[发明专利]一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种支持微细加工高速主轴竖直运动的纳米级精度直驱闭式液体静压导轨系统，特别适应于高速微纳机械加工、纳米级的精密测量等先进制造技术领域。

背景技术

难加工高性能关键件在现代武器系统、航空航天设备及新兴战略产业中占有极其重要的地位，如动力调谐陀螺仪整体式双平衡挠性接头，高精度氮化硅陶瓷球轴承，惯性平台等，其制造质量与精度集中反映了我国航空航天、武器系统和高端制造系统的综合能力和水平，是影响武器命中精度，航天器导航性能及关键工业装备的核心部件。难加工高性能关键件的微纳制造工艺与装备，担负着发展我国尖端科学和国防事业发展的重大使命。目前，我国在这一技术领域，与先进工业化国家有很大差距。国外在这一技术领域对我国进行技术封锁，严重阻碍了我国在这一技术领域的发展，对我国尖端科学发展与国家安全，造成极大的威胁。以动力调谐陀螺仪整体式双平衡挠性接头为例，其特点在于，4组细筋(内外扭杆)是至关重要的关键特征，细筋厚度为35-40μm，长度达8mm，通过加工2个直径≤2mm小孔间接形成，要求8根细筋一致性为0.5μm，4组细筋的对称度、共面度、竖直和水平细筋平面的竖直度等均要求小于1μm，因此，要求微纳加工机床，尤其是主轴部件的高速旋转精度及其稳定性、进给部件的定位精度和重复定位精度等具有极高的要求，如纳米级精度垂直运动导轨系统，且导轨系统的定位精度＜(1/3～1/2)工序公差。

目前为止，相类似的专利为：

2014年6月欧洲专利局授权的“采用静压轴承的立式车床结构”(EP2641691A1)；2014年4月2日中国专利局公开了“采用直线驱动的闭式静压导轨结构”(CN103692223A)。但上述两个专利及其它直线电机驱动的静压导轨都是在水平面工作的导轨，都未涉及直驱闭式液体静压竖直导轨系统必须解决的负载和制动等关键技术，因而不属于竖直导轨系统范畴。

美国专利局于2008年9月2日公布了美国Aerotech公司的水冷式高精度Z-θ平台，US 7,420,298 B2：Water Cooled High Precision Z-theta stage(包括相关参考专利：No.6511504“制造相同扩展支架的方法；No.5759192“直接切割金属支架的方法与设备”；No.6521865“应用于医疗植入的脉冲光纤激光切割系统”)。该专利的主要权利要求是，一种具有水平移动(Z)和平行于移动轴线的旋转轴(θ轴)的高精度平台，采用一对无刷直线电机驱动水平移动平台，主要用于植入人体的扩张支架或相关回转类零件的激光加工。该专利的局限性在于：1)因为该高精度平台为水平放置，故不需要对旋转电机部件重量提出苛刻限制；2)旋转电机用于驱动扩张支架等零件，只需要较低的旋转速度；3)因为是采用激光加工，故加工过程不存在切(磨)削力。也即，该专利涉及的Z轴是水平方向，不属于竖直导轨系统范畴。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：用于支持高速主轴的竖直运动、工作行程100mm、定位精度±200nm、重复定位精度±100nm、最大负载40Kg。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种纳米级精度的直驱闭式液体静压竖直导轨系统，其特征在于：包括直线电机部件，由直线电机部件驱动静压滑块竖直运动，在静压滑块的两侧分别左右对称地布置有滑块式液体静压导轨组件，在每个滑块式液体静压导轨组件上形成有竖直凹槽，两侧滑块式液体静压导轨组件上的竖直凹槽相对布置，静压滑块的两侧分别伸入同侧的竖直凹槽内从而使得静压滑块与两侧的滑块式液体静压导轨组件形成间隙配合，由滑块式液体静压导轨组件限制静压滑块仅能沿竖直方向上下运动形成闭式静压导轨，在静压滑块上设有多个流量控制器且在静压滑块内形成有多个油腔，流量控制器与油腔一一对应，导轨液压系统给出的油通过流量控制器流入静压滑块内与其对应的油腔中从而在竖直凹槽表面形成油膜，通过控制油膜的厚度及直线电机部件的运动精度来提高静压滑块竖直运动的精度；

高速主轴竖直运动工作台固定在静压滑块上，由静压滑块带动高速主轴竖直运动工作台竖直运动，精密光栅尺的读数头固定在高速主轴竖直运动工作台的侧面，精密光栅尺的尺子固定在同侧的滑块式液体静压导轨组件上且平行于高速主轴竖直运动工作台的运动方向，由精密光栅尺的尺子实时接收高速主轴轴向运动工作台的实际移动量；

在高速主轴竖直运动工作台的两侧分别左右对称地布置有用于实现制动功能的配重气缸，配重气缸的缸体固定在高速主轴竖直运动工作台上，配重气缸的推杆的端部固定安装在位于配重气缸下方的配重气缸安装底座上。