TWI391576B - 剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置與方法 - Google Patents

Description

剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置與方法

本發明係有關於一種剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置與方法，尤指一種剛性可自我補償及克服反應時間延遲問題之液靜壓軸承裝置與方法。

現有的液靜壓導軌是在承載台與導軌之間設置多數的液靜壓軸承，而各液靜壓軸承是將具有一定壓力的潤滑油液經節流器輸送到鄰接導軌面的油腔中，以與油腔與導軌之間形成承載油膜，將相互接觸的金屬表面隔開，實現液體摩擦，一般完整的液靜壓導軌系統，應包含液靜壓軸承本體，外部供油系統及節流器三部分。

液靜壓軸承本體因油腔構型選擇上之差異，將造成軸承性能特性指標，例如流量、最高度限制、承載能力、阻尼性與剛性上有明顯的不同。液靜壓軸承常見的腔體構型可區分為淺腔型、深腔型、槽型、島型等，其中，溝槽式油腔結構最簡單，使用在小的導軌寬度(40~50mm)，而島式使用在較寬的導軌寬度(60~140mm)，半島式則使用在軌寬超過150mm以上。

外部供油系統為液靜壓軸承不可缺少的組成部分，它在整個工作過程中都必須供給穩定、清潔、溫昇低的壓力油，軸承工作的可靠性主要取決於供油系統；供油系統可區分為定壓力供油系統和定流量供油系統兩種。定壓供油系統其特性為以一個供油泵供應軸承的所有油腔，由節流器的設計決定油腔之最終壓力，其優點是設備費用便宜、容易安裝執行、油膜剛性較佳且在不同負載下油膜厚度不變，一般來說在液靜壓導軌中仍較常被採用。

至於節流器的種類煩多，歸納起來可分為固定節流器與可變節流器兩種。毛細管節流器、小孔節流器與定流量節流器屬於固定節流器，流量閥(flow-valve)、壓力感應閥(pressure-sensing valve)與薄膜(membrane)屬於可變節流器，固定節流器因製造上較為容易，因此被廣泛使用。

節流器構造上的不同將改變流道出口之節流參數(discharge coefficient)的數值，節流參數會影響流體壓力的分佈，在液靜壓軸承的性能設計上有很大的影響。倘若無節流器則液靜壓軸承將沒有剛性與承載能力，只要節流器的選擇正確，軸承就可以獲得最大的剛性。

目前液靜壓導軌之平面軸承其國外技術發展重點在於開發各種油腔構型與節流器構造的獨特設計，其目的在於獲得更佳的軸承性能(亦即承載能力、最高速度限制、阻尼性與剛性等)以及掌握更精確的節流特性。國內液靜壓導軌技術尚屬萌芽階段，僅部份磨床廠投入應用技術研究，技術發展普遍以沿襲國外設計為主。

現有之液靜壓導軌的問題點為：

(1)導軌之平面軸承本體，當其選用不同的油腔構型設計與不同的節流器種類搭配時。其剛性為固定值無法隨軸承負載大小作改變，且軸承的性能特性指標必須重新做理論推導求出。

(2)在液靜壓軸承供油迴路中，節流器是安裝在軸承出油口的上游而無法完全靠近出油口，這在動態負載變動時，將導致可變節流器的作動到真正軸承油膜厚度改變有時間延遲問題。

針對習知專利而言，例如，中華民國專公告號435628「具有補償元件構造之氣靜壓線性滑軌」，其運用調整螺絲做為間隙調整的補償元件，一個線性滑軌需要7個調整螺絲來拘束三個面(垂直面與兩個側面分別使用3個、2個、2個調整螺絲)達成滑軌之氣靜壓軸承補償目的，惟該案採手動調整螺絲補償間隙，概念雖然可行，但實際操作之精度低、可靠度低。

再如中華民國專利公告號225576「自行補償式流體靜壓線性運動軸承及方法」、美國專利第5,104,237號「Self-compensating hydrostatic linear motion bearing」，其係於滑軌兩個對向的靜壓軸承設有油路連通，中間連接一個可蓄壓的囊袋，當外力施加負載時，對向的軌道面之油膜間隙會產生大小變化，兩油膜間隙面內的流體壓力差，可由連通之蓄壓囊袋自行補償流體壓力，達成靜壓軸承對外力負載的自動補償，惟蓄壓囊袋之反應時間慢，且不利系統微小化設計。

另如美國專利第5,533,814號「Low profile self-compensated hydrostatic thrust bearing」、第5,700,092號「Integrated shaft self-compensating hydrostatic bearing」、第3,934,948號「Self-pressurizing and self-compensating hydrostatic bearing」、第5,281,032號「Self-compensating hydrostatic bearings for supporting shafts and spindles and like for rotary and translational motion and methods therefor」、第5,484,208號「Elastically supported self-compensating flow restrictors for optimizing hydrostatic beraing performance」，以及中華民國專利公告號304221「整體式自行軸補償液體靜力軸承」，其係於滑軌兩個對向的靜壓軸承使用流體通道(groove)連通，液壓流體可流動到對向的軸承內，當外力施加負載時，兩對向軸承的油膜間隙大小變化所造成的流體壓力差，可由連通之流體通道得到壓力的自動補償，惟可補償的壓力變化範圍小。

又如美國專利第5,980,110號「Manifold for self-compensating hydrostatic bearing with integral」、美國專利第6,012,845號「Self-compensating hydrostatic bearing with tape」、PCT專利WO 99/53207「Self-compensating hydrostatic bearing」，其係於滑軌兩個對向的靜壓軸承使用流體通道(groove)連通，並連接一個總閥門，液壓流體可經由總閥門流動到對向的靜壓軸承內，當外力施加負載時，兩對向軸承的油膜間隙大小變化所造成的流體壓力差，可由連通之流體通道得到壓力的自動補償，惟其系統油路設計複雜且成本高。

有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置與方法，其剛性可自我補償及克服反應時間延遲問題。

為達到上述目的，本發明提出一種剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置與方法，該液靜壓平面軸承裝置包含一節流器、一第一腔室與一第二腔室，該節流器係設置於一承載台，且節流器的一端凸出於承載台而具有一可撓曲、變形之支撐件，該第一腔室係形成於該支撐件相對於該節流器之一端，且該節流器貫設之供液管路係連通至該第一腔室，而該第二腔室係形成於該支撐件與該承載台之間，且第二腔室係經由該支撐件上的連通孔與第一腔室相互連通。

而液靜壓平面軸承裝置之剛性自動補償方法，係於液靜壓平面軸承裝置之負載改變時，使該第一腔室之壓力隨之改變，並經由連通孔傳導至第二腔室，而藉由該第二腔室之壓力變化使該支撐件微量變形，進而使該第一腔室容積變化而改變其平均壓力來進行軸承的剛性之自動補償。

為使　貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利　貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第1圖，其係本發明本發明之液靜壓平面軸承裝置1係供設置於一承載台2與一導軌3之間。實務上，承載台2與該導軌3之間，通常會依面積大小而設置不同數量的液靜壓平面軸承裝置1，使該承載台2可沿該導軌3滑移。

該液靜壓平面軸承裝置1具有一節流器11，該節流器11係埋置於該承載台2所具有的一凹槽21中，並藉由一固定件22(如：螺栓)將該節流器11固定，而該凹槽21係設置於該承載台2鄰靠導軌3的一面，使液靜壓平面軸承裝置1鄰靠該導軌3，並且該節流器11的一端一體延伸出該承載台2形成一支撐件12，該支撐件12具有可撓曲、變形之特性；於本實施例中，該支撐件12係由薄膜構成而呈圓錐狀形態，且該支撐件12係與該節流器1為一體式之結構，但不並以此為限；而該支撐件12於鄰接該導軌3之一面凹設有一第一腔室14，且該支撐件12與該承載台2之間形成一第二腔室16，並且該節流器11中央貫設有一供液管路13，使該第一腔室14與該供液管路13相貫通，而該供液管路13相對於該第一腔室14之一端則經由該承載台2所具有的一流道23而連通至外部供液系統(圖中未示出)。

而該支撐件12貫設有一以上之連通孔121，使該第二腔室16與該第一腔室14相連通，於本實施例中，由於該支撐件12係呈圓錐狀形態，因此本發明於該第二腔室16的外圍套設有一第一密封構件17，並於該節流器11外緣與該承載台2之間設置一第二密封構件18，使該第二腔室16形成一封閉區域。

於本實施例中，該節流器11呈圓柱狀，該支撐件12係呈圓錐狀，該第二腔室16係呈環狀，但依實際所需，可將該節流器11設計為其他形狀，例如矩形柱體，規則或不規則多邊形柱體，該支撐件12則可設計為圓盤形、矩形，規則或不規則多邊形，而所形成之該第二腔室16也會呈現不同形狀，並不限於圖示態樣。

請同時參閱第1圖與第2圖，第1圖是本發明正常之態樣，第2圖係本發明因負載增加進行剛性自動補償之狀態示意圖。本發明之液靜壓平面軸承裝置的剛性自動補償方法如下，當承載台2的外加負載增大(即液靜壓平面軸承裝置1之負載增大)時，會下壓該液靜壓平面軸承裝置1使該支撐件12與該導軌3間之油膜間隙變小，令該供液管路13下游之壓力會增大，該第一腔室14中之流體壓力也會相對增大，並且藉由連通孔121使壓力傳導至第二腔室16中，當第二腔室16中之流體的壓力增大後便會迫使圓錐狀形態的支撐件12向下彎曲變形，因而使油膜收斂度(相對錐度)增大，使該第一腔室14因容積縮小而形成更高的平均壓力，這增大的壓力將使液靜壓平面軸承裝置1朝負載增大的反方向推動。也就是說，當外加負載增大時，藉由自動補償作用則該液靜壓平面軸承裝置1剛性亦增大。反之，當負載減小時，本發明之液靜壓平面軸承裝置1的剛性則相對減弱，據此本發明即可達到軸承的剛性自動補償作用。

以下茲以實測數據再對本發明之剛性自動補償方法予以說明。

請參閱第3圖所示本發明之液靜壓平面軸承裝置之油壓分佈曲線與支撐件錐度之相對關係圖，並請同時參閱第1圖，其中，

h_v =支撐件高度(如第1圖所示)(單位：mm)

h₀ =初始穩態油膜間隙(如第1圖所示)(單位：mm)

其中h₀₁ <h₀₂ <h₀₃ <h₀₄

P₀ =於油膜間隙為h₀ 之油壓(單位：bar)

P=於油膜間隙為h_v 之油壓(單位：bar)

r₀ =支撐件之半徑(如第1圖所示)(單位：mm)

r₁ =支撐件之供液管路之半徑(如第1圖所示)

(單位：mm)

i=P/P₀ 之無因次比

j=r₀ /r₁ 之無因次比

再請參閱第4圖所示本發明償液靜壓平面軸承裝置之負載曲線圖，其中，

F₁ =液靜壓平面軸承裝置負載(單位：100Nt)

其中F₁ <F₂ <F₃ <F₄ <F_i ，i=1，2，3，4…

P_s =液靜壓平面軸承裝置之供油壓力負載(單位：bar)

其中P_s1 <P_s2 <P_s3

h_1i =液靜壓平面軸承裝置之油膜間隙(單位：μm)

其中h₁₁ <h₁₂ <h₁₃ <h₁₄ ，i=1，2，3，4…

當該液靜壓平面軸承裝置1的負載增大時，該供液管路13下游的壓力也會相對增大，使得該第一腔室14內的壓力增大，因而使該支撐件12向下彎曲，導致油膜收斂度(相對錐度)增大，如第3圖所示。若收斂度增大，將造成更大之壓力分佈曲線，亦即形成更高的平均壓力，這增大的壓力將使液靜壓平面軸承裝置朝負載增大的反方向推動。也就是說，當外加負載增大時，藉由自動補償作用將使得液靜壓平面軸承裝置1的剛性亦增大。如第4圖所示，為外加負載與油膜間隙厚度變化之結果；當經過正確的調校後，具有剛性自動補償功能之液靜壓平面軸承裝置1可在很大的負載範圍內找到剛性無限大的工作區域(如第4圖中央之接近垂直之線段P_s (bar)=P_s2 )。同理，當該液靜壓平面軸承裝置10的負載減小時，該供液管路13下游的壓力也會相對降低，使得該第一腔室14內的壓力降低大，因而使該支撐件12向上彎曲(或恢復原錐度)，油膜收斂度(相對錐度)也隨之減小，換言之，本發明利用該支撐件12之微量變型，使得軸承的剛性可做相對自動調整，而達到剛性自動補償的目的；必須再次說明的是，本發明所提供具有剛性自動補償功能之液靜壓平面軸承裝置包含油靜壓及氣靜壓兩大類，第3圖及第4圖僅係以油靜壓之形式為例說明。

此外，由於本發明之剛性自動補償方法係在負載變化時，就使該第一腔室之壓力經連通孔直接傳導至第二腔室，而使該支撐件微量變形進行剛性自動補償，以克服習知技術中反應時間延遲的問題。

再請參閱第5圖與第6圖，第5圖係本發明第二實施例之剖視結構示意圖；第6圖係本發明第二實施例因負載增加進行剛性自動補償之狀態示意圖。於本實施例中，該支撐件42係呈圓盤狀之形態，使該支撐件42鄰接該導軌6的一面有第一腔室44，而該支撐件42於鄰靠該承載台5的一面凹設有一環狀之凹部422，使該凹部422與該承載台5之間形成一第二腔室46，並且於該第二腔室46的兩側分別設置第一密封構件47與第二密封構件48，使該第二腔室46形成一封閉區域。

本發明之第二實施例結構，在承載台5負載增加時，同樣會下壓該液靜壓平面軸承裝置4，使支撐件42與導軌6之間的間隙變小，使得該第一腔室44與該第二腔室46中之流體壓力也會相對增大，當第二腔室46中之流體的壓力增大後便會迫使該凹部422向下彎曲變形，如第4圖所示，使該第一腔室44因容積縮小而形成更高的平均壓力，讓該液靜壓平面軸承裝置4的剛性相對增加。反之，當負載減小時，本實施例之液靜壓平面軸承裝置4的剛性則相對減弱，據此本實施例亦可達到與前述第一實施例相同之剛性自動補償的功效。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1．．．液靜壓平面軸承裝置

11．．．節流器

13．．．供液管路

12．．．支撐件

121．．．連通孔

14．．．第一腔室

16．．．第二腔室

17．．．第一密封構件

18．．．第二密封構件

2．．．承載台

21．．．凹槽

22．．．固定件

23．．．流道

3．．．導軌

4．．．液靜壓平面軸承裝置

42．．．支撐件

422．．．凹部

44．．．第一腔室

46．．．第二腔室

47．．．第一密封構件

48．．．第二密封構件

5．．．承載台

6．．．導軌

第1圖係本發明之剖視結構示意圖。

第2圖係本發明因負載增加進行剛性自動補償之狀態示意圖。

第3圖係本發明剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置之油壓分佈曲線與補償元件錐度之相對關係圖。

第4圖係本發明剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置之負載曲線圖。

第5圖係本發明第二實施例之剖視結構示意圖。

第6圖係本發明第二實施例因負載增加進行剛性自動補償之狀態示意圖。

1．．．液靜壓平面軸承裝置

11．．．節流器

13．．．供液管路

12．．．支撐件

121．．．連通孔

14．．．第一腔室

16．．．第二腔室

17．．．第一密封構件

18．．．第二密封構件

2．．．承載台

21．．．凹槽

22．．．固定件

23．．．流道

3．．．導軌

Claims (12)

1. 一種剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其包含：一節流器，係設置於一承載台，該節流器凸出於該承載台而具有一可撓曲、變形之支撐件，該支撐件係由薄膜構成而呈圓錐狀形態，該支撐件貫設有一以上之連通孔，且該節流器貫設有一供液管路，該供液管路係用以與外部供液系統連接；一第一腔室，係形成於該支撐件相對於該節流器之一端，且該第一腔室係與該供液管路連通；及一第二腔室，係形成於該支撐件與該承載台之間，且第二腔室係經該連通孔與該第一腔室相互連通。
2. 如申請專利範圍第1項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該第二腔室的外圍套設有一第一密封構件，並於該節流器外緣與該承載台之間設置一第二密封構件，使該第二腔室形成一封閉區域。
3. 如申請專利範圍第1項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該節流器與該支撐件係為一體之結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該支撐件係呈圓盤狀之形態。
5. 如申請專利範圍第4項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該支撐件於鄰靠該承載台的一面凹設有一環狀之凹部，使該凹部與該承載台之間形成前述之第二腔室。
6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該第二腔室的兩側分別設置一 第一密封構件與一第二密封構件，使該第二腔室形成一封閉區域。
7. 如申請專利範圍第1項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該節流器係呈圓柱狀之結構形態。
8. 如申請專利範圍第1項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該承載台對應該節流器具有一凹槽，以供該節流器容置於其中，並藉由一固定件將該節流器固定。
9. 如申請專利範圍第8項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置，其中該固定件係為一螺栓。
10. 一種如申請專利範圍第1項所述之剛性自動補償液靜壓平面軸承裝置之剛性自動補償方法：其係於該液靜壓平面軸承裝置之負載改變時，使該第一腔室之壓力經連通孔傳導至第二腔室，而藉由該第二腔室之壓力變化使該支撐件微量變形，進而使該第一腔室容積變化而改變其平均壓力來進行剛性之自動補償。
11. 如申請專利範圍第10項所述之剛性自動補償方法，其中該液靜壓平面軸承裝置之負載增大時，該第一腔室之平均壓力隨之增大，使得該液靜壓平面軸承裝置之剛性增大。
12. 如申請專利範圍第10項所述之剛性自動補償方法，其中該液靜壓平面軸承裝置之負載減小時，該第一腔室之平均壓力隨之變小，使得該液靜壓平面軸承裝置之剛性降低。