CN102518740B - 超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型超声波悬浮和气浮的混合悬浮装置，利用超声波悬浮和气浮的混合悬浮来达到减振的目的，属于精密驱动领域。超声波换能器圆盘与超声波换能器固定连接。工作平台与气浮支承固定连接，平台底座与气浮支承固定连接，气浮支承上分布着轴向的节流孔和压力腔。平台底座上分布着径向的节流孔和压力腔。气浮支承放置在超声波换能器圆盘上。这样整个连接好的气浮支承就被超声波悬浮和气浮共同悬浮起来。当混合悬浮时，超声波悬浮改善了气浮单独工作时的气旋现象和气锤振动。这种新型混合悬浮装置优点在于：易操作，结构简单，较单一气浮装置单独工作时有更高的悬浮刚度，减小了气浮装置自身存在的微小低频振动。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种采用超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置，属于精密驱动领域。
背景技术
随着技术的发展，超精密运动平台已经发展成为许多高精度、复杂设备的重要组成部件，其运动机构的精度直接决定了器件运动所要求达到的精度。传统的超精密运动平台的执行机构主要是由接触式的移动副和旋转副组成，所以各运动副之间不可避免的有摩擦、磨损、发热等现象，而且刚性结构也不能较好的消除机械结构的振动，更重要的是目前这类结构的运动精度只能达到微米级。因而已经不能满足IC制造和超精密加工的运动精度要求。所以近些年来有些学者和公司采用非接触式的气浮支承来取代传统的机械式的运动副。
与传统的运动结构相比，气浮的非接触式运动副改善了超精密运动平台的动力学特性，但气浮支承内部的气流运动引起的振动却不能忽视。随着气浮运动平台的定位精度向亚纳米级的提升，这种气流运动引起的气旋现象和气锤振动更是制约着超精密运动平台精度的关键因素，从而引起了广泛的关注。另外，气浮的悬浮刚度较弱，重载状态下容易产生低频振动。
发明专利“Mechanical assembly of shaft and static pressure bearing”(专利号：US5800066)提出了一种多孔质、均压槽和小孔节流的复合节流形式，提高了轴承的稳定性，然而多孔质材料加工工艺复杂，制造难度大；而且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。
发明专利“一种单腔多孔式节流结构的气浮轴承”(申请公布号：CN 101825142A)提出了一种单腔多孔式节流结构的气浮轴承，其特征是在气浮轴承上开有中心孔，在中心孔内镶嵌圆柱体，圆柱体上开有微型孔阵列，中心孔的下端开有一个圆柱体的压力腔，该结构使得气体流经多条通道，流出的气流更加稳定，使得气体轴承的承载能力加强，但由于采用的是矩形压力腔，仍然不能很好的解决压力腔的气旋现象与气流的气锤振动。
发明专利“均压腔气浮止推轴承”(申请公布号：CN 102109011 A)提出了一种全新的气浮止推轴承结构，采用了渐扩式棱锥均压腔腔形，使高压气体经节流孔流入轴承间隙过程更易沿平行流线流出，从而抑制节流孔附件的气旋引发的振动。这种棱形腔虽然比矩形腔有更好的优势，但是还是不能很好的解决气浮轴承的气锤现象与气旋现象。
以上三种专利都没有很好的减弱气浮装置的气旋现象和气锤振动，并且这种单一气浮装置的悬浮刚度较弱。
发明内容
针对单一气浮装置的气旋现象、气锤振动以及悬浮刚度的问题，本发明提供一种超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置。该装置用于解决目前气浮装置存在的气旋现象与气锤振动。与单一气浮装置相比，提高了气浮装置刚度和减小气浮装置的微小低频振动。
为达到以上的目的，本发明采用以下技术方案：
通过螺栓(5)将气浮支承(4)与工作平台(1)、平台底座(6)三者连接在一起。超声波换能器圆盘(9)通过螺钉(10)与超声波换能器(11)固定连接。超声换能器(11)通过螺钉(12)与仪器支架(14)固定连接。超声波换能器(11)和超声波信号发生器(15)相连。气浮支承(4)放置在超声波换能器圆盘(9)上。空气压缩机(16)出来的气体经过过滤后进入到进气口(2)。
所述的气浮支承(4)上开有圆形均匀分布的16个轴向节流孔(17)和16个轴向压力腔(18)。当高压气体进入节流孔(17)和压力腔(18)时，起到轴向悬浮的作用。
所述的超声波悬浮和气浮的混合悬浮装置，它的工作平台(1)、气浮支承(4)和平台底座(6)固定在一起形成了一个气流道(3)。气流道是为了给平台底座(6)上的节流孔(7)供气。
所述的平台底座(6)内侧分布着4个径向节流孔(7)和4个径向压力腔(8)。当高压气体进入节流孔(7)和压力腔(8)时，起到径向悬浮作用，减少混合悬浮装置的径向扰动。
所述的超声波悬浮和气浮的混合悬浮的装置，它的超声波换能器圆盘(9)的轴线与固定连接好的气浮支承的轴线要保持在同一位置。
其工作原理是：本发明的减振装置分为三个工况：气浮工况、超声波近声场悬浮工况、混合悬浮工况。
气浮工况：通过螺栓(5)将工作平台(1)、平台底座(6)与气浮支承(4)三者连接在一起，当空气压缩机(16)出来的气体经过过滤后进入到进气口(2)，然后高压气体进入到轴向节流孔(17)和压力腔(18)，其中有部分气体进入到气流道(3)，流向径向节流孔(7)和压力腔(8)。压力腔(18)出来的气体作用在超声波换能器圆盘(9)的上表面，压力腔(8)出来的气体作用在超声波换能器圆盘(9)的侧面上。这样就构成一个气浮工况。
超声波近声场悬浮工况：将超声波换能器圆盘(9)通过螺钉(10)与超声波换能器(11)固定连接，超声波换能器(11)通过螺钉(12)与仪器支架(14)固定连接，超声波信号发生器(15)的输出端与超声波换能器(11)相连。此时调节超声波信号发生器(15)的输出频率与超声波换能器(11)的固有频率一致，以形成共振。此时在超声波换能器圆盘(9)表面产生声辐射压。这样就构成一个超声波近声场悬浮工况。
混合悬浮工况：超声波近声场悬浮和气浮同时工作，称为混合悬浮工况。在这种工况下：减振装置的承载能力是超声波近声场悬浮能力和气浮的承载能力总和。当气浮工况工作时：气浮支承压力腔内气体的流动造成了气旋现象。由于压力腔内气体的可压缩性在工作区域内大于了气膜内气体的可压缩性，使得压力腔内的气体压缩，压力腔内气体的压缩和释放与气浮结构上下运动的相位相反，于是气腔内的气体自形成了一个能量供给源，从而形成了气浮支承的气锤振动。同时超声波近声场悬浮工况工作，利用超声激励压力腔内的气体，影响了压力腔内的涡流流动，从而减小了压力腔内的气旋对气浮支承的扰动。由于声辐射压的作用，提高了气浮装置单独工作的悬浮间隙，与气浮支承相比减小了压力腔内气体的可压缩性在工作区域内大于了气膜内气体的可压缩性的程度。从而提高整个装置刚度，减小了气浮装置的微小低频振动。
在分工况运行的情况下，工况依次为：气浮工况、超声波近声场悬浮工况、混合悬浮工况。当然超声波近声场悬浮工况与气浮工况的顺序也可以反过来操作。
本发明的优点在于：把超声波近声场悬浮应用到气浮轴承结构中，更深层次的减小了气浮轴承的气旋现象与气锤振动。装置易操作，结构简单，可靠性高，较气浮装置单独工作时有更高的刚度，减小了气浮装置自身存在的微小低频振动。
附图说明
图1是Fluent软件分析的气浮支承气旋现象的涡旋示意图
图2是气浮支承气锤振动的工作原理示意图
图3是本发明实施例1的结构示意图
图4是本发明实施例2的结构示意图
图5是本发明的气浮支承的二维全剖结构图
图6是本发明超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置的三维结构示意图
图1是用Fluent软件分析的气浮支承压力腔内气旋现象的涡旋示意图，当混合悬浮装置工作时，利用超声激励气浮支承压力腔内的气体，影响了压力腔内的涡流流动，使其气流的流线均匀，从而减小气浮支承的气旋扰动，降低了振动。
图2是气浮支承气锤振动的工作原理示意图。气浮支承的气锤振动产生是由于压力腔内气体的可压缩性在工作区域内大于了气膜间隙内气体的可压缩性，使得压力腔内的气体压缩，压力腔内气体的压缩和释放与气浮结构上下运动的相位相反，于是气腔内的气体自形成了一个能量供给源，从而形成了气浮支承的气锤振动。当混合悬浮装置工作时，由于声辐射压的作用，提高了气浮装置单独工作的悬浮间隙，与气浮支承相比减小了压力腔内气体的可压缩性在工作区域内大于了气膜间隙内气体的可压缩性的程度。从而减弱了气浮装置的气锤振动。
具体实施方式
实施例1
参见图3，通过螺栓(5)把气浮支承(4)与工作平台(1)、平台底座(6)固定在一起。超声波换能器(11)通过螺钉(10)超声波换能器圆盘(9)固定连接。超声换能器(11)通过螺钉(12)与仪器支架(14)固定连接。超声波换能器(11)和超声波信号发生器(15)相连。气浮支承(4)放置在超声波换能器圆盘(9)上。空气压缩机(16)出来的气体经过过滤后进入到进气口(2)。
其工作原理是：通过螺栓(5)将工作平台(1)、平台底座(6)与气浮支承(4)三者连接在一起，当空气压缩机(17)出来的气体经过过滤后进入到进气口(2)，然后高压气体进入到轴向节流孔(17)和压力腔(18)，其中有部分气体进入到气流道(3)，流向径向节流孔(7)和压力腔(8)。压力腔(18)出来的气体作用在超声波换能器圆盘(9)的上表面，压力腔(8)出来的气体作用在超声波换能器圆盘(9)的侧面上。这样就构成了一个气浮工况。将超声波换能器圆盘(9)通过螺钉(10)与超声波换能器(11)固定连接，超声波换能器(11)通过螺钉(12)与仪器支架(14)固定连接，超声波信号发生器(15)的输出端与超声波换能器(11)相连。此时调节超声波信号发生器(15)的输出频率与超声波换能器(9)的固有频率一致，以形成共振。此时在超声波换能器圆盘(9)表面产生声辐射压。这样就构成了一个超声波近声场悬浮工况。当超声波近声场悬浮工况与气浮工况这两个工况同时工作时，就形成了超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置。
实施例2
参见图4，通过螺栓(5)将工作平台(1)、平台底座(6)与气浮支承(4)三者连接在一起，当空气压缩机(16)出来的气体经过过滤后进入到进气口(2)，然后高压气体进入到轴向节流孔(17)和轴向球形压力腔(19)，其中有部分气体进入到气流道(3)，流向径向节流孔(7)和径向球形压力腔(20)。轴向球形压力腔(19)出来的气体作用在超声波换能器圆盘(9)的上表面，径向球形压力腔(20)出来的气体作用在超声波换能器圆盘(9)的侧面上。这样就构成了一个气浮工况。将超声波换能器圆盘(9)通过螺钉(10)与超声波换能器(11)固定连接，超声波换能器(11)通过螺钉(12)与仪器支架(14)固定连接，超声波信号发生器(15)的输出端与超声波换能器(11)相连。此时调节超声波信号发生器(15)的输出频率与超声波换能器(9)的固有频率一致，以形成共振。此时在超声波换能器圆盘(9)表面产生声辐射压。这样就构成了一个超声波近声场悬浮工况。当超声波近声场悬浮工况与气浮工况这两个工况同时工作时，就形成了超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置。
Claims (3)
1.一种超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置，是通过超声波近声场悬浮和气浮两种混合悬浮方式来实现悬浮减振，该超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置包括：工作平台(1)、进气口(2)、气流道(3)、气浮支承(4)、平台底座(6)、超声波换能器圆盘(9)、超声波换能器(11)、仪器支架(14)、超声波信号发生器(15)、空气压缩机(16)，其特征在于：气浮支承(4)上表面与工作平台(1)固定连接，气浮支承(4)下表面与平台底座(6)固定连接，超声波换能器(11)与超声波换能器圆盘(9)固定连接，超声波换能器(11)和超声波信号发生器(15)相连，超声波换能器(11)与仪器支架(14)固定连接，气浮支承(4)放置在超声波换能器圆盘(9)上，空气压缩机(16)出来的气体经过过滤后进入到进气口(2)。
2.根据权利要求1所述的超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置，其特征在于：工作平台(1)、气浮支承(4)和平台底座(6)固定在一起形成了一个气流道(3)，气流道(3)是为了给平台底座(6)上的径向节流孔(7)供气。
3.根据权利要求1所述的超声波悬浮和气浮的混合悬浮减振装置，其特征在于：平台底座(6)的内侧分布着4个径向节流孔(7)和对应的压力腔(8)，当高压气体进入径向节流孔(7)和压力腔(8)时，可以减小混合悬浮装置的径向扰动。
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