CN101825142B - 一种单腔多孔式节流结构的气体轴承 - Google Patents
一种单腔多孔式节流结构的气体轴承 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单腔多孔式节流结构的气体轴承，其特征在于：在气体轴承上开有中心孔，该中心孔内镶嵌有圆柱体，该圆柱体的直径为5～10mm，长度为0.1～2mm，该圆柱体上开有微型孔阵列，微型孔的孔径为1～100μm，微型孔阵列构成节流器，中心孔的上端开有一个圆柱体腔作为进气腔，中心孔的下端开有一个圆柱体腔作为压力腔，压力腔与进气腔的直径具有相同量级，为1～10mm，压力腔的深度为0.01～0.5mm。这种单腔多孔式节流结构的气体轴承具有良好的稳定性和力学性能，能应用于各种超精密运动平台中，实现平台纳米甚至亚纳米精度的运动。
Description
技术领域
本发明属于静压气体轴承技术，具体涉及一种单腔多孔式节流结构的气体轴承。这种气体轴承，尤其适用于超精密运动机构。
背景技术
静压气体轴承是支承超精密运动机构的基础元件，其稳定性是制约机构运动精度的关键。传统的精密运动机构由于多由接触式运动副和刚性结构组成，摩擦、发热及振动传递等因素制约了这类机构结构的动力学特性，目前这类机构的运动精度只能达到微米级，无法满足目前许多纳米级精密制造装备的需求。因此，以气体轴承取代机械接触式的运动副是超精密运动平台的主要结构特征，气体轴承的应用能有效减小摩擦、发热和振动传递对系统精度的影响。
静压气体轴承的工作原理是通过气源向气浮支承供给压力气体，在气体轴承和支撑平台之间形成一层气体薄膜，实现支承和润滑的功能。其中，输入气体轴承的压力气体首先会通过轴承中的一个小孔，该小孔起限制气流的作用，又称作“节流器”，该节流器对于气体轴承的性能起着至关重要的作用，是气体轴承设计中最为关键的部分之一。
根据节流方式不同，静压式气体轴承的节流器又可分为单小孔节流器和多孔介质节流器。由于多孔介质的孔隙是由材料自身属性决定的，材料上的小孔分布不规则，孔径仅几十个纳米，实际应用中容易堵塞，并且这种材料由于材料的个体差异使得其力学性能难以预测，所以单小孔方式是气浮支承目前常用的节流方式。
但是，随着超精密运动平台精度要求的不断提高，单小孔式节流结构气体轴承内部由复杂气体流动引起的振动影响越来越明显，逐渐制约超精密运动平台精度的提升。因此，目前需要一种高稳定性的气体轴承。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单腔多孔式节流结构的气体轴承，所述气体轴承在保证与单腔小孔节流气体轴承具有相似承载能力和刚度性能的基础上，能有效减小单腔小孔节流气浮支承中由于压力腔内复杂气体流动引起的振动，该气体轴承具有良好的稳定性和力学性能。
本发明提供的一种单腔多孔式节流结构的气体轴承，其特征在于：在气体轴承上开有中心孔，该中心孔内镶嵌有圆柱体，该圆柱体的直径为5～10mm，长度为0.1～2mm，该圆柱体上开有微型孔阵列，微型孔的孔径为1～100μm，微型孔阵列构成节流器，中心孔的上端开有一个圆柱体腔作为进气腔，中心孔的下端开有一个圆柱体腔作为压力腔，压力腔与进气腔的直径具有相同量级，为1～10mm，压力腔的深度为0.01～0.5mm。
本发明提供的这种单腔多孔式节流结构的气体轴承具有很多优点。多孔结构可以保证某个或者某几个微型孔的堵塞都不会阻断气流，气体轴承不容易失效，安全性得到提高；气体流经多条通道，变得更细、更均匀，流出的气流更加稳定，使气体轴承的承载能力更强，稳定性更高。
附图说明
图1 为一种具有单腔多孔式节流结构的静压止推气体轴承俯视示意图。
图2 为图1中放大的节流器俯视示意图。
图3 为该静压止推气体轴承工作时的截面示意图。
图4 本发明一优选实例的正视示意图。
具体实施方式
下面通过借助实施例和附图更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1所示，在气体轴承体1的中心开一个孔，用于镶嵌开有微型孔阵列的圆柱体。圆柱体直径为5～10mm，长度0.1～2mm，微型孔孔径为1～100μm，微型孔孔径与气体轴承工作时的气膜间隙具有相同的量级。这个微型孔阵列构成了气体轴承的节流器3，在该中心孔的上下端分别开有一个圆柱体腔，分别称之为进气腔4和压力腔2。压力腔2与进气腔4的直径一般具有相同的量级，为1～10mm，压力腔2的深度为0.01～0.5mm。
图2是节流器的放大示意图，微型孔的横截面形状可以为圆形、方形、三角形等，本发明用的是圆形孔。微型孔均匀分布在圆形区域内。
如图3所示，气体轴承1放置在支撑平台6上，压强为Ps的高压气体（由空气压缩机排出并经过净化）通入气体轴承的进气腔4，经过节流器3中的微型孔阵列后进入压力腔2，形成稳定的气流，压强降至Pd。随后，气体由压力腔2流入所形成的气膜5内，气膜5内的气体压强高于大气压，因此保证了气体轴承具有一定的承载能力。最后气体到达轴承的边缘并流入大气，压强降至大气压强P0。通过调整气体轴承节流器中微型孔的孔径、孔隙率和长度控制形成气膜的稳定性和压力分布。
图4所示为一优选的应用实例，是一个超精密平面运动平台。导轨动子7和导轨定子8之间采用气体轴承实现支承和润滑，采用直线电机作为驱动，导轨动子7和运动平台11柔性连接，运动平台11通过气体轴承10支承在平台基座9上。导轨动子7运动时，能带动运动平台11通过气体轴承10在支承平台9上实现高精度的运动。
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)
1.一种单腔多孔式节流结构的气体轴承，其特征在于：在气体轴承（1）上开有中心孔，该中心孔内镶嵌有圆柱体，该圆柱体的直径为5～10mm，长度为0.1～2mm，该圆柱体上开有微型孔阵列，微型孔的孔径为1～100μm，微型孔阵列构成节流器（3），中心孔的上端开有一个圆柱体腔作为进气腔（4），中心孔的下端开有一个圆柱体腔作为压力腔（2），压力腔（2）与进气腔（4）的直径具有相同量级，为1～10mm，压力腔（2）的深度为0.01～0.5mm。
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