CN114619266A - 一种紧凑型气体静压轴系结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型气体静压轴系结构，属于机床技术领域。该结构包括底座及安装在底座腔体内的转轴，转轴顶部连接工作台，主轴与腔体之间设有环形腔，环形腔与主轴的外壁通过径向孔相连通，主轴两端的端面分别对接第一连接板和第二连接板，第一连接板嵌套在腔体内，第二连接板嵌套在工作台内，第一连接板和第二连接板上均设有与环形腔连通的气体分离通道，气体分离通道与主轴的端面通过轴向孔相连通。该旋转台结构克服目前转台轴系结构尺寸大、质量大、动态载荷作用下回转误差大等缺点。

Description

一种紧凑型气体静压轴系结构

技术领域

本发明属于机床技术领域，具体是涉及一种紧凑型气体静压轴系结构。

背景技术

近年来，随着超精密数控车床技术的不断发展，对具有B轴旋转台部件的超精密数控车床需求不断上升。B轴旋转台一般是转轴旋转设置在底座上，转轴的顶部连接工作台，转轴与底座之间是通过给B轴两端的端面以及侧壁面提供气动推力，在底座和转轴这两个相对运动的物体间形成一定量的气膜使其接触摩擦力为零，同时转轴能够稳定的转动，且顶部的工作台能够承载。

目前已有超精密车床的导轨部件上加装B轴转台部件，这样一方面会增加水平导轨运动部件的质量，另一方增加了工作台面的高度，增加整个车床的占用空间。其中导轨运动部件的质量增加，将降低导轨部件的动态响应特性，进而影响定位精度；而旋转台高度的增加，将放大机床结构的阿贝误差值，进一步影响定位精度。而目前的B轴转台部件在降低高度的同时，又难以保证底座和转轴之间还能形成稳定的气膜使其接触摩擦力为零。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种紧凑型气体静压轴系结构。该气体静压轴系结构通过嵌套式的方式实现了结构的紧凑化，降低了工作台的高度，同时旋转台的静态承载特性并未因结构紧凑化而降低。

本发明实施例提供了一种紧凑型气体静压轴系结构，包括底座及安装在底座腔体内的转轴，转轴顶部连接工作台，主轴与腔体之间设有环形腔，环形腔与主轴的外壁通过径向孔相连通，主轴两端的端面分别对接第一连接板和第二连接板，第一连接板嵌套在腔体内，第二连接板嵌套在工作台内，第一连接板和第二连接板上均设有与环形腔连通的气体分离通道，气体分离通道与主轴的端面通过轴向孔相连通。

进一步地，主轴与腔体之间设有环形套，环形套与底座可拆卸连接，环形套分别与第一连接板和第二连接板可拆卸连接。

进一步地，环形套的外壁面设有第一环形槽，第一环形槽与腔体的内壁之间形成所述环形腔，底座上设有与环形腔相连通的进气孔。

进一步地，工作台的底部端面设有第二环形槽，第二连接板嵌套在第二环形槽内，第二环形槽的中间区域形成连接台，所述连接台与转轴的端部相连接。

进一步地，主轴的两端的端面均设有与连接台对接的第一环形区以及与第一连接板或第二连接板对接的第二环形区，第一环形区和第二环形区之间设有转轴环形排气槽，作用在主轴上端面的气体能够通过转轴环形排气槽进入到第二连接板与第二环形槽间隙内然后排出底座外部，作用在主轴下端面的气体能够通过转轴环形排气槽直接排出底座外部。

进一步地，环形套两端的端面设有第一螺纹孔，第一连接板和第二连接板上均设有与第一螺纹孔相对接的第二螺纹孔，环形套分别与第一连接板和第二连接板通过螺栓固定在一起。

进一步地，径向孔和轴向孔内安装有用于气体节流器。

进一步地，第一连接板和第二连接板上均设有与环形腔相连接的连接板进气孔，连接板进气孔与气体分离通道相连通。

进一步地，所述气体分离通道为多个，在第一连接板和第二连接板上呈圆周设置，在第一连接板和第二连接板均设有环形排气槽，环形排气槽与气体分离通道相连通，环形排气槽的外侧连接有若干个径向排气

本发明的有益效果如下：

本发明提供的紧凑型气体静压轴系结构在转轴与底座的环形腔内设置环形腔，转轴的两端分别对接连接板，其中一个连接板设置在底座的腔体内，另一个安装在工作台底部的环形槽内，这样通过嵌套连接实现旋转台的紧凑化，从而降低整体的高度，同时环形腔与主轴的外壁通过径向孔连通，连接板内的气体分流通道一端与主轴外壁相连通，另一端通过轴向孔连通，这样通过给环形腔内注入气体，依然可以底座和转轴这两个相对运动的物体间形成一定量的气膜使其接触摩擦力为零，从而保证旋转台的稳定转动。

附图说明

图1为本发明实施例提供的紧凑型高精度旋转台结构等轴测图；

图2为本发明实施例提供的旋转台结构剖面示意图；

图3为本发明实施例提供的工作台结构简图；

图4为本发明实施例提供的转轴结构示意图；

图5为本发明实施例提供的旋转套结构示意图；

图6为本发明实施例提供的气体静压止推板结构示意图；

图7为本发明实施例提供的支承座结构示意图。

图中：1、工作台，11、工作台倒角，12、边缘倒角，13、中心凸台，14、第二环形槽，2、环形套，21、第一环形槽，22、环形套螺纹孔，23、通气孔，24、半圆沉槽孔，25、径向通气孔，26、第一U型凹槽，3、支撑座，31、定位孔，32、圆柱形腔体，33、支撑座螺纹孔，34、第一U型凹槽，35、环形台，36、支撑座进气孔，4、气体静压止推板，41、推板进气孔，42.轴向通气孔，43、通气道，44、推板螺纹孔，45、推板环形排气槽，46、径向排气槽，5、节流器，6、转轴，61、第二环形区，62、转轴环形排气槽，63、第一环形区，7、环形腔，8、气体分流通道。

具体实施方式

参见图1-图2所示，本发明实施例提供一种紧凑型高精度旋转台结构，该轴系结构主要包括支撑座3，支撑座上3设有用于安装转轴6的圆柱形腔体，其中转轴6安装在圆柱形腔体内，转轴6的顶部连接一个工作台1，转轴的外壁与支撑座上的腔体内壁之间设有一定的间隙。

在所述间隙内设有环形套2，该环形套2与圆柱形腔体32设有一个环形腔7，可以向该环形腔7内注入气体，其中环形腔7与主轴的外壁之间通过若干个径向通气孔25相连通。

在环形套2的顶部分别连接一个气体静压推板4，这两个气体静压推板4内均设有气体分流通道8，其中气体分流通道8的一端与环形腔7相连通，另一端通过轴向通气孔42与转轴6的端面相连通。

其中位于环形套2两端的气体静压推板4一个安装在支撑座3上的腔体内，另一个嵌套在工作台1底部的环形槽内。

该实施例提供的轴系结构在腔体的环形套两端分别设置气体静压推板，其中一个安装在腔体内，另一个安装在工作台内，这样可以减小该轴系结构的整体高度，同时环形套内设有环形腔，环形腔通过径向孔与主轴的外壁相连通，气体静压推板上设有气体分流通道，气体分流通道的一端与环形腔相连通，另一端通过轴向孔与转轴的端面相连通，这样在给环形腔通入气体的时候，气体通过径向孔可以给转轴一个径向方向上的气浮限位，通过轴线孔可以给转轴轴向方向的气浮限位，这样能够使得主轴形成一个悬浮状态，底座和转轴这两个相对运动的物体间形成一定量的气膜使其接触摩擦力为零，从而保证旋转台的稳定转动。

具体地，参见图3所示，本实施例中的工作台1为圆形，假设本实施例中转轴连接工作的一侧为上方，在该工作台的底面上设有一个第一环形槽21，其中位于环形套顶部的气体静压推板4嵌套在第一环形槽21内，这样不会因为气体静压推板4而增加工作台的高度。

该工作台1的表面环形槽内部的区域内形成一个中心凸台13，该中心凸台与转轴的顶面相对接，通过螺栓固定连接。环形槽的外部区域形成一个边缘凸台12，边缘凸台12和中心凸台13之间形成环形槽。

工作台的顶部边缘设置成工作台倒角特征11，这样可防止锐边划伤操作人员。

参见图4所示，本实施例中的转轴6是通过上端面、下端面以及外圆柱面形成的一个中空圆柱形结构，且呈上下对称布局特征。

其中转轴的上端面和下端面均设有第二环形区61、转轴环形排气槽62及第一环形区63。

其中安装第一环形区63的表面设有一圈均匀放置的转轴螺纹孔，其中转轴顶部的螺纹孔与工作台1的中心凸台13的螺栓孔相连接，底部的螺纹孔与驱动部件相连接，这样带动工作台的旋转。

气体静压推板4出来的气体作用于第二环形区61，转轴环形排气槽62将第一环形区63和第二环形区61分隔开，其中上气体静压推板4上的转轴环形排气槽62与上气体静压推板和工作台的环形槽之间间隙相连通，这样通过气体静压推板上轴向通气孔出来的气体会通过转轴环形排气槽62进入到上气体静压推板与第一环形槽21之间的间隙，进而排出。而转轴下端面上的转轴环形排气槽62直接将下气体静压推板内出来的气体通过支撑座的底部排出。

参见图5所示，本实施例中的环形套2的外壁面上设有一个第二环形槽14，该环形套2的的两端设有连接孔，这样使得该环形套为一个环状回转的对称法兰类零件。

所述环形套的内壁面上均匀设置若干个径向通气孔25，该径向通气孔25与环形套上的第二环形槽14相连通，这样可以保证将环形腔内的气体通过这些径向通气孔25给转轴一个径向的气浮限位。

该环形套的两端的端面均设有一圈环形套螺纹孔22，气体静压推板上设有对应的推板螺纹孔44，这样可以通过螺栓穿过环形套螺纹孔22与推板螺纹孔44将两者连接起来，同时方便拆卸与安装。

本实施例中环形套两端的端面上设有通气孔23，具体分为上通气孔和下通气孔，通过上通气孔将环形腔与上气体静压推板内的气体分流通道相连通，通过下通气孔将环形腔与下气体静压推板内的气体分流通道相连通，这样进入到环形槽内的气体能够被分流至气体静压推板内。

在本实施例中环形套的外壁面在环形槽的下部区域设有一圈第一U型凹槽26用于安装O型密封圈，这样在环形套2安装在支撑座3上圆柱形腔体内的时候，O型密封圈与腔体的内壁紧贴，这样避免环形槽内的气体从下侧漏出。

进一步地，本实施例中环形套2的外壁位于环形槽的上部区域整体的宽度要大于位于环形槽的下部区域的宽度，这样将环形套放置在支撑座上腔体内的时候，可以通过环形槽的上部区域担在支撑座上圆柱腔体的顶部，在圆柱腔体的顶部边缘上设有上第二U型密封槽34，该第二U型密封槽34内用于安装O型密封圈，当环形套2支撑在圆柱腔体上的时候，通过第二U型密封槽34内的密封圈与环形套2的外壁相接触，这样通过上下密封槽内的密封圈可以保证环形腔的封闭性，保证用于供气压力气体的密封，同时径向进气孔25用于安装节流器5，两者之间为过盈配合状态，保证气密性。

为了实现环形套的固定，在本实施例中支撑座的圆柱腔体的顶部边缘上设有一圈支撑座螺纹孔33，同时环形套2中的外壁位于环形槽的上部区域的边缘设有若干个开口的半圆沉槽孔24，当环形套2安装在圆柱腔体上的时候，环形套上的半圆沉槽孔24与支撑座螺纹孔33相对接，然后通过螺柱将两者连接在一起从而实现环形套的固定。

进一步地，本实施例中连接环形套的两端的气体静压推板4结构相同以及尺寸都是相同的，只是一个嵌套在支撑座的圆柱腔体内，另一个嵌套在工作台底部的环形槽内。

参见图6所示，气体静压推板4为一个中空盘状构件，该气体静压推板是由上端面特征、下端面特征以及侧圆柱面特征组成，其中气体静压推板上的内圈设有一圈轴向通气孔42，外圈设有一圈推板进气孔41，推板进气孔与轴向通气孔之间通过一个通气道43相连通从而形成一个气体分流通道，推板进气孔41与环形套42的上通气孔和下通气孔相连通，这样就实现了将环形腔内的气体能够通过轴向通气孔传42给转轴两端的端面，从而给转轴一个轴向的气浮限位。

同时在气体静压推板还设有推板螺纹孔44，用于与环形套上的环形套螺纹孔22联接安装。

需要说明的就是，本实施例中气体静压推板上的轴向通气孔42内也与节流器5相配合，两者为过盈配合状态，以保证气密性。

本实施例中的气体静压推板4的表面设有一圈推板环形排气槽45，该推板环形排气槽45将气体静压推板上的通气道43连通起来，推板环形排气槽45的圆周方向上连接有若干个径向排气槽46。参见图2所示，当气体静压推板安装在第一环形槽和支撑座内部的时候，气体静压推板与第一环形槽和支撑座之间都设有间隙，这样气体其通过气体静压推板4上的推板进气孔41进入气体分流通道内的时候，多于的气体会通过径向排气槽46排到气体静压推板与第一环形槽和支撑座之间的间隙内，进而排出，避免对转轴的转动产生影响。

参见图7所示，本实施例中用于固定转轴的支撑,3为一回转对称套筒类零件，其中支撑座3的底部呈法兰设置，该底部的法兰上具有一圈均布设置的定位孔31，用于将该轴系与其他部件的链接。同时在该法兰的边缘也设有倒角特征，用于保护操作人员的安全。

该支撑座3的中心设有圆柱形腔体32，通过该圆柱形腔体32的内壁面与环形套2外壁面上的环形槽对接形成环形腔。

该圆柱形腔体32的顶面设有一圈支撑座螺纹孔33，该支撑座螺纹孔33用于环形套顶部边缘的半圆沉槽孔特征24相对接，从而对环形套进行固定。

在支撑座3的圆柱形腔体32内底部设有环形容纳空间35，该环形容纳空间35的内径不仅大于圆柱形腔体32的内径，这样便于下气体静压止推板嵌套在环形容纳空间35内，同时该环形容纳空间35的内径大于下气体静压止推板的内径，这样便于作用在下气体静压止推板上的气体从两者的间隙中流出。

在支撑座3的圆柱形腔体的壁面上设有供气孔36，当环形套2放置在圆柱形腔体32内的时候，供气孔36与环形套上的环形槽相联通，这样可以通过供气孔向环形腔内注入气体。

下面详细说明一下基于上述一种紧凑型气体静压轴系结构的使用方法：

首先，装配前对全部零件进行清洗，去除油污、异物等；对各零件进行检测，查验各零件尺寸、形状、位置及表面质量是否满足图纸设计指标要求；若零件各项指标均检测合格，则转入装配环节。

装配时，首先将多个节流器5零件与气体静压止推板4上的轴向通气孔配合安装；

然后，再将其他节流器5与环形套2的径向通气孔配合安装；完成节流器5零件的安装后，将环形套2安装于支承座3之上。

之后，将下部的气体静压止推板安装于环形套2底部，形成气体静压下止推板。

完成上述工作后，将外界洁净压力气源，接入至支承座3上的支撑座进气孔36。在接入外界洁净压力气源后，将主轴零件安装入环形套2的内孔内；关闭起源，将气体静压止推板4安装于支承座3上端，形成气体静压上止推板。

再次接通外界洁净压力起源，检测主轴零件是否正常浮起。若主轴零件正常浮起，手动拨动之后，旋转平稳，则将工作台安装于主轴之上。

全部零件组装完毕后，再次接入外界洁净压力气源，外界洁净压力气体进入支承座3与环形套2之间的稳压气腔。气体经稳压气腔后，分别经径向和止推各节流器在主轴与径向轴承套间、气体静压上止推板与主轴上端面间、气体静压下止推板与主轴下端面间形成稳定的承载压力气膜，从而实现主轴的高精度、无摩擦支承。

本发明实施例还提供了一种机床，该机床包括上述实施例所述的一种旋转台结构。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种紧凑型气体静压轴系结构，包括底座及安装在底座腔体内的转轴，转轴顶部连接工作台，其特征在于，主轴与腔体之间设有环形腔，环形腔与主轴的外壁通过径向孔相连通，主轴两端的端面分别对接第一连接板和第二连接板，第一连接板嵌套在腔体内，第二连接板嵌套在工作台内，第一连接板和第二连接板上均设有与环形腔连通的气体分离通道，气体分离通道与主轴的端面通过轴向孔相连通。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，主轴与腔体之间设有环形套，环形套与底座可拆卸连接，环形套分别与第一连接板和第二连接板可拆卸连接。

3.如权利要求2所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，环形套的外壁面设有第一环形槽，第一环形槽与腔体的内壁之间形成所述环形腔，底座上设有与环形腔相连通的进气孔。

4.如权利要求2所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，工作台的底部端面设有第二环形槽，第二连接板嵌套在第二环形槽内，第二环形槽的中间区域形成连接台，所述连接台与转轴的端部相连接。

5.如权利要求4所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，主轴的两端的端面均设有与连接台对接的第一环形区以及与第一连接板或第二连接板对接的第二环形区，第一环形区和第二环形区之间设有转轴环形排气槽，作用在主轴上端面的气体能够通过转轴环形排气槽进入到第二连接板与第二环形槽间隙内然后排出底座外部，作用在主轴下端面的气体能够通过转轴环形排气槽直接排出底座外部。

6.如权利要求2所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，环形套两端的端面设有第一螺纹孔，第一连接板和第二连接板上均设有与第一螺纹孔相对接的第二螺纹孔，环形套分别与第一连接板和第二连接板通过螺栓固定在一起。

7.如权利要求1所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，径向孔和轴向孔内安装有用于气体节流器。

8.如权利要求1所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，第一连接板和第二连接板上均设有与环形腔相连接的连接板进气孔，连接板进气孔与气体分离通道相连通。

9.如权利要求1所述的一种紧凑型气体静压轴系结构，其特征在于，所述气体分离通道为多个，在第一连接板和第二连接板上呈圆周设置，在第一连接板和第二连接板均设有环形排气槽，环形排气槽与气体分离通道相连通，环形排气槽的外侧连接有若干个径向排气槽。

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