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
技術領域：
本發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，屬于精密驅動領域。
背景技術：
隨著技術的發展，超精密運動平臺已經發展成為許多高精度、復雜設備的重要組成部件，其運動機構的精度直接決定了器件運動所要求達到的精度。傳統的超精密運動平臺的執行機構主要是由接觸式的移動副和旋轉副組成，所以各運動副之間不可避免的有摩擦、磨損、發熱等現象，而且剛性結構也不能較好的消除機械結構的振動，更重要的是目前這類結構的運動精度只能達到微米級。因而已經不能滿足IC制造和超精密加工的運動精度要求。所以近些年來有些學者和公司采用非接觸式的氣浮支承來取代傳統的機械式的運動副。與傳統的運動結構相比，氣浮的非接觸式運動副改善了超精密運動平臺的動力學特性，但氣浮支承內部的氣流運動引起的振動卻不能忽視。隨著氣浮運動平臺的定位精度向亞納米級的提升，這種氣流運動引起的氣旋現象和氣錘振動更是制約著超精密運動平臺精度的關鍵因素，從而引起了廣泛的關注。另外，氣浮的懸浮剛度較弱，重載狀態下容易產生低頻振動。發明專利“Mechanical assembly of shaft and static pressure bearing，，(專利號US5800066)提出了一種多孔質、均壓槽和小孔節流的復合節流形式，提高了軸承的穩定性，然而多孔質材料加工工藝復雜，制造難度大；而且多孔介質的孔隙是由材料自身屬性決定的，材料上的小孔分布不規則，孔徑僅幾十個納米，實際應用中容易堵塞。發明專利“一種單腔多孔式節流結構的氣浮軸承”(申請公布號CN 101825142A) 提出了一種單腔多孔式節流結構的氣浮軸承，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，該結構使得氣體流經多條通道，流出的氣流更加穩定，使得氣體軸承的承載能力加強，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象與氣流的氣錘振動。發明專利“均壓腔氣浮止推軸承”(申請公布號CN 102109011 Α)提出了一種全新的氣浮止推軸承結構，采用了漸擴式棱錐均壓腔腔形，使高壓氣體經節流孔流入軸承間隙過程更易沿平行流線流出，從而抑制節流孔附件的氣旋引發的振動。這種棱形腔雖然比矩形腔有更好的優勢，但是還是不能很好的解決氣浮軸承的氣錘現象與氣旋現象。以上三種專利都沒有很好的減弱氣浮裝置的氣旋現象和氣錘振動，并且這種單一氣浮裝置的懸浮剛度較弱。
發明內容
針對單一氣浮裝置的氣旋現象、氣錘振動以及懸浮剛度的問題，本發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。為達到以上的目的，本發明采用以下技術方案通過螺栓(5)將氣浮支承⑷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(1 與儀器支架(14)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號發生器(15)相連。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(9)上。空氣壓縮機(16)出來的氣體經過過濾后進入到進氣口 O)。所述的氣浮支承⑷上開有圓形均勻分布的16個軸向節流孔(17)和16個軸向壓力腔(18)。當高壓氣體進入節流孔(17)和壓力腔(18)時，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(1)、氣浮支承(4)和平臺底座(6)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)上的節流孔 (7)供氣。所述的平臺底座(6)內側分布著4個徑向節流孔(7)和4個徑向壓力腔⑶。當高壓氣體進入節流孔(7)和壓力腔(8)時，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。其工作原理是本發明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( 將工作平臺(1)、平臺底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當空氣壓縮機(16)出來的氣體經過過濾后進入到進氣口 O)，然后高壓氣體進入到軸向節流孔(17)和壓力腔(18)，其中有部分氣體進入到氣流道(3)，流向徑向節流孔(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)的側面上。這樣就構成一個氣浮工況。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(1 與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號發生器(1 的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時調節超聲波信號發生器(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。此時在超聲波換能器圓盤(9) 表面產生聲輻射壓。這樣就構成一個超聲波近聲場懸浮工況。混合懸浮工況超聲波近聲場懸浮和氣浮同時工作，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。當氣浮工況工作時氣浮支承壓力腔內氣體的流動造成了氣旋現象。由于壓力腔內氣體的可壓縮性在工作區域內大于了氣膜內氣體的可壓縮性，使得壓力腔內的氣體壓縮，壓力腔內氣體的壓縮和釋放與氣浮結構上下運動的相位相反，于是氣腔內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。同時超聲波近聲場懸浮工況工作，利用超聲激勵壓力腔內的氣體，影響了壓力腔內的渦流流動，從而減小了壓力腔內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工作的懸浮間隙，與氣浮支承相比減小了壓力腔內氣體的可壓縮性在工作區域內大于了氣膜內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。本發明的優點在于把超聲波近聲場懸浮應用到氣浮軸承結構中，更深層次的減小了氣浮軸承的氣旋現象與氣錘振動。裝置易操作，結構簡單，可靠性高，較氣浮裝置單獨工作時有更高的剛度，減小了氣浮裝置自身存在的微小低頻振動。
圖1是Fluent軟件分析的氣浮支承氣旋現象的渦旋示意2是氣浮支承氣錘振動的工作原理示意3是本發明實施例1的結構示意4是本發明實施例2的結構示意5是本發明的氣浮支承的二維全剖結構6是本發明超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置的三維結構示意1是用Fluent軟件分析的氣浮支承壓力腔內氣旋現象的渦旋示意圖，當混合懸浮裝置工作時，利用超聲激勵氣浮支承壓力腔內的氣體，影響了壓力腔內的渦流流動，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生是由于壓力腔內氣體的可壓縮性在工作區域內大于了氣膜間隙內氣體的可壓縮性，使得壓力腔內的氣體壓縮，壓力腔內氣體的壓縮和釋放與氣浮結構上下運動的相位相反，于是氣腔內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。當混合懸浮裝置工作時，由于聲輻射壓的作用，提高了氣浮裝置單獨工作的懸浮間隙，與氣浮支承相比減小了壓力腔內氣體的可壓縮性在工作區域內大于了氣膜間隙內氣體的可壓縮性的程度。從而減弱了氣浮裝置的氣錘振動。
具體實施例方式實施例1參見圖3，通過螺栓(5)把氣浮支承⑷與工作平臺(1)、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(1 與儀器支架(14)固定連接。超聲波換能器(11)和超聲波信號發生器(15) 相連。氣浮支承(4)放置在超聲波換能器圓盤(9)上。空氣壓縮機(16)出來的氣體經過過濾后進入到進氣口 O)。其工作原理是通過螺栓(5)將工作平臺(1)、平臺底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當空氣壓縮機(17)出來的氣體經過過濾后進入到進氣口 O)，然后高壓氣體進入到軸向節流孔(17)和壓力腔(18)，其中有部分氣體進入到氣流道(3)，流向徑向節流孔(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)的側面上。這樣就構成了一個氣浮工況。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(1 與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號發生器(1 的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時調節超聲波信號發生器(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。此時在超聲波換能器圓盤(9)表面產生聲輻射壓。這樣就構成了一個超聲波近聲場懸浮工況。當超聲波近聲場懸浮工況與氣浮工況這兩個工況同時工作時，就形成了超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置。實施例2參見圖4，通過螺栓( 將工作平臺(1)、平臺底座(6)與氣浮支承(4)三者連接在一起，當空氣壓縮機(16)出來的氣體經過過濾后進入到進氣口 O)，然后高壓氣體進入到軸向節流孔(17)和軸向球形壓力腔(19)，其中有部分氣體進入到氣流道(3)，流向徑向節流孔(7)和徑向球形壓力腔00)。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00)出來的氣體作用在超聲波換能器圓盤(9)的側面上。這樣就構成了一個氣浮工況。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(U)通過螺釘(1 與儀器支架(14)固定連接，超聲波信號發生器(1 的輸出端與超聲波換能器(11)相連。此時調節超聲波信號發生器(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。此時在超聲波換能器圓盤(9) 表面產生聲輻射壓。這樣就構成了一個超聲波近聲場懸浮工況。當超聲波近聲場懸浮工況與氣浮工況這兩個工況同時工作時，就形成了超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮減振裝置。
權利要求
1.一種超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，是通過超聲波近聲場懸浮和氣浮兩種混合懸浮式方實現懸浮減振。該混合懸浮裝置包括工作平臺(1)、進氣孔( 、氣流道C3)、氣浮支承(4)、平臺底座(6)、超聲波換能器圓盤(9)、超聲波換能器(11)、儀器支架(14)、超聲波信號發生器(15)、空氣壓縮機(16)。其特征在于氣浮支承(4)上表面與工作平臺(1)固定連接，氣浮支承(4)下表面與平臺底座(6)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(9)上。空氣壓縮機(16)出來的氣體經過過濾后進入到進氣口 O)。
2.根據權利要求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 (1)、氣浮支承(4)和平臺底座(6)固定在一起形成了一個氣流道(3)。氣流道C3)是為了給平臺底座(6)上的節流孔(7)供氣。
3.根據權利要求1所述的平臺底座(6)，其特征在于平臺底座(6)的內側分布著4個徑向節流孔(7)和對應的壓力腔(8)。當高壓氣體進入徑向節流孔(7)和壓力腔(8)時，可以減小混合懸浮裝置的徑向擾動。
4.根據權利要求1所述的超聲波懸浮和氣浮的混合懸浮裝置，其特征在于調節超聲波信號發生器(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(9)表面產生聲輻射壓；空氣壓縮機(16)出來的高壓氣體經過過濾后分別進入到節流孔(17)和壓力腔(18)，節流孔(7)和壓力腔(8)，然作用在超聲波換能器圓盤(9) 上。這樣整個連接好的氣浮支承(4)就被超聲波懸浮和氣浮共同懸浮起來。混合懸浮時， 超聲波懸浮改善了氣浮單獨工作時的氣旋現象和氣錘振動，并提高了懸浮剛度。
全文摘要
本發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達到減振的目的，屬于精密驅動領域。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流孔和壓力腔。平臺底座上分布著徑向的節流孔和壓力腔。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。當混合懸浮時，超聲波懸浮改善了氣浮單獨工作時的氣旋現象和氣錘振動。這種新型混合懸浮裝置優點在于易操作，結構簡單，較單一氣浮裝置單獨工作時有更高的懸浮剛度，減小了氣浮裝置自身存在的微小低頻振動。
文檔編號F16F13/00GK102518740SQ20111041429
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者劉家郡, 劉建芳, 李曉韜, 楊志剛, 江海, 焦曉陽 申請人:吉林大學