CN117716139A - 用于精密线性运动导引的静压轴承 - Google Patents

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Abstract

根据示例，一种静压轴承包括滑架和导轨，所述导轨在与所述滑架组合时提供所述滑架相对于所述导轨的线性运动。所述静压轴承被构造为在所述滑架与所述导轨之间没有机械接触的情况下通过向所述滑架中的多个轴承匣供应加压的不可压缩流体而在所述滑架与所述导轨之间传递力。所述多个轴承匣中的每一个由轴承垫的轴承面封闭，并且所述轴承垫包括为平行四边形、梯形、箭头或边缘大体上不与运动方向正交的任何其他形状的总体形状。

Description

用于精密线性运动导引的静压轴承
技术领域
本公开总体上涉及静压轴承，并且更具体地，涉及一种用于精密线性运动导引的静压轴承。
背景技术
静压轴承用于在机器(诸如机床)中实现精密线性运动。在美国专利号5,466,071、美国专利号5,871,285、斯洛克姆(Slocum)的《精密机械设计》(Precision MachineDesign)(普伦蒂斯·霍尔出版社，1992年)以及欧洲专利号0 304 090中描述了静压轴承的典型示例，这些文献中的每一者以全文引用的方式并入本文。然而，这些典型的静压轴承可能有缺陷。
发明内容
根据一个示例，一种静压轴承包括滑架和导轨，所述导轨在与所述滑架组合时提供所述滑架相对于所述导轨的线性运动。所述静压轴承被构造为在所述滑架与所述导轨之间没有机械接触的情况下通过向所述滑架中的多个轴承匣(bearing pockets)供应加压的不可压缩流体而在所述滑架与所述导轨之间传递力。所述多个轴承匣中的每一个由轴承垫的轴承面封闭，并且所述轴承垫包括为平行四边形、梯形、箭头或边缘大体上不与运动方向正交的任何其他形状(例如，运动方向是线性的并且由线定义，而所述轴承垫的所述边缘不位于与所述线正交的平面上)的总体形状，其中。在一些示例中，所述轴承垫的形状最小化因轴承轨道表面中的周期性图案而引起的滑架误差运动。在一些示例中，所述形状还固有地分配压力以在维持刚度的同时最小化滑架误差运动。
根据另一示例，一种静压(加压流体膜)线性轴承包括加压匣，所述加压匣用于在轴承面上供应流体，从而实现高轴承刚度和负载能力。在一些示例中，所述加压匣和轴承面的几何形状通过沿行进方向在一定距离上分配压力来实现精密机器运动，从而减少轴承轨道表面中的周期性图案的影响。
根据又一示例，一种静压线性轴承包括静压轴承垫，所述静压轴承垫具有这样的形状，其减少由轴承轨道表面中的周期性几何图案引起的静压线性轴承的误差运动。在一些示例中，这种形状提供了线性轴线运动的精度的改进。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其特征和优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：
图1A至图1C是具有六对相反的轴承垫的示例性静压轴承的等距视图。
图2A(顶视图)和图2B(侧视图)是包括滑架和轨道的线性静压轴承的简化图。图2A至图2B的轴承垫是矩形形状的，这在现有技术中已知。
图3A至图3C示出了可以减少因周期性轨道直线度误差引起的滑架误差运动的线性静压轴承垫形状的示例。
图4示出了可以减少因周期性轨道直线度误差引起的滑架误差运动的另一示例线性静压轴承垫形状，其中轴承垫呈具有垂直于行进方向定向的小节段的箭头形状。
图5A(顶视图)和图5B(侧视图)是包括滑架和轨道的示例线性静压轴承的简化图，其中轴承垫被成形为平行四边形。
图6是在线性静压轴承的运动期间产生的力变化的曲线图，该力变化由波长l和幅度a的轴承轨道的周期性图案引起。
具体实施方式
通过参考附图中的图1A至图6来最好地理解本公开的示例，相同的数字用于各图的相同和对应部分。
静压轴承用于在机器(诸如机床)中实现精密线性运动。线性静压轴承包括滑架和导轨，滑架在该导轨上移动或滑动。典型地，轨道比滑架长，并且具有平直表面以便滑架沿着其移动，从而产生单自由度线性运动。滑架包含轴承垫，每个轴承垫包括轴承匣和轴承面(bearing land)。轴承匣容纳加压流体，该加压流体流过轴承面以通过加压流体的薄膜将滑架和轨道分开，从而防止机械接触。轴承面具有一定宽度，在该宽度上，膜的压力从在轴承匣中的压力下降到大气压力。膜提供刚度以及在滑架和轨道之间的减小摩擦的运动。流体可以是当在轴承匣中处于压力下时会将滑架和轨道分开的油、水或任何其他不可压缩的流体。
当滑架沿着轨道移动时，滑架遵循轨道表面的几何形状。例如，如果轨道表面具有为弧形的总体形状而不是直线，则滑架将遵循弧形。精密运动应用需要平直的线性运动，并且偏离直线的运动被分类为误差运动。尽管不期望误差运动，但制造完全平直的轨道表面并不现实。典型地，通过包含固有误差运动的机器来制造轨道表面，这些固有误差运动会直接影响轨道表面的几何形状。机器误差运动典型地不是随机的，但本质上是周期性的。例如，上文讨论的弧形可以通过表现出具有特定空间波长的正弦图案的轨道表面来描述。如果波长正弦图案较小，则滑架的误差运动因流体膜刚度的平均效应而较小，例如，如果波长比轴承面宽度小得多或短得多的话。因此，在一些示例中，可以通过维持轨道表面中的周期性图案的小幅度来实现精密运动，其中图案的波长比轴承面宽度小得多。实现低幅度周期性图案对于比如表面研磨等过程来说并不总是实际。另外，可以增加轴承面宽度以减小周期性图案的影响，但增加轴承面宽度会减小轴承刚度，因此是不期望的。
图1A至图1C示出了具有六对相反的轴承垫18的静压线性轴承的示例，所述轴承垫18具有矩形形状。轴承垫18平行并相反地定向，使得由轴承垫18施加到滑架30的力是相等且相反的，从而在正交于运动的平面中对滑架30产生零力。轴承垫18具有矩形形状，其中所有垫18都具有一对相反的垫，但可以利用其他布置和数量的轴承垫18来实现零力，诸如鸠尾轨道和滑架。图1A和图1B是静压轴承的滑架30的等距视图，并且图1C是与静压轴承的导轨31组合的滑架30的等距视图。
静压轴承包括滑架30和导轨31。滑架30包括容纳加压流体的轴承垫18。流体可以是油或水，或者任何不可压缩的流体。轨道31可以是具有滑架30绕其平移的横截面的任何平直物体。该横截面可以是正方形、三角形、圆形或任何形状，使得轴承垫18可以定向为使得由轴承垫18产生的力的和可以共计为零(其示例可见于欧洲专利号0 304 090中)。
加压流体流经轴承面21以产生高刚度和压膜阻尼(squeeze film damping)。轴承面21与轨道31之间的间隙(图2中示出)典型地是大约8至25微米，但大小可以根据需要而定以产生高刚度和压膜阻尼。轴承匣20中的加压流体可以由毛细管限制器(capillaryrestrictor)50、孔口限制器或任何类型的限制方法来限制。由毛细管限制器50限制的轴承垫18的示例在图5A至图5B中示出。限制器50置于供应压力与轴承匣20之间。轴承匣20可以具有任何深度，使得在轴承面21上实现高刚度和压膜阻尼。
对于精密运动应用，诸如机床的线性轴线，滑架30的运动应尽可能平直。如果轨道表面在运动方向上并非几何平直，则滑架30可能具有不期望的运动或误差运动。误差运动可以是彼此正交且与行进方向正交的两种线性误差运动的组合，并且三种角误差运动被称为滚转、俯仰和偏航。
图2A至图2B是包括滑架和轨道的线性静压轴承的简化图。图2A至图2B的轴承垫18是矩形形状的，这在现有技术中已知。轴承轨道表面具有波长l和幅度a的周期性图案。轴承的标称间隙被定义为h0，轴承面宽度被定义为B，轴承面长度被定义为L，供应压力被定义为ps，大气压力被定义为pa。
如果假设轨道表面的几何形状是周期性图案40的总和(其示例在图2A至图2B中示出)，则滑架30的误差运动将是由每个周期性图案40引起的误差运动的总和。因此，滑架30的总误差运动将随着周期性图案40的幅度和波长而变。误差运动在滑架30沿着轨道31横穿时发生，从而经过轨道31中的周期性图案40，因此，导致由压膜产生的有效力发生变化。力的变化导致滑架30的位置变化，这被称为误差运动。
轨道31的周期性图案40可能源于各种来源。例如，可能在本身具有误差运动的机床上制造轨道31。这些误差运动将影响轨道31表面。另外，用于制造轨道31的工具形状可能会影响轨道31表面几何形状。例如，具有给定数量的切削边缘的铣削工具可能会在该铣削工具对轨道31表面进行机加工时在轨道31表面上产生图案。在另一示例中，表面研磨机床上的磨轮可能不是圆的，因此磨轮的振动导致轨道31表面上的周期性结构。
减少周期性图案40对轨道31的影响的一种方法是使轨道31在机器上旋转或偏斜，使得直线度误差不正交于轨道31线性方向。但由于机床的空间和大小约束，这种方法并非始终实际。例如，在轨道31偏斜时，机器轴线所要求的行进长度增加，这可能会超过机床行进长度。另外，机床上的安装表面的大小可能不够，因为轨道31的有效宽度在轨道31偏斜时增加。
最小化周期性图案40对轨道31表面的影响的另一种方法是将周期性图案40定位在轨道31的相反侧上，使得力的变化被抵消。这种技术用于长波长误差，诸如比轨道31长度长的波长。例如，轨道31表面可以具有弧状形状，并且弧状形状的径向在相反的轨道表面上。由每个相反的垫18施加的力在滑架30沿着轨道31行进时发生变化，但这些力始终是相等且相反的，并且因此，在一些示例中，没有发生误差运动。这种策略对于长波长是可能的，但对于短波长(例如，比轴承面21宽度短)，这种策略具有挑战性。周期性误差的对准或相位难以在机床上对准。
本公开的静压轴承可以解决这些缺陷中的一者或多者。根据一个示例，静压轴承包括滑架30和导轨31，该导轨在与滑架30组合时提供滑架30相对于导轨31的线性运动。静压轴承被构造为通过向滑架30中的轴承匣20供应加压的不可压缩流体来在滑架30与导轨31之间传递力，而滑架30与导轨31之间没有机械接触。轴承匣20中的每一者由轴承垫18的轴承面21封闭，并且轴承垫18包括为平行四边形、梯形、箭头或其边缘大体上不与运动方向正交的任何其他形状的总体形状。在一些示例中，轴承垫18的形状最小化因轴承轨道表面中的周期性图案40而引起的滑架误差运动。在一些示例中，该形状还固有地分配压力以在维持刚度的同时最小化滑架误差运动。此外，轴承垫18是用于线性轴承，而不是旋转轴承。
图3A至图3C示出了可以减少因周期性轨道直线度误差引起的滑架误差运动的线性静压轴承垫18形状。在图3A中，轴承垫18是没有直角的平行四边形的形状。在图3B中，轴承垫18是梯形的形状。在图3C中，轴承垫18是箭头的形状。
如上文所提及，在一些示例中，轴承垫18(其中轴承垫18包括轴承面21和轴承匣20)的形状使得边缘大体上不与运动方向正交。例如，矩形可以在行进方向上具有偏斜，以产生平行四边形形状的轴承垫18(参见图3A)。轴承垫18的偏斜被定义为偏斜率m乘以轴承面宽度B。在一些示例中，偏斜率m必须大于零以实现具有不与运动方向正交的边缘的形状。偏斜率的典型值是1.0，但该值可以更高，诸如10.0。如图3A所示，轴承垫18具有平行于运动方向的线，但没有正交于运动方向的线。此外，轴承面21和轴承匣20可以遵循轴承垫18的形状，并且因此，轴承面21和/或轴承匣20也可以没有正交于运动方向的边缘。
在其他示例中，轴承垫18可以具有梯形形状，该梯形形状没有正交于运动方向的线，如图3B所示。在其他示例中，偏斜mB可以在轴承面21长度上出现多次，诸如图3C中的箭头形状，该箭头形状在轴承面21长度上具有2个区段。
其他轴承垫18形状可以是可能的，同时仍实现大体上不正交于运动方向的线。例如，图4示出了可以减少因周期性轨道直线度误差引起的滑架误差运动的示例线性静压轴承垫18形状，其中轴承垫18呈具有垂直于行进方向定向的小节段42的箭头形状。轴承的偏斜被定义为偏斜率m乘以轴承面宽度B。如在图4中所见，轴承垫18呈具有垂直于(即，正交于)行进方向定向的轴承面21的小节段42的箭头形状，使得仍减少因周期性图案引起的滑架的误差运动。因此，在一些示例中，少量的轴承垫18可以正交并且仍实现期望的效果。
图5A至图5B是包括滑架和轨道的示例线性静压轴承的简化图。轴承垫18是平行四边形形状的。轴承轨道表面具有波长l和幅度a的周期性图案。轴承的标称间隙被定义为h0，轴承面宽度被定义为B，轴承面长度被定义为L，供应压力被定义为ps，大气压力被定义为pa。轴承匣20中的压力已经由流体供应源与轴承匣20之间的毛细管限制器50补偿。毛细管限制器50产生压降，该压降增加了轴承的刚度。这一般被称为补偿型静压轴承。
图6是在线性静压轴承的运动期间产生的力变化的曲线图，该力变化由波长l和幅度a的轴承轨道31的周期性图案引起。轴承的标称间隙被定义为h0，轴承面宽度被定义为B，轴承面长度被定义为L，供应压力被定义为ps，大气压力被定义为pa。变量m被定义为偏斜率，该偏斜率等于平行四边形形状的轴承垫18的偏斜距离除以轴承面宽度。该曲线图包括定义各种轴承垫18形状的3条线。第一条线(实线)定义m＝0，其为矩形垫(现有技术)。在第二条线(长虚线)中，对于m＝0.1，偏斜量是轴承面宽度的10％。在第三条也是最后一条线(短虚线)中，对于m＝1，偏斜量是轴承面宽度的100％。轴承垫的示例形状还在具有对应线类型的图上示出。该曲线图示出了随着m增加，力的变化减小。可以假设轴承具有线性刚度，因此，力的变化减小导致滑架的误差运动减少。
已经参考各种非限制性和非详尽示例撰写了本说明书。然而，本领域普通技术人员将认识到，在本说明书的范围内，可以对所公开的示例(或其部分)中的任一者进行各种替换、修改或组合。因此，应设想并理解，本说明书支持未在本说明书中明确阐述的额外的示例。此类示例可以通过例如将本说明书中描述的各种非限制性和非详尽示例的所公开的步骤、部件、元件、特征、方面、特性、限制等中的任一者进行组合、修改或重新组织来获得。

Claims (15)

1.一种静压轴承，其包括：
滑架；以及
导轨，所述导轨在与所述滑架组合时提供所述滑架相对于所述导轨的线性运动，其中所述静压轴承被构造为在所述滑架与所述导轨之间没有机械接触的情况下通过向所述滑架中的多个轴承匣供应加压的不可压缩流体而在所述滑架与轨道之间传递力，所述多个轴承匣中的每一个由轴承垫的轴承面封闭，其中所述轴承垫包括为没有直角的平行四边形的总体形状。
2.根据权利要求1所述的静压轴承，其中所述滑架包括相反的轴承垫，使得由所述相反的垫产生的力相等。
3.根据权利要求2所述的静压轴承，其还包括轴承间隙，所述轴承间隙足够小以产生高刚度和压膜阻尼。
4.根据权利要求3所述的静压轴承，其中所述轴承间隙是8至25微米。
5.根据权利要求2所述的静压轴承，其中所述多个轴承匣中的一个或多个轴承匣中的压力由毛细管限制器补偿。
6.一种静压轴承，其包括：
滑架；以及
导轨，所述导轨在与所述滑架组合时提供所述滑架相对于所述导轨的线性运动，其中所述静压轴承被构造为在所述滑架与所述导轨之间没有机械接触的情况下通过向所述滑架中的多个轴承匣供应加压的不可压缩流体而在所述滑架与轨道之间传递力，所述多个轴承匣中的每一个由轴承垫的轴承面封闭，其中所述轴承垫包括为梯形的总体形状。
7.根据权利要求6所述的静压轴承，其中所述滑架包括相反的轴承垫，使得由所述相反的垫产生的力相等。
8.根据权利要求7所述的静压轴承，其还包括轴承间隙，所述轴承间隙足够小以产生高刚度和压膜阻尼。
9.根据权利要求8所述的静压轴承，其中所述轴承间隙是8至25微米。
10.根据权利要求7所述的静压轴承，其中所述多个轴承匣中的一个或多个轴承匣中的压力由毛细管限制器补偿。
11.一种静压轴承，其包括：
滑架；以及
导轨，所述导轨在与所述滑架组合时提供所述滑架相对于所述导轨的线性运动，其中所述静压轴承被构造为在所述滑架与所述导轨之间没有机械接触的情况下通过向所述滑架中的多个轴承匣供应加压的不可压缩流体而在所述滑架与轨道之间传递力，所述多个轴承匣中的每一个由轴承垫的轴承面封闭，其中所述轴承垫包括为箭头的总体形状。
12.根据权利要求11所述的静压轴承，其中所述滑架包括相反的轴承垫，使得由所述相反的垫产生的力相等。
13.根据权利要求12所述的静压轴承，其还包括轴承间隙，所述轴承间隙足够小以产生高刚度和压膜阻尼。
14.根据权利要求13所述的静压轴承，其中所述轴承间隙是8至25微米。
15.根据权利要求12所述的静压轴承，其中所述多个轴承匣中的一个或多个轴承匣中的压力由毛细管限制器补偿。
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