CN100595445C - 一种柔性回转轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性回转轴承，内扭转管(1)同轴嵌套在外扭转管(2)内并一端固接连接，内扭转管(1)和外扭转管(2)另一端分别为能与其它设备连接的安装端，外扭转管(2)和内扭转管(1)上沿轴向加工出多段相同(或不同)长度的扭转节。扭转节由多片沿圆周均布轴向设置的柔性片(薄片)组成，各段扭转节之间留有一定厚度的环形连接实体将各扭转节依次联接起来。柔性片为径向平面设置于所述的环形连接实体之间，且其数量为偶数并沿周向轴对称分布。本发明回转运动精度和重复回转运动精度高，运动平稳，工作时无需润滑，结构紧凑，对灰尘不敏感，抗腐蚀能力强，使用成本较低，适合在微小型精密设备(如微加工机床、微型测量设备)当中用来取代传统的回转轴承，以达到提升设备性能、降低使用和维护成本等目的。

Description

一种柔性回转轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，特别是涉及一种柔性回转轴承。

背景技术

回转精度是精密设备的关键性能指标之一，精密工程的许多应用场合，如各种精密测量设备当中的精密回转工作台(如圆度仪等)、精密加工设备和微-纳米加工装置中的回转主轴、各种精密位姿调整装置(如生物医疗中的微操作机器人)中的回转手臂等，都对回转运动提出了很高的精度要求。

回转精度的关键在于其所使用的轴承。目前发展的传统精密回转轴承主要分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滑动轴承包括普通滑动轴承、空气静压轴承、液体动/静压轴承、磁力轴承等。滚动轴承包括滚珠(球)轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承等。轴承的回转精度(包含径向跳动误差、轴向窜动误差和倾角摆动误差三种基本型式)受到加工、装配、温度变化、润滑剂变化、磨损、弹性变形等因素的影响。按照重复性来区分，轴承的回转运动误差包含异步回转误差(主轴转动的每一圈内各不相同的回转误差分量)和同步回转误差两种分量。目前使用传统精密轴承支撑的主轴系统尚不能实现纳米级以上的回转运动精度要求，成为限制许多极限加工(如：超精密加工、微细加工)和精密测量等领域进一步发展的技术瓶颈。

根据工作原理，滑动轴承依靠运动副(即：轴与轴套)间的相对滑动来支撑转动零部件。因此滑动轴承所支撑主轴的回转精度(轴心偏移)主要是由轴和轴套之间的间隙所造成的。目前回转精度最高的是空气静压轴承。在空气静压轴承的主轴系统中，轴与轴套之间由空气压力膜隔开而不直接接触，由于空气的粘度小、流动性很好，在很小的轴承间隙内，因空气压力薄膜所具有的误差均化效应，主轴回转的径向跳动误差可以比轴颈和轴套孔的最后加工误差小得多(可达轴颈圆度误差的1/3～1/10，轴套圆度误差的1/100)，相对于滚动轴承可以把回转精度提高两个数量级。但是，要形成空气压力膜，间隙就不可能无限减小，同时受轴和轴颈加工精度及表面粗糙度等的限制，间隙具有一定的下限。因此，由于间隙的存在，轴承不可避免地存在一定的异步回转误差(不可重复误差NRRO，non-repetitive run-out)分量，且该异步回转误差也具有一定的下限。目前高性能空气轴承和液体轴承主轴的异步回转误差可以达到5nm左右(参见：Hii K F，Vallance R R，Grejda R D，et al.Error Motion of aKinematic Spindle.Precision Engineering，2004，28：204-217)，因此5nm的回转运动误差已经接近这种轴承回转精度的极限(即：回转运动误差的性质几乎全部为异步回转误差分量，而同步回转误差已被完全消除)。因此，利用传统的空气静压轴承等滑动轴承来实现1nm以下的回转运动精度，从原理上来讲基本上是不可能实现的。

滚动轴承主轴系统依靠主要元件间的滚动接触(如：滚动体与轴承内、外圈之间的滚动接触)来支撑转动零件，因此是无间隙转动，避免了因间隙而造成的轴心偏移，但由于轴套、主轴轴颈及滚动体有形状误差，特别是滚动体有尺寸差时，主轴回转将产生有规律的位移，同时，滚动接触时，各滚动体与轴、轴套之间由于接触位置和受力大小的不同，其所产生的变形也有所不同，(由于球轴承中球的形状并不是标准的球体，球的大小也并不是绝对相等，在预加载荷作用下球和滚道均有轻微的变形，而且在球轴承中球和内外滚道直接接触，球和内外滚道上的任何损伤均会使主轴偏离原来位置，造成随机的不可重复误差)。因此，在一定的时间内，主轴轴心位移量和位移方向会不断发生变化(“漂移”现象)。对于滚动轴承，要使主轴回转精度达到0.1μm，若各滚动体的尺寸相同，则要求其几何形状误差小于0.07～0.08μm并进行预加负荷(参见：薛实福，李庆祥.精密仪器设计.北京，清华大学出版社，1991)。因此，从加工条件来讲，要想从提高滚动体，主轴轴颈和轴套精度的角度来达到0.1μm以上的主轴回转精度是非常困难的。滚动轴承从工作原理上来讲，要实现1nm以下的回转运动精度也是不可能的。

同时，传统轴承在尺寸小型化之后，其回转性能(如回转精度、刚度、稳定性等)也将随之急剧下降。对于滑动轴承，当其尺寸小到一定程度之后，相对滑动的面积很小，误差均化作用(要求有一定的滑动面积)几乎丧失，其回转精度和刚度将急剧下降，因此目前许多高性能的滑动轴承(如空气静压轴承、液体动/静压轴承)尺寸一般均相对较大。在许多已经开发出来的微型设备中普遍采用微小型滚动轴承(如角接触球轴承、深沟球轴承)，其主轴回转精度通常为1μm～5μm(参见：王文瑞.微型工具机技术探讨.机械工业(台湾)，2006(3)：17-27)，静态刚性小于10N/μm，与常规尺寸精密设备(如超精密加工机床)的回转精度相去甚远。这是由于滚动轴承尺寸越小，摩擦系数增加，使轴承回转困难；同时滚动轴承的承载能力随滚动体直径的平方(d²)成正比，d越小，滚动体的刚性越差，变形也变大。

另外，当轴承的尺寸进一步微型化至更小范围时(如：特征尺寸在微纳米量级的微机械、纳米机械)，传统轴承的回转性能将进一步受到影响。因为当尺寸缩小到一定范围时，其物理性能将发生质的变化。力的尺寸效应和表面效应在微观领域起着重要的作用。随着尺寸的减小，与特征尺寸L的高次幂成比例的力的作用相对减小(如惯性力、重力等)，而与尺寸的低次幂成比例的力的作用相对增大，表面积与体积之比相对增大，因此，微型轴承在微小尺寸下的摩擦学性能与宏观条件下的性能存在明显的差异。而传统轴承就其工作原理来说，不是相对滚动就是相对滑动，因此不可避免地存在滚动摩擦或滑动摩擦，在微小的尺度范围之下，根据尺度效应(尺寸效应)的原理，摩擦的影响将比常规尺寸时显著增加，导致传统轴承的回转性能随轴承尺寸的减小而急剧下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种回转运动精度和重复回转运动精度高，运动平稳，工作时无需润滑，结构紧凑，对灰尘不敏感，抗腐蚀能力强，使用成本较低的柔性回转轴承。

为了解决上述技术问题，本发明提供的柔性回转轴承，内扭转管同轴嵌套在外扭转管内并在一端固接连接，所述的内扭转管和外扭转管另一端分别为能与其它设备连接的安装端，所述的外扭转管和内扭转管上沿轴向加工出多段长度相同或不同的扭转节，所述的扭转节由多片沿圆周均布轴向设置的柔性片组成，各段扭转节之间留有一定厚度的环形连接实体将各扭转节依次联接起来。

所述的柔性片为径向平面设置于所述的环形连接实体之间，且其数量为偶数并沿周向轴对称布置。

采用上述技术方案的柔性回转轴承，虽然在原理上柔性回转轴承可以设计成完全整体式的结构，但考虑到加工的可行性，将其设计成内、外扭转管两部分，它们相互嵌套并在一端固定连接。内、外扭转管是由若干个相同的基本扭转节单元(尺寸大小不同的内、外扭转节)轴向串联之后组成的整体式结构，整体式的扭转管结构可以避免装配应力和因粘结等所可能造成的结构蠕变现象，而且使结构更为紧凑。

内、外扭转管设计成一体化加工而成的整体式结构，可以省却装配，减少了装配误差，避免了装配应力的产生。

每个扭转节在其周向均布轴向对称设置着若干相同尺寸形状的柔性片。由于柔性片的厚度比其他两个方向尺寸小得多，因此，整个柔性回转轴承具有在回转方向很高的柔性，而在其他方向相对较高的刚性的特点。通过轴向串联、内外嵌套的结构，可以使轴承实现单向扭转角大于180°(即：双向整周扭转)的扭转而只发生弹性变形，不产生疲劳破坏，从而能够有效克服弹性变形机构(即：柔性机构)运动行程(角位移)较小的限制，实现回转主轴的功能。将扭转节内的柔性片均布个数设计为偶数个，可以采用电火花线切割(WEDM)的加工方法对柔性片进行加工，使相对分布的两片柔性片可以一次加工出来，不仅提高了加工效率，而且还能极大地减小因加工误差所造成的不对称性，有利于保证回转的跳动精度。

本发明的优点是：

(1)可以实现很高的回转运动精度(径向跳动误差小于0.1μm，优于滚动轴承)和优于纳米级的重复回转运动精度，而且运动平稳，可根据应用需要设计相应的使用寿命，回转性能(回转精度、刚度)可长期保持稳定；工作时无需润滑，因此避免了润滑时可能存在的污染，可以实现在真空或液体等环境下使用；

(2)轴承结构紧凑，运动时无机械摩擦磨损和运动间隙，因此工作时不会发热而引发热变形影响精度，也不会在结构尺寸变小时因尺度效应而严重影响回转精度，轴承性能与轴承总体尺寸没有必然联系，原理上更有利于微型化，可根据需要加以适当设计，有望发展成为一种高性能的微型轴承(MEMS轴承)；

(3)柔性回转轴承能够同时承受径向力和轴向力，且其径向和轴向刚度均较高，因此一个轴承就可实现向心轴承与推力轴承组合的功能，有利于减小总体尺寸，应用在微小型设备当中；

(4)选择材料时，若选择钛合金作为制造材料，则因钛的生物相容性很好，并且无需润滑剂，可用于一些特殊的应用场合，如医学上移植(器官或组织)设备等当中；同时，柔性回转轴承对灰尘不敏感，抗腐蚀能力强，无需专门维护，使用成本较低。

综上所述，本发明是一种回转运动精度和重复回转运动精度高，运动平稳，工作时无需润滑，结构紧凑，对灰尘不敏感，抗腐蚀能力强，使用成本较低的柔性回转轴承。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明结构示意图；

图2是沿图1中A-A线截面图；

图3为由柔性回转轴承支撑的微型主轴系统原理图；

图4为柔性回转轴承轴向窜动误差抵消原理示意图；

图5为柔性回转轴承WEDM加工时的专用夹具示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，内扭转管1同轴嵌套在外扭转管2内并一端固接连接，内扭转管1和外扭转管2另一端分别为能与其它设备连接的内安装端和外安装端，外扭转管2由多个相同的外扭转节前后串联组成，外扭转节由多片沿周向均布轴向设置、径向平面的外柔性片3设置于外环形连接实体4之间所组成，且每节外扭转节的外柔性片3的数量为偶数并在周向轴对称布置。内扭转管1分别由多个相同的内扭转节前后串联组成，内扭转节由多片沿周向均布轴向设置、径向平面的内柔性片6设置于内环形连接实体5之间所组成，且每节内扭转节的内柔性片6的数量为偶数并在周向轴对称布置。

参见图1和图2，在每个扭转节在其周向均匀轴对称设置着若干相同尺寸形状的柔性片(薄片)。由于柔性片的厚度比其他两个方向尺寸小得多，因此，整个柔性回转轴承具有在回转方向很高的柔性，而在其他方向相对较高的刚性的特点。通过轴向串联、内外嵌套的结构，可以使轴承实现单向扭转角大于180°(即：双向整周扭转)的扭转而只发生弹性变形，不产生疲劳破坏，从而能够有效克服弹性变形机构(即所谓的“柔性机构”)运动行程(角位移)较小的限制，实现回转主轴的功能。将扭转节内的柔性片均布个数设计为偶数个，则当采用电火花线切割(WEDM)的加工方法对柔性片进行加工时，相对分布的两片柔性片可以一次加工出来，不仅提高了加工效率，而且还能极大地减小因加工误差所造成的不对称性，有利于保证回转的跳动精度。

从图1和图2可以看出，柔性回转轴承的结构相当紧凑，通过扭转节前后串联、内外嵌套的结构，使柔性回转轴承所能承受的总扭转角大于180°(双向扭转角＞360°，即可实现整周扭转)；而且相对分布的两片柔性片可以一次加工出来，容易实现轴对称的结构；制造容易，每个扭转节中均布着偶数个柔性片数目，一次加工出相对的两片，不仅提高了加工效率，而且还能极大地减小因加工误差所造成的不对称性，有利于保证回转的跳动精度。同时，轴承总体尺寸的减小并不直接影响轴承的刚度和承载能力，设计时可以根据实际使用要求保证轴承获得较高的刚度。

采用上述技术方案的柔性回转轴承，因柔性片的形状简单、误差环节少、而且每个扭转节中周向相对分布的每两片柔性片可以一次加工出来，因此可以达到很高的回转精度(理论上，在同样的制造精度和工艺水平之下，其回转精度应高于滚动轴承的回转精度)。

静强度和疲劳强度设计：

设计时必须保证柔性回转轴承在实现单向扭转角大于180°(即：双向整周扭转)的扭转时只发生弹性变形，且具有一定的疲劳寿命。为此，需要对柔性回转轴承结构内的应力进行分析，进行静强度校核和抗疲劳性能设计。这可以通过恰当地选择材料、调整相应的结构尺寸参数等方法来保证。根据不同实际应用场合的需要，可以采用无限疲劳寿命设计法使柔性回转轴承长期安全工作，也可以采用有限疲劳寿命设计法(也称安全寿命设计法)使柔性回转轴承保证一定的使用寿命，从而有利于减小结构尺寸和性能。

回转精度设计：

径向跳动误差

柔性回转轴承的径向跳动误差主要由内、外扭转管的加工精度和柔性片分布的对称程度，内、外扭转管之间的装配精度等引起。从制造的角度出发，将扭转节周向分布的柔性片个数设计为偶数个，可以使柔性片的轴对称性得到有效的保证。

轴向窜动误差

柔性回转轴承的轴向窜动误差可以由内、外扭转管的轴向耦合窜动误差相互抵消而得到有效控制。其原理如图4所示。在柔性轴承扭转的过程中，其内、外扭转节的轴向长度均产生缩短方向的变化(耦合运动误差)，因而它们对轴承中心点轴向窜动的作用相互抵消，轴承中心点的轴向窜动量小于单层扭转管(内或外扭转管)的轴向窜动。设计时如能恰当选择结构的尺寸参数，使扭转过程中内、外扭转管的轴向缩短规律尽量一致，则可以将轴承中心点的轴向窜动误差控制在很小的幅度。

在精密工程的许多领域，热变形引起的误差严重影响整体误差，有的甚至占总误差的50％(比如在精密磨削中[参见：杨江河，程继学.精密加工实用技术.北京：机械工业出版社，2006])。而柔性回转轴承从工作原理上来讲，是没有摩擦和接触的，因此轴承工作时不会发热。同时，内、外扭转管相互嵌套的结构也非常有利于抵消内、外扭转管因环境温度变化等所造成的轴向窜动误差。

本发明的应用，参见图3中，微型主轴系统主要由下面四部分组成：微型电机(如：微型伺服电机，提供驱动力矩)、微型弹性管联轴器7、柔性回转轴承(内、外扭转管)、微型主轴8。微型电机用以提供柔性回转轴承工作时所需的扭矩；微型弹性管联轴器7的两端分别与电机输出轴和微型主轴8相联，微型主轴8与内扭转管1的内安装端相联，外扭转管2的外安装端安装于安装座上，从而实现扭矩的传递，并可将除扭矩之外的其他方向作用力(力矩)完全消除掉，同时具有缓冲和吸振的作用，避免电机的振动传递到工作主轴上；柔性回转轴承因其在扭转方向的刚度大大低于其他方向上的刚度，因而可实现对主轴回转运动的导向，图4为柔性回转轴承轴向窜动误差抵消原理示意图。

柔性回转轴承的制造方法与工艺

在保证加工精度的前提下，柔性回转轴承的制造同时需要采用抗疲劳制造技术，以保证其具有相应的抗疲劳性能(如：保证柔性片的表面粗糙度，以减小其对疲劳性能的影响)。

在柔性回转轴承的制造过程中，对加工精度影响最大的是加工过程中柔性片本身的抗弯刚性和柔性回转轴承的整体扭转刚度。为此，专门设计了分度夹具来保证加工。该夹具结构如图5所示。其作用是：通过夹具使柔性回转轴承各柔性片承受一定大小的拉力作用，利用应力刚化原理，提高柔性片本身的抗弯刚性；同时，夹具中的各刚性杆防止柔性回转轴承在加工过程中发生扭转(因扭转刚度很小)。WEDM加工过程中，同时采取如下措施：1、加工前尽量消除残余内应力；2、采用高频小能量放电；3、采取无芯切割、多次切割的WEDM工艺方式。通过采取上述WEDM加工工艺措施，成功地加工出了柔性回转轴承的各扭转管。柔性回转轴承的材料为钛合金，各扭转节中柔性片的厚度仅为0.15mm。

图4中，柔性回转轴承WEDM加工的专用夹具由两个八边形不锈钢分度块12、八根刚性支撑杆13、压紧垫块16和锁紧螺母a14、锁紧螺母b1 5等所组成。八边形不锈钢块12由同一块材料经慢走丝线切割机床一次切割而成，用于实现在加工不同分布角上的柔性片时方便准确的分度，能够最大程度地避免采用分度盘等分度方法时的误操作，同时，两个八边形分度块在WEDM的加工过程中从两头固定支撑工件，也能使装夹时扭转管的挠度减小，从而更好地保证线切割后柔性回转轴承的同轴度；刚性支撑杆13的作用是避免分度操作时，两个八边形分度块12之间的相对错动。将两个八边形分度块之间的距离(即：刚性支撑杆的长度)设计得比待切割工件(柔性回转轴承扭转管)的长度略长一点(如：0.02mm)，在扭转管的两端依靠螺纹连接(待加工工件两端的八个锁紧螺母a1 4、压紧垫块16将扭转管锁紧在八边形分度块上，因而使扭转管在WEDM的加工过程中承受一定的拉力，螺纹连接的方式可以有效地避免柔性回转轴承扭转管因本身的扭转刚度不足而产生的扭转变形，拉力的作用同时能够提高柔性片本身的弯曲刚度(刚化效应)，从而保证柔性片的加工精度。因此，线切割专用夹具是保证柔性片线切割加工成功的关键。夹具的作用除了上述“加工分度”和“提高抗扭刚度”之外，还可以使WEDM加工和测量过程中的校准找正、尺寸分中等操作更加方便。

柔性回转轴承是一种利用柔性机构工作原理(即：依靠结构内弹性体的弹性变形实现运动和力的传递，从而实现运动导向)的新型轴承，其工作原理有别于传统轴承的工作原理(即：运动部件之间相对滚动或者相对滑动)，通过设计可以实现单向扭转角大于180°的往复回转/双向扭振运动，从而实现主轴整周回转的功能。其回转运动精度仅受材料性能缺陷及变化、加工与装配误差等影响，且重复运动精度很高(原子级的重复运动精度)，因此这种柔性回转轴承原理上具有实现纳米级甚至更高级别回转运动精度的潜力。同时，柔性回转轴承的运动部件之间不存在间隙和摩擦接触，其回转运动性能(如：回转精度和刚度等)不会像传统轴承那样在轴承尺寸减小至一定程度时而急剧降低，因此非常适宜在微小型化的设备当中使用。

柔性回转轴承可以应用在某些对回转精度要求高的场合(如微-纳米制造、超精密加工、超精密测量等领域)，尤其适合在一些微小型精密设备(如微加工机床、微型测量设备)当中用来取代传统的回转轴承，以达到提升设备性能、降低使用和维护成本等目的。

Claims (2)

1、一种柔性回转轴承，其特征是：内扭转管(1)同轴嵌套在外扭转管(2)内并在一端固接连接，所述的内扭转管(1)和外扭转管(2)另一端分别为能与其它设备连接的安装端，所述的外扭转管(2)和内扭转管(1)上沿轴向加工出多段长度相同或不同的扭转节，所述的扭转节由多片沿圆周均布轴向设置的柔性片组成，各段扭转节之间留有一定厚度的环形连接实体(5)将各扭转节依次联接起来。

2、根据权利要求1所述的柔性回转轴承，其特征是：所述的柔性片为径向平面设置于所述的环形连接实体(5)之间，且其数量为偶数并沿周向轴对称布置。

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