CN203317051U - 一种超精密气体静压回转工作台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种超精密气体静压回转工作台。其包括径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副、静压轴承座、转台基座、力矩电机定子、力矩电机转子、电机芯轴和圆光栅角位移传感器，转台基座上设有螺钉孔，径向气体静压轴承副、轴向上、下气体静压轴承副固定连接为一体，径向气体静压轴承副、静压轴承座和转台基座连接成一体，轴向上、下气体静压轴承副设置在静压轴承座内，力矩电机定子固定在转台基座上，力矩电机转子安装在电机芯轴上，电机芯轴固定在静压轴承副上，圆光栅角位移传感器安装在转台基座的台阶端面上。其解决了传统回转工作台运动副摩擦和发热的产生，阻隔零部件的振动，提高了径向和轴向回转精度和支承刚度。
Description
技术领域
本实用新型属于机械制造装备领域，具体涉及一种超精密气体静压回转工作台。
背景技术
超精密制造装备的研究是现代高技术产品制造的核心关键技术之一，在航空航天、汽车、信息技术、新能源、家电、医疗等许多高新技术领域有着越来越广泛的应用，它与一个国家的国防与国民经济的发展密切相关，是一个国家的国民经济、国防和科学技术综合实力的体现。
超精密回转工作台作为超精密制造装备的关键单元部件之一，是保证装备加工及检测精度的重要环节，将直接影响工件的特征尺寸及精度。随着超精密加工技术的发展，加工精度向着更高的方向迈进，对加工装备涉及的回转工作台提出了更高的精度要求。传统的回转工作台一般采用接触式的运动副，但是刚性的、机械接触式的运动副，会使运动副之间无法避免摩擦和发热的产生，而且也无法阻隔机械结构产生的振动，使该机构的动力学特性受到影响，无法满足高精度的要求。目前，回转工作台的气体静压轴承较多采用多个节流孔结构，其径向和轴向回转精度和刚度的进一步提高具有较大难度，轴承结构和压缩气体介质工作压力设计不合理还容易出现气振现象，严重影响回转工作台的超精密加工性能。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种超精密气体静压回转工作台，以解决传统回转工作台运动副摩擦和发热的产生，从物理结构上阻隔零部件产生的振动，采用大尺寸多孔质材料气体静压轴承结构，提高回转工作台的径向和轴向回转精度和支承刚度技术问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案如下：
一种超精密气体静压回转工作台，其特征在于：包括径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副、静压轴承座、转台基座、力矩电机定子、力矩电机转子、电机芯轴和圆光栅角位移传感器，转台基座上设有螺钉孔，径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副和轴向下气体静压轴承副固定连接为一体，径向气体静压轴承副、静压轴承座和转台基座连接成一体，轴向上气体静压轴承副和轴向下气体静压轴承副设置在静压轴承座内，力矩电机定子固定在转台基座上，力矩电机转子安装在电机芯轴上，电机芯轴固定在静压轴承副上，圆光栅角位移传感器安装在转台基座的台阶端面上。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的径向气体静压轴承副包括径向轴承芯轴和径向支承轴承套，径向轴承芯轴和电机芯轴上设有等直径定位安装孔，径向支承轴承套胶粘在静压轴承座的内表面；所述的径向支承轴承套为多孔质石墨材料，其安装面设有气槽。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的轴向上气体静压轴承副包括工作台面和轴向上支承环，工作台面和电机芯轴上设有等直径定位安装孔，工作台面上设置螺钉孔和阶梯状内孔，轴向上支承环胶粘在静压轴承座的上环槽面；所述的轴向上支承环为多孔质石墨材料，其安装面设有气槽；所述的工作台面上设置12个螺钉孔和阶梯状内孔。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的轴向下气体静压轴承副包括轴向下支承环和轴承静压盘，电机芯轴固定连接在轴承静压盘下端面，轴承静压盘和电机芯轴上设有等直径定位安装孔，轴向下支承环胶粘在静压轴承座的下环槽面；所述的轴向下支承环为多孔质石墨材料，其安装面设有气槽。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的径向气体静压轴承副和轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副之间具有5-8μm的间隙。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，还包括电机转子安装板，所述力矩电机转子间隙配合安装到电机芯轴上，其下端面固定连接在电机转子安装板上，电机转子安装板连接在电机芯轴的阶梯端面上。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，还包括圆光栅读数头支架、支架安装板、台面盖板和密封环，所述台面盖板固定在径向气体静压轴承副上，所述密封环紧固安装在径向气体静压轴承副上；所述的圆光栅角位移传感器包括圆光栅读数头和圆光栅尺，所述圆光栅读数头连接在圆光栅读数头支架上，所述圆光栅读数头支架固定在支架安装板上，所述支架安装板安装在转台基座的台阶端面，所述圆光栅尺安装在电机芯轴底端面，所述圆光栅尺上设置倾斜安装面，所述圆光栅尺通过倾斜安装面与圆光栅尺安装座侧面定位安装，所述圆光栅尺安装座与电机芯轴设有等直径安装基准孔，所述的圆光栅读数头支架呈“L”形结构，两侧面分别设有长形螺钉安装孔。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的圆光栅角位移传感器包括圆光栅读数头和圆光栅尺，圆光栅读数头安装在转台基座的台阶端面，圆光栅尺安装在电机芯轴底端面，圆光栅尺上设置倾斜安装面，圆光栅尺通过倾斜安装面与圆光栅尺安装座侧面定位安装，圆光栅尺安装座与电机芯轴设有等直径安装基准孔。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的转台基座上设置8个螺钉孔；所述的径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副和轴向下气体静压轴承副上均设有进气通道和泄气通道，进气通道由1个进气口和5个气道组成，径向气体静压轴承副中的径向轴承芯轴两端面设有泄气槽。
上述的超精密气体静压回转工作台，其中，所述的转台基座的底端面安装有防护底板。
有益效果：
本实用新型提供的超精密气体静压回转工作台，具有以下显著效果：
1）本实用新型的运动副无摩擦和发热产生，从物理结构上阻隔零传统回转工作台零部件产生的振动，提高了回转精度和精度保持性寿命。
2）本实用新型的气体静压轴承副结构简单可靠，精度保持性高，加工装配工艺性好。
3）本实用新型采用气体静压轴承支承技术，气体静压轴承采用大尺寸多孔质石墨材料，通入的压缩气体从石墨的微小气孔中流出，形成均匀稳定的气膜，保证了较高支承刚度和回转精度。
4）本实用新型采用力矩电机直接驱动结构，既精简了传统回转工作台的传动装置，又提高了回转运行平稳性能，减小其运转波动对零件表面质量的影响，有利于提高零件表面质量。
5）本实用新型在力矩电机和高精度圆光栅角位移传感器的全闭环控制作用下，具有低速无摩擦爬行和高精度角度控制的动态特性。
6）本实用新型的气体静压轴承石墨材料具有良好的自润滑性能，可以避免在回转工作台过载或工作气压不足等极端情况下对关键零件的损伤，具有保护作用。
本实用新型将气体静压轴承作为支承方式，其工作介质为经过精密冷却和干燥过滤的压缩空气，是通过电机带动回转工作台主轴使其运动并将其功能集成为一体的功能部件。气体静压回转工作台的结构特性，使其具有优越的高精度特点，且由于运动副间无磨损，无爬行现象，其运动更为平稳灵敏。同时，气膜作为承载介质，在运动中其具有误差均化作用，保证气体静压回转工作台具有较高的回转精度。其结构简单紧凑，可作为模块化回转工作台部件广泛应用于精密超精密加工装备、检测仪器，提高整体装备和仪器的综合性能。
附图说明
图1是本实用新型的俯视图。
图2是本实用新型的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对发明内容作详细的解释。
参照图1和图2所示，本实用新型包括径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副、静压轴承座7、转台基座13、力矩电机定子11、力矩电机转子12、电机芯轴10和圆光栅角位移传感器。本实用新型通过转台基座13上的8个螺钉孔固定连接安装到应用加工装备和检测仪器上，工作台面1为本实用新型的工件安装位置，其上设有12个螺钉孔，用于固定工件或专用夹具。台面盖板2通过螺钉固定在工作台面1上，当回转内部安装升级元器件时使用。密封环6紧固安装在工作台面1底面，可以有效防止外界粉尘和液体颗粒进入回转工作台内部，保证其正常工作。
径向气体静压轴承副包括径向轴承芯轴3和径向支承轴承套4，轴向上气体静压轴承副包括工作台面1和轴向上支承环5，轴向下气体静压轴承副包括轴向下支承环8和轴承静压盘9。工作台面1、径向轴承芯轴3和轴承静压盘9通过均布螺钉紧固连接，轴向上支承环5和轴向下支承环8安装面均具有气槽，胶粘在静压轴承座7的上环槽面和下环槽面，径向支承轴承套4外表面设有气槽，胶粘在静压轴承座7的内表面。径向气体静压轴承副和轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副之间具有5-8μm的间隙，通入压缩气体之后便形成气膜。径向支承轴承套4、轴向上支承环5和轴向下支承环8均为多孔质石墨材料，通入的压缩气体进入其气槽后从石墨的微小气孔中流出，形成均匀稳定的5-8μm的气膜，实现气体静压轴承的高刚度支承和超精密导向功能。
本实用新型的径向气体静压轴承副和轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副需要三路进气通道和三路泄气通道。第一路进气通道由第一路进气口130、第一路气道131、第一路气道700、第一路气道701、第一路气道702和第一路气道703组成，负责轴向下气体静压轴承副的进气。第二路和第三路进气通道具有类似的结构形式，分别将末端气道指向径向支承轴承套4和轴向上支承环5的背面气槽，实现进气。三路泄气通道中，轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副的绝大部分气体可以实现自然泄气，径向气体静压轴承副需要通过径向轴承芯轴3两端面的泄气槽300实现泄气，沿回转工作台中心空腔从转台基座13的侧面泄气通道排出。
本实用新型通过力矩电机进行直接驱动，配置高精度圆光栅角位移传感器实现全闭环高精度、平稳控制。力矩电机定子11通过上端面螺钉固定连接在转台基座13，并通入冷却水进行力矩电机定子11。力矩电子转子12内孔间隙配合安装到电机芯轴10上，下端面通过螺钉固定连接在电机转子安装板14上。电机转子安装板14用螺钉连接在电机芯轴10阶梯端面，电机芯轴10固定连接在轴承静压盘9下端面，保证力矩电机定子11和力矩电子转子12之间正常运转间隙。
高精度圆光栅角位移传感器由圆光栅读数头17和圆光栅尺18组成。圆光栅读数头17通过2个螺钉连接在“L”形圆光栅读数头支架16，圆光栅读数头支架16两侧面分别设有2个长形螺钉安装过孔，可以实现圆光栅读数头17竖直方向上下调整。圆光栅读数头支架16固定在支架安装板15上，而支架安装板15安装在转台基座13的台阶端面。圆光栅尺安装座19安装在电机芯轴10底端面，圆光栅尺18通过倾斜安装面与圆光栅尺安装座19侧面固定安装。为保证圆光栅尺18和圆光栅读数头17之间的正常间隙，“L”形圆光栅读数头支架16可以在支架安装板15实现水平方向的微量移动，保证圆光栅角位移传感器正常工作。待超精密气体回转工作台安装调试完成后，最后安装防护底板20与转台基座13的底端面，保证回转工作台内部洁净。
工作时，力矩电子转子12旋转，驱动电机芯轴10旋转，进而带动轴承静压盘9和径向轴承芯轴3旋转，最终工作台面1旋转。在圆光栅读数头17和圆光栅尺18组成的高精度圆光栅角位移传感器实时测量反馈作用下，最终实现超精密气体回转工作台的超精密分度回转功能。
为保证超精密气体回转工作台具有高精度的回转精度和运行平稳性，并最大程度减小旋转零件产生的不平衡量，回转工作台内部旋转零件设计有安装定位结构。请参阅图2所示，工作台面1、径向轴承芯轴3、轴承静压盘9和电机芯轴10均设计有高精度等直径中心孔，作为安装时保证同心度的基准面。同样，圆光栅尺安装座19与电机芯轴10设计有高精度等直径中心孔作为安装基准面，保证了圆光栅尺安装座19与旋转零件的同心度。
同时，本实用新型的内部空腔体可用于安装回转工作台功能升级的元器件，如旋转接头等。
本实用新型的承载力、刚度和精度都与径向支承轴承套4、轴向上支承环5和轴向下支承环8的结构尺寸和气膜厚度有关，针对不同应用技术要求，通过合理设计控制其参数，可以得到满足技术要求的承载力、支承刚度和回转精度性能。通过采用气体静压轴承支承技术和大尺寸多孔质石墨材料气体静压轴承结构，在装配过程中采用配研等技术，最终提高了超精密气体静压回转工作台径向和轴向回转精度和支承刚度性能，可作为模块化回转工作台部件广泛应用于精密超精密加工装备、检测仪器，提高整体装备和仪器的综合性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种超精密气体静压回转工作台，其特征在于：包括径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副、静压轴承座、转台基座、力矩电机定子、力矩电机转子、电机芯轴和圆光栅角位移传感器，转台基座上设有螺钉孔，径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副和轴向下气体静压轴承副固定连接为一体，径向气体静压轴承副、静压轴承座和转台基座连接成一体，轴向上气体静压轴承副和轴向下气体静压轴承副设置在静压轴承座内，力矩电机定子固定在转台基座上，力矩电机转子安装在电机芯轴上，电机芯轴固定在静压轴承副上，圆光栅角位移传感器安装在转台基座的台阶端面上。
2.根据权利要求1所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的径向气体静压轴承副包括径向轴承芯轴和径向支承轴承套，径向轴承芯轴和电机芯轴上设有等直径定位安装孔，径向支承轴承套胶粘在静压轴承座的内表面；所述的径向支承轴承套为多孔质石墨材料，其安装面设有气槽。
3.根据权利要求2所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的轴向上气体静压轴承副包括工作台面和轴向上支承环，工作台面和电机芯轴上设有等直径定位安装孔，工作台面上设置螺钉孔和阶梯状内孔，轴向上支承环胶粘在静压轴承座的上环槽面；所述的轴向上支承环为多孔质石墨材料，其安装面设有气槽；所述的工作台面上设置12个螺钉孔和阶梯状内孔。
4.根据权利要求1所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的轴向下气体静压轴承副包括轴向下支承环和轴承静压盘，电机芯轴固定连接在轴承静压盘下端面，轴承静压盘和电机芯轴上设有等直径定位安装孔，轴向下支承环胶粘在静压轴承座的下环槽面；所述的轴向下支承环为多孔质石墨材料，其安装面设有气槽。
5.根据权利要求4所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的径向气体静压轴承副和轴向上气体静压轴承副、轴向下气体静压轴承副之间具有5-8μm的间隙。
6.根据权利要求4所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：还包括电机转子安装板，所述力矩电机转子间隙配合安装到电机芯轴上，其下端面固定连接在电机转子安装板上，电机转子安装板连接在电机芯轴的阶梯端面上。
7.根据权利要求1所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：还包括圆光栅读数头支架、支架安装板、台面盖板和密封环，所述台面盖板固定在径向气体静压轴承副上，所述密封环紧固安装在径向气体静压轴承副上；所述的圆光栅角位移传感器包括圆光栅读数头和圆光栅尺，所述圆光栅读数头连接在圆光栅读数头支架上，所述圆光栅读数头支架固定在支架安装板上，所述支架安装板安装在转台基座的台阶端面，所述圆光栅尺安装在电机芯轴底端面，所述圆光栅尺上设置倾斜安装面，所述圆光栅尺通过倾斜安装面与圆光栅尺安装座侧面定位安装，所述圆光栅尺安装座与电机芯轴设有等直径安装基准孔，所述的圆光栅读数头支架呈“L”形结构，两侧面分别设有长形螺钉安装孔。
8.根据权利要求7所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的圆光栅角位移传感器包括圆光栅读数头和圆光栅尺，圆光栅读数头安装在转台基座的台阶端面，圆光栅尺安装在电机芯轴底端面，圆光栅尺上设置倾斜安装面，圆光栅尺通过倾斜安装面与圆光栅尺安装座侧面定位安装，圆光栅尺安装座与电机芯轴设有等直径安装基准孔。
9.根据权利要求1所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的转台基座上设置8个螺钉孔；所述的径向气体静压轴承副、轴向上气体静压轴承副和轴向下气体静压轴承副上均设有进气通道和泄气通道，进气通道由1个进气口和5个气道组成，径向气体静压轴承副中的径向轴承芯轴两端面设有泄气槽。
10.根据权利要求1所述的超精密气体静压回转工作台，其特征在于：所述的转台基座的底端面安装有防护底板。
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