栅尺(10)和X向检测定光栅读数头(11)。
7.根据权利要求6所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述Y向检测定光栅组件包括Y向检测定光栅尺(5)和Y向检测定光栅读数头(6)。
8.根据权利要求7所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述X向驱动直线电机组件包括X向驱动直线电机定子部件(15)和X向驱动直线电机动子部件(16)。
9.根据权利要求8所述基于方箱的超精密X-Y气浮平面定位平台，其特征在于：所述两组对称设置的Y向运动气浮导轨单元之间设置有调整块(2)。
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