CN110578750A - 一种主动式气浮轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合节流主动调控的气浮轴承装置，包括气浮轴承本体和复合节流控制单元，其中气浮轴承本体由上本体、中本体和下本体三部分构成，复合节流控制单元主要由位移传感器、控制单元、驱动单元和检测单元四部分组成，控制单元根据检测单元和位移传感器的信号生成控制信号，驱动单元依据控制信号产生伸缩运动，动态调节气浮轴承复合节流的节流高度和节流面积，达到改变气膜间隙压强分布的目的，从而提高气浮轴承承载力和动刚度特性。本发明不仅可以有效抑制气浮轴承的微幅振动，而且可以显著提高气浮轴承承载力和动刚度等动力学特性，实现气浮轴承的高稳定性；此外，按照本发明的主动式气浮轴承具有结构紧凑，易于控制和高精度等优点，因此尤其适用于超精密制造和微电子制造等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动式气浮轴承，主要应用于超精密制造装备运动系统属于超精密制造设备领域。
背景技术
传统气浮轴承的基本原理是外部供给的高压气体通过小孔或狭缝的节流作用后进入两平行支承面之间的间隙，气体向四周扩散流动后在间隙内形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜，实现被支承物体无刚性接触地悬浮在基础构件上，气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体支承和润滑。
气浮轴承作为超精密制造装备的关键支承部件，具有高速度、高精度、近零摩擦和无发热等优点，根本上解决了接触碰撞和摩擦发热等复杂非线性问题，广泛应用于微电子制造装备、超精密数控机床、半导体检测等超精密制造领域。
然而，由于气体具有较大的可压缩性，导致气浮轴承的支承承载力低、刚度低、稳定性差。一方面流体在节流口处和均压腔内的湍流现象会引发气浮轴承自身的微幅自激振动，气浮轴承自身的微幅自激振动会影响整个运动系统的静态和动态性能。另一方面，由于阻尼性能较弱，在强扰动作用下引发的气浮轴承微振动难以快速衰减，系统难以快速达到稳定。
提高其承载力和动刚度特性有助于提升气浮轴承的稳定性。采用多孔节流方式增大承载力和动刚度特性，但是多孔节流方式加工难度大，导致其应用范围较小。为了实现气浮支承的超精密运动系统纳米级定位精度，需提高气浮轴承承载力和动刚度特性，提升其稳定性具有重大的产业应用价值。
发明内容
针对现有技术上不足和改进需求，本发明的目的是本着提高气浮轴承承载力和动刚度特性，克服现有气浮轴承对微振动的抑制能力弱，系统难以快速稳定的缺点，本发明提供了一种主动式的气浮轴承，其中采用腔室结构提升其阻尼特性，同时采用复合节流主动调节单元对微幅自激振动和外界扰动进行自适用调节，测试表明能够显著提高气浮轴承承载力和动刚度特性，并实现气浮轴承的高稳定性；此外，按照本发明的主动式气浮轴承具有结构紧凑，易于控制和高精度等优点，因此尤其适用于超精密制造装备和微电子制造装备等领域。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术手段实现的：
提供了一种主动式气浮轴承，包括气浮轴承本体、复合节流主动调节单元，驱动控制单元，其中：
所述的主动式气体轴承的气浮轴承本体主要由上本体、复合节流结构单元和下本体三部分组成；主动式气浮轴承的上本体开设有气体通道，其中央区域设有上腔室，复合节流主动调节单元节流小孔与上腔室相连；气浮轴承的下本体中央区域设有下腔室，下腔室通过环锥形节流狭缝与均压腔相连；
高压气体通过通道进入上下腔室，流经节流小孔和节流狭缝，然后扩散到两支承面之间的间隙，形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜，实现被支承物体无刚性接触地悬浮，气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体支承和润滑。
所述的检测单元为位移传感器，检测单元上下端分别与上腔室内壁和压电驱动单元通过粘结连接，且传感器的测量分辨率最优选定在20纳米以上。
所述的驱动单元采用压电驱动，驱动单元上下端分别与检测单元和复合节流结构单元通过粘结连接；
所述的驱动控制单元根据气浮轴承检测单元所测得数值，相应驱动与之相连的复合节流结构单元中的柔性结构产生变形；以此方式，使得节流高度和节流面积发生变化，同时改变气体润滑膜的压强分布，从而实现对气浮轴承承载力和刚度的主动调控过程。
总体而言，相比于现有技术，本发明所构思的主动式气体轴承采用小孔节流与狭缝节流主动调节装置和腔室结构来直接改变气浮轴承内部气膜压强分布，与现有技术相比可以更显著的提高气浮轴承承载力和动刚度特性，测试表明，可以有效的提高动刚度的幅度和频率带宽；针对气浮轴承的微幅自激振动和外界的复杂扰动执行自适用调节，测试表明能够显著提高气浮轴承承载力和动刚度特性，实现气浮轴承的高稳定性；此外，按照本发明的主动式气浮轴承可以有效的抑制气浮轴承的微幅自激振动和外界扰动，同时具有结构紧凑，易于控制和高精度等优点，因此尤其适用于超精密制造和微电子制造等领域。
附图说明
图1为本发明所述的主动式气体轴承结构示意图。
具体实施方式
为了更具体的阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面通过借助实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的实施例仅是说明性，非限定性的，本发明的保护范围不受这些实施例的限制。
如图1所示，一种主动式气体轴承，包括气浮轴承本体、复合节流主动调节单元，驱动控制单元，气浮轴承本体分为上本体、节流口结构单元和下本体三部分。
如图1所示，高压气体通过通道进入上下腔室，流经节流小孔和节流孔，然后扩散到均压腔和两支承面之间的间隙，形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜，实现被支承物体无刚性接触地悬浮，气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体支承和润滑。
如图1所示，本实施案例中的气浮轴承本体采用同种材料（Al7075）制成，气体轴承上本体、复合节流结构单元、气体轴承下本体、上腔室、下腔室节流孔形状拟采用圆形或方形等形状，且气体轴承上本体、复合节流结构单元和下本体通过螺栓实现同轴安装，可以保证质心稳定。
如图1所示，本实施案例中的节流口主动调节单元分为主要由压电驱动单元和检测单元两部分组成，两者首尾通过粘结连接，检测单元一端通过粘结与气浮轴承上本体连接，压电驱动单元一端通过粘结与节流口结构单元连接。
如图1所示，本实施案例中的驱动控制单元将检测单元的检测信号进行滤波、放大及相应处理，生成相应的控制信号，驱动控制压电驱动单元通过复合节流结构单元的柔性结构变形实现节流高度和节流面积的主动调节作用，动态调节气浮轴承气膜间隙内的压强分布，从而提高气浮轴承承载力和动刚度特性。
以上所述为本发明的最佳实施例而已，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，都落入本发明保护范围。
Claims (6)
1.一种主动式气浮轴承，包括气浮轴承本体（9a、9b、9c）、气浮轴承本体分为上本体（9a）、复合节流结构单元（9b）和下本体（9c）三部分，复合节流主动调节单元（3、4），驱动控制单元（8a），其特征在于：气浮轴承的上本体（9a）中央区域设有上腔室（2），通过节流小孔（5）与均压腔（11）相连，气浮轴承下本体（9c）中央区域设有下腔室（7），下腔室通过节流狭缝（10）与均压腔（11）相连。
2.根据权利要求1所述的主动式气体轴承，其特征在于：所述的气体轴承上本体（9a）、复合节流结构单元（9b）、气体轴承下本体（9c）、上腔室（2）、下腔室（7）和节流狭缝（10）同轴安装或加工。
3.根据权利要求1所述的主动式气体轴承，其特征在于：高压气体通过通道（6a）和通道（6b）分别进入上腔室（2）和下腔室（7），分别流经节流小孔（5）和节流狭缝（10），然后扩散到两支承面（9c、13a）之间的间隙（12）和均压腔（11），形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜，实现被支承物体无刚性接触地悬浮，气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体支承和润滑。
4.根据权利要求1所述的主动式气体轴承，其特征在于：通道（6a）封闭，高压气体通过通道（6a）进入上腔室（2），流经节流孔（5），然后扩散到均压腔（11）、下腔室（7）和两支承面（9c、13）之间的间隙（12）和，下腔室（7）作为阻尼腔，形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜，实现被支承物体无刚性接触地悬浮，气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体支承和润滑。
5.根据权利要求1所述的主动式气体轴承，其特征在于：通道（6b）封闭，高压气体通过通道（6b）进入上腔室（7），流经节流孔（10），然后扩散到均压腔（11）、上腔室（2）和两支承面（9c、13）之间的间隙（12），下腔室（2）作为阻尼腔，形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜，实现被支承物体无刚性接触地悬浮，气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体支承和润滑。
6.根据权利要求1所述的主动式气体轴承的节流孔主动调节单元（3、4）主要由压电驱动单元（3）和检测单元（4）两部分组成，驱动控制单元（8）根据检测单元（4）的检测信号生成控制信号，驱动控制压电驱动单元（3、4）通过节流孔结构单元的柔性结构（1a、1b）变形实现节流孔（5）的主动调节作用，动态调节气浮轴承气膜间隙（12）内的压强分布，从而提高气浮轴承的动刚度特性。
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