[發明專利]一種納米級精度的直驅閉式液體靜壓豎直導軌系統

有效

• 申請號: 201410394913.6
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN104148952A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 李蓓智;董婉嬌;李煒;王慶霞;楊建國
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: B23Q1/01
• 分類號: B23Q1/01
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩

技術領域

本發明涉及一種支持微細加工高速主軸豎直運動的納米級精度直驅閉式液體靜壓導軌系統，特別適應于高速微納機械加工、納米級的精密測量等先進制造技術領域。

背景技術

難加工高性能關鍵件在現代武器系統、航空航天設備及新興戰略產業中占有極其重要的地位，如動力調諧陀螺儀整體式雙平衡撓性接頭，高精度氮化硅陶瓷球軸承，慣性平臺等，其制造質量與精度集中反映了我國航空航天、武器系統和高端制造系統的綜合能力和水平，是影響武器命中精度，航天器導航性能及關鍵工業裝備的核心部件。難加工高性能關鍵件的微納制造工藝與裝備，擔負著發展我國尖端科學和國防事業發展的重大使命。目前，我國在這一技術領域，與先進工業化國家有很大差距。國外在這一技術領域對我國進行技術封鎖，嚴重阻礙了我國在這一技術領域的發展，對我國尖端科學發展與國家安全，造成極大的威脅。以動力調諧陀螺儀整體式雙平衡撓性接頭為例，其特點在于，4組細筋(內外扭桿)是至關重要的關鍵特征，細筋厚度為35-40μm，長度達8mm，通過加工2個直徑≤2mm小孔間接形成，要求8根細筋一致性為0.5μm，4組細筋的對稱度、共面度、豎直和水平細筋平面的豎直度等均要求小于1μm，因此，要求微納加工機床，尤其是主軸部件的高速旋轉精度及其穩定性、進給部件的定位精度和重復定位精度等具有極高的要求，如納米級精度垂直運動導軌系統，且導軌系統的定位精度＜(1/3～1/2)工序公差。

目前為止，相類似的專利為：

2014年6月歐洲專利局授權的“采用靜壓軸承的立式車床結構”(EP2641691A1)；2014年4月2日中國專利局公開了“采用直線驅動的閉式靜壓導軌結構”(CN103692223A)。但上述兩個專利及其它直線電機驅動的靜壓導軌都是在水平面工作的導軌，都未涉及直驅閉式液體靜壓豎直導軌系統必須解決的負載和制動等關鍵技術，因而不屬于豎直導軌系統范疇。

美國專利局于2008年9月2日公布了美國Aerotech公司的水冷式高精度Z-θ平臺，US?7,420,298?B2：Water?Cooled?High?Precision?Z-theta?stage(包括相關參考專利：No.6511504“制造相同擴展支架的方法；No.5759192“直接切割金屬支架的方法與設備”；No.6521865“應用于醫療植入的脈沖光纖激光切割系統”)。該專利的主要權利要求是，一種具有水平移動(Z)和平行于移動軸線的旋轉軸(θ軸)的高精度平臺，采用一對無刷直線電機驅動水平移動平臺，主要用于植入人體的擴張支架或相關回轉類零件的激光加工。該專利的局限性在于：1)因為該高精度平臺為水平放置，故不需要對旋轉電機部件重量提出苛刻限制；2)旋轉電機用于驅動擴張支架等零件，只需要較低的旋轉速度；3)因為是采用激光加工，故加工過程不存在切(磨)削力。也即，該專利涉及的Z軸是水平方向，不屬于豎直導軌系統范疇。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：用于支持高速主軸的豎直運動、工作行程100mm、定位精度±200nm、重復定位精度±100nm、最大負載40Kg。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供了一種納米級精度的直驅閉式液體靜壓豎直導軌系統，其特征在于：包括直線電機部件，由直線電機部件驅動靜壓滑塊豎直運動，在靜壓滑塊的兩側分別左右對稱地布置有滑塊式液體靜壓導軌組件，在每個滑塊式液體靜壓導軌組件上形成有豎直凹槽，兩側滑塊式液體靜壓導軌組件上的豎直凹槽相對布置，靜壓滑塊的兩側分別伸入同側的豎直凹槽內從而使得靜壓滑塊與兩側的滑塊式液體靜壓導軌組件形成間隙配合，由滑塊式液體靜壓導軌組件限制靜壓滑塊僅能沿豎直方向上下運動形成閉式靜壓導軌，在靜壓滑塊上設有多個流量控制器且在靜壓滑塊內形成有多個油腔，流量控制器與油腔一一對應，導軌液壓系統給出的油通過流量控制器流入靜壓滑塊內與其對應的油腔中從而在豎直凹槽表面形成油膜，通過控制油膜的厚度及直線電機部件的運動精度來提高靜壓滑塊豎直運動的精度；

高速主軸豎直運動工作臺固定在靜壓滑塊上，由靜壓滑塊帶動高速主軸豎直運動工作臺豎直運動，精密光柵尺的讀數頭固定在高速主軸豎直運動工作臺的側面，精密光柵尺的尺子固定在同側的滑塊式液體靜壓導軌組件上且平行于高速主軸豎直運動工作臺的運動方向，由精密光柵尺的尺子實時接收高速主軸軸向運動工作臺的實際移動量；

在高速主軸豎直運動工作臺的兩側分別左右對稱地布置有用于實現制動功能的配重氣缸，配重氣缸的缸體固定在高速主軸豎直運動工作臺上，配重氣缸的推桿的端部固定安裝在位于配重氣缸下方的配重氣缸安裝底座上。