[發明專利]一種非接觸式氣動混合電主軸支撐系統

在審

• 申請號: 202010374764.2
• 申請日: 2020-05-06
• 公開（公告）號: CN111468746A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 李東明;沈文強;賈穎;高天一;胡紅英
• 申請（專利權）人: 大連民族大學
• 主分類號: B23B19/02
• 分類號: B23B19/02;B23Q1/70;B23Q5/00
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 涂文詩;董彬

一種非接觸式氣動混合電主軸支撐系統，其特征在于：設有截面相同的凸圓臺的主軸，設有與凸圓臺對應的凹形內腔的上蓋板與下蓋板，壓電纖維層分別固定在上蓋板與下蓋板的底面，上蓋板與下蓋板表面設有均布的進氣孔。本發明的支撐系統將超聲懸浮與氣體靜壓支撐耦合，利用逆壓電效應和氣體靜壓效應，對主軸與壓力箱間隙的氣膜進行二次壓力分配，通過控制壓電纖維振動參數改變間隙內氣膜的擠壓狀態。本發明通過改變主軸的結構，使氣膜產生的懸浮力可分解為沿軸線方向的止推力和垂直于軸線方向的承載力，使電主軸在高速運轉過程同時具有軸向和徑向的穩定性；本發明的主軸支撐系統承載力大，有較高的回轉精度，適用于超精密加工，航空航天等精密領域。

技術領域

本發明專利涉及一種電主軸旋轉支撐系統。

背景技術

近年來，隨著工業現代化的高速發展，對超精密機床和高速機床等需求不斷增長，如國防領域用于加工大型光學透鏡的金剛石車床以及電子工業領域用于加工微小非球面光學透鏡的超精密磨床和印制電路板鉆孔用的高速鉆床等，同時航空航天等超精密加工領域對機床的性能也提出更高的要求，機床主軸的支撐方式影響著整個軸系的旋轉精度及零件的加工精度。目前國內外在超精密加工中的非接觸電主軸支撐方式普遍采用空氣靜壓支撐，但是這種支撐方式穩定性差，會發生氣錘振動現象和自激渦動導致主軸損傷，因此需要設計一種穩定性好，旋轉精度高的新型電主軸支撐系統。

本發明的非接觸式氣動混合電主軸支撐系統將氣動懸浮與超聲懸浮混合，不存在電磁輻射，采用壓電纖維和高壓氣源作為驅動裝置，通過壓電纖維高頻振動產生擠壓膜效應，通過高壓氣源產生氣體靜壓效應，實現對主軸的懸浮支撐；改變主軸的結構，實現同時對主軸提供軸向止推力和徑向承載力，提高主軸的回轉精度；通過控制高頻振動的振動參數，改變輸入高壓氣體的擠壓狀態，形成可控制的懸浮力，實現對電主軸懸浮狀態的智能監測，提高支撐系統的穩定性。新型電主軸支撐系統承載能力大，精度高，穩定性好。

發明內容

為解決電主軸在工作過程中無法保證較高的回轉精度和較高的穩定性的問題，本發明提出以下技術方案：一種非接觸式氣動混合電主軸支撐系統，其特征在于：設有截面相同的等腰梯形的至少兩個凸圓臺的主軸。主軸上凸圓臺的截面還可以為等腰三角形或者圓形。設有與主軸等腰梯形截面相對應的凹形內腔并在側面設有帶螺孔的翻邊的上蓋板與下蓋板。凹形內腔的截面還可以為等腰三角形或者圓形。壓電纖維層分別固定在上蓋板與下蓋板凹形內腔的底面。設有均布的進氣孔分別穿過上蓋板與下蓋板以及壓電纖維層。上蓋板與下蓋板分別被穿過翻邊上螺孔的螺栓在主軸上兩個凸圓臺處緊固形成兩個結構相同的壓力箱。壓力箱內的上蓋板與下蓋板的壓電纖維層表面與凸圓臺之間設有間隙。主軸上的凸圓臺的傾角α為45°-90°，最佳值為45°。壓電纖維層表面與凸圓臺之間設有間隙的數值范圍為50-100μm，最佳值為50μm。

在本發明中，主軸的軸線方向上至少設有兩個截面相同的等腰梯形的凸圓臺，并且在側面設有帶螺孔的翻邊的上蓋板和下蓋板設有與主軸的等腰梯形截面相對應的凹形內腔，能夠使本發明在主軸靜止時仍具有支撐作用。由于在本發明的主軸上設有截面相同的等腰梯形的凸圓臺，使壓電纖維高頻振動產生的懸浮力被分解為沿主軸軸線方向的軸向止推力和垂直于主軸軸線方向的徑向承載力，使主軸在高速旋轉過程中保持穩定。由于在上蓋板，下蓋板表面設有多個進氣孔，通入高壓氣體時容易發生氣錘不穩定現象，使主軸發生劇烈振動，本發明將超聲懸浮與氣體靜壓懸浮相耦合，對通入的氣體進行二次壓力分配，使電主軸支撐系統中主軸上的凸圓臺與上蓋板和下蓋板底面的壓電纖維層間隙內的氣膜均勻化，同時通過控制高頻振動參數，形成可控制的懸浮力及應力分布狀態。本發明的電主軸支撐系統通過改變間隙內氣膜的擠壓狀態，從而改變支撐電主軸的懸浮力，實現對電主軸懸浮狀態的智能監測。非接觸式氣動混合電主軸支撐系統克服了超聲懸浮和氣動懸浮的缺點，減弱了氣錘現象，提高支撐系統的穩定性和回轉精度。