一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统

摘要

本发明公开的油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，包括：底座、止推板组件、溜板、压力盖板、温度传感装置和位移传感装置；底座、止推板组件和溜板构成主油膜腔；温度传感装置采集主油膜腔的温度数据；压力盖板与止推板组件构成辅助油膜腔，位移传感装置采集辅助油膜腔处止推板组件的位移数据进而得到主油膜的厚度数据；基于主油膜的温度和厚度的实时数据，调节辅助油膜腔的压力和流量，而不改变主油膜腔的压力和流量，这样即可在实现控制主油膜厚度的同时保证静压导轨的承载能力和刚度。通过控制辅助油膜来间接控制主油膜，既实现了主油膜的控制，又避免了导轨的刚度和负载能力的变化。

权利要求

1.一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于，包括：底座（1）、止推板组件（2）、溜板（4）、压力盖板（6）、温度传感器（7）和位移传感器（8）；

止推板组件（2）安装在底座（1）上方，底座（1）与止推板组件（2）共同形成左右对称的第一导轨（90）和第二导轨（91），溜板（4）在第一导轨（90）和第二导轨（91）内滑动；底座（1）、止推板组件（2）和溜板（4）构成主油膜腔（3）；温度传感器（7）采集主油膜腔的温度数据； 压力盖板（6）安装在止推板组件（2）上方；压力盖板（6）与止推板组件（2）构成辅助油膜腔（5），位移传感器（8）采集辅助油膜腔（5）处止推板组件（2）的位移数据；

在第一导轨（90）和第二导轨（91）内，底座（1）含有导轨的表面上设置凹槽作为下主油膜腔（31），下止推板（22）含有导轨的侧面上设置凹槽作为侧主油膜腔（32）；所述下主油膜腔（31）至少设置2组，所述侧主油膜腔（32）至少设置2组；

在上止推板（21）上方和压力盖板（6）下方分别对应设置相同规格的凹槽作为辅助油膜腔（5），所述辅助油膜腔（5）至少设置2组；

下主油膜腔（31）、侧主油膜腔（32）和辅助油膜腔（5）的四周设有相同宽度封油边（10）。

2.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于，所述止推板组件（2）包括两个对称的上止推板（21）和两个对称的下止推板（22），底座（1）左右两侧各安装一组上止推板（21）和下止推板（22），底座（1）左侧的上止推板（21）、下止推板（22）及底座（1）形成半包围“C”型结构作为第一导轨（90），底座（1）右侧的上止推板（21）、下止推板（22）及底座（1）形成半包围“C”型结构作为第二导轨（91）。

3.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于，辅助油膜腔（5）四周的压力盖板（6）和上止推板（21）上设有完全包围辅助油膜腔的矩形凹槽（11），压力盖板（6）与上止推板（21）的矩形凹槽（11）通过橡胶密封条（12）密封；

上止推板（21）的辅助油膜腔（5）封油边的边缘设有2mm宽的非全周通槽（14）。

4.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于，压力盖板（6）上构成辅助油膜腔（5）的凹槽均设有压力盖板进油孔（61），压力盖板进油孔（61）末端与辅助油膜腔（5）连接处设有节流塞（62）。

5.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于，溜板（4）与第一导轨（90）和第二导轨（91）之间的间隙为10μm‑40μm。

6.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于：在相邻两组辅助油膜腔（5）的中间垂直方向设置位移传感器（8），位移传感器（8）测头与上止推板（21）接触。

7.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于：在第一导轨（90）和第二导轨（91）的其中一个下主油膜腔（31）设置温度传感器（7），温度传感器（7）测头与下主油膜腔（31）平面齐平。

8.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于：所述底座（1）和止推板组件（2）内部设有进油孔（15），进油孔（15）通有相同压力液压油。

9.根据权利要求1所述的一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，其特征在于，还包括：上联板（16）、下联板（17）和加强块（13）；

所述加强块（3）贯穿溜板（4），加强块（13）顶部连接上止推板（21）、底部连接底座（1）；

所述上联板（16）和下联板（17）都与底座（1）、止推板组件（2）和压力盖板（6）连接。

说明书

一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光学零件超精密加工设备技术领域，具体涉及一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统。

背景技术

[0002] 液体静压导轨是一种将具有压力的液压油，经节流器输入到导轨工作面的油腔，形成压力油膜，使导轨面之间形成纯液体摩擦的直线运动导轨。与传统的直线导向装置相
比，它具有工作速度范围宽、运动精度高、摩擦系数小、驱动功率低、工作寿命长和动静刚度
良好等特点。基于此，液体静压导轨在精密加工、超精密加工和测量领域应用非常广泛。

[0003] 静压导轨一般是由底座、止推板和溜板组成，三者共同作用形成压力油膜。压力油膜的厚度对整个导轨的刚度和承载能力具有重要影响，进而影响工件加工的精度，因此保
证精确的油膜厚度十分关键。影响油膜厚度的主要因素包括：1）液压油压力下导轨的结构
变形；2）长时间运动摩擦后液压油粘度的降低及导轨的热变形；3）导轨加工和装配误差；4）
导轨的负载变化。目前在工程中，为保证最佳初始设计油膜厚度，一般有以下几种方法：1）
在设计阶段增大结构尺寸抵抗高压油膜作用下的结构变形；2）在设计阶段补偿压力和温度
作用下导轨的变形，减小初始油膜间隙，平衡变形；3）增设散热流道，减小热变形。

[0004] 以上被动控制的方法可以在初始设计状态保证合适的油膜厚度。然而，液压导轨的使用场景是一个动态的过程，液压油粘度和负载时刻发生变化。以粘度为例，在加工过程
中油腔温度升高，液压油粘度下降，进而引起刚度和承载能力变化，导致不同温度所对应的
最佳油膜厚度不同。因此，主动控制成为液体静压导轨油膜厚度调节的新方法，目前油膜主
动控制的方法一般有：1）基于位移反馈的流量闭环控制方法；2）基于压力反馈的流量闭环
控制方法；3）基于位移反馈的压力和流量闭环控制方法；4）基于位移和温度反馈的压力和
流量闭环控制方法。

[0005] 主动控制的方法能够在液压导轨的整个工作过程中对油膜的厚度进行控制，既能保证固定厚度的油膜，又能根据环境及使用状况对油膜厚度进行变化调节。但是以上主动
控制方法主要是通过直接改变导轨油腔内的压力或者流量作为实施手段，在实现油膜厚度
控制的同时，导轨原始设计中的油腔压力和流量发生变化，导致导轨的刚度和负载能力也
发生了变化。

发明内容

[0006] 本发明提供一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，通过在液压导轨的上止推板外侧增加压力盖板，上止推板和压力盖板形成辅助油膜腔，基于工作过程中的压力和
温度反馈，调节辅助油膜腔的压力和流量，从而不改变主油膜腔的压力和流量，同时保证静
压导轨的承载能力和刚度，实现主油膜厚度的控制。

[0007] 本发明通过下述技术方案实现：

[0008] 本发明提供一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，包括：底座、止推板组件、溜板、压力盖板、温度传感器和位移传感器；

[0009] 止推板组件安装在底座上方，底座与止推板组件共同形成左右对称的第一导轨和第二导轨，溜板在第一导轨和第二导轨内滑动；底座、止推板组件和溜板构成主油膜腔；温
度传感器采集主油膜腔的温度数据；压力盖板安装在止推板组件上方；压力盖板与止推板
组件构成辅助油膜腔，位移传感器采集辅助油膜腔处止推板组件的位移数据。

[0010] 本方案工作原理：本发明提供的油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，在传统静压导轨的基础上，在底座上设有温度传感器采集主油膜的温度数据，并设有位移传感器
采集止推板组件的位移数据，通过止推板组件的位移数据获得主油膜厚度的实时数据。基
于主油膜的温度和厚度的实时数据，调节辅助油膜腔的压力和流量，而不是改变主油膜腔
的压力和流量，这样即可实现控制主油膜厚度的同时保证了静压导轨的承载能力和刚度。
现有技术中的主动控制方法主要是依据外界使用环境和使用状况对主油膜厚度进行变化
调节，并没有考虑到主油膜腔内的实际情况，另外在进行主动控制时，改变的对象是主油
膜；由于主油膜的厚度直接影响着导轨的刚度和负载能力，因此直接改变主油膜厚度会导
致导轨原始设计中的油腔压力和流量发生变化，导致导轨的刚度和负载能力也发生了变
化。而本技术方案中调节的对象是辅助油膜，通过控制辅助油膜来间接控制主油膜，既实现
了主油膜的控制，又避免了导轨的刚度和负载能力的变化。

[0011] 进一步优化方案为，所述止推板组件包括两个对称的上止推板和两个对称的下止推板，分别在底座左右两侧各安装一组上止推板和下止推板，底座左侧的上止推板、下止推
板及底座形成半包围“C”型结构作为第一导轨，底座右侧的上止推板、下止推板及底座形成
半包围“C”型结构作为第二导轨。

[0012] 进一步优化方案为，在第一导轨和第二导轨内，底座含有导轨的表面上设置凹槽作为下主油膜腔，下止推板含有导轨的侧面上设置凹槽作为侧主油膜腔；所述下主油膜腔
至少设置2组，所述侧主油膜腔至少设置2组；

[0013] 在上止推板上方和压力盖板下方分别对应设置相同规格的凹槽作为辅助油膜腔，所述辅助油膜腔至少设置2组；

[0014] 下主油膜腔、侧主油膜腔、和辅助油膜腔的四周设有相同宽度封油边。

[0015] 进一步优化方案为，辅助油膜腔四周的压力盖板和上止推板上设有完全包围辅助油膜腔的矩形凹槽，压力盖板与上止推板的矩形凹槽通过橡胶密封条密封；

[0016] 上止推板的辅助油膜腔封油边的边缘设有2mm宽的非全周通槽。

[0017] 压力盖板与上止推板之间存在初始间隙，在通油时形成辅助油膜，辅助油膜的液压油通过上止推板的非全周通槽与主油膜的液压油共同溢流回油箱。

[0018] 压力盖板的边缘处设有矩形凹槽，矩形凹槽内设有密封橡胶条，与上止推板装配后形成密封条件，防止液压油外泄。

[0019] 进一步优化方案为，压力盖板上构成辅助油膜腔的凹槽均设有压力盖板进油孔，压力盖板进油孔末端与辅助油膜腔连接处设有节流塞。

[0020] 进一步优化方案为，溜板与第一导轨和第二导轨之间的间隙为10μm‑40μm。

[0021] 进一步优化方案为，在相邻两组辅助油膜腔的中间垂直方向设置位移传感器，位移传感器测头与上止推板接触。

[0022] 进一步优化方案为，在第一导轨和第二导轨的其中一个下主油膜腔设置温度传感器，温度传感器测头与下主油膜腔平面齐平。

[0023] 进一步优化方案为，所述底座和止推板组件内部设有进油孔、进油孔通有相同压力液压油。

[0024] 进一步优化方案为，还包括：上联板、下联板和加强块；

[0025] 所述加强块贯穿溜板，加强块顶部连接上止推板、底部连接底座；

[0026] 上联板和下联板都与底座、止推板组件和压力盖板连接。

[0027] 为减小静压导轨上止推板悬臂梁结构所带来的油膜厚度不均匀，在溜板运动方向的端部设有下联板和上联板，与止推板形成闭式框架结构，降低导轨的静态变形；且通过在
溜板运动方向上的中部左右两侧开设通槽，加强块通过两个通槽将压力盖板、上止推板和
底座连接，对油膜形成全封闭结构，减小油膜厚度的不均匀性。

[0028] 导轨通油后，通过位移传感器测头检测上止推板的位移数据，从而得到主油膜的厚度，与初始油膜设计厚度进行对比，控制电控减压阀对压力盖板与上止推板之间辅助油
膜腔的出油压力，补偿因第一导轨和第二导轨主油腔对导轨的压力而产生的变形。运动过
程中，液压油温度上升，与之对应的最佳油膜厚度发生变化，且由于液压油的温升，导轨因
与液压油的热传导产生热变形。基于温度与粘度的关系以及粘度与刚度和承载力的关系，
控制电控减压阀对压力盖板与上止推板之间辅油腔的出油压力，再通过位移传感器反馈上
止推板的位移，对主油膜厚度形成闭环控制。通过在液压导轨的上止推板外侧增加压力盖
板形成辅助油膜腔，基于压力和温度反馈，调节辅助油膜腔的压力和流量，从而在不改变主
油膜腔压力和流量的同时保证承载能力和刚度，实现主油膜厚度的控制。

[0029] 综上所述，本发明具有优异的油膜厚度动态调控能力,实现在整个加工过程中油膜处于最佳厚度范围，保证刚度和承载能力，并降低整体的结构尺寸。在压力盖板提供额外
压力的情况下，降低初始设计以及装配的难度，设计阶段可以忽略导轨在液压油下的初始
变形，使整个导轨加工和装配时具有更高的容差能力。

[0030] 本发明具有如下的优点和有益效果：

[0031] 1、与传统的液体静压导轨相比，本发明提供的油膜厚度主动可控的液体静压导轨系统，在上止推板上设有压力盖板构成辅助油膜腔，通过主动改变辅助油膜腔内部液压油
压力进而改变主油膜厚度，同时可以抵消结构由于液压油压力以及发热所带来的导轨变
形，使导轨工作在最佳油膜间隙，保证了导轨的承载能力和刚度；

[0032] 2、传统静压导轨为克服高压液压油所导致的结构形变，导轨设计尺寸较大，本发明以压力盖板的较大变形来保证上止推板和溜板之间的油膜厚度，从而降低整体的结构尺
寸，以较小的体积实现高刚度和高负载。

附图说明

[0033] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

[0034] 图1为本发明的油膜厚度主动的可控液体静压导轨系统结构示意图；

[0035] 图2为本发明的油膜厚度主动的可控液体静压导轨进油孔位置结构示意图；

[0036] 图3为本发明的油膜厚度主动的可控液体静压导轨传感器安装位置示意图；

[0037] 图4为本发明的底座结构示意图；

[0038] 图5为本发明的压力盖板结构示意图；

[0039] 图6为本发明的上止推板结构示意图；

[0040] 图7为本发明的上止推板结构示意图；

[0041] 图8为本发明的下止推板结构示意图；

[0042] 图9为本发明的溜板结构示意图；

[0043] 图10为本发明的导轨的组成结构示意图。

[0044] 附图中标记及对应的零部件名称：

[0045] 1‑底座，2‑止推板组件，21‑上止推板，22‑下止推板，3‑主油膜腔，31‑下主油膜腔，32‑侧主油膜腔，4‑溜板，5‑辅助油膜腔，6‑压力盖板，61‑压力盖板进油孔，62‑节流塞，7‑温
度传感器，8‑位移传感器，90‑第一导轨，91‑第二导轨， 10‑封油边，11‑矩形凹槽，12‑橡胶
密封条， 13‑加强块，14‑非全周通槽，15‑进油孔，16‑上联板，17‑下联板。

具体实施方式

[0046] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。

[0047] 实施例1

[0048] 如图1和所示，本实施例提供了一种油膜厚度主动可控的液体静压导轨，底座1上设有溜板4、止推板组件2和加强块13。其中底座1与止推板组件2共同形成左右对称的第一
导轨90和第二导轨91，分布于底座1两侧，第一导轨90与第二导轨91均各自形成半包围“C”
型结构。在上止推板21正上方设有压力盖板6。

[0049] 溜板4的结构如图9所示，溜板4的第一导轨滑动面与第一导轨90之间的间隙为10μm‑40μm。

[0050] 溜板4的第二导轨滑动面与第二导轨91之间的间隙为10μm‑40μm。

[0051] 底座1和止推板组件内部设有导轨进油孔，通有相同压力液压油。

[0052] 底座1结构如图4所示；

[0053] 底座1、止推板组件2和压力盖板6使用螺栓连接，螺纹位于底座1左右两边，止推板组件2设有通孔，压力盖板6设有沉头孔。

[0054] 底座1和止推板组件2的第一导轨90和第二导轨92中的分别设有下主油膜腔31，侧主油膜油腔32，每个油膜腔四周具有相同宽度封油边10。

[0055] 如图6和图7所示，上止推板21每个辅助油膜腔的封油边的边缘设有2mm宽非全周通槽14，可使整个上止推板21上的油腔处变形均衡，使油膜厚度趋于一致。非全周通槽14还
可以作为回油流道与静压导轨中的液压油一起流回油箱。

[0056] 如图5所示，压力盖板6设有与在上止推板21油膜垂直投影后相同大小的凹槽和封油边10作为辅助油膜腔5。

[0057] 封油处上止推板21和压力盖板6的间隙为25μm。压力盖板6与上止推板21的接触面设有可以完全包围油膜的矩形凹槽11，矩形凹槽11内设有橡胶密封条12，用来防止液压油
外泄。

[0058] 如图2所示，压力盖板6每个油腔均设有压力盖板进油孔61，压力盖板进油孔61孔口末端与油腔连接处设有节流塞62。节流塞62对压力盖板进油孔中的压力进行节流，使压
力接近于导轨中油腔压力，避免上止推板两面的压差过大导致反向变形，接近油腔压力还
可以使压力盖板具有更宽的调节范围。

[0059] 如图3所示，压力盖板6上的两油膜腔中间垂直方向设有位移传感器8，使用位移传感器8自带螺纹与压力盖板6连接。位移传感器8的测头与上止推板21接触。压力盖板6与上
止推板21在位移传感器8测头四周设有密封结构，在上止推板21和位移传感器接触位置设
有圆形凹槽，圆形凹槽内装有橡胶密封圈保证位移传感器不与油膜直接接触。通过位移传
感器8检测导轨在初始通油后的形变以及加工过程中的热变形产生的位移数据进而控制电
控减压阀调整输出压力，抵消变形所带来的主油膜厚度的变化，使油膜厚度趋向初始设定
值。

[0060] 实施例2

[0061] 如图10所示，在实施例1的基础上进一步优化，底座1在溜板4运动方向的中间部分于第一导轨90和第二导轨91与上止推板21悬臂处中部设有加强块13。

[0062] 底座1在溜板4运动方向的端部设有下联板17和上联板16。上联板16和下联板17分别使用螺栓与底座1、止推板21和压力盖板6连接。溜板4在其运动方向的中部的左右两侧设
有贯通槽，加强块13从槽中穿过且不接触。

[0063] 底座1、加强块13、上止推板21和压力盖板6使用螺栓连接。加强块13、上联板16和下联板17的共同作用使第一导轨滑动面和第二导轨滑动面形成力封闭结构，有利于形成均
匀厚度油膜，提高导轨的承载特性。

[0064] 底座1的第一导轨90其中一个油腔和第二导轨91其中一个油腔分别设有一个垂直于油腔的通孔，孔内设有温度传感器7，使用传感器自带螺纹连接，温度传感器7测头与油腔
平面齐平。使用温度传感器7可以额外考虑液压油温度对油膜承载能力和刚度的影响，使油
膜厚度处于最佳间隙。

[0065] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。