CN217603183U - 一种混合型气浮轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合型气浮轴承，包括轴承外圈和气浮轴承体，轴承外圈的顶部固定连接有轴承盖板，轴承外圈的侧壁内开设有吸气孔，轴承盖板与轴承外圈之间设置有气室，轴承端盖的底部设置有进气口，轴承盖板的顶面上开设有排气口；气浮轴承体的底面位于轴承外圈的底面上方；压力气体由进气口送入气浮轴承体内，并在气浮轴承体的底面和运动平面之间形成气膜，气膜外侧的气体被吸入吸气孔，进而经气室送至排气口并排出，通过控制压力气体的排气量和吸气孔的吸气量来控制调节气膜的平衡状态。本实用新型通过在气浮轴承体的外侧设置气道结构的轴承外圈，有机结合了多孔材料气浮轴承和气道气孔式气浮轴承的优点，提升了气浮轴承的功能多样性。

Description

一种混合型气浮轴承

技术领域

本实用新型涉及轴承技术领域，特别是涉及一种混合型气浮轴承。

背景技术

半导体和材料科学的制程和检测都是很精密的，随着技术的进步和工艺控制的要求，半导体及材料制程工艺设备，和半导体检测及量测设备运动平台的三维方向的稳定性，位置精准性，位置可重复性要求日益严苛，气浮轴承(air bearing)作为重要的运动和支持器件，在运动平台等领域得到广泛的应用。

目前主要的气浮轴承使用材料和加工方法，有两大类：以微纳尺度气隙通道的多孔材料(Porous material)为主体通道的多孔材料式气浮轴承(如中国发明专利：基于多孔质材料的气浮组件及平台，公开号：CN105131778A)和在材料上加工内径在微米级以上的气道的、在气浮轴承与平面相对的表面有气孔的气道气孔式气浮轴承(如中国发明专利：一种气浮轴承，公开号：CN110617272B)。

上述两种材料和结构的气浮轴承，都有其优点和缺点：

(1)多孔材料式气浮轴承，出气更均匀、平稳，但是化学材料生长的气隙大小各异(部分会特别小)，而且内部联通曲折，此种结构在使用时特别怕颗粒微尘堵住微气道，所以在多孔材料式气浮轴承上端的进气处需要配置空气过滤器，从而预先去除空气中的各种颗粒、微尘、油污等。同时，在一些特定应用场景中，部分工作区域不仅需要通过多孔材料对外排气，还需要具备吸气功能来实现特殊目的，如平衡吸气和排气区域来调节气膜厚度、增加载荷预紧力、吸附平面等，则运动平面所处环境内的颗粒就会被吸附进多孔材料，进而把联通区域变成封闭状态，影响气膜的厚度和平衡，最终导致多孔材料式气浮轴承无法正常工作，乃至失效。还有，在突然断气或者压力突变的状况下，导致多孔材料式气浮轴承直接摩擦于运动平面上，导致多孔表面产生更多微粒堵塞，乃至摩擦损伤。

(2)气道气孔式气浮轴承，因为气道孔径较应用环境的颗粒微尘要大的多，且气道规则平整，不会产生多孔材料式气浮轴承所存在的颗粒堵塞问题。但是气孔气道式排气的出气均匀性、平稳性较多孔材料式气浮轴承差，气膜厚度的精密控制可操作性较差，整体运动和静态平衡能力略差，需要精确设计气孔排布和控制方式来控制气道气孔式气浮轴承的工作性能。同时，由于气道位于轴承体的内部，气孔为盲孔结构，且气道和气孔的孔径较小，其加工工艺和检测工艺比较复杂，增加了生产和检修成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种混合型气浮轴承，结合微纳尺度通气孔径的的多孔材料和较大尺度通气孔径的气道气孔的结构，集成了二者的优点，提升气浮轴承的功能的多样性，并叠加实现了新的功能，可实现气浮轴承在相对的运动平面上的悬浮或活动贴合或吸附，且对多孔材料具备很好的防护功能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：

一种混合型气浮轴承，包括底部开口且为柱形结构的轴承外圈和密接嵌套于轴承外圈内部且由多孔材料制成的气浮轴承体，所述轴承外圈的顶部固定连接有轴承盖板，轴承外圈的侧壁内开设有在气浮轴承体外侧均匀分布的吸气孔，所述轴承盖板的底面与轴承外圈的顶面之间设置有连通各个吸气孔的气室，所述轴承盖板的底部设置有位于气浮轴承体正上方且与轴承外圈的内部连通的进气口，轴承盖板的顶面上开设有与气室连通的排气口；

压力气体由进气口送入气浮轴承体内，并在气浮轴承体的底面形成气膜，气膜外侧的气体被吸入吸气孔，进而经气室送至排气口并排出，结合吸气孔的平面几何分布，通过控制通过气浮轴承体的排气量和吸气孔的吸气量来控制调节气膜的厚度并维持气膜的平衡状态和气膜的流体平滑稳定性，以满足系统所需的承载力、气浮刚度和动静态稳定性。

进一步的，所述轴承外圈的顶面和/或轴承盖板的底面上开设有凹槽，凹槽与轴承盖板的底面或轴承外圈的顶面形成所述气室。

进一步的，所述轴承盖板的外径与轴承外圈的外径相同，且轴承盖板与轴承外圈通过多个螺钉固定连接。

进一步的，所述轴承盖板与轴承外圈的连接处设置有密封垫。

进一步的，所述轴承外圈的顶面边缘/轴承盖板的底面边缘上设置有对接凹槽，所述轴承盖板的底面边缘/轴承外圈的顶面边缘上设置有与对接凹槽相匹配的对接凸起。

进一步的，所述轴承盖板的底面中心/轴承外圈的顶面中心一体设置有用于开设进气口的立柱，所述轴承外圈的顶面/轴承盖板的底面上开设有与立柱相匹配的通孔，所述立柱的侧壁与通孔的内壁密封连接。

进一步的，所述立柱与通孔之间设置有密封圈。

进一步的，所述轴承外圈的内侧顶面上设置有若干个均匀分布的定位块。

进一步的，所述轴承外圈的底面设置有至少一个导气凹槽，所述导气凹槽与吸气孔的端口连通。

进一步的，所述气浮轴承体的底面所处的水平面位于轴承外圈的底面所处水平基准面的上方，且轴承外圈的底面为光滑平面，

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型通过在多孔材料制成的气浮轴承体的外侧设置具备吸气功能的轴承外圈，有机结合了微纳尺度通气孔径多孔材料气浮轴承和较大尺度通气孔径的气道气孔式气浮轴承的优点，提升了气浮轴承的功能多样性，并叠加实现了新的功能：

1.通过多孔材料的气浮轴承体实现大面积密布式喷气，从而形成气浮轴承工作所需的气膜，结合吸气孔的平面几何分布，通过控制多气道气孔的吸气量和气浮轴承体的排气量，为平衡气膜作PID反馈补偿，可更好地动态控制调节气膜的厚度并维持气膜的平衡状态和气膜的流体平滑稳定性，以满足系统所需的承载力、气浮刚度和动静态稳定性；

2.通过控制吸气孔的吸气量，可调整气浮轴承底部的气膜的承载能力，可为气浮轴承体提供预紧力；可通过降低气浮轴承体的排气量，或同时将气浮轴承体和吸气孔之间的气流转为负压状态，使气浮轴承牢牢吸附在相对的运动平面上，对气浮轴承的运动起到刹车制动的作用，或通过吸附力牵制相对的运动平面所在的器件而使器件保持位置固定；

3.通过在多孔材料制成的气浮轴承体的外周设置吸气孔，可将气浮轴承体外围环境中的颗粒微尘吸附清除，以保护中间的多孔材料免受颗粒微尘的堵塞，进而可保证气浮轴承工作的可靠性和性能的稳定性；同时，通过设置气浮轴承体的底面所处水平面高于吸气孔所处的水平面，由于吸气孔端口所在的平面具备一定的平滑性，并且采用减摩涂层或材料，使得气浮轴承与相对的运动平面接触时，不会对多孔材料和运动平面造成任何损伤；

4.轴承外圈和轴承盖板固定连接后，形成与各个吸气孔连通的气室，采用固定连接组装的结构替代现有技术中轴承外圈和轴承盖板为一体成型结构，避免采用从一体成型结构的侧壁加工出与吸气孔连通的气道的生产工艺，使得气浮轴承零部件的生产加工工艺更加简单，组装和检修维护更加方便。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图之一；

图2为本实用新型的立体结构示意图之二；

图3为本实用新型的剖视结构示意图；

图4为所述轴承外圈的立体结构示意图之一；

图5为所述轴承外圈的立体结构示意图之二；

图6为所述轴承盖板的立体结构示意图之一；

图7为所述轴承盖板的立体结构示意图之二；

图8为图3中A部的放大结构示意图。

图中：1轴承外圈、11通孔、12吸气孔、13对接凹槽、14定位块、15导气凹槽、 2气浮轴承体、3轴承盖板、31排气口、32进气口、33对接凸起、4螺钉、5密封垫、 6密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图7，一种混合型气浮轴承，包括底部开口且为柱形结构的轴承外圈1和密接嵌套于轴承外圈1内部且由多孔材料制成的气浮轴承体2，轴承外圈1的顶部固定连接有轴承盖板3。轴承外圈1作为气浮轴承的支撑和夹持结构，采用不锈钢或铝合金、陶瓷(如碳化硅，氮化硅等)、工程塑料、高分子复合材料等一些高比刚度、高强度、高表面光洁度材料制成，本实施例中为圆柱形结构。气浮轴承体2采用现有的多孔材料制成，气孔材料通气孔径为0.1～1微米数量级，其通气性能即其它各项性能也与现有的多孔材料式气浮轴承中的相同，此处也不作详细描述。轴承盖板3的外径与轴承外圈1的外径相同，材质也与轴承外圈1相同，且轴承盖板3与轴承外圈1可通过粘合胶连接或焊接或螺钉连接等常规固定连接方式形成整体结构。本实施例中，轴承盖板3 与轴承外圈1通过8个螺钉4固定连接，使得轴承盖板3与轴承外圈1之间为可拆卸的连接方式，便于后期对气浮轴承内部的检修和清洁，以及零部件的更换。轴承盖板3 与外部的进气和吸气结构进行连接，以及与外部的安装位置连接固定等，具体的连接结构可根据其实际应场合的需要进行设定，此处省略描述。

优选的，轴承盖板3与轴承外圈1的连接处设置有橡胶材质的密封垫5，可有效保证二者之间连接的密封性。进一步优选的，轴承外圈1的顶面边缘上设置有对接凹槽 13，轴承盖板3的底面边缘上设置有与对接凹槽13相匹配的对接凸起33，通过对接凸起33与对接凹槽13的配对，有助于轴承盖板3在轴承外圈1上的定位，同时通过对密封垫5的挤压，可有效增强密封垫5的密封效果。

显然，也可在轴承盖板3的底面边缘上设置有对接凹槽13，轴承外圈1的顶面边缘上设置有与对接凹槽13相匹配的对接凸起33，实现相同的上述技术效果。

如图4和图5所示，轴承外圈1的底面中心处开设有用于容纳和固定安装气浮轴承体2的腔室。本实施例中，气浮轴承体2为圆柱体结构，腔室的截面轮廓与气浮轴承体 2的截面轮廓相匹配，使得气浮轴承体2可完全嵌入腔室内，并使气浮轴承体2的外壁与腔室的内壁充分接触。气浮轴承体2的外壁与腔室的内壁之间通过粘合胶连接固定，使气浮轴承体2在腔室内保持相对固定，同时气浮轴承体2的顶面与腔室的顶面预留一定的距离，即使得气浮轴承体2的顶部保留一定的气体缓冲空间，以使气体可在气浮轴承体2的顶部均匀分布，进而可均匀通过气浮轴承体2。

优选的，轴承外圈1的内侧顶面(即气体缓冲空间的侧壁)上设置有若干个(本实施例中为4个)均匀分布的定位块14，则气浮轴承体2放置于轴承外圈1的腔室内后，其顶面与定位块14的底部相抵，便于气浮轴承体2在腔室内的快速定位，能够保证批量生产时，腔室内预留的空气缓冲空间的大小一致。由于定位块14的体积较小，对气体缓冲空间内的气体流动的影响可以忽略不计。

轴承盖板3的底部设置有位于气浮轴承体2正上方且与轴承外圈1的内部(气浮轴承体2上方的气体缓冲空间)连通的进气口32。具体的，轴承盖板3的顶面中心一体设置有用于开设进气口32的立柱34，轴承外圈1的顶面上开设有与立柱34相匹配的通孔11(如图6和图7所示)，立柱34的侧壁与通孔11的内壁密封连接。具体的，立柱34与通孔11之间可填充密封胶，以保证连接处的密封性。优选的，立柱34与通孔11之间设置有橡胶材质的密封圈6，保证连接处的密封性的同时便于在检修或清洁时，立柱34与与通孔11之间的分离。

外部的压力气体通过外部管路及连接件引入进气口32内，进而进入气体缓冲空间，而后通过气浮轴承体2的底面均匀地大面积密布式喷出，在气浮轴承体2的底部和相对的运动平面之间形成一定厚度的气膜，对气浮轴承及其上的载荷起到支撑作用。该工作原理与现有的多孔材料式气浮轴承的工作原理相同。

显然，也可在轴承外圈1的顶面中心一体设置有用于开设进气口32的立柱34，轴承端盖3的底面上开设有与立柱34相匹配的通孔11，立柱34的侧壁与通孔11的内壁密封连接，可同样实现前述技术效果。

轴承外圈1的侧壁内开设有在气浮轴承体2外侧均匀分布的吸气孔12。本实施例中，吸气孔12在轴承外圈1的底面上成环形均匀分布，每环上吸气孔12的数量为8 个，共设置两环(具体的气孔内径尺寸，数量和分布位置，如气孔环数，根据气浮轴承自身大小尺寸以及吸气量大小适当设置)。吸气孔12在轴承外圈1的侧壁内垂直设置，并贯通轴承外圈1的顶面和底面，吸气孔12通过激光打孔工艺加工而成，或其他适合的孔加工工艺如可由化学腐蚀、刻蚀加工而成，可有效保证每个吸气孔12的规格(即孔径、深度、表面粗糙度等)一致且在轴承外圈12上分布均匀。本实施例中，吸气孔 12的内径为百微米数量级。

轴承外圈1的顶面上开设有凹槽，轴承盖板3与轴承外圈1密封连接后，凹槽与轴承盖板3的底面之间形成所述气室。由于凹槽位于轴承外圈1的顶面上，因此可采用常规的加工工艺实现该凹槽的加工，如铸造成型、铣削成型等，相对于现有的激光打垂直和水平的盲孔工艺来说，加工工艺和检测工艺都更加简单，可显著降低生产成本。或通过在轴承外圈1的顶面模具铸造出较大尺寸～100微米内径的盲孔，封闭端在靠近底面处，再在封闭端通过化学腐蚀的工艺刻蚀出微米级内径的小孔，打通盲孔，使之与吸气孔12连通。

显然，也可在轴承盖板3的底面上单独开设有凹槽，凹槽与轴承外圈1的顶面形成所述气室；或在轴承外圈1的顶面和轴承盖板3的底面上同时开设有凹槽，两个凹槽共同形成所述气室。

轴承盖板3的顶面上开设有与气室连通的排气口31。如图5所示，排气口31位于进气口32的一侧，排气口31的外端口通过外部管路及连接件与负压设备连接，通过外部的负压设备可控制和调节排气口31处的负压值，从而调整由吸气孔12吸入气道气室内的气体流量，亦即对应调整气浮轴承体2底面外围气体的负压状态，从而对气浮轴承体2底面正下方的气膜的气流产生影响，调节气膜的平衡状态，具体表现为调整气膜的厚度、刚度和承载能力。同时，在气浮轴承工作的初始状态，通过控制气道气孔内的吸气量，可使轴承外圈1与相对的运动平面之间产生负压吸附力，从而使气浮轴承在相对的运动平面上具备一定的载荷预紧力，这也是现有的气浮轴承所不具备的功能之一。

此外，通过在多孔材料制成的气浮轴承体2的外围设置吸气孔12，可将气浮轴承体2外围环境中的颗粒微尘吸附清除，以保护中间的多孔材料免受颗粒微尘的堵塞，进而可保证气浮轴承工作的可靠性和性能的稳定性。

优选的，轴承外圈1的底面设置有至少一个导气凹槽15，导气凹槽15与吸气孔12的端口连通。本实施例中，导气凹槽15设置为一个，且为与内侧的8个吸气孔12的端口处连通的环形凹槽。导气凹槽15的宽度可根据实际使用的需要设置为大于或等于或小于吸气孔12的孔径。在实际使用时，各个吸气孔12在吸气过程中，经导气凹槽15 连通的吸气孔12的入口端气流在导气凹槽15的引导作用下，形成环形的吸气屏障，对气浮轴承体2起到全方位的保护，有效避免气浮轴承体2外围环境中的颗粒微尘进入多孔材料内而产生堵塞，进而有效保证气浮轴承工作的可靠性和性能的稳定性。

气浮轴承体2的底面位于轴承外圈1的底面上方，且轴承外圈1的底面为光滑平面；即气浮轴承体2的底面位于轴承外圈1的腔体内，与轴承外圈1的底面存在一定的高度差，如图8所示。在异常工作状态，如突然断气或者压力突变，可能会导致气浮轴承体 2的底面直接与相对的运动平面直接摩擦接触，导致的多孔材料的表面产生更多微粒堵塞，乃至摩擦损伤。因此，在内侧的多孔材料制成的气浮轴承体2与外侧的吸气孔12 的水平面引入高度差Δh，可避免气浮轴承体2的底面与相对的运动平面发生接触，从而进一步保护多孔材料式气浮轴承。在满足气浮轴承体2底面水平面到运动平面的气膜厚度要求的前提下，此高度差大小为＞1微米；保证异常情况下，此高度差大小满足气浮轴承体2底面水平面不会与运动平面摩擦接触即可。本实施例中，气浮轴承体2的底面高于轴承外圈1的底面若干微米，优选1-10微米，使得气浮轴承体2排出的气体能够与相对的运动平面之间保持足够的压力。该高度差需要严格控制轴承外圈1内腔室的深度和定位块14的高度，以及气浮轴承体2自身的高度和气浮轴承体2与轴承外圈1 之间的装配精度。

此外，设置气浮轴承体2的底面高于轴承外圈1的底面，可以使气浮轴承具备一个新的功能：通过减小或关闭气浮轴承体2的排气量，或同时将气浮轴承体和吸气孔之间的气流转为负压状态，可以在轴承外圈1与相对的运动平面之间形成吸附负压，使气浮轴承牢牢吸附在相对的运动平面上，对气浮轴承的运动起到刹车制动的作用，或通过吸附力牵制相对的运动平面所在的器件而使器件与气浮轴承之间保持相对位置固定。由于吸气孔12的端口所在的平面具备一定的平滑性，并且采用减摩涂层或材料，使得气浮轴承与相对的运动平面接触时，不会对多孔材料和运动平面造成任何损伤。

本气浮轴承的工作过程为：压力气体由进气口32送入气浮轴承体2内，并在气浮轴承体2的底面和相对的运动平面之间形成气膜，气膜外侧的气体被吸入吸气孔12，进而经气道13送至排气口31并排出，结合吸气孔12的平面几何分布控制吸气孔12 的吸气量和气浮轴承体2的排气量来控制调节气膜的厚度并维持气膜的平衡状态和气膜的流体平滑稳定性，以满足系统所需的承载力、气浮刚度和动静态稳定性，即通过多孔材料的气浮轴承体实现多孔大面积密布式喷气，从而形成气浮轴承工作所需的气膜，通过控制多孔材料模块的排气量和气道气孔的吸气量，为平衡气膜做PID反馈补偿(通过感知负载大小，进而通过改变吸气量，调整气膜的整体压强，进而使气浮轴承底部的气压支撑力与负载平衡，为现有技术，此处不作详细描述)，从而更好地动态控制气膜的平衡状态，进而提升了气浮轴承工作状态的平稳性。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合型气浮轴承，其特征在于：包括底部开口且为柱形结构的轴承外圈(1)和密接嵌套于轴承外圈(1)内部且由多孔材料制成的气浮轴承体(2)，所述轴承外圈(1)的顶部固定连接有轴承盖板(3)，轴承外圈(1)的侧壁内开设有在气浮轴承体(2)外侧均匀分布的吸气孔(12)，所述轴承盖板(3)的底面与轴承外圈(1)的顶面之间设置有连通各个吸气孔(12)的气室，所述轴承盖板轴承盖板(3)的底部设置有位于气浮轴承体(2)正上方且与轴承外圈(1)的内部连通的进气口(32)，轴承盖板(3)的顶面上开设有与气室连通的排气口(31)；

压力气体由进气口(32)送入气浮轴承体(2)内，并在气浮轴承体(2)的底面形成气膜，气膜外侧的气体被吸入吸气孔(12)，进而经气室送至排气口(31)并排出，结合吸气孔(12)的平面几何分布，通过控制通过气浮轴承体(2)的排气量和吸气孔(12)的吸气量来控制调节气膜的厚度并维持气膜的平衡状态和气膜的流体平滑稳定性，以满足系统所需的承载力、气浮刚度和动静态稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承外圈(1)的顶面和/或轴承盖板(3)的底面上开设有凹槽，凹槽与轴承盖板(3)的底面或轴承外圈(1)的顶面形成所述气室。

3.根据权利要求1所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承盖板(3)的外径与轴承外圈(1)的外径相同，且轴承盖板(3)与轴承外圈(1)通过多个螺钉(4)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承盖板(3)与轴承外圈(1)的连接处设置有密封垫(5)。

5.根据权利要求3所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承外圈(1)的顶面边缘/轴承盖板(3)的底面边缘上设置有对接凹槽(13)，所述轴承盖板(3)的底面边缘/轴承外圈(1)的顶面边缘上设置有与对接凹槽(13)相匹配的对接凸起(33)。

6.根据权利要求1所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承盖板(3)的底面中心/轴承外圈(1)的顶面中心一体设置有用于开设进气口(32)的立柱(34)，所述轴承外圈(1)的顶面/轴承盖板(3)的底面上开设有与立柱(34)相匹配的通孔(11)，所述立柱(34)的侧壁与通孔(11)的内壁密封连接。

7.根据权利要求6所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述立柱(34)与通孔(11)之间设置有密封圈(6)。

8.根据权利要求1所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承外圈(1)的内侧顶面上设置有若干个均匀分布的定位块(14)。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述轴承外圈(1)的底面设置有至少一个导气凹槽(15)，所述导气凹槽(15)与吸气孔(12)的端口连通。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的一种混合型气浮轴承，其特征在于：所述气浮轴承体(2)的底面所处的水平面位于轴承外圈(1)的底面所处水平基准面的上方，且轴承外圈(1)的底面为光滑平面。

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