CN101780547B - 一种超精密加工机床分离驱动式主轴系统 - Google Patents
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Abstract
一种超精密加工机床分离驱动式主轴系统，它涉及一种超精密气体静压主轴系统。本发明为解决现有超精密加工装备中，主轴系统中的电机和主轴为刚性连接，动力传递效果较差及刚性连接对主轴回转精度有影响的问题。本发明的交流伺服电机通电后，交流伺服电机开始转动，带动柔性驱动组件转动，平皮带转动带动拨杆产生旋转扭矩驱动主轴旋转进行切削。高压空气经轴向进气孔进入，经径向节流小孔节流后在径向气膜间隙处形成径向气体静压膜，该径向气体静压膜支撑主轴及其径向载荷，高压空气经第一轴向节流小孔节流后在轴向气膜间隙处形成轴向气体静压膜，该轴向气体静压膜支撑主轴及其轴向载荷。本发明用于多种形式的超精密车床、超精密铣床上。
Description
技术领域
本发明涉及一种超精密气体静压主轴系统，具体涉及一种分离式柔性连接的超精密气体静压主轴系统。
背景技术
随着科学技术的发展，发展国防工业、微电子工业等尖端技术需要精密和超精密加工装备与工艺技术，尤其是超精密加工机床，更是超精密加工技术领域的核心与关键。超精密加工机床的主轴系统是超精密加工机床的关键部件，其精度直接影响零件的加工精度。因此，如何能设计制造出超精密的主轴已成为超精密加工机床的核心与关键。超精密加工机床主轴的设计主要考虑三个方面的问题：一个是主轴回转精度和刚度的问题，另一个是驱动结构和方式的问题，而驱动结构和方式同时又影响着主轴的回转精度和刚度。在超精密加工机床中，超精密主轴的回转精度和刚度是一个非常重要的技术指标。目前，我国的超精密机床广泛地使用气体静压主轴方式，由于气体静压支撑的均化效应等优点，可以达到较高的回转精度，但电机和主轴动力的传递多采用刚性连接方式，刚性连接对主轴精度的影响问题一直未得到很好的解决，主轴的驱动动力波动也会给回转精度带来影响。
发明内容
本发明的目的是为解决现有超精密加工装备中，主轴系统中的电机和主轴为刚性连接，动力传递效果较差及刚性连接对主轴回转精度有影响的问题，提供了一种超精密加工机床分离驱动式主轴系统。
本发明主轴系统包括交流伺服电机、电机底座、第一定位销、第二定位销、溜板、静压气体主轴组件、柔性驱动组件和两个拨杆，静压气体主轴组件由空气吸盘、止推轴承、径向轴承、主轴箱、主轴、支承环和配气环组成，主轴装在径向轴承的内孔中，径向轴承固装在主轴箱中，主轴箱与溜板相连接，且通过第二定位销进行定位，止推轴承套装在主轴的输出端上，径向轴承的侧壁上设有轴向进气孔，径向轴承的侧壁上设有数个与轴向进气孔相通的径向节流小孔，径向轴承的输出端端面上设有与止推轴承的端面相对应的第一通气孔，径向轴承的输出端端面上设有数个与主轴上的轴肩端面相对应的第一轴向节流小孔，第一通气孔和第一轴向节流小孔均与轴向进气孔相通，止推轴承的端面上设有与第一通气孔正对且相通的第二通气孔，止推轴承的输出端端面上设有数个与主轴上的轴肩端面相对应的第二轴向节流小孔，第二轴向节流小孔与第二通气孔相通，空气吸盘设置在主轴的输出端端面上，且通过连接件将空气吸盘与主轴固接，配气环套装在主轴的输入端上，所述交流伺服电机与电机底座固接，电机底座与溜板固接，并通过定位销进行定位，所述柔性驱动组件由两个阶梯轴、平皮带、四个深沟球轴承、弹簧卡爪和锥套组成，每个阶梯轴由输入端至输出端依次为螺纹段、圆盘连接段、轴承连接段和轴肩段，弹簧卡爪由圆盘和锥体组成，锥体垂直设置在圆盘的轴心处，且锥体的底端面与圆盘的端面连接，锥体与圆盘制成一体，弹簧卡爪的轴心设有中心孔，圆盘的端面上对称设有两个轴孔，弹簧卡爪上的中心孔与交流伺服电机的输出轴连接，锥套的内孔与弹簧卡爪上的锥体相配合，两个轴孔分别配有一个阶梯轴，且阶梯轴上的圆盘连接段与弹簧卡爪上的轴孔配合，阶梯轴上的螺纹段露在圆盘的输入端端面外，每个阶梯轴上的轴承连接段上装有两个深沟球轴承，平皮带套装在四个深沟球轴承上，两个拨杆对称安装在主轴的输入端端面上，每个拨杆的另一端与平皮带连接。
本发明的优点是：一、本发明采用分离式柔性驱动的方式，减少了驱动力对主轴回转精度的影响，具有动态特性好、回转度高等特点。既可使主轴具有很高的回转精度和较高的刚度，又实现了其高功率、高速、平稳的驱动。二、本发明利用气体静压轴承作为超精密主轴的支撑，实现了主轴的超精密回转，其回转精度按目前零部件的制造水平，可以达到0.021μm。三、本发明采用了气体静压轴承做轴向和径向支撑，由于气体静压轴承具有明显的特点，气体的摩擦小，发热变形小，其压力气膜具有均化效应，可使主轴的摩擦小且具有很高的回转精度。四、应用范围广，可应用于多种形式的超精密车床、超精密铣床等多种形式、多种用途的超精密机床上。五、本发明完全适应超精密加工机床设计和制造的需要。
附图说明
图1是本发明的整体结构主剖视图，图2是图1的俯视图，图3是图2的H-H剖视图，图4是柔性驱动组件的结构主剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括交流伺服电机17、电机底座18、第一定位销19、第二定位销22、溜板23、静压气体主轴组件、柔性驱动组件和两个拨杆11，静压气体主轴组件由空气吸盘1、止推轴承5、径向轴承6、主轴箱7、主轴8、支承环9和配气环10组成，主轴8装在径向轴承6的内孔中，径向轴承6的内径与主轴8的外径之间有径向气膜间隙21，径向轴承6固装在主轴箱7中，主轴箱7与溜板23相连接，且通过第二定位销22进行定位，止推轴承5套装在主轴8的输出端上，止推轴承5与主轴8上的轴肩端面处设有轴向气膜间隙25，径向轴承6的侧壁上设有轴向进气孔6-1，径向轴承6的侧壁上设有数个与轴向进气孔6-1相通的径向节流小孔6-2，径向轴承6的输出端端面上设有与止推轴承5的端面相对应的第一通气孔6-3，径向轴承6的输出端端面上设有数个与主轴8上的轴肩端面相对应的第一轴向节流小孔6-4，第一通气孔6-3和第一轴向节流小孔6-4均与轴向进气孔6-1相通，止推轴承5的端面上设有与第一通气孔6-3正对且相通的第二通气孔5-1，止推轴承5的输出端端面上设有数个与主轴8上的轴肩端面相对应的第二轴向节流小孔5-2，第二轴向节流小孔5-2与第二通气孔5-1相通，空气吸盘1设置在主轴8的输出端端面上，且通过连接件将空气吸盘1与主轴8固接，配气环10套装在主轴8的输入端上，交流伺服电机17与电机底座18固接，电机底座18与溜板23固接，并通过定位销19进行定位，所述柔性驱动组件由两个阶梯轴12、平皮带13、四个深沟球轴承14、弹簧卡爪15和锥套16组成，每个阶梯轴12由输入端至输出端依次为螺纹段12-1、圆盘连接段12-2、轴承连接段12-3和轴肩段12-4，弹簧卡爪15由圆盘15-1和锥体15-2组成，锥体15-2垂直设置在圆盘15-1的轴心处，且锥体15-2的底端面与圆盘15-1的端面连接，锥体15-2与圆盘15-1制成一体，弹簧卡爪15的轴心设有中心孔15-3，圆盘15-1的端面上对称设有两个轴孔15-1-1，弹簧卡爪15上的中心孔15-3与交流伺服电机17的输出轴连接，锥套16的内孔与弹簧卡爪15上的锥体15-2相配合，锥套16与弹簧卡爪15通过连接件紧固，两个轴孔15-1-1分别配有一个阶梯轴12，且阶梯轴12上的圆盘连接段12-2与弹簧卡爪15上的轴孔15-1-1配合，阶梯轴12上的螺纹段12-1露在圆盘15-1的输入端端面外，且通过螺母进行锁紧，每个阶梯轴12上的轴承连接段12-3上装有两个深沟球轴承14，平皮带13套装在四个深沟球轴承14上，两个拨杆11对称安装在主轴8的输入端端面上，每个拨杆11的另一端与平皮带13连接。空气吸盘1上的输出端端面上设有数个第三通气孔1-1和数个环形槽1-2，配气环10上有配气孔10-1，配气孔10-1通过主轴8上轴心孔8-1与数个第三通气孔1-1相通，通过配气环10调节气压吸紧工件，通过配气环10上的阀门控制第三通气孔1-1中的气体状态。主轴8的轴向支撑位于主轴的输出端，可使工作区具有较高的轴向刚度。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是它还增加有支承环9，支承环9设置在主轴箱7输入端与径向轴承6的连接处。如此设计便于安装。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理：交流伺服电机17通电后，交流伺服电机17开始转动，带动柔性驱动组件转动，平皮带13转动带动拨杆11产生旋转扭矩驱动主轴8旋转进行切削。高压空气经轴向进气孔6-1进入，经径向节流小孔6-2节流后在径向气膜间隙21处形成径向气体静压膜，该径向气体静压膜支撑主轴8及其径向载荷，高压空气经第一轴向节流小孔6-4节流后在轴向气膜间隙25处形成轴向气体静压膜，该轴向气体静压膜支撑主轴8及其轴向载荷。由于主轴8的轴向和径向都有气体静压膜支撑，使得主轴8与径向轴承6和止推轴承5均不直接接触，形成零件几何误差的均化效应，可以大幅度地提高主轴的回转精度，由于止推轴承5位于主轴8的输出端，所以，主轴8的工作区具有较高的刚度。空气吸盘1工作时，通过配气环10上的阀门控制空气吸盘1中的第三通气孔1-1的气体状态，达到夹紧工件的目的，空气吸盘1上的第三通气孔1-1通过密封螺钉2进行密封，动平衡螺钉3对空气吸盘1进行动平衡调整。
Claims (2)
1.一种超精密加工机床分离驱动式主轴系统，所述主轴系统包括交流伺服电机(17)、电机底座(18)、第一定位销(19)、第二定位销(22)、溜板(23)和静压气体主轴组件，静压气体主轴组件由空气吸盘(1)、止推轴承(5)、径向轴承(6)、主轴箱(7)、主轴(8)、支承环(9)和配气环(10)组成，主轴(8)装在径向轴承(6)的内孔中，径向轴承(6)固装在主轴箱(7)中，主轴箱(7)与溜板(23)相连接，且通过第二定位销(22)进行定位，止推轴承(5)套装在主轴(8)的输出端上，径向轴承(6)的侧壁上设有轴向进气孔(6-1)，径向轴承(6)的侧壁上设有数个与轴向进气孔(6-1)相通的径向节流小孔(6-2)，径向轴承(6)的输出端端面上设有与止推轴承(5)的端面相对应的第一通气孔(6-3)，径向轴承(6)的输出端端面上设有数个与主轴(8)上的轴肩端面相对应的第一轴向节流小孔(6-4)，第一通气孔(6-3)和第一轴向节流小孔(6-4)均与轴向进气孔(6-1)相通，止推轴承(5)的端面上设有与第一通气孔(6-3)正对且相通的第二通气孔(5-1)，止推轴承(5)的输出端端面上设有数个与主轴(8)上的轴肩端面相对应的第二轴向节流小孔(5-2)，第二轴向节流小孔(5-2)与第二通气孔(5-1)相通，空气吸盘(1)设置在主轴(8)的输出端端面上，且通过连接件将空气吸盘(1)与主轴(8)固接，配气环(10)套装在主轴(8)的输入端上，所述交流伺服电机(17)与电机底座(18)固接，电机底座(18)与溜板(23)固接，并通过第一定位销(19)进行定位，其特征在于：所述主轴系统还包括柔性驱动组件和两个拨杆(11)，所述柔性驱动组件由两个阶梯轴(12)、平皮带(13)、四个深沟球轴承(14)、弹簧卡爪(15)和锥套(16)组成，每个阶梯轴(12)由输入端至输出端依次为螺纹段(12-1)、圆盘连接段(12-2)、轴承连接段(12-3)和轴肩段(12-4)，弹簧卡爪(15)由圆盘(15-1)和锥体(15-2)组成，锥体(15-2)垂直设置在圆盘(15-1)的轴心处，且锥体(15-2)的底端面与圆盘(15-1)的端面连接，锥体(15-2)与圆盘(15-1)制成一体，弹簧卡爪(15)的轴心设有中心孔(15-3)，圆盘(15-1)的端面上对称设有两个轴孔(15-1-1)，弹簧卡爪(15)上的中心孔(15-3)与交流伺服电机(17)的输出轴连接，锥套(16)的内孔与弹簧卡爪(15)上的锥体(15-2)相配合，两个轴孔(15-1-1)分别配有一个阶梯轴(12)，且阶梯轴(12)上的圆盘连接段(12-2)与弹簧卡爪(15)上的轴孔(15-1-1)配合，阶梯轴(12)上的螺纹段(12-1)露在圆盘(15-1)的输入端端面外，每个阶梯轴(12)上的轴承连接段(12-3)上装有两个深沟球轴承(14)，平皮带(13)套装在四个深沟球轴承(14)上，两个拨杆(11)对称安装在主轴(8)的输入端端面上，每个拨杆(11)的另一端与平皮带(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种超精密加工机床分离驱动式主轴系统，其特征在于：所述支承环(9)设置在主轴箱(7)输入端与径向轴承(6)的连接处。
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