CN105179480A - 一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，包括气浮支承本体、气压主动调节单元、支承本体检测单元和驱动控制单元，气浮支承本体上设置有进气孔、节流孔和调节单元安装孔，进气孔的进气口处和节流孔的出气口处分别设置有进气阀和出气阀；气压主动调节单元与气浮支承本体之间形成调节腔；支承本体检测单元用于实时检测气浮支承本体上下运动的速度、加速度和/或气浮支承本体相对于其下方气浮导轨的距离；驱动控制单元用于将检测装置所测得的信号进行滤波、放大及数据处理，生成驱动信号来驱动气压主动调节单元产生形变以改变调节腔的体积大小。本发明可以有效抑制气浮支承的微振动，同时具备结构紧凑、便于操控和高精度的特点。
Description
技术领域
本发明属于气浮支承装置领域，更具体地，涉及一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置。
背景技术
气浮支承装置主要应用于超精密加工装备当中，起到支撑精密运动部件的作用。相对于传统的机械接触式导轨支承而言，气浮支承的运动部件与支承件之间无直接接触，避免了运动过程中的接触摩擦，运动精度可以大大提高，因此在超精密加工、电子制造、精密测量、零重力模拟等领域，气浮支撑装置均获得了广泛的应用。
气浮支承装置的基本形式是压缩空气经过一小孔或狭缝节流装置后流入运动部件与支承部件之间的缝隙，形成高压气膜，对运动部件提供一定的支承力。当运动部件与支承部件之间的缝隙(即气膜厚度)减小时，气膜压力增大，气浮支承的承载力增大，并使得气浮支承具有一定的刚度。也就是说，气浮支承装置的承载力和刚度构成了其在各类应用中发挥性能的关键因素之一。
现有技术中已经提出了各种提高气浮支承的承载力和刚度的方法，例如对气浮支承的节流孔和压力腔的结构形状、尺寸等方面进行改进，但这类被动式气浮支承装置在单位面积内的承载力和刚度提高有限，因此制约了其相对重负载在精密加工或高速主轴中的应用；此外，现有技术中也出了采用执行元件来调整节流孔的开口截面积或节流孔长度的主动式气浮支承，此类方案仅对气浮支承的阻尼特性调节效果较好，但对压力的改变十分有限，因此对支撑力和刚度的调节作用也比较有限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，其中通过采用气压主动调节单元的形变来直接改变节流孔入口的气压、从而调节气浮气膜内的气压，同时针对气源压强波动执行自适应调节，测试表明能够显著提高气浮支承的动刚度特性，并达到稳定气浮支承的目的。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，包括气浮支承本体、气压主动调节单元、支承本体检测单元和驱动控制单元，其特征在于：
所述气浮支承本体上设置有进气孔、节流孔和调节单元安装孔，所述进气孔和节流孔分别与调节单元安装孔连通，所述进气孔的进气口处和节流孔的出气口处分别设置有进气阀和出气阀；
所述气压主动调节单元嵌装在调节单元安装孔内，所述气压主动调节单元与气浮支承本体之间，以调节单元安装孔处形成调节腔，所述调节腔分别与进气孔和节流孔连通，所述气压主动调节单元能产生形变，从而改变调节腔的体积大小，以控制调节腔的气压，进而控制从调节腔内进入出气阀的气体的压力；
所述支承本体检测单元用于实时检测气浮支承本体上下运动的速度、加速度和/或气浮支承本体相对于其下方气浮导轨的距离；
所述驱动控制单元分别与检测装置和气压主动调节单元连接，用于将检测装置所测得的信号进行滤波、放大及数据处理，生成驱动信号来驱动气压主动调节单元产生形变以改变调节腔的体积大小，使得气浮支承本体与其下方气浮导轨之间的气浮气膜间距发生变化，同时改变气浮气膜的压强分布，从而实现对气浮支承本体刚度的主动调控。
优选地，所述气压主动调节单元为压电执行器或磁致伸缩执行器，所述驱动控制单元能使压电执行器或磁致伸缩执行器产生形变从而改变调节腔的体积大小。
优选地，所述支承本体检测单元为速度传感器、加速度传感器和/或距离传感器。
优选地，所述距离传感器为激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或者LVDT位移传感器，且其测量精度优于0.5微米，所述速度传感器或加速度传感器为压电式振动速度传感器、磁电式振动速度传感器或者压电式振动加速度传感器，频率测量范围为气浮轴承振动频率的2倍以上。
优选地，所述调节腔在气压主动调节单元未发生形变时的高度为20～50um。
优选地，所述进气阀为节流阀或单向阀。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用主动调节装置来直接改变气浮支承装置的节流孔入口的气压并对相关部件的设置方式进行设计，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1)本发明可以更显著地提高气浮支撑的动刚度，动刚度的幅度和频率带宽均能获得大幅提高；
2)本发明针对气源压强波动执行自适应调节，能够显著提高气浮支承的抗扰动性能，并达到稳定气浮支承的目的；
3)本发明可以有效抑制气浮支承的微振动，同时具备结构紧凑、便于操控和高精度的特点，因而尤其适用于对支承动刚度要求高的超精密加工或高速主轴等场合。
附图说明
图1是本发明使用时的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1，一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，包括气浮支承本体1、气压主动调节单元2、支承本体检测单元3和驱动控制单元4，通过采用气压主动调节单元2的形变来直接改变气浮支承的节流孔入口气压、从而改变气浮支承的气膜间距，同时针对气源压强波动执行自适应调节，从而使得显著提高气浮支承的动刚度特性，并达到稳定气浮支承的目的
所述气浮支承本体1上设置有进气孔111、节流孔112和调节单元安装孔113，所述进气孔111的进气口处和节流孔112的出气口处分别设置有进气阀101和出气阀102，所述进气孔111和节流孔112分别与调节单元安装孔113连通；优选地，所述进气阀101为节流阀或单向阀，所述出气阀102为节流阀或单向阀。
所述气压主动调节单元2嵌装在调节单元安装孔113内，所述气压主动调节单元2与气浮支承本体1之间形成调节腔114，所述调节腔114分别与进气孔111和节流孔112连通，所述气压主动调节单元2能产生形变，从而改变调节腔114的体积大小，以控制调节腔114的气压，进而控制从调节腔114内进入出气阀102的气体的压力；
具体而言，气浮支承本体1上可以固定连接譬如工作台等运动部件5，其下方可以设置气浮导轨6，其可以漂浮于气浮导轨6上，并带动其上的运动部件5移动。在进气孔111中安装有进气阀101，面向气浮导轨6的节流孔112中安装有出气阀102；气压主动调节单元2为至少一个压电执行器，或磁致伸缩执行器，其固定安装在气浮支承本体1的调节单元安装孔113内；其中优选可将压电执行器通过粘结材料固定粘结到气浮支承本体1上；当压缩气体经由出气阀102流入气浮支承本体1的工作面与气浮导轨6之间的间隙时，则会形成气浮气膜并使得气浮支承本体1及与之固定的运动部件5譬如运动台悬浮于气浮导轨6上部。
气压主动调节单元2应尽可能实现较大的变形，也即可使调节腔114的体积最大变化幅度尽可能大。这样通过改变调节腔114的体积大小，就可以在较大范围内改变进出出气阀102的气体的压力。
支承本体检测单元3包括距离传感器、以及速度传感器和加速度传感器中的一种，它们固定设置在气浮支承本体1或者所述运动部件上，距离传感器用于实时检测气浮支承本体1相对于气膜支承方向(也即图中所示Z轴方向)的位置变化值，即气浮支承本体1相对于其下方的气浮导轨6的距离。由于气浮支承本体1上方的运动部件5给气浮支承本体1的负载力是经常变化的，这样会造成气浮支承本体1与其下方的气浮导轨6的距离会增大或缩小，这样就会造成气浮气膜的压力相应变化。
如果上述距离大于正常值，则气压主动调节单元2收缩，此时调节腔114中的体积会增大，其内的气体压力会变小，流出出气阀102的气体压力会减小，气浮气膜的压强也会随之减小，气浮支承本体1相应下降，使气浮支承本体1与其下方的气浮导轨6的距离减小；如果上述距离小于正常值，则进行与前述相反的操作和动作，以达到主动进行自适应调节气浮气膜的压力和气浮支承本体1高度的目的。
速度传感器用于检测气浮支承本体1上下运动的速度变化值，加速度传感器用于检测气浮支承本体1上下运动的加速度变化值；换而言之，支承本体检测单元3用于检测气浮支承本体1与气浮导轨之间形成的气浮气膜厚度(压强)的变化量。如果气浮支承本体1的上下振动频率比较大、振动幅度比较小，则距离传感器可能无法有效检测气浮支承本体1的振动，因此要使用到速度传感器或加速度传感器。
振动时，当气浮支承本体1向下移动时，则气浮气膜的压强会增大，针对此情形，气压主动调节单元2会收缩，此时调节腔114中的体积会增大，其内的气体压力会变小，进入出气阀102及从出气阀102出来的气体压力会减小，导致气浮气膜的压强也会减小，这样使得气浮支承本体1再向上移动时不会受到较大的冲击，其向上移动也会比较平稳；如果振动时气浮支承本体1向下移动，则气浮支承装置上会进行与前述相反的操作和动作。
以此方式，在气浮支承本体1振动时，气压主动调节单元2也在进行高频率的收缩和膨胀，从而使气浮支承本体1的振动平缓，有助于其在气浮导轨6上平稳地移动，从而使运动部件5平稳地移动。
按照本发明的优选实施例，上述传感器可以选用工作规格设定为测量精度能优于0.5微米的精密距离传感器，以及工作规格设定为频率测量范围在气浮支承装置振动频率的2倍以上的精密速度传感器或精密加速度传感器。
驱动控制单元4分别与检测装置3和气压主动调节单元2譬如用导线相连，将检测装置3所测得的信号进行滤波、放大及相应处理，生成相应的驱动信号来驱动与之相连的气压主动调节单元2产生变形；以此方式，使得气浮支承工作面的整体间距即气浮气膜间距发生变化，同时改变气浮气膜的压强分布，从而实现对气浮支承动刚度的主动调控过程。其中，基于位置环的主动调控目的是增加气浮支承方向(Z轴方向)的刚度，从而提高气浮支承的抗扰动能力；基于速度环的主动调控目的是增加气浮支承方向的阻尼，从而抑制或快速衰减气浮支承的微振动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，包括气浮支承本体、气压主动调节单元、支承本体检测单元和驱动控制单元，其特征在于：
所述气浮支承本体上设置有进气孔、节流孔和调节单元安装孔，所述进气孔和节流孔分别与调节单元安装孔连通，所述进气孔的进气口处和节流孔的出气口处分别设置有进气阀和出气阀；
所述气压主动调节单元嵌装在调节单元安装孔内，所述气压主动调节单元与气浮支承本体之间，以调节单元安装孔处形成调节腔，所述调节腔分别与进气孔和节流孔连通，所述气压主动调节单元能产生形变，从而改变调节腔的体积大小，以控制调节腔的气压，进而控制从调节腔内进入出气阀的气体的压力；
所述支承本体检测单元用于实时检测气浮支承本体上下运动的速度、加速度和/或气浮支承本体相对于其下方气浮导轨的距离；
所述驱动控制单元分别与检测装置和气压主动调节单元连接，用于将检测装置所测得的信号进行滤波、放大及数据处理，生成驱动信号来驱动气压主动调节单元产生形变以改变调节腔的体积大小，使得气浮支承本体与其下方气浮导轨之间的气浮气膜间距发生变化，同时改变气浮气膜的压强分布，从而实现对气浮支承本体刚度的主动调控。
2.根据权利要求1所述的一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，其特征在于：所述气压主动调节单元为压电执行器或磁致伸缩执行器，所述驱动控制单元能使压电执行器或磁致伸缩执行器产生形变从而改变调节腔的体积大小。
3.根据权利要求1所述的一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，其特征在于：所述支承本体检测单元为速度传感器、加速度传感器和/或距离传感器。
4.根据权利要求4所述的一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，其特征在于：所述距离传感器为激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或者LVDT位移传感器，且其测量精度优于0.5微米，所述速度传感器或加速度传感器为压电式振动速度传感器、磁电式振动速度传感器或者压电式振动加速度传感器，频率测量范围为气浮轴承振动频率的2倍以上。
5.根据权利要求1所述的一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，其特征在于：所述调节腔在气压主动调节单元未发生形变时的高度为20～50um。
6.根据权利要求1所述的一种主动调控节流孔入口气压的气浮支承装置，其特征在于：所述进气阀为节流阀或单向阀。
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