TWI628369B - 直線液壓保持器 - Google Patents

Abstract

一種直線液壓保持器，包含：液壓保持套筒、滾柱循環軸承、多角形軸心以及液壓油。液壓保持套筒具有連通之第一容置空間及第二容置空間。滾柱循環軸承嵌入第一容置空間，且具有通道、環繞通道之內壁及設置於內壁之鏈條式滾柱。多角形軸心通過第二容置空間而部分嵌入通道，且具有可沿鏈條式滾柱進行直線往復運動之滑動表面。液壓油填充於第二容置空間及通道，而環繞滑動表面，用以提供鏈條式滾柱及多角形軸心進行直線往復運動所需的支撐張力、抑制震動阻尼、摩擦面散熱及潤滑。

Description

直線液壓保持器

本發明係關於一種液壓保持器，且特別係關於可應用於須保持高精度直線行程之機械設備的直線液壓保持器。

隨著電子元件的微縮化，搭載微縮化電子元件的電路基板不僅平面尺寸縮小，其厚度亦減縮至毫米以下，因此，從給料、衝壓、切割到拾取，電路基板的製程精度已要求達到微米甚至次微米公差的範圍內。以電路基板的衝壓製程為例，要達到微米級公差的精度，必須同時考慮直線進給軸的垂直度、振動控制、下死點精度、平面度、溫度控制等因素。目前，用於量產電路基板的高速衝床主要是採用伺服馬達直結螺桿來驅動衝頭。

第105051424號中國專利揭露一種可裝設於衝床的伺服缸，第1A及1B圖為該伺服缸之剖視示意圖。如第1A及1B圖所示，伺服缸1包含：馬達11、聯軸器12、螺紋軸13、滾珠螺桿螺母14、活塞桿15、線性襯套16以及防旋轉引導件17。馬達11的旋轉軸與螺紋軸13經由聯軸器12相緊固，馬達11可驅動螺紋軸13向順時針或逆時針方向旋轉。滾珠螺桿螺母14緊固於螺紋軸13，配合螺紋軸13的旋轉而沿著螺紋 軸13進行直線往復運動。活塞桿15與滾珠螺桿螺母14相緊固。線性襯套16裝設有滾珠161及滾珠護圈162，活塞桿15插入線性襯套16內，並藉由滾珠161的滾動來維持直線運動的精度。防旋轉引導件17固定於活塞桿15的一側，可與滾珠螺桿螺母14同步沿著螺紋軸13進行直線往復運動，防旋轉引導件17的外形為非圓柱形(例如：多角、凹凸)，從而防止活塞桿15於直線運動過程發生轉動。

當滾珠螺桿螺母14被馬達11驅動沿螺紋軸14朝向線性襯套16進行直線運動時，活塞桿15可同時由線性襯套16內(如第1A圖)進行直線運動而伸出於線性襯套16(如第1B圖)；當滾珠螺桿螺母14被馬達11驅動沿螺紋軸14朝向馬達11進行直線運動時，活塞桿15可同時由線性襯套16外(如第1B圖)進行直線運動而嵌入於線性襯套16(如第1A圖)。

然而，由於旋轉構件(例如：滾珠螺桿螺母14與螺紋軸13)及滑動構件(例如：活塞桿15與線性襯套16)之間缺少溫度控制機制，當伺服缸高速運作，滾珠螺桿螺母14與螺紋軸13之間及活塞桿15與線性襯套16之間因熱膨脹差異而產生間隙，導致活塞桿15的直線往復運動在垂直度、下死點精度無法符合微米公差的高精密製程要求。目前，應用上述伺服缸的工具機的下死點精度最佳僅達到數微米公差(2微米以上)。

液壓軸承可應用在各種工具機的直線進給軸及旋轉軸，各種研究指出，包含靜壓及動壓的液壓技術是發展高精密工具機的關鍵技術之一。因此，如何運用液壓技術來製造符合高精密製程要求的機械設備，即為發展本發明的主要目的。

為達上述目的，本發明提供一種直線液壓保持器，包含：液壓保持套筒、滾柱循環軸承、多角形軸心、以及液壓油。液壓保持套筒具有連通之第一容置空間及第二容置空間。滾柱循環軸承嵌入第一容置空間，且具有通道、環繞通道之內壁及設置於內壁之鏈條式滾柱。多角形軸心通過第二容置空間而部分嵌入通道，且具有可沿鏈條式滾柱進行直線往復運動之滑動表面。液壓油填充於第二容置空間及通道，而環繞滑動表面，以提供鏈條式滾柱及多角形軸心進行直線往復運動所需的支撐張力、抑制震動阻尼、摩擦面散熱及潤滑。

於一實施例，上述液壓保持套筒形成有連通上述第二容置空間之複數液壓油循環孔，用以注入或排出上述液壓油。

於一實施例，上述第二容置空間之側壁上形成有平行於上述直線往復運動之複數軸向導溝，用以引導及保持上述液壓油。

於一實施例，上述滑動表面形成有平行於上述直線往復運動之複數軸向凹槽，上述鏈條式滾柱嵌合於複數軸向凹槽。

於一實施例，上述滾柱循環軸承之內壁形成有軌道，上述鏈條式滾柱通過軌道而循環滾動，上述液壓油進一步填充於軌道而環繞上述鏈條式滾柱。

於一實施例，上述多角形軸心復具有：形成於上述多角形軸心相對兩側之第一開槽與第二開槽、及連通上述滑動表面與第一開槽之油孔。

於一實施例，本發明之直線液壓保持器復包含：設置於上述 第一開槽之螺桿螺母、及設置於上述第二開槽之工具，其中聯結伺服馬達之螺桿通過螺桿螺母旋轉出或入上述第一開槽，以驅動上述滑動表面進行上述直線往復運動，使上述多角形軸心伸出或縮入上述通道而帶動工具。

於一實施例，上述液壓油通過上述油孔填充於上述第一開槽，當上述螺桿旋轉出或入上述第一開槽，上述液壓油通過上述油孔流入或流出上述第一開槽。

於一實施例，上述滑動表面進行上述直線往復運動所產生之溫度差不大於3℃。

於一實施例，上述螺桿旋轉出或入上述第一開槽所移動之軸向直線距離與上述滑動表面進行上述直線往復運動之距離相差不大於一微米。

於本發明之直線液壓保持器，液壓油填充於液壓保持套筒的第二容置空間及滾柱循環軸承的通道，藉此提供滾柱循環軸承及多角形軸心等直線往復運動機構良好的支撐、抑制震動阻尼、摩擦面散熱及潤滑等作用。由於本發明之直線液壓保持器可達到微米以下公差的精度，本發明之直線液壓保持器除可應用於高精密工具機，亦可做為測距儀器的校正設備。

1‧‧‧伺服缸

11‧‧‧馬達

12‧‧‧聯軸器

13‧‧‧螺紋軸

14‧‧‧滾珠螺桿螺母

15‧‧‧活塞桿

16‧‧‧線性襯套

17‧‧‧防旋轉引導件

161‧‧‧滾珠

162‧‧‧滾珠護圈

2‧‧‧直線液壓保持器

21‧‧‧液壓保持套筒

22‧‧‧滾柱循環軸承

23‧‧‧多角形軸心

211‧‧‧第一筒部

212‧‧‧第二筒部

221‧‧‧內壁

222‧‧‧鏈條式滾柱

231‧‧‧滑動表面

2111‧‧‧第一容置空間

2121‧‧‧第二容置空間

2122‧‧‧軸向導溝

2123‧‧‧液壓油循環孔

2211‧‧‧通道

2212‧‧‧軌道

2221‧‧‧鏈帶

2222‧‧‧滾柱

2311‧‧‧軸向凹槽

4‧‧‧工具機

40‧‧‧直線液壓保持器

41‧‧‧基座

42‧‧‧伺服馬達

43‧‧‧螺桿

44‧‧‧轉軸罩

401‧‧‧液壓保持套筒

402‧‧‧滾柱循環軸承

403‧‧‧多角形軸心

404‧‧‧螺桿螺母

405‧‧‧液壓油

441‧‧‧維修孔

4011‧‧‧第一筒部

4012‧‧‧第二筒部

4013‧‧‧液壓保持套筒的凸緣

4021‧‧‧滾柱循環軸承的凸緣

4022‧‧‧鏈條式滾柱

4023‧‧‧軌道

4031‧‧‧滑動表面

4032‧‧‧第一開槽

4033‧‧‧第二開槽

4034‧‧‧油孔

第1A及1B圖為習知可裝設於衝床之伺服缸的軸向剖面示意圖；第2A圖為本發明之一實施例之直線液壓保持器的立體示意圖，第2B圖為第2A圖所示直線液壓保持器的軸向剖面示意圖； 第3A圖為滾柱循環軸承的軸向剖面示意圖，第3B圖為滾柱循環軸承的前視示意圖；第4A及4B圖為應用本發明之直線液壓保持器之工具機進行垂直往復運動的剖面示意圖；以及第5A及5B圖為第4A及4B圖所示滾柱循環軸承的軸向剖面示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習本發明所屬技術領域中之通常知識者在研讀本說明書後可據以實施本發明。

第2A圖為本發明之一實施例之直線液壓保持器的立體示意圖，第2B圖為第2A圖所示直線液壓保持器的軸向剖面示意圖。

如第2A及2B圖所示，直線液壓保持器2包含：液壓保持套筒21、滾柱循環軸承22以及多角形軸心23。液壓保持套筒21具有中空的第一筒部211及第二筒部212，第一筒部211形成第一容置空間2111，第二筒部212形成第二容置空間2121，第一容置空間2111連通第二容置空間2121。滾柱循環軸承22具有通道2211、環繞通道2211之內壁221、及設置於內壁221上的鏈條式滾柱222。多角形軸心23具有可沿鏈條式滾柱222進行直線往復運動之滑動表面231。

滾柱循環軸承22可沿液壓保持套筒21的軸向(如第2A圖中箭頭所示方向)嵌入第一容置空間2111，多角形軸心23可通過第二容置空間2121而部分嵌入通道2211。第二容置空間2121的徑向(垂直於軸向)寬度大於滑動表面231的徑向寬度，通道2211的徑向(垂直於軸向) 寬度些微大於滑動表面231的徑向寬度。鏈條式滾柱222包含複數條鏈帶2221及樞設於各鏈帶的複數滾柱2222(參見第3A圖)，鏈條式滾柱222的循環行程不受限制。於多角形軸心23通過第二容置空間2121嵌入通道2211後，鏈條式滾柱222的滾柱2222密接滑動表面231，二者的密接程度可達AAA級(即間隙不大於0.1微米)。

滑動表面231與第二容置空間2121及通道2211之間分別保留有徑向間隙，將液壓油(未圖示)注入第二容置空間2111及通道2211，液壓油會填充於滑動表面231與第二容置空間2121及通道2211之間的徑向間隙，而環繞鏈條式滾柱222及滑動表面231。當滑動表面231沿鏈條式滾柱222進行直線往復運動(即沿液壓保持套筒21的軸向)時，液壓油可抑制鏈條式滾柱222的震動，並提供滑動表面231支撐、散熱、潤滑等作用，使多角形軸心22在直線往復運動的過程可保持極佳的行程精度及穩定性。

值得一提的是，於滑動表面231進行直線往復運動的過程，液壓油會被擠壓而流動，在高速或高頻的直線往復運動，液壓油可能會發生紊流或分布不均的現象。如第2B圖所示，於本實施例，第二容置空間2121之側壁上可進一步形成有平行於直線往復運動之複數軸向導溝2122，用以引導及保持液壓油形成數個剛性液壓支點平均分散於滑動表面231。

此外，為了便利循環或更換直線液壓保持器2內的液壓油，液壓保持套筒21的第二筒部212可進一步形成連通第二容置空間2121之二液壓油循環孔2123。外部循環液壓裝置(未圖示)可通過液壓油循環孔 2123將液壓油注入或排出直線液壓保持器2。於本實施例，可進一步設置壓力閥件(未圖示)於液壓循環油孔2123，外部循環液壓裝置須將液壓油加壓至特定壓力值以上，才得以使液壓油通過壓力閥件注入或排出直線液壓保持器2。當液壓油循環孔2123密閉形成單向逆止閥時，進行直線往復運動的多角形軸心23具有如活塞的加壓功能，使液壓油於滑動表面231與通道2211之間的徑向間隙產生飽壓支撐力。

現有的鏈條式滾柱包含至少兩種材料，例如：橡膠鏈帶與金屬滾柱，而不同材料具有不同熱膨脹係數。於高速或高頻直線往復運動，現有的鏈條式滾柱容易因熱膨脹的差異而產生間隙，從而影響直線往復運動精度的持續性與保持力。於本實施例，將液壓油填充於液壓保持套筒21的第二容置空間2121及滾柱循環軸承22的通道2211內，流動的液壓油可將滾柱2221進行直線往復運動所產生的熱量經由液壓保持套筒21及/或連接注入孔2123及排出孔2124的外部循環液壓裝置傳導至外部環境。因此，即使長時間進行高頻直線往復運動，本發明之直線液壓保持器2可迅速達到熱平衡並建立滑動表面231的支持張力，從而維持多角形軸心23進行直線往復運動的行程精度和穩定性。

第3A圖為滾柱循環軸承的軸向剖面示意圖。如第3A圖所示，多角形軸心23的滑動表面231進一步形成有平行於直線往復運動之複數軸向凹槽2311。於本實施例，藉由滑動表面231的軸向凹槽2311，可進一步增加液壓油對多角形軸心23及鏈條式滾柱222提供抑制震動阻尼、散熱、潤滑等作用的效果。鏈條式滾柱222由複數鏈帶2221所組成，每一條鏈帶2221上的複數滾柱2222對應滑動表面231的一條軸向凹槽2311 (平行於直線往復運動)，滑動表面231以軸向凹槽2311嵌合各鏈帶2221中的滾柱2222進行直線往復運動，除可提高直線往復運動的速率及頻率，亦能進一步提升多角形軸心23於直線往復運動的直線精度及穩定性。

值得說明的是，滾柱循環軸承231的內壁221可形成複數概略呈矩形的軌道2212 ，各鏈條式滾柱222可通過各軌道2212而循環滾動，位於內壁221中的軌道2212(ㄇ形部分)的寬度略大於鏈條式滾柱222的尺寸。液壓油可填充於軌道2212 與鏈條式滾柱222之間的間隙而環繞鏈條式滾柱222，以提供抑制鏈條式滾柱222震動的阻尼。當滑動表面231進行直線往復運動時，鏈條式滾柱222帶動液壓油於滾柱循環軸承22的通道2211和軌道2212之間循環，液壓油除可降低鏈條式滾柱222與滑動表面231及軌道2212的摩擦力，還能將多角形軸心23進行直線往復運動所產生的熱經由滾柱循環軸承22的表面、液壓保持套筒21及/或外部循環液壓裝置傳導至外部環境，從而確保鏈條式滾柱222滾動的平滑性及穩定性。

第3B圖為滾柱循環軸承的前視示意圖。如第3B圖所示，滾柱循環軸承22的通道2211對應滑動表面231的形狀形成多角形，可有效防止多角形軸心23於直線往復運動的過程發生轉動。

應用本發明之直線液壓保持器可製造符合高精密製程要求的機械設備。第4A及4B圖為應用本發明之直線液壓保持器之工具機進行垂直往復運動的剖面示意圖。如第4A及4B圖所示，工具機4包含：直線液壓保持器40、基座41、伺服馬達42、螺桿43、及轉軸罩44。直線液壓保持器40固定於基座41上。螺桿43的頭部聯結伺服馬達42的轉軸，螺 桿43的螺紋部設置於直線液壓保持器40。轉軸罩44分別連接直線液壓保持器40及伺服馬達42，轉軸罩44形成有多個維修孔441，用以裝卸螺桿43及輔助散熱。

於本實施例，直線液壓保持器40包含：液壓保持套筒401、滾柱循環軸承402、多角形軸心403、螺桿螺母404及液壓油405。液壓保持套筒401具有第一筒部4011、第二筒部4012、及環繞第一筒部4011的液壓保持套筒凸緣4013。

滾柱循環軸承402具有環繞外壁的滾柱循環軸承凸緣4021及設置於內壁的鏈條式滾柱4022及軌道4023。將液壓保持套筒401設置於基座41的上方，滾柱循環軸承402自基座41的下方嵌入液壓保持套筒401的第一筒部4011，液壓保持套筒凸緣4013、基座41、及滾柱循環軸承凸緣4021設有對應的螺孔，以螺絲將液壓保持套筒凸緣4013及滾柱循環軸承凸緣4021鎖固於基座41。

多角形軸心403通過液壓保持套筒401的第二筒部4012而部分嵌入滾柱循環軸承402。多角形軸心403具有：可沿鏈條式滾柱4022進行直線運動的滑動表面4031、形成於多角形軸心403相對兩側之第一開槽4032與第二開槽4033、及連通滑動表面4031與第一開槽4032之油孔4034。

滑動表面4031的形狀可為正多角柱形或如第2A圖所示形成有平行於直線往復運動之複數軸向凹槽的多角形。滾柱循環軸承402的通道則對應滑動表面4031的形狀，配合滑動表面4031形狀的滾柱循環軸承402的多角形通道可有效防止多角形軸心403於直線往復運動的過程發 生轉動。

螺桿螺母404(例如：滾珠螺桿螺母)鎖固於第一開槽4032上，第一開槽4032的軸向長度及徑向寬度大於螺桿43的螺紋部，聯結伺服馬達42的螺桿43通過螺桿螺母404設置於第一開槽4032。填充於第二筒部4012及滾柱循環軸承402內的部分液壓油405可通過油孔4034流入第一開槽4032，以環繞螺桿43。工具(例如：衝頭，未圖示)的底座可插入第二開槽4033，並以螺絲鎖固於多角形軸心403的一端。

伺服馬達42驅動螺桿43旋轉出或入第一開槽4032，螺桿螺母404可將螺桿43的扭矩轉換成線性推力，以驅動滑動表面4031進行直線往復運動，使多角形軸心403伸出或縮入滾柱循環軸承402而帶動工具。

當伺服馬達42驅動螺桿43旋轉出第一開槽4032，滑動表面4031垂直向下運動，油孔4034相對於第二筒部4012的位置下降，填充於第二筒部4012內的液壓油405通過油孔4034流入第一開槽4032，使位於油孔4034下方的部分螺桿43仍被液壓油405環繞。當伺服馬達41驅動螺桿43旋轉入第一開槽4032，螺桿43將填充於第一開槽4032內的液壓油405通過油孔4034排出第一開槽4032。第一開槽4032內始終保持有適量的液壓油405環繞螺桿43，以提供螺桿43支撐、導熱、潤滑等作用。

第5A及5B圖為第4A及4B圖所示滾柱循環軸承的軸向剖面示意圖。如第5A圖所示，於多角形軸心403向下運動(如空心箭頭所示)伸出滾柱循環軸承402的過程中，填充於第二筒部4012與多角形軸 心403的徑向間隙的液壓油405通過油孔4034流入多角形軸心403的第一開槽4032(如虛線箭頭所示)；鏈條式滾柱4022一方面帶動填充於軌道4023、滾柱循環軸承402與多角形軸心403的徑向間隙的液壓油405於滑動表面4031上朝順時鐘方向流動(如圓弧箭頭所示)流動，另一方面帶動填充於多角形軸心403的第一開槽4032、滾柱循環軸承402與多角形軸心403的徑向間隙、及滾柱循環軸承402的軌道4023的液壓油405朝順時鐘方向循環流動(如實線箭頭所示)。

如第5B圖所示，於多角形軸心403向上運動(如空心箭頭所示)縮入滾柱循環軸承402的過程中，填充於多角形軸心403的第一開槽4032的液壓油405通過油孔4034流入第二筒部4012與多角形軸心403的徑向間隙；鏈條式滾柱4022一方面帶動填充於軌道4023、及填充於滾柱循環軸承402與多角形軸心403的徑向間隙的液壓油405於滑動表面4031朝逆時鐘方向流動(如圓弧箭頭所示)循環流動，另一方面帶動填充於多角形軸心403的第一開槽4032、滾柱循環軸承402與多角形軸心403的徑向間隙、及滾柱循環軸承402的軌道4023的液壓油405朝逆時鐘方向循環流動(如實線箭頭所示)。

鏈條式滾柱4022帶動液壓油405旋轉流動所產生的液壓可持續地提供螺桿43與多角形軸心403均勻的支撐張力及抑制震動阻尼，循環流動的液壓油405可提供螺桿43與多角形軸心403與良好的散熱及潤滑等作用，即使經過長時間高速運動，螺桿43及多角形軸心403仍可保持穩定的工作溫度與優異的行程精度。鏈條式滾柱4022的滾柱與滑動表面4031的密合度，一方面可防止液壓油405滲出滾柱循環軸承402，另一方 面能保持滾柱循環軸承402內液壓油405的液壓。

經裝設衝頭實際測試，多角形軸心403及螺桿43進行至少一段時間(例如：1小時)垂直衝壓工件，滑動表面4031所產生的溫度差不大於3℃，而螺桿43旋轉出或入第一開槽4032所移動之軸向直線距離(設定行程)與多角形軸心403進行垂直衝壓之距離(實測行程)相差不大於一微米(即下死點精度)，符合高精密製程所需微米公差的要求。

綜上所述，於本發明之直線液壓保持器，液壓油填充於液壓保持套筒的第二容置空間及滾柱循環軸承的通道，藉此提供滾柱循環軸承及多角形軸心等直線往復運動機構良好的支撐、抑制震動阻尼、摩擦面散熱及潤滑等作用。由於本發明之直線液壓保持器可達到微米以下公差的精度，本發明之直線液壓保持器除可應用於高精密工具機，亦可做為測距儀器的校正設備。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本發明所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由本發明之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

1. 一種直線液壓保持器，包含：液壓保持套筒，具有連通之第一容置空間及第二容置空間；滾柱循環軸承，嵌入該第一容置空間，具有通道、環繞該通道之內壁及設置於該內壁之鏈條式滾柱；多角形軸心，通過該第二容置空間而部分嵌入該通道，具有可沿該鏈條式滾柱進行直線往復運動之滑動表面，其中該滑動表面形成有平行於該直線往復運動之複數軸向凹槽，該鏈條式滾柱嵌合於該軸向凹槽；以及液壓油，填充於該第二容置空間及該通道，而環繞該滑動表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述直線液壓保持器，其中該液壓保持套筒形成有連通該第二容置空間之複數液壓油循環孔，用以注入或排出該液壓油。
3. 如申請專利範圍第1項所述直線液壓保持器，其中該第二容置空間之側壁上形成有平行於該直線往復運動之複數軸向導溝，用以引導及保持該液壓油。
4. 如申請專利範圍第1項所述直線液壓保持器，其中該滾柱循環軸承之該內壁形成有軌道，該鏈條式滾柱通過該軌道而循環滾動，該液壓油進一步填充於該軌道而環繞該鏈條式滾柱。
5. 如申請專利範圍第1項所述直線液壓保持器，其中該多角形軸心復具有：形成於該多角形軸心相對兩側之第一開槽與第二開槽、及連通該滑動表面與該第一開槽之油孔。
6. 如申請專利範圍第5項所述直線液壓保持器，復包含：設置於該第一開槽之螺桿螺母、及設置於該第二開槽之工具，其中聯結伺服馬達之螺桿通過該螺桿螺母旋轉出或入該第一開槽，以驅動該滑動表面進行該直線往復運動，使該多角形軸心伸出或縮入該通道而帶動該工具。
7. 如申請專利範圍第6項所述直線液壓保持器，其中該液壓油通過該油孔填充於該第一開槽，當該螺桿旋轉出或入該第一開槽，該液壓油通過該油孔流入或流出該第一開槽。
8. 如申請專利範圍第6項所述直線液壓保持器，其中該滑動表面進行該直線往復運動所產生之溫度差不大於3℃。
9. 如申請專利範圍第6項所述直線液壓保持器，其中該螺桿旋轉出或入該第一開槽所移動之軸向直線距離與該滑動表面進行該直線往復運動之距離相差不大於一微米。