CN101985958A

CN101985958A - 数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构

Info

Publication number: CN101985958A
Application number: CN 201010532133
Authority: CN
Inventors: 路文忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Beijing Heprison Ultra Precision Technology Co Ltd
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN101985958B

Abstract

一种数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，有向主轴机构供油的第一供油系统，向主轴结构中的前定心静压轴承供油的第二供油系统；主轴结构有主轴、套在主轴前端的前定心动静压轴承套、套在主轴后端的后定心动静压轴承套和设置在主轴前端设定位置的静压止推轴承及法兰构成；前定心动静压轴承套和后定心动静压轴承套的内周面上均布有四个承压槽和四个回油槽，后定心动静压轴承套的四个承压槽由第一供油系统供油，前定心动静压轴承套的垂直方向的两个承压槽由第一供油系统供油，而水平方向的两个承压槽分别由第一供油系统和第二供油系统供油；前定心动静压轴承套和后定心动静压轴承套的四个回油槽均与油箱相通；静压止推轴承由第一供油系统供油。

Description

数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构

技术领域

本发明属于一种动静压轴承，特别是涉及一种能够提高主轴的转动精度的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构。

背景技术

动静压轴承由于具有摩擦力小，使用寿命长，抗振性能好，精度较高等特点，在机床主轴上获得广泛的应用，但随着工业技术的发展，特别是国防工业、航空工业的发展，对主轴的旋转精度要求越来越高，常规的动静压轴承已不能满足需要，因此需要研发旋转精度更高的动静压轴承（主轴径向跳动0.0001～0.000001mm）。同时在超精密加工中，需要0.0001～0.000001mm的微细进给，而这靠现在已有的常规进给机构是无法完成的。

图1为传统恒压供油动静压轴承原理图，这种恒压供油动静压轴承由供油系统1，小孔节流器2和主轴结构3三部分组成，其工作原理如下：当供油系统的油泵尚未启动时，轴承油腔内没有压力油，主轴4由于重力而压在轴承套的下部。油泵启动后，压力油通过节流器进入相对应的轴承承载腔。如果忽略主轴4的重量，则主轴4会被油压浮起至轴承套中心位置，此时主轴4各处的间隙相等，各承载腔压力相等，主轴4处于液体摩擦状态，主轴4可以启动。

当主轴4受到外载荷的作用时，会在外力F的作用下产生一个微小位移e（见图2），使下油腔7的间隙从h₀变小为h₀－e，封油面上的油阻力增大，从而使下油腔7的压力上升，相应的对面的上油腔9的压力会下降，从而有一压差作用在主轴4上，当这一压差大到一定程度时，其产生的反作用力与外力F平衡时，主轴4就停止在一个新的位置。这就是动静压主轴的工作原理，它告诉我们，这种主轴的工作是建立在主轴的适量移动上，没有这一移动，它就无法工作。在实际的静压轴承中，这一移动量只有几微米，这对大多数的使用场合精度已是足够了。但随着国防工业的发展，特别是航空航天事业的发展，需要把主轴的转动精度提高到更高，使其回转精度达到0.00001mm或更高。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够提高主轴的转动精度和刚度的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，包括有分别通过9个小孔节流器向主轴机构供油的第一供油系统，还设置有向主轴结构中的前定心静压轴承供油的第二供油系统；所述主轴结构是由主轴、套在主轴前端的前定心动静压轴承套、套在主轴后端的后定心动静压轴承套和设置在主轴前端设定位置的静压止推轴承及法兰构成；所述前定心动静压轴承套和后定心动静压轴承套的内周面上各设置有均布的四个承压槽和四个回油槽，后定心动静压轴承套的四个承压槽由所述第一供油系统通过四个节流器供油，所述前定心动静压轴承套的垂直方向的两个承压槽由所述第一供油系统通过节流器供油，而水平方向的两个承压槽中的一个由第二供油系统供油，另一个仍由第一供油系统通过节流器供油；所述的前定心动静压轴承套和后定心动静压轴承套的四个回油槽均与油箱相通；所述的静压止推轴承经由小孔节流器由第一供油系统供油。

所述的第二供油系统包括有通过油路依次相连的油箱、粗滤油器、泵和精密油滤器，所述的泵连接伺服电机，所述的伺服电机是通过依次连接第二放大器及比较器接收控制指令信号来驱动泵，所述的精密油滤器的输出通过油路连接所述的前定心动静压轴承套水平方向的两个承压槽中的一个，所述的泵和伺服电机构成数字式电液伺服泵。

所述的前定心动静压轴承套水平方向的两个承压槽中由供油系统供油的那个承压槽处设置有一精密压力传感器，所述的精密压力传感器通过第一放大器与比较器相连。

一种数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，包括有分别通过3个小孔节流器向主轴机构供油的第一供油系统，还设置有向主轴结构中的前定心静压轴承供油的第二供油系统；所述主轴结构是由主轴、套在主轴前端的前定心动静压轴承套、套在主轴后端的后定心动静压轴承套和设置在主轴前端设定位置的静压止推轴承及法兰构成；所述前定心动静压轴承套的内周面上设置有3对共6个均布承压槽和六个回油槽，所述每对承压槽中的一个承压槽是由第一供油系统供油，与该承压槽对应的另一个承压槽是由第二供油系统供油，所述的六个回油槽均与油箱相通；所述的静压止推轴承经由小孔节流器由第一供油系统供油。

所述的第二供油系统包括有分别对应的向三个承压槽供油的三个相同结构的数字式供油系统，所述的数字式供油系统包括有通过油路依次连接的油箱、粗滤油器、泵和精密油滤器，所述的泵连接伺服电机，所述的伺服电机是通过依次连接第二放大器及比较器接收控制指令信号来驱动泵，所述的精密油滤器的输出通过油路连接所述的承压槽，所述的泵和伺服电机构成数字式电液伺服泵。

所述的由第一供油系统供油的三个承压槽处各设置1个精密压力传感器，每一个精密压力传感器通过一个第一放大器与比较器相连。

本发明具有的优点和积极效果是，本发明的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，具有以下优点：

⒈旋转精度高，主轴径向跳动≤10nm；

⒉刚性更高，抗振性好；

⒊本发明可利用数字式伺服泵的控制，通过改变油膜的厚度，使主轴产生一相应微小位移用来完成超精加工中的超精进给，即本发明可作为超精密进给机构使用；

⒋本发明由于可以检测主轴的承压槽的压力变化，可同时具有磨削指示和防碰撞功能。

5.如有需要，与前轴承由数字式电液伺服泵控制的承压槽对面的承压槽也可使用数字式电液伺服泵控制，这样可提高控制的灵敏度，同样后轴承和推力轴承也可以采用数字式电液伺服泵控制，只是这样成本也会大大提高。

6.由于可以减小主轴的移动幅度，本发明也可用作主轴的动平衡装置。

7.本发明中的精密压力传感器也可改用高分辨率精密位移传感器，伺服电机也可改为变频电机。

附图说明

图1是现有技术的动静压轴承的结构示意图；

图2是图1中主轴受到外载荷的作用时的结构示意图；

图3.1是本发明数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构的结构示意图；

图3.2是数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构控制原理图；

图4是本发明数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构的另一实施例的结构示意图。

图中的标号分别是：

1—第一供油系统；2—小孔节流器；3—主轴结构；4—主轴；5—法兰；6—静压止推轴承套；7—下油腔；8、8′— 前定心动静压轴承套；9—上油腔；10—第二放大器；11—后定心动静压轴承套；12—承压槽；13—回油槽；14—油箱；15—泵；16—第二供油系统；17—精密压力传感器；18—第一放大器；19—比较器；20—压力继电器；21—油箱；22—吸油粗滤；23—电机；24—油泵；25—压力表；26—溢流阀；27—粗滤油器；28—精密油滤；29—蓄能器；30—单向阀；31—压力表；A—静压止推轴承；B、B′—前定心静压轴承；C—后定心静压轴承；32—伺服电机；33—粗滤油器；34—油箱；35—精密油滤器；36—指令；37—数字式电液伺服泵；38—主轴位置；39—精密压力传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明本发明的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构如下：

如图3.1所示，本发明的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，包括有分别通过9个小孔节流器2向主轴机构3供油的第一供油系统1，还设置有向主轴结构3中的前定心静压轴承B供油的第二供油系统16；所述主轴结构3是由主轴4、套在主轴4前端的前定心动静压轴承套8、套在主轴4后端的后定心动静压轴承套11和设置在主轴4前端设定位置的静压止推轴承6及法兰5构成；所述前定心动静压轴承套8和后定心动静压轴承套11的内周面上各设置有均布的大小一致的四个承压槽12和四个回油槽13，后定心动静压轴承套11的四个承压槽12由所述第一供油系统1通过四个节流器2供油，所述前定心动静压轴承套8的垂直方向的两个承压槽12由所述第一供油系统1通过节流器2供油，而水平方向的两个承压槽12中的一个由第二供油系统16供油，另一个仍由第一供油系统1通过节流器2供油；所述的前定心动静压轴承套8和后定心动静压轴承套11的四个回油槽13均与油箱14相通；所述的静压止推轴承6经由小孔节流器2由第一供油系统1供油。

所述的第二供油系统16包括有通过油路依次相连的油箱34、粗滤油器33、泵15和精密油滤器35，所述的泵15连接伺服电机32，所述的伺服电机32是通过依次连接第二放大器10及比较器19接收控制指令信号L来驱动泵15，所述的精密油滤器35的输出通过油路连接所述的前定心动静压轴承套8水平方向的两个承压槽12中的一个，所述的泵15和伺服电机32构成数字式电液伺服泵。

所述的前定心动静压轴承套8水平方向的两个承压槽12中由供油系统1供油的那个承压槽12处设置有一精密压力传感器17，所述的精密压力传感器17通过第一放大器18与比较器19相连，所述的比较器19接收已设定的用于与精密压力传感器17反馈的信号进行比较的指令信号，从而形成全闭环控制。

如图4所示，是本发明的第二实施例，这一实施例的后轴承套11和静压止推轴承6与实施例1完全相同，未在图4中表示（可以参考图3.1），本发明的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，还可以是包括有分别通过3个小孔节流器2向主轴机构3供油的第一供油系统1，还设置有向主轴结构3中的前定心静压轴承B′供油的第二供油系统；所述主轴结构3是由主轴4、套在主轴4前端的前定心动静压轴承套8′、套在主轴4后端的后定心动静压轴承套11和设置在主轴4前端设定位置的静压止推轴承6及法兰5构成；所述前定心动静压轴承套8′的内周面上设置有3对共6个均布承压槽12和六个回油槽13，所述每对承压槽12中的一个承压槽12是由第一供油系统1供油，与该承压槽对应的另一个承压槽12是由第二供油系统供油，所述的六个回油槽13均与油箱14相通；所述的静压止推轴承6经由小孔节流器2由第一供油系统1供油。

所述的第二供油系统包括有分别对应的向三个承压槽12供油的三个相同结构的数字式供油系统，所述的数字式供油系统包括有通过油路依次连接的油箱34、粗滤油器33、泵15和精密油滤器35，所述的泵15连接伺服电机32，所述的伺服电机32是通过依次连接第二放大器10及比较器19接收控制指令信号L来驱动泵15，所述的精密油滤器35的输出通过油路连接所述的承压槽12，所述的泵15和伺服电机32构成数字式电液伺服泵。

所述的由第一供油系统1供油的三个承压槽12处各设置1个精密压力传感器17，每一个精密压力传感器17通过一个第一放大器18与比较器19相连。所述的比较器19接收已设定的用于与精密压力传感器17反馈的信号进行比较的指令信号。

本发明所使用的精密压力传感器17的分辨率换算成位移可高达1nm。在使用了数字式电液伺服泵的主轴结构3中，当外力作用在主轴4上时，主轴4的移动在只有1nm时就被精密压力传感器17测量到，并发出反馈信号，数字式电液伺服泵（15、32）将这一信号转换放大为油腔的相应油压差。这一油压差与外力平衡，使主轴4仅移动了非常小的位移（1 nm）就停下来，而此时的偏心量e，要比图2所示结构小很多，只要选用的数字式电液伺服泵（15、32）频率响应足够快，作为反馈元件的精密压力传感器17的分辨率足够高，就可以使主轴4的位移小于10nm，即其旋转精度可达10nm。

如有必要，可以使用两个数字式电液伺服泵对前轴承8进行控制，以实现对主轴进行更快的控制，使主轴具有更高的刚性和精度。当欲实现更快的调节速度，实现更高的速度和精度时，也可采用六个数字式电液伺服泵对前前定心动静压轴承套8进行控制。本发明所使用的精密压力传感器也可改用高分辨率位移传感器，所使用的伺服电机也可改用变频电机。

Claims

1.一种数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，包括有分别通过9个小孔节流器（2）向主轴机构（3）供油的第一供油系统（1），其特征在于，还设置有向主轴结构（3）中的前定心静压轴承（B）供油的第二供油系统（16）；所述主轴结构（3）是由主轴（4）、套在主轴（4）前端的前定心动静压轴承套（8）、套在主轴（4）后端的后定心动静压轴承套（11）和设置在主轴（4）前端设定位置的静压止推轴承（6）及法兰（5）构成；所述前定心动静压轴承套（8）和后定心动静压轴承套（11）的内周面上各设置有均布的四个承压槽（12）和四个回油槽（13），后定心动静压轴承套（11）的四个承压槽（12）由所述第一供油系统（1）通过四个节流器（2）供油，所述前定心动静压轴承套（8）的垂直方向的两个承压槽（12）由所述第一供油系统（1）通过节流器（2）供油，而水平方向的两个承压槽（12）中的一个由第二供油系统（16）供油，另一个仍由第一供油系统（1）通过节流器（2）供油；所述的前定心动静压轴承套（8）和后定心动静压轴承套（11）的四个回油槽（13）均与油箱（14）相通；所述的静压止推轴承（6）经由小孔节流器（2）由第一供油系统（1）供油。

2.根据权利要求1所述的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，其特征是：所述的第二供油系统（16）包括有通过油路依次相连的油箱（34）、粗滤油器（33）、泵（15）和精密油滤器（35），所述的泵（15）连接伺服电机（32），所述的伺服电机（32）是通过依次连接第二放大器（10）及比较器（19）接收控制指令信号（L）来驱动泵（15），所述的精密油滤器（35）的输出通过油路连接所述的前定心动静压轴承套（8）水平方向的两个承压槽（12）中的一个，所述的泵（15）和伺服电机（32）构成数字式电液伺服泵。

3.根据权利要求2所述的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，其特征是：所述的前定心动静压轴承套（8）水平方向的两个承压槽（12）中由供油系统（1）供油的那个承压槽（12）处设置有一精密压力传感器（17），所述的精密压力传感器（17）通过第一放大器（18）与比较器（19）相连。

4.一种数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，包括有分别通过3个小孔节流器（2）向主轴机构（3）供油的第一供油系统（1），其特征在于，还设置有向主轴结构（3）中的前定心静压轴承（B′）供油的第二供油系统；所述主轴结构（3）是由主轴（4）、套在主轴（4）前端的前定心动静压轴承套（8′）、套在主轴（4）后端的后定心动静压轴承套（11）和设置在主轴（4）前端设定位置的静压止推轴承（6）及法兰（5）构成；所述前定心动静压轴承套（8′）的内周面上设置有3对共6个均布承压槽（12）和六个回油槽（13），所述每对承压槽（12）中的一个承压槽（12）是由第一供油系统（1）供油，与该承压槽对应的另一个承压槽（12）是由第二供油系统供油，所述的六个回油槽（13）均与油箱（14）相通；所述的静压止推轴承（6）经由小孔节流器（2）由第一供油系统（1）供油。

5.根据权利要求4所述的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，其特征是：所述的第二供油系统包括有分别对应的向三个承压槽（12）供油的三个相同结构的数字式供油系统，所述的数字式供油系统包括有通过油路依次连接的油箱（34）、粗滤油器（33）、泵（15）和精密油滤器（35），所述的泵（15）连接伺服电机（32），所述的伺服电机（32）是通过依次连接第二放大器（10）及比较器（19）接收控制指令信号（L）来驱动泵（15），所述的精密油滤器（35）的输出通过油路连接所述的承压槽（12），所述的泵（15）和伺服电机（32）构成数字式电液伺服泵。

6.根据权利要求4所述的数字式电液伺服泵控制的超精密动静压轴承及超微进给机构，其特征是：所述的由第一供油系统（1）供油的三个承压槽（12）处各设置1个精密压力传感器（17），每一个精密压力传感器（17）通过一个第一放大器（18）与比较器（19）相连。