CN117583629A - 一种气浮高速超精密电主轴结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的气浮高速超精密电主轴结构，采用一对具有锥形轴承腔的气浮轴承组件与两侧呈锥形状的气浮主轴配合，给气浮轴承组件通入压力空气，两个气浮轴承组件同时作用，支撑气浮主轴悬浮旋转，克服了普通机床设备的主轴主要靠轴承机械支撑，机械摩擦磨损相当严重，影响零部件的精密加工精度的问题。而且，通过感应装置不断收集气浮主轴与气浮轴承组件之间形成的气膜间距数据，并配合直线驱动器调整气浮轴承组件的相对位置，使气浮主轴与气浮轴承组件之间形成最优的气膜间距状态，气浮主轴高速旋转加工可靠性好，较好地提高气浮主轴极限转速提升，气浮主轴能够进行高速超精密加工、提高加工精度，兼顾超高转速阶段和中低速阶段的刚度，加工效果更好。
Description
技术领域
本发明属于机床气浮式转轴技术领域，具体涉及气浮高速超精密电主轴结构。
背景技术
随着科学技术的发展，各种机床设备的需求量越来越多，对机床设备精度要求越来越高。对于车、铣、磨等机床设备在关键零部件的高精密加工过程中，主轴或转台旋转的平稳性，磨损程度决定零部件的精密加工精度，普通机床设备的主轴或转台主要靠轴承机械支撑，机械摩擦磨损相当严重，随着加工时间增长，转台旋转的平稳性变差，零部件的精密加工精度很难达到要求，影响工件加工精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中精度机床设备的主轴主要靠轴承机械支撑，机械摩擦磨损相当严重，随着加工时间增长，主轴旋转的平稳性变差，严重影响精密零部件的加工精度存在的问题，提供一种采用气浮轴承支撑主轴运转的气浮高速超精密电主轴结构。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种气浮高速超精密电主轴结构，包括气浮主轴、主轴机体、气浮轴承组件、信息处理系统和直线驱动器；气浮主轴，具有两侧呈锥形状的锥形部以及位于两锥形部之间的止推环；主轴机体，设有贯通的内孔，气浮主轴安置在内孔内，内孔内设有与止推环限位配合的限位结构；气浮轴承组件，对应各锥形部设有一个，气浮轴承组件外侧通过直线轴承可滑动设于所述内孔内壁，所述气浮轴承组件内侧设有锥形轴承腔，所述锥形轴承腔套接在对应的锥形部外侧，所述锥形轴承腔内侧设有若干用于与锥形部之间形成气膜的出气孔；信息处理系统包括控制模块和感应装置，感应装置用于测量锥形部与锥形轴承腔内侧之间形成的气膜的间距；直线驱动器，与气浮轴承组件传动连接，用于根据感应装置反馈的信息驱动气浮轴承组件沿内孔相对移动，调整锥形部与锥形轴承腔内侧之间形成预设数值范围内的气膜间距。
与现有技术相比，本发明的气浮高速超精密电主轴结构，采用一对具有锥形轴承腔的气浮轴承组件与两侧呈锥形状的气浮主轴配合，给气浮轴承组件通入压力空气，两个气浮轴承组件同时作用，支撑气浮主轴悬浮旋转，配合主轴机体内设置与主轴机体的止推环配合限位结构，并形成轴向和径向双向约束，保证静压气浮主轴旋转的平稳性，克服了普通机床设备的主轴主要靠轴承机械支撑，机械摩擦磨损相当严重，随着加工时间增长，转轴旋转的平稳性变差，零部件的精密加工精度很难的问题，使用更可靠。而且，通过感应装置不断收集气浮主轴与气浮轴承组件之间形成的气膜间距数据，并配合直线驱动器调整气浮轴承组件的相对位置，使气浮主轴与气浮轴承组件之间形成最优的气膜间距状态，避免由于气浮主轴高速旋转膨胀和热伸长而与气浮轴承组件之间发生干涉，气浮主轴高速旋转加工可靠性好，较好地提高气浮主轴极限转速提升，气浮主轴能够进行高速超精密加工、提高加工精度，兼顾超高转速阶段和中低速阶段的刚度，加工效果更好。
进一步的，所述气浮主轴还具有位于两锥形部之间的呈圆柱状的水平部，所述止推环设于水平部中部；所述限位结构包括设于所述内孔内壁的间隙隔离部和两个止推轴承，两个止推轴承分别抵接在所述间隙隔离部两侧，所述直线轴承和气浮轴承组件对应地置于两止推轴承的相对外侧，两个止推轴承和间隙隔离部之间形成容纳所述止推环的限位槽，所述限位槽宽度大于所述止推环厚度；通过这样设置，两个止推轴承和间隙隔离部组成与止推环配合的限位结构，较好地实现对气浮主轴沿轴向方向的约束。
进一步的，所述气浮轴承组件包括气浮轴承件和气浮轴承座，所述气浮轴承座呈为法兰结构，所述气浮轴承座的法兰套置于所述内孔内，所述气浮轴承座的法兰盘抵接在所述主轴机体端部且与所述直线驱动器传动连接，所述气浮轴承件固定连接地套接在所述气浮轴承座的法兰套内，所述锥形部设于所述气浮轴承件内侧；通过这样设置，气浮轴承座采用法兰结构，在内孔与气浮轴承件连接的同时延伸出主轴机体外侧与直线驱动器连接，直线驱动器驱动气浮轴承件传动效果好。
进一步的，所述直线驱动器设于所述主轴机体上，所述直线驱动器的推杆与所述法兰盘连接，所述法兰盘与主轴机体的端面之间抵接有弹性件；通过这样设置，使得法兰盘与主轴机体装配连接后，通过增加弹性件抵消两者之间的装配间隙，提高结构装配稳固性和和提高气浮轴承组件在轴向方向上的刚度。
进一步的，所述气浮高速超精密电主轴结构配置有驱动装置，所述气浮主轴一端延伸出所述气孔外侧与所述驱动装置传动连接，所述气浮主轴另一端设有用于夹持刀具的夹具；所述驱动装置包括连接所述主轴机体一侧的固定座，固定座内设有电机定子以及与所述气浮主轴另一端传动配合的电机转子，所述电机转子用于驱动所述气浮主轴运转；通过这样设置，气浮主轴另一端设有用于夹持刀具的夹具，方便使用者根据使用需求更换刀具。
进一步的，所述固定座设有靠近所述主轴机体一侧开口的电机安装腔，所述电机定子和电机转子置于所述电机安装腔内；所述固定座和/或主轴机体设有压缩空气输入口，所述压缩空气输入口通过冷却气道与所述电机安装腔连通，以及所述压缩空气输入口通过气流通道与所述出气孔连通；通过这样设置，使得压缩空气可以进入电机安装腔内对电机转子进行冷却，保证驱动装置工作的稳定性。
进一步的，所述直线轴承与所述内孔以过盈配合方式连接；通过这样设置，直线轴承与内孔装配连接稳固。
进一步的，所述直线驱动器为双向推杆直线驱动器，所述双向推杆直线驱动器两侧的推杆分别对应与两侧的气浮轴承组件传动连接，用于控制两侧的气浮轴承组件同步向相对或相反方向移动；通过这样设置，使得直线驱动器可以同步调整两侧的气浮轴承组件，气膜间距调整效率工作高。
或者，进一步的，所述直线驱动器对应每个气浮轴承组件设有一个；通过这样设置，使得各直线驱动器可以独立调整对应的气浮轴承组件，更容易调整和平衡两侧气膜的间距，调整效果好。
进一步的，所述直线驱动器为双向推杆直线驱动器，所述双向推杆直线驱动器两侧的推杆分别对应与两侧的气浮轴承组件传动连接，用于控制两侧的气浮轴承组件同步向相对或相反方向移动；双向推杆直线驱动器设有两个或以上，所述双向推杆直线驱动器均布地设置在所述主轴机体外周；通过这样设置，直线驱动器设有两个或以上，驱动气浮轴承组件整体移动效果好。
进一步的，所述直线驱动器为压电陶瓷促动器。
附图说明
图1为气浮高速超精密电主轴结构的示意图
图2为气浮高速超精密电主轴结构的剖视图
图3为气浮高速超精密电主轴结构的爆炸图
图4为气浮高速超精密电主轴结构爆炸状态的剖视图
图5为主轴机体的剖视图
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1至图5，本发明的气浮高速超精密电主轴结构，包括气浮主轴1、主轴机体2、气浮轴承组件3、信息处理系统(图未示)和直线驱动器4；气浮主轴1，具有两侧呈锥形状的锥形部11以及位于两锥形部11之间的止推环12；主轴机体2，设有贯通的内孔21，气浮主轴1安置在内孔21内，内孔21内设有与止推环12限位配合的限位结构；气浮轴承组件3，对应各锥形部11设有一个，气浮轴承组件3外侧通过直线轴承6可滑动设于所述内孔21内壁，所述气浮轴承组件3内侧设有锥形轴承腔30，所述锥形轴承腔30套接在对应的锥形部11外侧，所述锥形轴承腔30内侧设有若干用于与锥形部11之间形成气膜的出气孔301；信息处理系统包括控制模块和感应装置，所述感应装置例如为距离感应器，感应装置用于测量锥形部11与锥形轴承腔30内侧之间形成的气膜的间距；直线驱动器4，与气浮轴承组件3传动连接，用于根据感应装置反馈的信息驱动气浮轴承组件3沿内孔21相对移动，调整锥形部11与锥形轴承腔30内侧之间形成预设数值范围内的气膜间距。
本发明的气浮高速超精密电主轴结构，由于气浮轴承组件3的锥形轴承腔30与浮转轴的锥形部11对于配合，直线驱动器4通过驱动气浮轴承组件3沿轴向方向相对移动，即可调整锥形轴承腔30与锥形部11之间的气膜间距。
本发明的气浮高速超精密电主轴结构，不同于传统气浮轴承和气浮轴芯的设计，本发明的方案中，气浮轴承组件3与气浮主轴1间的配合面并非为圆柱面，而是一个小锥度的锥面，这样在气浮轴承组件3与气浮主轴1间产生了轴向的位移后，径向方向上两配合面会相应的远离或靠近，这样就能实现气浮轴承组件3与气浮主轴1间的气膜间隙可调的功能。而实现气膜间隙的高精度可调则需要依靠信息处理系统和直线驱动器4配合协作完成。
与现有技术相比，本发明的气浮高速超精密电主轴结构，采用一对具有锥形轴承腔30的气浮轴承组件3与两侧呈锥形状的气浮主轴1配合，给气浮轴承组件3通入压力空气，两个气浮轴承组件3同时作用，支撑气浮主轴1悬浮旋转，配合主轴机体2内设置与主轴机体2的止推环12配合限位结构，并形成轴向和径向双向约束，保证静压气浮主轴1旋转的平稳性，克服了普通机床设备的主轴主要靠轴承机械支撑，机械摩擦磨损相当严重，随着加工时间增长，转轴旋转的平稳性变差，零部件的精密加工精度很难的问题，使用更可靠。而且，通过感应装置不断收集气浮主轴1与气浮轴承组件3之间形成的气膜间距数据，并配合直线驱动器4调整气浮轴承组件3的相对位置，使气浮主轴1与气浮轴承组件3之间形成最优的气膜间距状态，避免由于气浮主轴1高速旋转膨胀和热伸长而与气浮轴承组件3之间发生干涉，气浮主轴1高速旋转加工可靠性好，较好地提高气浮主轴1极限转速提升，气浮主轴1能够进行高速超精密加工、提高加工精度，兼顾超高转速阶段和中低速阶段的刚度，加工效果更好。
参见图2至图5，在一种实施例中，所述气浮主轴1还具有位于两锥形部11之间的呈圆柱状的水平部13，所述止推环12设于水平部13中部；所述限位结构包括设于所述内孔21内壁的间隙隔离部22和两个止推轴承23，两个止推轴承23分别抵接在所述间隙隔离部22两侧，优选的，两个止推轴承23与间隙隔离部22之间固定连接，所述直线轴承6和气浮轴承组件3对应地置于两止推轴承23的相对外侧，两个止推轴承23和间隙隔离部22之间形成容纳所述止推环12的限位槽231，所述限位槽231宽度大于所述止推环12厚度；通过这样设置，两个止推轴承23和间隙隔离部22组成与止推环12配合的限位结构，较好地实现对气浮主轴1沿轴向方向的约束。
参见图2至图5，在一种实施例中，所述气浮轴承组件3包括气浮轴承件31和气浮轴承座32，所述气浮轴承座32呈为法兰结构，所述气浮轴承座32的法兰套321置于所述内孔21内，所述气浮轴承座32的法兰盘322抵接在所述主轴机体2端部且与所述直线驱动器4传动连接，所述气浮轴承件31固定连接地套接在所述气浮轴承座32的法兰套321内，所述锥形部11设于所述气浮轴承件31内侧；通过这样设置，气浮轴承座32采用法兰结构，在内孔21与气浮轴承件31连接的同时延伸出主轴机体2外侧与直线驱动器4连接，直线驱动器4驱动气浮轴承件31传动效果好。
参见图2至图5，在一种实施例中，所述直线驱动器4设于所述主轴机体2上，所述直线驱动器4的推杆通过主轴机体2的避让孔26与所述法兰盘322连接，所述法兰盘322与主轴机体2的端面之间抵接有弹性件33，所述法兰盘322与主轴机体2的端面相对的一侧分别设有凹槽331，所述弹性件33为两端抵接在相对两个凹槽331内的弹簧；通过这样设置，使得法兰盘322与主轴机体2装配连接后，通过增加弹性件33抵消两者之间的装配间隙，提高结构装配稳固性和和提高气浮轴承组件3在轴向方向上的刚度。
在进一步的实施例中，所述弹性件33沿所述主轴机体2周向方向设有多个。
参见图2至图5，在一种实施例中，所述气浮高速超精密电主轴结构配置有驱动装置5，所述气浮主轴1一端延伸出所述气孔外侧与所述驱动装置5传动连接，所述气浮主轴1另一端设有用于夹持刀具的夹具；所述驱动装置5包括连接所述主轴机体2一侧的固定座51，固定座51内设有电机定子(图未示)以及与所述气浮主轴1另一端传动配合的电机转子52，所述电机转子52用于驱动所述气浮主轴1运转；通过这样设置，气浮主轴1另一端设有用于夹持刀具的夹具，方便使用者根据使用需求更换刀具。
参见图2至图5，在一种实施例中，所述固定座51设有靠近所述主轴机体2一侧开口的电机安装腔53，所述电机定子和电机转子52置于所述电机安装腔53内；所述固定座51和/或主轴机体2设有压缩空气输入口54，所述压缩空气输入口54通过冷却气道55与所述电机安装腔53连通，以及所述压缩空气输入口54通过气流通道(图未示)与所述出气孔301连通；通过这样设置，使得压缩空气可以进入电机安装腔53内对电机转子52进行冷却，保证驱动装置5工作的稳定性。因为气浮主轴1转动时自身会产生离心膨胀和热伸长，都会影响气膜间隙的调整，通过设置的气流通道和冷却气道55能有效带走气浮主轴1的发热量，使气浮主轴1更快地到达稳定状态，减少气膜间隙调整时间。
参见图2和图5，在一种实施例中，所述直线轴承6与所述内孔21以过盈配合方式连接，所述气浮轴承组件3与直线轴承6以过盈配合方式连接；通过这样设置，这样就限制了气浮轴承组件3在直径方向上的自由度并且能很好的保证了气浮轴承组件3和主轴机体2的同轴度，使得气浮轴承组件3仅可沿轴线移动。
参见图2，在一种实施例中，所述直线驱动器4为双向推杆直线驱动器4，所述双向推杆直线驱动器4两侧的推杆分别对应与两侧的气浮轴承组件3传动连接，用于控制两侧的气浮轴承组件3同步向相对或相反方向移动；通过这样设置，使得直线驱动器4可以同步调整两侧的气浮轴承组件3，气膜间距调整效率工作高。
在一种替换的实施例中，所述直线驱动器4对应每个气浮轴承组件3设有一个；通过这样设置，使得各直线驱动器4可以独立调整对应的气浮轴承组件3，更容易调整和平衡两侧气膜的间距，调整效果好。
在进一步的实施例中，所述双向推杆直线驱动器4设有两个或以上，所述双向推杆直线驱动器4均布地设置在所述主轴机体2外周；通过这样设置，直线驱动器4设有两个或以上，驱动气浮轴承组件3整体移动效果好，避免驱动气浮轴承组件3沿内孔21轴向方向移动时出现不均匀受力的情况，使气浮轴承组件3平稳地调整移动。
参见图2，在一种实施例中，所述直线驱动器4为压电陶瓷促动器。所述压电陶瓷促动器是一种可以将压电陶瓷微小的位移量放大数十倍甚至数百倍的装置。在本发明中，气浮轴承组件3和主轴机体2通过压电陶瓷促动器进行轴向连接。当给压电陶瓷促动器输入给定电压时，压电陶瓷促动器会发生轴向收缩，带动气浮轴承组件3往止推环12合拢。当撤去给定电压时，压电陶瓷促动器会恢复原有长度。
参见图1至图5，气浮高速超精密电主轴结构工作时，所述信息处理系统会不断收集感应装置采集到的实际气膜间隙，并通过预设的程序计算后将电压信号反馈给直线驱动器4。当用户改变气浮主轴1运转转速时，系统会持续根据预设数据库判断实际气膜间隙是否已满足当前转速最优间隙，如未满足，此系统会继续控制直线驱动器4动作，直至满足为止。
另外，气浮主轴1切换至低速时，信息收集系统判断出当前气膜间隙与转速不匹配，会发出电压信号控制直线驱动器4收缩，带动气浮轴承组件3往止推盘合拢，表现为气膜间隙减小,气浮轴承组件3刚度和承载力增加，气浮主轴1能够进行粗加工。气浮主轴1切换至高速时，信息收集系统判断出当前气膜间隙与转速不匹配，会发出电压信号控制直线驱动器4伸长，此时由弹性件33带动气浮轴承组件3远离止推环12，表现为气膜间隙增大，主轴极限转速提升，主轴能够进行高速超精密加工。
参见图1至图5，本发明的气浮高速超精密电主轴结构，将直线驱动器4、直线轴承6与气浮轴承组件3耦合，使得具有锥形状的气浮轴承组件3在直线驱动器4的作用下进行轴向位移，进行气膜间隙的调控。加上用位移传感器实时测量实际气膜间隙进行闭环控制，可实现气膜间隙的精准调控。
本发明使用止推环12对气浮主轴1中置、驱动装置5后置结构，使气浮主轴1具有较好的轴系的动力学特性、热特性、刚度特性并能有效降低锥涡摆动，提高加工精度。以及利用直线驱动器4对锥型气浮主轴1进行位移，并联合位移传感器进行闭环控制，可进行对气膜间隙的精准调控，使气浮主轴1在每个转速下均能保持最佳性能。兼顾超高转速阶段和中低速阶段的刚度、功率、回转精度和热伸长波动等关键性能指标，利用一根气浮主轴1即可实现中低速大切削深度、高速超精加工的复合功能，减少更换机床带来的加工误差，实现高性能加工。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，包括：
气浮主轴，具有两侧呈锥形状的锥形部以及位于两锥形部之间的止推环；
主轴机体，设有贯通的内孔，气浮主轴安置在内孔内，内孔内设有与止推环限位配合的限位结构；
气浮轴承组件，对应各锥形部设有一个，气浮轴承组件外侧通过直线轴承可滑动设于所述内孔内壁，所述气浮轴承组件内侧设有锥形轴承腔，所述锥形轴承腔套接在对应的锥形部外侧，所述锥形轴承腔内侧设有若干用于与锥形部之间形成气膜的出气孔；
信息处理系统，包括控制模块和感应装置，感应装置用于测量锥形部与锥形轴承腔内侧之间形成的气膜的间距；
直线驱动器，与气浮轴承组件传动连接，用于根据感应装置反馈的信息驱动气浮轴承组件沿内孔相对移动，调整锥形部与锥形轴承腔内侧之间形成预设数值范围内的气膜间距。
2.根据权利要求1所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述气浮主轴还具有位于两锥形部之间的呈圆柱状的水平部，所述止推环设于水平部中部；
所述限位结构包括设于所述内孔内壁的间隙隔离部和两个止推轴承，两个止推轴承分别抵接在所述间隙隔离部两侧，所述直线轴承和气浮轴承组件对应地置于两止推轴承的相对外侧，两个止推轴承和间隙隔离部之间形成容纳所述止推环的限位槽，所述限位槽宽度大于所述止推环厚度。
3.根据权利要求1所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述气浮轴承组件包括气浮轴承件和气浮轴承座，所述气浮轴承座呈为法兰结构，所述气浮轴承座的法兰套置于所述内孔内，所述气浮轴承座的法兰盘抵接在所述主轴机体端部且与所述直线驱动器传动连接，所述气浮轴承件固定连接地套接在所述气浮轴承座的法兰套内，所述锥形部设于所述气浮轴承件内侧。
4.根据权利要求3所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述直线驱动器设于所述主轴机体上，所述直线驱动器的推杆与所述法兰盘连接，所述法兰盘与主轴机体的端面之间抵接有弹性件。
5.根据权利要求3所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述气浮高速超精密电主轴结构配置有驱动装置，所述气浮主轴一端延伸出所述气孔外侧与所述驱动装置传动连接，所述气浮主轴另一端设有用于夹持刀具的夹具；
所述驱动装置包括连接所述主轴机体一侧的固定座，固定座内设有电机定子以及与所述气浮主轴另一端传动配合的电机转子，所述电机转子用于驱动所述气浮主轴运转。
6.根据权利要求5所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述固定座设有靠近所述主轴机体一侧开口的电机安装腔，所述电机定子和电机转子置于所述电机安装腔内；
所述固定座和/或主轴机体设有压缩空气输入口，所述压缩空气输入口通过冷却气道与所述电机安装腔连通，以及所述压缩空气输入口通过气流通道与所述出气孔连通。
7.根据权利要求1所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述直线轴承与所述内孔以过盈配合方式连接。
8.根据权利要求1至7任一项所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述直线驱动器为双向推杆直线驱动器，所述双向推杆直线驱动器两侧的推杆分别对应与两侧的气浮轴承组件传动连接，用于控制两侧的气浮轴承组件同步向相对或相反方向移动；
或者，所述直线驱动器对应每个气浮轴承组件设有一个。
9.根据权利要求1至7任一项所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述直线驱动器为双向推杆直线驱动器，所述双向推杆直线驱动器两侧的推杆分别对应与两侧的气浮轴承组件传动连接，用于控制两侧的气浮轴承组件同步向相对或相反方向移动；
双向推杆直线驱动器设有两个或以上，所述双向推杆直线驱动器均布地设置在所述主轴机体外周。
10.根据权利要求8所述的气浮高速超精密电主轴结构，其特征在于，所述直线驱动器为压电陶瓷促动器。
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