CN110202394B - 一种超精密气浮电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超精密气浮电主轴，包括带有内腔的壳体、轴芯组件、气浮轴承组件、机体组件、电机和回转精度检测装置，轴芯组件沿轴向穿设于壳体的内腔内，气浮轴承组件套装于轴芯组件上，机体组件套装于气浮轴承组件上，电机位于机体组件和轴芯组件之间，电机的输出端与轴芯组件连接，用于提供轴芯组件转动的动力，外部气体进入内腔，机体组件、气浮轴承组件和轴芯组件之间形成气体通道，气体经气体通道依次进入机体组件、气浮轴承组件并使轴芯组件悬浮于气体中，回转精度检测装置设于壳体上，回转精度检测装置用于检测轴芯组件的转动。本发明具有纳米级别回转精度、高刚度的特点。

Description

一种超精密气浮电主轴

技术领域

本发明涉及数控机床领域，尤其涉及一种超精密气浮电主轴。

背景技术

超精密与超精密加工技术是机械制造业中最重要的部分之一，直接对每个国家的尖端技术与国防工业有着深远影响，亦会影响民用机械产品的加工质量，影响产品的国际竞争力。20世纪50年代，精密加工水平可达到3-5μm，超精密加工的加工精度可达到1μm。20世纪70后期，精密加工精度水平可达到1μm，超精密加工水平可达0.1μm，目前精密与超精密机械加工的加工精度已提升至纳米级。精密与超精密加工技术，已被作为先进制造技术中的优先发展内容。

因为气浮主轴的误差均化现象，以及低摩擦、低损耗的特点，使得气浮主轴成为实现高回转精度最好的载体之一。但是因为气浮主轴特殊的结构，其刚度与承载力远低于同等尺寸机械轴承。故需要开发一款纳米级别回转精度气浮电主轴，并且该电主轴具备较高的刚度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超精密气浮电主轴，具有纳米级别回转精度、高刚度的特点。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种超精密气浮电主轴，包括带有内腔的壳体、轴芯组件、气浮轴承组件、机体组件、电机和回转精度检测装置，所述轴芯组件沿轴向穿设于壳体的内腔内，所述气浮轴承组件套装于轴芯组件上，所述机体组件套装于气浮轴承组件上，所述电机位于机体组件和轴芯组件之间，所述电机的输出端与轴芯组件连接，用于提供轴芯组件转动的动力，外部气体进入内腔，所述机体组件、气浮轴承组件和轴芯组件之间形成气体通道，气体经所述气体通道依次进入机体组件、气浮轴承组件并使轴芯组件悬浮于气体中，所述回转精度检测装置设于壳体上，所述回转精度检测装置用于检测轴芯组件的转动；

所述气浮轴承组件包括小孔节流轴承，所述小孔节流轴承上设有节流孔，所述节流孔位于靠近轴芯组件的一端且与气体通道连通，气体从所述节流孔流出后，使所述气浮轴承组件和轴芯组件之间的间隙中形成有压力气膜，实现轴芯组件的气体静压支撑，以提高电主轴的刚性；

所述回转精度检测装置为三点法误差分离系统，包括控制系统、编码器、编码盘和三个传感器探头，所述编码器、三个传感器探头分别与控制系统连接，三个所述传感器探头与编码器连接，所述编码盘设于轴芯组件上，所述轴芯组件带动编码盘同步转动，所述编码器用于检测轴芯组件上编码盘的转动，所述传感器探头设于壳体上，所述传感器探头用于检测轴芯组件回转误差，通过所述编码器采集轴芯组件回转精度信号，所述传感器探头将轴芯组件回转误差通过信号的形式传送至控制系统，控制系统分离出影响加工的非同步误差与同步误差，对回转精度进行准确的分析。

进一步地，所述三个传感器探头中的两个传感器探头的轴线相互垂直，这三个传感器探头中的另一个传感器探头的轴线与轴线相互垂直的两个传感器探头中的任一传感器探头的轴线之间的夹角为锐角。

进一步地，还包括铝水套，所述铝水套与壳体固接，所述铝水套、回转精度检测装置分别位于电机的两侧，所述铝水套、电机、机体组件、气浮轴承组件之间形成有冷却水通道，冷却水经冷却水通道依次进入铝水套、电机、机体组件、气浮轴承组件，所述铝水套上设有进气口，所述进气口与气体通道连通。

进一步地，还包括推力轴承组件，所述推力轴承组件与气浮轴承组件相隔，所述推力轴承组件套装于轴芯组件上，所述气浮轴承组件和推力轴承组件之间形成气体支路，所述气体支路与气体通道连通，所述推力轴承组件包括推力小孔节流轴承，所述推力小孔节流轴承上设有推力节流孔，所述推力节流孔位于靠近轴芯组件的一端且与气体支路连通，气体从所述推力节流孔流出后，使所述推力轴承组件和轴芯组件之间的间隙中形成有压力气膜。

进一步地，还包括防抱死机构，所述防抱死机构包括储气仓和气压检测阀门，所述储气仓设于铝水套上，所述储气仓与进气口连通，所述气压检测阀门位于铝水套与机体组件之间，所述气压检测阀门用于检测气体通道的气压。

进一步地，所述电机为三相异步感应电机。

进一步地，所述电机包括转子和定子，所述转子固定于轴芯组件上，所述定子与转子通过槽配合，所述定子的槽数为12个，所述转子的槽数为11个。

进一步地，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯的定子槽与转子的转子槽错开布置。

进一步地，所述转子上设有平行槽。

进一步地，所述气浮轴承组件和推力轴承组件为一体制造成型。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)从结构上解决大部分气浮主轴刚性过低的特点，采用特殊小孔节流轴承与单边小间隙结构，使轴向刚性达到130N/μm，径向刚度达到90N/μm以上，改变大多数气浮主轴低刚性的特点。

(2)在本电主轴上设有防抱死机构，可在高速旋转过程当中有效防止轴芯组件气压过低引起轴芯组件抱死。

(3)通过三点法误差分离系统，可快速、准确得到主轴回转精度数据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中电机的结构示意图；

图3为本发明中小孔节流结构的结构示意图；

图4为本发明中防抱死机构的结构示意图；

图5为本发明中回转精度检测装置的结构示意图。

图中：1、铝水套；2、电机；3、机体组件；4、气浮轴承组件；5、轴芯组件；6、推力轴承组件；7、回转精度检测装置；8、定子；9、转子；10、节流孔；11、气体通道；12、气体支路；13、气压检测阀门；14、储气仓；15、编码器；16、编码盘；17、传感器探头。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1-5所示的一种超精密气浮电主轴，包括带有内腔的壳体、轴芯组件5、气浮轴承组件4、机体组件3、电机2和回转精度检测装置7，轴芯组件5沿轴向穿设于壳体的内腔内，气浮轴承组件4套装于轴芯组件5上，机体组件3套装于气浮轴承组件4上，电机2位于机体组件3和轴芯组件5之间，电机2的输出端与轴芯组件5连接，用于提供轴芯组件5转动的动力，外部气体进入内腔，机体组件3、气浮轴承组件4和轴芯组件5之间形成气体通道11，气体经气体通道11依次进入机体组件3、气浮轴承组件4并使轴芯组件5悬浮于气体中，回转精度检测装置7设于壳体上，回转精度检测装置7用于检测轴芯组件5的转动；

气浮轴承组件4包括小孔节流轴承，小孔节流轴承上设有节流孔10，节流孔10位于靠近轴芯组件5的一端且与气体通道11连通，气体从节流孔10流出后，使气浮轴承组件4和轴芯组件5之间的间隙中形成有压力气膜，实现轴芯组件5的气体静压支撑，以提高电主轴的刚性；

回转精度检测装置7为三点法误差分离系统，包括控制系统、编码器15、编码盘16和三个传感器探头17，编码器15、三个传感器探头17分别与控制系统连接，三个传感器探头17与编码器15连接，编码盘16设于轴芯组件5上，轴芯组件5带动编码盘16同步转动，编码器15用于检测轴芯组件5上编码盘16的转动，传感器探头17设于壳体上，传感器探头17用于检测轴芯组件5回转误差，通过编码器15采集轴芯组件5回转精度信号，传感器探头17将轴芯组件5回转误差通过信号的形式传送至控制系统，控制系统分离出影响加工的非同步误差与同步误差，对回转精度进行准确的分析。

具体地，三个传感器探头17中的两个传感器探头17的轴线相互垂直，这三个传感器探头17中的另一个传感器探头17的轴线与轴线相互垂直的两个传感器探头中的任一传感器探头17的轴线之间的夹角为锐角。

需要说明的是，本电主轴还包括铝水套1，铝水套1与壳体固定连接，铝水套1、回转精度检测装置7分别位于电机2的两侧，具体地，铝水套1、电机2分别位于轴芯组件5的前后两端上，铝水套1、电机2、机体组件3、气浮轴承组件4之间形成有冷却水通道，冷却水经冷却水通道依次进入铝水套1、电机2、机体组件3、气浮轴承组件4，铝水套1上设有进气口，进气口与气体通道11连通。

需要强调的是，本电主轴还包括推力轴承组件6，推力轴承组件6与气浮轴承组件4相隔，推力轴承组件6套装于轴芯组件5上，气浮轴承组件4和推力轴承组件6之间形成气体支路12，气体支路12与气体通道11连通，推力轴承组件6包括推力小孔节流轴承，推力小孔节流轴承上设有推力节流孔10，推力节流孔10位于靠近轴芯组件5的一端且与气体支路12连通，气体从推力节流孔10流出后，使推力轴承组件6和轴芯组件5之间的间隙中形成有压力气膜。

优选地，本实施例中的小孔节流结构位于轴芯组件5的一侧，即气浮轴承组件4和轴芯组件5之间的间隙、推力轴承组件6和轴芯组件5之间的间隙均是位于轴芯组件5的同一侧，上述所说的间隙均设置地较小，也即为单边小间隙结构。

值得一提的是，本电主轴还包括防抱死机构，防抱死机构包括储气仓14和气压检测阀门13，储气仓14设于铝水套1上，储气仓14与进气口连通，气压检测阀门13位于铝水套1与机体组件3之间，气压检测阀门13用于检测气体通道11的气压。

更佳的实施方式是，电机2为三相异步感应电机2。

具体地，电机2包括转子9和定子8，转子9固定于轴芯组件5上，定子8与转子9通过槽配合，定子8的槽数为12个，转子9的槽数为11个。

更具体地，定子8包括定子8铁芯，定子8铁芯的定子8槽与转子9的转子9槽错开布置。

另外，转子9上设有平行槽。

优选地，气浮轴承组件4和推力轴承组件6为一体制造成型。

本发明是一款具有纳米级别回转精度、高刚度气浮电主轴，采用四孔进气高精度气浮轴承及高精度轴芯，后置电机2消除温度干扰，也可以有效的节省空间。气浮轴承组件4和推力轴承组件6为一体制造成型，上下一体式轴承保证同轴，采用小孔阻尼塞与单边小间隙轴承轴芯配合，使用三点法误差分离系统，使该电主轴回转精度可达到50nm以下，轴向刚度≥130N/μm，径向刚度≥90N/μm。

通过外部供气，气体通过铝水套1依次进入气浮轴承组件4与推力轴承组件6,在轴芯组件5与气浮轴承组件4、轴芯组件5与推力轴承组件6之间形成压力气膜，支撑轴芯组件5处于悬浮状态，并由电机2驱动轴芯组件5高速旋转；冷却水由铝水套1依次进入电机2与机体组件3，对电机2与气浮轴承组件4进行冷却。

为达到纳米级别回转精度，对零件加工精度提出极高要求，本实施例采用静压磨床自研方式，确保轴芯组件5顶尖孔精度，实现圆度在0.2μm以内。另外机体组件3、气浮轴承组件4等与回转精度密切相关的零件采用气浮夹具固定加工，加工精度可达到0.1μm级别。

电机2后置消除温度干扰，电机2结构如图2所示，采用4级三相异步感应电机2，定转子9采用12/11槽配合，避免附加转矩，定子8铁芯斜过一个槽距以消除齿谐波电动势。转子9采用半闭口的平行槽结构以提高电机2功率因素，槽深且窄，利用集肤效应降低启动电流，改善电主轴的性能。

其中，如图3所示，轴承采用上下一体式结构以保证轴芯组件5安装的同轴性，轴承采用小于正常孔径的小孔节流结构，节流孔10的孔径设为10μm以内，以及轴承单边小间隙与轴芯配合设计，上述间隙为15μm以内，以此保证整只主轴的高刚性。

如图4所示，在主轴铝水套1与机体组件3之间，设有气压检测阀门13。若检测气压低于主要正常工作气压，则会从储气仓14中向内腔中通气，以保证轴芯组件5的顺利转动，避免了轴芯组件5转动时气压降低导致电主轴抱死的现象。

为准确检测回转精度数值，利用三点法误差分离系统，如图5所示：利用编码器15与三个传感器探头17，通过编码盘16采集轴芯回转精度信号，传感器探头17将轴芯组件5回转误差通过信号的形式传送至控制系统，控制系统分离出影响加工的非同步误差与同步误差，对回转精度进行准确的分析。

从而，与现有的气浮电主轴相比,本发明超精密气浮电主轴的回转精度与刚性得到显著提升,全新的零件加工方法与专为高精密主轴设计的电机2系统使纳米级别的回转精度得以实现，因特殊小孔节流轴承与单边小间隙结构，极大提高了主轴刚性，另外本电主轴的结构中设有防抱死机构，一改以往气浮主轴“脆弱”的形象。

综上，本实施例至少具有以下有益效果：

1.使用全新的加工方式，使得电主轴内部结构的高精度得以实现，也为纳米级别回转精度的实现起到巨大的作用。

2.使用全新结构三相异步电机2，以最大限度排除电干扰的影响，并降低电机2起步电流。

3.从结构上解决大部分气浮主轴刚性过低的特点，采用特殊小孔节流轴承与单边小间隙结构，使轴向刚性达到130N/μm，径向刚度达到90N/μm以上，改变大多数气浮主轴低刚性的特点。

4.在本电主轴上设有防抱死机构，可在高速旋转过程当中有效防止轴芯组件5气压过低引起轴芯组件5抱死。

5.通过三点法误差分离系统，可快速、准确得到主轴回转精度数据。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种超精密气浮电主轴，其特征在于：包括带有内腔的壳体、轴芯组件、气浮轴承组件、机体组件、电机和回转精度检测装置，所述轴芯组件沿轴向穿设于壳体的内腔内，所述气浮轴承组件套装于轴芯组件上，所述机体组件套装于气浮轴承组件上，所述电机位于机体组件和轴芯组件之间，所述电机的输出端与轴芯组件连接，用于提供轴芯组件转动的动力，外部气体进入内腔，所述机体组件、气浮轴承组件和轴芯组件之间形成气体通道，气体经所述气体通道依次进入机体组件、气浮轴承组件并使轴芯组件悬浮于气体中，所述回转精度检测装置设于壳体上，所述回转精度检测装置用于检测轴芯组件的转动；

所述气浮轴承组件包括小孔节流轴承，所述小孔节流轴承上设有节流孔，所述节流孔位于靠近轴芯组件的一端且与气体通道连通，气体从所述节流孔流出后，使所述气浮轴承组件和轴芯组件之间的间隙中形成有压力气膜，实现轴芯组件的气体静压支撑，以提高电主轴的刚性；

所述回转精度检测装置为三点法误差分离系统，包括控制系统、编码器、编码盘和三个传感器探头，所述编码器、三个传感器探头分别与控制系统连接，三个所述传感器探头与编码器连接，所述编码盘设于轴芯组件上，所述轴芯组件带动编码盘同步转动，所述编码器用于检测轴芯组件上编码盘的转动，所述传感器探头设于壳体上，所述传感器探头用于检测轴芯组件回转误差，通过所述编码器采集轴芯组件回转精度信号，所述传感器探头将轴芯组件回转误差通过信号的形式传送至控制系统，控制系统分离出影响加工的非同步误差与同步误差，对回转精度进行准确的分析。

2.如权利要求1所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：所述三个传感器探头中的两个传感器探头的轴线相互垂直，这三个传感器探头中的另一个传感器探头的轴线与轴线相互垂直的两个传感器探头中的任一传感器探头的轴线之间的夹角为锐角。

3.如权利要求1或者2所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：还包括铝水套，所述铝水套与壳体固接，所述铝水套、回转精度检测装置分别位于电机的两侧，所述铝水套、电机、机体组件、气浮轴承组件之间形成有冷却水通道，冷却水经冷却水通道依次进入铝水套、电机、机体组件、气浮轴承组件，所述铝水套上设有进气口，所述进气口与气体通道连通。

4.如权利要求3所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：还包括推力轴承组件，所述推力轴承组件与气浮轴承组件相隔，所述推力轴承组件套装于轴芯组件上，所述气浮轴承组件和推力轴承组件之间形成气体支路，所述气体支路与气体通道连通，所述推力轴承组件包括推力小孔节流轴承，所述推力小孔节流轴承上设有推力节流孔，所述推力节流孔位于靠近轴芯组件的一端且与气体支路连通，气体从所述推力节流孔流出后，使所述推力轴承组件和轴芯组件之间的间隙中形成有压力气膜。

5.如权利要求4所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：还包括防抱死机构，所述防抱死机构包括储气仓和气压检测阀门，所述储气仓设于铝水套上，所述储气仓与进气口连通，所述气压检测阀门位于铝水套与机体组件之间，所述气压检测阀门用于检测气体通道的气压。

6.如权利要求1、2、4或者5所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：所述电机为三相异步感应电机。

7.如权利要求6所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：所述电机包括转子和定子，所述转子固定于轴芯组件上，所述定子与转子通过槽配合，所述定子的槽数为12个，所述转子的槽数为11个。

8.如权利要求7所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯的定子槽与转子的转子槽错开布置。

9.如权利要求7或者8所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：所述转子上设有平行槽。

10.如权利要求4所述的超精密气浮电主轴，其特征在于：所述气浮轴承组件和推力轴承组件为一体制造成型。

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