一种内置节流器的静压轴承单元及超精密液体静压转台的制作方法

1.本发明涉及超精密液体静压轴承技术领域，更具体地说，涉及一种内置节流器的静压轴承单元及超精密液体静压转台。


背景技术：

2.目前市场上出售的超精密加工、检测领域的转台系统主要是空气静压转台系统，这种超精密气体静压转台的问题主要是刚度必须在负载波动很小的条件下保证，且同尺寸的转台承载能力和最大刚度较低，这成为了目前的超精密机床制造领域迫切需要解决的问题。为了解决此问题，可以尝试使用液体静压转台来替代空气静压转台，但目前采用液体静压技术的静压转台存在回转精度明显低于空气静压转台系统的现状。
3.同时，目前的液体静压轴承部分的设计缺乏针对性，节流器调节并不能每一组节流器对应相互作用的两个液压腔；虽然双膜片节流器一直以具有极高的刚度及响应能力而被应用于液体静压主轴轴承中，但其不便于调整、占用空间大，故较少应用于商品化超精密机床转台上。
4.因此，如何提供一种内置节流器的静压轴承单元及应用其的超精密液体静压转台以克服上述问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种内置节流器的静压轴承单元及应用其的超精密液体静压转台，以至少解决上述背景技术部分所提出的问题之一。
6.为了实现上述方案，本发明采用以下技术方案：
7.一种内置节流器的静压轴承单元，包括静压轴承、静压轴承座以及节流器，所述静压轴承安装在所述静压轴承座上，所述节流器包括四组轴向油腔节流器和两组径向油腔节流器，四组所述轴向油腔节流器和两组所述径向油腔节流器的结构相同；六组所述节流器对应安装在所述静压轴承座的侧面八个角的其中六个上面，并与所述静压轴承座组合为一体；其中，四组所述轴向油腔节流器通过所述静压轴承上的对应内部管路匹配控制所述静压轴承中的轴向静压油腔，两组所述径向油腔节流器通过所述静压轴承上的对应内部管路匹配控制所述静压轴承中的径向静压油腔；所述静压轴承座底部开设有环形进油口，所述环形进油口通过所述静压轴承座内开设的液体流道与对应的所述节流器相连通，液压油由所述环形进油口流入所述节流器的入口，通过对应的所述节流器节流后进入所述静压轴承中的静压油腔内形成静压效应；所述静压轴承的上下两面配备回油槽，静压油腔内的液压油通过回油槽以及所述静压轴承内部设置的回油管路回油。
8.优选地，在上述一种内置节流器的静压轴承单元中，所述节流器为双膜片节流器，所述双膜片节流器包括在所述静压轴承座的对应安装孔中由外至内依次设置的节流器盖板、节流器板一、薄垫片一、膜片、薄垫片二、节流器板二，所述节流器盖板将所述节流器板一、所述薄垫片一、所述膜片、所述薄垫片二、所述节流器板二由外至内依次压紧在所述静
压轴承座上，将所述双膜片节流器中的各部件整体组合为一体；所述双膜片节流器上的工艺孔用堵头封闭。
9.优选地，在上述一种内置节流器的静压轴承单元中，所述双膜片节流器为可调式节流器，通过更换所述薄垫片一、所述薄垫片二，或者修磨所述节流器板一、所述节流器板二对所述双膜片节流器进行调节。
10.优选地，在上述一种内置节流器的静压轴承单元中，所述薄垫片一与所述膜片以及所述薄垫片二与所述膜片之间的间隙均不大于0.1mm。
11.优选地，在上述一种内置节流器的静压轴承单元中，每个所述节流器均通过油路与一对受力相反的静压腔匹配设置，其中，所述轴向静压油腔两两成对应用并由一个所述轴向油腔节流器控制；所述径向静压油腔为180
°
正对的一组共同由一个所述径向油腔节流器控制；
12.所述静压轴承的上下面分别开设对称的静压油腔来承受垂直方向载荷，四组所述轴向油腔节流器通过所述静压轴承上的对应内部管路匹配控制所述静压轴承中的四组上下油腔面；两组所述径向油腔节流器通过所述静压轴承上的对应内部管路匹配控制所述静压轴承内侧的四个径向静压油腔。
13.通过采用上述技术方案，本发明一种内置节流器的静压轴承单元利用液体静压技术支撑旋转部件，具备很高的回转精度并可精确实现微小旋转运动的分辨率；节流器与静压轴承座采用模块化设计，组合为一体，缩小了静压轴承单元的尺寸；通过多路油压管道为每一个静压油腔提供压力，并可通过静压轴承座上的节流器调节静压油腔内的压力及流量。
14.本发明还提供了一种应用如上所述的一种内置节流器的静压轴承单元的超精密液体静压转台，包括静压轴承单元、转台底座、转台台面、转台轴、电机轴、光栅轴、冷却水套、内装电机和编码器；所述内装电机包括电机转子和电机定子，所述编码器包括编码器转子和编码器主体；
15.所述静压轴承单元安装在所述转台底座上面，所述转台底座提供的基准面与所述静压轴承座的安装面连接，所述静压轴承中的静压油腔与所述转台轴形成静压效应；
16.所述转台台面安装在所述转台轴的顶端，所述转台轴的底端连接所述电机轴，所述电机轴外周同步连接所述电机转子，所述电机轴的底端连接所述光栅轴，所述光栅轴的外周连接所述编码器转子；所述冷却水套固定在所述转台底座的中心孔内侧面上，所述冷却水套上固定有所述电机定子，所述电机定子与位于所述转台底座中心孔内的所述电机转子的位置对应；所述编码器主体包括编码器法兰和读数头，所述编码器法兰安装在所述冷却水套的下部，所述读数头安装在所述编码器法兰上，且所述读数头与位于所述转台底座中心孔内的所述编码器转子的位置对应；所述冷却水套连通恒温水冷循环系统；
17.所述静压转台的回转运动由一套纳米分辨率的数控系统控制，所述数控系统发送运动指令，控制所述内装电机的运动，由所述编码器检测位置信号并将信号反馈给所述数控系统。
18.优选地，在上述一种超精密液体静压转台中，所述转台底座上设有总进油口和总回油口，所述总进油口通过所述转台底座的内置管路与所述环形进油口连通；所述静压轴承单元中的回油口通过所述转台底座的内置管路与所述总回油口连通。
19.优选地，在上述一种超精密液体静压转台中，所述转台底座的底部安装有用以防护所述内装电机和所述编码器的护板。
20.优选地，在上述一种超精密液体静压转台中，所述转台台面的下方安装有避免灰尘进入的轴承内部气封，所述轴承内部气封同时辅助液压油回油。
21.优选地，在上述一种超精密液体静压转台中，所述电机轴、所述电机转子、所述编码器转子、所述光栅轴均与所述转台轴的轴线同轴，所述转台台面与所述转台轴的轴线垂直。
22.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种内置节流器的静压轴承单元及应用其的超精密液体静压转台，首先，本发明的内置节流器的静压轴承单元与现有的液体静压轴承单元不同，本发明内置节流器的静压轴承单元应用于超精密液体静压转台中；节流方式选择并非毛细管等刚度较弱的节流方式，而是采用了双膜片节流方式；节流器设计采用了与液体静压油腔对应调节的方式，且节流器内置于静压轴承座内，缩短了节流后的管路长度，提高了节流器控制系统的精度。其次，本发明一种应用内置节流器的静压轴承单元的超精密液体静压转台与其它超精密液体转台的区别在于：本发明轴承单元为平面 圆柱面静压，且油压平衡反馈不依赖于轴承结构，而是通过节流器实现油压自反馈。
23.本发明解决了超精密转台的高分辨率、高刚度和运动平稳性的问题,并通过模块化的设计使超精密液体静压转台尺寸更小，且通过模块化设计使双膜片节流器等内置于静压轴承装置内，能够配合内装式电机、高精度编码器以实现超精密转台的工作。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1为应用内置节流器的静压轴承单元的超精密液体静压转台的整体截面示意图。
26.图2为双膜片节流器的截面示意图。
27.图3为内置节流器的静压轴承单元的结构示意图。
28.图4、图5为应用内置节流器的静压轴承单元的超精密液体静压转台的轴测图。
29.图中：1-静压轴承，2-静压轴承座，3-节流器，4-液体流道，5-回油槽，6-节流器盖板，7-节流器板一，8-薄垫片一，9-膜片，10-薄垫片二，11-节流器板二，12-堵头，13-转台底座，14-转台台面，15-转台轴，16-电机轴，17-光栅轴，18-冷却水套，19-电机转子，20-电机定子，21-编码器转子，22-编码器法兰，23-读数头，24-总进油口，25-护板，26-轴承内部气封。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.实施例：
34.如图1-5所示，本发明实施例公开了一种内置节流器的静压轴承单元及应用其的超精密液体静压转台，其中，
35.内置节流器的静压轴承单元包括静压轴承1、静压轴承座2以及节流器3，静压轴承1安装在静压轴承座2上，节流器3包括四组轴向油腔节流器和两组径向油腔节流器，四组轴向油腔节流器和两组径向油腔节流器的结构相同；六组节流器3对应安装在静压轴承座2的侧面八个角的其中六个上面，并与静压轴承座2采用模块化设计，组合为一体；其中，四组轴向油腔节流器通过静压轴承1上的对应内部管路匹配控制静压轴承1中的轴向静压油腔，两组径向油腔节流器通过静压轴承1上的对应内部管路匹配控制静压轴承1中的径向静压油腔。
36.静压轴承座2底部开设有与节流器3匹配的环形进油口，环形进油口通过静压轴承座2内开设的液体流道4与对应的节流器3相连通，液压油由环形进油口流入节流器3的入口，通过对应的节流器3节流后进入静压轴承1中的静压油腔内形成静压效应，并为静压油腔提供稳定的油压。
37.如图2、3所示，本实施例中的节流器3为双膜片节流器，双膜片节流器包括在静压轴承座2的对应安装孔中由外至内依次设置的节流器盖板6、节流器板一7、薄垫片一8、膜片9、薄垫片二10、节流器板二11，节流器盖板6将节流器板一7、薄垫片一8、膜片9、薄垫片二10、节流器板二11由外至内依次压紧在静压轴承座2上，将双膜片节流器中的各部件整体组合为一体；双膜片节流器上的工艺孔用堵头12封闭。
38.根据图2所示，从油路a进入节流器3，分别在节流器板一7或者节流器板二11和膜片9之间形成节流，再通过油路c、油路d流入对应的油腔内。节流器板一7或者节流器板二11和膜片9之间形成节流，膜片9两边形成层流后的油压相等，中间通过薄垫片一8、薄垫片二10联结形成间隙并避免泄油。
39.本发明中的双膜片节流器通过更换薄垫片一8、薄垫片二10，或者修磨节流器板一7、节流器板二11对双膜片节流器进行调节，其中，薄垫片一8与膜片9以及薄垫片二10与膜片9之间的间隙均不大于0.1mm。
40.本发明中每个节流器3均通过油路与一对受力相反的静压腔匹配设置，其中，轴向静压油腔两两成对应用并由一个轴向油腔节流器控制；径向静压油腔为180
°
正对的一组共同由一个径向油腔节流器控制。
41.本发明内置节流器的静压轴承单元在垂直方向使用并作为超精密转台的承载静
压轴承使用时，静压轴承1的上下面分别开设对称的静压油腔来承受垂直方向载荷，并保证转台的轴向精度；静压轴承1内侧径向开设静压油腔来承受径向载荷，并保障转台的径向精度，图1中a处所指为上油腔，b处所指为上油腔面，b处所指为静压油腔。四组轴向油腔节流器通过静压轴承1上的对应内部管路匹配控制静压轴承1中的四组上下油腔面；两组径向油腔节流器通过静压轴承1上的对应内部管路匹配控制静压轴承1内侧的四个径向静压油腔。
42.本发明中每组节流器3控制的两个油腔对超精密液体静压转台系统形成支撑，油腔作用面方向相反，面积和深度相等，静压轴承1上下两面配备回油槽5，静压油腔内的液压油通过回油槽5以及静压轴承1内部设置的回油管路回油。
43.应用内置节流器的静压轴承单元的超精密液体静压转台包括静压轴承单元、转台底座13、转台台面14、转台轴15、电机轴16、光栅轴17、冷却水套18、内装电机和编码器；内装电机包括电机转子19和电机定子20，编码器包括编码器转子21和编码器主体。
44.静压轴承单元安装在转台底座13上面，转台底座13提供的基准面与静压轴承座2的安装面连接，静压轴承1上的四组上下油腔面和静压轴承1内侧的四个径向静压油腔与转台轴15形成静压效应，保证轴系的承载和精度。
45.转台台面14安装在转台轴15的顶端，转台轴15的底端连接电机轴16，电机轴16外周同步连接电机转子19，电机轴16的底端连接光栅轴17，光栅轴17的外周连接编码器转子21，电机轴16、电机转子19、编码器转子21、光栅轴17均与转台轴15的轴线同轴，转台台面14与转台轴15的轴线垂直。
46.冷却水套18固定在转台底座13的中心孔内侧面上，冷却水套18上固定有电机定子20，电机定子20与位于转台底座13中心孔内的电机转子19的位置对应；编码器主体包括编码器法兰22和读数头23，编码器法兰22安装在冷却水套18的下部，读数头23安装在编码器法兰22上，且读数头23与位于转台底座13中心孔内的编码器转子21的位置对应，读数头23按照编码器对应的要求安装；冷却水套18连通恒温水冷循环系统，以带走电机等热源的热量，保证转台内部的热稳定；转台底座13的底部安装有用以防护内装电机和编码器的护板25。
47.静压转台的回转运动由一套纳米分辨率的数控系统控制，数控系统发送运动指令，控制内装电机的运动，由编码器检测位置信号并将信号反馈给数控系统。
48.进一步的，转台底座13上设有总进油口24和总回油口，总进油口24通过转台底座13的内置管路与环形进油口连通；静压轴承单元中的回油口通过转台底座13的内置管路与总回油口连通。
49.进一步的，转台台面14的下方安装有轴承内部气封26以避免灰尘进入，系统回油通过轴承内部气封26辅助液压油回油，且总回油口对称分布,通过液压油使整个转台系统温度更稳定。
50.工作原理：
51.超精密液体静压转台利用液体静压技术支撑运动部件，具备很高的回转精度并可精确实现微小旋转运动的分辨率、高重复定位精度，四组轴向油腔节流器和两组径向油腔节流器与静压轴承座2设计为模块化，为静压轴承1提供节流后稳定的油压。通过多路油压管道为四组轴向油腔节流器和两组径向油腔节流器提供压力，并通过双膜片节流器调节静压油腔内的压力及流量，其中每个节流器3输出的两路油分别为受作用力相对应的一组油
腔提供油压。转台通过力矩电机(内装电机)驱动运动部件(转台台面14、转台轴15和光栅轴17)运动，利用高分辨率的编码器保证运动的位置精度，整个装置通过一套纳米级分辨率数控系统控制，该内置节流器的静压轴承单元具有使超精密转台部件运动更加平稳、摩擦力更小和更高的回转精度的特点。
52.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
53.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。