CN214065997U - 一种高精度正交回转轴装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度正交回转轴装置，包括水平轴系和垂直轴系，垂直轴系包括竖轴轴承座，竖轴轴承座上设有竖轴主轴，竖轴主轴以流体静压轴承作为支承实现相对于竖轴轴承座旋转，水平轴系包括横轴轴承座，竖轴主轴与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴，横轴主轴以流体静压轴承作为支承实现相对于横轴轴承座旋转，横轴主轴与负载安装板连接，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交。本实用新型的优点：结构简单、可靠，实现正交回转轴系高测角精度；流体静压轴承实现各个主轴的旋转，保证了高回转精度；配置多个读数头，基于误差平均原理可提高测角精度；编码器放置于靠近正交回转轴线交点的位置，能够降低阿贝误差对角度测量精度的影响。

Description

一种高精度正交回转轴装置

技术领域

本实用新型涉及精密测量领域，具体涉及一种高精度正交回转轴装置。

背景技术

高精度正交回转轴系是测量仪器的重要运动执行机构，正交回转轴系轴线的交点往往作为精密测量仪器的测量基准点，如激光跟踪仪、经纬仪、全站仪和地面式激光扫描仪。因此，正交轴的制造和装配精度是影响测量仪器的关键，设计一种简单、可靠的正交回转轴系装置，能够保证仪器的精度，尤其是轴系的回转精度和轴间的垂直度，是亟待解决的问题。

目前，常用的正交回转轴系为基于标准滚动轴承、转台轴承的正交回转轴系，限于轴承的设计和制造水平往往可以达到P4级精度水平，而国内所制造的标准轴承与国外在寿命和可靠性上有较大差距，因此不能实现高精度的回转精度，通常在微米级，其整体测角水平较低。

目前常用的正交回转轴系间垂直度保证方法通过GJB 1801-1993中的标准进行正交回转轴系垂直度的检测，并利用人工修研的方法实现1″的轴间垂直度。该测量方法较为复杂，且人工修研垂直度的耗时长，不能满足快速、高精度正交回转轴系的生产要求。此外，正交回转轴系的设计通常基于铸铁、合金钢等实现，转台尺寸及重量均与国外有较大差距，不利于精密仪器的便携化发展。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，目的在于提供一种高精度正交回转轴装置，解决现有缺少一种简单、可靠的高精度正交回转轴装置的问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种高精度正交回转轴装置，包括水平轴系和垂直轴系，垂直轴系包括竖轴轴承座，竖轴轴承座上设有竖轴主轴，竖轴主轴在竖轴轴承座上旋转布置，水平轴系包括横轴轴承座，竖轴主轴与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴，横轴主轴在横轴轴承座上旋转布置，横轴主轴与负载安装板连接，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交。

进一步的，所述的竖轴轴承座与竖轴主轴之间、横轴轴承座与横轴主轴之间中的至少一组通过流体静压轴承进行支承并旋转。

进一步的，所述的流体静压轴承为气浮轴承，该气浮轴承回转精度在50nm～100nm之间。

进一步的，所述的静压轴承包括固定在轴承座上的轴承定子，轴承定子内设有轴承转子，轴承转子的上下两端分别连接上止推板、下止推板，上止推板、轴承转子和下止推板之间形成工字型结构，上止推板、轴承转子和下止推板均与轴承定子之间形成间隙。

进一步的，所述的竖轴主轴与竖轴旋转驱动组件连接。

进一步的，所述的竖轴旋转驱动组件为竖轴旋转电机。

进一步的，所述的竖轴旋转电机包括竖轴电机定子和竖轴电机转子，竖轴电机定子与竖轴定子安装板连接，竖轴定子安装板与竖轴轴承座连接，竖轴电机转子位于竖轴电机定子内，竖轴电机转子与竖轴转子连接轴连接，竖轴转子连接轴与竖轴主轴连接。

进一步的，所述的横轴主轴与横轴旋转驱动组件连接。

进一步的，所述的横轴旋转驱动组件为横轴旋转电机。

进一步的，所述的横轴旋转电机包括横轴电机定子和横轴电机转子，横轴电机定子与横轴定子安装板连接，横轴定子安装板与横轴轴承座连接，横轴电机转子位于横轴电机定子内，横轴电机转子与横轴转子连接轴连接，横轴转子连接轴与横轴主轴连接。

进一步的，所述的横轴轴承座上设有防护横轴旋转驱动组件的横轴驱动罩壳。

进一步的，所述的竖轴轴承座与竖轴主轴之间设有竖轴角度测量组件。

进一步的，所述的竖轴角度测量组件包括竖轴编码器和竖轴读数头，竖轴编码器设在竖轴主轴上，竖轴读数头设在竖轴轴承座上。

进一步的，所述的竖轴读数头设有至少两个。

进一步的，所述的竖轴角度测量组件位于竖轴轴承座靠近水平轴系和垂直轴系轴线交点的一侧。

进一步的，所述的横轴轴承座与横轴主轴之间设有横轴角度测量组件。

进一步的，所述的横轴角度测量组件包括横轴读数头和横轴编码器，横轴编码器设在横轴主轴上，横轴读数头设在横轴轴承座上。

进一步的，所述的横轴读数头设有至少两个。

进一步的，所述的横轴角度测量组件位于横轴轴承座靠近水平轴系和垂直轴系轴线交点的一侧。

进一步的，所述的横轴轴承座上设有防护横轴角度测量组件的测量组件罩壳。

进一步的，所述的横轴轴承座为L型横轴轴承座，L型横轴轴承座的水平端与竖轴主轴连接，横轴主轴设在L型横轴轴承座的竖直端，负载安装板为L型负载安装板，横轴主轴与L型负载安装板的竖直端连接，L型负载安装板的水平端为连接端。

进一步的，所述的L型横轴轴承座的水平端中部与竖轴主轴连接，L型横轴轴承座水平端的端部设有配重。

进一步的，所述的横轴轴承座为U型横轴轴承座，U型横轴轴承座的水平端与竖轴主轴连接，U型横轴轴承座的两竖直端均设有横轴主轴，负载安装板为U型负载安装板，两侧的横轴主轴分别与U型负载安装板的两竖直端连接，U型负载安装板的水平端为连接端。

进一步的，所述的U型横轴轴承座的水平端中部与竖轴主轴连接，一侧的横轴主轴与横轴旋转驱动组件连接，另一侧的横轴主轴与U型横轴轴承座之间设有横轴角度测量组件。

进一步的，所述的连接端上设有连接孔。

进一步的，所述的水平轴系和垂直轴系中流体静压轴承之外的结构材质为高强度铝合金。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、提供了一种简单、可靠的高精度正交回转轴装置，可以实现正交回转轴系高测角精度；

2、采用流体静压轴承作为各轴系支承，其高回转精度实现了轴系的高回转精度；

3、采用多读数头的配置方式，基于误差平均原理可进一步提高测角的精度；

4、采用编码器放置于靠近正交回转轴线交点的位置，能够降低阿贝误差对角度测量精度的影响；

5、整体结构尺寸较为紧凑，大部分部件采用高强度铝合金材料，可大幅降低其整体重量，便于便携化发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构立体图。

图2为本实用新型结构剖视图I。

图3为本实用新型结构剖视图II。

图4为本实用新型结构剖视图III。

图中：1-水平轴系，2-垂直轴系，3-横轴驱动罩壳，4-横轴定子安装板，5-横轴电机定子，6-横轴电机转子，7-横轴转子连接轴，8-流体静压轴承，9-L型横轴轴承座，10-横轴安装板，11-横轴读数头，12-横轴编码器，13-测量组件罩壳，14-负载连接轴，15-L型负载安装板，16-竖轴安装板，17-竖轴编码器，18-竖轴读数头，19-竖轴定子安装板，20-竖轴电机定子，21-竖轴电机转子，22-竖轴转子连接轴，23-竖轴轴承座，24-配重，25-U型横轴轴承座，26-过渡连接板，27-U型负载安装板；81-上止推板，82-轴承转子，83-间隙，84-轴承定子，85-下止推板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1～4所示，一种高精度正交回转轴装置，包括水平轴系1和垂直轴系2，垂直轴系2包括竖轴轴承座23，竖轴轴承座23上设有竖轴主轴，竖轴主轴在竖轴轴承座上旋转布置。水平轴系1包括横轴轴承座，竖轴主轴与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴，横轴主轴在横轴轴承座上旋转布置，横轴主轴与负载安装板连接。

横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交，即横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线相交并垂直。通过竖轴主轴带动横轴轴承座的绕一竖直的旋转轴线旋转，通过横轴主轴带动负载安装板绕一水平的旋转轴线旋转。负载安装板上用于安装连接测量模块。

负载安装板旋转时，可带动测量模块转动，使测量模块测量数据，其中测量模块可选择激光干涉测量模块用于获取测量长度。其中横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交点设为其起始测量原点，此点作为正交回转轴系统使用的基准点，此基准原点也是测量模块的光轴轴线、横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线的交点，以此原点来建立球坐标系。

竖轴轴承座23与竖轴主轴之间、横轴轴承座与横轴主轴之间均通过流体静压轴承8进行支承并旋转。优选的，流体静压轴承8为气浮轴承，旋转时，在间隙内形成均密的气压，保证主轴的旋转精度。气浮轴承的回转精度在50nm～100nm之间，可以提高水平轴系1和垂直轴系2旋转过程中的角度测量精度，同时降低轴系精度对测量模块的影响，进一步的提高测量精度。

竖轴主轴与竖轴旋转驱动组件连接，优选的，竖轴旋转驱动组件为竖轴旋转电机，通过竖轴旋转驱动组件控制竖轴主轴的旋转运动。横轴主轴与横轴旋转驱动组件连接，优选的，横轴旋转驱动组件为横轴旋转电机，通过横轴旋转驱动组件控制横轴主轴的旋转运动。横轴轴承座上通过螺钉固定有防护横轴旋转驱动组件的横轴驱动罩壳3，防止外界干扰、灰尘及油雾。

竖轴轴承座与竖轴主轴之间设有竖轴角度测量组件，竖轴角度测量组件位于竖轴轴承座靠近水平轴系1和垂直轴系2轴线交点的一侧。横轴轴承座与横轴主轴之间设有横轴角度测量组件，横轴角度测量组件位于横轴轴承座靠近水平轴系1和垂直轴系2轴线交点的一侧。角度测量组件用于轴系在旋转过程中的角度测量。由于角度测量组件布置在靠近正交回转轴线交点的位置，有助于降低阿贝误差对于测角精度的影响。横轴轴承座上通过螺钉固定有防护横轴角度测量组件的测量组件罩壳13，防止外界干扰、灰尘及油雾。

具体的，竖轴主轴包括竖轴转子连接轴22、流体静压轴承的转动件和竖轴安装板16，横轴主轴包括横轴转子连接轴7、流体静压轴承的转动件和横轴安装板10。

静压轴承8包括通过螺钉固定在轴承座上的轴承定子84，轴承定子84内设有轴承转子82，轴承转子82的上下两端分别通过螺钉连接上止推板81、下止推板85，上止推板81、轴承转子82和下止推板85之间形成工字型结构，上止推板81、轴承转子82和下止推板85均与轴承定子84之间形成间隙83。

竖轴旋转电机包括竖轴电机定子20和竖轴电机转子21，竖轴电机定子20通过螺钉与竖轴定子安装板19连接，竖轴定子安装板19通过螺钉与竖轴轴承座23连接，竖轴电机转子21位于竖轴电机定子20内，竖轴电机转子21与竖轴转子连接轴7连接，竖轴转子连接轴7通过螺钉与下止推板85连接。

竖轴角度测量组件包括竖轴编码器17和竖轴读数头18，竖轴编码器17通过螺钉设在竖轴安装板16上，竖轴读数头18设有至少两个，竖轴读数头18通过螺钉设在竖轴轴承座上，上止推板81与竖轴安装板16连接，竖轴安装板与横轴轴承座连接。采取多读数头的方法，利用误差平均原理来进一步提高旋转过程中的测角精度。

横轴旋转电机包括横轴电机定子5和横轴电机转子6，横轴电机定子5通过螺钉与横轴定子安装板4连接，横轴定子安装板4通过螺钉与横轴轴承座连接，横轴电机转子6位于横轴电机定子5内，横轴电机转子6与横轴转子连接轴7连接，横轴转子连接轴通过螺钉与下止推板85连接。

横轴角度测量组件包括横轴读数头11和横轴编码器12，横轴编码器12设在横轴安装板10上，横轴安装板10与横轴主轴同步旋转，横轴读数头11设有至少两个，横轴读数头11设在横轴轴承座上。采取多读数头的方法，利用误差平均原理来进一步提高旋转过程中的测角精度。

如图2所示，横轴轴承座为L型横轴轴承座9，L型横轴轴承座9的水平端通过螺钉与竖轴安装板16连接，竖轴安装板16与上止推板连接。横轴主轴设在L型横轴轴承座9的竖直端，负载安装板为L型负载安装板15，横轴安装板16通过负载连接轴14与L型负载安装板15的竖直端连接，横轴安装板16通过螺钉与上止推板连接，L型负载安装板15的水平端为连接端，连接端上设有连接孔。

如图3所示，L型横轴轴承座9的水平端中部与竖轴主轴连接，L型横轴轴承座9水平端的端部设有配重24。配重用于平衡流体静压轴承的重量，便于水平轴系的装调。此外，平衡后有助于提高垂直轴系的动态性能，避免偏载对轴承的损坏和对系统测量精度的影响。

如图4所示，横轴轴承座为U型横轴轴承座25，U型横轴轴承座25的水平端与竖轴安装板16连接，U型横轴轴承座25的两竖直端均设有横轴主轴，负载安装板为U型负载安装板27，两侧的横轴主轴分别与U型负载安装板27的两竖直端连接，U型负载安装板27的水平端为连接端，连接端上设有连接孔。

U型负载安装板27实现流体静压轴承的对称布置，不但能够平衡两侧的重量，同时能够对负载安装板的两端进行限位，保证旋转精度。U型横轴轴承座25的水平端中部通过螺钉与竖轴安装板连接，左侧横轴主轴的下止推板与横轴旋转驱动组件连接，左侧横轴主轴的上止推板与过渡连接板26连接，过渡连接板与U型负载安装板27的左端连接，右侧横轴主轴的下止推板与横轴安装板连接，横轴安装板与U型横轴轴承座25之间设有横轴角度测量组件，右侧横轴主轴的上止推板通过过渡连接板26与U型负载安装板27的右端连接。横轴旋转驱动组件和横轴角度测量组件分别设在两侧，便于垂直轴系旋转过程中整体受力平衡，能够有效降低偏载对于轴承的损坏，提高动态性能和测量精度。

水平轴系1和垂直轴系2中流体静压轴承8之外的结构材质为高强度铝合金，可大幅降低其整体重量，便于便携化发展。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度正交回转轴装置，包括水平轴系(1)和垂直轴系(2)，其特征在于：所述的垂直轴系(2)包括竖轴轴承座(23)，竖轴轴承座(23)上设有竖轴主轴，竖轴主轴在竖轴轴承座(23)上旋转布置，水平轴系(1)包括横轴轴承座，竖轴主轴与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴，横轴主轴在横轴轴承座上旋转布置，横轴主轴与负载安装板连接，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交。

2.根据权利要求1所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的竖轴轴承座(23)与竖轴主轴之间、横轴轴承座与横轴主轴之间中的至少一组通过流体静压轴承(8)进行支承并旋转。

3.根据权利要求2所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的静压轴承(8)包括固定在轴承座上的轴承定子(84)，轴承定子(84)内设有轴承转子(82)，轴承转子(82)的上下两端分别连接上止推板(81)、下止推板(85)，上止推板(81)、轴承转子(82)和下止推板(85)之间形成工字型结构，上止推板(81)、轴承转子(82)和下止推板(85)均与轴承定子(84)之间形成间隙(83)。

4.根据权利要求1所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的竖轴轴承座与竖轴主轴之间设有竖轴角度测量组件。

5.根据权利要求4所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的竖轴角度测量组件位于竖轴轴承座靠近水平轴系(1)和垂直轴系(2)轴线交点的一侧。

6.根据权利要求1或4所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的横轴轴承座与横轴主轴之间设有横轴角度测量组件。

7.根据权利要求1所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的横轴轴承座为L型横轴轴承座(9)，L型横轴轴承座(9)的水平端与竖轴主轴连接，横轴主轴设在L型横轴轴承座(9)的竖直端，负载安装板为L型负载安装板(15)，横轴主轴与L型负载安装板(15)的竖直端连接，L型负载安装板(15)的水平端为连接端。

8.根据权利要求7所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的L型横轴轴承座(9)的水平端中部与竖轴主轴连接，L型横轴轴承座(9)水平端的端部设有配重(24)。

9.根据权利要求1所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的横轴轴承座为U型横轴轴承座(25)，U型横轴轴承座(25)的水平端与竖轴主轴连接，U型横轴轴承座(25)的两竖直端均设有横轴主轴，负载安装板为U型负载安装板(27)，两侧的横轴主轴分别与U型负载安装板(27)的两竖直端连接，U型负载安装板(27)的水平端为连接端。

10.根据权利要求9所述的高精度正交回转轴装置，其特征在于：所述的U型横轴轴承座(25)的水平端中部与竖轴主轴连接，一侧的横轴主轴与横轴旋转驱动组件连接，另一侧的横轴主轴与U型横轴轴承座(25)之间设有横轴角度测量组件。

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