CN108533612B - 基于玻璃导轨的高精度气浮轴系及其玻璃导轨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于玻璃导轨的高精度气浮轴系及其玻璃导轨加工方法，高精度气浮轴系包括基座，基座上设有导轨、气浮滑块以及驱动机构，气浮滑块滑动布置于导轨上且由驱动机构驱动，所述导轨为采用玻璃材料制成的玻璃导轨。玻璃导轨加工方法的步骤包括通过精密磨床对玻璃导轨的玻璃材料坯体进行粗加工，对粗加工后的玻璃导轨进行确定性去除抛光以及反复的修型抛光直至玻璃导轨的加工面满足要求。本发明的高精度气浮轴系能够大幅提高运动轴的精度，减小单轴导轨的直线度误差；加工方法能够制备符合高精度气浮轴系要求的玻璃导轨。

Description

基于玻璃导轨的高精度气浮轴系及其玻璃导轨加工方法

技术领域

本发明涉及光学加工、光学测量、机械加工等领域，具体涉及一种基于玻璃导轨的高精度气浮轴系及其玻璃导轨加工方法，涉及玻璃材料的导轨在高精度直线运动轴系中的运用。

背景技术

导轨是机床运动系统的基准，是传动系统关键部件之一。目前常用的导轨形式有滚珠丝杠导轨，直线滚动导轨，液压导轨，气浮导轨。空气静压导轨是将具有一定压力的空气经过节流器送入导轨间隙，借助其静压力使导轨悬浮起来，使导轨面之间形成一层极其稀薄的气膜，且气膜厚度基本保持恒定不变的一种纯空气摩擦的滑动导轨。也就是说，空气静压导轨正是根据流体润滑技术而研发出来的高精密机械元部件，并同时借助气膜厚度的均匀作用，以达到高精度、高运动分辨率。由于气体本身的特性，包括振动小、粘性低、不易发生爬行、热稳定性好并且不污染环境等优点，使气体润滑这一技术能很好的适用于精密、轻载、高速的加工检测运动平台中，在载荷变动较小的超精密加工机床和测量机以及精密机械中，现已普遍采用空气静压导轨，并且随着高新技术的发展，近数十年来对精密及超精密加工和测量设备的需求不断增长，这就使得空气静压导轨得到了广泛的应用。

应用气体润滑技术而研发的空气静压导轨的优点主要体现在：1．运动精度高：由于气膜具有误差均化作用，提高了导轨面的直线性和平面度，并减小气膜间隙，导轨就可以得到较高的刚性和运动精度，进而广泛应用于高精度加工和测量设备中。2．无发热现象：由于空气粘度低，因此摩擦力小，本身在工作状态中移动速度不是很高，因此空气静压导轨不会引起运动发热，不会出现热变形。3．摩擦与振动小：导轨之间存在气膜间隙，两工作面不接触，且气体粘性极小，故认为是无摩擦，具有功率损耗小的特点，可以有更长的使用寿命，而且没有振动和爬行现象，可以实现精确的定位。4．使用环境好：由于压缩空气都是经过过滤的，因此在使用过程中，导轨内不会浸入灰尘和液体。并且由于不使用润滑油，不污染环境，适用于超精密检测环境。

但是，现阶段空气静压导轨应用于超高精度机床平台也有其不足之处，包括精度和刚度还需进一步提升，容易产生自激振动和气锤现象等，但限制其往更高精度机床平台应用的主要问题体现在精度方面：

传统空气静压导轨一般采用金属或大理石材料，并采用机械磨削或研磨方式进行加工，其导轨运动面的平面度水平只能加工到微米量级，致使空气静压导轨的运动直线度只能到0.5μm，无法满足本项目中扫描测量运动平台的精度需求。因此，虽然空气静压导轨技术应用领域和范围广泛，但是要适应超高运动直线度基准的要求，有许多理论和实际问题有待更进一步解决，亟需研究新的结构形式和新材料及新加工检测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于玻璃导轨的高精度气浮轴系及其玻璃导轨加工方法，基于玻璃导轨的高精度气浮轴系能够大幅提高运动轴的精度，减小单轴导轨的直线度误差；加工方法能够制备符合高精度气浮轴系要求的玻璃导轨。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，包括基座，所述基座上设有导轨、气浮滑块以及驱动机构，所述气浮滑块滑动布置于导轨上且由驱动机构驱动，所述导轨为采用玻璃材料制成的玻璃导轨。

优选地，所述基座上设有两个间隙布置的凸台，所述玻璃导轨支承布置于基座的凸台上。

优选地，所述玻璃导轨的底部设有两个螺纹安装孔，所述凸台上设有固定螺钉，所述固定螺钉与螺纹安装孔螺纹配合。

优选地，所述固定螺钉上套设有垫片。

优选地，所述玻璃导轨的顶部位于螺纹安装孔的背侧设有卸力槽。

优选地，所述卸力槽为方形槽，且所述卸力槽的两侧均设有通槽，所述通槽沿竖直方向贯穿至玻璃导轨的底面上，所述通槽沿玻璃导轨的滑动方向布置。

优选地，所述卸力槽的开口大小与凸台的顶面大小相同，所述卸力槽的方形槽最短边长为螺纹安装孔的直径的6~7倍，所述卸力槽的深度为玻璃导轨厚度的1/2。

优选地，所述气浮滑块包括上滑块、前滑块以及后滑块，所述上滑块的底部一侧与前滑块相连、另一侧与后滑块相连形成横截面为倒扣的U字形结构，所述前滑块的底部设有前下滑块，所述后滑块的底部设有后下滑块，所述玻璃导轨滑动布置于上滑块、前滑块、后滑块、前下滑块、后下滑块包围形成的空位之间。

优选地，所述驱动机构包括减速电机、主动轮、皮带和从动轮，所述基座上分别设有两个安装槽，一个安装槽中安装固定有电机座、另一个安装槽中设有张紧调节支架，所述张紧调节支架通过调节螺栓与安装在基座上的张紧调节转接板相连，所述减速电机安装在电机座上，所述主动轮通过轴承安装在电机座上，所述从动轮通过轴承安装在张紧调节支架上，所述减速电机的输出端与主动轮相连，所述皮带套设在主动轮、从动轮上，且所述皮带与气浮滑块固定连接。

本发明提供一种前述基于玻璃导轨的高精度气浮轴系的玻璃导轨加工方法，实施步骤包括：

1）通过精密磨床对玻璃导轨的玻璃材料坯体进行粗加工，使得粗加工后的玻璃导轨的平面度优于20微米、平行度优于20微米；

2）通过计算机控制光学表面成形技术对粗加工后的玻璃导轨进行确定性去除抛光，使玻璃导轨的平面度优于5微米、平行度优于10微米；

3）通过磁流变抛光机床对进行确定性去除抛光后的玻璃导轨进行修型抛光，使玻璃导轨的平面度优于0.1微米，平行度优于1微米，四个工作面两两之间的垂直度优于3角秒；

4）通过仪器测量玻璃导轨的加工面，如果玻璃导轨的加工面仍然不能满足要求，且跳转执行步骤3），否则结束并退出。

本发明基于玻璃导轨的高精度气浮轴系具有下述优点：本发明基于玻璃导轨的高精度气浮轴系的基座上设有导轨、气浮滑块以及驱动机构，气浮滑块滑动布置于导轨上且由驱动机构驱动，导轨为采用玻璃材料制成的玻璃导轨，能够充分利用光学加工和光学测量等手段提高导轨的制造精度，使导轨这一运动基准具有光学级的直线精度，从而大幅提高运动轴的精度。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的右视结构示意图。

图3为本发明实施例基座的立体结构示意图。

图4为本发明实施例玻璃导轨的立体结构示意图。

图5为本发明实施例玻璃导轨的俯视结构示意图。

图例说明：1、基座；11、凸台；12、安装槽；13、电机座；14、张紧调节支架；15、张紧调节转接板；16、张紧调节固定孔；2、导轨；21、螺纹安装孔；22、卸力槽；23、通槽；3、气浮滑块；31、上滑块；32、前滑块；321、前下滑块；33、后滑块；331、后下滑块；4、驱动机构；41、减速电机；42、主动轮；43、皮带；44、从动轮。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，包括基座1，基座1上设有导轨2、气浮滑块3以及驱动机构4，气浮滑块3滑动布置于导轨2上且由驱动机构4驱动，导轨2为采用玻璃材料制成的玻璃导轨。

如图3所示，本实施例中基座1上设有两个间隙布置的凸台11，玻璃导轨支承布置于基座1的凸台11上，基座1上的凸台11减小了接触面平面度误差对高玻璃导轨精度的影响；基座1上除这个两个凸台11外，不与玻璃导轨接触。本实施例中，基座1采用大理石制成；一般而言，凸台11高度为１毫米，两个凸台11的平面度和共面度均优于1微米。

如图4和图5所示，玻璃导轨的底部设有两个螺纹安装孔21，凸台11上设有固定螺钉，固定螺钉与螺纹安装孔21螺纹配合，且固定螺钉上套设有垫片。本实施例中，固定螺钉上套设的垫片具体采用铜制垫片，这样可以使玻璃导轨更加牢靠的固定于基座1上。

如图1、图4和图5所示，玻璃导轨的顶部位于螺纹安装孔21的背侧设有卸力槽22，卸力槽22有效抑制了导轨工作面在安装过程中的应力变形，大大减小了安装后的精度损失。

如图1、图4和图5所示，本实施例中卸力槽22为方形槽，且卸力槽22的两侧均设有通槽23，通槽23沿竖直方向贯穿至玻璃导轨的底面上，通槽23沿玻璃导轨的滑动方向布置。卸力槽22为设于玻璃导轨的顶部的沉孔，通过加装铜垫片将玻璃导轨固牢，并增加螺钉安装力往工作面的传递位移；通槽23为跑道形结构，用于隔绝安装应力往工作面的传递。

本实施例中，卸力槽22的开口大小与凸台11的顶面大小相同，卸力槽22的方形槽最短边长为螺纹安装孔21的直径的6~7倍，卸力槽22的深度为玻璃导轨厚度的1/2。

如图1和图2所示，本实施例中气浮滑块3包括上滑块31、前滑块32以及后滑块33，上滑块31的底部一侧与前滑块32相连、另一侧与后滑块33相连形成横截面为倒扣的U字形结构，前滑块32的底部设有前下滑块321，后滑块33的底部设有后下滑块331，玻璃导轨滑动布置于上滑块31、前滑块32、后滑块33、前下滑块321、后下滑块331包围形成的空位之间。在加工滑块过程中必须保证前滑块32、后滑块33的宽度比玻璃导轨的厚度高30~40微米，在装配过程必须保证前滑块32、后滑块33与玻璃导轨的前后面保持15~20微米的距离，这个距离通过相应厚度的塞尺保证，滑块固定后撤走塞尺即可保证前滑块32、后滑块33与玻璃导轨的前后面的距离。

如图1和图2所示，本实施例中驱动机构4包括减速电机41、主动轮42、皮带43和从动轮44，基座1上分别设有两个安装槽12，一个安装槽12中安装固定有电机座13、另一个安装槽12中设有张紧调节支架14，张紧调节支架14通过调节螺栓15与安装在基座1上的张紧调节转接板16相连，减速电机41安装在电机座13上，主动轮42通过轴承安装在电机座13上，从动轮44通过轴承安装在张紧调节支架14上，减速电机41的输出端与主动轮42相连，皮带43套设在主动轮42、从动轮44上，且皮带43与气浮滑块3固定连接。通过张紧调节支架14、调节螺栓15、张紧调节转接板16构成了皮带43的张紧调节机构，且使得皮带43的张紧机构简单有效。本实施例中，两个安装槽12一个为L型固定槽、另一个为H型固定槽，L型固定槽和H型固定槽开设在基座1的两端，电机座13安装在L型固定槽中，张紧调节支架14则滑动布置在H型固定槽中。

玻璃导轨的设计主要包含以下方面：根据设计指标确定玻璃导轨的长、宽、高尺寸后，进行力学优化仿真，确定螺纹安装孔21的数量和位置，并在螺纹安装孔21的孔位处设计卸力槽22；采用精密磨削，计算机研抛修型等光学加工手段对导轨进行加工，利用波面干涉仪对导轨形状误差、平行度、垂直度进行测量，得到三维误差模型指导加工；基座1和气浮滑块3以大理石作材料，基座1的支撑面为以螺纹安装孔21为中心的凸台11，基座1上设计有两个安装槽12；气浮滑块3采用皮带43驱动，皮带43的松紧程度由调节螺栓15进行调整。本实施例还提供一种前述玻璃导轨加工方法，实施步骤包括：

1）通过精密磨床对玻璃导轨的玻璃材料坯体进行粗加工，使得粗加工后的玻璃导轨的平面度优于20微米、平行度优于20微米；

2）通过计算机控制光学表面成形技术（Computer Controlled OpticalSurfacing , CCOS）对粗加工后的玻璃导轨进行确定性去除抛光，使玻璃导轨的平面度优于5微米、平行度优于10微米；

3）通过磁流变抛光机床对进行确定性去除抛光后的玻璃导轨进行修型抛光，使玻璃导轨的平面度优于0.1微米，平行度优于1微米，四个工作面两两之间的垂直度优于3角秒；

4）通过仪器（例如干涉仪、三坐标测量机等）测量玻璃导轨的加工面，如果玻璃导轨的加工面仍然不能满足要求（本实施例中具体为平面度优于0.1微米，平行度和垂直度优于1微米），且跳转执行步骤3），否则结束并退出。本实施例中，具体是通过zygo干涉仪、zeiss三坐标等手段对加工面进行测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，包括基座（1），所述基座（1）上设有导轨（2）、气浮滑块（3）以及驱动机构（4），所述气浮滑块（3）滑动布置于导轨（2）上且由驱动机构（4）驱动，其特征在于：所述导轨（2）为采用玻璃材料制成的玻璃导轨，所述玻璃导轨的顶部位于螺纹安装孔（21）的背侧设有卸力槽（22）。

2.根据权利要求1所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述基座（1）上设有两个间隙布置的凸台（11），所述玻璃导轨支承布置于基座（1）的凸台（11）上。

3.根据权利要求2所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述玻璃导轨的底部设有两个螺纹安装孔（21），所述凸台（11）上设有固定螺钉，所述固定螺钉与螺纹安装孔（21）螺纹配合。

4.根据权利要求3所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述固定螺钉上套设有垫片。

5.根据权利要求1所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述卸力槽（22）为方形槽，且所述卸力槽（22）的两侧均设有通槽（23），所述通槽（23）沿竖直方向贯穿至玻璃导轨的底面上，所述通槽（23）沿玻璃导轨的滑动方向布置。

6.根据权利要求5所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述卸力槽（22）的开口大小与凸台（11）的顶面大小相同，所述卸力槽（22）的方形槽最短边长为螺纹安装孔（21）的直径的6~7倍，所述卸力槽（22）的深度为玻璃导轨厚度的1/2。

7.根据权利要求1所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述气浮滑块（3）包括上滑块（31）、前滑块（32）以及后滑块（33），所述上滑块（31）的底部一侧与前滑块（32）相连、另一侧与后滑块（33）相连形成横截面为倒扣的U字形结构，所述前滑块（32）的底部设有前下滑块（321），所述后滑块（33）的底部设有后下滑块（331），所述玻璃导轨滑动布置于上滑块（31）、前滑块（32）、后滑块（33）、前下滑块（321）、后下滑块（331）包围形成的空位之间。

8.根据权利要求1所述的基于玻璃导轨的高精度气浮轴系，其特征在于：所述驱动机构（4）包括减速电机（41）、主动轮（42）、皮带（43）和从动轮（44），所述基座（1）上分别设有两个安装槽（12），一个安装槽（12）中安装固定有电机座（13）、另一个安装槽（12）中设有张紧调节支架（14），所述张紧调节支架（14）通过调节螺栓（15）与安装在基座（1）上的张紧调节转接板（16）相连，所述减速电机（41）安装在电机座（13）上，所述主动轮（42）通过轴承安装在电机座（13）上，所述从动轮（44）通过轴承安装在张紧调节支架（14）上，所述减速电机（41）的输出端与主动轮（42）相连，所述皮带（43）套设在主动轮（42）、从动轮（44）上，且所述皮带（43）与气浮滑块（3）固定连接。

9.一种权利要求1～8中任意一项所述基于玻璃导轨的高精度气浮轴系的玻璃导轨加工方法，其特征在于实施步骤包括：

1）通过精密磨床对玻璃导轨的玻璃材料坯体进行粗加工，使得粗加工后的玻璃导轨的平面度优于20微米、平行度优于20微米；

2）通过计算机控制光学表面成形技术对粗加工后的玻璃导轨进行确定性去除抛光，使玻璃导轨的平面度优于5微米、平行度优于10微米；

3）通过磁流变抛光机床对进行确定性去除抛光后的玻璃导轨进行修型抛光，使玻璃导轨的平面度优于0.1微米，平行度优于1微米，四个工作面两两之间的垂直度优于3角秒；

4）通过仪器测量玻璃导轨的加工面，如果玻璃导轨的加工面仍然不能满足要求，且跳转执行步骤3），否则结束并退出。