[发明专利]一种气/固两相复合回转基准方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于精密回转基准技术领域，特别涉及一种气/固两相复合回转基准方法与装置。

背景技术

回转基准是精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中的核心技术之一。气浮轴系由于具有回转运动精度高、位移灵敏度高以及摩擦损耗极小等优势，作为高精度回转基准已越来越多地应用于上述设备。

目前常用的气浮轴系基本结构主要由气浮主轴和气浮轴套两部分组成，当在轴向和径向构建气膜间隙以形成气体支承和润滑后，气浮主轴可带动负载在气浮轴套内回转运动。然而，该类轴系结构在实际应用中存在如下几个问题：(1)轴向支承刚度较小、承载能力较差。因此在承载过大的负载或有冲击时气膜厚度急剧减小，极易引起主轴与轴套的直接接触，发生干摩擦现象，严重破坏轴系精度，甚至导致轴系报废；(2)系统中存在的中、高频微振动破坏了运动系统的动态特性，主轴运动重复性较差；(3)轴系的定位精度不高。一方面由于负载惯量的存在及联轴节等传动部件具有应力释放过程，使主轴在定位过程中存在缓慢地漂移现象；另一方面由于处于定位状态下的轴系外加阻尼极小，始终处于一种临界的运动状态，由轴系内部的气流扰动及外部微小振动等均可使运动系统处于微抖动状态，难以可靠、快速地定位于预定位置。

上述问题极大地影响和限制了气浮轴系的使用，尤其在要求仪器与装备同时兼有大载荷、高精度、高刚度、低振动及高定位精度等特性时，这些问题显得更为突出。

为解决气浮轴系刚度小、承载能力低、易产生中、高频微振动及定位精度差的问题，众多学者和工程技术人员做了很多有益尝试。

专利95245209.X“高刚度静压气体止推轴承”提出了一种在止推盘上开有两排或两排以上的供气小孔，且不同排上的供气小孔成径向排列或交错排列的止推轴承形式，以增加轴向支承刚度和承载能力；专利200510009745.5“复合节流静压气体止推轴承”提出在轴承工作面上沿静压气浮供气点分布圆法线方向加工有表面节流沟槽，并以静压气浮供气点为中心，沿静压气浮供气点分布圆的圆周方向加工有不相通的均压槽，使均压槽与邻近表面节流沟槽相通，可在一定程度上改善轴承的承载能力和支承刚度。

以上两种方案都是通过改善轴系供气性能的途径达到提高承载能力和轴向支承刚度的目的，可适用于中、小载荷情况，但不能解决大承载或超大承载问题；此外，这两个方案对系统中存在的中、高频微振动及定位精度差的问题也没有解决。

专利200710098789.9“一种空气轴承”提出了一种在空气轴承的中部区域设计一个由上腔室和下腔室及阻尼孔组成的类似空气弹簧双腔室的结构，当空气轴承发生上、下振动时，中部的压力空气经过阻尼孔在两个腔室中往复运动，产生与空气弹簧一样的能量耗散机制，从而提升空气轴承的阻尼能力.该发明可在一定程度上改善气浮主轴上、下方向的振动幅度，但对于径向振动改善效果并不显著.此外，该方法是一种间接阻尼，仍利用气体的可压缩性构建阻尼效应，因此存在着较大的时间常数和过渡过程.同样，该方法也没有解决气浮轴系无法用于大承载或超大承载以及定位精度差的问题.

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，提出一种将气体润滑兼误差均化技术与固体支承兼阻尼技术复合使用的气/固两相复合回转基准方法，即通过在轴向止推气膜和径向气膜内配装固体弹性元件，并对其进行优化设计，达到在最大程度保留气浮轴系回转精度高的优势前提下，实现显著提高气浮轴系刚度和承载能力，减小或消除中、高频微振动以及提高定位精度的目的。本发明还提供了一种基于上述方法的气/固两相复合回转基准装置。

上述目的通过以下的技术方案实现：

一种气/固两相复合回转基准方法，该方法将气体润滑兼误差均化技术与固体支承兼阻尼技术复合使用，实现可同时兼顾二者优势的气/固两相复合回转基准：

在气浮轴系轴向止推气膜内施加轴向固体支承，并对支承元件优化设计使其工作特性满足：未加负载时，支承元件不工作，气体支承单独作用；负载逐渐增大时，支承元件发生微弹性变形，随变形量的微量增加，固体支承作用显著增强，最终形成以固体支承为主、气体支承为辅，或气体支承为主、固体支承为辅，或气体支承与固体支承作用相当的复合支承形式，以显著提升气浮轴系的轴向刚度和承载能力。