一种真空负压的气体静压超精密导轨 【技术领域】
本发明与超精密导轨及定位技术和装置有关，属于精密测量、超精密加工、微型机械和纳米技术等技术领域。
背景技术
精密导轨是精密定位系统的基础和关键。气体静压精密导轨因其精度高，清洁等特点，在现代精密测量、超精密加工、微型机械和纳米技术等技术领域已获得广泛应用。气体静压精密导轨有闭式和开式两种类型。
现有的闭式气体静压导轨原理如图1a和图1b所示。图1a和图1b中，1为滑块，2为导轨，3为导轨垫。滑块1通过压缩气体气膜浮于导轨2上，形成封闭式气体静压导轨，方向相反的压缩气体气压形成平衡，维持滑块与导轨的固定间隙，保证导轨的导向精度。
现有的闭式气体静压导轨，受导轨自重、滑块重量和滑块承载物重量的影响，导轨易产生弯曲变形，影响精度。滑块位置的变化导致导轨受力点改变，导轨变形也发生改变，导轨的精度保持性差。
真空负压的气体静压精密导轨和磁力吸附的气体静压精密导轨是现有的开式气体静压导轨比较普遍的两种形式。现有的真空负压气体静压精密导轨的原理如图2所示。图2中，4为滑块，5为导轨，箭头a和b为真空负压气流，其余箭头表示压缩气体气流方向。图2中滑块4通过压缩气体气膜浮于导轨5上，真空负压气流a和b形成真空吸附力，该真空吸附力与滑块重量、承载物重量和压缩气体气压保持平衡，维持滑块与导轨的固定间隙，保证导轨的导向精度。
磁力吸附气体静压精密导轨的原理如图3a和图3b所示。图3a和图3b中，6为滑块，7为导轨，8为磁极S，9为磁极N，箭头表示压缩气体气流方向。图3a和图3b中滑块6通过压缩气体气膜浮于导轨7上，极性相反的两磁极8和9形成吸引磁力，该吸引磁力、滑块重量、承载物重量和压缩气体气压保持平衡，维持滑块与导轨的固定间隙，保证导轨的导向精度。
现有的真空负压气体静压导轨和磁力吸附气体静压精密导轨，因滑块的非封闭结构特点，滑块刚度低，滑块变形致使导轨的精度保持性差。现有真空负压气体静压导轨不能保证热对称，受热变形对导向精度影响大。
综上所述，研究一种滑块刚度高，导向精度不受导轨重量、滑块重量和承载物重量影响的超精密导轨是必要的。
【发明内容】
本发明的目的在于，通过提供一种真空负压的气体静压超精密导向原理，设计一种刚度高，导向精度不受导轨重量、滑块重量和承载物重量影响的真空负压的气体静压超精密导轨。
就导轨的结构和导向原理而言，它是在导轨的两侧面形成静压气浮导向，两侧气浮力方向相反，保持平衡，维持滑块与导轨侧面的固定间隙；滑块的底平面设计为气浮导向面，并在该气浮导向面上设计有真空腔，通过真空发生与调节装置产生真空吸附力，此真空吸附力、滑块重力、承载物重力和压缩气体气压保持平衡，维持滑块与基座上表面的固定间隙，保证导轨的导向精度。
本发明的技术方案如示意图图4a和图4b所示，本发明的一种真空负压的气体静压超精密导轨结构，导轨通过导轨垫固定在基座上表面上；滑块环抱在导轨上，导轨的两侧面与滑块的内侧面间存在压缩气体气膜间隙，形成静压气浮状态；滑块的下底面上有压缩气体气流小孔和真空腔，滑块内有真空吸附气流孔；
其特征在于：滑块设计为对称的封闭式结构，真空腔与滑块具有相同的对称中心线；滑块和基座上表面间存在压缩气体气膜间隙；导轨的上表面和滑块的内上表面间隙尺寸为c，导轨的下表面和滑块的内下表面间隙尺寸为d；c和d为不小于导轨自身重量导致的变形量。
本发明的导向精度保证特点是，滑块10沿X轴运动，滑块10绕X轴、Y轴和Z轴轴线的转动以及沿Y轴和Z轴的移动是决定导向精度的关键因素；承载物的重力作用于滑块10上，滑块10的底平面与基座上表面间因压缩气体形成的气膜而产生气浮力，由于真空发生与调节装置的作用，真空腔13使滑块10的底平面与基座上表面间形成真空吸附力，此真空吸附力、气浮力、滑块重力、承载物重力间保持平衡，维持滑块10与基座上表面的固定间隙，限制滑块10沿Z轴移动和绕X和Y轴的转动；滑块10环抱在导轨11上，导轨11的两侧面与滑块10内侧面形成静压气浮状态，方向相反的压缩气体气压形成平衡，维持滑块10与导轨11的固定间隙，限制滑块10沿Y轴移动及绕X轴和Z轴的转动；前述移动和转动限制提高了导向精度。
滑块10的内上表面没有压缩气体气流小孔，因而不与导轨11的上表面间形成压缩气体气膜；滑块10的内下表面没有压缩气体气流流向导轨11地下表面，因而不与导轨11的下表面间形成压缩气体气膜。导轨11的上表面和滑块10的内上表面间隙尺寸c被设计为不小于导轨11自身重量导致的变形量，导轨11的下表面和滑块10的内下表面间隙尺寸d被设计为不小于导轨11因自身重量导致的变形量，避免滑块10的重量作用于导轨11上，从而避免了滑块10的重量和承载物重量使导轨11产生弯曲变形；导轨11自身重量产生的变形不因滑块10在X轴的位置变化而发生变化，致使导向精度保持性好。
滑块10设计为对称的封闭式结构，形成对称的力变形和热变形，滑块10的刚度高。
本发明的真空负压气体静压超精密导轨，与现有的气体静压导轨相比，具有以下明显的优势和有益效果：
1，滑块重量和承载物重量直接作用于基座高精度表面上，导轨的导向精度不受滑块重量和承载物重量的影响；
2，导轨的导向精度不受滑块位置变化的影响，精度保持性好；
3，滑块为封闭式结构，刚度高；
4，形成力对称和热对称结构，受力变形和受热变形对导轨的精度影响小。
【附图说明】
图1a为传统的闭式气体静压导轨原理示意图；
图1b为图1a沿A-A的剖视图；
图1a和图1b中，1为滑块，2为导轨，3为导轨垫。
图2为传统的真空负压气体静压精密导轨原理示意图；
图2中，4为滑块，5为导轨
图3a为传统的磁力吸附气体静压精密导轨示意图；
图3b为图3a的左视图；
图3a和图3b中，6为滑块，7为导轨，8为磁极S，9为磁极N，
图4a为本发明的真空负压气体静压超精密导轨示意图；
图4b为图4a的沿B-B的剖视图；
图4c为图4b的C向视图。
图4a，图4b和图4c中：10为滑块，11为导轨，12为导轨垫，13为真空腔，14为真空吸附气流孔，15为压缩气体气流小孔；c为上间隙尺寸，d为下间隙尺寸，e为导轨11与滑块10的左侧面间隙，f为导轨11与滑块10的右侧面间隙，k为滑块10的底平面与基座上表面的气膜间隙，箭头所指方向为气流方向。
【具体实施方式】
下面结合附图4a，图4b，图4c对本发明作进一步说明：
导轨结构说明：导轨11通过导轨垫12固定在基座上表面上；滑块10环抱在导轨11上，导轨11的两侧面与滑块内侧面间维持固定间隙e和f；滑块10气浮于基座上表面，滑块10的下底面上有真空腔13，滑块10和基座上表面间维持固定间隙k；导轨11的上表面和滑块10的内上表面间隙尺寸被设计为c，导轨11的下表面和滑块10的内下表面间隙尺寸被设计为d。
导轨工作原理：滑块10沿X轴运动，滑块10绕X轴、Y轴和Z轴轴线的转动以及沿Y轴和Z轴的移动是决定导向精度的关键因素。承载物的重力作用于滑块10上，滑块10的底平面上的气流小孔内通有流速为300升/分钟、压力达到6bar的压缩气体，滑块10与基座上表面间因压缩气体气膜而产生气浮力，真空发生与调节装置在真空吸附气流孔16处产生一个流速为200升/分钟的气流，从而在真空腔13处抽真空，使滑块10的底平面与基座上表面间形成真空吸附力，此真空吸附力与气浮力、滑块重力、承载物重力间保持平衡，维持滑块10的底平面与基座上表面的固定间隙k，(k值取4～20μm之间的一个数值，本实施例选8μm)，限制滑块10沿Z轴移动和绕X和Y轴的转动；滑块10环抱在导轨11上，滑块10的两内侧面上的气流小孔内通有流速为300升/分钟可调的压缩气体，导轨11的两侧面与滑块10内侧面在压缩气体的作用下形成静压气浮状态，方向相反的压缩气体气压形成平衡，维持滑块10与导轨11的固定间隙e和f，(e和f的值取4～20μm之间的一个数值，本实施例选8μm)，限制滑块10沿Y轴移动及绕X轴和Z轴的转动；前述移动和转动限制提高了导向精度。
滑块10的内上表面没有压缩气体气流小孔，因而不与导轨11的上表面间形成压缩气体气膜；滑块10的内下表面没有压缩气体气流流向导轨11的下表面，因而不与导轨11的下表面间形成压缩气体气膜。导轨11的上表面和滑块10的内上表面间隙尺寸c被设计为不小于导轨11自身重量导致的变形量。本实施例中，计算和实测导轨11因自身重量导致的变形量为12.5μm，c值被设计为10mm。导轨11的下表面和滑块10的内下表面间隙尺寸d被设计为不小于导轨11因自身重量导致的变形量。本实施例中，d值被设计为10mm。这种设计避免了滑块10的重量作用于导轨11上，从而避免了滑块10的重量和承载物重量使导轨11产生弯曲变形；导轨11自身重量产生的变形不因滑块10在X轴的位置变化而发生变化，致使导向精度保持性好。滑块10设计为对称的封闭式结构，形成对称的力变形和热变形，滑块10的刚度高。
滑块10的底部有真空腔13，真空腔的截面形状可以是对称的矩形、六边形或圆形等，本实施例为圆形。真空腔13的上部有真空吸附气流孔14，滑块10的底部有气流小孔15。真空腔13与滑块10具有相同的对称中心线i-i’和j-j’。这种结构设计保证滑块具有力对称和热对称特点，精度保持性好。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。