CN101530971A - 具有转子喷射驱动用流体的主轴装置 - Google Patents

具有转子喷射驱动用流体的主轴装置 Download PDF

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Abstract

一种由驱动用流体驱动的主轴装置，具有旋转精确和使用安静的特点。该装置包括：定子，其具有用于引入驱动用流体的至少一个进口；转子，其具有布置在定子之外并设置有用于喷射驱动用流体的喷嘴的至少一个凸缘；和静压流体轴承，其用于相对于定子旋转地支承转子。定子具有第一内部路径，用于将从进口引入的驱动用流体引导至转子，转子具有与定子的第一内部路径连通的第二内部路径，用于将驱动用流体引导至喷嘴。从定子的进口引入的驱动用流体穿过第一内部路径和第二内部路径从转子的喷嘴喷出以旋转转子。

Description

具有转子喷射驱动用流体的主轴装置
技术领域
本发明涉及一种由流体(比如空气)转动地驱动的主轴装置(spindledevice)，更具体地涉及由从转子喷射流体进行驱动的主轴装置。
背景技术
在用于镗孔和切削的超精密机床中，由于需要高精度并且为了减少发热，静压空气轴承空气涡轮转轴(static-pressure air bearing air turbine spindle)用于这种超精密机床的转轴。空气涡轮转轴通过从喷嘴喷射增压流体而旋转，其中，喷嘴设置在相对于设置在作为旋转体的转子上的多个叶片的转轴的非旋转侧上。
一般而言，与利用电动机作为驱动源的主轴装置相比，这种空气涡轮转轴能以更高的精度且较小振动地以更高的速度旋转转轴，由于发热较少，因此还可以减少转轴的拉伸(即，沿轴向的热膨胀)。
在板条(lathing)的情况下，其中，工件固定在空气涡轮转轴的转子上，加工载荷施加在工件上，设置在作为驱动源的转子上的叶片的形式有时看起来在工件的表面上。比如，在平面或球面板条中，以对应于叶片数量的大约几十纳米的光线形状形成的形式有时看起来在工件的表面上。
叶片的形式出现在工件上的现象是由叶片上和空气涡轮转轴的喷嘴上的流体的周期性冲击所引起。为了消除流体的该周期性冲击，JP2003-191142A中公开了一种将流体从配置在定子内的转子内部喷射进空间以旋转地驱动转子的技术。
在背景技术中说明的相关技术中，转子喷射用于在转轴内旋转驱动的流体，并将流体通过设置在转轴内的出口排出到转轴之外。因此，当喷嘴横穿出口时，从转子喷射的流体的流动改变，流体流动的变化引起的冲击影响到转子。
另外，由于供给到流体轴承的流体通过与用于获得驱动力的流体的相同路径供给，因此当转轴的每分钟转数波动时，轴承压力变化。由于这些原因，背景技术中所述的转轴难以实现精确旋转。
发明内容
本发明提供一种能够获得精确旋转以及较好低噪音(quietness)的主轴装置。
本发明的主轴装置由驱动用流体驱动。该主轴装置包括：定子，其具有用于引入驱动用流体的至少一个进口；转子，其具有布置在定子之外并设置有用于喷射驱动用流体的喷嘴的至少一个凸缘；以及静压流体轴承，其用于相对于定子旋转地支承转子。定子具有第一内部路径，用于将从进口引入的驱动用流体引导至转子，转子具有与定子的第一内部路径连通第二内部路径，用于将驱动用流体引导至喷嘴，由此从定子的进口引入的驱动用流体穿过第一和第二内部路径从转子的喷嘴喷出以旋转转子。
该喷嘴可具有节流阀部件。
定子的第一内部路径的出口和转子的第二内部路径的进口可布置成沿转子的转动轴的方向互相错开，转子的与第一内部路径的出口相对向的表面可沿转子的转动轴的方向平滑地形成。
用于排出流体轴承的流体的排出空间可设置在定子的第一内部路径和转子的第二内部路径的接合处的附近，具有与流体轴承相同间隙的密封表面设置在排出空间和接合处之间。
从喷嘴喷射的驱动用流体被引导以相对于与转子的转动轴正交的平面形成一角度，或相对于转子的凸缘的正切方向形成一角度。
转子具有两个凸缘，每个凸缘都设置有用于喷射驱动用流体的喷嘴。
这种情况下，设置在两个凸缘之一上的喷嘴可布置成喷射驱动用流体以顺时针旋转转子，设置在两个凸缘的另一个上的喷嘴可布置成喷射驱动用流体以逆时针旋转转子，该主轴装置还可包括有选择地向两个凸缘的喷嘴供给驱动用流体的设备。
根据本发明，提供一种能够消除由于转子的旋转而产生的周期性的影响以实现精确旋转以及较好低噪音的主轴装置。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置的内部结构的示图；
图2a和2b是示出根据本发明的第一实施例的转子的内部结构和主轴装置内驱动用流体的流动的示图；
图3a和3b是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置内的流体喷射方向和转子旋转的方向的示图；
图4是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置中的结构的示图，其中作为取决于旋转角的驱动用流体的喷射液的流动没有发生变化；
图5是部分地示出根据本发明的第一实施例的设置在主轴装置内的定子和转子中的驱动用流体路径的结构的示图；
图6a-6d是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置内的从定子开始的驱动用流体出口和贯穿转子内的内部路径的相对位置的示图；
图7是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置内的利用密封面和排出空间防止供给到静压液压轴承的轴承流体流动至转子的旋转驱动***，以便静压液压轴承和驱动用流体驱动***保持独立液压的示图；
图8是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置内用喷嘴节流阀限制驱动用流体喷射直径并增加驱动用流体的喷射流量的示图；
图9a和9b是说明在根据本发明的第一实施例的主轴装置内通过调整驱动用流体喷嘴的角度防止在高速旋转期间与排气干涉的示图；
图10a和10b是示出根据本发明的第二实施例的主轴装置的示图，其中转子的驱动用流体的供应在止推轴承(thrust bearing)侧执行；
图11a和11b是示出根据本发明的第三实施例的主轴装置的示图，其中转子具有在转子旋转轴的两端设置有驱动用流体喷嘴的凸缘；以及
图12a和12b是示出根据本发明的第四实施例的主轴装置的示图，其中设置在基部侧凸缘上的喷嘴的喷射方向与设置在近端侧凸缘上的喷嘴的喷射方向相反，以使通过转换驱动用流体的路径沿顺时针和逆时针两个方向旋转转子。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的主轴装置的内部结构。
主轴装置1包括转子2、定子3、在径向上支承转子2的径向轴承4和在推力方向上支承转子2的止推轴承5。径向轴承4和止推轴承5是静压流体轴承。通过利用静压流体轴承，转子2和定子3处于无接触状态。
定子3内设置有通孔。转子2具有穿过定子3内的通孔的中心轴2a和设置在中心轴2a的两端上并延伸在定子3之外的凸缘2b、2c。转子2的中心轴2a由静压流体轴承旋转地支承在定子的通孔内。基部6是用于将主轴装置1设置在机床或类似物上的基座。径向轴承4沿外周面支承转子2的中心轴2a，而止推轴承5在一个侧面支承转子2的凸缘2b、2c。
定子3内设置有引导驱动用流体的定子内部路径和用于将驱动用流体供给至定子3的外周面的驱动用流体进口8。另外，定子3内设置有用于将流体供给至径向轴承4和止推轴承5的轴承流体路径9。另外，定子3的外周面上设置有用于径向轴承4和止推轴承5的静压流体轴承流体进口10。
转子2的中心轴2a内设置有沿转子2的转动轴方向延伸的中心路径12。在图1中，中心路径12形成为穿过中心轴2a的路径。另外，在转子2的中心轴2a内部，与转子2的转动轴正交的平面内设置有转子内部路径11。在图1中，在与转子2的转动轴正交的平面内关于该转动轴径向配置有多个转子内部路径11。
在设置在转子2的中心轴2a的一端的凸缘2b上，与中心路径12同轴的凹壁部分13设置在其侧面的中心路径12上。转子2的凸缘2b内部，在直通穿过转子2的转动轴的平面内设置凸缘内部路径14，凸缘内部路径14从转动轴径向延伸。
凸缘内部路径14的一端配置在凹壁部分13处，另一端配置在凸缘2b的外表面。在配置在转子2的凸缘2b的外表面的路径的末端处设置驱动用流体喷嘴15。注意到，在第一实施例中，配置在转子2的中心轴2a的另一端的凸缘2c起到用于平衡调整的砝码的作用以及沿推力方向(转子2的转动轴方向)支承构件的作用。
从设置在定子3上的驱动用流体进口8供给的驱动用流体沿路径定子内部路径7----转子内部路径11----中心路径12----凸缘内部路径14流动，然后从驱动用流体喷嘴15喷射到主轴装置1之外。随后将说明从定子内部路径7至转子内部路径11的流通部件16的结构(指的是图5-图7的说明)。注意到，中心轴2a和凸缘2b、2c是转子2的组成部件，因此中心路径12、凸缘内部路径14和转子内部路径11构成转子2内的路径。
轴承流体出口26是用于将流入随后说明的轴承流体排出路径27(见图6a)的轴承流体从主轴装置1释放至外部的排出口。轴承流体出口26设置在与图6a所示的轴承流体排出路径27的位置对准的凸缘2c上。
用于由轴承流体进口8和设置在定子3上的静压流体轴承流体进口10供给的流体，比如可使用压缩空气、氮气、氦气、氩气和碳酸气。
图2a和2b是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1内转子2的内部结构和驱动用流体的流动17的示图；图2a是转子2的内部结构的剖视图，图2b是沿与转子2的转动轴正交的表面的凸缘2b的断面图。
如图2a所示，由驱动用流体进口8(见图1)供给的驱动用流体从形成在转子2的中心轴2a中的转子内部路径11----中心路径12----凸缘内部路径14流动至转轴之外的驱动用流体喷嘴15。从驱动用流体喷嘴15喷射的驱动用流体沿转子2的转动轴的圆周方向喷射。通过以这种方式沿凸缘2b的圆周方向喷射驱动用流体，转子2从由驱动用流体产生的推斥力获得转矩。
注意到，通过改变驱动用流体喷嘴15在凸缘2b上的安装方向，方便起见，转子2的旋转方向可选择为顺时针或逆时针方向。在图2b中，当将驱动用流体喷嘴15的方向设定在右边时，转子2沿逆时针方向旋转，当驱动用流体喷嘴15的方向设定在左边时，转子2沿顺时针方向旋转(如在纸张上面看的样子)。
利用图3a和3b，再次给出对驱动用流体的喷射方向18和转子2的旋转方向19的说明。图3a和3b是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1内的转子2的流体喷射方向18和旋转方向19的示图。图3a是主轴装置1的侧视图，图3b是图3a中位于由中断的断面线B-B表示的位置的凸缘2b的剖视图。图3a所示的凸缘2b和定子3之间的边界区域在图5中更详细的示出。
如图3b所示，驱动用流体从配置在凸缘2b的外表面上的多个驱动用流体喷嘴15在转子的转动轴周围均匀地喷射(喷射方向18为由白色箭头指示的方向)。通过来自驱动用流体的排斥作用，转子沿从附图之上看的逆时针方向转动(旋转方向19为由黑色箭头指示的方向)。
图4是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1中作为取决于旋转角的驱动用流体的喷射液的流动没有发生改变的结构。如参照图3a和3b所述，驱动用流体从驱动用流体喷嘴15沿由空白白色箭头指示的方向18喷射。通过由因此喷射的驱动用流体的排斥力，转子2沿从附图之上看的逆时针方向19转动。
在本发明的第一实施例中，如图4所示，驱动用流体喷射进完全开放的空间。这是由于，如果靠近驱动用流体喷嘴15的喷射出口处存在突出部或孔，它们将给转子2带来周期性影响。因此，为了消除来自驱动用流体喷嘴15的流体喷射的冲击，驱动用流体喷射到定位在离得足够远的位置处的空间内或光滑表面上。
如图4所示，从驱动用流体喷嘴15喷射的驱动用流体的喷射方向18关于转子2的转动轴均匀的分布，驱动用流体的喷射不取决于凸缘2b(转子2)的旋转角，表明当前没有元件冲击驱动用流体的喷射。在图4中，通过沿喷射方向18(白色箭头方向)喷射驱动用流体，转子2沿由黑色箭头指示的旋转方向19旋转。
如图4所示，喷射的驱动用流体不再影响包括凸缘2b的主轴装置1，由驱动用流体喷射产生的推进力没有削弱，从而使得转子2准确稳定地旋转，并且保持高速。因此，本发明可防止由驱动用流体在常规空气转轴上的冲击引起的光线形式的工件外观。
图5是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1中设置在定子3和转子2内的驱动用流体的路径的结构的一部分的示图。连接定子内部路径7和转子内部路径11的流通部16(位于附图中虚线圆内)具有第一空间20和第二空间21。第一空间20和第二空间21在转子2的中心轴2a的圆周表面的全部周围形成为连续凹陷的沟槽。
驱动用流体流过定子内部路径7，并首先进入第一空间20。然后，驱动用流体接着进入与第一空间20相通的第二空间21。进入第二空间21的驱动用流体流入转子内部路径11。利用图6a-6d给出第一空间20和第二空间21的结构和功能的详细说明。
图6a-6d是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1中从定子3和设置在转子2内部的转子内部路径11的驱动用流体流动出口23的相对位置的示图。图6a是图6b所示的点划线(a)位置处的定子内部路径7(第一空间20)部分的剖视图。图6c是图6b所示的点划线(c)位置处的排出空间25部分的剖视图。图6d是图6b所示的点划线位置处的转子内部路径11(第二空间21)部分的剖视图。注意到，图6a、图6c和图6d是沿图6b所示的点划线的垂直于附图看起来所在纸面的表面的横截面图。
如上图5所述，第一空间20和第二空间21在转子2的中心轴2a的圆周表面的全部周围形成为连续凹陷的沟槽。如图6b所示，第一空间20和第二空间21沿转子2的转动轴方向彼此平行地配置。然后，由于第二空间21内的第一空间20通过间隙22连通，如图所示，定子内部路径7和转子内部路径11不直接互相连通。
通过如上所述的形成驱动用流体路径，作为本发明的第一实施例的主轴装置1补偿设置在定子3中的定子内部路径7的出口与设置在转子2中的转子内部路径11的进口沿转子2的转动轴的轴向的相对位置。然后，第一空间20的下表面(对应于面对出口的转子2的前表面)形成为相对于转子2的旋转方向没有台阶或孔的光滑表面。
因此，进入第一空间20的驱动用流体流过形成在径向轴承4和转子2的中心轴的前表面2a之间的狭窄通路22。根据这种结构，可防止当驱动用流体进入转子内部路径11时产生的脉动。由于能防止脉动的产生，转子2可实现精确的旋转。
注意到，设置在如图6a所示的转子2的中心轴2a中的轴承流体排出路径27将进入随后说明(参照图7说明)的排出空间25的轴承流体从轴承流体出口26释放至主轴装置1的外部(见图1、图2a和2b)。轴承流体排出路径27在转子2的中心轴2a的外周面周围等间距地隔开。尽管轴承流体排出路径27的数量可便于布置而选定，考虑到转子的惯性矩，优选地在转子2的转动轴周围沿转子2的中心轴2a等间距隔开地布置偶数个轴承流体排出路径27。
图7是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1中的防止供给到静压流体轴承的轴承流体利用压紧面24和排出空间25流动至转子的旋转驱动***，以使静压流体轴承和驱动用流体驱动***能保持独立液压的结构的示图。在附图中，静压流体轴承是径向轴承4。
在第一实施例中，排出空间25形成在转子2的中心轴2a的表面内，靠近该表面形成第一空间20和第二空间21。排出空间25是用于释放供给到静压流体轴承的轴承流体的排出装置，第一空间20和第二空间21在转子2的中心轴2a的圆周表面的全部周围形成为连续凹陷的沟槽。然后，在排出空间25与第一空间20和第二空间21之间形成密封面，第二空间21具有与静压流体轴承间隙相同的间隙间隔。通过在第一空间20和第二空间21附近设置排出空间25，可防止供给到静压流体轴承的轴承流体流入转子2的旋转驱动***。
如上所述，通过因此防止用于静压流体轴承的轴承流体流入驱动***，可为静压流体轴承和驱动用流体旋转驱动***保持独立的液压。进入第一空间20的驱动用流体穿过间隙22并流入第二空间21。间隙22的间隙间隔设定大于密封面24的间隙间隔，因此，驱动用流体流入第二空间21而没有进入排出空间25，然后流入转子内部路径11。应注意到，一般地，供给到静压流体轴承的轴承流体的压力大于驱动用流体的压力。因此，可通过汇集由排出空间25中的静压流体轴承排出的轴承流体防止轴承流体影响转子2的驱动***。
通过如上所述的形成转轴，本发明的第一实施例可消除静压流体轴承对转子驱动***的影响，使得转子2被精确地旋转驱动。
图8是示出根据本发明的第一实施例的主轴装置1中用喷嘴节流阀限制驱动用流体的喷射直径并增加驱动用流体的喷射流量的结构的示图。节流阀15a设置在布置在凸缘2b的圆周侧面的驱动用流体喷嘴15上。来自凸缘内部路径14的驱动用流体到达驱动用流体喷嘴15，在此流动直径受到安装在喷嘴15顶端的节流阀15a的限制。因此，可能在喷射驱动用流体时限制流体的喷射直径，因此增大流量。
图9a和9b是说明根据本发明的第一实施例的主轴装置1中通过调整驱动用流体喷嘴的角度防止在高速期间与排出液干涉的示图。用于随后说明的本发明的其它实施例的主轴装置1的驱动用流体喷嘴15可被类似地调整角度。
随着从驱动用流体喷嘴15喷射的驱动用流体的流量的增大，从相邻驱动用流体喷嘴15喷射的驱动用流体开始相互干涉，影响转子2的精确旋转。另外，提高转子2的旋转速度变得困难。因此，驱动用流体喷嘴15喷射方向18相对于如图9a所示的切线的方向倾斜(在图9a中相对于切线方向向外倾斜)，相对于与如图9b所示的轴向正交的平面倾斜(在图9b中远离主轴装置1主体倾斜)，或以包括上述两者的组合的方式倾斜。通过如上所述的调整喷射方向，可防止从每个驱动用流体喷嘴15喷射的驱动用流体之间的干涉。
图10a和10b是示出根据本发明的第二实施例的主轴装置1中转子2的驱动用流体的供给在止推轴承5一侧执行的情况的示图。图10a是主轴装置1的剖视图，其中，用于向转子2的凸缘2b供给驱动用流体的机构设置在止推轴承5侧上。图10b是说明向转子2的凸缘2b供给驱动用流体的机构的主要部分的示图(图10a中虚线内的部分)。
在图10a和10b中，由驱动用流体进口供给的驱动用流体(附图中从略)流过设置在定子3内的定子内部路径7a，并进入设置在转子2的凸缘2b内的凸缘内部路径14a。驱动用流体然后从设置在凸缘2b的圆周侧面上的驱动用流体喷嘴15喷射到包括凸缘2b的主轴装置1的外侧。
第二实施例的主轴装置1的结构不需要在作为中心路径12的转子2的中心轴2a内形成空间。因此，转子的直径可被最小化。另外，在本实施例中，定子内部路径7a和凸缘内部路径14a不直接相通；相反地，如在第一实施例中所述，对应于第一空间20、第二空间21和间隙22的机构设置在转子2的凸缘2b中，以防止当驱动用流体流入设置在凸缘2b中的凸缘内部路径14a时在驱动用流体中产生脉动。
图11a和11b是示出根据本发明的第三实施例的主轴装置1的示图，其中设置有驱动用流体喷嘴15的凸缘2b、2c形成转子2的中心轴2a的两个末端并设置在定子3之外。在本发明的第一实施例中，仅在凸缘2b内形成驱动用流体路径，凸缘2c做成起到用于平衡调整的砝码的作用。在图11a和11b所示的本发明的第三实施例中，驱动用流体喷嘴15同样也配置在凸缘2c上。根据这种结构，可在转子2的两端获得传动力矩。因此，可能提供能够达到甚或更高转速的转轴。
如上所述，由于本发明的转轴具有不带叶片的结构，因此其能消除由叶片和喷嘴引起的振动，这种振动产生在背景技术所述的空气转轴中。由于其能够消除振动，因此本发明的转轴能平顺地旋转。
因此，由于其能消除转轴的振动以及振动对机器的影响，因此本发明能改善工件的形状精度和表面粗糙度。此外，由于不需要叶片，因此能省去叶片加工步骤。另外，由于本发明利用用于静压流体轴承的径向轴承和止推轴承，因此转子和起动机变成不接触，从而减小了变速器对定子的振动。
图12a和12b是示出根据本发明的第四实施例的主轴装置1的示图，其中安装在基部侧凸缘2c上的喷嘴的喷射方向和安装在近端侧凸缘2b上的喷嘴的方向相反，以使转子2能通过转换驱动用流体的路径沿顺时针和逆时针方向旋转。
如图12a和12b所示，顺时针方向(反向旋转)和逆时针方向(向前旋转)驱动用流体供给路径设置在转子2和定子3中，间壁2d设置在转子2的中心轴2a的中心以将上述供给路径分成独立的路径。注意到，间壁2d的位置不局限于中心轴2a的中心，间壁2d的放置可以变化，以便于产生独立的路径，顺时针方向路径和逆时针方向路径。
根据这种结构，驱动用流体可有选择地从设置在凸缘2b、2c上的喷嘴喷射，以使驱动用流体从设置在凸缘2b、2c上的驱动用流体喷嘴15分别能独立地顺时针方向(反向旋转)和逆时针方向(向前旋转)喷射。
一般地，流体旋转转轴没有制动装置。但是，根据本实施例，通过从向前旋转向反向旋转(或从反向旋转向向前旋转)转换驱动方向，转子的旋转能被无接触地减小或停止。另外，根据工件或刀具的类型，有时能减小加工空间，有时能减少加工期间的定向。在此情况下，由于沿顺时针方向和逆时针方向的旋转都是可能的，因此能有效地利用加工空间。

Claims (7)

1.一种由驱动用流体驱动的主轴装置，包括：
定子，该定子具有用于引入驱动用流体的至少一个进口；
转子，该转子具有布置在所述定子之外并设置有用于喷射所述驱动用流体的喷嘴的至少一个凸缘；和
静压流体轴承，该静压流体轴承用于相对于所述定子旋转地支承所述转子；
其中，所述定子具有第一内部路径，所述第一内部路径用于将从所述进口引入的所述驱动用流体引导至所述转子，所述转子具有与所述定子的第一内部路径连通的第二内部路径，所述第二内部路径用于将所述驱动用流体引导至所述喷嘴，因此，从所述定子的进口引入的所述驱动用流体穿过所述第一内部路径和第二内部路径从所述转子的喷嘴喷出以旋转所述转子。
2.根据权利要求1所述的主轴装置，其中，所述喷嘴具有节流阀部件。
3.根据权利要求1所述的主轴装置，其中，所述定子的所述第一内部路径的出口和所述转子的所述第二内部路径的进口布置成沿所述转子的转动轴的方向互相错开，并且所述转子的与所述第一内部路径的出口相对向的表面沿所述转子的所述转动轴的方向平滑地形成。
4.根据权利要求1所述的主轴装置，其中，用于排出所述流体轴承的流体的排出空间设置在所述定子的第一内部路径和所述转子的第二内部路径的接合处的附近，具有与所述流体轴承相同间隙的密封表面设置在所述排出空间和所述接合处之间。
5.根据权利要求1所述的主轴装置，其中，从所述喷嘴喷射的所述驱动用流体被引导以相对于与所述转子的转动轴正交的平面形成一角度，或相对于所述转子的所述凸缘的正切方向形成一角度。
6.根据权利要求1所述的主轴装置，其中，所述转子具有两个凸缘，每个凸缘都设置有用于喷射所述驱动用流体的喷嘴。
7.根据权利要求6所述的主轴装置，其中，设置在所述两个凸缘之一上的所述喷嘴布置成喷射所述驱动用流体以顺时针旋转所述转子，设置在所述两个凸缘的另一个上的所述喷嘴布置成喷射所述驱动用流体以逆时针旋转所述转子，所述主轴装置还包括有选择地向所述两个凸缘的喷嘴供给驱动用流体的设备。
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