專利名稱：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：
本實(shí)用新型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)動領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，超精密運(yùn)動平臺已經(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)動機(jī)構(gòu)的精度直接決定了器件運(yùn)動所要求達(dá)到的精度。傳統(tǒng)的超精密運(yùn)動平臺的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是由接觸式的移動副和旋轉(zhuǎn)副組成，所以各運(yùn)動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，更重要的是目前這類結(jié)構(gòu)的運(yùn)動精度只能達(dá)到微米級。因而已經(jīng)不能滿足IC制造和超精密加工的運(yùn)動精度要求。所以近些年來有些學(xué)者和公司采用非接觸式的氣浮支承來取代傳統(tǒng)的機(jī)械式的運(yùn)動副。與傳統(tǒng)的運(yùn)動結(jié)構(gòu)相比，氣浮的非接觸式運(yùn)動副改善了超精密運(yùn)動平臺的動力學(xué)特性，但氣浮支承內(nèi)部的氣流運(yùn)動引起的振動卻不能忽視。隨著氣浮運(yùn)動平臺的定位精度向亞納米級的提升,這種氣流運(yùn)動引起的氣旋現(xiàn)象和氣錘振動更是制約著超精密運(yùn)動平臺精度的關(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。發(fā)明專利“Mechanical assembly of shaft and static pressure bearing”(專利號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，孔徑僅幾十個納米，實(shí)際應(yīng)用中容易堵塞。發(fā)明專利“一種單腔多孔式節(jié)流結(jié)構(gòu)的氣浮軸承”(申請公布號CN101825142A)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有中心孔，在中心孔內(nèi)鑲嵌圓柱體，圓柱體上開有微型孔陣列，中心孔的下端開有一個圓柱體的壓力腔，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。發(fā)明專利“均壓腔氣浮止推軸承”(申請公布號CN102109011A)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。這種棱形腔雖然比矩形腔有更好的優(yōu)勢，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。以上三種專利都沒有很好的減弱氣浮裝置的氣旋現(xiàn)象和氣錘振動，并且這種單一氣浮裝置的懸浮剛度較弱。
發(fā)明內(nèi)容針對單一氣浮裝置的氣旋現(xiàn)象、氣錘振動以及懸浮剛度的問題，本實(shí)用新型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。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。為達(dá)到以上的目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案通過螺栓(5)將氣浮支承(4)與工作平臺⑴、平臺底座(6)三者連接在一起。超聲波換能器圓盤(9)通過螺釘(10)與超聲波換能器(11)固定連接。超聲換能器(11)通過螺釘(12)與儀器支架(14)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號發(fā)生器(15)相連。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(9)上?？諝鈮嚎s機(jī)(16)出來的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口(2)。所述的氣浮支承⑷上開有圓形均勻分布的16個軸向節(jié)流孔(17)和16個軸向壓力腔(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(I)、氣浮支承(4)和平 臺底座￠)固定在一起形成了一個氣流道(3)。氣流道是為了給平臺底座(6)上的節(jié)流孔
(7)供氣。所述的平臺底座(6)內(nèi)側(cè)分布著4個徑向節(jié)流孔(7)和4個徑向壓力腔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。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(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。其工作原理是本實(shí)用新型的減振裝置分為三個工況氣浮工況、超聲波近聲場懸浮工況、混合懸浮工況。氣浮工況通過螺栓(5)將工作平臺(I)、平臺底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當(dāng)空氣壓縮機(jī)(16)出來的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口(2)，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)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的上表面，壓力腔(8)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的側(cè)面上。這樣就構(gòu)成一個氣浮工況。超聲波近聲場懸浮工況將超聲波換能器圓盤(9)通過螺釘(10)與超聲波換能器
(11)固定連接，超聲波換能器(11)通過螺釘(12)與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號發(fā)生器(15)的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時(shí)調(diào)節(jié)超聲波信號發(fā)生器(15)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(9)表面產(chǎn)生聲福射壓。這樣就構(gòu)成一個超聲波近聲場懸浮工況?；旌蠎腋」r超聲波近聲場懸浮和氣浮同時(shí)工作，稱為混合懸浮工況。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)動的相位相反，于是氣腔內(nèi)的氣體自形成了一個能量供給源，從而形成了氣浮支承的氣錘振動。同時(shí)超聲波近聲場懸浮工況工作，利用超聲激勵壓力腔內(nèi)的氣體，影響了壓力腔內(nèi)的渦流流動，從而減小了壓力腔內(nèi)的氣旋對氣浮支承的擾動。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。從而提高整個裝置剛度，減小了氣浮裝置的微小低頻振動。在分工況運(yùn)行的情況下，工況依次為氣浮工況、超聲波近聲場懸浮工況、混合懸浮工況。當(dāng)然超聲波近聲場懸浮工況與氣浮工況的順序也可以反過來操作。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于把超聲波近聲場懸浮應(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。裝置易操作，結(jié)構(gòu)簡單，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。

圖I是Fluent軟件分析的氣浮支承氣旋現(xiàn)象的渦旋示意圖圖2是氣浮支承氣錘振動的工作原理示意圖圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖、[0024]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖圖5是本實(shí)用新型的氣浮支承的二維全剖結(jié)構(gòu)圖圖6是本實(shí)用新型超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖圖I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，使其氣流的流線均勻，從而減小氣浮支承的氣旋擾動，降低了振動。圖2是氣浮支承氣錘振動的工作原理示意圖。氣浮支承的氣錘振動產(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)動的相位相反，于是氣腔內(nèi)的氣體自形成了一個能量供給源，從而形成了氣浮支承的氣錘振動。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。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I參見圖3，通過螺栓(5)把氣浮支承⑷與工作平臺(I)、平臺底座(6)固定在一起。超聲波換能器(11)通過螺釘(10)超聲波換能器圓盤(9)固定連接。超聲換能器(11)通過螺釘(12)與儀器支架(14)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號發(fā)生器(15)相連。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(9)上?？諝鈮嚎s機(jī)(16)出來的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口(2)。其工作原理是通過螺栓(5)將工作平臺(I)、平臺底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當(dāng)空氣壓縮機(jī)(17)出來的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口(2)，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)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的上表面，壓力腔(8)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的側(cè)面上。這樣就構(gòu)成了一個氣浮工況。將超聲波換能器圓盤(9)通過螺釘(10)與超聲波換能器(11)固定連接，超聲波換能器(11)通過螺釘(12)與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號發(fā)生器(15)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(9)表面產(chǎn)生聲輻射壓。這樣就構(gòu)成了一個超聲波近聲場懸浮工況。當(dāng)超聲波近聲場懸浮工況與氣浮工況這兩個工況同時(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2參見圖4，通過螺栓(5)將工作平臺(I)、平臺底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當(dāng)空氣壓縮機(jī)(16)出來的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口(2)，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(20)。軸向球形壓力腔(19)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的上表面，徑向球形壓力腔(20)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的側(cè)面上。這樣就構(gòu)成了一個氣浮工況。將超聲波換能器圓盤(9)通過螺釘(10)與超聲波換能器(11)固定連接，超聲波換能器(11)通過螺釘(12)與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號發(fā)生器(15)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(9)表面產(chǎn)生聲福射壓。這樣就構(gòu)成了一個超聲波近聲場懸浮工況。當(dāng)超聲波近聲場懸浮工況·與氣浮工況這兩個工況同時(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減振裝置，是通過超聲波近聲場懸浮和氣浮兩種混合懸浮式方實(shí)現(xiàn)混合懸浮減振，該超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置包括工作平臺(I)、進(jìn)氣孔(2)、氣流道(3)、氣浮支承(4)、平臺底座￠)、超聲波換能器圓盤(9)、超聲波換能器(11)、儀器支架(14)、超聲波信號發(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(I)固定連接，氣浮支承(4)下表面與平臺底座￠)固定連接，超聲波換能器(11)與超聲波換能器圓盤(9)固定連接，超聲波換能器(11)和超聲波信號發(fā)生器(15)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(9)上，空氣壓縮機(jī)(16)出來的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入到進(jìn)氣口(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置，其特征在于工作平臺(I)、氣浮支承(4)和平臺底座￠)固定在一起形成了一個氣流道(3)，氣流道(3)是為了給平臺底座(6)上的節(jié)流孔(7)供氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平臺底座(6)，其特征在于平臺底座(6)的內(nèi)側(cè)分布著4個徑向節(jié)流孔(7)和對應(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。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置，利用超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮來達(dá)到減振的目的，屬于精密驅(qū)動領(lǐng)域。超聲波換能器圓盤與超聲波換能器固定連接。工作平臺與氣浮支承固定連接，平臺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上。這樣整個連接好的氣浮支承就被超聲波懸浮和氣浮共同懸浮起來。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。這種新型混合懸浮裝置優(yōu)點(diǎn)在于易操作，結(jié)構(gòu)簡單，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。
文檔編號F16F13/00GK202468825SQ20112051293
公開日2012年10月3日 申請日期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 申請人:吉林大學(xué)