CN104533956B - 主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承 - Google Patents

Abstract

主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，属于气浮式超精密轴承技术领域。本发明是为了解决气浮轴承采用反复检测、研磨及装配的方式提高其精度，执行难度大周期长，并且精度提高幅度有限的问题。它安装于负载和基座之间，用于实现负载相对于基座的高精度回转运动；气浮轴承包括气浮轴、气浮轴套、封气套、泄气孔、径向节流孔、O型密封圈、顺时针主动涡流供气气腔、气浮轴承供气孔、止推面节流孔、逆时针主动涡流供气气腔、逆时针主动涡流供气孔、逆时针主动涡流非径向节流孔、顺时针主动涡流非径向节流孔和顺时针主动涡流供气孔。本发明为一种主动补偿式气浮轴承。

Description

主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承

技术领域

本发明涉及主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，属于气浮式超精密轴承技术领域。

背景技术

气浮轴承被广泛应用于精密转台等高精度测量仪器、制造设备和实验系统中。传统的气浮轴承通过径向节流孔喷出高压气体，在轴和轴套之间形成高压气膜，实现轴和轴套的非接触回转运动，降低轴回转运动中的摩擦等干扰力矩，实现微干扰高精度回转运动。由于加工和装配误差，节流孔并非精确的圆孔，更很难精确定位于径向，节流孔的形位误差，是由于节流孔喷出高压气体时，气流沿周向定向流动，形成涡流，从而引起的干扰涡流力矩引起的。通过提高加工和装配精度，可以降低涡流力矩的大小，然而，这种方式实现涡流力矩的减小、提高气浮轴承的精度是有限的，受限于现有的加工技术手段。为了实现气浮轴精度的微弱提高，常常需要对气浮轴反复检测、研磨及装配，不仅仅执行难度大、成本高及周期长，其对精度的提高十分有限。

随着技术的发展，不断涌现的超高精度的加工制造设备、测量实验仪器、仿真实验系统等对微涡流、弱干扰、超高精度气浮轴系提出了迫切需求。

发明内容

本发明目的是为了解决气浮轴承采用反复检测、研磨及装配的方式提高其精度，执行难度大周期长，并且精度提高幅度有限的问题，提供了一种主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承。

本发明所述主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，该气浮轴承安装于负载和基座之间，用于实现负载相对于基座的高精度回转运动；

所述气浮轴承包括气浮轴、气浮轴套、封气套、泄气孔、径向节流孔、O型密封圈、顺时针主动涡流供气气腔、气浮轴承供气孔、止推面节流孔、逆时针主动涡流供气气腔、逆时针主动涡流供气孔、逆时针主动涡流非径向节流孔、顺时针主动涡流非径向节流孔和顺时针主动涡流供气孔，

所述气浮轴为T字形轴或工字形轴，气浮轴的上端面与负载的安装接口相适应连接，气浮轴套的内侧表面与气浮轴的外侧表面相配合，并且气浮轴套的底端面与基座固定连接，封气套的内侧表面与气浮轴套的外侧表面相适应；

气浮轴的止推面与柱面交汇处的斜面处设有多个泄气孔，多个泄气孔沿气浮轴的圆周向均匀分布；

气浮轴套的止推面上沿圆周方向均匀设置多个止推面节流孔，气浮轴套柱面上半段的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个径向节流孔，所有的止推面节流孔和径向节流孔通过通路相互连通；

气浮轴套柱面侧壁上沿轴向分别均匀分布N组逆时针主动涡流非径向节流孔和顺时针主动涡流非径向节流孔，逆时针主动涡流非径向节流孔位于气浮轴套柱面的中轴切面的一侧侧壁上，顺时针主动涡流非径向节流孔位于气浮轴套柱面的中轴切面的另一侧侧壁上；每组逆时针主动涡流非径向节流孔或顺时针主动涡流非径向节流孔包括M个逆时针主动涡流非径向节流孔或顺时针主动涡流非径向节流孔，M个逆时针主动涡流非径向节流孔或顺时针主动涡流非径向节流孔沿圆周方向均匀分布，N≥1，M≥2，N和M均为自然数；所述逆时针主动涡流非径向节流孔和顺时针主动涡流非径向节流孔相互平行，并且开孔方向均为沿气浮轴套柱面的切线方向；

气浮轴套柱面中段的外侧壁上分别设置环形的顺时针主动涡流供气气腔和逆时针主动涡流供气气腔，封气套的侧壁上设置逆时针主动涡流供气孔和顺时针主动涡流供气孔，逆时针主动涡流供气孔在封气套上的位置与气浮轴套上设置逆时针主动涡流非径向节流孔的一侧侧壁相对应，顺时针主动涡流供气孔在封气套上的位置与气浮轴套上设置顺时针主动涡流非径向节流孔的另一侧侧壁相对应；顺时针主动涡流供气气腔、顺时针主动涡流供气孔与顺时针主动涡流非径向节流孔相连通；逆时针主动涡流供气气腔、逆时针主动涡流供气孔和逆时针主动涡流非径向节流孔相连通；

封气套下段的侧壁上设置气浮轴承供气孔，该气浮轴承供气孔与止推面节流孔和径向节流孔相连通；气浮轴套与封气套之间设置多个O型密封圈，所有气路中任意两个气路之间通过一个O型密封圈实现密封隔离；所述气路包括止推面节流孔、径向节流孔与气浮轴承供气孔形成的气路，顺时针主动涡流供气气腔、顺时针主动涡流供气孔与顺时针主动涡流非径向节流孔形成的气路，及逆时针主动涡流供气气腔、逆时针主动涡流供气孔和逆时针主动涡流非径向节流孔形成的气路。

所述负载为转台的转子或精密轴系的转轴。

所述基座为精密转台的台体或精密轴系的壳体的外围结构。

本发明的优点：本发明通过主动补偿减小气浮轴承的涡流力矩，实现了气浮轴承的微涡流、低干扰、高精度。它采用主动涡流补偿技术对干扰涡流力矩进行补偿，在气浮轴系上增加顺时针主动涡流非径向节流孔和逆时针主动涡流非径向节流孔，当主动施加反向涡流，通过调节补偿非径向节流孔的供气气压对主动反向涡流大小进行控制，能够抵消气浮轴原有的干扰涡流力矩，提高气浮轴系的回转定位精度。

顺时针主动涡流非径向节流孔和逆时针主动涡流非径向节流孔采用独立气腔供气，供气气压连续可调，通过调节供气气压调节主动涡流的涡流力矩大小。根据加工装配完成后的气浮轴的干扰力矩的方向，确定给顺时针主动涡流非径向节流孔或者逆时针主动涡流非径向节流孔供气，主动涡流方向与气浮轴原有干扰涡流方向相反，通过调节主动涡流非径向节流孔的供气压力，调节主动涡流的涡流力矩，直至主动涡流抵消气浮轴原有干扰涡流力矩，将整体涡流力矩降低到许可范围。调节过程简单，执行便利。实现了气浮轴相对于气浮轴套的低干扰高精度回转运动。

本发明通过选择不同类型的非径向涡流力矩，并调节供气压力，调节主动涡流力矩的大小和方向，补偿干扰涡流力矩，实现了低涡流、弱干扰、高回转定位精度的气浮轴系。

附图说明

图1是本发明所述主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承的结构示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的B-B视图；

图4是图1的C-C视图；

图5是本发明所述气浮轴承的干扰涡流力矩补偿流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，该气浮轴承安装于负载1和基座10之间，用于实现负载1相对于基座10的高精度回转运动；

所述气浮轴承包括气浮轴2、气浮轴套3、封气套4、泄气孔5、径向节流孔6、O型密封圈7、顺时针主动涡流供气气腔8、气浮轴承供气孔9、止推面节流孔11、逆时针主动涡流供气气腔12、逆时针主动涡流供气孔13、逆时针主动涡流非径向节流孔14、顺时针主动涡流非径向节流孔15和顺时针主动涡流供气孔16，

所述气浮轴2为T字形轴或工字形轴，气浮轴2的上端面与负载1的安装接口相适应连接，气浮轴套3的内侧表面与气浮轴2的外侧表面相配合，并且气浮轴套3的底端面与基座10固定连接，封气套4的内侧表面与气浮轴套3的外侧表面相适应；

气浮轴2的止推面与柱面交汇处的斜面处设有多个泄气孔5，多个泄气孔5沿气浮轴2的圆周向均匀分布；

气浮轴套3的止推面上沿圆周方向均匀设置多个止推面节流孔11，气浮轴套3柱面上半段的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个径向节流孔6，所有的止推面节流孔11和径向节流孔6通过通路相互连通；

气浮轴套3柱面侧壁上沿轴向分别均匀分布N组逆时针主动涡流非径向节流孔14和顺时针主动涡流非径向节流孔15，逆时针主动涡流非径向节流孔14位于气浮轴套3柱面的中轴切面的一侧侧壁上，顺时针主动涡流非径向节流孔15位于气浮轴套3柱面的中轴切面的另一侧侧壁上；每组逆时针主动涡流非径向节流孔14或顺时针主动涡流非径向节流孔15包括M个逆时针主动涡流非径向节流孔14或顺时针主动涡流非径向节流孔15，M个逆时针主动涡流非径向节流孔14或顺时针主动涡流非径向节流孔15沿圆周方向均匀分布，N≥1，M≥2，N和M均为自然数；所述逆时针主动涡流非径向节流孔14和顺时针主动涡流非径向节流孔15相互平行，并且开孔方向均为沿气浮轴套3柱面的切线方向；

气浮轴套3柱面中段的外侧壁上分别设置环形的顺时针主动涡流供气气腔8和逆时针主动涡流供气气腔12，封气套4的侧壁上设置逆时针主动涡流供气孔13和顺时针主动涡流供气孔16，逆时针主动涡流供气孔13在封气套4上的位置与气浮轴套3上设置逆时针主动涡流非径向节流孔14的一侧侧壁相对应，顺时针主动涡流供气孔16在封气套4上的位置与气浮轴套3上设置顺时针主动涡流非径向节流孔15的另一侧侧壁相对应；顺时针主动涡流供气气腔8、顺时针主动涡流供气孔16与顺时针主动涡流非径向节流孔15相连通；逆时针主动涡流供气气腔12、逆时针主动涡流供气孔13和逆时针主动涡流非径向节流孔14相连通；

封气套4下段的侧壁上设置气浮轴承供气孔9，该气浮轴承供气孔9与止推面节流孔11和径向节流孔6相连通；气浮轴套3与封气套4之间设置多个O型密封圈7，所有气路中任意两个气路之间通过一个O型密封圈7实现密封隔离；所述气路包括止推面节流孔11、径向节流孔6与气浮轴承供气孔9形成的气路，顺时针主动涡流供气气腔8、顺时针主动涡流供气孔16与顺时针主动涡流非径向节流孔15形成的气路，及逆时针主动涡流供气气腔12、逆时针主动涡流供气孔13和逆时针主动涡流非径向节流孔14形成的气路。如图3所示，非经向节流孔轴线与气浮轴承轴线的径向距离为L。

本实施方式中，气浮轴2采用金属或者石材材质制成，经淬火、研磨等加工工艺实现所需形位公差要求，根据气路需要加工泄气孔5。气浮轴承可以是径向轴承或径向止推复合轴承，气浮轴2的结构还可以采用柱形结构。所述气浮轴套3为金属或者石材柱形轴，采用淬火、研磨等加工工艺实现形位公差要求。气浮轴套3根据气路需要加工安装径向节流孔6和止推面节流孔11。顺时针主动涡流非径向节流孔15通过顺时针主动涡流供气气腔8供气，逆时针主动涡流非径向节流孔14通过逆时针主动涡流供气气腔12供气，顺时针主动涡流供气气腔8和逆时针主动涡流供气气腔12均具有独立供气管路，供气压力连续可调。N和M的大小根据气浮轴承的几何尺寸的大小确定。

气浮轴承工作时，气浮轴套3的径向节流孔6和止推面节流孔11通过气浮轴承供气孔9供气，使气浮轴2相对于气浮轴套3处于悬浮状态。由于径向节流孔6和止推面节流孔11的形位误差，涡流力矩会使气浮轴2和负载1转动。根据气浮轴2的转动方向，如果气浮轴2顺时针转动，通过逆时针主动涡流供气孔13和逆时针主动涡流供气气腔12给逆时针主动涡流非径向节流孔14供气；如果气浮轴2逆时针转动，通过顺时针主动涡流供气孔16和顺时针主动涡流供气气腔8给顺时针主动涡流非径向节流孔15供气。通过调节逆时针主动涡流非径向节流孔14或者顺时针主动涡流非径向节流孔15的供气系统的压力调节阀调节供气压力，实现逆时针主动涡流非径向节流孔14或者顺时针主动涡流非径向节流孔15产生的主动涡流力矩的调节，逐渐增大主动涡流力矩，直至气浮轴转动极其缓慢、干扰力矩达到要求为止。

气浮轴2和气浮轴套3配合，采用气浮轴套3供气，通过气浮轴承供气孔9向径向节流孔6和止推面节流孔11供入高压气体；高压气体从径向节流孔6和止推面节流孔11喷出后，在气浮轴2和气浮轴套3之间形成高压气膜，实现气浮轴2相对于气浮轴套3的无接触转动；通过气浮轴套3的逆时针主动涡流非径向节流孔14或顺时针主动涡流非径向节流孔15喷出高压气体产生顺时针或逆时针主动涡流力矩，通过选择逆时针主动涡流供气孔13或顺时针主动涡流供气孔16供气来选择主动涡流力矩的方向；通过调节逆时针主动涡流供气孔13或顺时针主动涡流供气孔16供气的供气压力调节主动涡流力矩的大小；当主动涡流力矩调节至与气浮轴承干扰涡流力矩大小相等，方向相反时，即抵消掉了气浮轴承的原有的涡流力矩干扰；考虑工程实际，主动涡流力矩很难与原有涡流力矩精确相等，因此，当原有涡流力矩抵消到一定程度，气浮轴干扰力矩满足要求时，即完成气浮轴承涡流力矩补偿。

所述气浮轴2与负载1的精度要求相适应；O型密封圈7和封气套4用于实现气浮轴套3的供气密封；泄气孔5用于形成完整气路防止气锤自激；顺时针主动涡流供气气腔8、顺时针主动涡流供气孔16与顺时针主动涡流非径向节流孔15用于产生顺时针主动涡流，逆时针主动涡流供气气腔12、逆时针主动涡流供气孔13和逆时针主动涡流非径向节流孔14用于产生逆时针主动涡流。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述负载1为转台的转子或精密轴系的转轴。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述基座10为精密转台的台体或精密轴系的壳体的外围结构。

下面结合图5对本发明的干扰涡流力矩补偿方法进行说明：

根据气浮轴承的几何尺寸、工装条件等给出气浮轴承干扰力矩的经验值T，设计参数M、N和L，使主动涡流非经向节流孔产生主动涡流Ta≥1.5T。

所述气浮轴承的干扰涡流补偿流程为：

步骤一、完成气浮轴承各零件的加工装配；

步骤二、气浮轴承径向节流孔和止推面节流孔通气，观察气浮轴承是否自行转动；

步骤三、根据气浮轴自行转动的方向确定干扰涡流力矩的方向，如果气浮轴顺时针转动说明干扰涡流是顺时针的，如果气浮轴承逆时针转动说明涡流力矩是逆时针的，如果气浮轴在浮起状态不转动说明干扰涡流力矩极其小，不需要补偿；

步骤四、根据气浮轴自行转动的方向，选择供气的非径向节流孔的类型，如果气浮轴自行顺时针转动，选择对逆时针主动涡流非径向节流孔进行供气，如果气浮轴自行逆时针转动，选择对顺时针主动涡流非径向节流孔进行供气；

步骤五、逐渐增加非径向节流孔的供气压力，直至气浮轴转动的加速度小于给定值，即干扰涡流力矩小于给定值，完成气浮轴承干扰涡流力矩的主动补偿。

Claims (3)

1.一种主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，该气浮轴承安装于负载(1)和基座(10)之间，用于实现负载(1)相对于基座(10)的高精度回转运动；其特征在于，

所述气浮轴承包括气浮轴(2)、气浮轴套(3)、封气套(4)、泄气孔(5)、径向节流孔(6)、O型密封圈(7)、顺时针主动涡流供气气腔(8)、气浮轴承供气孔(9)、止推面节流孔(11)、逆时针主动涡流供气气腔(12)、逆时针主动涡流供气孔(13)、逆时针主动涡流非径向节流孔(14)、顺时针主动涡流非径向节流孔(15)和顺时针主动涡流供气孔(16)，

所述气浮轴(2)为T字形轴或工字形轴，气浮轴(2)的上端面与负载(1)的安装接口相适应连接，气浮轴套(3)的内侧表面与气浮轴(2)的外侧表面相配合，并且气浮轴套(3)的底端面与基座(10)固定连接，封气套(4)的内侧表面与气浮轴套(3)的外侧表面相适应；

气浮轴(2)的止推面与柱面交汇处的斜面处设有多个泄气孔(5)，多个泄气孔(5)沿气浮轴(2)的圆周向均匀分布；

气浮轴套(3)的止推面上沿圆周方向均匀设置多个止推面节流孔(11)，气浮轴套(3)柱面上半段的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个径向节流孔(6)，所有的止推面节流孔(11)和径向节流孔(6)通过通路相互连通；

气浮轴套(3)柱面侧壁上沿轴向分别均匀分布N组逆时针主动涡流非径向节流孔(14)和顺时针主动涡流非径向节流孔(15)，逆时针主动涡流非径向节流孔(14)位于气浮轴套(3)柱面的中轴切面的一侧侧壁上，顺时针主动涡流非径向节流孔(15)位于气浮轴套(3)柱面的中轴切面的另一侧侧壁上；每组逆时针主动涡流非径向节流孔(14)或顺时针主动涡流非径向节流孔(15)包括M个逆时针主动涡流非径向节流孔(14)或顺时针主动涡流非径向节流孔(15)，M个逆时针主动涡流非径向节流孔(14)或顺时针主动涡流非径向节流孔(15)沿圆周方向均匀分布，N≥1，M≥2，N和M均为自然数；所述逆时针主动涡流非径向节流孔(14)和顺时针主动涡流非径向节流孔(15)相互平行，并且开孔方向均为沿气浮轴套(3)柱面的切线方向；

气浮轴套(3)柱面中段的外侧壁上分别设置环形的顺时针主动涡流供气气腔(8)和逆时针主动涡流供气气腔(12)，封气套(4)的侧壁上设置逆时针主动涡流供气孔(13)和顺时针主动涡流供气孔(16)，逆时针主动涡流供气孔(13)在封气套(4)上的位置与气浮轴套(3)上设置逆时针主动涡流非径向节流孔(14)的一侧侧壁相对应，顺时针主动涡流供气孔(16)在封气套(4)上的位置与气浮轴套(3)上设置顺时针主动涡流非径向节流孔(15)的另一侧侧壁相对应；顺时针主动涡流供气气腔(8)、顺时针主动涡流供气孔(16)与顺时针主动涡流非径向节流孔(15)相连通；逆时针主动涡流供气气腔(12)、逆时针主动涡流供气孔(13)和逆时针主动涡流非径向节流孔(14)相连通；

封气套(4)下段的侧壁上设置气浮轴承供气孔(9)，该气浮轴承供气孔(9)与止推面节流孔(11)和径向节流孔(6)相连通；气浮轴套(3)与封气套(4)之间设置多个O型密封圈(7)，所有气路中任意两个气路之间通过一个O型密封圈(7)实现密封隔离；所述气路包括止推面节流孔(11)、径向节流孔(6)与气浮轴承供气孔(9)形成的气路，顺时针主动涡流供气气腔(8)、顺时针主动涡流供气孔(16)与顺时针主动涡流非径向节流孔(15)形成的气路，及逆时针主动涡流供气气腔(12)、逆时针主动涡流供气孔(13)和逆时针主动涡流非径向节流孔(14)形成的气路。

2.根据权利要求1所述的主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，其特征在于，所述负载(1)为转台的转子或精密轴系的转轴。

3.根据权利要求1所述的主动补偿式低涡流轴动式气浮轴承，其特征在于，所述基座(10)为精密转台的台体或精密轴系的壳体的外围结构。