超高精度气静压轴承主轴系统

1.一种超高精度气静压轴承主轴系统，其中包括转轴(1)、主轴箱(2)和主轴箱端盖(3)，其中转轴(1)安装于主轴箱(2)内，依靠气静压轴承支承并相对于主轴箱(2)转动，该气静压轴承集成于主轴箱(2)内且与主轴箱(2)一体化，其特征在于：主轴箱(2)开设有圆柱形的主孔腔，该主孔腔内表面(2a)可作为轴颈轴承面，主轴箱(2)的主孔腔内表面(2a)开设有两个排气槽(24)，两个排气槽(24)将轴颈轴承面分为两部分，主轴箱(2)设置有用作止推垫环的止推凸台(28)，该止推凸台(28)与主轴箱(2)一体化设计，所述主轴箱(2)还设置有与主孔腔内表面(2a)的轴线(12)相垂直的一个止推面(2b)，所述主轴箱端盖(3)的一个端平面作为止推轴承的另一个止推面(3a)，这两个止推面(2b，3a)构成了闭式气静压止推轴承。
2.根据权利要求1所述的超高精度气静压轴承主轴系统，其特征在于，在主轴箱(2)内的主孔腔内表面(2a)上设置有径向节流器(21a，21b)，其中，两排径向节流器(21a)分布在一个轴颈轴承面上，另外两排径向节流器(21b)分布在另一个轴颈轴承面上，高压气体经过径向节流器(21a，21b)进入主孔腔内表面(2a)和转轴外圆面(1a)之间的间隙，形成轴颈气膜，可承受径向载荷。
3.根据权利要求1所述的超高精度气静压轴承主轴系统，其特征在于，主轴箱的止推面(2b)上设置有轴向节流器(27)；在主轴箱端盖(3)的止推面(3a)上也设置有轴向节流器(31)，高压气体经轴向节流器(27，31)进入这两个止推面和转轴止推盘之间的间隙，形成止推气膜，可承受轴向载荷。
4.根据权利要求2所述的超高精度气静压轴承主轴系统，其特征在于，所述径向节流器为小孔节流器或者狭缝节流器、多孔质节流器。
5.根据权利要求1所述的超高精度气静压轴承主轴系统，其特征在于，在主轴箱(2)内设置有进气口和相应的气体流道，可将高压气体输送到各径向节流器和轴向节流器；同时设置有排气的流道，可将气体排出主轴箱。
6.根据权利要求1所述的超高精度气静压轴承主轴系统，其特征在于，转轴(1)设有径向孔(13)和中心孔(11)，主轴箱(2)的主孔腔内表面(2a)开设有真空环形槽(25)，该真空环形槽(25)位于两个排气槽(24)之间，主轴箱设置有真空口(29)，该真空环形槽(25)与该真空口(29)以及转轴(1)的径向孔(13)和中心孔(11)共同形成连通的真空气路通道，当转轴的端面安装有真空吸盘和工件时，该通道内的气体可被真空泵源源不断的抽走，使该通道内的气体压力维持在比主轴箱外的气压低一定数值的程度，从而使工件被吸附在真空吸盘表面，实现工件的装夹。
7.根据权利要求3所述的超高精度气静压轴承主轴系统，其特征在于，所述轴向节流器为小孔节流器或者狭缝节流器、多孔质节流器。

超高精度气静压轴承主轴系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种机床主轴系统，尤其是超高精度气静压轴承主轴系统。\n背景技术\n[0002] 在超精密加工机床中，主轴系统是机床的核心部件，其精度直接影响零件的加工精度。气静压轴承由于具有很高的回转精度，在高速旋转时温升甚小、造成的热变形误差很小，因此广泛应用于超精密机床的主轴系统。在超精密机床主轴系统的设计中，应该遵循结构简单、零部件少、装配性能好、尺寸稳定性好的原则，从而使主轴系统达到极高的回转精度和稳定性。常用的气静压轴承根据转轴的结构形状分为两种类型：T型和H型，前者适用于高精度的领域，后者适用于对角刚度要求较高的领域。中国专利CN101229590A公开了一种超精密气静压电主轴，就是采用H型转轴，具有较大的角刚度，但其止推轴承的间隙调整比较困难，并且转轴是由多个零件组成、不易达到特别高的精度要求和动平衡要求；另外该气静压轴承需要一个轴系支架或者主轴箱来支承，在气静压轴承与主轴箱之间需要考虑密封。图1示出了一种常规的超精密气静压轴承主轴系统，就是采用T型转轴，包括转轴100、气静压轴承200、主轴箱300、止推垫环400、止推板500，利用螺钉600(或其它连接方式)将气静压轴承200、止推垫环400和止推板500固联在主轴箱300上，转轴100被高压气体悬浮在气静压轴承200和止推板500构成的气体轴承结构内，并相对于主轴箱旋转；同时在气静压轴承200与主轴箱300之间一般设置有给节流孔供气的环形槽202，所以在气静压轴承的外表面和主轴箱内孔之间需要增加密封元件201以防止高压气体泄漏。对于超精密设备来说，零部件少、装配简单才能达到很高的精度与精度保持性，因此图2所示的常规超精密气静压轴承主轴系统结构显得复杂。中国专利CN2810824Y公开了一种超精密高速空气轴承电主轴，也采用T型主轴，但其结构更复杂，前后轴承的同轴度很难保证。中国专利CN101780547A公开的超精密气静压轴承主轴系统也存在类似的问题。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单、零部件少、结构稳定性好、超高精度的气静压轴承主轴系统，用于解决现有的超精密机床中主轴系统结构复杂、零部件多、对装配要求高以及精度保持性差的一些问题。\n[0004] 本发明解决技术问题采取的技术方案是：一种超高精度气静压轴承主轴系统，它包括转轴、主轴箱、主轴箱端盖，其中该转轴为T型并且依靠气静压轴承支承，用于在该主轴箱内转动，气静压轴承集成于主轴箱内、与主轴箱一体化，其优点在于能够实现紧凑设计并且所使用的部件数量能够最少。\n[0005] 本说明书中所指的气静压轴承包括轴向气静压轴承，此轴向气静压轴承可充当止推轴承。\n[0006] 在本发明的技术方案中，将气静压轴承的结构要素，包括轴颈轴承面及其径向节流器、止推轴承面及其轴向节流器、用于形成轴向气膜间隙的止推垫环以及必要的气体流道，全部集成在主轴箱上，从而实现了紧凑和稳定的结构特点，具体说明如下。\n[0007] 主轴箱内设置有主孔腔，主孔腔的内表面为圆柱形，其经过精密加工可作为轴颈轴承面，其内可用于安装转轴，该转轴具有与主孔腔内表面相向的圆柱形外圆面，该转轴的一个端面可连接电动机或其它动力机构从而驱动该转轴相对于主轴箱转动。在主孔腔内表面上开设有两个排气槽，这两个排气槽将轴颈轴承面分为两部分，或者说分为两个轴颈轴承，这两个排气槽负责接收两个轴颈轴承相应部位流出的气体，并通过相应的排气流道将该气体排放至主轴箱外部。\n[0008] 本说明书的主轴箱，其外形可大致为多面体形状，也可大致为圆柱体形状。\n[0009] 在主轴箱上设置有止推凸台，该止推凸台具有一个与主孔腔内表面的轴线相垂直的法兰平面。止推凸台的功能与常规的气静压轴承的止推垫环功能类似，用于连接主轴箱端盖并且形成止推轴承的气膜间隙。\n[0010] 主轴箱还设置有与主孔腔内表面的轴线相垂直的一个平面，该平面经精密加工可作为止推轴承的一个止推面。该主轴箱还包括主轴箱端盖，该端盖的一个端平面经精密加工可作为止推轴承的另一个止推面。这两个止推面构成了闭式气静压止推轴承。\n[0011] 在主轴箱内的主孔腔内表面上设置有径向节流器，高压气体经过径向节流器进入主孔腔内表面和转轴的外圆面之间的间隙，形成轴颈气膜，可承受径向载荷。\n[0012] 在主轴箱内与主孔腔内表面的轴线相垂直的止推面上，设置有轴向节流器；在主轴箱端盖的止推面上也设置有轴向节流器。高压气体经轴向节流器进入这两个止推面和转轴止推盘之间的间隙，形成止推气膜，可承受轴向载荷。\n[0013] 本说明书中所指的径向节流器和轴向节流器，可以为小孔节流器，也可以为狭缝节流器、多孔质节流器。\n[0014] 在主轴箱内设置有进气口和相应的气体流道，可将高压气体输送到各径向节流器和轴向节流器；同时设置有排气的流道，可将气体排出主轴箱。\n[0015] 以上这些技术特点可将主轴箱和气静压轴承集成为一体，从而减少了零部件数量，也简化了装配环节，从而达到了结构紧凑、装配简单的目的。\n[0016] 本发明的气静压轴承主轴系统还可以包括真空口和相应的气体流道，该气体流道用于连接真空口和真空吸盘。在真空口和气体流道的共同作用下，真空吸盘可以吸附工件。\n本说明书中的工件可以为其它需要装夹的部件。\n[0017] 本发明的主要优点是：零部件数量少、结构简单，可实现超高的回转精度，按照目前零部件的制造水平，可达到0.02μm的回转精度，并且具有装配简单、精度保持性好的优点，可用于多种加工形式的超精密机床上，包括但不限于超精密车床、超精密铣床和超精密磨床等。\n附图说明\n[0018] 图1示出了常规的超精密气静压轴承主轴系统的剖视图。\n[0019] 图2A示出了实施本发明的超高精度气静压轴承主轴系统的外观图；\n[0020] 图2B示出了实施本发明的超高精度气静压轴承主轴系统的剖视图；\n具体实施方式\n[0021] 具体实施方式一、图2A和图2B示出了本发明的超高精度气静压轴承主轴系统，它包括转轴1、主轴箱2和主轴箱端盖3，转轴1安装于主轴箱2内，依靠气静压轴承支承并相对于主轴箱2转动，该气静压轴承集成于主轴箱2和内且与主轴箱一体化，从而实现最简单的构型。\n[0022] 主轴箱2内设有主孔腔，该主孔腔内表面2a为圆柱形、并可用于气静压轴承的轴颈轴承面，该主孔腔内表面2a的轴线为12，该主孔腔内表面2a与转轴1的相应圆柱形外圆面1a相向。在主孔腔内表面2a上可以设置两个排气槽24和相应的排气流道24a，这两个排气槽24将轴颈轴承面分为两部分，或者说分为两个轴颈轴承，这两个排气槽24负责接收两个轴颈轴承相应部位流出的气体，并通过排气流道24a将该气体排放至主轴箱2外部。\n在主孔腔内表面2a上设置有径向节流器21a和21b，通过这些径向节流器向主孔腔内表面\n2a和转轴外圆面1a之间的间隙供给高压气体，形成轴颈气膜。径向节流器21a和21b的出口都沿着主孔腔内表面2a的圆周方向均匀分布，分布在主孔腔内表面2a的一条圆周线上的径向节流器构成一个系列，或者称为一排。在主孔腔内表面2a的轴线12方向，共设置有\n4排径向节流器，其中两排径向节流器21a构成一个轴颈轴承的节流总和，两排径向节流器\n21b构成另一个轴颈轴承的节流总和。\n[0023] 主轴箱2设置有止推凸台28，该止推凸台28具有一个与主孔腔内表面2a的轴线\n12相垂直的一个法兰平面2c。该止推凸台28的作用相当于常规的气静压轴系的止推垫环，用于连接主轴箱端盖3和形成止推轴承的气膜间隙。该止推凸台28与主轴箱2为一体化的结构，目的是减少零部件的数量和提高精度与尺寸稳定性。\n[0024] 主轴箱2内设置有一个止推面2b，该止推面为平面且与主孔腔内表面2a的轴线\n12相垂直；主轴箱端盖3设置有另一个止推面3a，该止推面3a也为平面且与止推凸台28的法兰平面2c贴合，并采用螺钉4将主轴箱端盖3和主轴箱2连接起来。止推面2b与转轴止推盘面1e相向，止推面3a与转轴止推盘面1d相向。在止推面2b上设置有轴向节流器27，该节流器27的出口绕着主孔腔内表面2a的轴线12均匀分布在一条圆周线上，并向止推面2b与转轴止推盘面1e之间的间隙供给高压气体，形成一个止推气膜；在止推面3a上设置有轴向节流器31，该节流器31的出口也绕着主孔腔内表面2a的轴线12均匀分布在一条圆周线上，并向止推面3a与转轴止推盘面1d之间的空隙供给高压气体，形成另一个止推气膜。这两个止推气膜可以承受沿轴向的双向载荷，构成闭式止推轴承。\n[0025] 主轴箱2内设置径向气体流道22a和轴向气体流道22b，主轴箱端盖3内设置有轴向气体流道32a、径向气体流道32b和轴向气体流道32c。因为径向节流器和轴向节流器都绕着主孔腔内表面2a的轴线12均匀分布，所以这些径向气体流道和轴向气体流道也绕着主孔腔内表面2a的轴线12均匀分布。对于位于同一个轴截面内的这些径向气体流道和轴向气体流道以及径向节流器21a和21b、轴向节流器27和31而言，相互之间气体是可以流通的。主轴箱端盖3内设置有密封盖板33，该密封盖板33与主轴箱端盖3共同形成了绕主孔腔内表面2a的轴线12呈环形的气体流道34，该气体流道34与不同轴截面内的轴向气体流道32c都相互连通，因此使不同轴截面内的所有径向气体流道和轴向气体流道相互连通。主轴箱2内设置有进气口26，进气口26可与任一个气体流道相连通，高压气体经进气口26进入主轴箱后，经相互连通的气体流道到达所有的径向节流器和轴向节流器给气静压轴承供气。主轴箱2和主轴箱端盖3设有密封件23，防止气体流道内的高压气体泄漏。\n[0026] 转轴具有两个端面1b和1c。转轴的一个端面用于连接电动机或其它动力机构，从而驱动转轴相对于主轴箱旋转；转轴的另一个端面用于连接真空吸盘，在真空吸盘上吸附工件。转轴的两个端面中的其中一个连接电动机、另一个连接真空吸盘，例如如果端面1b连接电动机，则端面1c连接真空吸盘；如果端面1c连接电动机，则端面1b连接真空吸盘。\n[0027] 主轴箱2设有真空口29，其用于连接真空泵。主轴箱2的主孔腔内表面2a上设有真空环形槽25，该真空环形槽25位于两个排气槽24之间。在转轴1上开设有径向孔13和轴向孔11，径向孔13和轴向孔11相互连通，且径向孔13位于和真空环形槽25相对的位置，中心孔11连通转轴1的连接真空吸盘的端面。真空口29、真空环形槽25以及转轴1上的径向孔13和中心孔11共同形成连通的真空气路通道，当转轴1的端面安装有真空吸盘和工件时，该通道内的气体可被连接在真空口29的真空泵源源不断的抽走，使该通道内的气体压力维持在比主轴箱2外的气压低一定数值的程度，从而使工件被吸附在真空吸盘表面，实现工件的装夹。转轴1的中心孔11可以为连通两个端面的通孔，也可以为仅连通安装真空吸盘的端面的盲孔。转轴1上开设的径向孔13的长度可以等于转轴的直径，也可以等于转轴的半径。\n[0028] 具体实施方式二、结合图2B说明本实施方式，在本实施方式中，在主轴箱2的主孔腔内表面2a上所开设的径向节流器21a沿轴线12的方向布置为一排。\n[0029] 具体实施方式三、结合图2B说明本实施方式，在本实施方式中，在主轴箱2的主孔腔内表面2a上所开设的径向节流器21b沿轴线12的方向布置为一排。