CN104190959B - 具有回转误差监测功能的空气静压主轴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有回转误差监测功能的空气静压主轴。若不对高精度主轴进行回转误差在线监测，并不能达到最好的加工质量。本发明包括柱面电容传感器、空气静压轴承、节流器、密封塞和主轴；两个空气静压轴承的每个电极板安装槽内设有一片弧形电极板；空气静压轴承的外圆面开设有两个通气孔组，内端面开设有环形槽和沿圆周分布的多个止推孔；通气孔组包括多个通气孔；通气孔包括集气孔、增压孔和稳压孔；两个通气孔组的所有集气孔均与环形槽连通；其中一个通气孔组的每个集气孔与对应一个止推孔的内端连通；所有止推孔的外端均套置有节流器。本发明将主轴、空气静压轴承和柱面电容传感器集成于一体，能对主轴进行回转误差在线监测、补偿。

Description

具有回转误差监测功能的空气静压主轴
技术领域
本发明属于超精密加工机床领域，涉及一种空气静压主轴，具体涉及具有回转误差监测功能的空气静压主轴。
背景技术
随着现代制造技术对加工精度要求的不断提高，超精密加工机床得到了迅速发展。高精度主轴作为超精密加工机床的核心部件更是成为了热门的研究内容。在各类主轴中，空气静压主轴凭借其高精度、低摩擦等特点已经得到了广泛的关注。然而，主轴的运动精度取决于多方面的因素，包括主轴的静刚度、动刚度、热刚度等。要想获得高精度的主轴运动精度，除了采取一系列措施（如采用高精度轴承、良好的动平衡等）达到高精度的方案外，另一个比较经济、有效的方案是在线监测主轴的回转精度，对监测结果实施在线补偿以提高主轴的运动精度。若不对高精度主轴进行回转误差在线监测，它并不能在理想加工条件下达到最好的加工质量，更别说进一步地用于机床加工补偿控制，判断产生加工误差的原因以及主轴的状态监测和故障诊断等。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有回转误差监测功能的空气静压主轴，将主轴、空气静压轴承和具有回转误差监测功能的柱面电容传感器集成于一体，形成了一套具有回转误差在线监测与补偿功能的空气静压主轴系统，能对主轴进行回转误差在线监测、补偿，提高空气静压主轴的精度、刚度。
本发明包括柱面电容传感器、空气静压轴承、节流器、密封塞和主轴。所述主轴的中部设有一体成型的止推盘；所述空气静压轴承在中心处开设有主轴安装孔；主轴安装孔的外端孔壁开设有沿圆周均布的多个电极板安装槽；所述的柱面电容传感器包括多片弧形电极板，弧形电极板的数量与电极板安装槽的数量相等；两个空气静压轴承的每个电极板安装槽内设有一片弧形电极板，弧形电极板的两端面分别与对应电极板安装槽的两侧壁配合连接；所述主轴的两端分别套置在两个空气静压轴承的主轴安装孔内；所述止推盘的两端面分别与一个空气静压轴承的内端面相对设置，且均设有间隙；所述的两个空气静压轴承通过螺钉连接。
所述空气静压轴承的外圆面沿轴向开设有两个通气孔组，内端面开设有环形槽和沿圆周分布的多个止推孔；两个空气静压轴承的环形槽连通；所述的通气孔组包括沿圆周均布且数量与止推孔相等的多个通气孔；所述的通气孔沿空气静压轴承的径向设置，包括集气孔、增压孔和稳压孔；所述集气孔的外端开口于空气静压轴承的外圆面；所述增压孔的两端分别与集气孔的内端和稳压孔的内端连通；所述稳压孔的外端开口于主轴安装孔的孔壁；两个通气孔组中的一个集气孔为进气孔，其余所有集气孔的顶端设有密封塞；两个通气孔组的所有集气孔均与环形槽连通；其中一个通气孔组的每个集气孔与对应一个止推孔的内端连通；所有止推孔的外端均套置有节流器。
所述主轴的外圆面、空气静压轴承的主轴安装孔的孔壁、止推盘的两端面、空气静压轴承与止推盘的相对面均为超精密加工面。
本发明的有益效果为：
1、本发明将主轴、空气静压轴承和具有回转误差监测功能的柱面电容传感器集成于一体，形成了一套具有回转误差在线监测与补偿功能的空气静压主轴系统，它能实时获取主轴回转误差信号，并对机床的主轴运动误差进行实时反馈和补偿，提高机床的加工精度。
2、本发明通过对称设置的两个空气静压轴承就能实现对主轴两端的径向静压支承和轴向止推功能；结构紧凑、安装方便、装配简单且误差小、检测精度高。
3、本发明的环形槽保证了输入节流器的空气压强相等、稳定。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明中空气静压轴承的剖视图；
图4为图1的B处局部放大视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2和3所示，具有回转误差监测功能的空气静压主轴，包括柱面电容传感器、空气静压轴承2、节流器3、密封塞4、主轴5和螺钉6。主轴5的中部设有一体成型的止推盘5-1；空气静压轴承2在中心处开设有主轴安装孔2-1；主轴安装孔2-1的外端孔壁开设有沿圆周均布的四个电极板安装槽2-2；柱面电容传感器包括四片弧形电极板1-1；两个空气静压轴承2的每个电极板安装槽2-2内设有一片弧形电极板1-1，弧形电极板1-1的两端面分别与对应电极板安装槽2-2的两侧壁配合连接；主轴5的两端分别套置在两个空气静压轴承的主轴安装孔2-1内；止推盘5-1的两端面分别与一个空气静压轴承2的内端面相对设置，且均设有间隙；两个空气静压轴承2通过螺钉6连接；两个空气静压轴承2依靠空气静压支承及止推主轴5，使得主轴5相对空气静压轴承2转动。
如图3和4所示，空气静压轴承2的外圆面沿轴向开设有两个通气孔组，内端面开设有环形槽2-3和沿圆周分布的十个止推孔2-4；两个空气静压轴承2的环形槽2-3连通；通气孔组包括沿圆周均布的十个通气孔；通气孔沿空气静压轴承2的径向设置，包括集气孔2-5、增压孔2-6和稳压孔2-7；集气孔2-5的外端开口于空气静压轴承2的外圆面；增压孔2-6的两端分别与集气孔2-5的内端和稳压孔2-7的内端连通；稳压孔2-7的外端开口于主轴安装孔2-1的孔壁；两个通气孔组中的一个集气孔2-5为进气孔2-8，其余所有集气孔2-5的顶端设有密封塞4；两个通气孔组的所有集气孔2-5均与环形槽2-3连通；其中一个通气孔组的每个集气孔与对应一个止推孔2-4的内端连通；所有止推孔2-4的外端均套置有节流器3。
主轴5的外圆面、空气静压轴承2的主轴安装孔2-1的孔壁、止推盘5-1的两端面、空气静压轴承2与止推盘5-1的相对面均为超精密加工面。
该具有回转误差监测功能的空气静压主轴的工作原理：
高压空气分别通过两个空气静压轴承的进气孔2-8进入各自的环形槽2-3中；环形槽2-3中的高压空气分流至各个通气孔的集气孔2-5中，经增压孔2-6增压和稳压孔2-7稳压后喷至主轴5与主轴安装孔2-1的间隙中，形成具有支承能力的压力气膜，从而实现空气静压轴承2对主轴5的径向支承；主轴5两端的通气孔组对称设置，主轴5两端所受径向力相互平衡；每个通气孔组的通气孔沿圆周均布，使得每处压力气膜沿主轴5的周向均匀分布，压力气膜稳定。与止推孔2-4连通的集气孔将部分高压空气分流至止推孔2-4，并喷向止推盘5-1，从而在止推盘5-1与空气静压轴承2的相对面之间形成封闭式的止推气膜，可以承受轴向载荷，实现空气静压轴承2轴向止推的功能；止推盘5-1两端的止推孔2-4对称设置，使得两个空气静压轴承2对止推盘5-1两端的轴向止推力相等；空气静压轴承2的十个止推孔2-4沿圆周均布，可避免止推盘5-1沿周向受力不均，导致主轴5跳动。
主轴5的动力输入端和输出端处均装有柱面电容传感器，每两块相对的弧形电极板1-1作为一个电容；当主轴5转动时，两个柱面电容传感器不仅能监测主轴5的径向跳动误差，还能监测主轴的偏转误差，并及时将误差信号反馈给机床进行加工补偿，进而提高机床的加工精度。

Claims (2)

1.具有回转误差监测功能的空气静压主轴，包括柱面电容传感器、空气静压轴承、节流器、密封塞和主轴，其特征在于：
所述主轴的中部设有一体成型的止推盘；所述空气静压轴承在中心处开设有主轴安装孔；主轴安装孔的外端孔壁开设有沿圆周均布的多个电极板安装槽；所述的柱面电容传感器包括多片弧形电极板，弧形电极板的数量与电极板安装槽的数量相等；两个空气静压轴承的每个电极板安装槽内设有一片弧形电极板，弧形电极板的两端面分别与对应电极板安装槽的两侧壁配合连接；所述主轴的两端分别套置在两个空气静压轴承的主轴安装孔内；所述止推盘的两端面分别与一个空气静压轴承的内端面相对设置，且均设有间隙；所述的两个空气静压轴承通过螺钉连接；
所述空气静压轴承的外圆面沿轴向开设有两个通气孔组，内端面开设有环形槽和沿圆周分布的多个止推孔；两个空气静压轴承的环形槽连通；所述的通气孔组包括沿圆周均布且数量与止推孔相等的多个通气孔；所述的通气孔沿空气静压轴承的径向设置，包括集气孔、增压孔和稳压孔；所述集气孔的外端开口于空气静压轴承的外圆面；所述增压孔的两端分别与集气孔的内端和稳压孔的内端连通；所述稳压孔的外端开口于主轴安装孔的孔壁；两个通气孔组中的一个集气孔为进气孔，其余所有集气孔的顶端设有密封塞；两个通气孔组的所有集气孔均与环形槽连通；其中一个通气孔组的每个集气孔与对应一个止推孔的内端连通；所有止推孔的外端均套置有节流器。
2.根据权利要求1所述的具有回转误差监测功能的空气静压主轴，其特征在于：所述主轴的外圆面、空气静压轴承的主轴安装孔的孔壁、止推盘的两端面、空气静压轴承与止推盘的相对面均为超精密加工面。
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