[发明专利]一种主动式气浮轴承

说明书

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。

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；