[發明專利]一種氣膜形狀可變的主動氣浮軸承

在審

• 申請號: 201811094713.3
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN110925308A
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 于普良;孔建益;楊金堂;鄒光明;熊禾根;李雙
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: F16C32/06
• 分類號: F16C32/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種氣膜形狀可變的主動氣浮軸承裝置，包括氣浮軸承本體和壓力控制單元，其中氣浮軸承本體主要由上本體和下本體兩部分組成，壓力控制單元主要由作動單元和檢測單元兩部分組成，作動單元根據檢測單元的檢測的壓力信號生成控制信號改變腔室內的壓力，柔性鉸鏈結構在上下壓力差作用下變形改變氣浮軸承氣膜形狀，達到控制氣膜間隙壓強分布的目的，從而改善氣浮軸承動力學特性。本發明不僅可以顯著改善氣浮軸承動力學特性，而且可以有效衰減氣浮軸承的微振動，實現氣浮軸承的高穩定性；此外，按照本發明的氣膜形狀可變的主動氣浮軸承具有高穩定性和高精度等優點，因此尤其適用于半導體設備和微/納機電系統等領域。

技術領域

本發明涉及一種氣膜形狀可變的氣浮軸承，能夠改善承載力和動剛度，同時可以快速衰減氣浮軸承微振動，主要應用于集成電路制造和高速主軸等領域。

背景技術

氣浮軸承具有高速、高精和長壽命等優點，減少了機械軸承摩擦發熱等問題，廣泛應用于納米加工與制造技術和高速主軸等超精密制造領域。

然而，氣體軸承存在承載力低、剛度弱和微振動等問題：一方面高速氣體的湍流流動引發的微振動會影響超精密運動系統的動力學特性。另一方面，傳統氣浮支承阻尼弱，難以快速衰減外界擾動。

傳統氣浮軸承雖然在表面微結構和多孔節流方式等方面進行了改進，但是對其動力學特性改善有限，因此制約了其在大負載超精密加工裝備的應用。

發明內容

本發明的目的是在于解決上述技術上的不足，改善上述氣浮軸承對微振動的抑制能力弱和系統難以快速穩定的缺點，提供一種氣膜形狀可變的氣浮軸承。

為了解決上述問題，本發明采用的技術方案是一種氣膜形狀可變的主動氣浮支承，通過支承面的形變改變氣膜形狀來控制氣膜內部壓力分布，從而改善氣浮軸承的承載力和剛度。其中采用壓力控制單元對氣浮軸承下本體的腔室內部壓力進行調節，下本體柔性結構的上下表面的壓力差會引起柔性結構的形變。柔性結構的形變會改變氣膜形狀，從而改變氣膜內部壓力分布。柔性結構的動態形變可以對氣浮軸承的微振動進行自適用調節，測試表明能夠顯著改善氣浮軸承動力學特性，并實現氣浮軸承的高穩定性；此外，按照本發明的氣膜形狀可變氣浮軸承可以顯著改善其動力學特性，適用于微/納機電系統、納米加工與制造技術等超精密制造領域。

為實現上述目的，本發明是通過以下技術手段實現的：

提供了一種氣膜形狀可變的氣浮軸承，包括氣浮軸承本體和壓力控制單元，其中：

所述的氣膜形狀可變的氣浮軸承裝置主要由上本體、壓力控制單元和下本體三部分組成；氣浮軸承上本體開設有氣體通道，高壓氣體由進氣口進入氣體通道，流經氣體通道和節流孔，擴散至兩支承面之間的間隙，最終排放至大氣環境，構成了靜壓氣體潤滑支承，實現被支承物體的懸浮；

所述的壓力控制單元包括位置傳感器、壓力傳感器和壓力控制器；位置傳感器測量分辨率優選在0.1微米以上；壓力傳感器分辨率優選100pa以上；壓力控制器范圍為-100kpa~0.6Mpa，頻率50Hz以上；

所述的壓力控制器根據位置傳感器和壓力傳感器所測得數值，相應控制腔室內的壓力；腔室內壓力的改變可以改變柔性結構上下表面的壓力差，壓力差的改變會直接導致柔性結構的形變；柔性結構的形變會改變氣膜的形狀，同時改變氣膜內的壓力分布，從而實現對氣浮軸承動力學特性的主動控制。

總體而言，相比于現有技術，本發明所提供的氣膜形狀可變的氣體軸承采用柔性結構變形實現氣膜形狀改變來直接改變氣浮軸承內部氣膜壓強分布，與現有技術相比可以更顯著的改善氣浮軸承動力學特性（承載能力和剛度），測試表明，可以有效的改善主動氣浮軸承的動剛度的幅度和頻率帶寬；針對氣浮軸承的微振動執行自適用調節，測試表明能夠顯著改善氣浮軸承動力學特性，實現氣浮軸承的強魯棒性；此外，按照本發明的氣膜形狀可變氣浮軸承不僅可以改善氣浮軸承動力學特性，而且可以有效的抑制氣浮軸承的微振動，因此尤其適用于納米制造與加工、高速主軸等領域。