TW202307349A - 用於精密線性運動導引之液靜壓軸承 - Google Patents

用於精密線性運動導引之液靜壓軸承 Download PDF

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Abstract

根據一個示例，液靜壓軸承包括托架和導軌，當與托架結合時，該導軌提供托架相對於導軌的線性運動。液靜壓軸承被配置為通過將加壓的、不可壓縮的流體供應到托架中的軸承腔來在托架和導軌之間傳遞力而不在托架和導軌之間進行機械接觸。軸承腔中的每個軸承腔由軸承墊的軸承凸台包圍，並且軸承墊包括平行四邊形、梯形、箭頭或邊緣通常不與運動方向正交的任何其它形狀的一般形狀。

Description

用於精密線性運動導引之液靜壓軸承
本發明總體上涉及液靜壓軸承，並且更具體地涉及用於精密線性運動導引的液靜壓軸承。 相關申請案的交叉引用 本申請案要求2021年6月30日提交的題為“Hydrostatic Bearing for Precision Linear Motion Guidance”的美國臨時專利申請案No. 63/217,103的優先權，其全部內容通過引用併入本文。
液靜壓軸承用於在機器(諸如機床)中實現精確的線性運動。液靜壓軸承的典型示例在美國專利No. 5,466,071、美國專利No. 5,871,285、Slocum的精密機器設計(Prentice Hall, 1992)和歐洲專利No. 0 304 090進行了描述，這些專利中的每一個都通過引用整體併入本文。然而，這些典型的液靜壓軸承可能存在缺陷。
根據一個示例，液靜壓軸承包括托架和導軌，當與托架結合時，該導軌提供托架相對於導軌的線性運動。液靜壓軸承被配置為通過將加壓的、不可壓縮的流體供應到托架中的軸承腔來在托架和導軌之間傳遞力而不在托架和導軌之間進行機械接觸。軸承腔中的每個軸承腔由軸承墊的軸承凸台包圍，並且軸承墊包括平行四邊形、梯形、箭頭或邊緣通常不與運動方向正交的任何其它形狀的一般形狀(例如，運動方向是線性的並由一條線定義，並且軸承墊的邊緣不位於與該線正交的平面上)。在一些示例中，軸承墊的形狀使由於軸承軌道表面中的週期性圖案引起的托架誤差運動最小化。在一些示例中，該形狀還內在地分配壓力以最小化托架誤差運動，同時保持剛度。 根據另一個示例，流體靜力(加壓流體膜)線性軸承包括加壓腔，用於跨軸承凸台供應流體，使得實現高的軸承剛度和負載能力。在一些示例中，加壓腔和軸承凸台的幾何形狀通過在一定距離上在行進方向中分配壓力來實現精密機器運動，使得減少軸承軌道表面中週期性圖案的影響。 根據另一示例，液靜壓線性軸承包括液靜壓軸承墊，該液靜壓軸承墊具有減小由軸承軌道表面中的週期性幾何圖案引起的、液靜壓線性軸承的誤差運動的形狀。在一些示例中，該形狀提供了線性軸運動精度的改進。
本發明的示例通過參考圖1A-6得到最好的理解，相同的標號用於各個圖式的相同和對應部分。 液靜壓軸承用於在機器(諸如機床)中實現精確的線性運動。線性液靜壓軸承包括托架和托架在其上移動或滑動的導軌。通常，軌道比托架長，並且具有供托架移動的直表面，從而產生單自由度線性運動。托架包含軸承墊，每個軸承墊包括軸承腔和軸承凸台。軸承腔包含加壓流體，該加壓流體流過軸承凸台，通過加壓流體薄膜將托架和軌道分開，防止機械接觸。軸承凸台具有一個寬度，在該寬度上，薄膜的壓力從軸承腔中的壓力下降到大氣壓力。薄膜在托架和導軌之間提供剛度和減少摩擦的運動。流體可以是油、水或任何其它不可壓縮的流體，當置於軸承腔中的壓力下時該流體將分離托架和軌道。 當托架沿著軌道移動時，托架遵循軌道表面的幾何形狀。例如，如果軌道表面具有弧形而不是直線的一般形狀，則托架將遵循弧形。精密運動應用需要直的線性運動，並且偏離直線的運動被歸類為誤差運動。雖然誤差運動是不可取的，但製造完全筆直的軌道表面是不切實際的。通常，軌道表面是由包含直接影響軌道表面幾何形狀的內在誤差運動的機器製造的。機器誤差運動通常不是隨機的，而是本質上是週期性的。例如，上面討論的弧線可以通過表現具有特定空間波長的正弦圖案的軌道表面來描述。如果波長正弦圖案很小，則由於流體膜剛度的平均效應，托架的誤差運動很小，例如，如果波長遠小於或短於軸承凸台寬度的話。因此，在一些示例中，可以通過在軌道表面中保持週期性圖案的低振幅來實現精確運動，其中圖案的波長遠小於軸承凸台寬度。對於如表面磨削的製造工藝，實現低振幅週期性圖案並不總是可行的。此外，可以增加軸承凸台寬度以減少週期性圖案的影響，但增加軸承凸台寬度會降低軸承剛度，因此是不希望的。 圖1A-1C示出具有六對相對的軸承墊18的液靜壓線性軸承的示例，所述軸承墊18具有矩形形狀。軸承墊18平行且相對地定向，使得由軸承墊18施加到托架30的力相等且相反，在與運動正交的平面中在托架30上產生零力。軸承墊18為矩形形狀，所有墊18具有相對的一對，但軸承墊18的其它佈置和數量可用於實現零力，諸如燕尾軌道和托架。圖1A和1B是液靜壓軸承的托架30的等距視圖，而圖1C是托架30與液靜壓軸承的導軌31結合的等距視圖。 液靜壓軸承包括托架30和導軌31。托架30包括包含加壓流體的軸承墊18。流體可以是油或水，或任何不可壓縮的流體。軌道31可以是具有托架30圍繞其平移的橫截面的任何直線物件。橫截面可以是正方形、三角形、圓形或任何形狀，使得軸承墊18可以定向成使得由軸承墊18產生的力的總和可以為零(其示例見於歐洲專利No. 0 304 090)。 加壓流體流過軸承凸台21以產生高剛度和擠壓膜阻尼。軸承凸台21和軌道31之間的間隙(如圖2中所示)通常在8到25微米的量級上，但是可以根據需要而小或大以產生高剛度和擠壓膜阻尼。軸承腔20中的加壓流體可以通過毛細管限流器50、孔口限流器或任何類型的限流方法來限制。由毛細管限流器50限制的軸承墊18的示例在圖5A-5B中示出。限流器50放置在供應壓力和軸承腔20之間。軸承腔20可以具有任何深度，使得在整個軸承凸台21上實現高剛度和擠壓膜阻尼。 對於精密運動應用，諸如機床的線性軸，托架30的運動應該盡可能直線。如果軌道表面在運動方向中不是幾何筆直的，則托架30可能具有不希望的運動或誤差運動。誤差運動可以是相互正交且與行進方向正交的兩個線性誤差運動和稱為滾動、俯仰和偏航的三個角誤差運動的組合。 圖2A-2B是包括托架和軌道的線性液靜壓軸承的簡化表示。圖2A-2B的軸承墊18的形狀為矩形，這在先前技術中是已知的。軸承軌道表面具有波長為l和振幅為 a的週期性圖案。軸承的公稱間隙定義為 h 0 ，軸承凸台寬度定義為 B，軸承凸台長度定義為 L，供應壓力定義為 p s ，大氣壓力定義為 p a 。 如果軌道表面的幾何形狀被假定為週期性圖案40的總和(圖2A-2B中示出了其示例)，則托架30的誤差運動將是由每個週期性圖案40產生的誤差運動的總和。因此，托架30的總誤差運動將隨著週期性圖案40的振幅和波長而變化。當托架30沿軌道31橫穿，越過軌道31中的週期性圖案40時，就會發生誤差運動，其結果導致由擠壓膜產生的有效力發生變化。力的變化導致托架30的位置變化，這被稱為誤差運動。 軌道31的週期性圖案40可以源自各種來源。例如，軌道31可以在本身具有誤差運動的機床上製造。這些誤差運動將影響軌道31的表面。此外，用於製造軌道31的工具形狀可能會影響軌道31的表面幾何形狀。例如，當銑刀加工軌道31表面時，具有給定數量切削刃的銑刀可以在軌道31表面上形成圖案。在另一示例中，平面磨床工具上的砂輪可能不是圓形的，因此砂輪的振盪會導致軌道31表面上的週期性結構。 減少週期性圖案40對軌道31的影響的一種方法是在機器上旋轉或歪斜軌道31，使得直線度誤差不與軌道31的線性方向正交。但由於機床的空間和尺寸限制，該方法並不總是實用的。例如，當導軌31歪斜時，機床軸線所需的行程長度增加，這可能超過機床的行程長度。此外，由於軌道31的有效寬度隨著軌道31歪斜而增加，因此機床上的安裝表面的尺寸可能不夠。 使對軌道31表面上的週期性圖案40的影響最小化的另一種方法是將週期性圖案40定位在軌道31的相對側上，使得力的變化被抵消。該技術用於長波長誤差，諸如長於軌道31長度的波長。例如，軌道31的表面可以具有弧形形狀以及該弧形形狀在相對的軌道表面上的鏡像。在一些示例中，由每個相對的墊18施加的力隨著托架30沿著軌道31行進而改變，但是該力總是相等和相反的，並且因此不會發生誤差運動。該策略對於長波長是可能的，但是對於較短的波長(例如，短於軸承凸台21的寬度)，該策略是具有挑戰性的。週期性誤差的對齊或相位難以在機床上對齊。 本發明的液靜壓軸承可以解決這些缺陷中的一個或多個。根據一個示例，液靜壓軸承包括托架30和導軌31，當與托架30結合時，該導軌31提供托架30相對於導軌31的線性運動。液靜壓軸承被配置為通過將加壓的、不可壓縮的流體供應到托架30中的軸承腔20來在托架30和導軌31之間傳遞力而不在托架30和導軌31之間進行機械接觸。軸承腔20中的每個軸承腔20都由軸承墊18的軸承凸台21包圍，並且軸承墊18包括平行四邊形、梯形、箭頭或者邊緣通常不與運動方向正交的任何其它形狀的一般形狀。在一些示例中，軸承墊18的形狀使由於軸承軌道表面中的週期性圖案40引起的托架誤差運動最小化。在一些示例中，該形狀還內在地分配壓力以最小化托架誤差運動，同時保持剛度。此外，與旋轉軸承相反，軸承墊18用於線性軸承。 圖3A-3C示出線性液靜壓軸承墊18形狀的示例，其可以減少由於週期性軌道直線度誤差引起的托架誤差運動。在圖3A中，軸承墊18為不具有直角的平行四邊形。在圖3B中，軸承墊18呈梯形的形狀。在圖3C中，軸承墊18呈箭頭形狀。 如上所述，在一些示例中，軸承墊18(其中軸承墊18包括軸承凸台21和軸承腔20)的形狀使得邊緣通常不與運動方向正交。例如，矩形可以在行進方向中具有歪斜以產生平行四邊形形狀的軸承墊18(參見圖3A)。軸承墊18的歪斜被定義為歪斜比 m乘以軸承凸台寬度 B。在一些示例中，歪斜比 m必須大於零以實現邊緣不與運動方向正交的形狀。歪斜比的典型值為1.0，但該值可能更高，諸如10.0。如圖3A中所示，軸承墊18具有平行於運動方向的線，但沒有正交於運動方向的線。此外，軸承凸台21和軸承腔20可以遵循軸承墊18的形狀，並且因此，軸承凸台21和/或軸承腔20也可以不具有與運動方向正交的邊緣。 在其它示例中，如圖3B中所示，軸承墊18可以具有梯形形狀，該梯形形狀不具有與運動方向正交的線。在進一步的示例中，歪斜 mB可以跨軸承凸台21長度多次出現，諸如圖3C中的箭頭形狀，其在軸承凸台21長度上具有2個部分。 其它軸承墊18形狀也是可能的，同時仍然實現通常不正交於運動方向的線。例如，圖4示出示例線性液靜壓軸承墊18形狀，其可以減少由於週期性軌道直線度誤差導致的托架誤差運動，其中軸承墊18呈箭頭形狀，其中小段42垂直於行進方向定向。軸承的歪斜定義為歪斜比 m乘以軸承凸台寬度 B。如圖4中可見，軸承墊18呈箭頭形狀，軸承凸台21的一小段42垂直(即，正交)於行進方向定向，使得由於週期性圖案引起的托架的誤差運動仍然減小。因此，在一些示例中，少量的軸承墊18可以是正交的並且仍然達到所需的效果。 圖5A-5B是包括托架和導軌的示例線性液靜壓軸承的簡化表示。軸承墊18的形狀為平行四邊形。軸承軌道表面具有波長為 l和振幅為 a的週期性圖案。軸承的公稱間隙定義為 h 0 ，軸承凸台寬度定義為 B，軸承凸台長度定義為 L，供應壓力定義為 p s ，大氣壓力定義為 p a 。軸承腔20中的壓力已由流體供應和軸承腔20之間的毛細管限流器50補償。毛細管限流器50產生增加軸承剛度的壓降。這通常作為補償液靜壓軸承而已知。 圖6是線性液靜壓軸承運動期間所產生的力變化圖，該力變化是由軸承軌道31中波長 l和振幅 a的週期性圖案引起的。軸承的公稱間隙定義為 h 0 ，軸承凸台寬度定義為 B，軸承凸台長度定義為 L，供應壓力定義為 p s ，大氣壓力定義為 p a 。變數 m被定義為歪斜比，其等於平行四邊形軸承墊18的歪斜距離除以軸承凸台寬度。該曲線圖包括定義各種軸承墊18形狀的3條線。實心的第一條線定義 m=0，它是矩形墊(先前技術)。在作為長劃線的第二條線中， m= 0.1，歪斜量是軸承凸台寬度的10%。在作為短劃線的第三條也是最後一條線中， m=1，歪斜量是軸承凸台寬度的100%。軸承墊的示例形狀也示出在圖表上，並帶有相應的線型。該曲線圖標出，隨著 m增加，力的變化減少。可以假設軸承具有線性剛度，因此力變化的減小導致托架的誤差運動減小。 已經參考各種非限制性和非窮舉性示例編寫了本說明書。然而，本領域一般技術人員將認識到，可以在本說明書的範圍內對任何公開的示例(或其部分)進行各種替換、修改或組合。因此，預期並理解本說明書支持本說明書中未明確闡述的附加示例。例如，可以通過組合、修改或重組在本說明書中所述的各種非限制性和非窮舉性示例的任何公開的步驟、組件、元件、特徵、方面、特性、限制等來獲得此類示例。
18:軸承墊 20:軸承腔 21:軸承凸台 30:托架 31:軌道 40:週期性圖案 42:小段 50:毛細管限流器 a:振幅 B:軸承凸台寬度 h 0 :軸承的公稱間隙 l:波長 L:軸承凸台長度 m:歪斜比 p a :大氣壓力 p s :供應壓力
為了更完整地理解本發明及其特徵和優點，現結合圖式參考以下描述，在圖式中： [圖1A-1C]是具有六對相對的軸承墊的示例性的液靜壓軸承的等距視圖； [圖2A](頂視圖)和[圖2B](側視圖)是包括托架和導軌的線性液靜壓軸承的簡化表示，圖2A-2B的軸承墊的形狀為矩形，這在先前技術中是已知的； [圖3A-3C]示出線性液靜壓軸承墊形狀的示例，其可以減少由於週期性軌道直線度誤差引起的托架誤差運動； [圖4]示出另一個示例線性液靜壓軸承墊形狀，其可以減少由於週期性軌道直線度誤差引起的托架誤差運動，其中軸承墊呈箭頭形狀，其中小段垂直於行進方向定向； [圖5A](頂視圖)和[圖5B](側視圖)是包括托架和導軌的示例線性液靜壓軸承的簡化表示，其中軸承墊成形為平行四邊形； [圖6]是線性液靜壓軸承運動期間所產生的力變化圖，該力變化是由軸承軌道中波長l和振幅 a的週期性圖案引起的。
18:軸承墊
30:托架

Claims (15)

  1. 一種液靜壓軸承，其包括： 托架；以及 導軌，當與所述托架結合時，所述導軌提供所述托架相對於所述導軌的線性運動，其中，所述液靜壓軸承被配置為通過將加壓的、不可壓縮的流體供應到所述托架中的軸承腔來在所述托架和所述導軌之間傳遞力而不在所述托架和所述導軌之間進行機械接觸，所述軸承腔中的每個軸承腔都被軸承墊的軸承凸台包圍，其中，所述軸承墊包括不具有直角的平行四邊形的一般形狀。
  2. 根據請求項1所述的液靜壓軸承，其中，所述托架包括相對的軸承墊，使得由相對的墊產生的所述力相等。
  3. 根據請求項2所述的液靜壓軸承，其進一步包括足夠小的軸承間隙以產生高的剛度和擠壓膜阻尼。
  4. 根據請求項3所述的液靜壓軸承，其中，所述軸承間隙為8至25微米。
  5. 根據請求項2所述的液靜壓軸承，其中，一個或多個所述軸承腔中的壓力由毛細限流器補償。
  6. 一種液靜壓軸承，其包括： 托架；以及 導軌，當與所述托架結合時，所述導軌提供所述托架相對於所述導軌的線性運動，其中，所述液靜壓軸承被配置為通過將加壓的、不可壓縮的流體供應到所述托架中的軸承腔來在所述托架和所述導軌之間傳遞力而不在所述托架和所述導軌之間進行機械接觸，所述軸承腔中的每個軸承腔都被軸承墊的軸承凸台包圍，其中，所述軸承墊包括梯形的一般形狀。
  7. 根據請求項6所述的液靜壓軸承，其中，所述托架包括相對的軸承墊，使得由相對的墊產生的力相等。
  8. 根據請求項7所述的液靜壓軸承，其進一步包括足夠小的軸承間隙以產生高的剛度和擠壓膜阻尼。
  9. 根據請求項8所述的液靜壓軸承，其中，所述軸承間隙為8至25微米。
  10. 根據請求項7所述的液靜壓軸承，其中，一個或多個所述軸承腔中的壓力由毛細限流器補償。
  11. 一種液靜壓軸承，其包括： 托架；以及 導軌，當與所述托架結合時，所述導軌提供所述托架相對於所述導軌的線性運動，其中，所述液靜壓軸承被配置為通過將加壓的、不可壓縮的流體供應到所述托架中的軸承腔來在所述托架和所述導軌之間傳遞力而不在所述托架和所述導軌之間進行機械接觸，所述軸承腔中的每個軸承腔都被軸承墊的軸承凸台包圍，其中，所述軸承墊包括箭頭的一般形狀。
  12. 根據請求項11所述的液靜壓軸承，其中，所述托架包括相對的軸承墊，使得由相對的墊產生的力相等。
  13. 根據請求項12所述的液靜壓軸承，其進一步包括足夠小的軸承間隙以產生高的剛度和擠壓膜阻尼。
  14. 根據請求項13所述的液靜壓軸承，其中，所述軸承間隙為8至25微米。
  15. 根據請求項12所述的液靜壓軸承，其中，一個或多個所述軸承腔中的壓力由毛細限流器補償。
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