基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌的製作方法
2023-05-25 12:12:11
專利名稱：基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌的製作方法
技術領域：
本發明屬於精密儀器與測量技術領域，特別是一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌。
背景技術：
靜壓氣浮導軌作為高精度導向與定位機構，廣泛應用於各種大型精密儀器設備中。氣浮 導軌在垂直運動方向受氣膜平均作用，可較好地約束其自由度，通過精密研磨、均壓與複合 節流等技術能夠達到很高的導向精度；但在運動方向上由於氣浮導軌具有驅動力很小而慣性 很大的特點，同時電機、滾珠絲槓及彈性聯軸結等構成的傳動機構也存在傳動間隙、彈性變 形、應力變形、摩擦力等缺陷，以傳動機構約束其自由度效果往往不理想。受氣源擾動、非 平穩氣流擾動及系統內基礎振動和衝擊等因素的影響，導軌在運動方向常常存在較大的運動 超調和定位後的固有振動，嚴重影響其導軌的定位精度和靜態穩定性。附圖1 (a)是採用 Agilent5529A雙頻雷射幹涉儀以lkHz採樣率對某型號靜壓氣浮導軌靜態穩定性的監測數據。 附圖l (b)是對導軌監測數據進行譜分析的結果。由圖中可以看出，導軌的運動噪聲以低頻 振動為主，其頻率成分主要集中在20Hz以下，幅度大約在微米量級。
發明專利"一種空氣軸承"(公開號CN 101042159A，清華大學朱煜、徐登峰等人) 著眼於通過內腔節流結構設計提升空氣軸承本身的阻尼能力來提高其穩定性，在空氣軸承的 中部採用了一個類似空氣彈簧雙腔室的結構，與王雲飛所著《氣體潤滑理論與氣體軸承設計》 中介紹的阻尼方法類^Jl。該方法能夠在一定程度上克服空氣軸承對振動衰減時間過長，系統 難以穩定的缺點，可降低外界振動和衝擊及空氣軸承本身固有的微振動對系統的靜、動態性 能的影響。但該方法是一種被動式徑向減振方法，僅能在一定程度上改善導軌在徑向的動力 學性能。
要提高靜壓氣浮導軌的靜態穩定性，引入阻尼環節對導軌在運動方向上(軸向)的非平 穩運動和定位後固有振動的能量進行吸收是一種較直接的思路。附圖2的(a)、 (b)是目前 較成熟的串聯型、並聯型氣液複合阻尼器產品的結構示意圖，阻尼器釆用氣缸、液壓缸串聯 或並聯結構，在油缸上附加節流閥、單向閥等元件並以管子構成迴路，構成調節閥式粘滯阻 尼結構，通過控制節流閥與單向閥迴路及閥開度的大小，可產生可控的阻尼與阻尼比，提供
慢進一快退、快進一慢退等速度調節特性，由於利用了液體工作介質剛度高、粘度大的特性， 其剛度與阻尼特性較為理想。但這種阻尼器產品多用在車床進給、液壓驅動等大輸出力應用 場合，其遲滯與爬行現象嚴重，位置控制精度一般較低。
發明專利"伸縮式一振動阻尼器"(公開號CN1135584)、"通用空氣伺服動力消振器" (授權公告號CN1333181C)、"摩擦阻尼器"(授權公告號CN1322249C)及實用新型專 利"粘滯阻尼器"(授權公告號CN2572130Y)、"直線運動阻尼器"(授權公告號 CN2379649Y)中，均提供了以減振和阻尼為目的的結構設計，但這些結構一般應用於液壓 緩衝器、工具機切削振顫抑制、隔振基礎、建築與橋梁的減振抗災等場合，在精密或超精密運 動和定位中的動力學性能不能滿足靜壓氣浮導軌的要求。
發明內容
本發明針對現有靜壓氣浮導軌對振動衰減時間過長、系統難以穩定的問題及現有解決方 法的不足，提供了一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，可在不損失導軌導向精度的前提 下，顯著減小導軌的運動超調和定位後固有振動的幅度，從而提高導軌的定位精度和靜態穩 定性，可廣泛用於各種大型精密儀器設備的導向與定位機構中。
本發明的技術解決方案是
一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，在靜壓氣浮導軌(10)的氣浮套(9)兩端對稱 布置兩套技術參數完全相同的粘滯阻尼器(1)構成一個雙向粘滯阻尼器，粘滯阻尼器(1)
的力輸出機構(8)作用在氣浮套(9)兩端對稱的位置上，阻尼力的方向與氣浮套運動方向 相反，且與氣浮套運動方向在一條直線上。
一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其左、右側的粘滯阻尼器(1)分別由潔淨壓縮 氣源(2)、閥門(3)、精密減壓閥(4)、氣液轉換器(5)、雙作用液壓缸(7)、節流閥(6) 構成，潔淨壓縮氣源(2)與閥門(3)連通，在左側和右側的粘滯阻尼器(1)內由精密減壓 閥(4)、氣液轉換器(5)、節流閥(6)依次串接成兩條通道，該兩條通道的精密減壓閥(4) 均與閥門(3)連通，兩條通道的節流閥(6)分別與雙作用液壓缸(7)兩端的進油口連通。 左、右側粘滯阻尼器(1)的雙作用液壓缸(7)對稱布置在氣浮套(9)兩側，兩個力輸出機 構(8)輸出力的方向與氣浮套(9)的運動方向在一條直線上。
本發明的技術創新性在於
(1) 本發明針對靜壓氣浮導軌對振動衰減時間過長、系統難以穩定、定位後受隨機擾動 易產生固有振動的問題，從導軌位置閉環控制系統的階躍與衝擊響應特性出發，在系統中引 入雙向阻尼器構成速度反饋環節，直接作用在被控對象上，以彌補PID控制器中微分參數阻 尼作用的不足和不及時，達到提高系統阻尼比、減小運動超調、消除導軌定位後的固有振動 的目的。這是區別於現有技術的創新點之一。
(2) 本發明構建了基於雙側對稱阻尼結構的氣/液複合系統，以氣體提供動力，以液體提 供阻尼。綜合了氣動系統潔淨無汙染的優點和液體工作介質剛度高、粘度大的特性，克服了 由於氣體可壓縮性和低粘性帶來的靜、動態性能上的缺陷，實現較理想的剛度與阻尼特性， 這是區別於現有技術的創新點之二。
(3) 本發明在結構及參數調節上具有很大的靈活性，阻尼環節的阻尼與阻尼比;大小可 根據靜壓氣浮導軌的運行速度、行程等參數和實驗結果進行優化，使導軌兼顧了氣體潤滑在 動態特性方面的優勢和液體阻尼在靜態定位特性方面的優勢，並使其靜、動態性能達到最優。 這是區別於現有技術的創新點之三。
本發明具有以下特點及良好效果
(1) 本發明可有效提高靜壓氣浮導軌所在位置閉環控制系統的阻尼比；，從而顯著地減 小其衝擊響應的超調量與振蕩的幅度，必要時可調節阻尼比(;使其大於l，從而使系統成為無 超調過阻尼系統，這對某些不允許產生超調和振蕩的特殊應用場合具有重要的應用價值。
(2) 本發明可顯著減小靜壓氣浮導軌定位後，受各種階躍和衝擊形式的隨機擾動影響產 生的固有的微振動，在不影響導軌導向精度的同時可顯著提高其靜態穩定性，在常用靜壓氣 浮導軌上的試驗結果表明，其靜態與低速定位精度可提高約一個數量級。
(3) 本發明是在傳統靜壓氣浮導軌的結構基礎上，通過附加雙側對稱阻尼結構來改善系 統的靜、動態性能，因此既可用於新型氣浮導軌的設計，又可用於對現有氣浮導軌的改造。
圖1為現有靜壓氣浮導軌靜態穩定性監測數據及其頻譜;
圖2為現有的串聯式和並聯式氣液阻尼器結構示意圖； 圖3為本發明的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌的結構示意圖； 圖4為本發明的靜壓氣浮導軌所在的位置閉環控制系統結構框圖； 圖5為採用本發明前後導軌衝擊響應仿真結果。
圖中l粘滯阻尼器、2潔淨壓縮氣源、3閥門、4精密減壓閥、5氣液轉換器、6節流閥、 7雙作用液壓缸、8力輸出機構、9氣浮套、IO靜壓氣浮導軌。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方案進行詳細說明。
一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，在靜壓氣浮導軌(10)的氣浮套(9)兩端對稱 布置兩套技術參數完全相同的粘滯阻尼器(1)構成一個雙向粘滯阻尼器，粘滯阻尼器(1) 輸出的阻尼力通過力輸出機構(8)作用在氣浮套(9)兩端對稱的位置上，阻尼力的大小與 氣浮套(9)的運動速度成正比，阻尼力的方向與氣浮套的運動方向相反，且與氣浮套的運動 方向在一條直線上，粘滯阻尼器(1)輸出的阻尼比可調。
一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，左、右側的粘滯阻尼器(1)分別由潔淨壓縮氣 源(2)、閥門(3)、精密減壓閥(4)、氣液轉換器(5)、雙作用液壓缸(7)、節流閥(6)構 成，潔淨壓縮氣源(2)與閥門(3)連通，在左側和右側的粘滯阻尼器(1)內由精密減壓閥 (4)、氣液轉換器(5)、節流閥(6)依次串接成兩條通道，該兩條通道的精密減壓閥(4) 均與閥門(3)連通，兩條通道的節流闊(6)分別與雙作用液壓缸(7)兩端的進油口連通， 通過調節精密減壓閥(4)的輸出壓力，精確控制雙作用液壓缸(7)的力輸出機構(8)輸出 力的大小，以精密減壓閥(4)、節流閥(6)與液壓油構成調節閥式粘滯阻尼器，向系統提供 可控阻尼比的阻尼輸出。
所述左、右側粘滯阻尼器(1)的雙作用液壓缸(7)對稱布置在氣浮套(9)兩側，兩個 力輸出機構(8)輸出力的方向與氣浮套(9)的運動方向在一條直線上。
所述雙作用液壓缸(7)工作所需的液壓油封閉在雙作用液壓缸(7)、氣液轉換器(5) 與管路構成的連續封閉結構中。
所述精密減壓閥(4)輸出壓力範圍為0.01MPa 0.3Mpa。
所述雙作用液壓缸(7)採用的是低摩擦型氣液聯用缸。
所述氣液轉換器(5)液壓油的容積大於雙作用液壓缸(7)的容積。 下面對本發明的工作原理和使用過程進行詳細介紹
附圖3給出了本發明的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌的示意圖，設阻尼力/^、屍2的 正方向如圖中箭頭所示，當氣浮套沿圖中方向以速度v運動時
A = -(1)
屍2 = fev (2)
其中，&、 fe分別為兩個阻尼器的阻尼係數，A式前的負號表示實際阻尼力的方向和圖中標 識的相反。
靜壓氣浮導軌所在的位置閉環反饋控制系統的結構框圖如附圖4所示，整個系統由運動 控制器、驅動器、電機及傳動機構、位置反饋傳感器等組成。不妨假設運動控制器採用的是 PID控制算法，電機釆用電流控制的力矩電機，對其它形式的運動控制器、驅動器與電機分 析可得到類似的結果。位置控制指令i 一般由計算機發出，和位置反饋傳感器返回的負載位 置信號y進行比較後，得到偏差量信號e，經PID運動控制器後給出電壓形式的控制信號w。 驅動器將電壓控制信號轉化為與之正比的電流驅動信號！ 作用在電機上，電機的輸出力矩與 驅動電流/成正比，經滾珠絲槓、聯軸結等傳動機構對氣浮套施加作用力F，氣浮套的實際位 置y由位置反饋傳感器進行閉環負反饋。該模型中對靜壓氣浮導軌受到的摩擦力、傳動機構 的彈性變形等細節做了忽略。
本發明中，雙向粘滯阻尼器直接作用在靜壓氣浮導軌的氣浮套上，產生的阻尼力大小與 氣浮套的運動速度成正比，方向與氣浮套運動速度相反。因此，雙向阻尼結構實質構成一個 直接作用在被控對象上的速度反饋控制環節，如附圖4所示。
下面建立系統中各環節的數學模型，系統中PID運動控制器的傳遞函數為-
G刺- +i!:,丄+ ^ (3)
電機驅動器的輸入輸出特性為i-A:,w,電機與傳動機構的輸入輸出特性為屍=&/，這兩 部分串聯後的傳遞函數為
(^GS),2 (4) 忽略傳動機構的彈性變形及靜壓氣浮導軌的摩擦力，設靜壓氣浮導軌的氣浮套與負載的 formula see original document page 8(6)
總質量為w，導軌運動的加速度為a，則靜壓氣浮導軌環節的輸入輸出特性為F - wa = ，
戰
該環節的傳遞函數為
formula see original document page 8(5) 臘
設導軌運動的速度為V，阻尼器輸出阻尼力的大小與導軌的運動速度成正比，即
因此該環節的傳遞函數為-
不妨設位置反饋傳感器實現的是位置信息的l: l傳遞，其傳遞函數為-
formula see original document page 8
可以寫出靜壓氣浮導軌與氣/液阻尼^&組成的閉環單元的傳遞函數為
附formula see original document page 8
整個閉環反饋控制系統的傳遞函數為
formula see original document page 8(7)
formula see original document page 8(8)
formula see original document page 8(9)
附
其中^ 、 ^、 ^rf是系統中各環節綜合作用的等效PID參數。
對某型號靜壓氣浮導軌，設^ =1000000、 f產10000、 AV=6000、 w=200，先令^=0，即 雙側對稱阻尼環節不起作用，對系統單位衝擊響應的仿真結果如附圖5 (a)所示，從圖中可 以看出，系統衝擊響應的超調量較大，過渡過程時間較長，符合導軌實際運行的情況。當fp =1000000、 y產10000、 fflOOO、 AfO時系統單位衝擊響應的仿真結果如附圖5 (b)所示， 可見隨著阻尼參數的減小，系統產生振動的趨勢增強，衝擊響應需要經過多個周期的振蕩才 能趨於穩定，穩態誤差也會加大。
實際導軌運行過程中，氣源壓力波動、基礎振動、外界衝擊等因素會產生對導軌的隨機
擾動，其在宏觀上表現為導軌的運動噪聲，微觀上表現為時間軸上衝擊信號的隨機疊加。附
圖5 (c)是對系統對時間軸上均勻分布的衝擊輸入的響應進行疊加的結果，其形式與附圖1 中的實驗結果十分接近。
通過仿真還可以發現，微分參數/^的阻尼作用對減小系統超調，提高系統響應速度具有 重要的作用，但在實際應用中，通過提高PID控制器的微分參數&來提高系統的阻尼效果往 往不理想，原因如下1)運動控制器位於閉環控制系統前向信號通路的最前端，由於實際系 統中各環節都存在由於慣性、摩擦等引起的響應滯後，氣浮套速度信息的反饋和控制信號對 氣浮套的作用都存在滯後和相移；2)電機驅動力是通過滾珠絲槓和彈性聯軸節等構成的傳動 機構作用到氣浮套上的，傳動部件的彈性變形一方面可以對衝擊進行緩衝，另一方面又存在 驅動力發生作用的積分與響應滯後效應。本發明中，採用雙側對稱阻尼結構中，以阻尼器作 為速度敏感單元產生與負載速度成正比的阻尼力，阻尼力直接作用在負載上形成速度反饋， 對負載的控制更為直接和及時，因此可以避免上述問題而收到良好的效果，通過調節阻尼器 輸出阻尼力和阻尼比的大小，可使靜壓氣浮導軌的運動超調量和導軌定位後的在運動方向上 的固有振動達到最小。
對^p =1000000、 f屍lOOOO、 ^^1000、 w=200、 fe= 20000時系統單位衝擊響應的仿真結 果如圖5 (d)所示，由圖中可以看出，系統超調量和過渡過程時間大大減小。說明本發明的 雙側對稱阻尼結構起到了對系統中運動噪聲的能量進行衰減和吸收，從而減小系統超調、消 除系統振動、提高系統定位精度和靜態穩定性的作用。
附圖3同時給出了本發明的一個實施例。該實施例中的靜壓氣浮導軌用於某大型超精密 尺寸測量設備上一個方向的導向與定位，導軌10截面尺寸為300x210mm，長度1100mm，氣 浮套9外輪廓尺寸為380X290mm，長度為400mm，工作行程約150mm，設備工作過中導軌 最大運行速度〈5(^m/s，傳感器讀數過程中導軌運行速度〈l^im/s，基本上屬於靜態測量。導 軌低頻振動的頻率主要集中在20Hz以下，中心頻率約13Hz，幅度約0.6pm。
該實施例中，雙作用液壓缸7採用的是日本SMC公司生產的直接安裝型雙作用式氣液聯 用缸，型號為CM2HRA40—150。其主要技術參數為缸徑40mm，行程150mm，動作方式 為雙作用方式，最高使用壓力l.OMPa，最低使用壓力0.05MPa，活塞速度50 750mm/s，工 作油型號為透平1號油ISOVG32。雙向粘滯阻尼器的力輸出機構8就是雙作用液壓缸的活塞 杆，裝配時要求與氣浮套9的運動方向在同一條直線上。
氣液轉換器5與節流閥6採用的是SMC公司的CC系列氣一液單元，型號為CC63 —
IOOSIO，該單元是將氣一液轉換器與閥單元緊湊地一體化，實現氣液轉換與節流閥的功能。 轉換器缸徑63mm，有效行程100mm，閥單元為小流量控制閥。安裝時應儘量將四個氣液單 元對稱布置，油管長度也儘量一致。氣液單元安裝在控制櫃中時，油管長度需小於lm。節流 閥開度較小，是調節閥式粘滯阻尼器的主要組成部分。
精密減壓閥4採用的是SMC公司的IR2000系列，具有體積小、重量輕、壓力設定精確 的優點，型號為IR2020—02BG。其設定壓力範圍0.01 0.8MPa，帶壓力表。它的作用一是 對潔淨壓縮氣源送來的壓縮氣體進行一級減壓與穩壓，提供恆定壓力給氣液轉換器，二是其 本身具有一定的阻尼作用，與氣一液單元上的節流閥一起構成調節閥式粘滯阻尼器。雙作用 液壓缸輸出力大小等於其對應的兩個精密減壓閥輸出壓力的差值。 一般情況下應使左、右側 的雙作用液壓缸輸出力相等。
本實施例中，精密減壓閥、氣一液單元上的節流閥及具有一定粘性的液體工作介質(液 壓油)形成調節閥式粘滯阻尼器，是提高靜壓氣浮導軌穩定性與定位精度的關鍵環節。阻尼 器的阻尼輸出和阻尼比大小通過調整節流閥的開度來實現。系統安裝調試時，需根據靜壓氣 浮導軌的運行速度、行程等參數，調節雙作用液壓缸7的輸出力、雙向粘滯阻尼器l的阻尼 和阻尼比大小，使靜壓氣浮導軌達到最優的靜態穩定性和定位精度。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式
和效果作了說明，但這些說明依照法律規定並不 限制本發明的範圍，本發明的保護範圍由權利要求書限定，任何包含本發明權利要求或以其 為基礎的改動都是本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於在靜壓氣浮導軌(10)的氣浮套(9)兩端對稱布置兩套技術參數完全相同的粘滯阻尼器(1)構成一個雙向粘滯阻尼器，粘滯阻尼器(1)的力輸出機構(8)作用在氣浮套(9)兩端對稱的位置上，阻尼力的方向與氣浮套運動方向相反，且與氣浮套運動方向在一條直線上。
2、 根據權利要求1所述的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於左、右側的粘滯阻 尼器(O分別由潔淨壓縮氣源(2)、閥門(3)、精密減壓閥(4)、氣液轉換器(5)、雙作用 液壓缸(7)、節流閥(6)構成，潔淨壓縮氣源(2)與閥門(3)連通，在左側和右側的粘滯 阻尼器(1)內由精密減壓閥(4)、氣液轉換器(5)、節流閥(6)依次串接成兩條通道，該 兩條通道的精密減壓閥(4)均與閥門(3)連通，兩條通道的節流閥(6)分別與雙作用液壓 缸(7)兩端的進油口連通。
3、 根據權利要求2所述的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於所述左、右側粘滯 阻尼器(1)的雙作用液壓缸(7)對稱布置在氣浮套(9)兩側，兩個力輸出機構(8)輸出 力的方向與氣浮套(9)的運動方向在一條直線上。
4、 根據權利要求2或3所述的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於所述雙作用械 壓缸(7)工作所需的液壓油封閉在雙作用液壓缸(7)、氣液轉換器(5)與管路構成的連續 封閉結構中。
5、 根據權利要求2所述的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於所述精密減壓閥(4) 輸出壓力範圍為0.01MPa 0.3Mpa。
6、 根據權利要求2或3所述的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於所述雙作用液 壓缸(7)採用的是低摩擦型氣液聯用缸。
7、 根據權利要求2所述的基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌，其特徵在於所述氣液轉換器(5) 液壓油的容積大於雙作用液壓缸(7)的容積。
全文摘要
基於雙側對稱阻尼的靜壓氣浮導軌屬於精密儀器與測量技術領域，是針對氣浮導軌驅動力小而慣性大的特點，根據導軌位置閉環控制系統的階躍響應與衝擊響應特性，在系統中引入雙向粘滯阻尼器構成速度反饋環節，彌補PID控制器中微分參數阻尼作用的不足，達到提高系統阻尼比、減小其運動超調、消除隨機擾動引起的固有振動的目的；本導軌是在氣浮套兩端對稱布置兩套具有相同參數的粘滯阻尼器構成雙向粘滯阻尼器，阻尼力大小與氣浮套運動速度成正比，方向與氣浮套運動方向在同一條直線上，阻尼係數精確可調，可有效減小導軌的運動超調和定位後在運動方向上的固有振動，使導軌的定位精度和靜態穩定性提高約一個數量級。
文檔編號G01D11/00GK101373146SQ20081006474
公開日2009年2月25日 申請日期2008年6月17日 優先權日2008年6月17日
發明者崔俊寧, 崔繼文, 飛 王, 譚久彬, 金國良 申請人:哈爾濱工業大學