CN111120512A - 一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节流气浮轴承，包括相互适配的轴承基座，在轴承基座上用于与气浮导轨适配的内表面上设有多孔质节流层；沿进气方向上，多孔质节流层的气体流通阻力逐渐增大。进一步提供了一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统，包括气浮导轨、电机和刀架；节流气浮轴承套接在气浮导轨上，且通过安装基座定位；所述气浮导轨的一端与电机输出端连接、另一端安装刀架。本发明提供节流气浮轴承具有较大的刚度，进而利于获得一种刚度高、行程大的高频响高精度快刀伺服系统，从而提高大起伏微结构或自由曲面光学元件的加工效率与精度。

Description

一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统
技术领域
本发明涉及光学元件加工设备技术领域，具体涉及一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统。
背景技术
近年来，自由曲面光学元件在航天、通信、医疗等各行各业的应用越来越广泛，其特征为非回转对称型、结构复杂，因此，实现自由曲面光学元件的高效率、高精度加工是一项巨大的挑战。磨削、抛光等传统加工工艺存在效率低的问题，随着超精密加工技术的发展，金刚石车削技术广泛应用于复杂曲面的加工，具有成本低、效率高的优势。而基于快刀伺服技术的金刚石车削是最有前景的自由曲面光学元件加工方式之一，快刀伺服装置固定在车床Z轴溜板上，根据主轴角度和刀具径向位置，快刀伺服装置可以驱动刀具高频率往复运动，可实现复杂曲面加工过程较高的尺寸精度、形状精度、表面完整性和加工效率。
中国发明专利(申请号201910630709.2)公开了一种压电陶瓷驱动的快刀伺服装置，采用了二级杠杆放大机构对刀具的位移进行放大；采用压电陶瓷驱动，快刀伺服装置行程较小，通过位移放大机构虽然可以将行程放大，但会导致快刀伺服装置的刚度和精度降低。中国发明专利(申请号201611047489.3)公开了一种音圈电机驱动的快刀伺服机构，运动行程从一毫米到数十毫米，可以满足较大起伏微结构或自由曲面结构的高效加工；但其空气静压轴承采用小孔节流式，轴承刚度较低，切削力扰动、环境噪声等因素对刀具的振动影响较大，从而可能降低自由曲面元件的加工质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有基于音圈电机的快刀伺服装置的刚度较低，影响切削质量，而基于压电陶瓷的快刀伺服装置，行程较小，本发明提供了解决上述问题的一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统，本发明提供节流气浮轴承具有较大的刚度，进而利于获得一种刚度高、行程大的高频响高精度快刀伺服系统，从而提高大起伏微结构或自由曲面光学元件的加工效率与精度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种节流气浮轴承，包括相互适配的轴承基座，在轴承基座上用于与气浮导轨适配的内表面上设有多孔质节流层；沿进气方向上，多孔质节流层的气体流通阻力逐渐增大。
与传统的小孔节流等气浮轴承相比，本发明提供了一种梯度节流式的多孔质气浮轴承，在轴承基座上用于与气浮导轨适配的内表面上设有多孔质节流层，气流通过多孔质节流层上的孔隙透过进入轴承与气浮导轨之间的间隙起到润滑作用；可通过调节多孔质节流层的性能参数(如孔隙率、孔径等)，使沿进气方向上多孔质节流层的气体流通阻力逐渐增大呈梯度变化，利于增大多孔质气浮轴承与气浮导轨间气膜的压力梯度，进一步改善多孔质气浮轴承的节流效果，提高快轴伺服装置的横向刚度，从而降低切削力扰动、环境噪声等因素的影响。
进一步地，所述多孔质节流层内孔径相同时，在沿进气方向上，多孔质节流层的孔隙率逐渐降低。
为达到控制多孔质节流层气体流通阻力的大小，可调节多孔质节流层的孔隙率和孔径，可同时调整两个变量，或者调节其中一个变量。如作为其中优选方案之一，将多孔质节流层内孔隙的内径固定，改变孔隙率大小，在沿进气方向上，多孔质节流层的孔隙率逐渐降低，则气体流通阻力逐渐增大，形成压力梯度。
进一步地，所述多孔质节流层的孔隙率相同时，在沿进气方向上，多孔质节流层的孔径逐渐降低。
为达到控制多孔质节流层气体流通阻力的大小，可调节多孔质节流层的孔隙率和孔径，可同时调整两个变量，或者调节其中一个变量。如作为其中优选方案之一，将多孔质节流层内孔隙率固定，改变各孔的孔径大小，在沿进气方向上，多孔质节流层的孔径逐渐降低，则气体流通阻力逐渐增大，形成压力梯度。
进一步地，所述多孔质节流层采用多孔质石墨层。
多孔质节流层可采用多种带孔结构层，本发明优选采用多孔质石墨层。
进一步地，使用过程中，所述多孔质节流层与气浮导轨之间具有5μm～30μm的间隙。
通过优化设计多孔质节流层与气浮导轨之间的间隙尺寸，以与多孔质节流层进行最优的匹配，进一步利于提高快轴伺服装置的横向刚度。
进一步地，所述轴承基座上设有进气口和气体通路，所述气体通路用于连通进气口的输出端和多孔质节流层；所述进气口的输入端用于连通外部进气部件。
一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统，包括气浮导轨、电机和刀架，其特征在于，还包括上述一种节流气浮轴承；所述节流气浮轴承套接在气浮导轨上，且通过安装基座定位；所述气浮导轨的一端与电机输出端连接、另一端安装刀架。
进一步地，所述电机采用音圈电机。
本发明优选采用音圈电机与气浮轴承适配，利于实现导轨的大行程、高精度直线往复运动，而梯度多孔质气浮轴承对导轨进行高刚度的导向。因此，本发明基于音圈电机驱动，行程最大可以达到30mm～40mm，可以加工较大起伏的微结构或自由曲面光学元件，频响最高可达数百赫兹，保证了元件加工过程的高效率与高精度，拓宽了快刀伺服装置的应用范围。
进一步地，所述电机和气浮导轨通过法兰连接，且在电机和法兰之间设有绝热垫。
设置绝热垫主要隔绝电机产生的热量传递至气浮轴承，以保护节流气浮轴承。
进一步地，还包括光栅尺，用于电机的位移行程的测量与控制；所述光栅尺的标尺光栅设置在气浮导轨上，光栅尺的读数头设置在安装基座上。
在实际工作过程中，快轴伺服系统的运动控制器可以采用Power PMAC，其运行伺服控制算法，在接收到机床C轴、X轴等位置信号后，产生指令电压信号，发送到驱动器进行功率放大，随后驱动音圈电机的动子产生运动，其实际位移由直线光栅尺测量，并直接反馈到运动控制器，对音圈电机的位移进行闭环控制。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、与传统的小孔节流等气浮轴承相比，本发明提供可一种梯度节流式的多孔质气浮轴承，在轴承基座上用于与气浮导轨适配的内表面上设有多孔质节流层，气流通过多孔质节流层上的孔隙透过进入轴承与气浮导轨之间的间隙起到润滑作用；可通过调节多孔质节流层的性能参数(如孔隙率、孔径等)，使沿进气方向上多孔质节流层的气体流通阻力逐渐增大呈梯度变化，利于增大多孔质气浮轴承与气浮导轨间气膜的压力梯度，进一步改善多孔质气浮轴承的节流效果，提高快轴伺服装置的横向刚度，从而降低切削力扰动、环境噪声等因素的影响；
2、本发明优选采用音圈电机与气浮轴承适配，利于实现导轨的大行程、高精度直线往复运动，而梯度多孔质气浮轴承对导轨进行高刚度的导向。因此，本发明基于音圈电机驱动，行程最大可以达到30mm～40mm，可以加工较大起伏的微结构或自由曲面光学元件，频响最高可达数百赫兹，保证了元件加工过程的高效率与高精度，拓宽了快刀伺服装置的应用范围。
综上所述，本发明具有优异的导轨导向刚度，降低了切削力扰动、环境噪声等因素的影响，可以实现刀具的高频率、大行程、高精度往复运动，从而利于实现具有较大起伏表面微结构或自由曲面光学元件的高效率、高精度加工。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的节流气浮轴承截面结构示意图；
图2为本发明的节流气浮轴承截面结构示意图，气流方向原理；
图3为本发明的快轴伺服系统截面结构示意图；
图4为本发明的气浮导轨结构示意图；
图5为本发明的快轴伺服系统立体结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-轴承基座，2-气浮导轨，3-多孔质节流层，4-进气口，5-气体通路，6-电机，7-刀架，8-安装基座，9-法兰，10-绝热垫，11-标尺光栅，12-读数头，13-壳体，14-光栅尺安装座，A-节流气浮轴承。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种节流气浮轴承，包括相互适配的轴承基座1，在轴承基座1上用于与气浮导轨2适配的内表面上设有多孔质节流层3；沿进气方向上，多孔质节流层3的气体流通阻力逐渐增大，可通过控制多孔质节流层3的结构参数调整气体流通阻力大小。
实施例2
在实施例1的基础上进一步改进，主要采用以下两种方式控制多孔质节流层3的气体流通阻力：多孔质节流层3内孔径相同时，在沿进气方向上，多孔质节流层3的孔隙率逐渐降低；多孔质节流层3的孔隙率相同时，在沿进气方向上，多孔质节流层3的孔径逐渐降低。多孔质节流层3采用多孔质石墨层；使用时，设置多孔质节流层3与气浮导轨2之间具有5μm～30μm的间隙，优选如15μm～20μm。
轴承基座1上设有进气口4和多道气体通路5，多道气体通路5沿轴承基座1的轴向均匀分布，每条气体通路5沿轴承基座1的周向分布呈环形结构。气体通路5用于连通进气口4的输出端和多孔质节流层3；进气口4的输入端用于连通外部进气部件。
实施例3
本实施例提供了一种节流气浮轴承以及基于该轴承的快轴伺服系统，包括气浮导轨2、电机6、刀架7和实施例2提供的一种节流气浮轴承。节流气浮轴承A套接在气浮导轨2上，且通过安装基座8定位。气浮导轨2为含四个导轨平面的圆柱形(如图4所示)，轴线方向含一个通孔，气浮导轨2的右端设有沉头孔，法兰9的表面设有螺纹孔，通过螺钉与气浮导轨2连接；法兰9上还设有沉头孔，通过螺钉与绝热垫10和音圈电机6，绝热垫10位于音圈电机6和法兰9之间，音圈电机6通过螺钉与壳体13装配。气浮导轨2的左端设有螺纹孔，通过螺钉与刀架7连接。在安装基座8的四个内表面上，均通过螺钉固定节流气浮轴承A，安装基座8固定在壳体13内。气浮导轨2和法兰9均采用硬铝材料加工。
此外，还设有直线光栅尺，用于电机6的位移行程的测量与控制；光栅尺的标尺光栅11设置在气浮导轨2上，光栅尺的读数头12通过光栅尺安装座14固定在安装基座8上。还包括控制驱动组件，光栅尺的读数头12与运动控制器电连接，运动控制器、驱动器和音圈电机6电连接。在实际工作过程中，快轴伺服系统的运动控制器可以采用Power PMAC，其运行伺服控制算法，在接收到机床C轴、X轴等位置信号后，产生指令电压信号，发送到驱动器进行功率放大，随后驱动音圈电机的动子产生运动，其实际位移由直线光栅尺测量，并直接反馈到运动控制器，对音圈电机的位移进行闭环控制。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节流气浮轴承，包括相互适配的轴承基座(1)，其特征在于，在轴承基座(1)上用于与气浮导轨(2)适配的内表面上设有多孔质节流层(3)；沿进气方向上，多孔质节流层(3)的气体流通阻力逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种节流气浮轴承，其特征在于，所述多孔质节流层(3)内孔径相同时，在沿进气方向上，多孔质节流层(3)的孔隙率逐渐降低。
3.根据权利要求1所述的一种节流气浮轴承，其特征在于，所述多孔质节流层(3)的孔隙率相同时，在沿进气方向上，多孔质节流层(3)的孔径逐渐降低。
4.根据权利要求1所述的一种节流气浮轴承，其特征在于，所述多孔质节流层(3)采用多孔质石墨层。
5.根据权利要求1所述的一种节流气浮轴承，其特征在于，使用过程中，所述多孔质节流层(3)与气浮导轨(2)之间具有5μm～30μm的间隙。
6.根据权利要求1所述的一种节流气浮轴承，其特征在于，所述轴承基座(1)上设有进气口(4)和气体通路(5)，所述气体通路(5)用于连通进气口(4)的输出端和多孔质节流层(3)；所述进气口(4)的输入端用于连通外部进气部件。
7.一种快轴伺服系统，包括气浮导轨(2)、电机(6)和刀架(7)，其特征在于，还包括权利要求1至5任一项所述的一种节流气浮轴承；所述节流气浮轴承套接在气浮导轨(2)上，且通过安装基座(8)定位；所述气浮导轨(2)的一端与电机(6)输出端连接、另一端安装刀架(7)。
8.根据权利要求7所述的一种快轴伺服系统，其特征在于，所述电机(6)采用音圈电机。
9.根据权利要求7所述的一种快轴伺服系统，其特征在于，所述电机(6)和气浮导轨(2)通过法兰(9)连接，且在电机(6)和法兰(9)之间设有绝热垫(10)。
10.根据权利要求7至9任一项所述的一种快轴伺服系统，其特征在于，还包括光栅尺，用于电机(6)的位移行程的测量与控制；所述光栅尺的标尺光栅(11)设置在气浮导轨(2)上，光栅尺的读数头(12)设置在安装基座(8)上。
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