CN110821958A - 一种轴向可动静压气浮主轴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向可动静压气浮主轴，包括主轴转子、电磁作动器组件及主轴外壳，所述电磁作动器组件包括固定于主轴外壳上的次级铁芯及线圈绕组，所述电磁作动器组件还包括固定于主轴转子上的永磁体，所述永磁体为多块，且永磁体沿着主轴转子的轴线间隔排列；所述永磁体以极性朝向相同的方式排布于主轴转子上；还包括固定于主轴转子上的次级铁芯，所述次级铁芯的数量较永磁体数量多一块；任意相邻两永磁体之间均夹持有一块次级铁芯，各永磁体的两侧均贴合有一块次级铁芯。本气浮主轴的结构设计可使得其能够被运用于精密光学设备加工，如实现具有表面微结构的零部件加工。

Description

一种轴向可动静压气浮主轴
技术领域
本发明涉及气浮主轴技术领域，特别是涉及一种轴向可动静压气浮主轴。
背景技术
气浮主轴属于高精度的回转动力装置，由主轴转子、节流器、伺服电机、等组成。气浮主轴包括支承部件和驱动部件，支承部件由主轴转子和节流器组成，实现非接触支承；驱动部件通过伺服电机实现精密回转功能。
气浮主轴广泛运用于高精度表面微结构加工技术领域，同时，气浮主轴本身对加工结果具有重要的影响。
进一步优化气浮主轴的结构设计，以使得其能够适应因科学技术不断发展所引入的新的零部件加工需要，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述提出的进一步优化气浮主轴的结构设计，以使得其能够适应因科学技术不断发展所引入的新的零部件加工需要，是本领域技术人员亟待解决的技术问题，本发明提供了一种轴向可动静压气浮主轴，本气浮主轴的结构设计可使得其能够被运用于精密光学设备加工，如实现具有表面微结构的零部件加工。
本发明提供的一种轴向可动静压气浮主轴通过以下技术要点来解决问题：一种轴向可动静压气浮主轴，包括主轴转子、电磁作动器组件及主轴外壳，所述电磁作动器组件用于驱动主轴转子，使得主轴转子沿着主轴转子的轴线运动，所述电磁作动器组件包括固定于主轴外壳上的次级铁芯及线圈绕组，所述电磁作动器组件还包括固定于主轴转子上的永磁体，所述永磁体为多块，且永磁体沿着主轴转子的轴线间隔排列；
所述永磁体以极性朝向相同的方式排布于主轴转子上；
还包括固定于主轴转子上的次级铁芯，所述次级铁芯的数量较永磁体数量多一块；
任意相邻两永磁体之间均夹持有一块次级铁芯，各永磁体的两侧均贴合有一块次级铁芯。
现有技术中，静压气浮轴承上，主轴外壳用于固定如驱动电机、轴承组件、电磁作动器组件上的部分部件，主轴转子局部位于主轴外壳中，在工作时，主轴转子相对于主轴外壳的位置由轴承组件上的节流器进行约束。
随着我国经济技术的发展，运用于紧密加工领域的气浮主轴运用广泛，如可用于众多精密光学设备中加工中，但随着技术的发展，具体的加工形式也随即改变，如精密光学设备中涉及具有表面微结构的零部件。
在气浮主轴工作时，气浮主轴一般情况下本身是会产生一定的轴向偏移的，现有技术中虽然涉及采用电磁作动器组件实现主轴转子在自身轴线上位置的纠正，但并不能适应具有表面微结构的零部件加工：如在芯片加工中，能实现数微米或数十微米的微小偏移的纠正，并不涉及主轴转子轴向位置调整以匹配被零部件所需要的表面形状。但相对于现有光学设备上零部件上的微结构，如微结构的高度可能达到1mm甚至更大，现有来源于电磁作动器组件的力是不足于产生以上匹配的。
本方案在具体设计时，考虑到气浮主轴上主轴转子转动速度快的特点，设置为电磁作动器组件包括固定于主轴外壳上的初级铁芯和线圈绕组，还包括固定于主轴转子上的永磁体，以上结构设计中，通过如电磁线圈与初级铁芯产生波磁场，解决了电磁力的来源问题和对主轴转子轴向方向上力的作用问题。以上电磁作动器组件固定于主轴转子上的次级线圈与永磁体中，设置的永磁体极性朝向相同即为，各永磁体N级朝向相同，各永磁体的S级朝向相同，具体的，可设置为如主轴转子的轴线方向沿着左右连线方向，各永磁体的S级均朝向左侧或右侧，各永磁体的N级均朝向右侧或左侧。通过以上次级线圈与永磁体的数量设计和排布设计，使得永磁体与次级铁芯形成的组合体解决了来自于永磁体的磁场强度问题和在主轴转子轴线上的磁场分布宽度问题，这样，通过所述电磁作动器组件组件，可使得主轴外壳与主轴转子之间具有足够的推力以迫使主轴转子产生多达数毫米的用于满足零件加工需要的轴向位移。同时，永磁体与次级铁芯的排布方式可避免因为永磁体强度问题而导致永磁体失效：永磁体两侧均贴合有次级铁芯，以上次级铁芯除了改变磁场分布以外，同时其通过为永磁体端部提供支撑，使得永磁体在本电磁作动器组件工作时仅受压，解决在所需电磁力下永磁体强度达不到要求的问题。
即本方案提供了一种可使得气浮主轴能够被运用于精密光学设备加工，如实现具有表面微结构的零部件加工的技术方案。同时本方案结构简单，装配方便。
作为本领域技术人员，在具体实施时，考虑到主轴转子的位移量，主轴转子与其他部件的配合关系需要允许主轴转子在电磁作动器组件的作用下产生相应的轴向位移。
更进一步的技术方案为：
为方便永磁体、次级铁芯的安装，以及避免主轴转子成为磁通提供通路而影响如驱动电机等的工作，造成气浮主轴的转动精度等遭到影响或驱动电机等部件本身受到影响，设置为：主轴转子包括材质为非导磁材料的非导磁轴段，所述次级铁芯及永磁体均固定于所述非导磁轴段上。
为方便获取到主轴转子发生轴向移动的位移量，设置为：还包括位置传感器，所述位置传感器用于测量主轴转子发生轴向位移的位移量。
为实现主轴转子轴向位于量自动调整或自动跟踪，实现闭环控制，设置为：还包括控制系统，所述控制系统的信号输入端与位置传感器的信号输出端信号连接，所述控制系统通过获取位置传感器的输出信号，控制对线圈绕组的供电参数。
为方便获得足够的驱动主轴转子发生轴向位移的驱动力，设置为：所述永磁体、次级铁芯均为与主轴转子同轴的环状结构，所述次级铁芯的外径大于或等于永磁体的外径，所述次级铁芯的内径小于或等于永磁体的内径；
所述线圈绕组及初级铁芯均呈圆筒状，所述线圈绕组包括线饼及用于灌封所述线饼的封装层；所述初级铁芯的内侧设置有环形槽，且环形槽的端部位于初级铁芯端部的内侧，所述线圈绕组镶嵌于所述环形槽中；
沿着主轴转子的径向方向，任意永磁体、次级铁芯的投影均全部落在线圈绕组上。采用本方案提供的技术方案，旨在通过优化或强化组成电磁作动器组件的各部件的受力或受力能力、通过优化各部件的配合关系达到相应目的。
作为一种可通过匹配压力气体对主轴转子的推力，使得在节流器与电磁作动器组件共同作用下，实现所述主轴转子的轴向位移量控制，设置为：还包括固定于主轴外壳上的轴承组件，所述轴承组件包括呈环形的节流器，所述主轴转子上还设置有两端均具有轴肩的缩径段，所述轴肩、缩径段围成沿着主轴转子周向方向延伸的环形槽，所述节流器的内侧嵌入所述环形槽中；所述节流器的内壁面上、端面上均设置有节流孔；
所述节流器端面上节流孔中，部分节流孔或全部节流孔的孔口朝向所述端面所在侧的轴肩。采用本方案，通过主轴转子轴向位于在节流器与电磁作动器组件共同作用下产生，可优化主轴转子位移量控制精度或调解精度。
更为完整的，设置为：还包括用于驱动所述主轴转子转动的驱动电机，还包括用于为所述节流器进行供气的供气系统。
为获得更为稳定的节流器压缩气体来源，以使轴承组件为主轴转子提供稳定的轴向力，便于配合电磁作动器组件实现主轴转子轴向微量进给运动，以提高主轴转子轴向位移调解精度，以适应零件表面微结构高精度加工，设置为：所述供气系统包括沿着为节流器进行供气的供气方向，依次串联的空压机、进气阀、储气罐、流量阀、过滤器及调压阀。
为使得主轴转子能够获得更为精确的转动精度，以提高本气浮主轴的加工精度，设置为：所述驱动电机为伺服电机。
本发明具有以下有益效果：
本方案在具体设计时，考虑到气浮主轴上主轴转子转动速度快的特点，设置为电磁作动器组件包括固定于主轴外壳上的初级铁芯和线圈绕组，还包括固定于主轴转子上的永磁体，以上结构设计中，通过如电磁线圈与初级铁芯产生波磁场，解决了电磁力的来源问题和对主轴转子轴向方向上力的作用问题。以上电磁作动器组件固定于主轴转子上的次级线圈与永磁体中，设置的永磁体极性朝向相同即为，各永磁体N级朝向相同，各永磁体的S级朝向相同，具体的，可设置为如主轴转子的轴线方向沿着左右连线方向，各永磁体的S级均朝向左侧或右侧，各永磁体的N级均朝向右侧或左侧。通过以上次级线圈与永磁体的数量设计和排布设计，使得永磁体与次级铁芯形成的组合体解决了来自于永磁体的磁场强度问题和在主轴转子轴线上的磁场分布宽度问题，这样，通过所述电磁作动器组件组件，可使得主轴外壳与主轴转子之间具有足够的推力以迫使主轴转子产生多达数毫米的用于满足零件加工需要的轴向位移。同时，永磁体与次级铁芯的排布方式可避免因为永磁体强度问题而导致永磁体失效：永磁体两侧均贴合有次级铁芯，以上次级铁芯除了改变磁场分布以外，同时其通过为永磁体端部提供支撑，使得永磁体在本电磁作动器组件工作时仅受压，解决在所需电磁力下永磁体强度达不到要求的问题。
即本方案提供了一种可使得气浮主轴能够被运用于精密光学设备加工，如实现具有表面微结构的零部件加工的技术方案。同时本方案结构简单，装配方便。
附图说明
图1是本发明所述的一种轴向可动静压气浮主轴一个具体实施例的结构示意图，该示意图为局部剖视图；
图2是本发明所述的一种轴向可动静压气浮主轴一个具体实施例的结构示意图，该示意图为局部剖视图，区别于图1，图2用于呈现更为具体的附图标记；
图3是本发明所述的一种轴向可动静压气浮主轴一个具体实施例的结构示意图，该示意图为局部示意图，且为局部剖视图，用于凸显电磁作动器组件的结构结构及具体装配方式。
图中的附图标记依次为：1、驱动电机，2、轴承组件，21、节流器，22、缩径段，3、电磁作动器组件，31、非导磁轴段，32、永磁体，33、线圈绕组，34、初级铁芯，35、次级铁芯，36、位置传感器，37、控制系统，4、主轴转子，5、主轴外壳，6、供气系统，61、空压机，62、进气阀，63、储气罐，64、流量阀，65、过滤器，66、调压阀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。
实施例1：
如图1至图3所示，一种轴向可动静压气浮主轴，包括主轴转子4、电磁作动器组件3及主轴外壳5，所述电磁作动器组件3用于驱动主轴转子4，使得主轴转子4沿着主轴转子4的轴线运动，所述电磁作动器组件3包括固定于主轴外壳5上的次级铁芯35及线圈绕组33，所述电磁作动器组件3还包括固定于主轴转子4上的永磁体32，所述永磁体32为多块，且永磁体32沿着主轴转子4的轴线间隔排列；
所述永磁体32以极性朝向相同的方式排布于主轴转子4上；
还包括固定于主轴转子4上的次级铁芯35，所述次级铁芯35的数量较永磁体32数量多一块；
任意相邻两永磁体32之间均夹持有一块次级铁芯35，各永磁体32的两侧均贴合有一块次级铁芯35。
现有技术中，静压气浮轴承上，主轴外壳5用于固定如驱动电机1、轴承组件2、电磁作动器组件3上的部分部件，主轴转子4局部位于主轴外壳5中，在工作时，主轴转子4相对于主轴外壳5的位置由轴承组件2上的节流器21进行约束。
随着我国经济技术的发展，运用于紧密加工领域的气浮主轴运用广泛，如可用于众多精密光学设备中加工中，但随着技术的发展，具体的加工形式也随即改变，如精密光学设备中涉及具有表面微结构的零部件。
在气浮主轴工作时，气浮主轴一般情况下本身是会产生一定的轴向偏移的，现有技术中虽然涉及采用电磁作动器组件3实现主轴转子4在自身轴线上位置的纠正，但并不能适应具有表面微结构的零部件加工：如在芯片加工中，能实现数微米或数十微米的微小偏移的纠正，并不涉及主轴转子4轴向位置调整以匹配被零部件所需要的表面形状。但相对于现有光学设备上零部件上的微结构，如微结构的高度可能达到1mm甚至更大，现有来源于电磁作动器组件3的力是不足于产生以上匹配的。
本方案在具体设计时，考虑到气浮主轴上主轴转子4转动速度快的特点，设置为电磁作动器组件3包括固定于主轴外壳5上的初级铁芯34和线圈绕组33，还包括固定于主轴转子4上的永磁体32，以上结构设计中，通过如电磁线圈与初级铁芯34产生波磁场，解决了电磁力的来源问题和对主轴转子4轴向方向上力的作用问题。以上电磁作动器组件3固定于主轴转子4上的次级线圈与永磁体32中，设置的永磁体32极性朝向相同即为，各永磁体32N级朝向相同，各永磁体32的S级朝向相同，具体的，可设置为如主轴转子4的轴线方向沿着左右连线方向，各永磁体32的S级均朝向左侧或右侧，各永磁体32的N级均朝向右侧或左侧。通过以上次级线圈与永磁体32的数量设计和排布设计，使得永磁体32与次级铁芯35形成的组合体解决了来自于永磁体32的磁场强度问题和在主轴转子4轴线上的磁场分布宽度问题，这样，通过所述电磁作动器组件3组件，可使得主轴外壳5与主轴转子4之间具有足够的推力以迫使主轴转子4产生多达数毫米的用于满足零件加工需要的轴向位移。同时，永磁体32与次级铁芯35的排布方式可避免因为永磁体32强度问题而导致永磁体32失效：永磁体32两侧均贴合有次级铁芯35，以上次级铁芯35除了改变磁场分布以外，同时其通过为永磁体32端部提供支撑，使得永磁体32在本电磁作动器组件3工作时仅受压，解决在所需电磁力下永磁体32强度达不到要求的问题。
即本方案提供了一种可使得气浮主轴能够被运用于精密光学设备加工，如实现具有表面微结构的零部件加工的技术方案。同时本方案结构简单，装配方便。
作为本领域技术人员，在具体实施时，考虑到主轴转子4的位移量，主轴转子4与其他部件的配合关系需要允许主轴转子4在电磁作动器组件3的作用下产生相应的轴向位移。
实施例2：
如图1至图3所示，本实施例在实施例1的基础上做进一步细化：
为方便永磁体32、次级铁芯35的安装，以及避免主轴转子4成为磁通提供通路而影响如驱动电机1等的工作，造成气浮主轴的转动精度等遭到影响或驱动电机1等部件本身受到影响，设置为：主轴转子4包括材质为非导磁材料的非导磁轴段31，所述次级铁芯35及永磁体32均固定于所述非导磁轴段31上。本方案中，所述非导磁材料即为非导磁性材料，如镍基合金，具体的如铁钴镍合金。考虑到主轴转子4的成本，以上非导磁轴段31采用为串联在主轴转子4上的轴段，主轴转子4其他轴段采用传统常用材料即可。
为方便获取到主轴转子4发生轴向移动的位移量，设置为：还包括位置传感器36，所述位置传感器36用于测量主轴转子4发生轴向位移的位移量。
为实现主轴转子4轴向位于量自动调整或自动跟踪，实现闭环控制，设置为：还包括控制系统37，所述控制系统37的信号输入端与位置传感器36的信号输出端信号连接，所述控制系统37通过获取位置传感器36的输出信号，控制对线圈绕组33的供电参数。
实施例3：
如图1至图3所示，本实施例在实施例1的基础上做进一步细化：
为方便获得足够的驱动主轴转子4发生轴向位移的驱动力，设置为：所述永磁体32、次级铁芯35均为与主轴转子4同轴的环状结构，所述次级铁芯35的外径大于或等于永磁体32的外径，所述次级铁芯35的内径小于或等于永磁体32的内径；
所述线圈绕组33及初级铁芯34均呈圆筒状，所述线圈绕组33包括线饼及用于灌封所述线饼的封装层；所述初级铁芯34的内侧设置有环形槽，且环形槽的端部位于初级铁芯34端部的内侧，所述线圈绕组33镶嵌于所述环形槽中；
沿着主轴转子4的径向方向，任意永磁体32、次级铁芯35的投影均全部落在线圈绕组33上。采用本方案提供的技术方案，旨在通过优化或强化组成电磁作动器组件3的各部件的受力或受力能力、通过优化各部件的配合关系达到相应目的。
作为一种可通过匹配压力气体对主轴转子4的推力，使得在节流器21与电磁作动器组件3共同作用下，实现所述主轴转子4的轴向位移量控制，设置为：还包括固定于主轴外壳5上的轴承组件2，所述轴承组件2包括呈环形的节流器21，所述主轴转子4上还设置有两端均具有轴肩的缩径段22，所述轴肩、缩径段22围成沿着主轴转子4周向方向延伸的环形槽，所述节流器21的内侧嵌入所述环形槽中；所述节流器21的内壁面上、端面上均设置有节流孔；
所述节流器21端面上节流孔中，部分节流孔或全部节流孔的孔口朝向所述端面所在侧的轴肩。采用本方案，通过主轴转子4轴向位于在节流器21与电磁作动器组件3共同作用下产生，可优化主轴转子4位移量控制精度或调解精度。
更为完整的，设置为：还包括用于驱动所述主轴转子4转动的驱动电机1，还包括用于为所述节流器21进行供气的供气系统6。
为获得更为稳定的节流器21压缩气体来源，以使轴承组件2为主轴转子4提供稳定的轴向力，便于配合电磁作动器组件3实现主轴转子4轴向微量进给运动，以提高主轴转子4轴向位移调解精度，以适应零件表面微结构高精度加工，设置为：所述供气系统6包括沿着为节流器21进行供气的供气方向，依次串联的空压机61、进气阀62、储气罐63、流量阀64、过滤器65及调压阀66。
为使得主轴转子4能够获得更为精确的转动精度，以提高本气浮主轴的加工精度，设置为：所述驱动电机1为伺服电机。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种轴向可动静压气浮主轴，包括主轴转子(4)、电磁作动器组件(3)及主轴外壳(5)，所述电磁作动器组件(3)用于驱动主轴转子(4)，使得主轴转子(4)沿着主轴转子(4)的轴线运动，所述电磁作动器组件(3)包括固定于主轴外壳(5)上的次级铁芯(34)及线圈绕组(33)，所述电磁作动器组件(3)还包括固定于主轴转子(4)上的永磁体(32)，其特征在于，所述永磁体(32)为多块，且永磁体(32)沿着主轴转子(4)的轴线间隔排列；
所述永磁体(32)以极性朝向相同的方式排布于主轴转子(4)上；
还包括固定于主轴转子(4)上的次级铁芯(35)，所述次级铁芯(35)的数量较永磁体(32)数量多一块；
任意相邻两永磁体(32)之间均夹持有一块次级铁芯(35)，各永磁体(32)的两侧均贴合有一块次级铁芯(35)。
2.根据权利要求1所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，所述主轴转子(4)包括材质为非导磁材料的非导磁轴段(31)，所述次级铁芯(35)及永磁体(32)均固定于所述非导磁轴段(31)上。
3.根据权利要求1所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，还包括位置传感器(36)，所述位置传感器(36)用于测量主轴转子(4)发生轴向位移的位移量。
4.根据权利要求3所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，还包括控制系统(37)，所述控制系统(37)的信号输入端与位置传感器(36)的信号输出端信号连接，所述控制系统(37)通过获取位置传感器(36)的输出信号，控制对线圈绕组(33)的供电参数。
5.根据权利要求1所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，所述永磁体(32)、次级铁芯(35)均为与主轴转子(4)同轴的环状结构，所述次级铁芯(35)的外径大于或等于永磁体(32)的外径，所述次级铁芯(35)的内径小于或等于永磁体(32)的内径；
所述线圈绕组(33)及初级铁芯(34)均呈圆筒状，所述线圈绕组(33)包括线饼及用于灌封所述线饼的封装层；所述初级铁芯的内侧设置有环形槽，且环形槽的端部位于初级铁芯端部的内侧，所述线圈绕组(33)镶嵌于所述环形槽中；
沿着主轴转子(4)的径向方向，任意永磁体(32)、次级铁芯(35)的投影均全部落在线圈绕组(33)上。
6.根据权利要求1所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，还包括固定于主轴外壳(5)上的轴承组件(2)，所述轴承组件(2)包括呈环形的节流器(21)，所述主轴转子(4)上还设置有两端均具有轴肩的缩径段(22)，所述轴肩、缩径段(22)围成沿着主轴转子(4)周向方向延伸的环形槽，所述节流器(21)的内侧嵌入所述环形槽中；所述节流器(21)的内壁面上、端面上均设置有节流孔；
所述节流器(21)端面上节流孔中，部分节流孔或全部节流孔的孔口朝向所述端面所在侧的轴肩。
7.根据权利要求6所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，还包括用于驱动所述主轴转子(4)转动的驱动电机(1)，还包括用于为所述节流器(21)进行供气的供气系统(6)。
8.根据权利要求7所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，所述供气系统(6)包括沿着为节流器(21)进行供气的供气方向，依次串联的空压机(61)、进气阀(62)、储气罐(63)、流量阀(64)、过滤器(65)及调压阀(66)。
9.根据权利要求7所述的一种轴向可动静压气浮主轴，其特征在于，所述驱动电机(1)为伺服电机。
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