专利名称：一种空气式位置补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精密设备驱动装置，具体涉及一种空气式位置补偿装置，属于机 械设备领域。
背景技术：
随着精密设备的不断发展和器件尺寸的进一步缩小，在精密设备的驱动方案中， 越来越多的需要对驱动对象的位置调节具有高精度、多自由度，并要求驱动装置具备屏蔽 外部振动的作用。在现有技术中，采用多个洛伦兹电机的组合或平面电机的驱动方案，可以 满足精密设备驱动的上述要求，但对于大载荷的位置驱动，单纯依靠电机调节位置，会带来 很大的发热量，势必对驱动对象产生热应力变形等影响。对此，美国专利US6473161B2公开了一种环形电机和活塞推杆型的位置补偿器装 置。该装置通过恒压室压力经活塞推杆传递至驱动对象并维持其静态重力，通过环形电机 实时调节驱动对象的垂直位移。但在该专利提供的技术方案中，对气浮部件的设计较为复 杂，不易加工，而对于环形电机的设计制造也是一个技术壁垒，实际应用起来还有一定差距。美国专利US6388733B1也公开了一种提高驱动调节精度的技术方案。该专利通过 水平面的三个音圈电机、大理石平台地面的四个气囊被动隔振系统和四个垂向音圈电机将 工作台大理石模块隔离成内部世界。在该专利提供的技术方案中，四个气囊的材料较为特 殊，为橡胶气囊，而橡胶材料制备的气囊容易因前后压差过大而影响使用寿命，特别对于一 些载荷较大的驱动装置，使用起来有一定隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种高精度、多自由度且具有屏蔽外部振动作 用的空气式位置补偿装置。为解决上述技术问题，本发明提供了一种空气式位置补偿装置，该装置包括基座 101，位于基座101内、可垂向(Z向)运动的变截面活塞102，变截面活塞102上设有与驱 动对象106直接接触的水平气浮件105，基座101与变截面活塞102上设有供气腔，外部气 体导入该供气腔内使变截面活塞102相对基座101垂向气浮且相互间以隔离振动式相对 运动，该装置还包括变截面活塞102与水平气浮件105之间的自由度调节装置，该自由度 调节装置包括设于变截面活塞102上方并与之一体的内凹球面，以及气浮于该变截面活 塞内凹球面内的球面气浮件104。其中，变截面活塞102的上下端直径尺寸不同，其上端直 径D1大于其下端直径D2,变截面活塞102上端直径D1与下端直径&的计算关系大致为
A= j^^ + A2，其中=P1为压缩空气气源处压力值，单位为Bar，D1为活塞上端直径，单
位为mm，D2为活塞下端直径，单位为mm，m为驱动对象的质量，单位为kg。根据本发明提供的空气式位置补偿装置，基座101与变截面活塞102上的供气腔包括由基座101与变截面活塞102中间的侧壁凹陷处围成的第一气腔107a，位于变 截面活塞102内部中上端的第二气腔107b，以及位于变截面活塞102内部下端的备用空 间108，其中，第一气腔107a为一环形空间，通过位于变截面活塞102侧壁的通孔与第二 气腔107b连接，第二气腔107b的大小与该装置的隔振频率有关。球面气浮件104内有一 垂向(Z向)贯穿该球面气浮件104的第三气腔107c，第三气腔107c下端通过位于变截 面活塞102内凹球面的球面节流孔与第二气腔107b连接。利用该装置对驱动对象的位置 进行调节时，基座101和变截面活塞102组成承载驱动对象106的主要部件，使该装置具 有垂向(Z向)自由度。当压缩空气进入第一气腔107a处，由变截面产生压差的原理使变 截面活塞102沿基座101浮起，从而将驱动对象106浮起，相关对象计算关系大致如下
权利要求
1.一种空气式位置补偿装置，包括基座(101)，相对所述基座(101)垂向运动的变截 面活塞(102)，所述变截面活塞(10 上设有水平气浮件(105)，所述基座(101)与变截面 活塞(10 上设有供气腔，外部气体导入该供气腔内使所述变截面活塞(10 相对所述基 座(101)垂向气浮且相互间以隔离振动式相对运动，其特征在于，所述变截面活塞(102)与 所述水平气浮件(10 之间设有自由度调节装置，该自由度调节装置包括设于所述变截面 活塞(10 上方并与之一体的内凹球面，以及气浮于该变截面活塞内凹球面内的球面气浮 件(104)。
2.根据权利要求1所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述供气腔包括所述基 座(101)与变截面活塞(102)凹陷处围成的第一气腔(107a)，所述变截面活塞(102)内部 中上端的第二气腔(107b)，以及所述变截面活塞(102)内部下端的备用空间(108)，其中 所述第一气腔(107a)为一环形空间，其与所述第二气腔(107b)通过位于所述变截面活塞 (102)侧壁的通孔连接。
3.根据权利要求2所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述第二气腔(107b)的 大小根据该装置的隔振频率界定。
4.根据权利要求3所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述球面气浮件(104)内 有一径向贯穿球面气浮件(104)的第三气腔(107c)，所述第三气腔(107c)通过位于变截面活塞(102)内凹球面的球面节流孔(117)与所述第 二气腔(107b)连接。
5.根据权利要求4所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，进入装置中的压缩空气 在所述基座(101)内侧壁和变截面活塞(10 外侧壁的间隙中形成高压气膜，使变截面活 塞(10 与基座(101)在运动过程中相互隔离振动，无物理摩擦。
6.根据权利要求4所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述第三气腔(107c)的 气室张角θ工与球面气浮件(104)的球面包角θ2关系为30° S(Q2-Q1) <70°，其中， 30° < Θ2<90°，0° < eiCeo。，以在包角为(Θ 2-Θ》的内球面上形成气膜。
7.根据权利要求1所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述装置工作时，球面气 浮的方式为中心单孔节流或周面多孔节流。
8.根据权利要求7所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述球面气浮的方式 为周面多孔节流，变截面活塞(10 的球面上均布有3或4或6个球面节流孔，孔径为 0. 05mm 0. 5mm0
9.根据权利要求8所述的空气式位置补偿装置，其特征在于，所述球面节流孔采用直 接加工或嵌套红宝石节流塞的方式，并在小孔周边加工有均压槽以提高球面气膜的承载能 力。
全文摘要
一种空气式位置补偿装置，属于机械设备领域。该装置具有五个自由度，可对驱动对象进行高精度调整，且该装置可由基座(101)和变截面活塞(102)承载驱动对象(106)的大部分重力，由于内部介质为空气，可以屏蔽外部振动等的影响。当该装置内置电机联合驱动时，由于驱动对象(106)的大部分重力均由空气位置补偿装置承载，所需电机的驱动力较小，发热量低，对驱动对象(106)的热应力影响甚微，可以满足高速度、高精度的位置补偿需求。
文档编号F15B11/06GK102062125SQ200910198840
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者方洁, 齐宁宁, 齐芊枫 申请人:上海微电子装备有限公司, 上海微高精密机械工程有限公司