空气轴承提高气浮系统稳定性的阻尼技术

　　静压空气轴承以其固有的无摩擦、低功耗、清洁等优异的性能被广泛应用于精密、超精密加工、计量领域中,主要作为其中的运动导向部件使用.近10年来,作为超精密制造行业代表之一的集成电路(IC)制造业突飞猛进,为空气轴承的应用开辟了一片更为广阔的天地[1].

　　空气轴承也有弱点,即其承载方向的阻尼较弱,文献[2]指出空气轴承的等效阻尼系数在0·04~0·06之间.阻尼较弱就会造成两个方面的问题.第一,对振动或冲击的衰减时间过长,使包含空气轴承的系统不易稳定.这种振动和冲击来源主要是外界的振动、运动部件运动过程造成的振动(俯仰、偏摆和横滚)等[1].第二,空气轴承存在固有的微振动,这种微振动是由流体诱发的[3-4],会对测量系统和控制系统造成一定的影响.文献[5-6]中增大空气轴承阻尼的方法主要是采用多孔质节流方式,其阻尼系数可以达到0·1以上,但是多孔质节流气体支撑的难点主要在制造上,其应用不广.文献[1]通过结构优化设计来消除微振动,但是这种方法普适性不好.

　　为得到方便设计和制造的“高阻尼”空气轴承,本文中提出一种新的空气轴承结构形式,其基本原理就是借鉴空气弹簧阻尼结构,并将其引入到空气轴承中去.为此,将首先回顾空气弹簧的基本原理和相关理论,然后将其吸振原理引入到空气轴承结构中,并通过简化模型进行结构优化研究,最后使用实验方法分析该结构的动态性能,证明了新型结构空气轴承确实达到了提高阻尼和消除微振动的目的.本文中选用应用最为广泛的小孔节流空气轴承作为研究对象.

　　1　新型空气轴承结构的提出

　　1·1　空气弹簧结构的工作原理

　　空气轴承是一种结构简单、性价比高的弹簧阻尼部件,能够将振动能量转化为热能.双腔室空气弹簧结构基本构成如图1所示.其主体是圆形或者方形的缸体,中部通过隔板分为上下腔室,上下腔室内部充满了压力空气,隔板上设计节流孔,活塞通过柔性的橡胶密封圈与缸体上部连接.其减振原理是活塞或缸体受到外界扰动发生上下振动时,上下腔室内部空气产生压力差,压力差使空气往复通过腔室间阻尼孔产生节流效应,将振动能量转化为热能,从而达到衰减振动的目的.空气弹簧能够实现低频大阻尼值、高频小阻尼值的阻尼能力,理论上能够提供0~∞的阻尼值[7].如果将这种结构形式引入到空气轴承的结构中,理论上就可以增大空气轴承的阻尼能力.

　　图1中空气弹簧隔振器所支撑的负载位移相对于地面位移的传递函数[8]为

式中:xp为负载位移;xbase为地面位移;mp为负载和活塞总质量;P0为上下腔室初始压强;Ap为活塞有效面积;Vb为下腔室体积;Vt0为上腔室初始体积;n为多变指数,n=1·4;Cr为流阻常数,Cr=πd4/128μl ;d为节流孔直径;l为节流孔长度;μ为空气黏度系数,μ=1·824×10-5Pa·s.从传递函数可以看出,空气弹簧的节流孔和上下腔室对其性能起决定性的作用.