一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置及方法

本发明涉及精密测量设备，具体涉及一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置及方法。

背景技术：

1、随着科学技术的高速发展和行业竞争的日趋激烈，现代制造技术向着超大型精密零件加工和超精密微纳零件制造两个极限方向发展，一方面，零件加工尺寸超大化或超小化，另一方面，加工精度要求不断趋向微米级、纳米级甚至亚纳米级。相应地，超大型、超精密等高端制造装备的研制是以上先进制造技术实施的必要保障。超精密制造装备代表着精密制造业的最高发展水平，是衡量一个国家精密制造实力的重要标志之一。

2、气浮轴承由于其具有精密、高速、低摩擦而广泛应用于半导体制造、高精度测量和超精密制造中。在衡量气浮轴承质量的指标中，气膜刚度是一项重要指标，它代表其承载大小。受节流形式、气膜厚度、预载方式、几何形状、加工精度、供气压力及工况等诸多因素的影响，气浮轴承内的压力气体在极短时间内流动状态发生多次变化，气膜间隙内的压力波动使气体轴承产生振幅从几纳米到几十纳米，频率从几十赫兹到几千赫兹的宽频微幅自激振动。与运动方向垂直的振动分量影响加工和测量精度，沿运动方向的振动分量影响进给精度和定位精度。如果振动频率落在控制带宽以内，相当于闭环之外的扰动，控制系统对它的抑制作用很小，并且系统一旦加上使能，振动将被放大，大大降低控制精度。

3、而气膜刚度主要是通过气膜厚度计算得出，这表示气膜刚度的测量实际是气膜厚度的测量。气膜厚度一般是微米量级，这要求测量精度需要达到纳米级别。有关气膜厚度的测量方法主要有：光学测量法、电学测量法。光学测量如激光干涉法，分辨率可达(0.2～10)nm，测量精度达到10nm。电学测量法主要有电容法，它是将非电量的变化转换为电容变化的传感技术。传统的称重装置由于精度不高，无法感知微小变化，对于质量变化不大的物体难以精确称重，或者对于称重装置的结构尺寸有特殊要求的又要保留其称重精度就很难做到两者兼顾。而气膜厚度变化为微米级别，因此能够缩小体积又能实现高精度称重。

4、为了解决上述问题，本文提出一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置及方法，本发明通过激光位移传感器将气膜厚度变化与对应的轴承质量大小进行标定，多次更换不同质量的砝码，并记录不同砝码所对应的气膜厚度；将测量的数据一一对应并建立数据库保存至电脑端。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置，包括供气装置和测量装置，所述供气装置包括空气压缩机、压力调节阀、储气罐、过滤器、压力表与减压稳压器，供气装置的首端为空气压缩机，供气装置的末端连通至止推气浮轴承，并且保证供气压力大小不变；止推气浮轴承顶部可放置不同质量的砝码；气浮轴承顶部安装有激光位移传感器，激光位移传感器信号输出端连接至计算机。

4、进一步的，所述空气压缩机的出气端顺次连接压力调节阀、储气罐、过滤器、压力表和减压稳压器，各组件通过设有的气管连通，同时与止推气浮轴承连通。

5、进一步的，所述激光位移传感器为精嘉科hl-30-r。

6、另一方面，本发明提出基于上述装置的称重方法，包括以下步骤：

7、s1：空气压缩机压缩产生高压空气，经过滤器除去气体中的水分、颗粒等杂质后输送至减压稳压器；

8、s2：通过气管将高压气体通入止推气浮轴承内部，并保证供气压力大小不变，在止推气浮轴承与大理石平台表面形成气膜，气膜高度设为h，此状态记录为初始状态0。

9、s3：通过在气浮轴承顶部放置100g质量的砝码，同时利用激光位移传感器测量放置100g砝码后的气膜厚度设为h1；将100g与h1的数据进行标定并保存至数据库；同理在气浮轴承顶部放置500g质量的砝码，同时利用激光位移传感器测量放置500g砝码后的气膜厚度h2；将500g与h2的数据进行标定并保存至数据库；

10、s4：以此类推将不同质量的砝码质量与气膜厚度一一对应并建立数据库保存至电脑端；不断改变砝码质量，记录更多数据，且可以缩小砝码之间的重量差距来提高称重精度，建立质量与气膜厚度的对应方程；将每次加载的质量记为wi(i＝1、2、3……)，每次测量的气膜厚度为hj(j＝1、2、3……)；将每次数据一一对应，记为wi＝hj。

11、s5：最后将重量未知的物体放到气浮轴承上，利用激光位移传感器测量此时的气膜厚度，通过对应方程得知其质量大小。

12、本发明的有益效果：

13、本发明提出的一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置，通过激光位移传感器将气膜厚度变化与对应的轴承质量大小进行标定，多次更换不同质量的砝码，并记录不同砝码所对应的气膜厚度；将测量的数据一一对应并建立数据库保存至电脑端。气体是清洁能源，成本低且容易获得，采用气缸供气可以减小污染；测量过程简便，对测量环境要求不高，适用范围广，具体包括以下有益效果：

14、高精度测量与控制：激光位移传感器能够实现对气膜厚度的纳米级测量精度，可以达到精度在0.1μm以下的水平。通过测量得到的气膜厚度数据，可以准确计算气膜刚度，并进一步推断轴承质量。这种高精度的测量和控制能够提高制造和测量的精度、稳定性和准确性。

15、实时监测与反馈控制：激光位移传感器能够实时监测气膜厚度的变化。采样频率可以达到100hz以上。通过实时获得的气膜厚度数据，可以及时追踪轴承质量的变化情况。并且，可以根据这些数据进行反馈控制，调整和优化气浮轴承的工作状态，以达到更高的制造和测量效率和准确性。

16、精密质量标定与数据处理：通过多次测量不同质量砝码放置后的气膜厚度，建立质量与气膜厚度的对应关系。精密标定需要准确记录这些测量数据，包括气膜厚度和质量的各种参数。这样可以为后续的质量测量提供基准和参考。此外，通过对数据库中的数据进行统计分析和模型建立，可以进一步优化装置的测量精度和稳定性。

17、提高装置性能与精密制造：气浮轴承具有精密、高速、低摩擦等优点。在高速旋转设备中，气浮轴承能够实现高达30000rpm以上的转速，并且涵盖载荷范围从几克到几千克。通过利用气膜厚度变化进行称重，可以充分发挥气浮轴承的性能优势，提高装置的稳定性、响应速度和工作效率。

18、控制振动影响：通过测量和控制气膜厚度，可以实现对气浮轴承运动方向垂直和平行的振动分量的控制。对于垂直方向的振动，可以控制在0.1μm以下的水平。这样可以降低振动对加工和测量造成的影响，提高加工和测量的精度和稳定性。

19、数据化管理与分析：通过建立数据库保存测量数据，可以记录气膜厚度和轴承质量的历史记录和管理。这样可以方便后续的数据分析和研究。例如，可以利用数据库中的数据进行趋势分析，发现轴承质量的变化规律，以及对装置性能进行评估和优化。

20、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置，其特征在于，包括供气装置和测量装置，所述供气装置包括空气压缩机、压力调节阀、储气罐、过滤器、压力表与减压稳压器，供气装置的首端为空气压缩机，供气装置的末端连通至止推气浮轴承；气浮轴承顶部安装有激光位移传感器，激光位移传感器信号输出端连接至计算机。

2.如权利要求1所述的利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置，其特征在于：所述空气压缩机的出气端顺次连接压力调节阀、储气罐、过滤器、压力表和减压稳压器，各组件通过设有的气管连通，同时与止推气浮轴承连通。

3.如权利要求1所述的利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置，其特征在于：所述激光位移传感器为精嘉科hl-30-r。

4.基于权利要求1-3任一项所述装置的称重方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及精密测量设备技术领域，具体涉及一种利用气浮轴承气膜厚度变化称重的装置及方法，包括供气装置和测量装置，供气装置的首端为空气压缩机，供气装置的末端连通至止推气浮轴承；止推气浮轴承顶部可放置不同质量的砝码；气浮轴承顶部安装有激光位移传感器，激光位移传感器信号输出端连接至计算机。通过激光位移传感器将气膜厚度变化与对应的轴承质量大小进行标定，多次更换不同质量的砝码，并记录不同砝码所对应的气膜厚度；将测量的数据一一对应并建立数据库保存至电脑端。气体是清洁能源，成本低且容易获得，采用气缸供气可以减小污染；测量过程简便，对测量环境要求不高，适用范围广。

技术研发人员：卢思臣,龙威,张雨森,钱海峰,贺满江,自健龙,张治红,王杰,林婷婷,王小华,印玉廷,桂浦腾
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15