CN117249165A - 一种磁气混合的主动式气浮支撑结构及支撑方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁气混合的主动式气浮支撑结构及支撑方法，属于气浮支撑技术领域。该支撑结构气膜厚度可灵活调整，支撑可靠，稳定性好。气浮轴承设置于平台上方，导磁体‑的位置与气浮轴承的位置上下相对应，导磁体‑安装在平台上，所述气膜主动调节单元布设在气浮轴承中，通过气膜主动调节单元控制气膜的厚度。本申请通过节流器结构的加入，主动补偿供气压力以及磁力结构的加入，有效地提升气浮轴承的动态及静态特性。

Description

一种磁气混合的主动式气浮支撑结构及支撑方法

技术领域

本发明属于气浮支承技术领域，特别是涉及一种磁气混合的主动式气浮结构的设计和应用。

背景技术

气浮静压轴承具有高精度、无摩擦、清洁无污染等优点，被广泛应用于超精密机床、光刻机等精密仪器与制造领域。因其特有的低摩擦、温升小等优点，大幅度地减小了由于运动部件间摩擦、发热及变形引起的误差，实现了运动机构的精度由微米量级向纳米量级地提升，已成为精密和超精密加工装备的主流支承方式。

当空气静压轴承工作气膜厚度达到几微米时，气膜内气体流态发生变化，气浮轴承的承载性、刚度、稳定性随之发生变化，空气静压轴承内部气体流动引发的振动仍然不可忽视，甚至当工作参数或者操作不合理会产生非稳态的气锤现象，将直接导致气浮支承结构丧失功能而无法正常工作。所以，空气静压轴承的静、动态性能提升方面一直制约着轴承进一步提升和发展。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，该支撑结构气膜厚度可灵活调整，支撑可靠，稳定性好。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，包括平台、气浮轴承、导磁体和气膜主动调节单元；气浮轴承设置于平台上方，导磁体的位置与气浮轴承的位置上下相对应，导磁体安装在平台上，所述气膜主动调节单元布设在气浮轴承中，通过气膜主动调节单元控制气膜的厚度。

所述气膜主动调节单元包括中心电磁块、n个节流器结构、m个高压气体通道和多组周边电磁块，每个节流器结构均呈圆环形布设，n个节流器结构同心布置，n个节流器结构由m个高压气体通道供气连通，每组周边电磁块同样呈圆环形布设，每组周边电磁块布设在相邻两个节流器结构之间，并固定嵌设在气浮轴承的底面上，所述中心电磁块布设在气浮轴承底面的圆心处，通过对不同环形上的周边电磁块施加电流，来控制气膜的厚度。

本发明的有益效果：

1、本申请在气浮轴承上设置电磁块，在平台上设置导磁条，当节流器结构向气浮轴承和平台之间供气的气力等于电磁块与导磁条之间的磁力加上负载时，磁力加上负载能够平衡气力，这时候产生的气膜厚度稳定，且气浮轴承也会稳定不产生晃动，因此，此时的气浮轴承静稳定性好，并且通过对不同环形上的周边电磁块施加电流，来控制气膜的厚度。

2、本申请通过主动补偿供气压力以及磁力结构的加入，可以有效地提升气浮轴承的静态特性。

3、通过气源提供高压气体通入至气浮轴承节流器内部，流至压力腔，并与大理石平台上端面形成高压气膜，气浮轴承可以在大理石平台上进行水平和垂向的移动。

4、本申请通过节流器结构的加入，可以有效补偿气浮轴承供气压力，实现在气浮轴承工作过程中，实时控制气浮轴承静、动态特性。

5、本申请通过加入电磁结构(电磁块)，有效地控制气浮轴承工作气膜厚度，能够实现对气浮轴承的垂向调节。

6、本申请通过在大理石平台上端均设置了导磁体，当气浮轴承在大理石平台上水平向运动时，同时可以实现对气浮轴承气膜静、动态特性的实时控制。

附图说明

在附图中：

图1是本发明气浮支撑结构的仰视图；

图2是本发明均压槽剖面结构示意图；

图3是体1中B-B向剖视图；

图4是图1中A-A向剖视图；

图5是本发明电磁块工作示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本申请公开了磁气混合的主动式气浮支撑结构及应用，磁气混合的气浮支撑结构，包括气浮轴承2、平台1，所述平台1位于最下端，起支撑作用，且平台内部设有导磁体1-1，气浮轴承2位于平台1上端，与平台1之间形成具有一定承载力的支承气膜3。所述气浮轴承2内部设有节流器结构和电磁部件(多个电磁块)，气浮轴承2内部设有三圈节流器结构，每圈节流器结构中的节流器2-5的压力腔2-4均通过均压槽2-6连通，其中节流器2-5的下端面有凹陷形状为压力腔2-4，所述气浮轴承2可以在平台1上水平移动，且通过节流器结构和平台1内部电磁部件可以控制气浮轴承2的垂向微动高度以及气膜3的形状。

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构，所述装置包括平台1、气浮轴承2、导磁体1-1和气膜主动调节单元；气膜主动调节单元包括n个节流器结构、m个高压气体通道2-1、1个中心电磁块2-2和多个周边电磁块2-3，n和m均为大于等于0的正整数，且m≤n。

每个节流器结构均包括压力腔2-4、节流管道2-5和1个均压槽2-6，气浮轴承2设置于平台1上方，所述平台1内开设凹槽，该凹槽内放置导磁体1-1，导磁体1-1的位置与气浮轴承2的位置上下相对应。

气浮轴承2底部均匀开设n个同圆心的环形均压槽2-6，在每个均压槽2-6内均匀开设多个压力腔2-4，所有的压力腔2-4均布在由气浮轴承2的自圆心向外发散的径向线上。气浮轴承2内部开设多个节流管道2-5和m个高压气体通道2-1，节流管道2-5的出气孔小于节流管道2-5的进气孔，每个压力腔2-4与一个节流管道2-5出气孔连通。

m个高压气体通道2-1的进气端为气体入口2-7，m个高压气体通道2-1的出气端与节流管道2-5的进气孔连通，在气浮轴承2底部的圆心处开设中心槽，在中心内设置中心电磁块2-2，在每2个相邻的均压槽2-6之间的环形方向上均匀开设多个凹槽，每个凹槽内均设置周边电磁块2-3，每组周边电磁块2-3分别设置在相邻的两个节流器结构中间，每个周边电磁块2-3设置在相邻的两个压力腔2-4之间，每个所述压力腔2-4均为圆形腔。

本实施方式中，中心电磁块2-2及多个周边电磁块2-3用于吸附平台1上的导磁体1-1。气源提供高压气体通入节流管道2-5后流入压力腔2-4并进入均压槽2-6，于平台1上端面形成高压的气膜3，图1中气浮轴承2内部设有三圈节流器结构，每圈节流器结构的压力腔2-4均通过均压槽2-6连通，所述气浮轴承2可以在平台1上进行水平和垂向的移动。

图3中节流器结构设置为同心设置的三圈，其中位于中间的一圈节流器结构独立设置，且有单独的气体入口2-7，其余两圈节流器结构组合连通设置，共用同一个气体入口2-7，在工作过程中优先为双圈连通的节流器结构的气体入口2-7供气，保证气浮轴承2刚度，当需要更高刚度或承载时，需要为单圈节流器结构的气体入口2-7通入高压气体。所述气浮轴承2供气压力可由气源提供，且单圈节流器结构和双圈节流器结构若同时需要开启，则可以通入压力大小不同的高压气体。

图1中每圈节流器结构中包括六个均压槽2-6。

气浮轴承2采用工业航空铝材料，且轴承表面经过精加工，精度已达到纳米级别。平台1可以采用大理石材质。

当压缩气体从节流管道2-5流进均压槽2-6后充满了整个轴承间隙，最后从出口流入大气，由于节流管道2-5的出气孔小于节流管道2-5的进气孔，节流器2-5内部流道的尺寸突然改变，导致气体流速快速提升，由于流体在管道中的摩擦使得其动能转换为内能，使得出气孔的压力小于入口处的压力。当气浮轴承2上端受到垂直向下的作用力时，由于气体可压缩性，气浮轴承2将会向下移动一段距离，此时气膜3厚度变小，气膜3承载力和刚度也随之变大。所以基于目前的技术和方法，磁气混合方法可以有效提高气浮轴承静动态特性。

磁气混合的主动式气浮支撑结构的工作原理如图1所示：气浮轴承2通过气源通入高压气体与平台1间形成一层具有承载力的高压气膜3，从而使气浮轴承2底面具有向上的压力，而气浮轴承2内部设有若干阵列排布的电磁块，通过与平台1上端的导磁体1-1相吸从而达到实时控制气浮轴承2气膜3厚度的方法，同时，高压气体可以增大气浮支撑结构的厚度，而电磁块通过电磁力可以减小气浮轴承2的气膜3的厚度，当高压气体的压力和电磁块的电磁力相平衡时，可以实现一个相对稳定的高压气膜。如需要改变气膜3厚度的大小，可以通过增大供气压力和磁力大小，使两者的施力再次平衡。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构进一步限定，在本实施方式中，每个均压槽2-6内均匀开设6个压力腔2-4，n个均压槽2-6上的n个压力腔2-4位于同一直线上，且该直线穿过气浮轴承2的圆心。

本实施方式中，如图1所示，3圈节流器结构中各拿出一个压力腔2-4，3个压力腔2-4位于同一直线上，且该直线穿过气浮轴承2的圆心。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构进一步限定，在本实施方式中，如图1所示，每相邻2个直线之间设置n个周边电磁块2-3，n个周边电磁块2-3位于同一直线上，且该直线穿过气浮轴承2的圆心。

本实施方式中，除了中心设置1个中心电磁块2-2外，设置了三圈周边电磁块2-3，为了增大气浮轴承2承载力与电磁铁吸附效率，将电磁块与压力腔交替安装设置。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构进一步限定，在本实施方式中，每个压力腔2-4为圆形腔。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构进一步限定，在本实施方式中，m为1时，1个高压气体通道2-1上开设多个出气端，节流管道2-5的每个进气孔各与高压气体通道2-1的一个出气端联通。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构进一步限定，在本实施方式中，m为2时，一个高压气体通道2-1用于通过节流管道2-5为1个或者多个均压槽2-6充气，另一个高压气体通道2-1用于通过节流管道2-5为剩下的均压槽2-6充气。

本实施方式中，如图3所示，气浮轴承从圆心至外环依次定义为第一个节流器结构、第二个节流器结构和第三个节流器结构，图3是一个高压气体通道2-1同时为第一个节流器结构和第三个节流器结构供气，另一个高压气体通道2-1为第二个节流器结构供气。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构进一步限定，在本实施方式中，所述装置还包括电流控制装置，位于同一圆环线上的多个周边电磁块2-3由电流控制装置施加相同的电流。

本实施方式中，所述电磁块的磁力大小可以通过输入电流进行实时控制，且同一圆环线上的多个电磁铁同步控制，不同圆环线上的电磁铁独立控制。

具体实施方式八：本实施方式所述的磁气混合的主动式气浮支撑方法，所述方法是基于具体实施方式一所述的磁气混合的主动式气浮支撑结构实现的，所述方法包括以下步骤：

步骤1、向m个高压气体通道2-1中冲入带有压力的气体，气体由节流管道2-5流入压力腔2-4，从均压槽2-6中排向平台1和气浮轴承2之间，使平台1和气浮轴承2之间形成气膜3，

步骤2、通过对中心电磁块2-2及不同圆环线上的周边电磁块2-3施加电流，来控制气膜3的厚度。

本实施方式中，在传统气浮静压轴承的基础上，通过主动方式通过两个供气孔提高气浮轴承2的性能，并在气浮轴承2内部设置有若干个呈圆周阵列排布的多个电磁块。通过与平台1上端的导磁体1-1相吸从而达到实时控制气膜3的厚度的方法，同时，高压气体可以增大气浮支撑结构整体的厚度，而电磁块通过电磁力可以减小气膜3的厚度，当高压气体的压力和电磁块的电磁力相平衡时，可以实现一个相对稳定的高压的气膜3。如需要改变气膜3的厚度，可以通过调整供气压力和磁力大小，使两者的施力再次平衡。

即本申请通过高压供气通路和磁力结构的引入，有效地提升气浮轴承静、动态特性，拓展气浮轴承应用领域。

工作原理：

气浮支撑装置内部上端面(即气浮轴承2的下端面)设置有若干个节流小孔(即节流管道2-5的出气孔)，通过气源提供的高压气体自气体入口2-7进入，经过高压气体通道2-1通入至气浮轴承2的节流器结构内部，气体通过节流管道2-5流入压力腔2-4，并于平台1上端面间形成气膜3，气浮轴承2内部设有三圈节流器结构，每圈节流器结构的压力腔2-4均通过均压槽2-6连通，如图1及2所示。

气浮轴承2设置于平台1上方，气浮轴承2利用气源通入的高压气体与平台1间形成一层具有承载力的高压气膜3，从而使气浮轴承2底面具有向上的推力，而平台1上端设有一层导磁体1-1，气浮轴承2内部设有多组电磁块，刚好用于吸附平台1上的导磁体1-1，通过与平台1上端的导磁体1-1相吸从而达到实时控制气浮轴承2的气膜3厚度，可以采用位移传感器实时测量到气膜3的厚度。同时，高压气体可以增大气浮支撑结构整体的厚度，而电磁块通过电磁力可以减小气膜3的厚度，当高压气体的压力和电磁块的电磁力相平衡时，可以实现一个相对稳定且高压的气膜3。

工作过程1：当需要主动控制气浮支撑装置的气膜3的厚度时，如需要增大气膜3的厚度，可以通过增大供气压力、减小气浮轴承内部电磁块的电流或增大供气压力的同时减小电磁块供电电流，使气膜达到所需厚度；反之，如需要减小气膜厚度，可以通过减小供气压力、增大气浮轴承内部磁块的电流或在减小供气压力的同时增大供电电流，进而令气膜3达到所需厚度，如图2至4所示。当需要使气浮支撑结构在工作过程中需要增大气膜厚度，则只需要再打开图3中与第一个节流器结构和第三个节流器结构连接的高压气体通道的气体入口，并调节入口压力大小，从而增大气膜厚度，前提需要保证压力和磁力平衡。当与第二个节流器结构连接的高压气体通道的气体入口打开后，则高压气分布更均匀且轴承刚度可以得到明显提升。

工作过程2：当需要主动控制气浮轴承的气膜形状时，如图5所示，可以将第一个节流器结构和第二个节流器结构之间的环形排布的周边电磁块2-3、第二个节流器结构和第三个节流器结构之间的环形排布的周边电磁块2-3、第三个节流器结构与气浮轴承外环之间的环形排布的周边电磁块2-3，电流依次增大，具体电流大小可以通过计算得到，最终输入到周边电磁块2-3上，每圈周边电磁块2-3单独控制，使得气膜3形状呈中间厚边缘薄的锥形分布，此时可以有效增大气浮支撑结构整体的承载和刚度。相比没有主动控制的气浮支撑结构，本申请中气浮支撑结构的特性会随着气膜间隙形状的变化而变化，最终实现刚度的增强。

工作过程3：当需要主动控制气浮轴承2的水平向运动时，则需要通过驱动方式将气浮轴承2在平台上滑动，由于导磁体1-1均匀分布在平台上端，所以只需要对气浮轴承2进行驱动即可满足对气浮轴承2运动过程中气浮静、动态特性的控制。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：包括平台(1)、气浮轴承(2)、导磁体(1-1)和气膜主动调节单元；气浮轴承(2)设置于平台(1)上方，导磁体(1-1)的位置与气浮轴承(2)的位置上下相对应，导磁体(1-1)安装在平台(1)上，所述气膜主动调节单元布设在气浮轴承(2)中，通过气膜主动调节单元控制气膜(3)的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：所述气膜主动调节单元包括中心电磁块(2-2)、n个节流器结构、m个高压气体通道(2-1)和多组周边电磁块(2-3)，每个节流器结构均呈圆环形布设，n个节流器结构同心布置，n个节流器结构由m个高压气体通道(2-1)供气连通，每组周边电磁块(2-3)同样呈圆环形布设，每组周边电磁块(2-3)布设在相邻两个节流器结构之间，并固定嵌设在气浮轴承(2)的底面上，所述中心电磁块(2-2)布设在气浮轴承(2)底面的圆心处，通过对不同环形上的周边电磁块(2-3)施加电流，来控制气膜(3)的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：每个节流器结构均包括压力腔(2-4)、节流管道(2-5)和均压槽(2-6)；m个高压气体通道(2-1)沿径向布设在气浮轴承(2)内部，所述气浮轴承(2)底部开设n个间距相同的同心圆环形均压槽(2-6)，气浮轴承(2)内部开设多组节流管道(2-5)，每组中的多个节流管道(2-5)的上端进气端与任一高压气体通道(2-1)通气连通，每组中的多个节流管道(2-5)的出气端于均压槽(2-6)处开设压力腔(2-4)，每个节流管道(2-5)的进气端孔径大于出气端孔径。

4.根据权利要求3所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：每个均压槽(2-6)上均布开设有六个压力腔(2-4)，所有的压力腔(2-4)均布在由气浮轴承(2)的自圆心向外发散的径向线上。

5.根据权利要求4所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：每组周边电磁块(2-3)分别设置在相邻的两个节流器结构中间，每个周边电磁块(2-3)设置在相邻的两个压力腔(2-4)之间。

6.根据权利要求3或5所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：每个所述压力腔(2-4)均为圆形腔。

7.根据权利要求3所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：当m为1时，1个高压气体通道(2-1)上开设多个出气端，多个节流管道(2-5)的进气端接设在高压气体通道(2-1)多个出气端上。

8.根据权利要求7所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：当m为2时，一个高压气体通道(2-1)为一个或者多个节流器结构充气，另一个高压气体通道(2-1)用于为剩下的节流器结构充气。

9.根据权利要求2或8所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构，其特征在于：一组周边电磁块(2-3)内的多个周边电磁块(2-3)由电流控制装置施加相同的电流，一组周边电磁块(2-3)内的多个周边电磁块(2-3)同步控制，不同组周边电磁块(2-3)内的周边电磁块(2-3)独立控制。

10.根据权利要求1至9任一权利要求所述的一种磁气混合的主动式气浮支撑结构的支撑方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，向m个高压气体通道(2-1)中充入带有压力的气体，气体由节流管道(2-5)流入压力腔(2-4)，并由均压槽(2-6)排向平台(1)和气浮轴承(2)之间，使平台(1)和气浮轴承(2)之间形成气膜(3)；

步骤二，通过对不同环形上的周边电磁块(2-3)施加电流，来控制气膜(3)的厚度。