一种抗倾覆载荷的大承载气浮主轴结构

1.本发明属于超精密装备制造技术领域，涉及一种超精密气浮主轴，具体涉及一种抗倾覆载荷的大承载气浮主轴结构。


背景技术：

2.在超精密加工机床设计及应用中，主轴精度及抗干扰能力对整体机床的性能具有很大的影响。由于气体静压主轴具有很高的回转精度，在高速转动的状态下温度变化小，造成的热变形误差很小，所以气体静压主轴被广泛应用到超精密加工机床当中。气体静压主轴以气体作为润滑剂，依靠外界提供的压力源在主轴周围形成润滑膜，所述润滑膜可将主轴完全浮起，并为主轴提供支撑刚度。传统气体静压主轴最显著的优点是主轴回转精度高，气膜摩擦小，润滑膜具有误差均化效果，减小工件加工误差对于回转精度的影响，静压滑动轴承相比于动压滑动轴承润滑膜更加稳定，主轴在低速运行或高速运行时润滑膜都能保持完整，理论上可以在完全无磨损的情况下工作，可实现低速无爬行与低发热量，但其承载小、刚度低、抗倾覆能力差也是长久以来所伴随的缺点。
3.虽然经过长时间的发展，气体静压主轴的承载能力、刚度以及抗倾覆能力都有了较大程度的提高，主要发展形式有小孔节流气体静压主轴和多孔质节流气体静压主轴。小孔式节流气体静压主轴通常是在主轴的径向、止推方向环向布置小孔节流器，通过外部气压源供给从而产生较大的轴向、径向刚度以及使得主轴具有较大的承载能力；而对于多孔质静压轴承，由于多孔质材料表面均匀分布着成千上万的小孔，利用这种材料作为气体静压轴承表面，这样就会在轴承表面产生更加均匀的压力分布，因而具有很高的承载能力和静态刚度。但总体上来说，当遇到加工质量较大的工件时，两者的主轴都不可避免的会产生一定的倾覆，使其产生一定的回转误差，进而造成加工的工件产生较大的误差；当工件产生的倾覆力矩超过一定值时，甚至会造成主轴丧失气体润滑作用，使得主轴直接与轴套表面接触，造成主轴部件的损坏。所以，如何提高气体静压主轴的抗倾覆能力是一个很重要的问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种抗倾覆载荷的大承载气浮主轴结构，该气浮主轴设计时不限制所用的节流形式，可以是小孔节流、多孔质节流或者表面节流等，通过在传统气体静压主轴的结构基础上，在主轴的前端以及尾段各添加一辐板，前辐板和后辐板上均开设有半圆环状的气道，前端的半圆环状气道布置在主轴轴线下半方，尾端半圆环状气道布置在主轴轴线上半方，两者分别供气，通过对各自压力的调整，在主轴上形成一抵抗力矩，从而与工件在主轴上所形成的倾覆力矩相抵消，达到抗倾覆、承载能力大的目的。
5.本发明所采取的技术方案具体如下：
6.一种抗倾覆载荷的大承载气浮主轴结构，包括主轴、轴套ⅰ、前辐板、后辐板和底
座，所述轴套ⅰ套设在主轴的外侧并固定在底座上，所述前辐板中部开设有通孔ⅰ，所述后辐板中部开设有通孔ⅱ，所述主轴的前、后两端分别套设在通孔ⅰ和通孔ⅱ中，所述通孔ⅰ的侧壁上开设半圆环形的气道ⅰ，所述通孔ⅱ的侧壁上开设半圆环形的气道ⅱ，所述气道ⅰ和气道ⅱ分别位于主轴中轴线的下方和上方，所述前辐板上开设有进气孔ⅰ，所述后辐板上设置有进气孔ⅱ，所述进气孔ⅰ与进气孔ⅱ分别与气道ⅰ与气道ⅱ连通。
7.进一步的，所述主轴的前端设置有环状凸缘ⅰ，所述前辐板的后端面上设置有凸缘槽，所述环状凸缘ⅰ位于凸缘槽内，所述轴套ⅰ的前端设置有环状凸缘ⅱ，所述环状凸缘ⅱ与前辐板固定连接，所述前辐板和轴套ⅰ上均设置有气路，所述气路通至前辐板与主轴的圆柱体结构、前辐板与环状凸缘ⅰ、环状凸缘ⅰ与轴套ⅰ、轴套ⅰ与主轴的圆柱体结构之间的界面。
8.进一步的，所述前辐板上由外表面向内部沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅲ，所述前辐板上由后端面向前沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅳ，所述若干个气道ⅲ与若干个气道ⅳ一一对应设置且相互连通，所述前辐板上由凸缘槽的前侧壁向前沿圆周方向均布设置有若干个气道
ⅴ
，所述若干个气道ⅲ与若干个气道
ⅴ
一一对应设置且相互连通；所述环状凸缘ⅱ上由外表面向内部沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅵ，所述环状凸缘ⅱ上由前端面向后沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅶ和若干个气道
ⅷ
，所述若干个气道ⅶ与若干个气道
ⅷ
均与若干个气道ⅵ一一对应设置且相互连通，所述轴套ⅰ上由后端面向前沿圆周方向均布设置有若干个气道
ⅸ
，若干个气道
ⅸ
与若干个气道ⅵ一一对应设置且相互连通，每个气道
ⅸ
上均设置有通至主轴表面的若干个通气孔。
9.进一步的，所述主轴与轴套ⅰ之间设置有轴套ⅱ，所述轴套ⅱ套设在主轴上且与轴套ⅰ固定连接，所述轴套ⅱ上设置有若干个节流器。
10.进一步的，所述主轴与轴套ⅰ之间设置有多孔石墨管，所述多孔石墨管套设在主轴上且与轴套ⅰ固定连接。
11.进一步的，所述主轴的前端固定设置有轴盖，所述轴盖上固定设置有夹具转接板，所述夹具转接板上安装有夹具。
12.进一步的，所述夹具为真空吸盘，所述主轴的中心轴向设置有通孔ⅲ，真空吸盘与通孔ⅲ连通，所述通孔ⅲ与真空泵连通。
13.进一步的，所述大承载气浮主轴结构还包括动子安装轴、电机动子、定子安装座和电机定子，所述定子安装座与后辐板后端面固定连接，所述电机定子安装在定子安装座上，所述电机定子与电机动子通过轴承转动连接，所述电机动子安装在动子安装轴上，所述动子安装轴固定在主轴的后端，所述电机动子的转动中心与主轴的中轴线重合。
14.进一步的，所述大承载气浮主轴结构还包括圆光栅、光栅安装轴、读数头安装座和读数头，所述圆光栅固定在光栅安装轴上，所述光栅安装轴固定在动子安装轴上，所述光栅安装轴的轴线与主轴的轴线重合，所述读数头安装座固定在定子安装座上，所述读数头安装在读数头安装座上。
15.进一步的，所述大承载气浮主轴结构还包括线缆约束固定筒和后盖，所述线缆约束固定筒固定在定子安装座上，所述后盖固定在线缆约束固定筒上。
16.本发明相对于现有技术的有益效果是：
17.1.本发明通过增加前后两个抗弯矩的半圆形气浮垫，极大地增加了主轴承受鼻端载荷的能力，表现为轴承真空吸盘处的可承受负载大大提升。
18.2.本发明通过调整前后抗弯矩的半圆形气浮垫的压力，可使静压轴承转子保证处于几何回转中心，使得轴承特性与其转速的关系不大，所产生的动压效应不明显，降低了因不同转速而导致的轴线漂移。
19.3.本发明通过保证静压轴承转子处于几何回转中心，使得带有节流器的承载部分压力分布均匀，有利于提高轴承的回转精度。
20.4.本发明可利用现有的结构设计与原有轴套一体加工，充分利用现有加工手段，可大大降低加工成本。
附图说明
21.图1：抗倾覆载荷的大承载气浮主轴结构示意图；
22.图2：图1的纵剖视图；
23.图3：本发明的受力简图；
24.图4：本发明的前辐板结构示意图；
25.图5：本发明的前辐板主视图；
26.图6：图5中a-a剖面图；
27.图7：本发明的后辐板结构示意图；
28.图8：本发明的后辐板主视图；
29.图9：图8中b-b剖视图；
30.图10：前辐板气体流向图；
31.图11：后辐板气体流向图；
32.图中，1、主轴，2、轴套ⅰ，3、前辐板，4、后辐板，5、底座，6、轴套ⅱ，7、轴盖，8、夹具转接板，9、夹具，10、动子安装轴，11、环状凸缘ⅰ，12、通孔ⅲ，13、电机动子，14、定子安装座，15、电机定子，16、圆光栅，17、光栅安装轴，18、读数头安装座，19、线缆约束固定筒，20、进气孔ⅲ，21、环状凸缘ⅱ，22、气道ⅵ，23、气道ⅶ，24、气道
ⅷ
，25、气道
ⅸ
，26、通气孔，27、后盖，28、动子压板，29、尾座定位块，30、进气孔ⅳ，31、通孔ⅰ，32、气道ⅰ，33、进气孔ⅰ，34、凸缘槽，35、气道ⅲ，36、气道ⅳ，37、气道
ⅴ
，41、通孔ⅱ，42、气道ⅱ，43、进气孔ⅱ，51、套筒，61、节流器。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。但不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。在本发明的描述中，需要理解的是：术语“前”“后”等指示方位的词语只是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的具体限定。
34.本发明中，主轴是个圆柱体，圆柱体的母线方向称为轴向，同一圆截面上的半径方向称为径向。
35.具体实施方式一：
36.一种抗倾覆载荷的大承载气浮主轴结构，包括主轴1、轴套ⅰ2、前辐板3、后辐板4和底座5，所述主轴1为圆柱状结构，所述轴套ⅰ2为圆柱筒状结构，所述轴套ⅰ2套设在主轴1的
外侧并固定在底座5的套筒51上，所述前辐板3中部开设有通孔ⅰ31，所述后辐板4中部开设有通孔ⅱ41，所述主轴1的前、后两端分别套设在通孔ⅰ31和通孔ⅱ41中，所述通孔ⅰ31的侧壁上开设半圆环形的气道ⅰ32，所述通孔ⅱ41的侧壁上开设半环圆形的气道ⅱ42，所述气道ⅰ32和气道ⅱ42分别位于主轴1中轴线的下方和上方，所述前辐板3上开设有进气孔ⅰ33，所述后辐板4上设置有进气孔ⅱ43，所述进气孔ⅰ33与进气孔ⅱ43分别与气道ⅰ32与气道ⅱ42连通。由此，前辐板3、主轴1、轴套ⅰ2形成了传统形式的气浮主轴的主体结构，在此基础之上，通过在前辐板3和后辐板4上开设半圆环形的气道，并将前辐板3的半圆环形的气道ⅰ32布置在主轴1中轴线的下方，后辐板4的半圆环形的气道ⅱ42布置在主轴1中轴线的上方，在加工零件时，分别调整前辐板3的半圆环形气道ⅰ32以及后辐板4的半圆环形气道ⅱ42的供气气压大小产生不同的压力f
k1
、f
k2
，进而通过上述布置方式在主轴1上形成不同的抵抗力矩mk来与不同工件带来的力w在主轴1上所形成的抵抗力矩mw相抵消，大大提高气浮主轴的整体承载能力、刚度、回转精度以及抗倾覆能力，加工出的零件精度更高。
37.进一步的，所述的轴套ⅰ2上开设有螺栓安装孔，与底座5上开设的螺纹孔相对应，将轴套ⅰ2固定在底座5上。
38.进一步的，所述的前辐板3上开设有螺栓安装孔，与轴套ⅰ2上开设的螺纹孔相对应，将前辐板3固定在轴套ⅰ2上。
39.进一步的，所述的后辐板4上开设有螺栓安装孔，与底座5上开设的螺纹孔相对应，将后辐板4固定在底座5上。
40.具体实施方式二：
41.本具体实施方式是对具体实施方式一的进一步的限定，所述主轴1的前端设置有环状凸缘ⅰ11，所述前辐板3的后端面上设置有凸缘槽34，所述环状凸缘ⅰ11位于凸缘槽34内，所述轴套ⅰ2的前端设置有环状凸缘ⅱ21，所述环状凸缘ⅱ21与前辐板3固定连接，所述前辐板3与轴套ⅰ2上均设置有气路，所述气路通至前辐板3与主轴1的圆柱体结构0、前辐板3与环状凸缘ⅰ11、环状凸缘ⅰ11与轴套ⅰ2、轴套ⅰ2与主轴1圆柱体结构0之间的界面，组成传统的气浮主轴的气路；环状凸缘ⅰ11与凸缘槽34以及环状凸缘ⅱ21形成气体静压主轴的止推轴承部分，轴套ⅰ2圆筒结构与主轴1上圆柱主体结构形成气体静压主轴的径向轴承部分，给气浮主轴的气路单独供气，实现主轴1的径向气体润滑以及止推面气体润滑，气浮主轴的气路的进气孔ⅲ20设置在环状凸缘ⅱ21上。由前辐板3后端面上所设置的凸缘槽34与主轴1的前端设置有环状凸缘ⅰ11以及轴套ⅰ2的前端设置有环状凸缘ⅱ21形成了止推轴承，通过布置的气路供压在主轴1的环状凸缘ⅰ11前后端面上分别产生相对应的轴向力f
z1
与f
z4
以及f
z2
与f
z3
，当加工时受到外部轴向力时，f
z1
与f
z4
以及f
z2
与f
z3
之间可自行调整，以达到轴向的平衡状态；由轴套ⅰ、轴套ⅱ所开设的径向气路以及主轴1行成了径向轴承，通过径向所布置的气路供压，在主轴1上产生了径向力f
j1
、f
j2
、f
j3
以及f
j4
与主轴的自身重力g相对等，当加工时受到外部径向力时，f
j1
、f
j2
、f
j3
以及f
j4
可产生一定的调整，使得做种到达一种平衡状态。
42.传统气体静压主轴部分为一套气路体系，单独供压。而前辐板3和后辐板4上的半圆环状气道各自成一套气路体系，分别单独供压，通过对传统气体静压主轴的气路体系进行单独供压，使得主轴1处于气体润滑状态并具有一定的刚度以及承载能力，通过对两个半圆环状的气道分别单独供压，并进行压力的调整，形成抵抗力矩与工件的倾覆力矩相抵消从而使得气体静压主轴具有较强的承载能力以及抗倾覆能力。
43.具体实施方式三：
44.本具体实施方式是对具体实施方式二的进一步的限定，所述前辐板3上由外表面向内部沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅲ35，所述前辐板3上由后端面向前沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅳ36，所述若干个气道ⅲ35与若干个气道ⅳ36一一对应设置在同一轴向剖面上且相互连通，所述前辐板3上由凸缘槽34的前侧壁向前沿圆周方向均布设置有若干个气道
ⅴ
37，所述若干个气道ⅲ35与若干个气道
ⅴ
37一一对应设置在同一轴向剖面上且相互连通；所述环状凸缘ⅱ21上由外表面向内部沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅵ22，所述环状凸缘ⅱ21上由前端面向后沿圆周方向均布设置有若干个气道ⅶ23和若干个气道
ⅷ
24，所述若干个气道ⅶ23与若干个气道
ⅷ
24均与若干个气道ⅵ22一一对应设置在同一轴向剖面上且相互连通，所述若干个气道ⅳ36与若干个气道ⅵ22一一对应设置在同一水平面上，所述若干个气道
ⅴ
37与若干个气道
ⅷ
24一一对应设置在同一水平面上，所述轴套ⅰ2上由后端面向前沿圆周方向均布设置有若干个气道
ⅸ
25，若干个气道
ⅸ
25与若干个气道ⅵ22一一对应设置在同一轴向剖面上且相互连通，每个气道
ⅸ
25上均设置有通至主轴1表面的若干个通气孔26。
45.在轴套ⅰ2圆筒结构中开设相应的径向轴承气路以及环状凸缘ⅱ21上开设止推轴承气路，并通过螺栓连接与前辐板3上的止推轴承气路相配合，形成传统气体静压主轴部分，止推轴承部分气体会从轴盖7与前辐板3之间所留出的间隙以及迷宫结构中排出，径向轴承的气体一部分会从主轴1上开设的排气孔向外排出，另一部分进入主轴1中空的部分，通过真空气路将这部分气体排出。半圆环形的气道ⅰ32中的气体通过前辐板3与主轴1之间的间隙后，再通过轴盖7与前辐板3之间的间隙以及迷宫结构排出；半圆环形的气道ⅱ42中的气体通过后辐板4与主轴1之间的间隙后，通过尾部的排气孔191排出。
46.具体实施方式四：
47.本具体实施方式是对具体实施方式三的进一步的限定，所述主轴1与轴套ⅰ2之间设置有轴套ⅱ6，所述轴套ⅱ6套设在主轴1上且与轴套ⅰ2固定连接，所述轴套ⅱ6上设置有若干个节流器61，所述若干个节流器61均与气路上的若干个通气孔26一一对应连通，如图2所示。在图2中所表示的为小孔节流形式，但在实际加工应用当中，还可以将其改为表面节流或者多孔质节流形式，本发明并不限制气浮主轴的节流形式。
48.具体实施方式五：
49.本具体实施方式是对具体实施方式二或三的进一步的限定，所述主轴1与轴套ⅰ2之间设置有多孔石墨管，所述多孔石墨管套设在主轴1上且与轴套ⅰ2固定连接，所述气路通至多孔石墨管的表面。
50.具体实施方式六：
51.本具体实施方式是对具体实施方式一的进一步的限定，所述主轴1的前端通过螺栓固定设置有轴盖7，所述轴盖7上通过螺栓固定设置有夹具转接板8，所述夹具转接板8上安装有夹具9，所述夹具转接板8可实现多种夹具9形式的转换。
52.优选的，所述夹具9为真空吸盘，所述主轴1的中心轴向设置有通孔ⅲ12，所述真空吸盘与通孔ⅲ12连通，所述通孔ⅲ12通过进气孔ⅳ与真空泵连通，真空泵对主轴1中的通孔ⅲ12抽真空，吸附真空吸盘，可实现对工件的吸附固定。
53.优选的，所述夹具9为三爪卡盘或四爪卡盘。
54.具体实施方式七：
55.本具体实施方式是对具体实施方式一的进一步的限定，所述大承载气浮主轴结构还包括动子安装轴10、电机动子13、定子安装座14和电机定子15，所述定子安装座14与后辐板4后端面固定连接，所述电机定子15安装在定子安装座14设置好的卡槽上，所述电机定子15与电机动子13通过轴承转动连接，所述电机动子13安装在动子安装轴10上，并通过动子压板28与动子安装轴10之间的螺栓连接将电机动子13压紧固定，所述动子安装轴10通过螺栓固定连接在主轴1的后端，所述电机动子13的转动中心与主轴1的中轴线重合。
56.进一步的，所述大承载气浮主轴结构还包括尾座定位块29，所述尾座定位块29通过螺栓连接安装在后辐板4上；定子安装座14通过各个定位平面与尾座定位块29配合，实现定位，通过螺栓配合固定在后辐板4上。
57.具体实施方式八：
58.本具体实施方式是对具体实施方式一的进一步的限定，所述大承载气浮主轴结构还包括圆光栅16、光栅安装轴17、读数头安装座18和读数头，所述圆光栅16通过螺栓固定安装在光栅安装轴17上，所述光栅安装轴17通过螺栓固定安装在动子安装轴10上，所述光栅安装轴17的轴线与主轴1的轴线重合，所述读数头安装座18固定在定子安装座14上，所述读数头安装在读数头安装座18上。
59.具体实施方式九：
60.本具体实施方式是对具体实施方式一的进一步的限定，所述大承载气浮主轴结构还包括线缆约束固定筒19和后盖27，所述线缆约束固定筒19固定在定子安装座14上，所述后盖27固定在线缆约束固定筒19上。
61.以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。