CN110732887A - 一种超精密液体静压转台 - Google Patents

Abstract

为了提高转台的精度及刚度，本发明记载了一种超精密液体静压转台，属于超精密制造装备技术领域，具体方案如下：一种超精密液体静压转台，包括工作台、圆光栅、读数头、轴承转子、轴承定子、电机、壳体和底座，工作台固定在轴承转子的上表面，圆光栅套设在轴承转子上，读数头固定在壳体上并与圆光栅相对设置，轴承转子的周向设置有梯形凹槽，轴承定子匹配套设在梯形凹槽内并与轴承转子相接触，轴承定子上设置有若干个连通内表面与外周面的通油孔，轴承定子与底座固定连接，电机固定在底座上并驱动轴承转子转动。本发明提供了一种结构简单、更加易于装配的液体静压转台，其具有更高的转台精度和刚度，有利于超精密机床整体性能的提升。

Description

一种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，具体涉及一种超精密液体静压转台。

背景技术

超精密机床是当今机床发展的重要方向，零件的加工质量由机床的加工性能直接决定，尤其是一些结构复杂的零件，传统的三轴超精密机床已经不能满足加工的要求，需要带有旋转轴的四、五轴超精密机床，其发展程度更是代表了一个国家高端制造业的水平，同时其也属于西方发达国家对我国禁运的产品，并实行严格的技术封锁。超精密液体静压转台正是四、五轴超精密机床中的核心关键部件之一，采用液体静压轴承，与传统转台相比，其除了具有良好的静、动态特性、寿命长和适用速度范围宽等优点，其精度、刚度更高，承载更大，运动更加平稳，当轴承转动速度不高时，其温度升高不严重，且不易生锈。

目前国内外众多高校和研究所都开始对超精密液体静压转台投入研究，其中，国内吴行飞等人提出了一种高精度高刚度封闭式流体静压/动静压回转工作台，该转台轴向、径向刚度和承载能力高，精度高，参考文献为2008年发明专利CN200810181119.8《高精度高刚度封闭式流体静压/动静压回转工作台》。上海交通大学殷跃红等人提出了一种大型表面节流自补偿超精密液体静压转台，该转台针对大口径光学镜面超精密磨床的超精密液体静压转台设计及研发，具有高刚度和高回转精度，参考文献为国内2013年发明专利CN201310222708.7《一种大型表面节流自补偿超精密液体静压转台》。

然而，目前大部分研究针对的液体静压转台，其轴承都为轴向止推轴承和径向止推轴承分离的结构形式，该种结构中轴承油腔的面积占比较小，利用率不高，导致其转台的精度和刚度无法得到进一步的提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种锥形液体静压轴承支撑的超精密转台，以获得一种高刚度、高精度、易装配的超精密机床用液体静压转台，以满足超精密加工的要求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种超精密液体静压转台，包括工作台、圆光栅、读数头、轴承转子、轴承定子、电机、底座和壳体，所述工作台固定在轴承转子的上表面，所述轴承转子的外侧面设置有梯形环槽，所述轴承定子匹配套设在梯形环槽内并与轴承转子相接触，所述轴承定子上设置有若干个连通内表面与外周面的通油孔，所述轴承定子与设置在其下方的底座固定连接，所述电机固定在底座上并驱动轴承转子转动，所述壳体位于轴承定子的外侧并固定在轴承定子上，所述圆光栅套设在轴承转子外侧，所述读数头固定在壳体上并与圆光栅相对设置，所述工作台、圆光栅、轴承转子、轴承定子、电机、底座和壳体的中心线重合。

进一步的，所述轴承转子包括上轴承转子和下轴承转子，所述上轴承转子包括自上而下一体连接的上端部、中上部、中下部和下端部，所述中上部外形为倒置的圆台状结构，所述上端部、中下部和下端部外形均为圆柱状结构，所述下轴承转子为中空的圆台状结构，所述下轴承转子套设在所述中下部外侧，并与所述中上部固定连接，所述中上部的下表面与下轴承转子的上表面之间设置有转子垫圈，所述工作台与所述上端部的上表面固定连接，所述圆光栅套设在所述上端部外侧，所述电机安装在所述下端部。

进一步的，所述电机包括电子转子和电机定子，所述电机定子固定在底座上，所述电机转子与所述下端部固定连接。

进一步的，所述轴承定子与所述中上部的相对面上和轴承定子与下轴承转子的相对面上均布设置有若干个油腔凹槽，若干个通油孔与若干个油腔凹槽一一对应并连通。

进一步的，所述油腔凹槽为大小均相等的扇形凹槽。

进一步的，所述轴承定子的外周面设置有环形输油槽，所述壳体上设置有进油口，所述进油口和环形输油槽连通，所述环形输油槽与若干个通油孔连通。

进一步的，所述轴承定子与所述中上部的相对面上和轴承定子与下轴承转子的相对面上均布设置有若干个轴向设置的回油槽，每个回油槽位于相邻的两个油腔凹槽之间。

进一步的，所述底座上设置有出油口。

进一步的，若干个通油孔内部均螺纹连接有节流器。

进一步的，所述读数头为两个，所述两个读数头关于圆光栅对称设置并均固定在壳体上。

进一步的，上轴承转子的中上部圆锥面的角度和下轴承转子圆锥面的角度偏差不超过1°。

进一步的，上轴承转子的中上部的圆锥面、下轴承转子的圆锥面与轴承定子的内圆锥表面之间分别形成间隙的距离的偏差不超过1μm。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)整体结构方面：结构简单，各个零件无复杂的结构，易于加工，有利于转台装配的高精度和易操作性。

(2)轴承结构方面：轴承定子与上轴承转子、下轴承转子的配合面均为锥形倾斜面，轴承定子上油腔凹槽的形状为扇形，油腔面积利用率高，该结构设计及尺寸的优化有利于转台轴向刚度和径向刚度的提高。

(3)模块化设计制作方案：该转台结构采用模块化设计，轴承转子由上轴承转子、下轴承转子、转子垫圈组成，可以通过转子垫圈调整上轴承转子和下轴承转子锥形倾斜面的同轴度以及其倾斜角的一致性，有利于提高转台的刚度和精度；轴承定子中的通油孔与节流器采用螺纹配合的形式，当需要更改静压轴承节流系数的时候，可以简单快速地更换节流器，有利于提高转台装配的易操作性。

(4)检测精度方面：圆光栅和电机分别安装在转台内部的顶端和底端，圆光栅更接近工作台面，可以减小工件与圆光栅之间的摆动对圆光栅测量精度的影响，此外，由于电机与圆光栅的距离较远，电机的发热不会影响圆光栅，有利于提高圆光栅的测量精度，从而提高转台的精度。

综上所述，本发明实现了在相同转台尺寸的情况下，提供了一种结构更加简单，易于装配的锥形支撑液体静压转台，其具有更高的转台精度和刚度，有利于超精密机床整体性能的提升。

附图说明

图1为本发明的整体结构爆炸图；

图2为本发明的整体结构二维剖视图；

图3为本发明的轴承定子的轴测剖视图；

图4为本发明中节流器的轴测图；

图中：1、工作台，2、圆光栅，3、读数头，4、轴承转子，5、轴承定子，6、电机，7、底座，8、通油孔，9、壳体，10、节流器，11、读数头支架，41、上轴承转子，42、下轴承转子，43、转子垫圈，51、油腔凹槽，52、环形输油槽，53、回油槽，54、环形凹槽，55、密封圈，61、电子转子，62、电机定子，63、电机挡圈，64、电机盖板，81、输油孔，82、进油孔，91、进油口，411、上端部，412、中上部，413、中下部，414、下端部。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明做详细的介绍。

具体实施方式一

一种超精密液体静压转台，包括工作台1、圆光栅2、读数头3、轴承转子4、轴承定子5、电机6、底座7和壳体9，所述工作台1固定在轴承转子4的上表面，所述轴承转子4的外侧面设置有梯形环槽，所述轴承定子5匹配套设在梯形环槽内并与轴承转子4相接触，所述轴承定子5上设置有若干个连通内表面与外周面的通油孔8，所述轴承定子5与设置在其下方的底座7固定连接，所述电机6固定在底座7上并驱动轴承转子4转动，所述壳体9位于轴承定子5的外侧，所述轴承定子5设有与壳体9内表面相配合的外圆面，所述壳体9固定在轴承定子5上，所述圆光栅2套设在轴承转子4外侧，所述读数头3固定在壳体9上并与圆光栅2相对设置，所述工作台1、圆光栅2、轴承转子4、轴承定子5、电机6、底座7和壳体9的中心线重合。

进一步的，所述轴承转子4包括上轴承转子41和下轴承转子42，所述上轴承转子41包括自上而下一体连接的上端部411、中上部412、中下部413和下端部414，所述中上部412外形为倒置的圆台状结构，所述上端部411、中下部412和下端部414外形均为圆柱状结构，所述下轴承转子42为中空的圆台状结构，所述下轴承转子42套设在所述中下部412外侧，并与所述中上部412固定连接，所述中上部412的下表面与下轴承转子42的上表面之间设置有圆环柱状的转子垫圈43，所述工作台1与所述上端部411的上表面固定连接，所述圆光栅2套设在所述上端部411外侧，所述电机6安装在所述下端部414。如此设计可以使多个回转类零件共同以上轴承转子41为基准，保证各个零件的同轴度，有利于提高转台的装配精度。

进一步的，所述轴承定子5与所述中上部412的相对面上和轴承定子5与下轴承转子42的相对面上均布设置有大小相等的若干个扇形的油腔凹槽51，若干个通油孔8与若干个油腔凹槽51一一对应并连通，如此设计，可以尽可能地提高扇形的油腔凹槽51的面积，有利于提高转台的刚度。

进一步的，每个通油孔8均包括输油孔81和两个进油孔82，所述输油孔81水平设置，所述输油孔81的一端连通轴承定子5的外周面，另一端连通两个进油孔82的一端，所述两个进油孔82的另一端分别连通上下对称设置的油腔凹槽51。

进一步的，所述轴承定子5与壳体9固定连接，所述轴承定子5的外周面设置有环形输油槽52，所述壳体9上设置有进油口91，所述进油口91和环形输油槽52连通，所述环形输油槽52与若干个输油孔81连通。液压油先后经壳体9上的进油口91、轴承定子5上的环形输油槽52、和两个进油孔82进入相应的扇形的油腔凹槽51，并在上轴承转子41、下轴承转子42与轴承定子5相对的锥形倾斜面之间的间隙中形成液体静压油膜。如此设计，便于液压油均匀输入到各个油腔，有利于转台获得更好的静态特性。

进一步的，所述轴承定子5与所述中上部412的相对面上和轴承定子5与下轴承转子42的相对面上均布设置有若干个轴向设置的回油槽53，每个回油槽53位于相邻的两个油腔凹槽51之间。

进一步的，所述底座7上设置有出油口。液压油经回油槽53流入到下轴承转子42的底面，经转台底座7收集后经出油口流出，如此设计，便于液压油的输出。

进一步的，若干个进油孔82内部均螺纹安装有节流器10，如此设计，便于对轴承定子5和节流器10分别进行加工，以及可以通过更换节流器10的方式，优化静压轴承的节流系数，进而提高转台的刚度。

进一步的，所述轴承定子5的外周面还设置有两个环形凹槽54，所述两个环形凹槽54对称设置并位于环形输油槽52的上下两端，所述两个环形凹槽54内部分别设置有密封圈55，如此设计，有利于防止液压油泄露到圆光栅2所在的区域或壳体9之外。

进一步的，所述电机6包括电子转子61、电机定子62和电机挡圈63，底座7设有与电机定子5外表面相配合的电机定子凹槽，所述电机定子62通过过盈配合固定在底座7的电机定子凹槽内，所述电机挡圈63设置在电机定子62的上端并固定在底座7上，用于加强固定电子定子62；所述电机转子61通过过盈配合固定在上轴承转子41的下端部414上，所述电子转子61和电机定子62的底部设置有电机盖板64。

优选的，所述读数头3为两个，所述两个读数头3关于圆光栅2对称设置，所述两个读数头3均通过读数头支架11固定在壳体9内凸起的端面上，便于读数头3的安装和调试。

如图1所示，上轴承转子41、下轴承转子42和转子垫圈43固定连接，共同组成为轴承转子，与轴承定子5形成锥形倾斜面的配合间隙，如此设计，便于轴承零件的加工，而且可以保证上轴承转子41和下轴承转子42的同轴度，有利于提高转台的刚度和精度；圆光栅2两侧有两个相对的读数头3，通过读数头支架11固定于壳体9内凸起的端面上，如此设计，可以通过双读数头的方式消除圆光栅2的安装误差，有利于提高转台的精度；圆光栅2与电机6分别安装在转台内部的顶端和底端，如此设计，避免电机6发热影响圆光栅2的测量精度，有利于提高转台的精度。

具体实施方式二

如图1所示，该实施方式中，上轴承转子41的中上部412锥形倾斜面的角度和下轴承转子42锥形倾斜面的角度偏差不超过1°，主要通过研磨上轴承转子41和下轴承转子42的倾斜面，以及通过研磨转子垫圈43的上下表面来保证两个倾斜角度的一致性，如此设计，有利于提高转台的刚度和精度。其余结构同具体实施方式一。

具体实施方式三

如图1所示，该具体实施方式中，上轴承转子41、下轴承转子42的锥形倾斜面与轴承定子5的内圆锥表面之间形成间隙的距离偏差不超过1μm，主要通过研磨转子垫圈43的上下表面来保证。从而实现轴承零件的高精度和零件装配的高精度，进而有利于提高转台的刚度和精度。其余结构同具体实施方式一。

工作原理：

工作时，首先液压油通过进油口91、环形输油槽52、输油孔81和进油孔82进入并充满相应的扇形油腔凹槽51，并在上轴承转子41、下轴承转子42与轴承定子5配合面之间的间隙中形成液体静压油膜；进而使得轴承转子4部分被静压油膜支撑起，带动固定连接在轴承转子4上的工作台1；液压油回油分别经回油槽53流入到下轴承转子42的底面，经转台底座7收集后经出油口流出到回油箱。在力矩电机的驱动下，电机转子61带动与之固定连接的轴承转子4和与轴承转子4固定连接的工作台1进行回转，由于液体静压轴承的误差均化作用，从而可以使得转台的回转精度为轴承制造精度的三倍；转台的速度和位置反馈依靠上轴承转子41连接的圆光栅2进行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种超精密液体静压转台，其特征在于：包括工作台(1)、圆光栅(2)、读数头(3)、轴承转子(4)、轴承定子(5)、电机(6)、底座(7)和壳体(9)，所述工作台(1)固定在轴承转子(4)的上表面，所述轴承转子(4)的外侧面设置有梯形环槽，所述轴承定子(5)匹配套设在梯形环槽内并与轴承转子(4)相接触，所述轴承定子(5)上设置有若干个连通内表面与外周面的通油孔(8)，所述轴承定子(5)与设置在其下方的底座(7)固定连接，所述电机(6)固定在底座(7)上并驱动轴承转子(4)转动，所述壳体(9)位于轴承定子(5)的外侧并固定在轴承定子(5)上，所述圆光栅(2)套设在轴承转子(4)外侧，所述读数头(3)固定在壳体(9)上并与圆光栅(2)相对设置，所述工作台(1)、圆光栅(2)、轴承转子(4)、轴承定子(5)、电机(6)、底座(7)和壳体(9)的中心线重合。

2.根据权利要求1所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述轴承转子(4)包括上轴承转子(41)和下轴承转子(42)，所述上轴承转子(41)包括自上而下一体连接的上端部(411)、中上部(412)、中下部(413)和下端部(414)，所述中上部(412)外形为倒置的圆台状结构，所述上端部(411)、中下部(412)和下端部(414)外形均为圆柱状结构，所述下轴承转子(42)为中空的圆台状结构，所述下轴承转子(42)套设在所述中下部(412)外侧，并与所述中上部(412)固定连接，所述中上部(412)的下表面与下轴承转子(42)的上表面之间设置有转子垫圈(43)，所述工作台(1)与所述上端部(411)的上表面固定连接，所述圆光栅(2)套设在所述上端部(411)外侧，所述电机(6)安装在所述下端部(414)。

3.根据权利要求2所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述电机(6)包括电子转子(61)和电机定子(62)，所述电机定子(62)固定在底座(7)上，所述电机转子(61)与所述下端部(414)固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述轴承定子(5)与所述中上部(412)的相对面上和轴承定子(5)与下轴承转子(42)的相对面上均布设置有若干个油腔凹槽(51)，若干个通油孔(8)与若干个油腔凹槽(51)一一对应并连通。

5.根据权利要求4所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述油腔凹槽(51)为大小均相等的扇形凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述轴承定子(5)的外周面设置有环形输油槽(52)，所述壳体(9)上设置有进油口(91)，所述进油口(91)和环形输油槽(52)连通，所述环形输油槽(52)与若干个通油孔(8)连通。

7.根据权利要求4所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述轴承定子(5)与所述中上部(412)的相对面上和轴承定子(5)与下轴承转子(42)的相对面上均布设置有若干个轴向设置的回油槽(53)，每个回油槽(53)位于相邻的两个油腔凹槽(51)之间。

8.根据权利要求1所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述底座(7)上设置有出油口。

9.根据权利要求1所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：若干个通油孔(8)内部均螺纹连接有节流器(10)。

10.根据权利要求1所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：所述读数头(3)为两个，所述两个读数头(3)关于圆光栅(2)对称设置并均固定在壳体(9)上。

11.根据权利要求2所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：上轴承转子(41)的中上部(412)圆锥面的角度和下轴承转子(42)圆锥面的角度偏差不超过1°。

12.根据权利要求2所述的一种超精密液体静压转台，其特征在于：上轴承转子(41)的中上部(412)的圆锥面、下轴承转子(42)的圆锥面与轴承定子(5)的内圆锥表面之间分别形成间隙的距离的偏差不超过1μm。

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