CN117249167A - 一种气浮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种气浮装置涉及气浮支承技术领域，目的是为了克服现有空气静压轴承的静、动态性能不足的问题，包括底座平台和气浮轴承；底座平台位于气浮轴承的气膜生成面处；气浮轴承包括滑动块体、多个第一节流器、第一高压气体管道和吸力调节装置；多个第一节流器固定于滑动块体内部，且多个第一节流器以气膜生成面的中心点为对称点呈中心对称设置；第一高压气体管道设于滑动块体内部；且第一高压气体管道的一端连通所有第一节流器的节流管道的进气端，另一端用于通入第一高压气体；多个第一节流器的压力腔均设于气膜生成面并连通滑动块体的外部；吸力调节装置设置于气浮轴承上，用于在气浮轴承与底座平台之间产生吸力。
Description
技术领域
本发明属于气浮支承技术领域，特别是涉及一种智能控制及测量的气浮装置。
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，而且气浮预紧力问题一直制约着高速运动过程的气浮轴承。所以，现有空气静压轴承的静、动态性能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，本发明公开一种气浮装置克服了现有空气静压轴承的静、动态性能不足的问题。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种气浮装置，包括上下相对设置的气浮轴承及底座平台；所述气浮轴承内设置节流器结构，气源提供的高压气体间通过节流器结构，在气浮轴承与底座平台间形成气膜，所述气浮轴承上设置吸力调节结构，通过吸力调节结构调节气膜的厚度。
所述气浮轴承包括矩形块状的滑动块体、及布设在滑动块体上的节流器结构和吸力调节结构，所述节流器结构的出气端贯通在滑动块体朝向底座平台的工作面上，节流器结构的进气端连接气源，气源提供高压气体通过节流器结构通至滑动块体与气浮轴承间形成气膜，所述吸力调节结构包括气力部件及磁力部件，气力部件与磁力部件协同运转调节气膜的厚度，进而调节气浮轴承与所述底座平台之间产生吸力。
本发明的有益效果：本发明通过吸力调节装置的加入，有效地控制气浮轴承工作气膜厚度，并可以主动提升气浮轴承的静、动态特性。
附图说明
在附图中：
图1是本发明气浮轴承底面结构示意图；
图2是图1中气膜为小气膜的A-A向剖视结构示意图；
图3是图1中气膜为大气膜的B-B向剖视结构示意图；
图4是图1中气膜为大气膜的C-C向剖视结构示意图；
图5是图1中气膜为大气膜的D-D向剖视结构示意图。
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。
一种气浮装置，包括上下相对设置的气浮轴承2及底座平台1；所述气浮轴承2内设置节流器结构，气源提供的高压气体间通过节流器结构，在气浮轴承2与底座平台1间形成气膜7，所述气浮轴承2上设置吸力调节结构，通过吸力调节结构调节气膜7的厚度。
所述气浮轴承2包括矩形块状的滑动块体2-1、及布设在滑动块体2-1上的节流器结构和吸力调节结构，所述节流器结构的出气端贯通在滑动块体2-1朝向底座平台1的工作面上，节流器结构的进气端连接气源，气源提供高压气体通过节流器结构通至滑动块体2-1与气浮轴承2间形成气膜7，所述吸力调节结构包括气力部件及磁力部件，气力部件与磁力部件协同运转调节气膜7的厚度，进而调节气浮轴承2与所述底座平台1之间产生吸力。
所述滑动块体2-1内部设置多组节流器结构一，每组所述节流器结构一均包括第一高压气体管道2-3及n个第一节流器2-2；所述第一高压气体管道2-3的进气端与气源通气连接，所述第一高压气体管道2-3上通气布设n个第一节流器2-2，n为大于0的偶数，每个所述第一节流器2-2的出气端均在滑动块体2-1的工作面上开设第一压力腔，气浮轴承2可以在底座平台1上水平移动，且通过第一节流器2-2和吸力调节结构可以控制气浮轴承2的垂向微动高度。引入吸力调节结构有效平衡气浮轴承2，通过吸力调节结构，可以有效地提升气浮轴承2的静态特性。
所述滑动块体2-1内部还设置多组起补偿作用的节流器结构二，每组所述节流器结构二均包括第二高压气体管道2-5及m个第二节流器2-4；所述第二高压气体管道2-5的进气端与气源通气连接，所述第二高压气体管道2-5上通气布设m个第二节流器2-4，每个所述第二节流器2-4的出气端均在滑动块体2-1的工作面上开设第二压力腔，具体地，在现有气浮轴承2的基础上，可以通过第二节流器2-4作为补偿节流器提高气浮轴承2的性能，
多个第一节流器2-2关于滑动块体2-1的工作面的前后方向中心线对称分布，多个第二节流器2-4关于滑动块体2-1的工作面的前后方向中心线对称分布，每个所述第一压力腔及第二压力腔处均设置有均压槽6。
多组节流器结构一或节流器结构二中位于相同排序位置的第一节流器2-2或第二节流器2-4位于同一条直线上，即在滑动块体2-1工作面上形成多排均压槽6，如图1所示，图中由左至右依次为编号一至六的六排均压槽6，其中第一、三、四及六排的均压槽6与第一节流器2-2连通，其中第二及第五排均压槽6与第二节流器2-4连通。
使用中可分别独立为第一高压气体管道2-3或第二高压气体管道2-5供气，令多组节流器结构不同时工作。其中优先使用节流器结构一，即优先为第一高压气体管道2-3供气，保证气浮轴承2的刚度，当需要更高刚度或承载时，再启用节流器结构二，即为第二高压气体管道2-5供气，即正常工况下气源始终通过第一高压气体管道2-3向第一节流器2-2通入高压气体并保持，当需要补偿气体时则启用第二节流器2-4。
所述吸力调节结构的气力部件包括真空吸附腔3-1-1及真空吸附管道3-1-2；多个所述真空吸附腔3-1-1布设在滑动块体2-1的工作面上，多个真空吸附腔3-1-1关于滑动块体2-1的工作面的前后方向中心线对称分布，所述真空吸附管道3-1-2一端设置多个分支，多个分支分别接通多个真空吸附腔3-1-1，真空吸附管道3-1-2的另一端接设抽气设备，
抽气设备运转通过真空吸附管3-1-2及真空吸附腔3-1-1抽吸构成气膜7的气体，通过控制真空吸附腔3-1-1的真空吸附流量间接控制气膜7的厚度。
当需要主动控制气浮轴承2的气膜7厚度时，如需改变气膜7厚度，可以通过改变第一节流器2-2供气压力、通入第二节流器2-4供气作为二次补偿、改变吸力调节结构的气力部件产生的吸力，使气浮轴承2达到所需气膜7的厚度。
真空吸附可以降低气膜7厚度，当通入第一节流器2-2和/或第二节流器2-4的高压气体的压力和真空吸附力相平衡时，可以实现一个相对稳定的高压气膜7。如需要改变气膜7厚度的大小，可以通过改变第一节流器2-2和/或第二节流器2-4的高压气体的供气压力、以及真空吸附力，使施力再次平衡。
所述底座平台1朝向气浮轴承2的一面设有导磁层4，所述磁力调节结构的磁力部件包括多个电磁块体3-2；多个所述电磁块体3-2固定布设在滑动块体2-1的工作面上，多个电磁块体3-2同样关于滑动块体2-1的工作面的前后方向中心线对称分布，多个电磁块体3-2通电即可吸附导磁层4，所述电磁块体3-2通电时产生可调的电磁力吸附所述导磁层4。
电磁块体3-2通过电磁力可以减小气膜7厚度，当高压气体的压力、真空吸附力和电磁块体3-2的电磁力相平衡时，可以实现一个相对稳定的高压气膜7。如需要改变气膜7厚度的大小，可以通过改变第一节流器2-2和/或第二节流器2-4的供气压力、真空吸附压力和/或磁力大小，使施力再次平衡。
所述气浮装置还包括两个位移检测装置5；两个所述位移检测装置5固定安设在滑动块体2-1的底面上，并布置在滑动块体2-1工作面的左右方向中心线上，位移检测装置5的布设主要负责实时监控气膜7的厚度。
所述第一节流器2-2沿气体流动方向依次为第一节流器气流管道2-2-3、第一节流器节流小孔2-2-2及第一节流器压力腔2-2-1，所述第一节流器气流管道2-2-3的进气端通气连接第一高压气体管道2-3，第一节流器气流管道2-2-3的出气端通过设置径向尺寸缩小的第一节流器节流小孔2-2-2与第一节流器压力腔2-2-1连通，所述第一节流器压力腔2-2-1与均压槽6过渡连通，每个所述第二节流器2-4的结构构成均与第一节流器2-2相同，
如说明书附图1至5所示，本实施例中第一节流器2-2的数量为12个，第二节流器2-4的数量为6个，真空吸附腔3-1-1的数量为6个，电磁块体3-2的数量为8个，所述第一节流器2-2、第二节流器2-4、真空吸附腔3-1-1及电磁块体3-2等数对称分布在工作面的一条中心线的两侧。
工作原理：
气浮轴承2的工作面设置有六排节流器(第一节流器22和第二节流器24)，通过气源提供高压气体从气体入口经过过第一高压气体管道23和第二高压气体管道25通入至气浮轴承2的节流器结构内部，气体通过节流小孔流入至压力腔，并与底座平台1的上端面形成高压气膜7。
气浮轴承2通过气源通入高压气体与底座平台1形成一层具有承载力的高压气膜7，从而使气浮轴承2底面具有向上的压力，而气浮轴承2上设有阵列排布的电磁块体32，通过与底座平台1上端的导磁层4相吸从而实时减小气膜7厚度，另外，真空吸附部件的加入也同样可以达到减小气膜7厚度的效果。
使通过第一节流器22和第二节流器24的高压气体的压力和电磁块体32的电磁力、真空吸附部件的真空吸附力三者相平衡，则气膜7的厚度固定。如需要改变气膜7厚度，可以通过改变第一节流器22和/或第二节流器24供气压力、电磁块体32的磁力大小和/或真空吸附部件的吸附压力，使施力再次平衡，实现一个相对稳定的高压气膜7。
工作过程1：当需要主动控制气浮轴承2的气膜7厚度时，如需要增大气膜7厚度，可以通过增大第一节流器22的供气压力、第二节流器24的二次补偿供气压力、降低或关闭真空吸附部件的真空吸附力和减小电磁块体32的电流，使气浮轴承2达到所需气膜7的厚度；反之，如需要减小气膜7的厚度，可以通过减小第一节流器22的供气压力、关闭第二节流器24的二次补偿供气、降低或关闭真空吸附部件的真空吸附力和增大电磁块体32的电流，如图2和图3所示为气膜厚度变化的示意图。具体当需要主动控制气浮轴承2的气膜7厚度时，可以将电磁块体32、真空吸附部件和第二节流器24引入，任意组合最终达到合适平稳的气膜7厚度，相比没有主动控制的气浮轴承2结构，本发明中气浮轴承2特性会随着气膜7厚度的变化而变化，最终达到所需的气膜特性。
工作过程2：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在底座平台1上滑动，由于导磁层4均匀布设在底座平台1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，另外通过气浮轴承2底面的两个位移检测装置5，可以实时监控气膜7的厚度。
本发明通过双供气(第一节流器22和第二节流器24)、真空吸附部件和电磁块体32的引入，有效地提升气浮轴承2静、动态特性，拓展气浮轴承2应用领域。
当压缩气体通从小孔流进节流器内部后充满了整个轴承间隙，最后从出口流入大气，由于节流器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。当空气静压轴承受到垂直向下的作用力时，由于气体可压缩性，轴承将会向下移动一段距离，此时气膜7厚度变小，气膜7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实时控制气膜厚度及提高气浮轴承2静、动态特性。
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 (9)
1.一种气浮装置，其特征在于：包括上下相对设置的气浮轴承(2)及底座平台(1)；所述气浮轴承(2)内设置节流器结构，气源提供的高压气体间通过节流器结构，在气浮轴承(2)与底座平台(1)间形成气膜(7)，所述气浮轴承(2)上设置吸力调节结构，通过吸力调节结构调节气膜(7)的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种气浮装置，其特征在于：所述气浮轴承(2)包括矩形块状的滑动块体(2-1)、及布设在滑动块体(2-1)上的节流器结构和吸力调节结构，所述节流器结构的出气端贯通在滑动块体(2-1)朝向底座平台(1)的工作面上，节流器结构的进气端连接气源，气源提供高压气体通过节流器结构通至滑动块体(2-1)与气浮轴承(2)间形成气膜(7)，所述吸力调节结构包括气力部件及磁力部件，气力部件与磁力部件协同运转调节气膜(7)的厚度，进而调节气浮轴承(2)与所述底座平台(1)之间产生吸力。
3.根据权利要求2所述的一种气浮装置，其特征在于：所述滑动块体(2-1)内部设置多组节流器结构一，每组所述节流器结构一均包括第一高压气体管道(2-3)及n个第一节流器(2-2)；所述第一高压气体管道(2-3)的进气端与气源通气连接，所述第一高压气体管道(2-3)上通气布设n个第一节流器(2-2)，每个所述第一节流器(2-2)的出气端均在滑动块体(2-1)的工作面上开设第一压力腔。
4.根据权利要求3所述的一种气浮装置，其特征在于：所述滑动块体(2-1)内部还设置多组起补偿作用的节流器结构二，每组所述节流器结构二均包括第二高压气体管道(2-5)及m个第二节流器(2-4)；所述第二高压气体管道(2-5)的进气端与气源通气连接，所述第二高压气体管道(2-5)上通气布设m个第二节流器(2-4)，每个所述第二节流器(2-4)的出气端均在滑动块体(2-1)的工作面上开设第二压力腔。
5.根据权利要求4所述的一种气浮装置，其特征在于：多个第一节流器(2-2)关于滑动块体(2-1)的工作面的前后方向中心线对称分布，多个第二节流器(2-4)关于滑动块体(2-1)的工作面的前后方向中心线对称分布，每个所述第一压力腔及第二压力腔处均设置有均压槽(6)。
6.根据权利要求1或5所述的一种气浮装置，其特征在于：所述吸力调节结构的气力部件包括真空吸附腔(3-1-1)及真空吸附管道(3-1-2)；多个所述真空吸附腔(3-1-1)布设在滑动块体(2-1)的工作面上，多个真空吸附腔(3-1-1)关于滑动块体(2-1)的工作面的前后方向中心线对称分布，所述真空吸附管道(3-1-2)一端设置多个分支，多个分支分别接通多个真空吸附腔(3-1-1)，真空吸附管道(3-1-2)的另一端接设抽气设备。
7.根据权利要求6所述的一种气浮装置，其特征在于：所述底座平台(1)朝向气浮轴承(2)的一面设有导磁层(4)，所述磁力调节结构的磁力部件包括多个电磁块体(3-2)；多个所述电磁块体(3-2)固定布设在滑动块体(2-1)的工作面上，多个电磁块体(3-2)同样关于滑动块体(2-1)的工作面的前后方向中心线对称分布，多个电磁块体(3-2)通电即可吸附导磁层(4)。
8.根据权利要求1或7所述的一种气浮装置，其特征在于：所述气浮装置还包括两个位移检测装置(5)；两个所述位移检测装置(5)固定安设在滑动块体(2-1)的底面上，并布置在滑动块体(2-1)工作面的左右方向中心线上。
9.根据权利要求5或8所述的一种气浮装置，其特征在于：所述第一节流器(2-2)沿气体流动方向依次为第一节流器气流管道(2-2-3)、第一节流器节流小孔(2-2-2)及第一节流器压力腔(2-2-1)，所述第一节流器气流管道(2-2-3)的进气端通气连接第一高压气体管道(2-3)，第一节流器气流管道(2-2-3)的出气端通过设置径向尺寸缩小的第一节流器节流小孔(2-2-2)与第一节流器压力腔(2-2-1)连通，所述第一节流器压力腔(2-2-1)与均压槽(6)过渡连通，每个所述第二节流器(2-4)的结构构成均与第一节流器(2-2)相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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