CN101561013B - 一种主动控制气体轴承姿态的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动控制气体轴承姿态的装置，该装置包括随动气体轴承和主动气体轴承，二者上下相对安装，两个气体轴承通过压缩弹簧隔开并预紧，压缩弹簧的两端分别通过球形关节与两个气体轴承连接；两个气体轴承的四个角上均装有上、下位置相对的圆柱，各圆柱均为磁性材料，随动气体轴承上的四个圆柱上均绕有线圈。该装置通过改变线圈的通电电流大小来改变各对圆柱间的吸力大小，从而可以灵活调整主动轴承的姿态，以适应不同工况的要求。

Description

一种主动控制气体轴承姿态的装置
技术领域
本发明属于气体轴承技术，具体涉及一种主动控制气体轴承姿态的装置。
背景技术
由于气体这种流体本身具有粘度低，可压缩性等特性，因此以气体为润滑介质的气体轴承具有①摩擦损耗小，速度高且高速运动温升小；②运动平滑，精度高，低速运动无爬行；③耐高温、低温及原子辐射的能力；④无污染，寿命长，结构简单等优点，所以气体润滑技术广泛应用于超精密加工领域。特别地，目前的超精密定位工作台(定位精度达到微米级乃至纳米级)绝大部分都是基于气浮支承技术和直线电动机驱动技术的。
但是气体轴承具有承载小、刚度低，可靠性差，制造精度高、造价贵等缺点。因此，在工程应用中，需要采取各种措施来克服这些缺点，以提高工作台的精度和可靠性，降低制造成本。
另外，传统的精密工作台沿运动方向的直线度误差主要由气浮导轨的直线度和平整度决定，不具备误差补偿环节，因此对导轨的制造精度要求很高，成本相应也很高，并且工作台运动的直线度误差很难控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动控制气体轴承姿态的装置，该装置可以灵活调整主动轴承的姿态，并提高轴承的稳定性和承载能力。
本发明提供的主动控制气体轴承姿态的装置，其特征在于：该装置包括随动气体轴承和主动气体轴承，二者上下相对安装，两个气体轴承通过压缩弹簧隔开并预紧，压缩弹簧的两端分别通过球形关节与两个气体轴承连接；两个气体轴承的四个角上均装有上、下位置相对的圆柱，各圆柱均为磁性材料，随动气体轴承上的四个圆柱上均绕有线圈。
本发明装置装有两个相对的气浮轴承，两个轴承在运动过程中保持同步。下面的主动轴承用来承受外部载荷，上面的随动轴承跟随主动轴承运动；两轴承靠中心的高刚度压缩弹簧隔开。主动和随动轴承之间设有四对相互吸引的磁性圆柱，通过调整各对圆柱间的吸力大小，从而可以灵活调整主动轴承的姿态。具体而言，本发明具有以下技术特点：
(1)通过灵活适当地调整主动轴承的姿态，可以提高轴承在高速运动下的承载能力，也可以进行误差补偿，降低运动中的直线度误差，降低导轨的制造成本，另外还可以提高轴承的稳定性。
(2)当装置高速运动时，分别控制各对圆柱间吸力，调整轴承姿态，使主动轴承的气膜间隙变成楔形间隙，以形成动压分布，主动轴承变成动压、静压结合，提高轴承的承载能力。
(3)通过先测量整个装置在运动过程中的直线度误差，然后可以根据所测得的误差实时调整轴承的姿态，进行误差补偿。这样，可以降低对气浮导轨的直线度和平整度要求，降低其制造成本，而且还可以降低工作台在运动方向上的直线度误差。
(4)本发明装置可以通过调整姿态来有效地避免轴承发生“气锤”现象(气体轴承的一种自激振动)，提高轴承的稳定性。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为装置向右高速运动时轴承姿态调节示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明装置的结构为：气体轴承5、5’上、下相对安装，上轴承5’是随动轴承，下轴承5是主动轴承，两轴承通过大刚度压缩弹簧13隔开并预紧，大的预紧力使主动和随动轴承的气膜厚度保持在一定范围内，在此范围内轴承有大的刚度。压缩弹簧13的两端固连在球形关节6、6，的球体上，球形关节6、6’的球体分别安装在主动轴承5和随动轴承5’的球窝14、14’内，两轴承可绕球形关节转动。主动轴承5上表面的四个角上装有四个圆柱1、2、3、4，随动轴承5’下表面的四个角上装有四个圆柱1’、2’、3’、4’，且圆柱1、2、3、4分别和圆柱1’、2’、3’、4’相对，所有圆柱的材料均是磁性的(如铁镍合金)。随动轴承5’的四个圆柱1’、2’、3’、4’上分别绕有线圈9、10、11、12，线圈9、10、11、12分别通有电流I1、I2、I3、I4，可以通过控制通电电流I1、I2、I3、I4的大小，来改变两轴承间相对的四对圆柱的吸力的大小。整个装置沿气浮导轨7、7’滑动，气浮导轨的平整度、直线度要求比较高；轴承5、5’和导轨7、7’之间形成了气膜间隙8、8’，气膜间隙内存在气压分布以承受外载，其厚度一般在10μm左右。
如图2，当整个装置向右高速运动时，圆柱3’、4’上的线圈11、12分别通以较小的电流I3、I4，圆柱1’、2’上的线圈9、10分别通以较大的电流I1、I2，因此圆柱对3和3’、4和4’之间的吸力较小，圆柱对1和1’、2和2’之间的吸力较大，主动轴承将呈现如图2所示的姿态，气膜间隙变为如图所示的楔形间隙(左高右低)。运动过程中楔形间隙内将形成动压气膜，装置的速度越高，动压就越大。主动轴承变成动压、静压结合，即混合轴承，承载能力加大。而当装置向左运动时，电流I1、I2较小，I3、I4较大，楔形间隙变为左低右高，以形成动压。
当装置低速运动时，或者负载很小时，四个线圈中通以相同大小的电流，四个圆柱对的吸力大小相同，气膜间隙将保持平行，动压不起作用，此时主动轴承是静压轴承。
所有电流的大小由控制系统控制，通过对线圈输入不同的通电电流，控制四对圆柱吸力的大小，使主动轴承绕球形关节呈现不同的姿态，以适应不同工况的要求。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种主动控制气体轴承姿态的装置，其特征在于：该装置包括随动气体轴承和主动气体轴承，二者上下相对安装，两个气体轴承通过压缩弹簧隔开并预紧，压缩弹簧的两端分别通过球形关节与两个气体轴承连接；主动气体轴承上表面的四个角上装有四个圆柱，随动气体轴承下表面的四个角上装有四个圆柱，且主动气体轴承的四个圆柱分别和随动气体轴承的四个圆柱相对，各圆柱均为磁性材料，随动气体轴承上的四个圆柱上均绕有线圈。
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