CN108167332B - 一种高精度电机装置及精密设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明所涉及的高精度电机装置及精密设备，包括至少两个动静压半球体轴承以及具有转动轴的电动机，转动轴设置在动静压半球体轴承中，动静压半球体轴承具有支撑座、容纳组件以及转动件，容纳组件包括容纳件、多个静压衬套以及多个动压衬套，容纳件具有多个静压通道和动压通道，静压衬套设置在第一凹腔的开口处，动压衬套设置在第二凹腔的开口处，动压凹腔的横截面从底部至开口是逐渐扩大的。本发明的高精度电机装置及精密设备，工作状态时，半球体轴承中的凸球旋转时与凹球面互不接触，相对于动静压锥体轴承，动静压半球体轴承具有更好的同心配合度，因此采用气体或液体动静压技术能提高轴承轴系上转动轴的动态旋转精度。

Description

一种高精度电机装置及精密设备
技术领域
本发明属于机械领域，具体涉及一种高精度电机装置及设备。
背景技术
目前，电主轴技术在机械工业中已得到广泛应用，现有技术的电主轴技术是电动机转动轴与设备主轴合为同一根轴，以滚动轴承来支承主轴，利用电动机的变速使得设备主轴获得需要的速度，由于滚动轴承精度有限，难以满足主轴旋转精度≤0.10μm的要求，无法实现纳米级加工精度，功能单一，且高速运转时主轴的超声、磨损及发热严重，影响主轴的使用寿命。
现有技术的滚动轴承大多转动时为接触状态，转动精度和效率均不高。采用气体或液体动、静压技术与球体结构结合的轴承，是目前提高主轴旋转精度有效的途径之一。
根据气体(空气)或液体(油液)动、静压技术基本原理，液体或气体介质，分别进入到球体轴承凹球面的多个腔室中，当凸球旋转时，介质从多个腔室中形成动压力，凸球转速越高、介质密度越大、凹凸球间隙越小，动压力越大。由于凹、凸球面之间有一定的间隙，凸球浮起，旋转时处于非接触状态，但该球体轴承的凹球面及腔室的加工精度要求高，加工成本大。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种对球体轴承的凹球面及腔室加工精度要求不高，能降低加工成本的同时具有动压和静压技术的高精度电机装置及设备。
本发明提供了一种高精度电机装置，具有这样的特征，包括至少两个动静压半球体轴承；以及电动机，具有转动轴，转动轴设置在动静压半球体轴承中，其中，动静压半球体轴承具有支撑座、容纳组件以及转动件，容纳组件包括具有内凹半球面和外表面的容纳件、多个静压衬套以及多个动压衬套，容纳件具有多个用于通过流体的静压通道和动压通道，静压通道和动压通道分别设置在容纳件的内壁中且贯通内凹半球面和外表面，静压通道包括设置在内凹半球面上向内凹的第一凹腔和连通第一凹腔和外表面的静压孔道，动压通道包括设置在内凹半球面上向内凹的第二凹腔和连通第二凹腔和外表面的动压孔道，静压衬套具有呈柱形的静压凹腔，静压衬套设置在第一凹腔的开口处且静压凹腔开口朝向内凹半球面，静压凹腔的底部与第一凹腔相连通，动压衬套具有动压凹腔，动压衬套设置在第二凹腔的开口处且动压凹腔的的开口朝向内凹半球面，动压凹腔的底部与第二凹腔相连通，动压凹腔的横截面从底部至开口是逐渐扩大的，动压凹腔腔口的形状为椭圆形、正方形、矩形以及梯形中的任意一种,转动件具有与内凹半球面相配的外凸半球面，设置在内凹半球面内，多个静压衬套和多个动压衬套沿至少一个布置平面设置在内凹半球面上，布置平面为垂直于转动件的旋转轴线的平面，支撑座具有与容纳件的外表面相配的支撑座内腔，容纳件设置在支撑座内腔内且与支撑座内腔过盈配合，支撑座上分别设置有与静压孔道相连通的至少一个第一通道，以及与动压孔道相连通的至少一个第二通道。
在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一凹腔的数量至少为3个，第二凹腔的数量至少为3个。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，静压凹腔呈柱状，腔口的形状为为圆形、椭圆形、正方形、矩形以及梯形中的任意一种，动压凹腔沿布置平面的剖面呈月牙形或剖面的两端呈楔形。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，静压凹腔的内凹的深度为0.5－5mm，静压凹腔总表面积占内凹半球面总表面积的20－60％，动压凹腔的内凹的深度为4－8mm，动压凹腔总表面积占内凹半球面总表面积的20－60％，间隙比为2－2.5,间隙比的表达式为h2/h1，h2为动压凹腔的底部与外凸半球面的距离，h1为动压衬套的顶端面与外凸半球面的距离。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，多个第一凹腔和多个第二凹腔沿布置平面均匀交替设置在内凹半球面上，内凹半球面上还均匀设置有多条隔离槽，隔离槽位于相邻的两个第一凹腔和第二凹腔之间，隔离槽的延伸端均交汇于转动构件的旋转轴线上，隔离槽的槽宽为2－4mm，深度为2－5mm，内凹半球面和外凸半球面的表面均设置有防腐涂层。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，静压衬套的顶端面高于内凹半球面,动压衬套的顶端面高于内凹半球面,第一凹腔和第二凹腔均呈柱形。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，静压衬套的顶端面为与内凹半球面吻合的弧形面且与内凹半球面吻合，动压衬套的顶端面为与内凹半球面吻合的弧形面且与内凹半球面吻合。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，静压衬套与容纳件为固定连接或可拆卸连接，动压衬套与容纳件为固定连接或可拆卸连接。
另外，在本发明提供的高精度电机装置中，还可以具有这样的特征：其中，转动件的外凸半球面上沿布置平面设置有与静压凹腔和动压凹腔衬套相对应的内凹的环槽或外凸的环带。
本发明提供还一种精密设备，使用上述的任意一项的高精度电机装置，其特征在于：
其中，转动轴为精密设备中的工件旋转轴或刀具旋转轴。
在本发明提供的精密设备中，还可以具有这样的特征：
其中，高精度电机装置在精密设备上可移动设置。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的高精度电机装置，采用气体或液体的动静压半球体轴承替代滚动轴承，工作状态时，动静压半球体轴承中的凸球旋转时与凹球互不接触，始终处在气体或液体摩擦状态，这样，凸球旋转时的旋转中心跳动量与凹凸球的制造误差没有直接关系，即凸球跳动量不等于凹凸球圆度误差量，根据实测，凸球旋转时的跳动量是凹凸球圆度误差量的1/5－1/10，因此采用气体或液体动静压技术能提高轴承轴系上的主轴的动态旋转精度，达到0.1-1.0μm。
动压技术不需输入有压力的介质，但必需保证凹球腔室有足够的油量、一定的粘度的介质、凹球与凸球之间较小的间隙以形成斜楔(楔尖向着凸球的旋转方向)，具备了这些条件,当凸球旋转时，介质从斜楔大端挤进小端而形成动压力，由此可知，凸球不转不产生压力，转速越高、介质密度越大、凹凸球间隙越小，动压力越大。
根据加工需要，低速中载时可选用与液体动静压轴承结合使用，高速轻载时与气体动静压轴承结合使用，两种技术方便转换，能够实现一机多用，从而节省生产成本。
另外，由于动压衬套和静压衬套是后设置在内凹半球面上的，动压凹腔和静压凹腔的加工可以单独加工，因此加工难度大大降低，从而提高了动压凹腔和静压凹腔加工的工作效率，降低了加工成本。
附图说明
图1是本发明的实施例中高精度电机装置示意图；
图2是本发明的实施例中动静压半球体转动副示意图；
图3是图2中容纳组件的左视示意图；
图4是图3中B-B剖视示意图；
图5是图2中局部A在布置平面的剖视放大示意图；
图6是图2中C的放大示意图；以及
图7是支撑座的剖面图示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的高精度电机装置及机床作具体阐述。
实施例一
如图1所示，高精度电机装置100包括2个动静压半球体轴承、电动机40以及外壳50。
动静压半球体轴承包括容纳组件10、转动件20、支撑座30。
如图2所示，容纳组件10包括包括容纳件11、多个静压衬套12以及多个动压衬套13。
如图4所示，容纳件11包括内凹半球面111、外表面112、多个静压通道113、多个动压通道114以及通孔116。
而在有些不需要轴通过的场合，容纳件11可以不设置通孔116。本实施例中，容纳件11在内凹半球面111中心的水平方向设置有用于转动轴40通过的通孔116，容纳件11采用金属制成。
静压通道113设置在容纳件11的内壁中且贯通内凹半球面111和外表面112，静压通道113包括设置在内凹半球面111上向内凹的第一凹腔113a和连通第一凹腔113a和外表面112的静压孔道113b，静压通道113用于通过流体，外部的高压流体通过外表面的静压孔道113b进入凹半球面111。本实施例中，该流体为液体油。
动压通道114设置在容纳件11的内壁中且贯通内凹半球面111和外表面112，动压通道114包括设置在内凹半球面111上向内凹的第二凹腔114a和连通第二凹腔114a和外表面112的动压孔道114b，动压通道114用于通过流体，外部的流体通过外表面的动压孔道114b进入凹半球面111。本实施例中，该流体为液体油。
如图6所示，静压衬套12具有呈柱形的静压凹腔121，静压衬套12设置在第一凹腔113a的开口处且静压凹腔121的开口朝向内凹半球面111，静压凹腔121的底部与第一凹腔113a相连通，实施例中，第一凹腔113a呈圆柱形，静压衬套12采用金属制成。
如图5所示，动压衬套13具有动压凹腔131，动压衬套13设置在第二凹腔114a的开口处且动压凹腔131的开口朝向内凹半球面111，动压凹腔131的底部与第二凹腔114a相连通，动压凹腔131的横截面从底部至开口是逐渐扩大的，实施例中，第二凹腔114a呈圆柱形，动压衬套13采用金属制成。
如图2、图3所示，多个静压衬套12和多个动压衬套13沿至少一个布置平面设置在内凹半球面111上，布置平面为垂直于转动件20旋转轴线的平面，实施例中，转动件20旋转轴线为水平线，布置平面为两个，一个布置平面设置8个静压衬套12，另一个布置平面设置8个动压衬套13。
如图2所示，转动件20具有外凸半球面21，转动件20的外凸半球面21与内凹半球面111相配，凹、凸球面之间有一定的间隙，转动件20的轴线与内凹锥面111的轴线共线，转动件20绕水平线在内凹半球面111内旋转，当外部的液体油通过外表面的静压孔道113b、动压孔道114b进入凹半球面111时，转动件20浮起，凸球旋转时与凹球处于非接触状态。
实施例中，转动件20在水平方向设置有与通孔116相匹配的用于转动轴40通过的通孔。
支撑座30具有与容纳件11的外表面112相配的支撑座内腔，容纳件11设置在支撑座内腔内且与支撑座内腔过盈配合。
支撑座30上设置有与静压孔道113b相连通的至少一个第一通道31。
支撑座30上设置有与动压孔道115b相连通的至少一个第二通道32。
如图7所示，第一通道31包括至少一个第一孔道311以及第一环槽312，环槽312沿至少一个布置平面内凹的设置在支撑座内腔表面上且与静压孔道113b相配，第一孔道311的一端与第一环槽312连通，另一端与外界连通。实施例中，第一孔道311的数量为1个，第一环槽312的数量为1个。
第二通道32包括至少一个第二孔道321以及第二环槽322，第二环槽322沿至少一个布置平面内凹的设置在支撑座内腔表面上且与动压孔道115b相配，第二孔道321的一端与第二环槽322连通，另一端与外界连通。实施例中，第二孔道321的数量为1个，第二环槽322的数量为1个，支撑座30采用金属制成。
电动机40具有转动轴41，转动轴41设置在两个动静压半球体轴承中,由两个动静压半球体轴承支承，并由电动机40带动旋转。
转动轴41设置在通孔116中且贯通转动件20和容纳件10，实施例中，转动轴41采用金属制成，转动轴41与转动件20固定连接，
两个动静压半球体轴承的内凹半球面布置方式为内凹面对内凹面,也可以反过来进行背对背布置，实施例中的布置方式为如图1所示的内凹面背对背布置。
外壳50可做成圆形或方形，壳体壁内设置有连接动静压半球体轴承用于输送气体或液体的管路，输送所需的气体或液体。
2个动静压半球体轴承和电动机40设置在外壳50内。另外，外壳50内还设置有冷却循环系统，用于控制电动机40的温度。
根据工作要求，高精度电机装置100外形可加工成圆形，固定或实行轴向往复运动，实现用于切削或磨外圆、磨平面、磨圆孔、倒角等功能。
当采用气体动静压技术时，电动机40可安装在两个半球体轴承的外侧或两个半球体轴承中间，当采用液体的动静压技术时，电动机40安装在如图1所示的两个半球体轴承的外侧。
当气体动静压技术转换成液体的动静压技术时，由于气体的密度小于液体的密度，气体球体轴承的内凹面和外凸面的间隙要比液体球体轴承的内凹面和外凸面的间隙小1/3-2/3。
本实施例中，外壳50直径为100mm，长度为200mm，电动机40的转速为60000r/min(气体动静压轴承)，功率为1.5kw。
实施例二
本实施例其它结构与实施例一相同，不同的是静压凹腔121腔口的形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形以及梯形中的任意一种，所述动压凹腔131腔口的形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形以及梯形中的任意一种,动压凹腔131沿布置平面的剖面呈月牙形或沿布置平面的剖面的两端呈楔形。
实施例二中静压凹腔121腔口的形状为椭圆形，动压凹腔131腔口的形状为梯形，动压凹腔131沿布置平面的剖面呈月牙形。
实施例三
本实施例其它结构与实施例二相同，不同的是静压衬套12和动压衬套13的顶端面均高于内凹半球面111，实施例三中，静压衬套12和动压衬套13的顶端面与内凹半球面11的距离均为0.5mm。
静压衬套12的轴向剖面可以为阶梯形状，动压衬套13的轴向剖面也可以为阶梯形状。
实施例四
如图6所示，本实施例其它结构与实施例三相同，不同的是静压衬套12的顶端面为与内凹半球面111吻合的弧形面且与内凹半球面111吻合，动压衬套13的顶端面为与内凹半球面111吻合的弧形面且与内凹半球面111吻合。
实施例五
本实施例其它结构与实施例四相同，不同的是静压凹腔121的向内凹的深度为0.5－5mm，静压凹腔121总表面积占内凹半球面总表面积的20－60％，动压凹腔131的向内凹的深度为4－8mm，动压凹腔131总表面积占内凹半球面总表面积的20－60％，间隙比为2－2.5,间隙比的表达式为h2/h1，h2为动压凹腔的底部与外凸半球面的距离，h1为动压衬套的顶端面与外凸半球面的距离。当间隙比为2.2时,承载能力最大。它根据载荷、转速、油的粘度、轴和轴承的材料及加工精度等因素决定。
实施例五中静压凹腔121和动压凹腔131的向内凹的深度均为4mm，静压凹腔121总表面积占内凹半球面11总表面积的22％，动压凹腔131总表面积占内凹半球面11总表面积的22％，间隙比为2.2。
实施例六
本实施例的其它结构与实施例五相同，不同的是静压衬套12与第一凹腔113a为固定连接，动压衬套13与第二凹腔114a为固定连接，静压衬套12与第一凹腔113a的连接方式采用粘接或过盈配合，动压衬套13与第二凹腔114a连接方式采用粘接或过盈配合，实施例六中静压衬套12与第一凹腔113a的连接方式采用粘接，动压衬套13与第二凹腔114a连接方式采用粘接。
实施例七
本实施例的其它结构与实施例五相同，不同的是静压衬套12与第一凹腔113a为可拆卸连接，动压衬套13与第二凹腔114a为可拆卸连接。
实施例七中静压衬套12与第一凹腔113a的连接方式采用螺钉连接，动压衬套13与114a的连接方式采用螺钉连接。
实施例八
本实施例的其它结构与实施例七相同，不同的是外凸半球面21上设置有防腐涂层。
实施例八中的防腐涂层为防腐漆。
实施例九
本实施例的其它结构与实施例七相同，不同的是内凹半球面11上设置有防腐涂层。
实施例九中的防腐涂层为纳米陶瓷。
实施例十
如图3所示，本实施例的其它结构与实施例六相同，不同的是静压衬套12和动压衬套13沿布置平面均匀交替设置在内凹半球面111上，内凹半球面11上还均匀设置有多条隔离槽115，隔离槽115位于相邻的两个第一凹腔113a和第二凹腔114a之间，隔离槽115的延伸端均交汇于转动构件的旋转轴线上，隔离槽115的槽宽为2－4mm，深度2－5mm。
实施例十中隔离槽115的槽宽为2.5mm，深度2mm，数量为8条。
实施例十一
本实施例的其它结构与实施例五相同，不同的是转动构件20的外凸半球面21上沿布置平面设置有与静压凹腔121相对应的向内凹的环槽211，以及与动压凹腔131相对应的向内凹的环槽212。
实施例十二
本实施例的其它结构与实施例五相同，不同的是转动构件20的外凸半球面21上沿布置平面设置有与静压凹腔121和动压凹腔131相对应的向外凸的环带。
实施例十三
本实施例的其它结构与实施例十相同，不同的是第一通道31包括多条分别连通动压孔道113b和外界的第一孔道311，但没有第一环槽312，第二通道32包括多条分别连通动压孔道114b和外界的第二孔道321，但没有第二环槽322。实施例中，第一孔道311和第二孔道32的数量均为8个。
实施例十四
一种精密设备，使用上述的任意一种的高精度电机装置作为精密设备中的工件旋转轴或刀具旋转轴。
本实施例中，高精度电机装置采用实施例五中的高精度电机装置，转动轴为精密设备中的工件旋转轴。
高精度电机装置在精密设备上可移动设置。
实施例十五
本实施例的其它结构与实施例十四相同，
精密设备为车床、磨床、镗床、铣床中的任意一种。
本实施例中精密设备为车床。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的高精度电机装置，工作状态时，动静压半球体轴承中的凸球旋转时与凹球互不接触，始终处在液体摩擦状态，这样，凸球旋转时的旋转中心跳动量与凹凸球的制造误差没有直接关系，即凸球跳动量不等于凹凸球圆度误差量，根据实测，凸球旋转时的跳动量是凹凸球圆度误差量的1/10－3/10，因此采用液体动、静压技术能提高主轴动态旋转精度。
另外，衬套是后设置在内凹半球面上的，衬套凹腔的加工难度要求大大降低，从而提高了衬套凹腔加工的工作效率，降低了加工成本。
进一步地，静压衬套、动压衬套的顶端均高于内凹半球面，内凹半球面的加工精度要求不高，具有提高工作效率，降低内凹半球面加工成本的作用。
进一步地，静压衬套、动压衬套与容纳构件均为粘结固定连接，具有加工方便的特点。
进一步地，转动构件的外凸半球面上沿布置平面设置有与静压凹腔、动压凹腔相对应的外凸的环带，对外凸半球面的加工精度要求大大降低，从而提高了工作效率，降低了加工成本。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度电机装置，其特征在于，包括：
两个动静压半球体轴承；以及
电动机，具有转动轴，所述转动轴设置在所述动静压半球体轴承中，
其中，所述动静压半球体轴承具有支撑座、容纳组件以及转动件，
所述容纳组件包括具有内凹半球面和外表面的容纳件、多个静压衬套以及多个动压衬套，
所述容纳件具有多个用于通过外部液体的静压通道和动压通道，所述静压通道和所述动压通道分别设置在所述容纳件的内壁中且贯通所述内凹半球面和所述外表面，
所述静压通道包括设置在所述内凹半球面上向内凹的第一凹腔和连通所述第一凹腔和所述外表面的静压孔道，
所述动压通道包括设置在所述内凹半球面上向内凹的第二凹腔和连通所述第二凹腔和所述外表面的动压孔道，
多个所述静压衬套和多个所述动压衬套沿至少一个布置平面设置在所述内凹半球面上，所述布置平面为垂直于所述转动件的旋转轴线的平面，
所述静压衬套具有呈柱形的静压凹腔，所述静压衬套设置在所述第一凹腔的开口处且所述静压凹腔开口朝向所述内凹半球面，所述静压凹腔的底部与所述第一凹腔相连通，
所述动压衬套具有动压凹腔，所述动压衬套设置在所述第二凹腔的开口处且所述动压凹腔的的开口朝向所述内凹半球面，所述动压凹腔的底部与所述第二凹腔相连通，所述动压凹腔的横截面从底部至开口是逐渐扩大的，所述动压凹腔腔口的形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形以及梯形中的任意一种,所述动压凹腔沿所述布置平面的剖面呈月牙形或沿所述布置平面的剖面的两端呈楔形，
所述转动件具有与所述内凹半球面相配的外凸半球面，设置在所述内凹半球面内，
所述支撑座具有与所述容纳件的外表面相配的支撑座内腔，所述容纳件设置在所述支撑座内腔内且与所述支撑座内腔过盈配合，
所述支撑座上分别设置有与所述静压孔道相连通的至少一个第一通道，以及与所述动压孔道相连通的至少一个第二通道，
两个所述动静压半球体轴承的两个所述内凹半球面背对背布置，所述电动机设置在所述动静压半球体轴承的外侧。
2.根据权利要求1所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述第一凹腔的数量至少为3个，
所述第二凹腔的数量至少为3个。
3.根据权利要求1所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述静压凹腔呈柱状，腔口的形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形以及梯形中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，在同一个所述布置平面上，多个所述第一凹腔和多个所述第二凹腔是均匀交替设置在所述内凹半球面上，
所述内凹半球面上还均匀设置有多条隔离槽，所述隔离槽位于相邻的两个所述第一凹腔和所述第二凹腔之间，所述隔离槽的延伸端均交汇于所述转动构件的旋转轴线上，
所述隔离槽的槽宽为2－4mm，深度为2－5mm，
所述内凹半球面和所述外凸半球面的表面均设置有防腐涂层。
5.根据权利要求1所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述静压衬套的顶端面高于所述内凹半球面,
所述动压衬套的顶端面高于所述内凹半球面,
所述第一凹腔呈柱形。
6.根据权利要求1所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述静压衬套的顶端面为与所述内凹半球面吻合的弧形面且与所述内凹半球面吻合，
所述动压衬套的顶端面为与所述内凹半球面吻合的弧形面且与所述内凹半球面吻合。
7.根据权利要求1所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述静压衬套与所述容纳件为固定连接或可拆卸连接，
所述动压衬套与所述容纳件为固定连接或可拆卸连接。
8.根据权利要求5或6所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述静压凹腔的内凹的深度为0.5－5mm，
所述静压凹腔总表面积占所述内凹半球面总表面积的20－60％，
所述动压凹腔的内凹的深度为4－8mm，所述动压凹腔总表面积占所述内凹半球面总表面积的20－60％,
间隙比为2－2.5,所述间隙比的表达式为h2/h1，
h2为所述动压凹腔的底部与所述外凸半球面的距离，h1为所述动压衬套的顶端面与所述外凸半球面的距离。
9.一种精密设备，使用权利要求1-7中任意一项所述的高精度电机装置，其特征在于：
其中，所述转动轴为所述精密设备中的工件旋转轴或刀具旋转轴。
10.根据权利要求9所述的精密设备，其特征在于：
其中，所述高精度电机装置在所述精密设备上可移动设置。
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