CN116000655A - 一种气浮轴轴向误差补偿机构 - Google Patents
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Abstract
一种气浮轴轴向误差补偿机构，属于超精密加工装备技术领域。主轴转子同轴设置在轴承座的内腔内，主轴转子和轴承座之间设置驱动装置，驱动装置能够驱动主轴转子轴向移动。本发明整体结构较为紧凑，通过轴向位移传感器和轴向速度传感器获取的信号确定主轴转子的实际轴向位置，并与理论位置进行比较，利用驱动装置产生的电磁力直接控制主轴转子进行轴向运动来消除二者之间的差值，补偿气浮轴的轴向误差，提高机床加工精度，由于可以控制主轴转子进行轴向运动，因此也能实现对非旋转对称表面的加工。本发明气浮轴轴向刚度高，同时气浮主轴单元可以代替车床的轴向滑块的功能，这使车床的总导轨数量减少，使工件和工具之间的结构环刚度增加。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工装备技术领域，具体涉及一种气浮轴轴向误差补偿机构。
背景技术
在超精密加工装备领域中，对所加工零件的精度要求越来越高，由于气体静压轴承具有摩擦小、温升小、有较大承载力、精度高等优点，被广泛应用到超精密加工装备中。气体静压轴承是以气体作为润滑剂，依靠气体压力源提供恒定的压力，让压缩气体在经过节流孔之后，在轴与轴套的耦合面处形成润滑气膜，润滑气膜可将轴及其负载完全浮起，并为其提供支撑刚度，由于润滑膜具有误差均化的作用，可以减小轴承零部件加工误差对于气浮轴承回转精度的影响。当轴承受到的负载出现变化时，轴与轴套之间的耦合面间隙出现变化，由于气体分压原理，轴与轴套耦合面间隙小的地方分压大，进而使轴始终能保持在轴套中心位置。由于气体静压轴承精度高、摩擦小、温升小、且具有误差均化的作用，气体静压轴承广泛应用于超精密加工装备领域。
虽然气体静压轴承具有如此多的上述优点，但是随着精密产品的持续微型化，零件的公差不断变小。由于气体静压轴承轴向误差的存在，使超精密机床在加工微型化零件时难以满足要求，尤其是通过端面车的工艺加工微型化零件。使用在轴向和径向轴承表面之间具有刚性耦合的主轴，工件车削面的精度主要受限于主轴的轴向误差运动。这种运动是由主轴和轴承座的轴向轴承表面相对于主轴旋转轴的对齐误差引起的。主轴每转一圈就在轴向做一次正弦波运动。在这样的主轴上车削的表面会出现形状偏差。主轴轴向误差运动的另一个影响是对机器框架的激励，这可能导致机床设备中出现共振。
发明内容
为了减小气体静压轴承的轴向误差，提高气体静压轴承的轴向刚度同时实现非旋转对称表面的加工，本发明提供了一种气浮轴轴向误差补偿机构。
本发明所采取的技术方案是：
一种气浮轴轴向误差补偿机构，包括轴承座、主轴转子及驱动装置；所述主轴转子同轴设置在轴承座的内腔内，主轴转子和轴承座之间设置驱动装置，所述驱动装置能够驱动主轴转子轴向移动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明整体结构较为紧凑，通过轴向位移传感器和轴向速度传感器获取的信号确定主轴转子的实际轴向位置，并与理论位置进行比较，利用驱动装置产生的电磁力直接控制主轴转子进行轴向运动来消除二者之间的差值，补偿气浮轴的轴向误差，可以避免由主轴转子和轴承座的轴向轴承表面相对于主轴转子旋转轴的对齐误差引起的加工工件的形状误差，提高机床加工精度，由于可以控制主轴转子进行轴向运动，因此也能实现对非旋转对称表面的加工。
2.本发明通过永磁体和线圈产生的电磁力直接作用于主轴转子，从而使气浮轴轴向刚度高，同时气浮主轴单元可以代替车床的轴向滑块的功能，这使车床的总导轨数量减少，使工件和工具之间的结构环刚度增加。
3.本发明由于驱动装置的磁路一部分安装在平衡质量上，减小了转动部件的质量。
4.由于平衡质量通过线圈和永磁体产生的电磁力与轴承座连接，减小平衡质量作用在轴承座的反作用力。
5.由于通过驱动装置控制主轴转子的轴向运动，可以抵消主轴轴向误差运动，避免由主轴轴向误差运动引起的机床设备共振。
6.由于通过驱动装置控制主轴转子的轴向运动，可以实现对非旋转对称表面的加工。
7.由于轴向位移传感器设在靠近加工零件一侧，减小温度变化对测量精度的影响。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中：1、轴承座；2、轴向速度传感器；3、转速传感器；4、平衡质量位置传感器；5、平衡质量；6、驱动装置；61、永磁体A；62、线圈A；7、连接装置；71、永磁体B；72、线圈B；8、主轴转子；9、轴向位移传感器；10、销。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
参照图1所示，本发明的一种气浮轴轴向误差补偿机构，包括轴承座1、主轴转子8及驱动装置6；所述主轴转子8为一圆柱状结构，所述主轴转子8同轴设置在轴承座1的内腔内，主轴转子8和轴承座1之间设置驱动装置6，所述驱动装置6能够驱动主轴转子8轴向移动。
所述气浮轴轴向误差补偿机构还包括平衡质量5；所述平衡质量5同轴间隙设置在驱动装置6和轴承座1之间，所述驱动装置6包括永磁体A61及线圈A62；所述永磁体A61通过其磁座固定在主轴转子8上，所述线圈A62通过其线圈座固定在平衡质量5上，驱动装置6通过电磁力控制主轴转子8轴向运动。
驱动装置6的线圈A62在平衡质量5上，减小了主轴转子8的质量。永磁体A61及线圈A62之间形成闭合磁路，当线圈A62通电时，在磁场作用下会在永磁体A61及线圈A62之间产生轴向的力，从而能够控制主轴转子8的轴向运动，通过改变线圈A62两端电压的极性来控制主轴转子8的运动方向，由于电磁力直接作用在主轴转子8上，提高了气浮轴的轴向刚度；
所述轴承座1内腔两端凸起处与主轴转子8配合形成主轴的径向轴承，轴承座1内腔中间凸起与平衡质量5配合形成平衡质量5的径向轴承。
所述平衡质量5和轴承座1之间安装有连接装置7；所述连接装置7包括永磁体B71及线圈B72；所述永磁体B71通过其磁座固定在平衡质量5上，线圈B72通过其线圈座固定在轴承座1上，连接装置7产生的电磁力作用在平衡质量5上，能够减小平衡质量5作用在轴承座1的反作用力。
平衡质量5通过线圈和永磁体产生的电磁力与轴承座1连接，由于平衡质量5与轴承座1不是刚性连接，平衡质量5在做高频轴向往复运动时，平衡质量5作用在轴承座1的力会小于平衡质量5作用在主轴转子8上的力，减小平衡质量5作用在轴承座1的反作用力。
所述主轴转子8两端分别设有轴向速度传感器2和轴向位移传感器9，用于检测主轴转子8的轴向速度和位移。轴向位移传感器9为一圆柱光栅传感器，且设置在靠近加工零件的一侧，减小温度变化对测量精度的影响。
所述主轴转子8中部设有转速传感器3，用于检测主轴转子8的转速。
所述平衡质量5在靠近轴向速度传感器2的一端设有平衡质量位置传感器4。
转速传感器3和平衡质量位置传感器4为集成于一体的光学测量系统。转速传感器3由带有狭缝的圆环和读数头组成，平衡质量位置传感器4通过检测转速传感器3读数头获取的光源信号的大小，输出平衡质量位置。
本误差补偿机构通过轴向位移传感器9和轴向速度传感器2获取的信号确定主轴转子8的实际轴向位置，并与理论位置进行比较，利用驱动装置6产生的电磁力直接控制主轴转子8进行轴向运动来消除二者之间的差值，补偿气浮轴的轴向误差，提高机床加工精度。
连接装置7设置在平衡质量5远离轴向速度传感器2的一端。
所述驱动装置6的线圈A62所绕成的轴向长度大于闭合磁路气隙的轴向长度，使在磁路中线圈A62的长度恒定，通过控制通过线圈A62的电流的大小即可控制作用在主轴转子8的电磁力。
所述平衡质量5通过销10连接到轴承座1上限制其转动而不限制其轴向运动。销10沿轴承座1轴向设置，销10一端与轴承座1固定连接，销10另一端滑动插入平衡质量5设置的滑槽内，从而实现对平衡质量5的限位。或者，销10一端与轴承座1的滑槽滑动连接，销10另一端与平衡质量5固定连接。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：包括轴承座(1)、主轴转子(8)及驱动装置(6)；所述主轴转子(8)同轴设置在轴承座(1)的内腔内，主轴转子(8)和轴承座(1)之间设置驱动装置(6)，所述驱动装置(6)能够驱动主轴转子(8)轴向移动。
2.根据权利要求1所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述气浮轴轴向误差补偿机构还包括平衡质量(5)；所述平衡质量(5)同轴间隙设置在驱动装置(6)和轴承座(1)之间，所述驱动装置(6)包括永磁体A(61)及线圈A(62)；所述永磁体A(61)固定在主轴转子(8)上，所述线圈A(62)固定在平衡质量(5)上，驱动装置(6)通过电磁力控制主轴转子(8)轴向运动。
3.根据权利要求2所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述轴承座(1)内腔两端凸起处与主轴转子(8)配合形成主轴的径向轴承，轴承座(1)内腔中间凸起与平衡质量(5)配合形成平衡质量(5)的径向轴承。
4.根据权利要求2所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述平衡质量(5)和轴承座(1)之间安装有连接装置(7)；所述连接装置(7)包括永磁体B(71)及线圈B(72)；所述永磁体B(71)固定在平衡质量(5)上，线圈B(72)固定在轴承座(1)上，连接装置(7)产生的电磁力作用在平衡质量(5)上，能够减小平衡质量(5)作用在轴承座(1)的反作用力。
5.根据权利要求2所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述主轴转子(8)两端分别设有轴向速度传感器(2)和轴向位移传感器(9)，用于检测主轴转子(8)的轴向速度和位移。
6.根据权利要求5所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述主轴转子(8)中部设有转速传感器(3)，用于检测主轴转子(8)的转速。
7.根据权利要求5所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述平衡质量(5)在靠近轴向速度传感器(2)的一端设有平衡质量位置传感器(4)。
8.根据权利要求2所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述驱动装置(6)的线圈A(62)所绕成的轴向长度大于闭合磁路气隙的轴向长度，通过控制通过线圈A(62)的电流的大小即可控制作用在主轴转子(8)的电磁力。
9.根据权利要求2所述的一种气浮轴轴向误差补偿机构，其特征在于：所述平衡质量(5)通过销(10)连接到轴承座(1)上限制其转动而不限制其轴向运动。
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