CN103111855A - 一种大径高比超精密液体静压转台 - Google Patents

Abstract

一种大径高比超精密液体静压转台，属于超精密制造装备技术领域。以满足加工高精度大口径非球面光学零件的大型超精密机床要求。上、下浮节流器安装于上、下浮止推板上，上浮止推板与转台底座固接，下浮止推板通过内隔环与转台底座固接，下浮止推板置于上浮板的环形槽内，径向轴瓦通过下浮止推板和内隔环与转台底座固接，主轴与上浮板固接，液压油经节流器节流在上浮板和上浮止推板之间形成上浮液体静压止推油膜，在下浮板和下浮止推板之间形成下浮静压止推油膜，在径向轴瓦和主轴之间形成径向静压支承油膜，从而形成轴向闭式液体静压平面圆环止推轴承和径向液体静压圆柱轴承。本发明用于加工高精度大口径非球面光学零件的大型超精密机床。

Description

一种大径高比超精密液体静压转台

技术领域

本发明属于超精密制造装备技术领域，涉及一种超精密液体静压转台，尤其是涉及一种大径高比超精密液体静压转台。

背景技术

随着国家多项重大科学工程研究的开展，对高精度大口径非球面光学元件的需求日益增加。这些元件的材料多属于硬脆性难加工材料，常规的加工与检测方法已经不能满足其高精度和高效率的加工要求，大型超精密机床是实现其确定性批量加工的重要保证。然而，由于加工大口径光学零件的超精密机床及其关键部件属于国外对我国禁运的产品，并实行严格的技术封锁。因此，自主研发这类超精密机床及其关键部件并应用在实际生产中，对国家安全和未来发展都具有重大意义。

超精密液体静压转台是这类大型超精密机床的关键部件之一，其精度和刚度等性能指标直接影响超精密机床的整体工作性能。尽管已有一些能够应用于大型机床的液体静压转台技术的文献报道，如专利号为ZL200810181119.8、授权公告日为2010年07月14日、名称为《高精度高刚度封闭式流体静压回转工作台》的发明专利；专利号为ZL200810154672.2、授权公告日为2010年08月11日、名称为《复合闭式静压导轨工作台》的发明专利；申请号为201110070174.1、申请公布日为2011年08月10日、名称为《一种精密加工机床用转台结构》的发明专利申请，申请号为201110189491.5、申请公布日为2011年12月07日、名称为《高精度高刚度大扭矩液体静压电主轴》的发明专利申请，公布日为2007年07月、名称为《大型超精密机床液压轴系幅板结构优化设计》的哈尔滨工业大学硕士学位论文等，在一定程度上可以满足大型数控机床对液体静压转台高承载能力、高刚度和高精度的要求。

然而上述现有技术在不同程度上存在以下不足：如关键零件的加工不易获得高精度，回转轴系的转动惯量较大，止推板在静压油压力的作用下存在较大变形，转台高度难于降低，致使现有技术还不能完全满足加工高精度大口径非球面光学零件的大型超精密机床的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种大径高比超精密液体静压转台，以满足加工高精度大口径非球面光学零件的大型超精密机床的要求。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种大径高比超精密液体静压转台，所述超精密液体静压转台包括转台底座、电机座、接油盘、力矩电机、连接盘、角度编码器、连接轴、编码器座、下浮板、上浮止推板、上浮板、下浮止推板、内隔环、径向轴瓦、主轴、定位安装轴、进油管路、数个径向节流器、数个下浮节流器及数个上浮节流器；

上浮止推板、下浮板、下浮止推板及内隔环均为圆环形，上浮板的横截面为圆形，上浮板的下平面设有环形槽，环形槽的中心线与上浮板的中心线重合，下浮止推板置于上浮板的环形槽内，上浮板的下平面中心处设有中心沉孔，上浮板的上平面中心处设有中心阶梯沉孔，定位安装轴置于上浮板的中心阶梯沉孔内，转台底座设置在上浮板的下方，内隔环设置在转台底座与下浮止推板之间，转台底座的中心处设有与径向轴瓦相配合的轴孔，转台底座的轴孔与上浮板的中心沉孔及内隔环同轴设置，主轴设置在转台底座的轴孔、内隔环及上浮板的中心沉孔内，径向轴瓦套装在主轴上，且径向轴瓦套装在转台底座的轴孔及内隔环内，内隔环的外侧由内至外依次套装有下浮板和上浮止推板，上浮板分别与下浮板和主轴固定连接，上浮止推板与转台底座固定连接，下浮止推板与内隔环和径向轴瓦固定连接，内隔环与转台底座固定连接；上浮止推板上平面沿圆周方向均布设有数个第一油腔和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，下浮止推板下平面沿圆周方向均布设有数个第二油腔和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，径向轴瓦的内圆面沿圆周方向均布设有数个第三油腔和数个径向安装孔，每个径向安装孔内装有一个径向节流器，数个上浮节流器、数个下浮节流器和数个径向节流器均与安装在转台底座上的进油管路连通，液压油经进油管路和上浮节流器进入相应的第一油腔，并在上浮止推板和上浮板之间的轴向间隙形成上浮液体静压止推油膜，由上浮板、上浮节流器和上浮止推板组成上浮液体静压止推轴承，液压油经进油管路和下浮节流器进入相应的第二油腔，并在下浮止推板和下浮板之间的轴向间隙形成下浮液体静压止推油膜，由下浮板、下浮节流器和下浮止推板组成下浮液体静压止推轴承，上浮液体静压止推轴承和下浮液体静压止推轴承组成闭式环面液体静压止推轴承，液压油经进油管路和径向节流器进入相应的第三油腔，并在径向轴瓦和主轴之间的径向间隙形成径向液体静压支承油膜，由径向轴瓦、径向节流器和主轴组成径向液体静压轴承；径向轴瓦下端安装有接油盘，主轴下端通过连接盘与力矩电机的转子固定连接，主轴下端通过连接轴与角度编码器的转子固定连接，角度编码器的定子通过编码器座固定连接于力矩电机的定子，力矩电机的定子通过电机座固定连接于转台底座的下平面。

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（即上浮液体静压止推轴承和下浮液体静压止推轴承）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圆面的数个径向节流器构成），有利于提高加工精度，从而有利于实现转台的高轴向精度和高回转精度。

2)上浮止推板、下浮板和下浮止推板均为平面圆环形，使得上浮液体静压止推轴承和下浮液体静压止推轴承组成闭式环面液体静压止推轴承，不但实现了大直径的闭式止推面，使转台具有较高的轴向刚度和角刚度，而且避免了转动惯量的增加和止推板变形的加大，进而有利于提高转台的精度、刚度以及动态性能。

3)采用开有环形槽的上浮板，将下浮止推板置于上浮板的环形槽内，使上浮止推面和下浮止推面在一个平面，缩短了轴向闭式止推面和径向支承面与上浮板上负载力之间的距离，降低了转台的高度，从而有利于提高转台的刚度、轴向精度和回转精度。

4)闭式双向环面止推轴承置于主轴上端，主轴受热后向下伸长，不影响转台轴向精度，对提高转台的刚度和精度有利。

综上，本发明实现了大直径止推面，降低了转台高度，同时避免了转动惯量增加和止推板变形加大，热影响小，关键零件易于获得高的加工精度，进而有利于提高转台的精度、刚度以及动态性能，可以满足加工高精度（加工工件的形状精度优于0.1μm，表面粗糙度优于0.01μm）大口径（最大直径可达1500mm）非球面光学零件的大型超精密机床的要求。

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径高比超精密液体静压转台，所述超精密液体静压转台包括转台底座1、电机座2、接油盘3、力矩电机4、连接盘5、角度编码器6、连接轴7、编码器座8、下浮板11、上浮止推板12、上浮板14、下浮止推板15、内隔环16、径向轴瓦17、主轴18、定位安装轴19、进油管路23、数个径向节流器20、数个下浮节流器21及数个上浮节流器22；

上浮止推板12、下浮板11、下浮止推板15及内隔环16均为圆环形，上浮板14的横截面为圆形，上浮板14的上平面即可作为转台的工作台面，上浮板14的下平面设有环形槽，环形槽的中心线与上浮板14的中心线重合，下浮止推板15置于上浮板14的环形槽内，如此设计，可以实现大直径的闭式圆环形止推面，有利于提高加工精度，且使上浮止推面和下浮止推面在一个平面，缩短轴向闭式止推面与上浮板上负载力之间的距离，降低转台高度，从而有利于提高转台的刚度、轴向精度和回转精度；上浮板14的下平面中心处设有中心沉孔14-2，上浮板14的上平面中心处设有中心阶梯沉孔14-1，定位安装轴19置于上浮板14的中心阶梯沉孔14-1内，上浮板14可根据负载需要设计成相应的尺寸规格，如图1中虚线所示；转台底座1设置在上浮板14的下方，内隔环16设置在转台底座1与下浮止推板15之间，转台底座1的中心处设有与径向轴瓦17相配合的轴孔，转台底座1的轴孔与上浮板14的中心沉孔14-2及内隔环16同轴设置，主轴18设置在转台底座1的轴孔、内隔环16及上浮板14的中心沉孔14-2内，径向轴瓦17套装在主轴18上，且径向轴瓦17套装在转台底座1的轴孔及内隔环16内，内隔环16的外侧由内至外依次套装有下浮板11和上浮止推板12，上浮板14分别与下浮板11和主轴18固定连接（通过螺钉固定连接），上浮止推板12与转台底座1固定连接（通过螺钉固定连接），下浮止推板15与内隔环16和径向轴瓦17固定连接（通过螺钉固定连接），内隔环16与转台底座1固定连接（通过螺钉固定连接）；上浮止推板12上平面沿圆周方向均布设有数个第一油腔12-1和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22（为小孔节流器），下浮止推板15下平面沿圆周方向均布设有数个第二油腔15-1和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21（为小孔节流器），径向轴瓦17的内圆面沿圆周方向均布设有数个第三油腔17-1和数个径向安装孔，每个径向安装孔内装有一个径向节流器20（为小孔节流器），数个上浮节流器22、数个下浮节流器21和数个径向节流器20均与安装在转台底座1上的进油管路23连通，液压油经进油管路23和上浮节流器22进入相应的第一油腔12-1，并在上浮止推板12和上浮板14之间的轴向间隙形成上浮液体静压止推油膜，由上浮板14、上浮节流器22和上浮止推板12组成上浮液体静压止推轴承（上浮液体静压止推面和下浮液体静压止推面为同一平面），如此设计，有利于提高加工精度，且使闭式双向环面止推轴承置于主轴上端，主轴受热后向下伸长，不影响转台轴向精度；液压油经进油管路23和下浮节流器21进入相应的第二油腔15-1，并在下浮止推板15和下浮板11之间的轴向间隙形成下浮液体静压止推油膜，由下浮板11、下浮节流器21和下浮止推板15组成下浮液体静压止推轴承，上浮液体静压止推轴承和下浮液体静压止推轴承组成闭式环面液体静压止推轴承，液压油经进油管路23和径向节流器20进入相应的第三油腔17-1，并在径向轴瓦17和主轴18之间的径向间隙形成径向液体静压支承油膜，由径向轴瓦17、径向节流器20和主轴18组成径向液体静压轴承，如此设计，有利于提高加工精度；径向轴瓦17下端安装有接油盘3（通过螺钉安装），主轴18下端通过连接盘5与力矩电机4的转子固定连接（通过螺钉固定连接），主轴18下端通过连接轴7与角度编码器6的转子固定连接（通过螺钉固定连接），角度编码器6的定子通过编码器座8固定连接于力矩电机4的定子（通过螺钉固定连接），力矩电机4的定子通过电机座2固定连接于转台底座1的下平面（通过螺钉固定连接），如此设计，便于安装调试。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式的上浮液体静压止推油膜间隙和下浮液体静压止推油膜间隙通过研磨内隔环16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，且有利于提高加工精度，避免较大的转动惯量和较大的止推板变形，进而有利于提高转台的精度、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：如图1所示，本实施方式的径向轴瓦17上开有回油槽17-2，接油盘3上安装有第一回油管9，回油槽17-2通过接油盘3连通于第一回油管9；转台底座1上安装有第二回油管10，上浮止推板12上平面开有环形回油槽12-2，环形回油槽12-2连通于安装在上浮止推板12上的第三回油管13。如此设计，便于安装调试，防止漏油。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。

工作原理

工作时，首先液压油通过进油管路23进入数个上浮节流器22、数个下浮节流器21和数个径向节流器20，经节流作用进入各自油腔分别在上浮止推板12和上浮板14之间的轴向间隙形成上浮液体静压止推油膜，在下浮止推板15和下浮板11之间的轴向间隙形成下浮液体静压止推油膜，在径向轴瓦17和主轴18之间的径向间隙形成径向液体静压支承油膜；进而使得固定连接在一起的回转轴系转子（上浮板14、下浮板11和主轴18）在径向和双向轴向都有液体静压支承油膜；液压油的回油分别经第一回油管9、第二回油管10、第三回油管13流回油箱。然后在转台底座1下面和主轴18下端固定连接的力矩电机4的直接驱动下，轴系转子将在液体静压润滑状态下进行回转，由于液体静压润滑的几何误差均化作用，从而可以使得转台获得高的回转精度；主轴18下端固定连接的角度编码器6执行速度和位置检测。

大径高比是指止推面直径与转台高度的比值较大，一般这个比值要大于3。

Claims (3)

1.一种大径高比超精密液体静压转台，所述超精密液体静压转台包括转台底座（1）、电机座（2）、接油盘（3）、力矩电机（4）、连接盘（5）、角度编码器（6）、连接轴（7）、编码器座（8）、下浮板（11）、上浮止推板（12）、上浮板（14）、下浮止推板（15）、内隔环（16）、径向轴瓦（17）、主轴（18）、定位安装轴（19）、进油管路（23）、数个径向节流器（20）、数个下浮节流器（21）及数个上浮节流器（22）；其特征在于：

上浮止推板（12）、下浮板（11）、下浮止推板（15）及内隔环（16）均为圆环形，上浮板（14）的横截面为圆形，上浮板（14）的下平面设有环形槽，环形槽的中心线与上浮板（14）的中心线重合，下浮止推板（15）置于上浮板（14）的环形槽内，上浮板（14）的下平面中心处设有中心沉孔（14-2），上浮板（14）的上平面中心处设有中心阶梯沉孔（14-1），定位安装轴（19）置于上浮板（14）的中心阶梯沉孔（14-1）内，转台底座（1）设置在上浮板（14）的下方，内隔环（16）设置在转台底座（1）与下浮止推板（15）之间，转台底座（1）的中心处设有与径向轴瓦（17）相配合的轴孔，转台底座（1）的轴孔与上浮板（14）的中心沉孔（14-2）及内隔环（16）同轴设置，主轴（18）设置在转台底座（1）的轴孔、内隔环（16）及上浮板（14）的中心沉孔（14-2）内，径向轴瓦（17）套装在主轴（18）上，且径向轴瓦（17）套装在转台底座（1）的轴孔及内隔环（16）内，内隔环（16）的外侧由内至外依次套装有下浮板（11）和上浮止推板（12），上浮板（14）分别与下浮板（11）和主轴（18）固定连接，上浮止推板（12）与转台底座（1）固定连接，下浮止推板（15）与内隔环（16）和径向轴瓦（17）固定连接，内隔环（16）与转台底座（1）固定连接；上浮止推板（12）上平面沿圆周方向均布设有数个第一油腔（12-1）和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（22），下浮止推板（15）下平面沿圆周方向均布设有数个第二油腔（15-1）和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（21），径向轴瓦（17）的内圆面沿圆周方向均布设有数个第三油腔（17-1）和数个径向安装孔，每个径向安装孔内装有一个径向节流器（20），数个上浮节流器（22）、数个下浮节流器（21）和数个径向节流器（20）均与安装在转台底座（1）上的进油管路（23）连通，液压油经进油管路（23）和上浮节流器（22）进入相应的第一油腔（12-1），并在上浮止推板（12）和上浮板（14）之间的轴向间隙形成上浮液体静压止推油膜，由上浮板（14）、上浮节流器（22）和上浮止推板（12）组成上浮液体静压止推轴承，液压油经进油管路（23）和下浮节流器（21）进入相应的第二油腔（15-1），并在下浮止推板（15）和下浮板（11）之间的轴向间隙形成下浮液体静压止推油膜，由下浮板（11）、下浮节流器（21）和下浮止推板（15）组成下浮液体静压止推轴承，上浮液体静压止推轴承和下浮液体静压止推轴承组成闭式环面液体静压止推轴承，液压油经进油管路（23）和径向节流器（20）进入相应的第三油腔（17-1），并在径向轴瓦（17）和主轴（18）之间的径向间隙形成径向液体静压支承油膜，由径向轴瓦（17）、径向节流器（20）和主轴（18）组成径向液体静压轴承；径向轴瓦（17）下端安装有接油盘（3），主轴（18）下端通过连接盘（5）与力矩电机（4）的转子固定连接，主轴（18）下端通过连接轴（7）与角度编码器（6）的转子固定连接，角度编码器（6）的定子通过编码器座（8）固定连接于力矩电机（4）的定子，力矩电机（4）的定子通过电机座（2）固定连接于转台底座（1）的下平面。

2.根据权利要求1所述一种大径高比超精密液体静压转台，其特征在于：上浮液体静压止推油膜间隙和下浮液体静压止推油膜间隙通过研磨内隔环（16）的上下表面，使其为负公差获得。

3.根据权利要求1或2所述一种大径高比超精密液体静压转台，其特征在于：径向轴瓦（17）上开有回油槽（17-2），接油盘（3）上安装有第一回油管（9），回油槽（17-2）通过接油盘（3）连通于第一回油管（9）；转台底座（1）上安装有第二回油管（10），上浮止推板（12）上平面开有环形回油槽（12-2），环形回油槽（12-2）连通于安装在上浮止推板（12）上的第三回油管（13）。