CN101693365B - 一种空气轴承结构及其实现气膜厚度补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气轴承结构及其实现气膜厚度补偿的方法，该空气轴承结构安装于一气浮工作台与一基座之间形成支撑，空气轴承结构包括：微位移传递机构，装设于气浮工作台与基座之间；补偿气浮垫，面向气浮工作台的底面，装设于微位移传递机构形成的杠杆的一端，工作时该补偿气浮垫与气浮工作台之间形成润滑气膜；工作气浮垫，面向基座的表面，装设于微位移传递机构形成杠杆的另一端，工作时该工作气浮垫与基座表面之间形成润滑气膜；加载机构，用于对空气轴承结构进行加载，使补偿气浮垫与工作气浮垫的工作状态相同；当供气压力变化时，通过微位移传递机构将补偿气浮垫润滑气膜的变化反向叠加到工作气浮垫上，补偿工作气浮垫气膜厚度的变化。

Description

一种空气轴承结构及其实现气膜厚度补偿的方法

技术领域

本发明涉及空气轴承技术，特别是一种具有气膜厚度补偿能力的空气轴承结构及其实现气膜厚度补偿的方法。

背景技术

空气轴承是一项在精密运动台的设计中被广泛应用的技术。其基本原理是在两个非常光滑的表面之间注入高压气体，由于气体具有粘性而在两光滑表面之间形成具有一定压力的润滑气膜，将空气轴承的两表面分离。运动时空气轴承的两表面并不接触，因而具有高速、精密、低摩擦等优点。气浮垫(气足)是空气轴承的一种形式。采用3个或以上气浮垫可支撑一个工作台，在基座表面实现二维运动。公开号为U5623853A名称为“Precision motion stage withsingle guide beam and follower stage”及公开号为EP2037137A2名称为“Stagedevice”的专利文献都采用这种结构。但是由于气体的可压缩性，以及气体的粘性和阻尼作用远小于液体和固体，空气轴承刚度有限，受到扰动后恢复过程较长，抗扰动性能较差。因而在一些精度要求极高的场合，如集成电路检测与修复，晶片磨削加工等，当工作台到达预定位置后，关闭气源，使空气轴承两表面直接接触，从而在保持工作台高速运动能力的同时，获得极高的刚度和抗扰动性能。比如公开号为CN101220836A名称为“精密机械轴承与空气静压轴承联合轴系”的专利文献就是一个例子。

但空气轴承供气压力变化以及关闭气源不可避免地造成润滑气膜厚度的变化。目前还没有很好的办法补偿润滑气膜厚度。对于一个气浮工作台而言，润滑气膜厚度的变化不仅仅造成工作台在高度方向上的变化。由于工作台由3个或以上气浮垫支撑起来，气浮垫的润滑气膜厚度的变化会导致工作台姿态在俯仰、滚转方向上的改变。姿态的改变往往会对工作台的测量系统造成影响，如激光干涉测量系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种空气轴承结构及其实现气膜厚度补偿的方法，解决了供气压力变化乃至关闭气源时气膜厚度变化的补偿问题。

为达到上述目的，本发明提供的空气轴承结构安装于一气浮工作台与一基座之间形成支撑，其特征在于，所述空气轴承结构包括：

一微位移传递机构，装设于所述气浮工作台与所述基座之间；

一补偿气浮垫，面向所述气浮工作台的底面，装设于所述微位移传递机构形成的杠杆的一端，工作时该补偿气浮垫与所述气浮工作台之间形成润滑气膜；

一工作气浮垫，面向所述基座的表面，装设于所述微位移传递机构形成杠杆的另一端，工作时该工作气浮垫与所述基座表面之间形成润滑气膜；

一加载机构，用于对所述空气轴承结构进行加载，使所述补偿气浮垫与所述工作气浮垫的工作状态相同；

当供气压力变化时，通过所述微位移传递机构将所述补偿气浮垫润滑气膜的变化反向叠加到所述工作气浮垫上，补偿所述工作气浮垫气膜厚度的变化。

上述空气轴承结构，其特征在于，所述微位移传递机构是由金属整体切割形成的平行四边形加杠杆机构。

上述空气轴承结构，其特征在于，所述微位移传递机构进一步包括：

一安装面，其在安装时紧贴所述气浮工作台的下表面；

一杠杆，其一端与所述补偿气浮垫的下表面形成活动连接，另一端与所述工作气浮垫上表面形成活动连接；

四个柔性铰链，其与所述杠杆形成所述平行四边形机构。

上述空气轴承结构，其特征在于，所述杠杆的一端形成有一锥孔，该锥孔内设置一钢球，通过该钢球使得该杠杆与所述补偿气浮垫形成活动连接，所述钢球的球心与形成所述平行四边形机构的底边的两个铰链共线，且垂直于微动方向。

上述空气轴承结构，其特征在于，所述杠杆的另一端形成有螺纹孔，通过在该螺纹孔装设的一球头螺杆，使得所述杠杆与工作气浮垫形成活动连接。

上述空气轴承结构，其特征在于，所述杠杆连接所述工作气浮垫和连接所述补偿气浮垫的臂长相等，且所述工作气浮垫与所述补偿气浮垫各项参数一致。

上述空气轴承结构，其特征在于，还包括一平板，固定装设于所述气浮工作台的下方，以提供所述补偿气浮垫所需的光滑平面，工作时，所述平板与所述补偿气浮垫之间形成润滑气膜。

上述空气轴承结构，其特征在于，所述加载机构包括一加载螺钉及套装于该加载螺钉上的一加载弹簧，装有该加载弹簧的该加载螺钉穿设于所述气浮工作台及所述微位移传递机构的所述安装面。

上述空气轴承结构，其特征在于，在所述工作气浮垫上还设置有一限定所述球头螺杆的球头的限位圈。

本发明进一步提供了一种应用上述的空气轴承结构实现气膜厚度补偿的方法，其特征在于，包括：

提供一微位移传递机构，装设于所述气浮工作台与所述基座之间；

提供一补偿气浮垫，面向所述气浮工作台的底面，装设于所述微位移传递机构的一端，工作时该补偿气浮垫与所述气浮工作台之间形成润滑气膜；

提供一工作气浮垫，面向所述基座的表面，装设于所述微位移传递机构的另一端，工作时该工作气浮垫与所述基座表面之间形成润滑气膜；

提供一加载机构进行加载使所述补偿气浮垫与所述工作气浮垫的工作状态相同，形成与所述工作气浮垫相同的润滑气膜；

当供气压力变化时，通过所述微位移传递机构将所述补偿气浮垫润滑气膜的变化反向叠加到所述工作气浮垫上，补偿所述工作气浮垫气膜厚度的变化。

上述气膜厚度补偿方法，还包括增设一平板于气浮工作台与补偿气浮垫之间的步骤，用于为补偿气浮垫提供其所需的光滑平面，该平板固定于气浮工作台的下方，工作时与补偿气浮垫之间形成润滑气膜。

与现有技术相比，本发明通过一微位移传递结构将补偿气浮垫润滑气膜的变化反向叠加在工作气浮垫上，从而补偿工作气浮垫气膜厚度的变化，解决了供气压力变化乃至关闭气源时气膜厚度变化的补偿问题。采用本发明的空气轴承结构的支撑高度不因供气压力变化而改变，避免了气浮工作台姿态的变化。而且无需复杂的电子测量控制系统和额外的执行器，如压电陶瓷致动器等。

附图说明

图1为本发明空气轴承结构的示意图；

图2为本发明空气轴承结构与气浮工作台的装配示意图；

图3为本发明中微位移传递机构的结构示意图；

图4和图5分别为图2的主剖视及侧视示意图；

图6为本发明的补偿原理示意图；

图7为图6的特别实施例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的描述，以进一步了解本发明的目的、方案及功效：

图1和图2分别示出了本发明的空气轴承结构，及其与工作台的装配示意图，参考图1和图2，本发明提供的具有气膜厚度补偿能力的空气轴承结构安装于一气浮工作台7与一基座之间形成支撑，该空气轴承结构包括：工作气浮垫1、微位移传递机构2、补偿气浮垫3及加载机构5，其中，微位移传递机构2装设于气浮工作台7的下表面；补偿气浮垫3面向气浮工作台7的底面，装设于微位移传递机构2所形成的杠杆的一端，工作时该补偿气浮垫3与所述气浮工作台7之间形成润滑气膜；工作气浮垫1面向基座的表面，装设于微位移传递机构所形成的杠杆另一端，工作时工作气浮垫1与基座表面之间形成润滑气膜；加载机构5包括一加载螺钉51及加载弹簧52，用于对气浮垫进行加载，使补偿气浮垫3与工作气浮垫1的工作状态相同，形成与工作气浮垫1相同的润滑气膜；当供气压力变化时，两个气膜同时发生变化，微位移传递机构2将补偿气浮垫1的润滑气膜的变化反向叠加到工作气浮垫1上，补偿工作气浮垫1润滑气膜厚度的变化。进一步的，为提供给补偿气浮垫3工作所需的光滑表面，可以在气浮工作台7与补偿气浮垫3之间设置一平板4，该平板4固定于气浮工作台7的下表面，工作时与补偿气浮垫3之间形成润滑气膜。

图3进一步示出了图1中微位移传递机构的结构，图4和图5分别为图1的主剖面图和侧视图，参考图3并结合图4与图5，本发明中的微位移传递机构2是由金属整体切割而成，形成安装面22、杠杆27以及四个柔性铰链21，四个柔性铰链21及杠杆27形成平行四边形加杠杆机构。其中，安装面22在安装时紧贴气浮工作台7的下表面；杠杆27的一端形成有螺纹孔25，通过在该螺纹孔25装设的一球头螺杆8，使得杠杆27与工作气浮垫1形成活动连接。柔性铰链具有无间隙的特点，能实现微位移有效传递，四个柔性铰链21形成平行四边形机构，使得安装于螺纹孔25的球头螺杆8保持平动，从而球头螺杆8的长短与工作气浮垫1的横向错动无关。杠杆27的另一端形成有一锥孔23，该锥孔23内设置一钢球9，通过该钢球9使得杠杆27与补偿气浮垫3形成活动连接，杠杆27上的两个柔性铰链21与钢球9的球心构成如图6所示的等长杠杆的3个铰接点，且三个铰接点构成一直线，且垂直于微动方向，在微动范围内可认为工作气浮垫1与补偿气浮垫3无横向错动。该结构安装时安装面22紧贴气浮工作台7下方，螺纹孔26用于螺钉紧固，螺纹孔24为加载螺钉51所用。再请参考图1、2、4及图5，为防止球头螺杆8的球头脱出工作气浮垫1，还可在工作气浮垫1上设置一限位圈81，对球头螺杆8的球头进行限位。

图6为本发明的补偿原理图，参考图6，微位移传递机构2为平行四边形加杠杆机构，杠杆27连接工作气浮垫1和补偿气浮垫3的臂长均为l。挑选各项参数尽可能一致的两个气浮垫分别作为工作气浮垫1和补偿气浮垫3，两者由同一气源供气。在正常工作时，工作气浮垫1与基座10表面之间形成厚度为d的润滑气膜。调整加载螺钉51，加载弹簧52的张力克服机构所承受的重力后通过微位移传递机构2作用在补偿气浮垫3上，成为补偿气浮垫3的负载。在微位移传递机构2的微动范围内，加载弹簧52的作用力变化极小，对于补偿气浮垫3而言，可认为是恒定负载。当补偿气浮垫3所受负载与工作气浮垫1所受负载相同时，补偿气浮垫3与气浮工作台7底部之间形成厚度也为d的润滑气膜。

此时气浮工作台7底部至基座10表面之间的距离为h，有：

h＝j+s+t+d    (1)

式中，j为气浮工作台7底部至微位移传递机构2中心铰接点的距离，s为微位移传递机构2中心铰接点至球头螺杆8球心的距离，t为球头螺杆8球心至工作气浮垫1工作面的距离。

假设由于气压的变化，润滑气膜的厚度变为d+Δd，工作气浮垫1和补偿气浮垫3的润滑气膜同时发生变化。经微位移传递机构2的传递，j变为j-Δd，此时气浮工作台7底部至基座10表面之间的距离为h’，有：

h′＝(j-Δd)+s+t+(d+Δd)

＝j+s+t+d

＝h    (2)

即，气浮工作台7底部至基座10表面之间的距离没有改变。润滑气膜厚度的变化得到了补偿。

图7显示了图6的一种特例。当润滑气膜的厚度变为0时，气浮工作台7底部至基座10表面之间的距离没有改变。

本发明还提供了一种应用上述空气轴承结构实现气膜厚度补偿的方法，下面结合图1～图5进一步描述该气膜厚度补偿方法，该方法应用于包括工作气浮垫1、微位移传递机构2、补偿气浮垫3、及加载机构5的空气轴承结构，该空气轴承结构安装于一气浮工作台7与一基座之间形成支撑，该方法包括：

装设该微位移传递机构2于一气浮工作台7的下表面；

装设该工作气浮垫1于微位移传递机构2的一端，且面向基座的表面，工作时该工作气浮垫与所述基座表面之间形成润滑气膜；

装设补偿气浮垫3于微位移传递机构2的另一端，且面向气浮工作台的底面，工作时该补偿气浮垫3与气浮工作台7之间形成润滑气膜；

提供该加载机构5进行加载使补偿气浮垫3与工作气浮垫1的工作状态相同，形成与工作气浮垫1相同的润滑气膜；

当供气压力变化时，通过微位移传递机构2将补偿气浮垫3润滑气膜的变化反向叠加到工作气浮垫1上，补偿工作气浮垫气膜厚度的变化。

进一步的，该气膜厚度补偿方法，还包括增设一平板于气浮工作台7与补偿气浮垫3之间的步骤，用于为补偿气浮垫3提供其所需的光滑平面，该平板固定于气浮工作台7的下方，工作时与补偿气浮垫3之间形成润滑气膜。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有气膜厚度补偿能力的空气轴承结构，安装于一气浮工作台与一基座之间形成支撑，其特征在于，所述空气轴承结构包括：

一微位移传递机构，装设于所述气浮工作台与所述基座之间，所述微位移传递机构是一平行四边形加杠杆机构；

一补偿气浮垫，面向所述气浮工作台的底面，装设于所述微位移传递机构形成的杠杆的一端，工作时该补偿气浮垫与所述气浮工作台之间形成润滑气膜；

一工作气浮垫，面向所述基座的表面，装设于所述微位移传递机构形成杠杆的另一端，工作时该工作气浮垫与所述基座表面之间形成润滑气膜；

一加载机构，用于对所述空气轴承结构进行加载，使所述补偿气浮垫与所述工作气浮垫的工作状态相同；

当供气压力变化时，通过所述微位移传递机构将所述补偿气浮垫润滑气膜的变化反向叠加到所述工作气浮垫上，补偿所述工作气浮垫气膜厚度的变化。

2.根据权利要求1所述的空气轴承结构，其特征在于，所述平行四边形加杠杆机构是由金属整体切割形成。

3.根据权利要求1或2所述的空气轴承结构，其特征在于，所述微位移传递机构进一步包括：

一安装面，其在安装时紧贴所述气浮工作台的下表面；

一杠杆，其一端与所述补偿气浮垫的下表面形成活动连接，另一端与所述工作气浮垫上表面形成活动连接；

四个柔性铰链，其与所述杠杆形成所述平行四边形加杠杆机构。

4.根据权利要求3所述的空气轴承结构，其特征在于，所述杠杆的一端形成有一锥孔，该锥孔内设置一钢球，通过该钢球使得该杠杆与所述补偿气浮垫形成活动连接，所述钢球的球心与形成所述平行四边形机构的底边的两个铰链共线，且垂直于微动方向。

5.根据权利4所述的空气轴承结构，其特征在于，所述杠杆的另一端形成有螺纹孔，通过在该螺纹孔装设的一球头螺杆，使得所述杠杆与工作气浮垫形成活动连接。

6.根据权利要求5所述的空气轴承结构，其特征在于，所述杠杆连接所述工作气浮垫和连接所述补偿气浮垫的臂长相等，且所述工作气浮垫与所述补偿气浮垫各项参数一致。

7.根据权利要求1所述的空气轴承结构，其特征在于，还包括一平板，固定装设于所述气浮工作台的下方，以提供所述补偿气浮垫所需的光滑平面，工作时，所述平板与所述补偿气浮垫之间形成润滑气膜。

8.根据权利要求1所述的空气轴承结构，其特征在于，所述加载机构包括一加载螺钉及套装于该加载螺钉上的一加载弹簧，装有该加载弹簧的该加载螺钉穿设于所述气浮工作台及所述微位移传递机构的所述安装面。

9.根据权利要求5所述的空气轴承结构，其特征在于，在所述工作气浮垫上还设置有一限定所述球头螺杆的球头的限位圈。

10.一种应用所述权利要求1～9中任一项所述的空气轴承结构实现气膜厚度补偿的方法，其特征在于，包括：

提供一微位移传递机构，装设于所述气浮工作台与所述基座之间；

提供一补偿气浮垫，面向所述气浮工作台的底面，装设于所述微位移传递机构的一端，工作时该补偿气浮垫与所述气浮工作台之间形成润滑气膜；

提供一工作气浮垫，面向所述基座的表面，装设于所述微位移传递机构的另一端，工作时该工作气浮垫与所述基座表面之间形成润滑气膜；

提供一加载机构进行加载使所述补偿气浮垫与所述工作气浮垫的工作状态相同，形成与所述工作气浮垫相同的润滑气膜；

当供气压力变化时，通过所述微位移传递机构将所述补偿气浮垫润滑气膜的变化反向叠加到所述工作气浮垫上，补偿所述工作气浮垫气膜厚度的变化。

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