專利名稱：空氣軸承、氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)定空氣軸承內(nèi)轉(zhuǎn)軸的方法
空氣軸承、氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)定空氣軸承內(nèi)轉(zhuǎn)軸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣軸承，特別涉及用于超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
空氣軸承(Air Bearing)是諸如顯微鏡、光刻機(jī)、超精密切削加工機(jī)等設(shè)備中所包含的超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。由于空氣軸承采用氣膜作為潤(rùn)滑劑，所以它具有高剛度、清潔和無摩擦等諸多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有在某些應(yīng)用環(huán)境下穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)。所述空氣軸承的穩(wěn)定性包括靜態(tài)穩(wěn)定性和內(nèi)部轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。制約空氣軸承的靜態(tài)穩(wěn)定性的常見因素包括氣錘振蕩現(xiàn)象、氣體流動(dòng)時(shí)在空氣軸承上產(chǎn)生的微振動(dòng)、空氣軸承的自激諧振和承載物體時(shí)的擠壓膜效應(yīng)等等。譬如微振動(dòng)是由于氣體在氣道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)；而氣體具有的很大的可壓縮性，可以導(dǎo)致空氣軸承所承載的物體不能穩(wěn)定地處于某一平衡位置，而是按正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)的自激諧振現(xiàn)象。 這些因素都可能使得空氣軸承在處于靜態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性變差，而無法滿足一下應(yīng)用上的需求。在實(shí)際使用中，空氣軸承中的轉(zhuǎn)軸通常都是由包括永磁電機(jī)、供氣裝置和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)等裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)按照一定的預(yù)定邏輯驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而使得與所述轉(zhuǎn)軸相連的工作臺(tái)在不同的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)中變化。這時(shí)，由于轉(zhuǎn)軸與氣膜之間的壓力變化、永磁電機(jī)的磁通量變化等因素進(jìn)一步影響了空氣軸承的靜態(tài)穩(wěn)定性，使得現(xiàn)有的空氣軸承的靜態(tài)穩(wěn)定性并不能夠滿足一些應(yīng)用中的要求。比如顯微鏡中包含空氣軸承的載臺(tái)需要定點(diǎn)于某一特定位置進(jìn)行觀測(cè)，此時(shí)需要空氣軸承處于靜態(tài)，但是如果使用的空氣軸承的靜態(tài)穩(wěn)定性較差的話，就會(huì)引起觀測(cè)失敗或者觀測(cè)不準(zhǔn)；再比如光刻機(jī)或者超精密刀具加工等包含空氣軸承的工作臺(tái)需要定點(diǎn)于某一特定位置進(jìn)行持續(xù)作業(yè)，同樣地，此時(shí)如果空氣軸承的靜態(tài)穩(wěn)定性較差的話，就會(huì)使得產(chǎn)品的良率下降。因此有必要提供一種新的空氣軸承來解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種空氣軸承，其具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性。本發(fā)明的另一目的在于提供一種超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，采用本發(fā)明中提出的具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性的空氣軸承。本發(fā)明的再一目的在于提供一種穩(wěn)定空氣軸承中轉(zhuǎn)軸的方法，所述方法可以提供所述轉(zhuǎn)軸較好的靜態(tài)穩(wěn)定性。為了達(dá)到本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種空氣軸承，所述空氣軸承包括空氣軸承本體及位于所述空氣軸承本體內(nèi)的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸包含呈轉(zhuǎn)軸部和形成于所述轉(zhuǎn)軸部上的凸緣部，所述空氣軸承本體上形成有若干個(gè)導(dǎo)氣孔，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔的氣體在所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體之間形成氣膜；和當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔的氣體提供軸向的作用力使所述凸緣部的部分表面與所述空氣軸承本體緊密接觸。在一 個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述凸緣部位于所述呈圓柱形的轉(zhuǎn)軸部的中部，所述凸緣部沿包含所述轉(zhuǎn)軸所在軸線的截面形狀為矩形、梭形、圓形和橢圓形中的一種，所述空氣軸承本體上形成有垂直于所述凸緣部表面且對(duì)稱的若干對(duì)導(dǎo)氣孔。在另一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述凸緣部包括位于所述轉(zhuǎn)軸部上部的第一凸緣部和位于所述轉(zhuǎn)軸部下部的第二凸緣部，所述第一凸緣部和第二凸緣部沿包含所述轉(zhuǎn)軸所在軸線的截面形狀為矩形、梭形、圓形和橢圓形中的一種，所述空氣軸承本體上形成有垂直于所述第一凸緣部下表面和垂直于所述第二凸緣部上表面的相互對(duì)稱的若干對(duì)導(dǎo)氣孔。在一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述空氣軸承本體上包括相對(duì)于所述凸緣部的上表面和下表面的導(dǎo)氣孔，當(dāng)相對(duì)于所述凸緣部的一個(gè)表面的部分或全部導(dǎo)氣孔持續(xù)或加速供給氣體，而相對(duì)于所述凸緣部的另一表面的部分或全部導(dǎo)氣孔減緩供給氣體、不供給氣體或處于真空狀態(tài)時(shí)，所述氣體提供垂直于所述凸緣部的一個(gè)表面的作用力使得所述凸緣部的另一表面與所述空氣軸承本體緊密接觸。在一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述空氣軸承還包括與所述導(dǎo)氣孔相連的供氣裝置，所述供氣裝置按照預(yù)定邏輯向各個(gè)導(dǎo)氣孔供氣。在一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述空氣軸承還包括與所述轉(zhuǎn)軸部相連的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)按照預(yù)定邏輯所述轉(zhuǎn)軸部旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)裝置為永磁電動(dòng)機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其采用了前述的空氣軸承。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，本發(fā)明提供一種穩(wěn)定空氣軸承內(nèi)轉(zhuǎn)軸的方法，所述方法包括在空氣軸承本體內(nèi)的轉(zhuǎn)軸上形成凸緣部，并在空氣軸承本體內(nèi)形成有相對(duì)于所述凸緣部的導(dǎo)氣孔；當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸需要由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)時(shí)，利用流經(jīng)所述空氣軸承本體內(nèi)導(dǎo)氣孔的氣體在所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體之間形成氣膜，并在形成氣膜后驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸需要由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸按照預(yù)定邏輯的加速度減速至靜止，然后利用流經(jīng)所述相對(duì)于凸緣部的導(dǎo)氣孔的氣體產(chǎn)生沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力， 使得所述轉(zhuǎn)軸的部分表面與所述空氣軸承本體接觸而處于穩(wěn)定靜止。在更進(jìn)一步地實(shí)施例中，所述相對(duì)于所述凸緣部的導(dǎo)氣孔被分別設(shè)置于所述凸緣部的相對(duì)的兩個(gè)表面的相對(duì)位置，將相對(duì)于所述凸緣部的一個(gè)表面的部分或者全部導(dǎo)氣孔中持續(xù)供給氣體或者加速供給氣體，而相對(duì)于所述凸緣部的另一表面的部分或者全部導(dǎo)氣孔中減速供給氣體、停止供給氣體或者形成真空而使得所述氣體提供沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力給所述轉(zhuǎn)軸，使得所述轉(zhuǎn)軸中包括所述凸緣部另一表面的部分表面與所述空氣軸承本體接觸而處于穩(wěn)定靜止，其中，各個(gè)導(dǎo)氣孔中氣體和真空的供給速率和變化由預(yù)定邏輯控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中的空氣軸承在轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)時(shí)，利用空氣將所述轉(zhuǎn)軸與空氣軸承本體緊密接觸，從而使得所述轉(zhuǎn)軸能夠處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。此時(shí)，不論進(jìn)行觀測(cè)操作或者其它加工操作等都可以獲得良好的效果。

結(jié)合參考附圖及接下來的詳細(xì)描述，本發(fā)明將更容易理解，其中同樣的附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)同樣的結(jié)構(gòu)部件，其中圖1為本發(fā)明中的空氣軸承在一個(gè)實(shí)施例中的剖面示意圖；圖2為本發(fā)明中的空氣軸承在一個(gè)實(shí)施例中的原理示意圖；圖3為本發(fā)明中的轉(zhuǎn)軸在另一個(gè)實(shí)施例中的立體示意圖；圖4為本發(fā)明中的轉(zhuǎn)軸在再一個(gè)實(shí)施例中的立體示意圖；圖5為本發(fā)明中的轉(zhuǎn)軸在再一個(gè)實(shí)施例中的立體示意圖；圖6為本發(fā)明中的超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在一個(gè)實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖；和圖7為本發(fā)明中的穩(wěn)定空氣軸承中轉(zhuǎn)軸的方法在一個(gè)實(shí)施例中的方法流程圖。
具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。請(qǐng)參考圖1，其示出了本發(fā)明中的空氣軸承在一個(gè)實(shí)施例100中的剖面示意圖。所述空氣軸承100包括空氣軸承本體120及位于所述空氣軸承本體120內(nèi)的轉(zhuǎn)軸140。所述轉(zhuǎn)軸140包含呈圓柱狀的轉(zhuǎn)軸部142和垂直于所述轉(zhuǎn)軸所在軸線而形成的凸緣部144，所述凸緣部144位于所述呈圓柱形的轉(zhuǎn)軸部142的中部，且所述凸緣部144在包含所述轉(zhuǎn)軸所在軸線的截面上的剖面(也即本圖中所示剖面)形狀為矩形。所述空氣軸承本體120上形成有若干個(gè)導(dǎo)氣孔122，所述導(dǎo)氣孔122通常是成對(duì)出現(xiàn)，并且相對(duì)垂直于所述凸緣部144的表面。當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸140處于動(dòng)態(tài)時(shí)，也即所述轉(zhuǎn)軸140旋轉(zhuǎn)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔122的氣體在所述轉(zhuǎn)軸140和所述空氣軸承本體120之間形成氣膜。藉由上述結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了空氣軸承的基本功能。特別地，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸140旋轉(zhuǎn)到某一特定位置并需要轉(zhuǎn)為靜態(tài)時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)是通過按照一定加速度減速驅(qū)動(dòng)或者停止驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸140旋轉(zhuǎn)，而使得所述轉(zhuǎn)軸140停止于預(yù)定位置保持不動(dòng)。本實(shí)施例中所述轉(zhuǎn)軸140在采用現(xiàn)有技術(shù)處于靜態(tài)后，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔122的氣體還提供沿軸向的作用力使所述凸緣部144的上表面或者下表面與所述空氣軸承本體120緊密接觸。也就是說，在所述轉(zhuǎn)軸140處于靜態(tài)以后，可以采用位于所述凸緣部144上表面上方的導(dǎo)氣孔122繼續(xù)導(dǎo)氣，而位于所述凸緣部144下表面下方的導(dǎo)氣孔 122停止導(dǎo)氣、吸氣或者處于真空形態(tài)以生成負(fù)壓，產(chǎn)生沿軸向且向下的作用力使得所述凸緣部144的下表面與所述空氣軸承本體120緊密接觸，使得所述凸緣部144和所述空氣軸承本體120的局部產(chǎn)生類似于“真空吸合”的緊密貼合效果。顯然，當(dāng)所述凸緣部144的下表面與所述空氣軸承本體120緊密接觸后，氣流等因素對(duì)所述轉(zhuǎn)軸140的靜態(tài)穩(wěn)定性將影響到最低。此時(shí)，所述轉(zhuǎn)軸140保持了較好的靜態(tài)穩(wěn)定性。具體原理可以參考圖2所示。需要注意的是，所述空氣軸承本體120中相對(duì)于所述轉(zhuǎn)軸140的轉(zhuǎn)軸部表面的導(dǎo)氣孔還應(yīng)當(dāng)持續(xù)穩(wěn)定供給氣體，以保持所述轉(zhuǎn)軸140沿徑向方向上的受力平衡。當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸140處于靜態(tài)，而需要變化為動(dòng)態(tài)時(shí)，需要首先使位于所述凸緣部144 上表面上方和下表面下方的導(dǎo)氣孔122繼續(xù)導(dǎo)氣，在所述轉(zhuǎn)軸140和所述空氣軸承本體120之間重新形成氣膜，然后驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸140旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，使得所述轉(zhuǎn)軸140 開始旋轉(zhuǎn)。綜上所述，所述空氣軸承一方面在其內(nèi)部轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)也即旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用空氣形成潤(rùn)滑氣膜；另一方面，當(dāng)其內(nèi)部轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)時(shí)，利用空氣將所述轉(zhuǎn)軸與空氣軸承本體緊密擠壓在一起，提高了所述空氣軸承的靜態(tài)穩(wěn)定性。對(duì)于圖1中未披露的細(xì)節(jié)，比如導(dǎo)氣孔的形狀、數(shù)量和位置、供氣通道的結(jié)構(gòu)、空氣軸承本體的各種實(shí)施結(jié)構(gòu)等都是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知和易于實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，本文不再累述。易于思及地，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以采用較多的改進(jìn)細(xì)節(jié)來獲得更好的靜態(tài)穩(wěn)定性。比如控制所述轉(zhuǎn)軸，特別是所述轉(zhuǎn)軸上的凸緣部與空氣軸承本體之間具有合理寬度的間隙以使得所述轉(zhuǎn)軸沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)盡可能小地產(chǎn)生沿徑向的誤差；又比如所述轉(zhuǎn)軸，特別是所述轉(zhuǎn)軸上的凸緣部與空氣軸承本體相互貼合的部分表面應(yīng)當(dāng)具有盡可能吻合的形狀；還比如所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體應(yīng)當(dāng)選擇合適硬度、可塑性和耐磨損性 的材料制作，而避免所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體貼合時(shí)產(chǎn)生磨損和粉塵等等。雖然圖1中所示出的凸緣部144的截面形狀為矩形，但是易于思及的，所述凸緣部 144可能位于所述轉(zhuǎn)軸部142的任一位置，所述凸緣部144的截面形狀也可能是其它形狀， 譬如圖3中所示出的轉(zhuǎn)軸340中的凸緣部344的截面形狀為梭形，且位于轉(zhuǎn)軸部342的中上部；又譬如圖4中所示出的轉(zhuǎn)軸440中的凸緣部444的截面形狀為近似橢圓形，且位于轉(zhuǎn)軸部442的中下部；再譬如圖5中所示出的轉(zhuǎn)軸540中包含有兩個(gè)凸緣部，包括位于所述轉(zhuǎn)軸部542上部的第一凸緣部544和位于所述轉(zhuǎn)軸部542下部的第二凸緣部546，所述第一凸緣部544和第二凸緣部546沿包含所述轉(zhuǎn)軸所在軸線的截面形狀為半圓形。不論所述凸緣部的具體位置處于何處、具體形狀為何種形狀，本發(fā)明的重點(diǎn)和要點(diǎn)之一為通過空氣提供軸向的作用力，使得轉(zhuǎn)軸的某一部分或者說表面與空氣軸承本體緊密接觸，而使得所述轉(zhuǎn)軸能夠處于靜態(tài)，并具有較好的穩(wěn)定性。請(qǐng)繼續(xù)參考圖6，其示出了本發(fā)明中的超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在一個(gè)實(shí)施例600中的結(jié)構(gòu)示意圖。所述超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)600包括空氣軸承620、與所述空氣軸承620中的導(dǎo)氣孔相連的供氣裝置640、與所述空氣軸承620中的轉(zhuǎn)軸相連的驅(qū)動(dòng)裝置660和控制裝置 680。所述空氣軸承620包括空氣軸承本體622和轉(zhuǎn)軸624，所述空氣軸承本體622內(nèi)包含導(dǎo)氣孔。所述空氣軸承620具有基本類似于圖1所示空氣軸承的結(jié)構(gòu)。所述空氣軸承 620能夠在所述轉(zhuǎn)軸624處于靜態(tài)時(shí)，利用空氣將所述轉(zhuǎn)軸624的一部分與空氣軸承本體 622緊密接觸。所述轉(zhuǎn)軸624的一端與工作臺(tái)628相連，所述轉(zhuǎn)軸624的另一端與驅(qū)動(dòng)裝置 660相連。所述供氣裝置640包括供氣模塊641、過濾器642、分流頭643和與所述導(dǎo)氣孔相連的氣管644，所述氣管644上包括可控閥門645。所述氣泵641和可控閥門645與所述控制裝置680相連。在一個(gè)實(shí)施例中，所述供氣模塊641內(nèi)包括氣泵、惰性氣體氣源、真空泵、 壓縮機(jī)和干燥器等氣體處理裝置中的一種或者多種，以提供一定的壓力氣體或者真空給所述氣管644。所述可控閥門645可以被所述控制裝置680采用諸如脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)技術(shù)等控制技術(shù)所控制，而在不同時(shí)段按照預(yù)定邏輯分別處于打開狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)或者處于預(yù)定流量控制狀態(tài)等。
所述驅(qū)動(dòng)裝置660可以是永磁電機(jī)，所述永磁電機(jī)660與所述空氣軸承620的轉(zhuǎn)軸624相連，并且驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸624旋轉(zhuǎn)或靜止。所述永磁電機(jī)660還與所述控制裝置680 相連。所述控制裝置680可以 是PLC可編程控制系統(tǒng)，其包括光柵傳感器682和單片機(jī) 684等結(jié)構(gòu)，所述光柵傳感器682可以檢測(cè)所述工作臺(tái)626上的位移變化，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給所述單片機(jī)684，所述單片機(jī)684可以根據(jù)所述檢測(cè)結(jié)果和用戶輸入來產(chǎn)生控制邏輯， 并使用所述控制邏輯控制所述可控閥門645的開關(guān)或流量，和控制所述永磁電機(jī)662的旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速。藉由上述結(jié)構(gòu)，可以形成一閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照用戶的輸入來產(chǎn)生預(yù)定的控制邏輯來控制所述轉(zhuǎn)軸624及與其相連的工作臺(tái)628的位置變化。當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸624及與其相連的工作臺(tái)628處于動(dòng)態(tài)時(shí)，所述控制裝置680控制所述可控閥門645處于導(dǎo)通狀態(tài)，所述空氣軸承本體622和轉(zhuǎn)軸624之間形成有氣膜，所述空氣軸承620可正常旋轉(zhuǎn)。當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸624及與其相連的工作臺(tái)628即將旋轉(zhuǎn)或者位移至某一特定位置時(shí)， 所述控制裝置680控制所述永磁電機(jī)662以某一加速度減速，使得所述工作臺(tái)628旋轉(zhuǎn)至所述特定位置時(shí)正好停止，并且根據(jù)所述光柵傳感器682的反饋而校正誤差。當(dāng)所述工作臺(tái)628在所述特定位置處于靜態(tài)時(shí)，所述控制裝置680控制所述可控閥門645中的一些閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，使得所述空氣軸承本體622和轉(zhuǎn)軸624的局部表面之間緊密接觸，從而使得所述工作臺(tái)能夠穩(wěn)定位于所述特定位置，便于其它監(jiān)測(cè)、加工、切削等作業(yè)。顯然，為了更好的控制效果，所述控制裝置還可以控制所述氣泵的出氣量及其它因素；所述控制裝置還可以采取較優(yōu)的控制邏輯來控制進(jìn)入各個(gè)導(dǎo)氣孔中的空氣量等等。 因?yàn)橹T如此類技術(shù)細(xì)節(jié)，一方面不涉及本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，另一方面也是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于實(shí)現(xiàn)的，故本文不再繼續(xù)作詳細(xì)披露。請(qǐng)繼續(xù)參考圖7，其示出了本發(fā)明中的穩(wěn)定空氣軸承中轉(zhuǎn)軸的方法在一個(gè)實(shí)施例 700中的方法流程圖。所述穩(wěn)定空氣軸承中轉(zhuǎn)軸的方法需要預(yù)先在空氣軸承的轉(zhuǎn)軸部分形成有凸緣部，并在空氣軸承本體內(nèi)形成有相對(duì)于所述凸緣部的導(dǎo)氣孔。所述穩(wěn)定空氣軸承中轉(zhuǎn)軸的方法700包括步驟701，由于初始狀態(tài)下，所有的導(dǎo)氣孔可以是不導(dǎo)氣的。首先需要向所述空氣軸承供應(yīng)空氣，使得所述轉(zhuǎn)軸與所述空氣軸承之間形成穩(wěn)定的氣膜，此時(shí)所述轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)。步驟702，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸與所述空氣軸承之間形成穩(wěn)定的氣膜后，利用諸如永磁電機(jī)之類的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使得所述轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)。所述轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)包括所述轉(zhuǎn)軸按照預(yù)定控制邏輯以某一恒定加速度旋轉(zhuǎn)、或者以某一恒定速度速度旋轉(zhuǎn)、又或者以某一變加速度旋轉(zhuǎn)。步驟703，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸需要從動(dòng)態(tài)變?yōu)殪o態(tài)時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸以負(fù)加速度旋轉(zhuǎn)直至減速至速度為零后保持靜態(tài)，或者采取其它停止驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸之類的方式使所述轉(zhuǎn)軸停止旋轉(zhuǎn)并保持在某一預(yù)定位置。步驟704，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸變?yōu)殪o態(tài)時(shí)，利用流經(jīng)所述相對(duì)于凸緣部的導(dǎo)氣孔的氣體產(chǎn)生沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力，使得所 述轉(zhuǎn)軸的部分表面與所述空氣軸承本體接觸而處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)?？梢灶A(yù)見地，采用流經(jīng)所述相對(duì)于凸緣部的導(dǎo)氣孔的氣體產(chǎn)生沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力可以采用多種方式。比如所述相對(duì)于所述凸緣部的導(dǎo)氣孔可以被分別設(shè)置于所述凸緣部的上下兩個(gè)表面的相對(duì)位置，將相對(duì)于所述凸緣部的上表面的部分或者全部導(dǎo)氣孔中持續(xù)供給氣體或者加速供給氣體，而相對(duì)于所述凸緣部的下表面的部分或者全部導(dǎo)氣孔中減速供給氣體、停止供給氣體或者形成真空而使得所述氣體提供沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力給所述轉(zhuǎn)軸，使得所述轉(zhuǎn)軸中包括所述凸緣部另一表面的部分表面與所述空氣軸承本體接觸而處于穩(wěn)定靜止。但是應(yīng)當(dāng)保持所述轉(zhuǎn)軸在徑向方向上的穩(wěn)定性，只產(chǎn)生沿軸向的作用力于所述轉(zhuǎn)軸。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取合理的氣體供給控制，使得所述轉(zhuǎn)軸在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持較平滑的過程。也就是說，在所述轉(zhuǎn)軸與所述空氣軸承本體的表面接觸的過程中，采用盡可能輕柔地方式使得兩個(gè)表面接觸后，再逐漸加大壓力使得所述轉(zhuǎn)軸與所述空氣軸承本體緊密貼合。 而盡量不采用較為突然或者急促地方式，避免使得所述轉(zhuǎn)軸與所述空氣軸承本體發(fā)生碰撞而產(chǎn)生損壞和粉塵。步驟705，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸需要重新處于動(dòng)態(tài)時(shí)，首先將所述氣體產(chǎn)生的軸向作用力逐漸取消，使得所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體之間重新形成穩(wěn)定的氣膜，此時(shí)所述轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)。步驟706，回到步驟702中，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸與所述空氣軸承之間形成穩(wěn)定的氣膜后， 利用諸如永磁電機(jī)之類的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使得所述轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)。顯然，重復(fù)上述過程中的部分步驟，可以使得所述轉(zhuǎn)軸在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和穩(wěn)定靜態(tài)之間轉(zhuǎn)變。整個(gè)過程可以通過相應(yīng)的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而獲得較為穩(wěn)定和高效的系統(tǒng)，提高了空氣軸承在一些應(yīng)用場(chǎng)景中的靜態(tài)穩(wěn)定性。上述說明已經(jīng)充分揭露了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。需要指出的是，熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所做的任何改動(dòng)均不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍。 相應(yīng)地，本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍也并不僅僅局限于所述具體實(shí)施方式
。
權(quán)利要求
1.一種空氣軸承，其特征在于，其包括空氣軸承本體及位于所述空氣軸承本體內(nèi)的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸包含轉(zhuǎn)軸部和形成于轉(zhuǎn)軸部上的凸緣部，所述空氣軸承本體上形成有若干個(gè)導(dǎo)氣孔，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔的氣體在所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體之間形成氣膜；和當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔的氣體提供軸向的作用力使所述凸緣部的部分表面與所述空氣軸承本體緊密接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣軸承，其特征在于，所述凸緣部位于所述呈圓柱形的轉(zhuǎn)軸部的中部，所述凸緣部沿包含所述轉(zhuǎn)軸所在軸線的截面形狀為矩形、梭形、圓形和橢圓形中的一種，所述空氣軸承本體上形成有垂直于所述凸緣部表面且對(duì)稱的若干對(duì)導(dǎo)氣孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣軸承，其特征在于，所述凸緣部包括位于所述轉(zhuǎn)軸部上部的第一凸緣部和位于所述轉(zhuǎn)軸部下部的第二凸緣部，所述第一凸緣部和第二凸緣部沿包含所述轉(zhuǎn)軸所在軸線的截面形狀為矩形、梭形、圓形和橢圓形中的一種，所述空氣軸承本體上形成有垂直于所述第一凸緣部下表面和垂直于所述第二凸緣部上表面的相互對(duì)稱的若干對(duì)導(dǎo)氣孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的空氣軸承，其特征在于，所述空氣軸承本體上包括相對(duì)于所述凸緣部的上表面和下表面的導(dǎo)氣孔，當(dāng)相對(duì)于所述凸緣部的一個(gè)表面的部分或全部導(dǎo)氣孔持續(xù)或加速供給氣體，而相對(duì)于所述凸緣部的另一表面的部分或全部導(dǎo)氣孔減緩供給氣體、不供給氣體或處于真空狀態(tài)時(shí)，所述氣體提供垂直于所述凸緣部的一個(gè)表面的作用力使得所述凸緣部的另一表面與所述空氣軸承本體緊密接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣軸承，其特征在于，所述空氣軸承還包括與所述導(dǎo)氣孔相連的供氣裝置，所述供氣裝置按照預(yù)定邏輯向各個(gè)導(dǎo)氣孔供應(yīng)氣體或者產(chǎn)生真空。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣軸承，其特征在于，所述空氣軸承還包括與所述轉(zhuǎn)軸部相連的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)按照預(yù)定邏輯所述轉(zhuǎn)軸部旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣軸承，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置為永磁電動(dòng)機(jī)。
8.一種超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，其包括如權(quán)利要求1至7任一所述的空氣軸承。
9.一種穩(wěn)定空氣軸承內(nèi)轉(zhuǎn)軸的方法，其特征在于，其包括在空氣軸承本體內(nèi)的轉(zhuǎn)軸上形成凸緣部，并在空氣軸承本體內(nèi)形成有相對(duì)于所述凸緣部的導(dǎo)氣孔；當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸需要由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)時(shí)，利用流經(jīng)所述空氣軸承本體內(nèi)導(dǎo)氣孔的氣體在所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體之間形成氣膜，并在形成氣膜后驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸需要由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸按照預(yù)定邏輯的加速度減速至靜止，然后利用流經(jīng)所述相對(duì)于凸緣部的導(dǎo)氣孔的氣體產(chǎn)生沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力，使得所述轉(zhuǎn)軸的部分表面與所述空氣軸承本體接觸而處于穩(wěn)定靜止。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的穩(wěn)定空氣軸承內(nèi)轉(zhuǎn)軸的方法，其特征在于，所述相對(duì)于所述凸緣部的導(dǎo)氣孔被分別設(shè)置于所述凸緣部的相對(duì)的兩個(gè)表面的相對(duì)位置，將相對(duì)于所述凸緣部的一個(gè)表面的部分或者全部導(dǎo)氣孔中持續(xù)供給氣體或者加速供給氣體，而相對(duì)于所述凸緣部的另一表面的部分或者全部導(dǎo)氣孔中減速供給氣體、停止供給氣體或者形成真空而使得所述氣體提供沿所述轉(zhuǎn)軸軸向的作用力給所述轉(zhuǎn)軸，使得所述轉(zhuǎn)軸中包括所述凸緣部另一表面的部分表面與所述空氣軸承本體接觸而處于穩(wěn)定靜止， 其中 ，各個(gè)導(dǎo)氣孔中氣體和真空的供給速率和變化由預(yù)定邏輯控制。
全文摘要
本發(fā)明揭露了一種空氣軸承，所述空氣軸承包括空氣軸承本體及位于所述空氣軸承本體內(nèi)的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸包含呈圓柱狀的轉(zhuǎn)軸部和垂直于所述轉(zhuǎn)軸所在軸線而形成的凸緣部，所述空氣軸承本體上形成有若干個(gè)導(dǎo)氣孔，當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸處于動(dòng)態(tài)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔的氣體在所述轉(zhuǎn)軸和所述空氣軸承本體之間形成氣膜；和當(dāng)所述轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)時(shí)，流經(jīng)所述導(dǎo)氣孔的氣體提供軸向的作用力使所述凸緣部的部分表面與所述空氣軸承本體緊密接觸。本發(fā)明中的空氣軸承在轉(zhuǎn)軸處于靜態(tài)時(shí)，利用空氣將所述轉(zhuǎn)軸與空氣軸承本體緊密接觸，從而使得所述轉(zhuǎn)軸能夠處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。此時(shí)，不論進(jìn)行觀測(cè)操作或者其它加工操作等都可以獲得良好的效果。
文檔編號(hào)F16C32/06GK102252022SQ20111014243
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者何繼中 申請(qǐng)人:無錫微焦科技有限公司