使滑架与轮廓导轨采取形锁合的 模块化液体静压支承装置 本发明涉及用于精密机床之类设备的模块化液体静压或气体静压支承装置，在这方面，实现该模块化支承装置与类似的模块化直线运动滚动支承装置之间的栓接兼容性具有重要的意义。
机床工业领域常用液体静压支承装置实现极高精度的运动及超长的设备寿命。生产更高质量的零件需要提高精度，而且生产率的提高又需要增加机床上支承装置的累计行程总量，为此，有必要对机床行业市售的普通模块化直线运动滚动支承装置加以改进。
直线运动滚动支承装置的一个特征是其外形较小。其另一个特征是使用方便：机床安装人员只需从货箱中取出支承装置并将其用螺栓上紧即可。在这个所需定货被模块化，且产品定制比较方便的时代，实现模块化液体静压支承装置与现有模块化直线运动滚动支承装置之间的栓接兼容性是很有价值的。
目前采用的液体静压支承设计方案有很多种。各方案均需要设置节流(补偿)装置，例如，A.H.Slocum在Precision Machine Desien.PrenticeHall，Englewood Cliffs.NJ，1992中对此有过介绍。采用小孔补偿的液体静压支承装置是本领域常见的例子。最近，本发明同一受让人在美国专利5,104,237号中介绍的自补偿液体静压支承装置已进入实用阶段，从而显著地提高了制造、实施支承装置的经济性和效率。
然而，对于现有模块化滚动支承装置所用轮廓导轨的基本形状来说，在较小的可用表面积上用液体静压支承技术获得适当的承载能力及刚度特性将需要30到100巴的较高压力。另外，用来支承承载滑架的四个液体静压承载腔一般都在其周缘处对和外部环境相连的泄流装置开放，这种结构又进一步导致流速过高。降低流速是非常期望达到地目标，因为这样可以提高运行效率并降低过滤及泄流系统的成本。此外，降低流速可使泵送功率成比例地减小，随之而来的效益主要是：降低成本；使泵送系统小型化；减小承载流体内的发热量进而缩小热效应误差。
为了提供能持久地抑制从承载腔向外部环境的泄流的装置，在相邻承载面之间用较大过渡圆角形成平滑轮廓是很有必要的。现有技术中有一项由美国专利4,978,233号提出的轮廓导轨设计方案，其中公开的所有轮廓导轨均采用锐边。锐边极易被损坏并腐蚀，而且成形刀具上的锐刃的磨损也极易形成制造误差，因此，相邻承载腔之间的流体密封结构中极不希望出现锐边及/或过小的过渡圆角。另外需要指出，为达到液体静压刚度要求，对每个承载面必须设置至少一个拥有自身压力补偿装置的独立流体腔。在现有技术的设计方案中，专利4,978,233号的一实施例甚至未采用独立的承载腔，因而不可能实现单独的压力补偿，在该专利提出的另一实施例中，补偿装置是由节流孔实现的，但该节流孔在所述支承装置装配之后便不具备调节节流孔阻尼的装置，因此该方案也很不现实，另外，装配之前需要进行所述支承衬套的成形，此时，该实施例中的此类节流孔均比较容易发生变形。
由于这些缺陷，现有技术中的液体静压型模块化直线运动支承装置在性能上难尽人意，因而在经济可行性上也难被认可。
然而本发明却提供了持久地使泄流量减半的装置，而且所述承压导轨及配套滑架的制造也得到简化，这样，小孔补偿式，自补偿式或其它型式液体静压支承装置的制造都将很容易地实现模块化及其与模块化滚动支承装置的兼容性，所述滚动支承装置最适合应用于直线运动承压导轨等应用场合。
因此，本发明的目的之一是对模块化直线运动承压导轨提出一项新颖的改进设计方案，该导轨可以以极小化的泄流量支承液体静压承载滑架，同时仍然具备与模块化直线运动滚动支承装置的栓接兼容性。
本发明的另一个目的是对模块化直线运动承载滑架提出一项新颖的改进设计方案，该滑架相对于其定向承压导轨的支承采取液体静压支承方式，其中，相邻承载腔之间滑架支承面的轮廓应平滑连续，以此达到持久地降低泄流量乃至降低所需泵送功率的目的。
本发明的又一个目的是对模块化直线运动承载滑架提出一项新颖的设计方案，该滑架可在被分为两个配对半体的情况下精密磨削，由此可以在保证相邻承载腔之间具有连续承载间隙的条件下将其围绕配套的承压导轨而装配，从而消除相邻承载腔之间区域的外泄。
下文将介绍本发明的其它及更具体的目的，所附权利要求也将对此做更为全面的描述。
概而言之，本发明涉及用于精密机床之类设备的模块化液体静压支承装置，其中，载荷是通过在模块化承载滑架上的栓接而获得支承的，而滑架又跨接在长距承压导轨上；成形于滑架内的液体静压承载腔使滑架免于与承压导轨发生机械接触；承压导轨具有两个侧部，且每个侧部具有充当液体静压承载腔之对应承载面的至少两个表面；承压导轨的各承载面之间具有精密的平滑连续曲面，为此可在滑架上做成包含液体静压承载腔在内的相应配合面并使各液体静压承载腔之间具有平滑连续的表面，从而可以在适宜于液体静压支承作用的间隙条件下将滑架套装在导轨上，除此之外，对于起承载作用的各液体静压承载腔来说，成组相邻承载腔之间的结构不会有向外部环境的直接泄流，因此承压导轨各承载面的泄流量也会显著地降低；导轨的制造可采用精密仿形磨削，而滑架的制造则可采取拉削，仿形，导线电火花加工或剖分等措施，其中的剖分措施便于实施精密仿形磨削。
现代制造技术的采用使本发明具备了如下特点：对于所生产的直线运动承压导轨来说，其载荷支承部分以及各载荷支承部分之间曲面部分的所有表面均具有精确的轮廓，由于相邻的液体静压承载腔不必再由泄流口分隔开，该泄流口是因现有技术需要在导轨与滑架的承载面之间设置磨削用凹槽而形成的，所以，在将精密型面配合滑架套装在导轨上时，二者之间的间隙将在整个精密轮廓上均受到控制，从而限制了液体静压承载腔向外部环境的泄流路径数量。
以下介绍优选和最优实施例及其技术方案。
附图
现结合附图对本发明加以介绍，其中，
图1是模块化直线运动液体静压支承装置的立体图，其中的滑架与轮廓导轨为形锁配合；
图2是模块化液体静压支承系统之背对背承载设计方案的端面视图，其中的导轨基面在形状上兼容于使用滚动元件的现有模块化导轨；
图3是模块化液体静压支承系统之背对背承载设计方案的端面视图，其中的导轨基面具有与现有采用滚动元件的模块化导轨兼容的凸台，同时也保证了较大的承载区域；
图4是模块化液体静压支承系统之背对背承载设计方案的端面视图，除了为便于对滑架进行精密仿形磨削而将其分成两个精密磨削的半体之外，该图与图2是相同的；
图5是图4所示精密仿形磨削滑架的一侧端面视图；
图6是自补偿模块化液体静压支承装置所用液体静压支承垫的端面视图，其中采用了使滑架与轮廓导轨为形锁合的降低流量措施；
图7及8是图6所示自补偿模块化液体静压支承装置每一侧支承面的展开面视图；
图9及10是图6所示自补偿模块化液体静压支承装置每一侧支承面的展开面视图，其中包含局部中心泄流槽；
图11是外补偿式模块化液体静压支承装置所用液体静压支承垫的端面视图，其中采用了使滑架与轮廓导轨为形锁合的降低流量措施；
图12及13是图11所示外补偿式模块化液体静压支承装置每一侧支承面的展开面视图；
图14及15是图11所示外补偿式模块化液体静压支承装置每一侧支承面的展开面视图，其中包含局部中心泄流槽；
图16是本发明某一方案的端面视图，其中的承载面以面对面承载型式布置；
图17及18是本发明某一改进方案的端面视图，其中采用了使作用面积增大的承载面分层措施；且
图19是导轨上两个滑架的俯视图，其中的导轨具有楔形部分颈缩部分，以此使任一承载腔内截留的脏颗粒被冲洗掉；
本发明优选实施例
如上所述，本发明的目的是通过设置滑架相对于承压导轨的位置关系而实现的，其中的承压导轨采用了液体静压支承装置(或气体静压支承装置，由于两种支承装置均依赖于外部加压的流体，所以彼此可互换使用)。所以问题的关键是减小流量，进而降低流体源所需的泵送功率。
就本发明来说，上述目的可按如下方式实现：当相邻的一对液体静压承载腔彼此互加预载并且彼此仍由适量的泄流路径距离隔开时，其中之一承载腔将对来自其相邻承载腔的泄流起密封作用，从而液体静压承载腔的流体泄流的大部分将仅沿一边缘发生。在这种方式中，载荷对一边缘间隙起主要的调节作用，载荷因此对类似于惠斯通电桥的流体通路可以起到平衡液体静压力的作用，以上内容为本领域专业人员所知，而且也由本发明人在上文的引述中做了详细介绍。
图1以一立体图表示了本发明的一背对背型实施例，图2是该实施例的端面视图，其中的箭头表示滑架上液体静压载荷的方向。在该特定实施例中，模块化承载导轨1具有以背对背型式(本领域中常见的型式)布置的四个承载面，其中如11所示由平底扩孔钻加工成的螺栓孔可使导轨1栓接在机床床身上。导轨具有精密的底面23及精密的侧部边缘24a，24b。同使用于液体静压支承装置的其它承压导轨相比，本发明所述导轨的根本不同之处在于其高精度的轮廓，该轮廓是由导轨上如330b，331b，332b。333b，334b及335b所示区域构成的精密曲面。这些区域与导轨另一侧的表面330a。331a，332a，333a，334a及335a之间具有精密且精确的镜像对应关系。由表面仿形磨削加工可获得很高的精度。需要指出，导轨顶面与滑架内表面之间的区域36应具有足够大的间隙作为泄流口。跨接在导轨1上的滑架2具有如10所示的螺纹孔，该螺纹孔可使一机床部件栓接于其上。滑架还可具有按下文所述方式配送静压流体的集流管3，或者具有用于内部流体配送的单个加压流体进流口。
在表示立体图的图1和表示端面视图的图2中，滑架2包含与对应导轨支承面335a，334a，333a，332a，331a，330a及24a相隔一定距离的支承面35a，34a，33a，32a，31a，30a及29a，该距离是液体静压支承装置的常用值，同样，滑架2也包含与对应导轨支承面335b，334b，333b，332b，331b，330b及24b相隔一定距离的支承面35b，34b，33b，32b，31b，30b及29b，该距离也是液体静压支承装置的常用值，该常用值对气体静压支承装置为5微米量级，对粘性油压支承装置为50微米量级。
为具体考察本系统的设计，图3按图2视图形式表示了系统的端面视图，图中箭头表示液体静压载荷的方向，其中的导轨1具有可兼容现有模块化滚动支承承压导轨的基面23，其兼容方式是通过由平底扩孔法加工成的螺栓孔11将导轨接在机床基面上。不同的是，为增大液体静压支承面积进而提高承载能力而设置了由垂直表面71a，71b和水平表面70a，70b形成的悬伸凸台，从而有效地增大了支承装置的基面宽度。这一设计使得滑架2具有较大的承载面35a，34a，33a，32a，31a，30a，29a，35b，34b，33b，32b，31b，30b及29b。
滑架2的制作可采取对单个铸件，成形滑架或三维压印(3Dprinted)滑架进行拉削或导线电火花加工的方式。在某些情况下，可以通过对单个铸件、成形滑架或三维压印滑架上内侧支承面的铣削或磨削来获得所需的精度。不过还有一种图4所示的滑架成形方法，图中所示的滑架由两个相接的构件2a及2b构成，这两个构件在连接之前先分别经过精密仿形磨削，然后再由精密连接方法接在一起，所用精密连接方法可以是低温钎焊，栓接，或与高强度环氧树脂结合使用的栓接。图5表示一个这种构件2b。包括相接构件2a及2b的图4所示滑架具有由液体静压承载面35b，34b，33b，32b，31b，30b及29b施加预载的相同液体静压载荷支承面35a，34a，33a，32a，31a，30a及29a。导轨1仍然具有如11所示的螺栓安装孔，底侧基准面23，以及侧部边缘24a，24b。滑架构件2a，2b仍具有如10所示的螺栓安装孔。滑架构件2a具有精密的凸状配合面50a，且相配的滑架构件2b具有精密的凹状配合面50b。如图5所示，承载滑架构件2b(及其匹配件2a)上包含精密配合面及精密支承面在内的的整个侧表面可由单个仿形磨削砂轮加工而成。因此，滑架构件的加工可以以很低的成本获得较高的精度。该两个构件的实施例还具有在连接之前易于触及液体静压支承面的优点，因而便于在连接之前用精密制造领域专业人员所熟知的各种加工方法或表面镀层方法进行成形加工或表面镀层。
为描述本发明所述系统的液体静压性能，先考察图6，图7及图8所示的自补偿液体静压支承系统。在图6中，导轨1具有形锁合滑架2，滑架2上有一装在端面的集流管3，它可将来自泵100的流体经由供流路径101配送给自补偿装置99a及99b。滑架2具有液体静压支承面35a，34a，33a，32a，31a，30a，29a，35b，34b，33b，32b，31b，30b及29b。图7表示滑架2一侧液体静压支承面35a，34a，33a，32a，31a，30a及29a的展开面轮廓视图。图8表示滑架2另一侧液体静压支承面35b，34b，33b，32b，31b，30b及29b的展开面轮廓视图。来自泵100的加压流体经由供油路径101并通过供流孔92a，92b而被传递至供压槽91a，91b。供压槽91a，91b，汇流槽93a，95a，93b，95b及承载腔槽道231a，233a，231b，233b的深度一般应等于正常承载间隙的至少十倍，以便于使这些槽道上的压降最小。本发明因滑架表面32a及32b密接于导轨而具备第一项泄流节制特性，因此，滑架一侧的供压槽可共享同一中心。对于以自补偿液体静压方式相配合的现有承压导轨和滑架来说，滑架上的区域32a及32b将成为磨削用凹槽并因此而被作为泄流口，这样，来自供压槽的泄流量将增大30％。需要指出，本领域专业人员所知的其它自补偿支承装置设计方案在本发明中也是适用的，这些设计方案同样可以因区域32a及32b的密接而获得降低泄流量的回报。
来自供压槽91a及91b的流体以受控于滑架与导轨之间间隙的约束方式—此即自补偿原理—经过承载滑架表面而流到图7所示滑架一侧的汇流槽93a，95a及图8所示滑架另一侧的汇流槽93b及95b中。然后，流体分别进入汇流孔94a和96a、94b及96b。其后，流体经由流体通道103及104分别流向对置的承载腔孔道98b及97b，及经由流体通道102及105分别流向对置的承载腔孔道98a及97a。此后，流体进入承载腔槽道231b，233b，231a及233a。可以看到，各承载腔槽道231a，233a，231b及233b外周缘的内侧分别具有相应的中心阻尼区131a，133a，131b，133b，各阻尼区是分别与表面31a，33a，31b，33b上相邻承载区共面的精密平面，由此可为承载滑架提供附加的挤压膜阻尼。
为进一步介绍如本发明所述的泄流量减低方法，现考察滑架的＂a＂侧。承载腔槽道231a及233a至外界环境的主要泄流路径将会通过基本由外缘表面29a，30a，34a及35a所形成的区域。由于宽度足够大的中心表面32a可以作为一个比外缘表面29a，30a，34a及35a具有更高流动阻力的区域，所以承载腔槽道231a与233a之间将不会发生结构性的＂串音＂。现有技术的设计方案将中心区域32a作为磨削用凹槽，与之相比，在本发明中，由承载腔槽道至外界环境的泄流量可降低约40％。
与中心区域32a及32b具有磨削用凹槽泄流口的现有技术设计方案相比，本发明中两项流量减低方法的共同使用可使支承装置内的总支承流体速率降低约60％-70％。由于泵送功率直接正比于泵流速率，因此，当在给定供流压力下工作时，流体速率降低60-70％也将使所需泵送功率降低同样的比例。对于机床的使用来说，泵送功率的降低主要有如下几项有利之处：低成本；更紧凑的泵送系统；更小的管路系统；低成本，高效的过滤；以及承载流体内较低的发热量，该项可减小热效应误差。另一方面，在本发明中，承载能力及刚度仅边缘受到影响，对此可用本领域专业人员所知的标准电阻线路分析方法加以评估。
对于某些自补偿实施例来说，在形锁合中心表面32a及32b的一长度范围内而非在整个长度上设置局部的中心泄流槽较为有利。图9及图10表示了滑架2上含局部泄流槽80a及80b的液体静压支承面展开面轮廓视图，该局部泄流槽分布在表面32a及32b的一长度范围内，尤其分布在承载腔槽道231a，233a及231b，233b之间的一区域内。在现有技术的设计方案中，中心泄流槽分布在滑架的整个长度上，与之不同于的是，在本发明中，局部中心泄流槽的长度可按设计要求改变，因而可以根据承载能力或泵送功率等承载特性要求加以优化设计。此外，与现有技术的设计方案不同，局部中心泄流槽并不是一直伴随于供流槽，因此本发明可以实现具流量节制功能的中心供流槽的设计。采用局部中心泄流方式的原因之一在于：某些设计方案中的导轨可能发生显著的弹性弯曲，这会导致外缘区域34a，35a，34b及35b处的间隙显著张开，进而降低压力补偿效应。采用局部中心泄流槽80a及80b可以使压力补偿效应在承载腔槽道的向心边出现，而导轨在此处又不易弯曲，所以导轨弯曲的不利影响将得到一定程度的缓解。
不过，本发明并不仅限于自补偿液体静压支承装置。图11是具有固定补偿功能的支承装置的端面视图，其中采用了具有如本发明所述形锁合滑架2′的导轨1′。图12是滑架2′一侧液体静压支承面35a′，34a′，33a′，32a′，31a′，30a′及29a′的展开面轮廓视图。图13是滑架2′另一侧液体静压支承面35b′，34b′，33b′，32b′，31b′，30b′及29b′的展开面轮廓视图。如图11，图12及图13所示，泵100′提供的流体穿过流阻51，53，54及56，然后分别穿过承载腔孔道61，63，64及66，进而分别到达位于滑架2′上的承载腔槽道231a′，233a′，233b′及231b′，其中的滑架2′跨接在导轨1′上。承载腔槽道的深度一般应等于正常承载间隙的至少十倍，以便于使这些槽道上的压降最小。显然，可以根据所用节流装置的种类来优化流阻的实际位置。可以看出，各承载腔槽道231a′，233a′，231b′及233b′外周缘的内侧分别具有相应的中心阻尼区131a′，133a′，131b′，133b′，各阻尼区是分别与表面31a′，33a′，31b′，33b′上相邻承载区共面的精密平面，由此可为承载滑架提供附加的挤压膜阻尼。
以图中＂a＂侧为例，与上述自补偿系统同理，由于宽度足够大的中心表面32a′可以作为一个比外缘表面29a′，30a′，34a′及35a′具有更高流阻的区域，所以承载腔槽道231a′与233a′之间将不会发生结构性的＂串音＂。因此，本发明在对支承装置承载能力及刚度仅在边缘区域具有影响的同时，也降低了流量及泵送功率要求，对此可用本领域专业人员所知的标准电阻线路分析方法加以计算。另外，对于为提高运行效率而采用小间隙的模块化液体静压支承装置来说，本发明也为其提出了较为经济的制造方法。
对于某些固定补偿的实施例来说，在型面配合中心表面32a′及32b′的某一长度范围内而非整个长度上设置局部的中心泄流槽较为有利。图14及图15表示了滑架2′上含局部泄流槽80a′及80b′的液体静压支承面展开面轮廓视图，该局部泄流槽分布在表面32a′及32b′的一长度范围内。在现有技术的设计方案中，中心泄流槽分布在滑架的整个长度上，与之不同于的是，在本发明中，局部中心泄流槽的长度可按设计要求改变，因而可以根据承载能力或泵送功率等承载特性要求加以优化设计。与某些自补偿系统同理，采用局部中心泄流方式的原因之一在于：某些设计方案中的导轨可能发生显著的弹性弯曲，这会导致外缘区域34a′，35a′，34b′及35b′处的间隙显著张开，进而降低压力补偿效应。采用局部中心泄流槽80a′及80b′可以使压力补偿效应在承载腔槽道的向心边出现，而导轨在此处又不易弯曲，所以导轨弯曲的不利影响将得到一定程度的缓解。
除背对背配置方式外，还可用面对面方式设置支承面结构。图16表示本发明的一面对面型实施例(此为本领域人士所熟知)，图中的箭头表示滑架上液体静压载荷的作用方向，其中，仍如上文的具体介绍所述，导轨1c仍包含如11c所示的螺栓安装孔，且滑架2c以紧密的形锁合方式跨接在导轨1c上，以此降低泄流量，滑架2c也包含如10c所示的螺纹安装孔。支承面116a及116b的液体静压载荷抵抗作用于滑架2c上的向下作用力，而支承面117a及117b的液体静压载荷则抵抗作用在滑架2c上的向上作用力。
某些场合有必要采用如本发明所述的多层式实施例，这样可以在不增加支承装置外壳总尺寸的情况下获得较大的承载面积乃至较高的支承装置承载能力。图17表示本发明一含六个承载平面的多层式实施例，图中的箭头表示滑架上液体静压载荷的作用方向。该实施例包含导轨1d及可降低流量的形锁合滑架2d，导轨1d配有用于附件11d的螺栓孔，且滑架2d上配有连接用的螺纹孔10d。需要指出，对于图17所示实施例来说，滑架的下推力被作用在四个表面110a，112a及110b，112b上的液体静压载荷所平衡，且滑架的上拉力被作用在两个表面111a及111b上的液体静压载荷所平衡。图18表示另一多层式实施例，该实施例包含导轨1e及可降低流量的形锁合滑架2e，导轨1e配有用于附件11e的螺栓孔，且滑架2e上配有连接用的螺纹孔10e。需要指出，对于图18所示实施例来说，滑架的下推力被作用在两个表面114a及114b上的液体静压载荷所平衡，且滑架的上拉力被作用在四个表面113a，115a及113b，115b上的液体静压载荷所平衡。
在所有情况下，＂a＂侧表面都将承受一方向的横向载荷，而且＂b＂侧的力也将平衡另一方向的横向载荷。图中指向滑架表面的箭头指引线表示液体静压载荷在滑架上的作用方向。
对于细颗粒难以过滤的场合来说，本系统设置的清理装置可以在不牺牲液体静压承载能力总量的前提下使承载腔内可能积蓄的脏颗粒被冲走。清理装置是通过在导轨上磨削出局部的楔形部分或颈缩部分而实现的，磨削深度大致等于承载间隙，这样，当滑架跨越楔形部分或颈缩部分时，在滑架的部分长度上承载间隙将大致被翻倍，因此，对重叠于楔形部分或颈缩部分的承载腔来说，其内部截留的颗粒将得以排出。在采用精密仿形磨削技术的情况下，在导轨上磨削出轻微的楔形部分或颈缩部分并不是复杂及高成本的工艺，因此，这里提出的清理装置非常适用于本发明中的形锁合滑架。为实施该清理装置，在该液体静压机床的纵向设计方案中，其行程的一端或两端应加上使清理装置发生作用的附加行程。图19表示清理装置的一实施例，图中的导轨1设有如11所述的安装孔，其端部有楔形部分202，中部有颈缩部分203，为便于表述，图中夸大表示了上述的后两个特征。当滑架2移动到楔形部分202上时，在重叠于楔形部分202的承载腔之内存留的污渣将被冲走。同样，当滑架2f移动到颈缩部分203时，在重叠于颈缩部分203的承载腔之内存留的污渣也将被冲走。使用这种方法时，自补偿滑架的取向应保证供流槽面向所采用的楔形部分或颈缩部分，这样才能使供流槽首先被冲洗。在某些应用场合，滑架在机床台架上的间距足够大，若采取导轨一端用楔形部分且中部用颈缩部分的方案，那么仅仅依靠台架在一侧的行程即可使所有滑架得到冲洗。在其它应用场合，由于不期望发生上述重叠而无法采用颈缩部分，因此必须在导轨两端同时设置楔形部分，这就需要台架涉足其行程的每一端以冲洗所有的承载架。
本领域专业人士还可能发现本发明的其它一些变化型，所有这些变化型应被纳入由所附权利要求限定的本发明思路及范围之内。