CN103056397A - 一种大直径超精密气体静压回转轴系 - Google Patents
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Abstract
一种大直径超精密气体静压回转轴系，属于超精密制造装备技术领域。以满足大尺寸KDP晶体等光学元件加工需求。数个上、下浮节流器圆周均布安装于上、下浮止推板上，上浮板与下浮板固接，下浮止推板与固定支承座固接，上浮止推板通过内隔环与固定支承座固接，上浮止推板和连接板置于下浮板的外、内环形槽内，径向轴瓦通过连接板和内隔套与固定支承座固接，主轴与下浮板固接，压缩空气经节流器节流在上浮板和上浮止推板之间形成上浮静压止推气膜，在下浮板和下浮止推板之间形成下浮静压止推气膜，在径向轴瓦与主轴之间形成径向静压支承气膜，从而形成轴向闭式气体静压平面圆环止推轴承和径向气体静压圆柱轴承。本发明用于大尺寸KDP晶体等光学元件加工。
Description
技术领域
本发明属于超精密制造装备技术领域，涉及一种超精密气体静压回转轴系，尤其是涉及一种大直径的超精密气体静压回转轴系。
背景技术
在惯性约束核聚变及强激光武器等高科技装备中，需要大量采用KDP晶体等功能性材料的光学元件。由于KDP晶体具有质软、易潮解、易碎等不利于光学加工的特点，传统的磨削和抛光方法并不适用，而单点金刚石飞刀铣削加工技术成为目前该类晶体加工的首选方法，如专利号ZL200710144867.4、公告日为2008年06月11日、名称为《龙门式超精密飞切铣床》的发明专利。为了实现与激光波长同量级平面度和纳米级表面粗糙度的KDP晶体等光学元件的加工，高精度、高刚度的气体静压回转轴系是机床的关键部件之一。
尽管已有很多关于气体静压回转轴系的报道，但是由于飞切铣床利用大直径的“飞刀”盘回转运动实现材料的去除，所以都还不能直接适用于超精密飞切铣床的回转轴系。如专利号ZL200810064030.3、公告日为2008年07月30日、名称为《超精密气体静压电主轴系统》的发明专利采用加大止推面的径推一体式气体静压轴系，满足了实际加工的要求。随着KDP晶体等光学元件尺寸的加大和精度要求的提高，“飞刀”盘直径需要进一步增大，而现有的气体静压回转轴系还存在以下不足：（1）止推板存在较大变形，导致气膜间隙变化，影响轴系的精度和刚度；（2）进一步增大止推板将增加轴系的转动惯量和加剧止推板的变形，进而影响轴系的精度、刚度以及动态性能，从而限制了刀盘直径的进一步增大。因此，现有技术还不能完全满足大尺寸KDP晶体等光学元件的加工需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有气体静压回转轴系的不足，提供一种大直径超精密气体静压回转轴系，以满足大尺寸KDP晶体等光学元件的加工需求。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种大直径超精密气体静压回转轴系，所述回转轴系包括下浮板、连接板、上浮板、上浮止推板、下浮止推板、固定支承座、内隔环、径向轴瓦、主轴、内隔套、数个下浮节流器、数个上浮节流器及数个径向节流器；连接板、上浮板、上浮止推板及下浮止推板均为圆环形，下浮板的横截面为圆形，下浮板的上平面由内至外设有内环形槽和外环形槽，内环形槽和外环形槽的中心线与下浮板的中心线重合，下浮板的上平面中心处设有中心孔，连接板置于下浮板的内环形槽内，上浮止推板置于下浮板的外环形槽内，主轴设置在下浮板上平面的中心处，固定支承座的中心处设有与径向轴瓦相配合的轴孔，径向轴瓦套装在主轴上，且径向轴瓦套装在固定支承座的轴孔及内隔套内，内隔套设置在固定支承座与连接板之间，内隔套的外侧由内至外依次套装有上浮板、内隔环及下浮止推板，下浮板上平面分别与上浮板的下平面和主轴的下平面固定连接，下浮止推板的上平面与固定支承座的下平面固定连接，上浮止推板的上平面与内隔环的下平面固定连接，内隔环的上平面与固定支承座的下平面固定连接，径向轴瓦的下平面与连接板的上平面固定连接，连接板的上平面与内隔套的下平面固定连接，内隔套的上平面与固定支承座的下平面固定连接，上浮止推板上沿圆周方向均布设有数个第一轴向安装孔，每个第一轴向安装孔内装有一个上浮节流器，压缩空气通过上浮节流器进入上浮止推板和上浮板之间的轴向间隙形成上浮气体静压止推气膜，由上浮板、上浮节流器和上浮止推板组成上浮气体静压止推轴承，下浮止推板上沿圆周方向均布设有数个第二轴向安装孔，每个第二轴向安装孔内装有一个下浮节流器，压缩空气通过下浮节流器进入下浮止推板和下浮板之间的轴向间隙形成下浮气体静压止推气膜，由下浮板、下浮节流器和下浮止推板组成下浮气体静压止推轴承，由上浮气体静压止推轴承和下浮气体静压止推轴承组成闭式圆环面气体静压止推轴承，径向轴瓦的内环面设有数个径向安装孔，每个径向安装孔内装有一个径向节流器，压缩空气通过径向节流器进入径向轴瓦和主轴之间的径向间隙形成径向气体静压支承气膜，由径向轴瓦、主轴和径向节流器组成径向气体静压轴承。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)采用平面止推轴承（即上浮气体静压止推轴承和下浮气体静压止推轴承）和圆柱径向轴承（由径向轴瓦、主轴和均布设置于径向轴瓦内环面的两个上下平行设置的圆周上的数个径向节流器构成），利于提高加工精度，从而有利于实现轴系的高轴向精度和高回转精度。
2)上浮板、上浮止推板和下浮止推板均为平面圆环形，并且在下浮板上设有两个环形槽，使得上浮气体静压止推轴承和下浮气体静压止推轴承组成闭式轴向气体静压轴承，不但实现了大直径的闭式止推面，使轴系具有高刚度尤其是高角刚度，而且避免了转动惯量的增加和止推板变形的加大，进而有利于提高轴系的精度、刚度以及动态性能。
3)采用开有两个内、外环形槽的下浮板，将上浮止推板置于下浮板的外环形槽内，使上浮止推面和下浮止推面在一个平面，同时将连接板置于下浮板的内环形槽内，缩短了轴向闭式止推面和径向支承面与下浮板上负载力之间的距离，从而有利于提高轴系的轴向精度和回转精度。
4)本发明实现了大直径止推面，同时避免了转动惯量增加和止推板变形加大，进而提高了轴系的精度、刚度以及动态性能。
综上，本发明可满足大尺寸600mm×600mm（正方形面积）KDP晶体等光学元件的加工需求。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的一种大直径超精密气体静压回转轴系，所述回转轴系包括下浮板1、连接板4、上浮板5、上浮止推板6、下浮止推板7、固定支承座8、内隔环9、径向轴瓦10、主轴12、内隔套14、数个下浮节流器2、数个上浮节流器3及数个径向节流器13；
连接板4、上浮板5、上浮止推板6及下浮止推板7均为圆环形，下浮板1的横截面为圆形，下浮板1即可作为飞切铣床的刀盘，下浮板1的上平面由内至外设有内环形槽和外环形槽，内环形槽和外环形槽的中心线与下浮板1的中心线重合，下浮板1的上平面中心处设有中心孔1-1，连接板4置于下浮板1的内环形槽内，上浮止推板6置于下浮板1的外环形槽内，如此设计，可以缩短轴向闭式止推面和径向支承面与下浮板1上负载力之间的距离，从而有利于提高轴系的轴向精度和回转精度，主轴12设置在下浮板1上平面的中心处，固定支承座8的中心处设有与径向轴瓦10相配合的轴孔，径向轴瓦10套装在主轴12上，且径向轴瓦10套装在固定支承座8的轴孔及内隔套14内，内隔套14设置在固定支承座8与连接板4之间，内隔套14的外侧由内至外依次套装有上浮板5、内隔环9及下浮止推板7，下浮板1上平面分别与上浮板5的下平面和主轴12的下平面通过螺钉固定连接，下浮止推板7的上平面与固定支承座8的下平面通过螺钉固定连接，上浮止推板6的上平面与内隔环9的下平面通过螺钉固定连接，内隔环9的上平面与固定支承座8的下平面通过螺钉固定连接，径向轴瓦10的下平面与连接板4的上平面通过螺钉固定连接，连接板4的上平面与内隔套14的下平面通过螺钉固定连接，内隔套14的上平面与固定支承座8的下平面通过螺钉固定连接，上浮止推板6上沿圆周方向均布设有数个第一轴向安装孔，每个第一轴向安装孔内装有一个上浮节流器3，压缩空气通过上浮节流器3（为小孔节流器）进入上浮止推板6和上浮板5之间的轴向间隙形成上浮气体静压止推气膜，由上浮板5、上浮节流器3和上浮止推板6组成上浮气体静压止推轴承，下浮止推板7上沿圆周方向均布设有数个第二轴向安装孔，每个第二轴向安装孔内装有一个下浮节流器2（为小孔节流器），压缩空气通过下浮节流器2进入下浮止推板7和下浮板1之间的轴向间隙形成下浮气体静压止推气膜，由下浮板1、下浮节流器2和下浮止推板7组成下浮气体静压止推轴承，由上浮气体静压止推轴承和下浮气体静压止推轴承组成闭式圆环面气体静压止推轴承（上浮气体静压止推面和下浮气体静压止推面为同一平面），如此设计，有利于提高加工精度，径向轴瓦10的内环面设有数个径向安装孔，每个径向安装孔内装有一个径向节流器13（为小孔节流器），压缩空气通过径向节流器13进入径向轴瓦10和主轴12之间的径向间隙形成径向气体静压支承气膜，由径向轴瓦10、主轴12和径向节流器13组成径向气体静压轴承。如此设计，有利于提高加工精度，从而有利于实现高回转精度，主轴12的上端与驱动装置11的驱动转子固定连接，驱动装置11通过螺钉与固定支承座8固定连接。
具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式的上浮气体静压止推气膜间隙和下浮气体静压止推轴承气膜间隙通过研磨内隔环9的上下表面，使其为负公差获得。从而实现大直径的闭式圆环形止推面，使轴系具有高刚度，且可以避免较大的轴系转动惯量和较大的止推板变形，进而有利于提高轴系的精度、刚度以及动态性能。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式的数个上浮节流器3和数个下浮节流器2均与第一气路16连通，数个径向节流器13与第二气路17连通。如此设计，便于安装调试，有利于实现轴系高精度和高刚度。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的数个径向节流器13沿径向轴瓦10内环面的两个上下平行设置的圆周上均布设置，两个上下平行设置的圆周相对于径向轴瓦10中部的横截面对称设置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
工作原理
工作时，首先压缩空气通过第一气路16进入数个上浮节流器3和数个下浮节流器2，经节流作用在上浮板5和上浮止推板6之间的轴向间隙形成上浮气体静压止推气膜，在下浮板1和下浮止推板7之间的轴向间隙形成下浮气体静压止推气膜；同时压缩空气通过第二气路17进入数个径向节流器13，经节流作用在径向轴瓦10和主轴12之间的径向间隙形成径向气体静压支承气膜；进而使得固定连接在一起的轴系转子（下浮板1、上浮板5和主轴12）在径向和双向轴向都有气体静压支承气膜。然后在主轴12上端连接的驱动转子的驱动下，轴系转子将在气体静压润滑状态下进行回转，由于气体静压润滑的几何误差均化作用，从而可以获得高的回转精度。由于上浮板5、上浮止推板6和下浮止推板7均为平面圆环形以及下浮板1上设有两个环形槽，从而可以实现大直径闭式止推面，且避免了转动惯量的增加和止推板变形的加大，进而提高了轴系精度、刚度以及动态性能。
本发明的一种大直径超精密气体静压回转轴系通过固定支承座8固定于轴系支架15上。
Claims (4)
1.一种大直径超精密气体静压回转轴系，所述回转轴系包括下浮板（1）、连接板（4）、上浮板（5）、上浮止推板（6）、下浮止推板（7）、固定支承座（8）、内隔环（9）、径向轴瓦（10）、主轴（12）、内隔套（14）、数个下浮节流器（2）、数个上浮节流器（3）及数个径向节流器（13）；其特征在于：
连接板（4）、上浮板（5）、上浮止推板（6）及下浮止推板（7）均为圆环形，下浮板（1）的横截面为圆形，下浮板（1）的上平面由内至外设有内环形槽和外环形槽，内环形槽和外环形槽的中心线与下浮板（1）的中心线重合，下浮板（1）的上平面中心处设有中心孔（1-1），连接板（4）置于下浮板（1）的内环形槽内，上浮止推板（6）置于下浮板（1）的外环形槽内，主轴（12）设置在下浮板（1）上平面的中心处，固定支承座（8）的中心处设有与径向轴瓦（10）相配合的轴孔，径向轴瓦（10）套装在主轴（12）上，且径向轴瓦（10）套装在固定支承座（8）的轴孔及内隔套（14）内，内隔套（14）设置在固定支承座（8）与连接板（4）之间，内隔套（14）的外侧由内至外依次套装有上浮板（5）、内隔环（9）及下浮止推板（7），下浮板（1）上平面分别与上浮板（5）的下平面和主轴（12）的下平面固定连接，下浮止推板（7）的上平面与固定支承座（8）的下平面固定连接，上浮止推板（6）的上平面与内隔环（9）的下平面固定连接，内隔环（9）的上平面与固定支承座（8）的下平面固定连接，径向轴瓦（10）的下平面与连接板（4）的上平面固定连接，连接板（4）的上平面与内隔套（14）的下平面固定连接，内隔套（14）的上平面与固定支承座（8）的下平面固定连接，上浮止推板（6）上沿圆周方向均布设有数个第一轴向安装孔，每个第一轴向安装孔内装有一个上浮节流器（3），压缩空气通过上浮节流器（3）进入上浮止推板（6）和上浮板（5）之间的轴向间隙形成上浮气体静压止推气膜，由上浮板（5）、上浮节流器（3）和上浮止推板（6）组成上浮气体静压止推轴承，下浮止推板（7）上沿圆周方向均布设有数个第二轴向安装孔，每个第二轴向安装孔内装有一个下浮节流器（2），压缩空气通过下浮节流器（2）进入下浮止推板（7）和下浮板（1）之间的轴向间隙形成下浮气体静压止推气膜，由下浮板（1）、下浮节流器（2）和下浮止推板（7）组成下浮气体静压止推轴承，由上浮气体静压止推轴承和下浮气体静压止推轴承组成闭式圆环面气体静压止推轴承，径向轴瓦（10）的内环面设有数个径向安装孔，每个径向安装孔内装有一个径向节流器（13），压缩空气通过径向节流器（13）进入径向轴瓦（10）和主轴（12）之间的径向间隙形成径向气体静压支承气膜，由径向轴瓦（10）、主轴（12）和径向节流器（13）组成径向气体静压轴承。
2.根据权利要求1所述一种大直径超精密气体静压回转轴系，其特征在于：上浮气体静压止推气膜间隙和下浮气体静压止推轴承气膜间隙通过研磨内隔环（9）的上下表面，使其为负公差获得。
3.根据权利要求1或2所述一种大直径超精密气体静压回转轴系，其特征在于：数个上浮节流器（3）和数个下浮节流器（2）均与第一气路（16）连通，数个径向节流器（13）与第二气路（17）连通。
4.根据权利要求1所述的一种大直径超精密气体静压回转轴系，其特征在于：数个径向节流器（13）沿径向轴瓦（10）内环面的两个上下平行设置的圆周上均布设置，两个上下平行设置的圆周相对于径向轴瓦（10）中部的横截面对称设置。
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