精密空气静压导轨组件的气动平衡设计

　　1　综述

　　三坐标测量机是近几十年发展起来的高效率的新型精密测量仪器,它的通用性强、测量范围广、精度高、性能好、能与柔性制造系统相连接等优点,因此使其具有了很广泛的发展前景。随着科学技术的发展,对部件的运动精度要求越来越高,由于在水平方向上主要克服导轨的摩擦力,而在本次研制的实验台采用空气静压导轨其摩擦系数接近零,所以对电机的带负载能力要求不会太高,而在竖直方向上由于部件的重力与运动方向一致,所以电机的驱动力不但要克服摩擦力,还要克服重力的影响,所以对其带负载能力有着更高的要求。这对于要求精度高、速度低、运动平稳的滑动导轨是不利的。国外样机及国内设计的三坐标测量机所采用的Z轴平衡系统可分为重力平衡、弹力平衡和空气平衡系统3大类。重力平衡系统是砝码产生的力矩大小与Z轴重力产生的恒力矩相等,方向相反从而达到平衡的效果,但是增加了系统的质量和体积,是运动部件的摩擦力和惯性增大,而且装调也不方便;弹性平衡系统是用弹簧的拉力代替重力来平衡铅直运动部件的重力,其缺点是主要件凸轮的加工和检测等工艺比较复杂;空气平衡系统克服了重力和弹力平衡系统的缺点,它是通过改变气缸左右的气室压力之一,利用它们之间的差值,就可以使Z轴系统的重量得到很好的平衡。根据平衡气缸的位置的不同,可将空气平衡系统分为外置和内置2种形式。

　　本文设计了一套能模块化并能在精密加工及专用检测装置上使用的空气静压导轨组件(如图1所示),其包括安装机架及平台、导轨、滑架、扭轮摩擦传动系统和气缸平衡系统等部件。因此扭轮摩擦传动系统和气动平衡系统这2个组件是这次设计的核心,本篇论文就气动平衡系统加以论述。

　　2　气动平衡系统工作原理及其计算

　　2.1　平衡系统原理和结构

　　在立卧式空气静压导轨的设计中,由于立放时导轨处于铅直方向,因此对于Z轴需要一与运动部件重量相同的反向平衡力,以避免Z轴自行坠落,同时使部件沿导轨上下移动时应该轻便平稳,停止时应该可靠稳定。因此,平衡系统必须满足无论移动部件在任何工作位置时,平衡力的大小和方向应始终保持不变。

　　空气平衡系统工作原理如图2a所示。从图2a中可以看出,只需改变气缸左右气室压力p1和p2之一,就可以利用它们的差值,使滑架的质量得到很好的平衡。在滑架上所带的质量发生变化时,只要适当改变p1或p2就可以使之恢复平衡,而且可以连续调节。但该系统也有一些缺点,一是轴向尺寸太大;二是有定位现象。活塞与滑架是刚性连接,因活塞与气缸之间只有很小的间隙,当气缸相对于导轨有安装偏心或倾斜时,就会造成对导轨的干涉。