專利名稱：一種空氣軸承結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)氣膜厚度補償?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣軸承技術(shù)，特別是一種具有氣膜厚度補償能力的空氣軸承結(jié)構(gòu)及
其實現(xiàn)氣膜厚度補償?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
空氣軸承是一項在精密運動臺的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。其基本原理是在兩個非常光滑的表面之間注入高壓氣體，由于氣體具有粘性而在兩光滑表面之間形成具有一定壓力的潤滑氣膜，將空氣軸承的兩表面分離。運動時空氣軸承的兩表面并不接觸，因而具有高速、精密、低摩擦等優(yōu)點。氣浮墊(氣足)是空氣軸承的一種形式。采用3個或以上氣浮墊可支撐一個工作臺，在基座表面實現(xiàn)二維運動。公開號為U5623853A名稱為"Precisionmotion stage withsingle guide beam and follower stage，，及公開號為EP2037137A2名稱為"Stagedevice"的專利文獻都采用這種結(jié)構(gòu)。但是由于氣體的可壓縮性，以及氣體的粘性和阻尼作用遠(yuǎn)小于液體和固體，空氣軸承剛度有限，受到擾動后恢復(fù)過程較長，抗擾動性能較差。因而在一些精度要求極高的場合，如集成電路檢測與修復(fù)，晶片磨削加工等，當(dāng)工作臺到達預(yù)定位置后，關(guān)閉氣源，使空氣軸承兩表面直接接觸，從而在保持工作臺高速運動能力的同時，獲得極高的剛度和抗擾動性能。比如公開號為CN101220836A名稱為"精密機械軸承與空氣靜壓軸承聯(lián)合軸系"的專利文獻就是一個例子。 但空氣軸承供氣壓力變化以及關(guān)閉氣源不可避免地造成潤滑氣膜厚度的變化。目前還沒有很好的辦法補償潤滑氣膜厚度。對于一個氣浮工作臺而言，潤滑氣膜厚度的變化不僅僅造成工作臺在高度方向上的變化。由于工作臺由3個或以上氣浮墊支撐起來，氣浮墊的潤滑氣膜厚度的變化會導(dǎo)致工作臺姿態(tài)在俯仰、滾轉(zhuǎn)方向上的改變。姿態(tài)的改變往往會對工作臺的測量系統(tǒng)造成影響，如激光干涉測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種空氣軸承結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)氣膜厚度補償
的方法，解決了供氣壓力變化乃至關(guān)閉氣源時氣膜厚度變化的補償問題。 為達到上述目的，本發(fā)明提供的空氣軸承結(jié)構(gòu)安裝于一氣浮工作臺與一基座之間
形成支撐，其特征在于，所述空氣軸承結(jié)構(gòu)包括 —微位移傳遞機構(gòu)，裝設(shè)于所述氣浮工作臺與所述基座之間； —補償氣浮墊，面向所述氣浮工作臺的底面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)形成的杠桿的一端，工作時該補償氣浮墊與所述氣浮工作臺之間形成潤滑氣膜；
—工作氣浮墊，面向所述基座的表面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)形成杠桿的另一端，工作時該工作氣浮墊與所述基座表面之間形成潤滑氣膜； —加載機構(gòu)，用于對所述空氣軸承結(jié)構(gòu)進行加載，使所述補償氣浮墊與所述工作氣浮墊的工作狀態(tài)相同； 當(dāng)供氣壓力變化時，通過所述微位移傳遞機構(gòu)將所述補償氣浮墊潤滑氣膜的變化反向疊加到所述工作氣浮墊上，補償所述工作氣浮墊氣膜厚度的變化。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微位移傳遞機構(gòu)是由金屬整體切割形成的 平行四邊形加杠桿機構(gòu)。
上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微位移傳遞機構(gòu)進一步包括
—安裝面，其在安裝時緊貼所述氣浮工作臺的下表面； —杠桿，其一端與所述補償氣浮墊的下表面形成活動連接，另一端與所述工作氣 浮墊上表面形成活動連接； 四個柔性鉸鏈，其與所述杠桿形成所述平行四邊形機構(gòu)。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述杠桿的一端形成有一錐孔，該錐孔內(nèi)設(shè)置一 鋼球，通過該鋼球使得該杠桿與所述補償氣浮墊形成活動連接，所述鋼球的球心與形成所 述平行四邊形機構(gòu)的底邊的兩個鉸鏈共線，且垂直于微動方向。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述杠桿的另一端形成有螺紋孔，通過在該螺紋 孔裝設(shè)的一球頭螺桿，使得所述杠桿與工作氣浮墊形成活動連接。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述杠桿連接所述工作氣浮墊和連接所述補償
氣浮墊的臂長相等，且所述工作氣浮墊與所述補償氣浮墊各項參數(shù)一致。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括一平板，固定裝設(shè)于所述氣浮工作臺的下
方，以提供所述補償氣浮墊所需的光滑平面，工作時，所述平板與所述補償氣浮墊之間形成
潤滑氣膜。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述加載機構(gòu)包括一加載螺釘及套裝于該加載 螺釘上的一加載彈簧，裝有該加載彈簧的該加載螺釘穿設(shè)于所述氣浮工作臺及所述微位移 傳遞機構(gòu)的所述安裝面。 上述空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述工作氣浮墊上還設(shè)置有一限定所述球頭 螺桿的球頭的限位圈。 本發(fā)明進一步提供了一種應(yīng)用上述的空氣軸承結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣膜厚度補償?shù)姆椒?，?特征在于，包括 提供一微位移傳遞機構(gòu)，裝設(shè)于所述氣浮工作臺與所述基座之間； 提供一補償氣浮墊，面向所述氣浮工作臺的底面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)的
一端，工作時該補償氣浮墊與所述氣浮工作臺之間形成潤滑氣膜； 提供一工作氣浮墊，面向所述基座的表面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)的另一端， 工作時該工作氣浮墊與所述基座表面之間形成潤滑氣膜； 提供一加載機構(gòu)進行加載使所述補償氣浮墊與所述工作氣浮墊的工作狀態(tài)相同， 形成與所述工作氣浮墊相同的潤滑氣膜； 當(dāng)供氣壓力變化時，通過所述微位移傳遞機構(gòu)將所述補償氣浮墊潤滑氣膜的變化 反向疊加到所述工作氣浮墊上，補償所述工作氣浮墊氣膜厚度的變化。 上述氣膜厚度補償方法，還包括增設(shè)一平板于氣浮工作臺與補償氣浮墊之間的步 驟，用于為補償氣浮墊提供其所需的光滑平面，該平板固定于氣浮工作臺的下方，工作時與 補償氣浮墊之間形成潤滑氣膜。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過一微位移傳遞結(jié)構(gòu)將補償氣浮墊潤滑氣膜的變化反 向疊加在工作氣浮墊上，從而補償工作氣浮墊氣膜厚度的變化，解決了供氣壓力變化乃至
5關(guān)閉氣源時氣膜厚度變化的補償問題。采用本發(fā)明的空氣軸承結(jié)構(gòu)的支撐高度不因供氣壓 力變化而改變，避免了氣浮工作臺姿態(tài)的變化。而且無需復(fù)雜的電子測量控制系統(tǒng)和額外 的執(zhí)行器，如壓電陶瓷致動器等。


圖1為本發(fā)明空氣軸承結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為本發(fā)明空氣軸承結(jié)構(gòu)與氣浮工作臺的裝配示意圖； 圖3為本發(fā)明中微位移傳遞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4和圖5分別為圖2的主剖視及側(cè)視示意圖； 圖6為本發(fā)明的補償原理示意圖； 圖7為圖6的特別實施例圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的描述，以進一步了解本發(fā)明的目的、方案及功 效 圖1和圖2分別示出了本發(fā)明的空氣軸承結(jié)構(gòu)，及其與工作臺的裝配示意圖，參考 圖1和圖2，本發(fā)明提供的具有氣膜厚度補償能力的空氣軸承結(jié)構(gòu)安裝于一氣浮工作臺7與 一基座之間形成支撐，該空氣軸承結(jié)構(gòu)包括工作氣浮墊1、微位移傳遞機構(gòu)2、補償氣浮墊 3及加載機構(gòu)5，其中，微位移傳遞機構(gòu)2裝設(shè)于氣浮工作臺7的下表面；補償氣浮墊3面向 氣浮工作臺7的底面，裝設(shè)于微位移傳遞機構(gòu)2所形成的杠桿的一端，工作時該補償氣浮墊 3與所述氣浮工作臺7之間形成潤滑氣膜；工作氣浮墊1面向基座的表面，裝設(shè)于微位移傳 遞機構(gòu)所形成的杠桿另一端，工作時工作氣浮墊1與基座表面之間形成潤滑氣膜；加載機 構(gòu)5包括一加載螺釘51及加載彈簧52，用于對氣浮墊進行加載，使補償氣浮墊3與工作氣 浮墊1的工作狀態(tài)相同，形成與工作氣浮墊1相同的潤滑氣膜；當(dāng)供氣壓力變化時，兩個氣 膜同時發(fā)生變化，微位移傳遞機構(gòu)2將補償氣浮墊1的潤滑氣膜的變化反向疊加到工作氣 浮墊1上，補償工作氣浮墊1潤滑氣膜厚度的變化。進一步的，為提供給補償氣浮墊3工作 所需的光滑表面，可以在氣浮工作臺7與補償氣浮墊3之間設(shè)置一平板4，該平板4固定于 氣浮工作臺7的下表面，工作時與補償氣浮墊3之間形成潤滑氣膜。 圖3進一步示出了圖1中微位移傳遞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，圖4和圖5分別為圖1的主剖 面圖和側(cè)視圖，參考圖3并結(jié)合圖4與圖5，本發(fā)明中的微位移傳遞機構(gòu)2是由金屬整體切 割而成，形成安裝面22、杠桿27以及四個柔性鉸鏈21，四個柔性鉸鏈21及杠桿27形成平 行四邊形加杠桿機構(gòu)。其中，安裝面22在安裝時緊貼氣浮工作臺7的下表面；杠桿27的一 端形成有螺紋孔25，通過在該螺紋孔25裝設(shè)的一球頭螺桿8，使得杠桿27與工作氣浮墊1 形成活動連接。柔性鉸鏈具有無間隙的特點，能實現(xiàn)微位移有效傳遞，四個柔性鉸鏈21形 成平行四邊形機構(gòu)，使得安裝于螺紋孔25的球頭螺桿8保持平動，從而球頭螺桿8的長短 與工作氣浮墊1的橫向錯動無關(guān)。杠桿27的另一端形成有一錐孔23，該錐孔23內(nèi)設(shè)置一 鋼球9，通過該鋼球9使得杠桿27與補償氣浮墊3形成活動連接，杠桿27上的兩個柔性鉸 鏈21與鋼球9的球心構(gòu)成如圖6所示的等長杠桿的3個鉸接點，且三個鉸接點構(gòu)成一直線， 且垂直于微動方向，在微動范圍內(nèi)可認(rèn)為工作氣浮墊1與補償氣浮墊3無橫向錯動。該結(jié)構(gòu)安裝時安裝面22緊貼氣浮工作臺7下方，螺紋孔26用于螺釘緊固，螺紋孔24為加載螺 釘51所用。再請參考圖1、2、4及圖5，為防止球頭螺桿8的球頭脫出工作氣浮墊l，還可在 工作氣浮墊1上設(shè)置一限位圈81，對球頭螺桿8的球頭進行限位。 圖6為本發(fā)明的補償原理圖，參考圖6，微位移傳遞機構(gòu)2為平行四邊形加杠桿機 構(gòu)，杠桿27連接工作氣浮墊1和補償氣浮墊3的臂長均為1。挑選各項參數(shù)盡可能一致的 兩個氣浮墊分別作為工作氣浮墊1和補償氣浮墊3，兩者由同一氣源供氣。在正常工作時， 工作氣浮墊1與基座10表面之間形成厚度為d的潤滑氣膜。調(diào)整加載螺釘51，加載彈簧 52的張力克服機構(gòu)所承受的重力后通過微位移傳遞機構(gòu)2作用在補償氣浮墊3上，成為補 償氣浮墊3的負(fù)載。在微位移傳遞機構(gòu)2的微動范圍內(nèi)，加載彈簧52的作用力變化極小， 對于補償氣浮墊3而言，可認(rèn)為是恒定負(fù)載。當(dāng)補償氣浮墊3所受負(fù)載與工作氣浮墊1所 受負(fù)載相同時，補償氣浮墊3與氣浮工作臺7底部之間形成厚度也為d的潤滑氣膜。
此時氣浮工作臺7底部至基座10表面之間的距離為h，有
h = j+s+t+d (1) 式中，j為氣浮工作臺7底部至微位移傳遞機構(gòu)2中心鉸接點的距離，s為微位移 傳遞機構(gòu)2中心鉸接點至球頭螺桿8球心的距離，t為球頭螺桿8球心至工作氣浮墊1工 作面的距離。 假設(shè)由于氣壓的變化，潤滑氣膜的厚度變?yōu)閐+Ad，工作氣浮墊1和補償氣浮墊3
的潤滑氣膜同時發(fā)生變化。經(jīng)微位移傳遞機構(gòu)2的傳遞，j變?yōu)閖-Ad，此時氣浮工作臺7
底部至基座10表面之間的距離為h'，有 h' = (j-Ad)+s+t+(d+Ad) = j+s+t+d = h (2) S卩，氣浮工作臺7底部至基座10表面之間的距離沒有改變。潤滑氣膜厚度的變化 得到了補償。 圖7顯示了圖6的一種特例。當(dāng)潤滑氣膜的厚度變?yōu)?時，氣浮工作臺7底部至 基座10表面之間的距離沒有改變。 本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用上述空氣軸承結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣膜厚度補償?shù)姆椒?，下面結(jié)合 圖1 圖5進一步描述該氣膜厚度補償方法，該方法應(yīng)用于包括工作氣浮墊1、微位移傳遞 機構(gòu)2、補償氣浮墊3、及加載機構(gòu)5的空氣軸承結(jié)構(gòu)，該空氣軸承結(jié)構(gòu)安裝于一氣浮工作臺 7與一基座之間形成支撐，該方法包括 裝設(shè)該微位移傳遞機構(gòu)2于一氣浮工作臺7的下表面； 裝設(shè)該工作氣浮墊1于微位移傳遞機構(gòu)2的一端，且面向基座的表面，工作時該工 作氣浮墊與所述基座表面之間形成潤滑氣膜； 裝設(shè)補償氣浮墊3于微位移傳遞機構(gòu)2的另一端，且面向氣浮工作臺的底面，工作 時該補償氣浮墊3與氣浮工作臺7之間形成潤滑氣膜； 提供該加載機構(gòu)5進行加載使補償氣浮墊3與工作氣浮墊1的工作狀態(tài)相同，形 成與工作氣浮墊1相同的潤滑氣膜； 當(dāng)供氣壓力變化時，通過微位移傳遞機構(gòu)2將補償氣浮墊3潤滑氣膜的變化反向 疊加到工作氣浮墊1上，補償工作氣浮墊氣膜厚度的變化。
7
進一步的，該氣膜厚度補償方法，還包括增設(shè)一平板于氣浮工作臺7與補償氣浮 墊3之間的步驟，用于為補償氣浮墊3提供其所需的光滑平面，該平板固定于氣浮工作臺7 的下方，工作時與補償氣浮墊3之間形成潤滑氣膜。 雖然本發(fā)明已以一較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，在不背離本 發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變 和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種具有氣膜厚度補償能力的空氣軸承結(jié)構(gòu)，安裝于一氣浮工作臺與一基座之間形成支撐，其特征在于，所述空氣軸承結(jié)構(gòu)包括一微位移傳遞機構(gòu)，裝設(shè)于所述氣浮工作臺與所述基座之間；一補償氣浮墊，面向所述氣浮工作臺的底面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)形成的杠桿的一端，工作時該補償氣浮墊與所述氣浮工作臺之間形成潤滑氣膜；一工作氣浮墊，面向所述基座的表面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)形成杠桿的另一端，工作時該工作氣浮墊與所述基座表面之間形成潤滑氣膜；一加載機構(gòu)，用于對所述空氣軸承結(jié)構(gòu)進行加載，使所述補償氣浮墊與所述工作氣浮墊的工作狀態(tài)相同；當(dāng)供氣壓力變化時，通過所述微位移傳遞機構(gòu)將所述補償氣浮墊潤滑氣膜的變化反向疊加到所述工作氣浮墊上，補償所述工作氣浮墊氣膜厚度的變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微位移傳遞機構(gòu)是由金屬 整體切割形成的平行四邊形加杠桿機構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微位移傳遞機構(gòu)進一步 包括一安裝面，其在安裝時緊貼所述氣浮工作臺的下表面；一杠桿，其一端與所述補償氣浮墊的下表面形成活動連接，另一端與所述工作氣浮墊 上表面形成活動連接；四個柔性鉸鏈，其與所述杠桿形成所述平行四邊形機構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述杠桿的一端形成有一錐孔， 該錐孔內(nèi)設(shè)置一鋼球，通過該鋼球使得該杠桿與所述補償氣浮墊形成活動連接，所述鋼球 的球心與形成所述平行四邊形機構(gòu)的底邊的兩個鉸鏈共線，且垂直于微動方向。
5. 根據(jù)權(quán)利4所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述杠桿的另一端形成有螺紋孔，通 過在該螺紋孔裝設(shè)的一球頭螺桿，使得所述杠桿與工作氣浮墊形成活動連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述杠桿連接所述工作氣浮墊 和連接所述補償氣浮墊的臂長相等，且所述工作氣浮墊與所述補償氣浮墊各項參數(shù)一致。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括一平板，固定裝設(shè)于所述 氣浮工作臺的下方，以提供所述補償氣浮墊所需的光滑平面，工作時，所述平板與所述補償 氣浮墊之間形成潤滑氣膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述加載機構(gòu)包括一加載螺釘 及套裝于該加載螺釘上的一加載彈簧，裝有該加載彈簧的該加載螺釘穿設(shè)于所述氣浮工作 臺及所述微位移傳遞機構(gòu)的所述安裝面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述工作氣浮墊上還設(shè)置有 一限定所述球頭螺桿的球頭的限位圈。
10. —種應(yīng)用所述權(quán)利要求1 9中任一項所述的空氣軸承結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣膜厚度補償?shù)?方法，其特征在于，包括提供一微位移傳遞機構(gòu)，裝設(shè)于所述氣浮工作臺與所述基座之間； 提供一補償氣浮墊，面向所述氣浮工作臺的底面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)的一端， 工作時該補償氣浮墊與所述氣浮工作臺之間形成潤滑氣膜；提供一工作氣浮墊，面向所述基座的表面，裝設(shè)于所述微位移傳遞機構(gòu)的另一端，工作 時該工作氣浮墊與所述基座表面之間形成潤滑氣膜；提供一加載機構(gòu)進行加載使所述補償氣浮墊與所述工作氣浮墊的工作狀態(tài)相同，形成 與所述工作氣浮墊相同的潤滑氣膜；當(dāng)供氣壓力變化時，通過所述微位移傳遞機構(gòu)將所述補償氣浮墊潤滑氣膜的變化反向 疊加到所述工作氣浮墊上，補償所述工作氣浮墊氣膜厚度的變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空氣軸承結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)氣膜厚度補償?shù)姆椒?，該空氣軸承結(jié)構(gòu)安裝于一氣浮工作臺與一基座之間形成支撐，空氣軸承結(jié)構(gòu)包括微位移傳遞機構(gòu)，裝設(shè)于氣浮工作臺與基座之間；補償氣浮墊，面向氣浮工作臺的底面，裝設(shè)于微位移傳遞機構(gòu)形成的杠桿的一端，工作時該補償氣浮墊與氣浮工作臺之間形成潤滑氣膜；工作氣浮墊，面向基座的表面，裝設(shè)于微位移傳遞機構(gòu)形成杠桿的另一端，工作時該工作氣浮墊與基座表面之間形成潤滑氣膜；加載機構(gòu)，用于對空氣軸承結(jié)構(gòu)進行加載，使補償氣浮墊與工作氣浮墊的工作狀態(tài)相同；當(dāng)供氣壓力變化時，通過微位移傳遞機構(gòu)將補償氣浮墊潤滑氣膜的變化反向疊加到工作氣浮墊上，補償工作氣浮墊氣膜厚度的變化。
文檔編號G12B5/00GK101693365SQ20091023648
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者盧明臻, 崔建軍, 施玉書, 杜華, 高思田 申請人:中國計量科學(xué)研究院;