CN1685167A - 用于线性运动导向的静压轴承 - Google Patents

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Abstract

一种自动补偿静压(压力流体薄膜)线性轴承，施加相关力后在滑座和导轨之间保持一个流体间隙。导轨及相配合的滑座的几何形状使得轴承具有非常高的刚度和承载能力，而没有过大的有害的滑座变形。该滑座包括轴承槽和平台，该轴承槽和平台控制并使用流体压力以便按照流体间隙的改变而提供一个非常大的回复力。阻止由轴承滑座的直接泄漏而导致流体从轴承间隙中流出，并且流出的流体被输送回抽汲流体的源，因此密封了轴承滑座并简化了对润滑流体的处理。该静压轴承特别设计成紧凑的并且与传统线性轴承“螺栓对螺栓”地一致。

Description

用于线性运动导向的静压轴承
技术领域
本发明涉及一种机械轴承，特别是，涉及用于线性运动导向的静压轴承。
背景技术
典型地，线性轴承包括一个滑座(carriage)和一个可滑动地安装在滑座上的导轨。典型地，机床的一个部件，例如一个可移动部分，可去掉地安装在滑座上以便沿着导轨和滑座一起滑动。传统的线性轴承使用滚动元件或者聚合物衬垫来降低滑座和导轨之间的摩擦力。
在静压线性轴承中，将润滑流体在高压下注入滑座和导轨中，这样当滑座沿着导轨移动时可以在滑座和导轨之间保持一个润滑剂薄膜，甚至在滑座和导轨上施加大载荷时也是如此。润滑流体流入设置在滑座和导轨上的浅的凹处和沟槽中。有时滑座和导轨上的这些凹处作为轴承凹处(bearing pocket)被提到。
为了在滑座和导轨之间保持薄的液体薄膜，必须在轴承上提供一些流体流动阻力或者补偿。典型地，使用毛细管、孔口和控制阀来提供所需的阻力或补偿。静压轴承还可以是自动补偿类型的，其中使用轴承凹处上的阻力平台(亦即，在其上流体流动受到限制的平面区域)，或者其它轴承凹处特征，来提供所需的流动阻力或者补偿。
静压轴承在多数应用中都非常理想，因为它们通常具有非常高的刚度、高的承载能力、低摩擦、无磨损、高阻尼和抗污染性。所有这些优点使得静压轴承特别适合用在机床应用中，在这些情况下需要具有高刚性和阻尼能力的线性轴承来实现避免过度振动的精确运动。
尽管具有这些优点，由于其安装和使用中的大量的实际问题而使得静压轴承没有广泛用于机床工业中。例如，典型的补偿设备、喷嘴和控制阀通常很难正确地安装在机床中，并且还精密、昂贵，或者太易于污染而不能提供适当的可用寿命。另外，用来润滑的流体容易受到金属屑和加工过程中使用的冷却剂的污染。由于这些原因，在机床工业中基于滚动元件的线性轴承的使用占据优势。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种自动补偿静压轴承。该自动补偿静压轴承包括一个轴承导轨和一个安装在轴承导轨上用于进行静压支承运动的轴承滑座。轴承滑座包括多个设置在与轴承导轨相对的表面上的自动补偿轴承垫。将轴承垫构造并配置从而相互之间以及与一个压力流体源流体连通。
在轴承滑座的端部上设置端部密封结构。端部密封件的至少一个边缘与轴承导轨接合，以阻止静压流体从轴承滑座和轴承导轨之间泄漏。侧面密封结构设置在轴承滑座的侧面部分上并在轴承滑座长度的至少一部分上延伸。侧面密封结构的至少一个边缘与轴承导轨接合，以阻止静压流体从轴承滑座和轴承导轨之间泄漏。
该轴承还包括一个设置在轴承滑座的几个部分之内的流体返回系统，该轴承滑座由端部和侧面密封结构密封。流体返回系统构造并配置以便于向压力流体源输送流体。
本发明的另一方面涉及一种自动补偿静压轴承。该轴承包括一个具有至少一个大体上接触的支承表面以支承静压轴承的轴承导轨，以及一个用于在轴承导轨上的静压支承运动的轴承滑座。
轴承滑座包括多个设置在与轴承导轨相对的表面上的自动补偿轴承垫。轴承垫构造并配置为相互之间以及与一个压力流体源流体连通。在轴承滑座的几个部分上设置密封结构。密封结构的至少一个边缘与轴承导轨接合，以阻止静压流体从轴承滑座和轴承导轨之间泄漏。该轴承滑座还包括一个设置在轴承滑座的几个部分之内的流体返回系统，该轴承滑座的几个部分由密封结构密封。流体返回系统构造并配置以便于向压力流体源输送流体。
本发明的再一个方面涉及包括一个或者多个轴承垫和一个流体回收系统的轴承滑座。该轴承垫构造并配置以容纳从压力流体源来的流体并导致该流体有选择地流过轴承槽和阻力平台的集合，以便在轴承滑座和其上安装用于运动的轴承滑座的一个结构之间形成支承流体层。
流体回收系统构造并配置以阻止流体流出轴承滑座和之上安装用于运动的轴承滑座的结构之间的空间，并输送流体使之返回压力流体源。流体回收系统包括具有接触的端部和侧面部分的密封结构。端部构造并配置以密封轴承滑座的端部，而侧面部分构造并配置以便于沿着轴承滑座侧面的至少一部分延伸以密封侧面。端部包括一个双唇形密封件。双唇形密封件的第一唇形物与其上安装用于运动的轴承滑座的结构接合，而双唇形密封件的第二唇形物阻止碎片进入轴承滑座。流体回收系统还包括由轴承滑座的几个部分限定并由密封结构密封的贮存器结构，以及将其构造并使之适合将压力流体从轴承垫引导到贮存器结构中的排出槽。
本发明的又一个方面涉及机床或者安装静压轴承的部分。
本发明的另一个方面涉及一种轴承滑座。该轴承滑座包括一个或多个轴承垫，所述轴承垫用于容纳从压力流体源来的流体并导致该流体有选择地流过轴承槽和阻力平台的集合，以便在轴承滑座和其上安装用于运动的轴承滑座的一个结构之间形成支承流体层。
轴承滑座还包括一个流体回收系统，该流体回收系统构造并配置为阻止流体流出轴承和其上安装用于运动的轴承滑座的结构之间的空间，并输送流体使之返回压力流体源。流体回收系统包括具有接触的端部和侧面部分的密封结构。端部用于密封轴承滑座的端部。将侧面部分构造并配置以便于沿着轴承滑座侧面的至少一部分延伸以密封该侧面。端部包括一个双唇形密封件。双唇形密封件的第一唇形物与其上具有用于运动的轴承滑座的结构接合，而双唇形密封件的第二唇形物阻止碎片进入轴承滑座。
轴承滑座还包括由轴承滑座的几个部分限定并由密封结构密封的贮存器结构，以及将压力流体从轴承垫引导到贮存器结构中的排出槽。
本发明的再一方面涉及一种静压轴承。该静压轴承包括一个轴承导轨和一个轴承滑座，该轴承滑座安装在轴承导轨上用于进行静压支承运动。轴承滑座包括设置在轴承导轨相对的表面上的一个或多个轴承垫。将轴承垫构造并配置以便于与压力流体源流体连通。
轴承滑座还包括密封容纳槽和具有接触端部和侧面部分的密封结构。密封结构的至少一部分适合容纳在密封容纳槽中。密封结构的端部包括双唇形密封件。
流体返回系统也包括在轴承滑座中。流体返回系统包括多个与轴承垫流体连通的排出槽。多个排出槽中的至少某些位于轴承垫和密封结构的侧面部分之间。
然而本发明的又一个方面涉及一种密封静压轴承滑座的方法。该方法包括导致或允许静压流体从设置在轴承上的静压轴承垫流入沿着轴承滑座侧面设置的排出槽。该方法还包括通过沿着轴承滑座的侧面放置密封结构以收集从排出槽中流出的静压流体，在设置为静压轴承滑座的一部分的贮存器中收集静压流体，除通过指定出口外，使用端部密封结构的第一部分阻止静压贮存器离开贮存器，以及使用端部密封结构的第二部分阻止碎片进入轴承滑座，从而阻止从排出槽的泄漏。
本发明的另一个方面涉及静压轴承垫。该静压轴承垫包括一个补偿槽，一个在其中包围第一平面区域的相邻的凹槽(pocket groove)，一个置于补偿槽和相邻凹槽之间的第二平面区域。将第一和第二平面区域构造并配置从而当轴承垫相对于另一个表面处于承载位置时阻止压力流体的流动。轴承垫不包括补偿槽和凹槽之间的槽。
本发明其它另外的方面涉及具有前面段落中所描述的轴承垫的自动补偿静压轴承。
本发明的这些以及其它方面、特征和优点将在下文中描述。
附图说明
将参照附图对本发明进行描述，其中在所有图中相似的数字表示相似的特征，其中：
图1是按照本发明的未安装端盖或密封件的静压轴承的一个立体图；
图2是图1中滑座的一个侧视图；
图3是在图1滑座上的垂直轴承垫的示意图；
图4是一个流体回路图，示出图3中轴承垫的阻力；
图5是图1滑座的水平轴承垫的示意图；
图6是一个流体回路图，示出图5中轴承垫的阻力；
图7是图1中静压轴承的另一个立体图，该静压轴承装有端盖和密封件；
图8是沿图7中线8-8的剖视图，示出了静压轴承的贮存器端盖和端部密封件；
图9是图8示出结构的一部分的近处放大的剖视图，详细示出了端盖和密封件；
图10是图1中滑座的一个剖视图，图示了侧面密封件；
图11是图10更详细地示出结构的一部分的近处放大的剖视图；
图12是一个侧视图，示出了支承在图1示出的类型的几个静压轴承上的机床工作台；
图13是一个立体图，示出了图1中轴承滑座的底侧；
图14和15是图1中轴承滑座的保持件部分的立体图；
图16是图1中轴承滑座的侧面和端部密封件的单独立体图，图中未示出轴承滑座本身；
图17是图16中侧面和端部密封件一部分的近处放大的立体图，图示了侧面和端部密封件的接触；以及
图18是按照本发明的几个静压轴承连接在一个液压动力单元上的示意性立体图。
具体实施方式
图1是按照本发明的静压线性轴承的立体图，通常以10来表示。轴承10包括一个安装以滑动并沿着导轨14作静压支承运动的滑座12。运动的方向在图1中以箭头M表示。
在图1所示的实施例中，导轨14具有“T形”横截面。滑座12具有一个中心部分16和两个保持件18A、18B，这两个保持件18A、18B固定在或者用螺栓连接在滑座12的中心部分16上。作为选择，滑座12可以制造成单件结构，然而，使用两个可分离的保持件18A、18B使得滑座12易于制造，并且特别是，易于精磨。如果滑座12制造成单件结构，可能需要使用特殊的精磨设备。
滑座12还包括多个大体上在滑座的整个长度上延伸的排出槽106、108A、108B、110A、110B、112A和112B。将在下文中对排出槽106、108A、108B、110A、110B、112A和112B进行更详细的描述。
在本发明的这种实施例中滑座12和导轨14具有直线形的横截面。(此处所使用的术语“直线形”指由线段组成的任何形状，在相邻的线段之间大体上没有弯曲部分)。尽管因为易于加工而通常优选采用由直线组成的横截面形状，但按照本发明的静压轴承的滑座和导轨可以具有任何想要的横截面形状。通常，滑座12可以具有与大体上为任何横截面形状的导轨相接合的形状。
如图1所示，导轨14包括钻孔和沉孔20，这些钻孔和沉孔20用于将导轨14固定在机床床身或者其它刚性结构上。滑座12包括钻孔和螺纹孔22，以便可以将凸起表面24A、24B、24C刚性地固定在需要线性运动导向的机床工作台或者其它结构上的配合表面上(静压轴承10的使用将在下文中更详细地描述)。
通常，滑座12和导轨14总的尺寸和形状，以及孔20、22在导轨和滑座上的位置可以选择，以便能够与标准滚动元件线性轴承“螺栓对螺栓”相适应并具有相同的尺寸。如果使用这种类型的相适应结构是有利的，因为之后按照本发明的静压轴承10可以直接取代现有机床或者机床设计中的滚动元件类型的线性轴承。
图2是滑座12的一个侧视图。滑座12受到设置在滑座12内表面上的多个轴承垫的静压支承。垂直轴承垫26A、26B、28A、28B和水平轴承垫30A、30B的位置还在图13-15的立体图中示出并且下文中将参照这些图对其进行更详细的描述。(术语“垂直”和“水平”，正如其关于轴承垫的使用，指的是相应的轴承垫承受的所作用的载荷的方向。)通过轴承垫26A、26B、28A、28B施加的流体压力保持轴承滑座12与轴承导轨14隔开一个小的距离。典型地，轴承垫26A、26B、28A、28B、30A、30B和导轨14之间的间距在大约0.001英寸到大约0.005英寸的数量级上。
在本说明书中，术语“流体”和“静压流体”可以互换，用来指代任何可以用在按照本发明的轴承10中的流体。在本工艺中已知许多这种流体，包括烃基(hydrocarbon-based)油、硅基(silicone-based)油、水、水基(water-based)化合物，以及空气或者其它适合的气体。在机床应用中，某些应用优选使用烃基油。这些油倾向于降低或者消除腐蚀问题，并且可以具有比较高的粘性，这有助于降低轴承流速和向轴承10施加压力所需的相关抽汲功率。
水基静压流体也具有特定的优点，并且也可以用在按照本发明的静压轴承10中。水基静压流体的一个优点是如果加工冷却剂(典型地为水基化合物)泄漏到静压流体中或者与静压流体混合在一起，将不会造成严重的污染问题。水基静压流体还可以用在为食品工业制造的轴承10中，这是因为会降低对可消耗产品造成污染的危险。另外，水基的流体通常具有高的导热性，这使得更加易于去掉由抽汲过程产生的热。
图3是垂直垫26A和28A的一个示意图，示出了其基本几何形状并图示流体通过轴承垫26A、28A的路线。垂直轴承垫26B在设计上与垫26A相似，因此图中未示出。垂直轴承垫28B在设计上与28A相同，因此图中未示出。在随后的描述中，假定在未图示的轴承垫26B、28B中流体路径是相同的。然而，正如那些本领域中一般技术人员所意识到的，各种垂直轴承垫26A、26B、28A、28B的设计无需相同。
润滑流体由泵32施加压力并向上下轴承垫26A和28A提供。(按照本发明的轴承10的液压供应的细节将在下文中参照图18描述。)流体在供给槽34处进入下垫28A，该供给槽34具有足够的深度以允许流体在其中自由流动。一些流体越过泄漏平台36A和36B并离开轴承垫28A，该泄漏平台36A和36B距导轨14一个紧密的间隙距离。一些流体越过平台38并进入凹槽40。一些流体还越过补偿平台42，该补偿平台42离导轨14一个小的距离；这个紧密间隙在流体进入补偿器槽44时产生压降。一些流体越过平台46A和46B从补偿器槽44中泄漏出来，并离开轴承垫26A。一些流体从补偿器槽44输送到轴承垫26A的凹槽48。一些流体越过平台50A、50B以及50C从凹槽48中泄漏出来，并从该处离开轴承垫26A。在压力等于凹槽48中的流体压力下，流体在导轨14和中心轴承垫52之间的紧密间隙区域内自由流动。还在供给压力下由泵32向垫26A的供给槽54A和54B供应流体。一些流体越过平台56A、56B、56C和56D发生泄漏并离开垫26A。一些流体越过平台58A和58B从供给槽54A和54B流入凹槽48中。一些流体越过补偿器平台60A和60B从供给槽54A和54B流入补偿器槽62中。一些流体由补偿器槽62泄漏，越过平台64并离开轴承垫26A。一些流体由补偿器槽62输送到轴承垫28A中，在此处进入凹槽40中。之后一些流体越过平台66A、66B和66C从凹槽40中流出，并从该处离开轴承垫28A。流体可以在补偿器槽44和凹槽40之间流动，但是受到平台68的很大的限制。流体可以在补偿器槽62和凹槽48之间流动，但是受到平台70的很大的限制。
槽54A、54B、62、48、34、44和40都应当具有至少大于垫28A和26A与导轨14之间间距三倍的深度，以确保在这些槽中具有均匀的压力。在槽48和40的情况中，希望具有均匀的压力以便在整个凹处面积上分布承载压力。在槽54A、54B、62、34和44的情况中，希望具有均匀的压力以便在相邻的平台上产生适当的流体阻力，从而可以恰当地控制相应轴承面积上的压力。
应当这样制造垫26A，使得优选地，平台52、50A、50B、50C、60A、60B、56A、56B、56C、56D、64、58A、58B和70都在相同的平面上且距导轨14相同的紧密间隙距离。应当这样制造垫28A，使得优选地，平台66A、66B、66C、42、46A、46B、36A、36B、38和68都在相同平面上且距导轨14相同的紧密间隙距离。
图4是垂直轴承垫26A和28A(与对应的垂直轴承垫26B和28B相同)的一个流体回路图。上面参照图3所描述的各种平台作为回路的流阻器在图4中示出。平台阻力的值可以由流体动力学领域中一般技术人员计算出来，该值取决于流体的粘度、平台的长度和宽度以及每个平台和导轨14之间的间距。图4中示出的流体回路可以由回路分析领域中的一般技术人员求解，以便计算出每个轴承槽上的压力。然后这些压力可以乘上对应的轴承面积以得出轴承产生的总垂直力。
为了估计对应于滑座12的垂直位置相对导轨14的改变轴承力如何变化，将改变用来计算平台阻力的滑座12和导轨14之间的流体间隙，并使用新的流体间隙数据重复上面描述的分析。可以使用计算机程序来完成这种重复分析。尽管可以选择轴承垫几何形状以适合静压轴承10的特定应用，但优选地，对轴承槽和平台几何形状进行优化以便在垂直方向上提供非常高的轴承刚度和负荷能力，并且使通过轴承10的流体具有可能的最小流速，因为典型地，高的流速需要大量的抽汲功率。
图3中示出的槽54A、54B、62、48、34、44和40具有圆角；然而，它们可以制造成具有锋利的方角或者其它几何轮廓而不会对轴承运行造成大的影响，这是因为相邻平台的液压阻力将只改变其整个阻力值的一个非常小的百分比。
如图3所示以及上文所描述，流体在垫28A和26A之间在两个位置上输送，从补偿器槽44到凹槽48，从补偿器槽62到凹槽40。这些流体的传递可以通过使用滑座12和保持件18A上的钻孔来完成，或者它们可以通过使用在滑座12外的刚性管道来完成。同样，流体可以在供给压力的作用下使用接在滑座12和保持件18A的钻孔上的外部管道从泵32向供给槽34、54A和54B输送。
图5是水平轴承垫30A和30B的一个示意性视图，示出了其基本的几何形状并图示了流体通过轴承垫30A、30B的路线。润滑流体由泵32加压并通过泵32向上下轴承垫30A和30B提供。(同一个泵32可以用来向水平轴承垫30A和30B和垂直轴承垫26A、26B、28A、28B提供，或者可以使用两个不同的泵32。)流体进入供给槽72A处的垫30A，该供给槽72A具有足够的深度以允许流体在其中自由流动。一些流体越过泄漏平台74A和76A从供给槽72A中泄漏出来并脱离轴承垫30A，该泄漏平台74A和76A距导轨14一个紧密的间隙距离。一些流体越过平台78AA和80AA由供给槽72A向凹槽82AA流动，而一些流体越过平台78AB和80AB向凹槽82AB流动。一些流体越过补偿器平台84AA、86AA、88AA从供给槽72A向补偿器槽90AA流动。一些进入补偿器槽90AA的流体泄漏到凹槽82AA中或者越过平台100AA从凹槽82AA中泄漏出来。在越过平台92BA、94BA和96BA泄漏并脱离轴承垫30之前，进入补偿器槽90AA中的流体的剩余部分输送到轴承垫30B，在此处该剩余流体进入凹槽82BA并向凹槽82BA提供均匀压力。在轴承垫98BA的紧密间距处的流体将处于与凹槽82BA中的流体压力相等的压力下，这是因为凹槽82BA完全包围轴承垫98BA。流体还在供给压力下从泵32向轴承垫30B的供给槽72B提供。一些进入供给槽72B的流体越过平台74B和76B泄漏出来并离开轴承垫30B。一些进入供给槽72B的流体越过平台78BA和80BA泄漏到凹槽82BA中，并且一些越过平台78BB和80BB泄漏到凹槽82BB中。一些进入供给槽72B的流体越过补偿器平台84BA、86BA、88BA泄漏到补偿器槽90BA中。一些流体可以越过在补偿器槽90BA和凹槽82BA之间的平台100BA。进入补偿器槽90BA的流体的剩余部分被输送到垫30A，在此处该流体的剩余部分进入凹槽82AA并越过平台92AA、94AA、96AA泄漏出去并脱离轴承垫30A。在轴承垫98AA的紧密间隙间距中的流体将处在与凹槽82AA中的流体压力相等的压力下，因为凹槽82AA完全包围轴承垫98AA。一些进入供给槽72A的流体越过补偿器平台84AB、86AB、和88AB泄漏到补偿器槽90AB中。一些流体可以越过补偿器槽90AB和凹槽82AB之间的平台100AB。进入补偿器槽90AB的流体的剩余部分输送到垫30B，在此处该流体的剩余部分进入凹槽82BB并越过平台92BB、94BB、96BB泄漏出去并脱离轴承垫30B。在轴承垫98BB的紧密间隙间距内的流体将处于与凹槽82BB中的流体压力相等的压力下，这是因为凹槽82BB完全包围轴承垫98BB。一些进入供给槽72B的流体越过补偿器平台84BB、86BB、和88BB泄漏到补偿器槽90BB中。一些流体可以越过补偿器槽90BB和凹槽82BB之间的平台100BB。进入补偿器槽90BB的流体的剩余部分输送到垫30A，在此处该流体的剩余部分进入凹槽82AB并越过平台92AB、94AB、96AB泄漏出去并脱离轴承垫30A。在轴承垫98AB的紧密间隙间距内的流体将处于与凹槽82AB中的流体压力相等的压力下，这是因为凹槽82AB完全包围轴承垫98AB。
槽82AA、82AB、82BA、82BB、90AA、90AB、90BA、90BB、72A和72B都应当具有至少大于垫30A和30B与导轨14之间间距三倍的深度，以确保在这些槽中的均匀的压力。在槽82AA、82AB、82BA和82BB的情况中，希望具有均匀的压力以便在整个凹处区域上分布承载压力。在槽90AA、90AB、90BA、90BB、72A和72B的情况中，希望具有均匀的压力以便在相邻的平台上产生适当的流体阻力，从而可以恰当地控制相应轴承面积上的压力。
制造垫30A使得优选地，平台98AA、98AB、84AA、84AB、86AA、86AB、88AA、88AB、92AA、92AB、94AA、94AB、96AA、96AB、78AA、78AB、80AA、80AB、100AA、100AB、74AA、74AB、76AA、76AB都在相同平面上且距导轨14相同的紧密间隙距离。应当制造垫30B使得优选地，平台98BA、98BB、84BA、84BB、86BA、86BB、88BA、88BB、92BA、92BB、94BA、94BB、96BA、96BB、78BA、78BB、80BA、80BB、100BA、100BB、74BA、74BB、76BA、76BB都在相同平面上且距导轨14相同的紧密间隙距离。
图6是一个示意性图表，示出了水平轴承垫30A的流体阻力。图6中示出的每个阻力代表水平轴承垫5A的一个平台。水平轴承垫30A的阻力值可以像上面关于垂直轴承垫26A、26B、28A和28B的描述一样计算出来。
图5中示出的槽82AA、82AB、82BA、82BB、90AA、90AB、90BA、90BB、72A和72B具有圆角；然而，它们可以制造成具有锋利的方角或者其它几何轮廓而不会对轴承运行造成大的影响，这是因为相邻平台的液压阻力将只改变其整个阻力值的一个非常小的百分比。
如图5所示，流体在垫30A和30B之间的四个位置输送：从补偿器槽90AB到凹槽82BB，从补偿器槽90AA到凹槽82BA，从补偿器槽90BA到凹槽82AA，以及从补偿器槽90BB到凹槽82AB。与垂直轴承垫26A、26B、28A和28B中的流体传递一样，这些流体的传递可以通过使用滑座12上的钻孔来完成，或者它们可以通过使用在滑座12外的刚性管道来完成。同样，流体可以在供给压力的作用下使用接在滑座12的钻孔上的外部管道从泵32向供给槽72A和72B输送。
在图3和5中示出的以及上文描述的垂直和水平轴承垫中，平台58A、58B、70、38、68、78AA、78AB、78BA、78BB、80AA、80AB、80BA、80BB、100AA、100AB、100BA、100BB允许相邻补偿器、凹处和供给槽之间的泄漏路径。这些泄漏路径倾向于减小轴承的压力响应并因此降低其刚度和承载能力。然而，一个抵消这些流体泄漏路径影响的更大的因素是配置凹槽48、40、82AA、82AB、82BA、82BB以便其更加靠近补偿槽，并且因此而使得在更大的区域上分布承载凹处压力的能力。通过更好地利用可用的垫的区域，静压轴承10的轴承垫结构提供更高的刚度和负荷能力。
图7是图1中静压轴承的另一个立体图，该静压轴承安装有密封件和端盖。图8是沿图7中8-8线的剖视图，图9是图8中部分A(由点线包围)的近距离放大视图。图7-9示出了图1中的静压轴承，该静压轴承具有连接在滑座12和保持件18A和18B上的端盖102A和102B。端盖102A和102B包括贮存器104A和104B(在图8和9的视图中可见)，流体由轴承垫26A、26B、28A、28B、30A和30B以及排出槽106、108A、108B、110A、110B、112A和112B流入该贮存器104A和104B中。(如上文所述，排出槽设置在滑座12的角上并且在图1和2的视图中可见。)双唇形端部密封件114A和114B连接在端盖102A和102B上。双唇形端部密封件114A和114B连接在刚性板113A、113B上以便向其提供附加的刚度。端部密封件114A和114B的唇形物116与导轨14滑动接触并用来挡住流体使之在贮存器104A、104B中，并且在很大程度上阻止流体直接泄漏到静压轴承10之外。流体通过至少一个排出口118A和/或118B流出贮存器104A或104B。可以堵塞一个或多个排出口118A、118B，但至少使用一个排出出口118A、118B向软管或者管道组件输送流体，在此处流体返回到液压供给源。
图10是静压轴承10的一个侧面剖视图，图示分别容纳在轴承滑座12的保持件部分18A和18B内的接收器槽122A和122B中的侧面密封件120A和120B。图11是图10中部分B的放大剖视图，更为详细地图示了侧面密封件120A、120B。侧面密封件120A、120B与轴承导轨14滑动接触，用来挡住流体并允许被挡住的流体通过排出槽112A和112B输送到贮存器104A和104B中，以阻止流体直接泄漏在静压轴承10之外。如图11所示，侧面密封件120A、120B具有大体为U形的部分121，该U形部分121朝向排出槽112A、112B的顶部向上开口。侧面密封件120A、120B位于接收器槽122A和122B中，这样侧面密封件120A、120B的U形部分121的一个壁与保持件18A和18B接触，而U形部分121的另一个壁与轴承导轨14接触。
图13是未安装保持件18A、18B的滑座12中心部分16的底侧的一个立体图。图13示出了垂直轴承垫26A、26B以及水平轴承垫30A、30B的相对位置和范围。图14和15是保持件18A和18B的立体图，示出了在保持件18A和18B上的垂直轴承垫28A和28B的位置和范围。同时示出了排出槽106、108A、108B、110A、110B、112A、112B和密封接收器槽122A、122B的位置。
轴承滑座12的中心部分16的每一侧具有一组设置在相应连接表面220A和220B上的螺纹孔222。在保持件18A和18B上设置一组互补的(complimentary)、沉头通孔226。当保持件18A和18B和滑座12的中心部分16组装在一起时，螺栓插入保持件18A和18B的孔226中，并进入滑座12的中心部分16上的螺纹孔222中，这样中心部分16的接合表面220A、220B和保持件18A和18B的接合表面224A、224B相邻，如图10所示。
在图13-15中示出的轴承垫槽和其它表面特征可以通过铣削、放电加工或者其它已知技术来形成。
图16是孤立地示出端部密封件114A、114B和侧面密封件120A、120B的一个立体图。如上文所描述，端部密封件114A、114B由模制的橡胶材料加工而成，以便连接在刚性板113A、113B，例如钢或者铝板上，以提供更大的刚性。在另一种实施例中，端部密封件114A、114B可以不连接在刚性板113A、113B上。
如图17所最好地显示，图16中部分C的一个近距离放大的立体图中，侧面密封件120A、120B插入在端部密封件114A、114B上形成的容座115中，以便与容座115干涉配合。在一种实施例中，侧面密封件120A、120B可以制造成比所需的略长，以便在操作中可以保持压紧状态。在本发明另一种实施例中，侧面密封件120A、120B和端部密封件114A、114B可以模制或者铸造成单件结构，或粘接在一起，或者以其它方式导致相互连接在一起以形成一个整体结构。
上文描述的轴承垫26A、26B、28A、28B、30A、30B设计为用于自动补偿的静压轴承。然而，那些本领域中一般技术人员将意识到可以使用滑座12和导轨14的其它特征，包括密封结构(亦即，端部密封件114A、114B和侧面密封件120A、120B)和排出槽106、108A、108B、110A、110B、112A和112B，而没有上面所述的特定的轴承垫26A、26B、28A、28B、30A、30B。例如，在本发明的另一种实施例中，具有与上文描述相似的端部密封件、侧面密封件和排出槽配置的滑座可以与非自动补偿的轴承垫一起使用。非自动补偿的轴承垫可以使用毛细管或者用于补偿目的的阀，如本领域中一般技术人员易于理解的一样。
相反，上文描述的自动补偿的轴承垫26A、26B、28A、28B、30A、30B可以使用在其它类型的静压支承设备中，以及没有这里所述的其它特征的其它类型的流体静力学轴承中。
图18是一个示意性立体图，图示搭在两个滑座导轨14上的四个轴承滑座12。通常，几个轴承滑座12可以设置在相同的滑座导轨14上，特别是如果那些轴承滑座12相对彼此固定在恰当的位置上(例如，通过螺栓固定在机床床身上，如下文将要描述的一样)。另外，可以设置轴承导轨14的几个较短的区段，每个区段用于一个轴承滑座12。
图18还图示按照本发明的轴承10的液压流体连接的细节。液压动力单元230在高压下通过管道232输送液压流体。液压动力单元230包括所有输送温度控制流体所必需的部件，该温度控制流体在高压下具有比较少的污染物微粒，并且具有最小的压力脉动。例如，液压动力单元230可以包括一个贮存器、一个泵、一个电动机、一个过滤器、一个压力调节阀、一个压力计，以及一个散热系统，例如一个空气-油热交换器。
从液压动力单元230引出的管道232具有分支，使得一个分支连接到一个轴承滑座12上。管道232的分支由轴承滑座12的端部密封件114A、114B上的一个流体入口119接收。(根据轴承10的结构，管道232可以连接到每个端部密封件114A、114B的一个流体入口119上。未使用的流体入口119可以被堵塞或者省略)管道232的分支与端部密封件的流体入口119之间的连接可以是传统液压连接中的任何恰当的类型。通过管路的内部网络将压力流体从流体入口119分配到供给槽34、54A、54B中。一旦使用后，流体集中到贮存器104A、104B中，并通过返回管道238返回，该返回管道连接在排出口118A、118B和液压动力单元230的返回部分上。
图12是机床200的一个侧视图，图示按照本发明的静压轴承10的一种典型应用。机床工作台66由四个轴承组件10支承，这四个轴承组件10搭在两个导轨14上。尽管图中只示出两个轴承组件10，典型地至少使用四个向工作台202提供足够的纵倾和偏摆稳定性。静压轴承10的导轨14使用楔形物206A和206B水平固定在床身204上，导轨14使用多个螺栓208垂直固定在床身204上，这些螺栓通过设置在导轨14上的沉头孔20以螺纹固定在床身204上。使用楔形物210将两个静压轴承10水平固定在工作台202上(在图12中示出了一个楔形物210)。另外两个静压轴承10通过用润滑流体加压而浮动对齐，因此允许静压轴承10水平浮动在自动对准的位置上。一旦两个由楔形物固定的静压轴承10对齐后，将其固定在工作台202上的螺栓被拧紧。尽管图12图示使用楔形物206A、206B和210，许多其它固定导轨14和静压轴承10的机构都是可能的，并且在本发明的范围之内。
静压轴承10可以使用在多种不同类型的机床上，以及任何其它需要线性运动导向的应用中。然而，当在车床上使用时，按照本发明的静压轴承10特别有利。例如，静压轴承10可以用在由HARDINGE公司制造的QUEST车床中(美国纽约埃尔迈拉城)。静压轴承10在磨床、铣床、镗床和其它机床中也是有用的，在这些机床中具有高刚度和阻尼的组合是有益的。
按照本发明的静压轴承10具有确定的优越的性能特征。例如典型地，按照本发明的静压轴承10具有高的静态刚性和动态刚性。静压轴承10还能够以非常低的摩擦运行，这是因为上文参照图7-11描述的密封件通常是产生摩擦的唯一部件。因为滑座12搭在一层流体上，并且由于其它原因，静压轴承10可以具有达到传统滚动元件线性轴承10倍的强制阻尼能力(force damping capability)。另外的优点包括基本上无限的移动(进给)速率，基本上无限的疲劳寿命(因为滑座12和导轨14不接触，大体上没有部件磨损)，安装在静压轴承10上的机床大体上没有随时间改变的定位精度，在严重的“碰撞”载荷下(亦即，轴承10在其行程末端突然停止时)静压轴承大体上不受损坏。再者，如果在滑座12和导轨14之间保持连续的流体流动，静压轴承10将自动清洁。
当安装在机床上并用来生产零件时，静压轴承10的特征还可以导致特定的其它优点。例如，静压轴承10可以提供工具寿命。另外，制造的零件可以具有更好的表面光洁度，以及对于圆形零件具有更好的圆度。安装在静压轴承10上的机床还可提高硬车削(hard turning)能力，提高断续切削的能力，并提高了定位精度。通过以下的例子，上面描述的一些优点和益处将变得清楚。
示例
安装按照本发明的静压轴承10以便在一个QUEST51车床上(美国纽约埃尔迈拉城，Hardinge公司)使用上面描述的安装过程来支承操作移动。安装了四个按照本发明的静压轴承10以引导在X轴上的运动，同时安装了四个以引导在Z轴上的运动。无需改造车床以容纳静压轴承10，然而，为每个静压轴承10提供液压软管。准备一块两英寸的圆形A2工具钢坯料，并且在其圆周上铣削四个狭槽，用来断续切削。然后将其硬化到60-62Rc。然后使用直径为5/16英寸的圆形立方氮化硼(CBN)刀片(insert)以SFM/0.002ipr/0.030doc将零件粗加工五次。随后，使用55度的CBN刀片以550SFM/0.003ipr/0.005doc精加工该零件一次，然后使用CBN三角形刀片加工螺纹。零件的表面光洁度始终在5到6微英寸的范围内，与可比较的不使用静压轴承的QUEST51车床上加工的相同零件相比，提高了大约两倍。另外，与没有静压轴承的车床上使用的刀片寿命相比，断续车削刀片的工具寿命增加到三倍。
尽管相对于特定的实施例对本发明进行了描述，那些实施例只是示意性的，而不是限定性的。在所附权利要求的范围之内，对本发明进行修改和变化是可能的。

Claims (61)

1.一种自动补偿静压轴承，其包括：
一个轴承导轨；
一个安装在所述轴承导轨上以进行静压支承运动的轴承滑座，所述轴承滑座包括
多个设置在与所述轴承导轨相对的表面上的自动补偿轴承垫，将所述多个自动补偿轴承垫构造并配置为相互之间以及与压力流体源处于流体连通；
设置在所述轴承滑座的端部上的端部密封结构，所述端部密封结构的至少一个边缘与所述轴承导轨接合，以阻止静压流体从所述轴承滑座和所述轴承导轨之间泄漏；
设置在所述轴承滑座的侧面部分上并在所述轴承滑座长度的至少一部分上延伸的侧面密封结构，所述侧面密封结构的至少一个边缘与所述轴承导轨接合，以阻止静压流体从所述轴承滑座和所述轴承导轨之间泄漏；以及
一个设置在所述轴承滑座的几个部分之内的流体返回系统，该轴承滑座的几个部分由所述端部和侧面密封结构密封，所述流体返回系统向所述压力流体源输送流体。
2.如权利要求1所述的静压轴承，其中，所述轴承导轨包括至少一个大体相接触的支承表面，将该支承表面适于支承所述静压轴承。
3.如权利要求2所述的静压轴承，其中，每个所述端部密封结构包括一个双唇形密封件。
4.如权利要求3所述的静压轴承，其中，所述侧面密封结构与所述端部密封结构相接触。
5.如权利要求4所述的静压轴承，其中，所述轴承滑座包括一个中心部分和多个可拆卸地安装的保持件部分。
6.如权利要求5所述的静压轴承，其中，所述侧面密封结构设置在所述多个保持件部分上。
7.如权利要求6所述的静压轴承，其中，所述流体返回系统包括一个或多个与所述轴承垫连通的排出槽。
8.如权利要求7所述的静压轴承，其中，所述排出槽位于所述轴承垫和所述侧面密封结构之间，以便容纳从轴承垫流向所述侧面密封结构的流体。
9.如权利要求7所述的静压轴承，其中，所述流体返回系统进一步包括至少一个与所述一个或多个排出槽连通的贮存器，所述至少一个贮存器用于容纳输送回压力流体源的流体。
10.如权利要求9所述的静压轴承，其中，所述轴承在所述轴承滑座的每个端部上包括一个端部密封结构和一个贮存器。
11.如权利要求10所述的静压轴承，其中，所述贮存器由所述轴承滑座端部的一部分限定，并且由所述端部密封结构的双唇形密封件密封。
12.如权利要求11所述的静压轴承，其中，所述端部密封结构包括容纳液压流体软管的流体入口，所述流体入口与所述轴承垫流体连通。
13.如权利要求12所述的静压轴承，其中，所述端部密封结构包括容纳液压流体软管的流体出口，所述流体出口与所述贮存器流体连通。
14.如权利要求13所述的静压轴承，其中，所述导轨和所述轴承滑座具有直线形的形状。
15.如权利要求14所述的静压轴承，其中，所述排出槽设置在所述轴承滑座的角上。
16.如权利要求1所述的静压轴承，其中，所述轴承导轨具有T形横截面。
17.如权利要求1所述的静压轴承，进一步包括设置在所述轴承滑座的上表面上的一个或多个固定孔，所述固定孔允许机器部件可拆卸地安装在所述轴承滑座上。
18.安装一个或多个如权利要求1所述的静压轴承的机床。
19.一种自动补偿的静压轴承，其包括：
包括至少一个大体相接触的支承表面的轴承导轨，将该支承表面构造并配置以支承所述静压轴承；
安装在所述轴承导轨上以进行静压支承运动的轴承滑座，所述轴承滑座包括
多个设置在与轴承导轨相对的表面上的自动补偿轴承垫，将所述多个自动补偿轴承垫构造并配置为相互之间以及与压力流体源处于流体连通；
在所述轴承滑座的几个部分上设置的密封结构，所述密封结构的至少一个边缘与所述轴承导轨接合，以阻止静压流体从所述轴承滑座和所述轴承导轨之间泄漏；以及
设置在所述轴承滑座的几个部分之内的流体返回系统，该轴承滑座的几个部分由所述密封结构密封，所述流体返回系统向所述压力流体源输送流体。
20.如权利要求19所述的静压轴承，其中，所述密封结构包括多个接触的侧面和端部密封部分。
21.如权利要求20所述的静压轴承，其中，所述端部密封结构包括一个双唇形密封件。
22.如权利要求21所述的静压轴承，其中，所述轴承滑座包括一个中心部分和多个可拆卸地安装的保持件部分。
23.如权利要求22所述的静压轴承，其中，所述侧面密封部分设置在所述保持件部分上。
24.如权利要求23所述的静压轴承，其中，所述流体返回系统包括一个或多个与所述轴承垫连通的排出槽。
25.如权利要求24所述的静压轴承，其中，所述排出槽位于所述轴承垫和所述侧面密封结构之间，以便容纳从轴承垫流向所述侧面密封结构的流体。
26.如权利要求25所述的静压轴承，其中，所述流体返回系统进一步包括至少一个与所述一个或多个排出槽连通的贮存器，所述至少一个贮存器用于容纳输送回压力流体源的流体。
27.如权利要求26所述的静压轴承，其中，在所述轴承滑座的每个端部上设置一个端部密封部分和一个贮存器。
28.如权利要求27所述的静压轴承，其中，所述贮存器由所述轴承滑座端部的一部分限定，并且由所述端部密封部分的双唇形密封件密封。
29.如权利要求28所述的静压轴承，其中，所述端部密封部分包括容纳液压流体软管的流体入口，所述流体入口与所述轴承垫流体连通。
30.如权利要求29所述的静压轴承，其中，所述端部密封部分包括容纳液压流体软管的流体出口，所述流体出口与所述贮存器流体连通。
31.如权利要求30所述的静压轴承，其中，所述导轨和所述轴承滑座具有直线形的形状。
32.如权利要求31所述的静压轴承，其中，所述排出槽设置在所述轴承滑座的角上。
33.如权利要求19所述的静压轴承，进一步包括设置在所述轴承滑座的上表面上的一个或多个固定孔，所述固定孔允许机器部件可拆卸地安装在所述轴承滑座上。
34.如权利要求19所述的静压轴承，其中，所述轴承导轨具有T形横截面。
35.安装一个或多个如权利要求19所述的静压轴承的机床。
36.一种轴承滑座，其包括：
一个或者多个轴承垫，该轴承垫容纳压力流体源的流体并使得该流体有选择地流过轴承槽和阻力平台的集合，以便在所述轴承滑座和其上安装用于运动的轴承滑座的一个结构之间形成支承流体层；以及
一个流体回收系统，该流体回收系统阻止流体流出轴承滑座和其上安装用于运动的轴承滑座的结构之间的空间，并输送流体返回压力流体源，所述流体回收系统包括：
具有多个相接触的端部和侧面部分的密封结构，所述端部用于密封所述轴承滑座的端部，而所述侧面部分沿着所述轴承滑座侧面的至少一部分延伸从而密封所述侧面，所述端部包括一个双唇形密封件，该双唇形密封件的第一唇形物与其上安装用于运动的所述轴承滑座的结构接合，而该双唇形密封件的第二唇形物阻止碎片进入所述轴承滑座；
由所述轴承滑座的几个部分限定并由所述密封结构密封的贮存器结构；以及
将压力流体从所述轴承垫引导到所述贮存器结构中的排出槽。
37.如权利要求36所述的轴承滑座，其中，所述排出槽在所述轴承垫和所述密封结构的侧面部分之间。
38.如权利要求37所述的轴承滑座，其中，在其上安装用于运动的所述轴承滑座的结构是形状与轴承滑座的形状互补的轴承导轨。
39.如权利要求38所述的轴承滑座，其中，轴承导轨具有T形横截面。
40.如权利要求39所述的轴承滑座，其中，所述轴承滑座包括一个中心部分和多个可拆卸地安装的保持件部分。
41.如权利要求40所述的轴承滑座，其中，所述密封结构的侧面部分容纳在所述保持件部分上设置的槽内。
42.如权利要求41所述的轴承滑座，其中，所述密封结构的侧面部分具有大体上朝向上方的u形横截面。
43.如权利要求36所述的轴承滑座，其中，所述密封结构的端部包括流体入口和出口，所述流体入口与所述轴承垫流体连通，而所述流体出口与所述贮存器结构流体连通。
44.一种静压轴承，其包括：
一个轴承导轨；以及
一个安装在所述轴承导轨上用于进行静压支承运动的轴承滑座，所述轴承滑座包括
一个或多个设置在与所述轴承导轨相对的表面上的轴承垫，快将所述一个或多个轴承垫构造并配置为与压力流体源流体连通；
密封件容纳槽；
一个具有相接触的侧面部分和端部的密封结构，所述密封结构的至少一部分适于容纳在所述轴承滑座的密封件容纳槽中，所述密封结构的端部包括双唇形密封件；
一个流体返回系统，该流体返回系统包括多个与一个或多个轴承垫流体连通的排出槽，所述多个排出槽中的至少一些排出槽位于轴承垫和所述密封结构的侧面部分之间。
45.如权利要求45所述的静压轴承，其中，所述轴承滑座进一步包括一个或多个与所述多个排出槽流体连通的贮存器。
46.如权利要求45所述的静压轴承，其中，所述贮存器设置在所述轴承滑座的端部上。
47.如权利要求44所述的静压轴承，其中，所述轴承导轨具有直线形的形状。
48.如权利要求47所述的静压轴承，其中，所述轴承导轨具有T形横截面。
49.如权利要求44所述的静压轴承，其中，所述一个或多个轴承垫为自动补偿轴承垫。
50.一种密封静压轴承滑座的方法，其包括：
导致或允许静压流体从设置在轴承滑座上的静压轴承垫流入沿着轴承滑座侧面设置的排出槽；
通过沿着轴承滑座的侧面设置密封结构从而收集从排出槽中流出静压流体来阻止排出槽的泄漏；
将静压流体收集在设置为静压轴承滑座的一部分的贮存器中；
除通过指定出口外，使用端部密封结构的第一部分阻止静压流体离开贮存器；并且
使用端部密封结构的第二部分阻止碎片进入轴承滑座。
51.一种静压轴承垫，其包括：
一个补偿槽；
一个在其中包围第一平面区域的相邻的凹槽，该第一平面区域在所述静压轴承垫相对于另一个表面处于承载位置时阻止压力流体的流动；以及
一个置于所述补偿槽和所述凹槽之间的第二平面区域，所述平面区域在所述轴承垫相对于另一个表面处于承载位置时阻止压力流体由所述补偿槽向所述相邻凹槽流动；
其中，所述轴承垫不包括补偿槽和凹槽之间的槽。
52.如权利要求51所述的静压轴承垫，进一步包括一个靠近所述补偿槽的供给槽，所述供给槽和所述补偿槽被第三平面区域分开，该第三平面区域阻止压力流体由所述供给槽流向所述补偿槽。
53.一种自动补偿静压轴承，其包括：
一个轴承导轨；
一个安装在所述轴承导轨上以进行静压支承运动的轴承滑座，所述轴承滑座包括多个轴承垫，所述多个轴承垫中的某几个包括
一个补偿槽；
一个在其中包围第一平面区域的相邻的凹槽，该第一平面区域在所述轴承垫相对于所述轴承导轨处于承载位置时阻止压力流体的流动；以及
一个置于所述补偿槽和所述凹槽之间的第二平面区域，所述平面区域在所述静压轴承垫相对于另一个表面处于承载位置时阻止压力流体由所述补偿槽向所述相邻凹槽流动；
其中所述多个轴承垫中的某几个不包括补偿槽和凹槽之间的槽；
沿着所述轴承滑座长度延伸的排出槽，所述排出槽用于容纳从所述多个轴承垫流来的流体；以及
具有侧面部分和端部的密封结构，所述密封结构的侧面部分用于与所述轴承导轨密封接合以阻止所述排出槽中的流体流出所述排出槽。
54.如权利要求53所述的静压轴承，其中，排出槽与设置在所述轴承滑座端部上的贮存器流体连通，所述贮存器包括与液压动力单元流体连通的流体入口和流体出口。
55.如权利要求54所述的静压轴承，其中，贮存器由所述密封结构的端部密封。
56.如权利要求53所述的静压轴承，其中，所述密封结构的端部包括双唇形密封件。
57.一种静压轴承，其包括：
一个具有大体上为T形横截面的轴承导轨；
一个与所述轴承导轨接合的轴承滑座，所述轴承滑座具有一个或多个轴承垫，所述一个或多个轴承垫中的每一个包括
一个第一槽；
一个在其上包围第一平面区域的相邻的凹槽，该第一平面区域在所述轴承滑座相对所述轴承导轨处于承载位置时阻止压力流体的流动；以及
一个置于所述第一槽和所述凹槽之间的第二平面区域，所述平面区域在所述轴承垫相对于其它表面处于承载位置时阻止压力流体由所述第一槽向所述相邻凹槽流动；
所述轴承滑座进一步包括容纳从所述一个或多个轴承垫处流动的流体并使该流体流向流体返回系统的排出槽；
其中，所述一个或多个轴承垫不包括位于所述第一槽和所述相邻凹槽之间的排出槽。
58.如权利要求57所述的静压轴承，其中，静压轴承是自动补偿的。
59.如权利要求57所述的静压轴承，其中，所述轴承滑座进一步包括与所述轴承导轨的部分接合的可分离的保持件部分。
60.如权利要求59所述的静压轴承，其中，所述保持件部分包括安装在密封槽内的密封结构。
61.如权利要求60所述的静压轴承，其中，所述排出槽设置在所述保持件部分上；并且
其中设置所述保持件部分上的排出槽从而使其处于所述轴承垫和所述密封结构之间。
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