專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種采用超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置，屬于精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展成為許多高精度、復(fù)雜設(shè)備的重要組成部件，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度直接決定了器件運(yùn)動(dòng)所要求達(dá)到的精度。傳統(tǒng)的超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是由接觸式的移動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副組成，所以各運(yùn)動(dòng)副之間不可避免的有摩擦、磨損、發(fā)熱等現(xiàn)象，而且剛性結(jié)構(gòu)也不能較好的消除機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，更重要的是目前這類(lèi)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度只能達(dá)到微米級(jí)。因而已經(jīng)不能滿足IC制造和超精密加工的運(yùn)動(dòng)精度要求。所以近些年來(lái)有些學(xué)者和公司采用非接觸式的氣浮支承來(lái)取代傳統(tǒng)的機(jī)械式的運(yùn)動(dòng)副。與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，氣浮的非接觸式運(yùn)動(dòng)副改善了超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性，但氣浮支承內(nèi)部的氣流運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)卻不能忽視。隨著氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度向亞納米級(jí)的提升，這種氣流運(yùn)動(dòng)引起的氣旋現(xiàn)象和氣錘振動(dòng)更是制約著超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精度的關(guān)鍵因素，從而引起了廣泛的關(guān)注。另外，氣浮的懸浮剛度較弱，重載狀態(tài)下容易產(chǎn)生低頻振動(dòng)。發(fā)明專(zhuān)利“Mechanical assembly of shaft and static pressure bearing，，(專(zhuān)利號(hào)US5800066)提出了一種多孔質(zhì)、均壓槽和小孔節(jié)流的復(fù)合節(jié)流形式，提高了軸承的穩(wěn)定性，然而多孔質(zhì)材料加工工藝復(fù)雜，制造難度大；而且多孔介質(zhì)的孔隙是由材料自身屬性決定的，材料上的小孔分布不規(guī)則，孔徑僅幾十個(gè)納米，實(shí)際應(yīng)用中容易堵塞。發(fā)明專(zhuān)利“一種單腔多孔式節(jié)流結(jié)構(gòu)的氣浮軸承”(申請(qǐng)公布號(hào)CN 101825142A) 提出了一種單腔多孔式節(jié)流結(jié)構(gòu)的氣浮軸承，其特征是在氣浮軸承上開(kāi)有中心孔，在中心孔內(nèi)鑲嵌圓柱體，圓柱體上開(kāi)有微型孔陣列，中心孔的下端開(kāi)有一個(gè)圓柱體的壓力腔，該結(jié)構(gòu)使得氣體流經(jīng)多條通道，流出的氣流更加穩(wěn)定，使得氣體軸承的承載能力加強(qiáng)，但由于采用的是矩形壓力腔，仍然不能很好的解決壓力腔的氣旋現(xiàn)象與氣流的氣錘振動(dòng)。發(fā)明專(zhuān)利“均壓腔氣浮止推軸承”(申請(qǐng)公布號(hào)CN 102109011 Α)提出了一種全新的氣浮止推軸承結(jié)構(gòu)，采用了漸擴(kuò)式棱錐均壓腔腔形，使高壓氣體經(jīng)節(jié)流孔流入軸承間隙過(guò)程更易沿平行流線流出，從而抑制節(jié)流孔附件的氣旋引發(fā)的振動(dòng)。這種棱形腔雖然比矩形腔有更好的優(yōu)勢(shì)，但是還是不能很好的解決氣浮軸承的氣錘現(xiàn)象與氣旋現(xiàn)象。以上三種專(zhuān)利都沒(méi)有很好的減弱氣浮裝置的氣旋現(xiàn)象和氣錘振動(dòng)，并且這種單一氣浮裝置的懸浮剛度較弱。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)單一氣浮裝置的氣旋現(xiàn)象、氣錘振動(dòng)以及懸浮剛度的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置。該裝置用于解決目前氣浮裝置存在的氣旋現(xiàn)象與氣錘振動(dòng)。與單一氣浮裝置相比，提高了氣浮裝置剛度和減小氣浮裝置的微小低頻振動(dòng)。為達(dá)到以上的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案通過(guò)螺栓(5)將氣浮支承⑷與工作平臺(tái)⑴、平臺(tái)底座(6)三者連接在一起。超聲波換能器圓盤(pán)(9)通過(guò)螺釘(10)與超聲波換能器(11)固定連接。超聲換能器(11)通過(guò)螺釘(1 與儀器支架(14)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號(hào)發(fā)生器(15)相連。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(pán)(9)上。空氣壓縮機(jī)(16)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口 O)。所述的氣浮支承⑷上開(kāi)有圓形均勻分布的16個(gè)軸向節(jié)流孔(17)和16個(gè)軸向壓力腔(18)。當(dāng)高壓氣體進(jìn)入節(jié)流孔(17)和壓力腔(18)時(shí)，起到軸向懸浮的作用。所述的超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，它的工作平臺(tái)(1)、氣浮支承(4)和平臺(tái)底座(6)固定在一起形成了一個(gè)氣流道(3)。氣流道是為了給平臺(tái)底座(6)上的節(jié)流孔 (7)供氣。所述的平臺(tái)底座(6)內(nèi)側(cè)分布著4個(gè)徑向節(jié)流孔(7)和4個(gè)徑向壓力腔⑶。當(dāng)高壓氣體進(jìn)入節(jié)流孔(7)和壓力腔(8)時(shí)，起到徑向懸浮作用，減少混合懸浮裝置的徑向擾動(dòng)。所述的超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮的裝置，它的超聲波換能器圓盤(pán)(9)的軸線與固定連接好的氣浮支承的軸線要保持在同一位置。其工作原理是本發(fā)明的減振裝置分為三個(gè)工況氣浮工況、超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況、混合懸浮工況。氣浮工況通過(guò)螺栓( 將工作平臺(tái)(1)、平臺(tái)底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當(dāng)空氣壓縮機(jī)(16)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口 O)，然后高壓氣體進(jìn)入到軸向節(jié)流孔(17)和壓力腔(18)，其中有部分氣體進(jìn)入到氣流道(3)，流向徑向節(jié)流孔(7) 和壓力腔(8)。壓力腔(18)出來(lái)的氣體作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9)的上表面，壓力腔(8) 出來(lái)的氣體作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9)的側(cè)面上。這樣就構(gòu)成一個(gè)氣浮工況。超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況將超聲波換能器圓盤(pán)(9)通過(guò)螺釘(10)與超聲波換能器 (11)固定連接，超聲波換能器(11)通過(guò)螺釘(1 與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時(shí)調(diào)節(jié)超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 的輸出頻率與超聲波換能器(11)的固有頻率一致，以形成共振。此時(shí)在超聲波換能器圓盤(pán)(9) 表面產(chǎn)生聲輻射壓。這樣就構(gòu)成一個(gè)超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況?；旌蠎腋」r超聲波近聲場(chǎng)懸浮和氣浮同時(shí)工作，稱(chēng)為混合懸浮工況。在這種工況下減振裝置的承載能力是超聲波近聲場(chǎng)懸浮能力和氣浮的承載能力總和。當(dāng)氣浮工況工作時(shí)氣浮支承壓力腔內(nèi)氣體的流動(dòng)造成了氣旋現(xiàn)象。由于壓力腔內(nèi)氣體的可壓縮性在工作區(qū)域內(nèi)大于了氣膜內(nèi)氣體的可壓縮性，使得壓力腔內(nèi)的氣體壓縮，壓力腔內(nèi)氣體的壓縮和釋放與氣浮結(jié)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)的相位相反，于是氣腔內(nèi)的氣體自形成了一個(gè)能量供給源， 從而形成了氣浮支承的氣錘振動(dòng)。同時(shí)超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況工作，利用超聲激勵(lì)壓力腔內(nèi)的氣體，影響了壓力腔內(nèi)的渦流流動(dòng)，從而減小了壓力腔內(nèi)的氣旋對(duì)氣浮支承的擾動(dòng)。由于聲輻射壓的作用，提高了氣浮裝置單獨(dú)工作的懸浮間隙，與氣浮支承相比減小了壓力腔內(nèi)氣體的可壓縮性在工作區(qū)域內(nèi)大于了氣膜內(nèi)氣體的可壓縮性的程度。從而提高整個(gè)裝置剛度，減小了氣浮裝置的微小低頻振動(dòng)。
在分工況運(yùn)行的情況下，工況依次為氣浮工況、超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況、混合懸浮工況。當(dāng)然超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況與氣浮工況的順序也可以反過(guò)來(lái)操作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于把超聲波近聲場(chǎng)懸浮應(yīng)用到氣浮軸承結(jié)構(gòu)中，更深層次的減小了氣浮軸承的氣旋現(xiàn)象與氣錘振動(dòng)。裝置易操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，較氣浮裝置單獨(dú)工作時(shí)有更高的剛度，減小了氣浮裝置自身存在的微小低頻振動(dòng)。


圖1是Fluent軟件分析的氣浮支承氣旋現(xiàn)象的渦旋示意2是氣浮支承氣錘振動(dòng)的工作原理示意3是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明的氣浮支承的二維全剖結(jié)構(gòu)6是本發(fā)明超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置的三維結(jié)構(gòu)示意1是用Fluent軟件分析的氣浮支承壓力腔內(nèi)氣旋現(xiàn)象的渦旋示意圖，當(dāng)混合懸浮裝置工作時(shí)，利用超聲激勵(lì)氣浮支承壓力腔內(nèi)的氣體，影響了壓力腔內(nèi)的渦流流動(dòng)，使其氣流的流線均勻，從而減小氣浮支承的氣旋擾動(dòng)，降低了振動(dòng)。圖2是氣浮支承氣錘振動(dòng)的工作原理示意圖。氣浮支承的氣錘振動(dòng)產(chǎn)生是由于壓力腔內(nèi)氣體的可壓縮性在工作區(qū)域內(nèi)大于了氣膜間隙內(nèi)氣體的可壓縮性，使得壓力腔內(nèi)的氣體壓縮，壓力腔內(nèi)氣體的壓縮和釋放與氣浮結(jié)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)的相位相反，于是氣腔內(nèi)的氣體自形成了一個(gè)能量供給源，從而形成了氣浮支承的氣錘振動(dòng)。當(dāng)混合懸浮裝置工作時(shí)，由于聲輻射壓的作用，提高了氣浮裝置單獨(dú)工作的懸浮間隙，與氣浮支承相比減小了壓力腔內(nèi)氣體的可壓縮性在工作區(qū)域內(nèi)大于了氣膜間隙內(nèi)氣體的可壓縮性的程度。從而減弱了氣浮裝置的氣錘振動(dòng)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參見(jiàn)圖3，通過(guò)螺栓(5)把氣浮支承⑷與工作平臺(tái)(1)、平臺(tái)底座(6)固定在一起。超聲波換能器(11)通過(guò)螺釘(10)超聲波換能器圓盤(pán)(9)固定連接。超聲換能器(11) 通過(guò)螺釘(1 與儀器支架(14)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號(hào)發(fā)生器(15) 相連。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(pán)(9)上?？諝鈮嚎s機(jī)(16)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口 O)。其工作原理是通過(guò)螺栓(5)將工作平臺(tái)(1)、平臺(tái)底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當(dāng)空氣壓縮機(jī)(17)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口 O)，然后高壓氣體進(jìn)入到軸向節(jié)流孔(17)和壓力腔(18)，其中有部分氣體進(jìn)入到氣流道(3)，流向徑向節(jié)流孔(7)和壓力腔(8)。壓力腔(18)出來(lái)的氣體作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9)的上表面，壓力腔(8)出來(lái)的氣體作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9)的側(cè)面上。這樣就構(gòu)成了一個(gè)氣浮工況。將超聲波換能器圓盤(pán)(9)通過(guò)螺釘(10)與超聲波換能器(11)固定連接，超聲波換能器(11)通過(guò)螺釘(1 與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時(shí)調(diào)節(jié)超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 的輸出頻率與超聲波換能器(9)的固有頻率一致，以形成共振。此時(shí)在超聲波換能器圓盤(pán)(9)表面產(chǎn)生聲輻射壓。這樣就構(gòu)成了一個(gè)超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況。當(dāng)超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況與氣浮工況這兩個(gè)工況同時(shí)工作時(shí)，就形成了超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置。實(shí)施例2參見(jiàn)圖4，通過(guò)螺栓( 將工作平臺(tái)(1)、平臺(tái)底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當(dāng)空氣壓縮機(jī)(16)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口 O)，然后高壓氣體進(jìn)入到軸向節(jié)流孔(17)和軸向球形壓力腔(19)，其中有部分氣體進(jìn)入到氣流道(3)，流向徑向節(jié)流孔(7)和徑向球形壓力腔00)。軸向球形壓力腔(19)出來(lái)的氣體作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9)的上表面，徑向球形壓力腔00)出來(lái)的氣體作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9)的側(cè)面上。這樣就構(gòu)成了一個(gè)氣浮工況。將超聲波換能器圓盤(pán)(9)通過(guò)螺釘(10)與超聲波換能器(11)固定連接，超聲波換能器(U)通過(guò)螺釘(1 與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時(shí)調(diào)節(jié)超聲波信號(hào)發(fā)生器(15)的輸出頻率與超聲波換能器(9)的固有頻率一致，以形成共振。此時(shí)在超聲波換能器圓盤(pán)(9) 表面產(chǎn)生聲輻射壓。這樣就構(gòu)成了一個(gè)超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況。當(dāng)超聲波近聲場(chǎng)懸浮工況與氣浮工況這兩個(gè)工況同時(shí)工作時(shí)，就形成了超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置。
權(quán)利要求
1.一種超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，是通過(guò)超聲波近聲場(chǎng)懸浮和氣浮兩種混合懸浮式方實(shí)現(xiàn)懸浮減振。該混合懸浮裝置包括工作平臺(tái)(1)、進(jìn)氣孔( 、氣流道C3)、氣浮支承(4)、平臺(tái)底座(6)、超聲波換能器圓盤(pán)(9)、超聲波換能器(11)、儀器支架(14)、超聲波信號(hào)發(fā)生器(15)、空氣壓縮機(jī)(16)。其特征在于氣浮支承(4)上表面與工作平臺(tái)(1)固定連接，氣浮支承(4)下表面與平臺(tái)底座(6)固定連接。超聲波換能器(11)與超聲波換能器圓盤(pán)(9)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 相連。超聲波換能器 (11)與儀器支架(14)固定連接。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(pán)(9)上?？諝鈮嚎s機(jī)(16)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口 O)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，其特征在于工作平臺(tái) (1)、氣浮支承(4)和平臺(tái)底座(6)固定在一起形成了一個(gè)氣流道(3)。氣流道C3)是為了給平臺(tái)底座(6)上的節(jié)流孔(7)供氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平臺(tái)底座(6)，其特征在于平臺(tái)底座(6)的內(nèi)側(cè)分布著4個(gè)徑向節(jié)流孔(7)和對(duì)應(yīng)的壓力腔(8)。當(dāng)高壓氣體進(jìn)入徑向節(jié)流孔(7)和壓力腔(8)時(shí)，可以減小混合懸浮裝置的徑向擾動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，其特征在于調(diào)節(jié)超聲波信號(hào)發(fā)生器(1 的輸出頻率與超聲波換能器(11)的固有頻率一致，以形成共振，在超聲波換能器圓盤(pán)(9)表面產(chǎn)生聲輻射壓；空氣壓縮機(jī)(16)出來(lái)的高壓氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后分別進(jìn)入到節(jié)流孔(17)和壓力腔(18)，節(jié)流孔(7)和壓力腔(8)，然作用在超聲波換能器圓盤(pán)(9) 上。這樣整個(gè)連接好的氣浮支承(4)就被超聲波懸浮和氣浮共同懸浮起來(lái)。混合懸浮時(shí)， 超聲波懸浮改善了氣浮單獨(dú)工作時(shí)的氣旋現(xiàn)象和氣錘振動(dòng)，并提高了懸浮剛度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，利用超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮來(lái)達(dá)到減振的目的，屬于精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。超聲波換能器圓盤(pán)與超聲波換能器固定連接。工作平臺(tái)與氣浮支承固定連接，平臺(tái)底座與氣浮支承固定連接，氣浮支承上分布著軸向的節(jié)流孔和壓力腔。平臺(tái)底座上分布著徑向的節(jié)流孔和壓力腔。氣浮支承放置在超聲波換能器圓盤(pán)上。這樣整個(gè)連接好的氣浮支承就被超聲波懸浮和氣浮共同懸浮起來(lái)。當(dāng)混合懸浮時(shí)，超聲波懸浮改善了氣浮單獨(dú)工作時(shí)的氣旋現(xiàn)象和氣錘振動(dòng)。這種新型混合懸浮裝置優(yōu)點(diǎn)在于易操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較單一氣浮裝置單獨(dú)工作時(shí)有更高的懸浮剛度，減小了氣浮裝置自身存在的微小低頻振動(dòng)。
文檔編號(hào)F16F13/00GK102518740SQ20111041429
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者劉家郡, 劉建芳, 李曉韜, 楊志剛, 江海, 焦曉陽(yáng) 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)