JP2010266065A

JP2010266065A - 剛性自動補償静圧平面軸受装置とその方法

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Publication number: JP2010266065A
Application number: JP2010039842A
Authority: JP
Inventors: Hua-Chih Huang; 華志黄; Po-Chun Yaung; 伯駿楊
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: US8333512B2; EP2251556B1; US20100290724A1; EP2251556A1; TW201040406A; JP5189118B2; TWI391576B

Abstract

【課題】剛性自動補償静圧平面軸受装置とその方法の提供。
【解決手段】本剛性自動補償静圧平面軸受装置は、スロットル、第１チャンバ及び第２チャンバを包含し、スロットルは載置台に設置され、且つスロットルの一端よりフレキシブルで変形可能な支持手段が延伸され、第１チャンバは該支持手段のスロットルと反対の一端に形成され、且つスロットルを貫通する給液管路と連通し、第２チャンバは支持手段と載置台の間に形成され、並びに第２チャンバは支持手段上の連通孔を介して第１チャンバと連通する。負荷が変化する時、第１チャンバの圧力がそれにより変化し、並びに連通孔を介して第２チャンバに伝導され、第２チャンバの圧力変化により支持手段が微量変形し、これにより第１チャンバの容積が変化してその平均圧力が変化することで軸受の剛性自動補償が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は一種の剛性自動補償静圧平面軸受装置とその方法(SELF-COMPENSATING HYDROSTATIC PLANAR BEARING DEVICE AND THE METHOD THEREOF)に係り、特に、剛性が自己補償可能で、及び、反応時間遅延問題を克服できる、静圧軸受装置と方法に関する。

既存の静圧案内レールは載置台と案内レールの間に複数の静圧軸受が設置され、各静圧軸受は一定圧力の潤滑油液をスロットルにより隣接する案内レール面の油室中に輸送し、油室と案内レールの間に載置油膜を形成し、相互に接触する金属表面を隔離し、液体摩擦を実現する。一般に完全な静圧案内レールシステムは、静圧軸受本体、外部給油システム及びスロットルの３部分を包含する。

静圧軸受本体は選択するオイルチャンバ構造の違いから、軸受性能特性指標、例えば、流量、最高度制限、積載能力、ダンピング性能と剛性上、明かな違いがある。静圧軸受においてよく見受けられるチャンバ構造には、シャローチャンバ型、ディープチャンバ型、溝型、アイランド形がある。そのうち、溝型のオイルチャンバ構造は最も簡単で、小さな案内レール幅（４０〜５０ｍｍ）で使用され、アイランドは比較的広い案内レール幅（６０〜１４０ｍｍ）で使用され、ペニンシュラ式は案内レール幅１５０ｍｍ以上で使用される。

外部給油システムは静圧軸受の不可欠の構成部分であり、それは全体作業過程中に、安定し、清潔で、温度上昇が低い圧力油を供給する必要があり、軸受作業の信頼性は主に給油システムにより決定される。給油システムは定圧力給油システムと定流量給油システムの２種類に分けられる。定圧力給油システムは、その特性が、一つの給油ポンプで軸受の全てのオイルチャンバに給油し、スロットルの設計がオイルチャンバの最終圧力を決定する。その長所は設備費用がやすく、取り付け実行が容易であり、油膜剛性が比較的良好で且つ異なる負荷下で油膜厚さが不変であることであり、一般には、静圧案内レール中で比較的よく採用されている。

スロットルの種類は非常に多いが、固定スロットルと可変スロットルの二種類に大きく分けられる。毛細管スロットル、小孔スロットル、及び定流量スロットルは固定スロットルに属し、フローバルブ、圧力検出バルブ（pressure sensing valve)及び薄膜(membrane)は可変スロットルに属する。固定スロットルは製造上、比較的容易であり、このため広く使用されている。スロットル構造上の違いはチャネル出口の流量係数(discharge coefficient)の数値を変化させ、流量係数は流体圧力の分布に影響を与え得て、静圧軸受の性能設計上、非常に大きな影響を有する。もしスロットルがなければ、静圧軸受は剛性と積載能力を有さず、ただスロットルの選択を正確に行うだけで、軸受は最大の剛性を獲得できる。

現在静圧案内レールの平面軸受の国外技術発展の重点は、各種のオイルチャンバ構造とスロットル構造の独特な設計の開発にあり、その目的は、より良好な軸受性能（すなわち積載能力、最高速度制限、ダンピング性能と剛性等）を獲得し及びより正確なスロットル特性を掌握することにある。***内静圧案内レール技術は未だ萌芽段階であり、一部の旋盤向上が応用技術の研究を行っているにすぎず、技術発展は一般に国外で設計されたものを踏襲している。

既存の静圧案内レールの問題点は以下のとおりである：
（１）案内レールの平面軸受本体は、オイルチャンバ構造設計とスロットル種類の組み合わせの選択によって、その剛性は固定値が軸受負荷の大きさに伴い変化しなくなり、且つ軸受の性能特性指標は新たに理論により推導され求められる必要がある。
（２）静圧軸受給油回路中、スロットルは軸受出油口の上方に取り付けられ、完全に出油口に接近することはできず、これは動態負荷変動時に、可変スロットルの作動から真正の軸受油膜厚さ変化までの時間遅延の問題をもたらす。

周知の特許文献、例えば、特許文献１の「補償装置構造を具えた気体静圧線形案内レール」によると、調整ネジをギャップ調整の補償装置として運用し、一つの線形案内レールは７個の調整ネジによって三つの面を拘束することで（垂直面と二つの側面に、それぞれ３個、２個、２個の調整ネジが使用される）、案内レールの気体静圧軸受補償の目的を達成する。しかし、この文献記載の技術は、手動で調整ネジにより調整ネジ補償ギャップを調整する必要があり、理論的には実行可能であるものの、実際の操作の精度は低く、信頼度も低い。

さらに、特許文献２、特許文献３は、案内レールの二つの対向する静圧軸受に設けられた油路が連通し、中間に蓄圧可能なバッグが接続され、外力が負荷に印加される時、対向する軌道面の油膜ギャップが大きさの変化を発生し、二つの油膜ギャップ面内の流体圧力差により、連通する蓄圧バッグが流体圧力自動補償し、静圧軸受の外力負荷に対する自動補償を達成する。しかし、蓄圧バッグの反応時間は遅く、且つシステム微小化設計には不利である。

特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、及び特許文献９は、案内レールの二つの対向する静圧軸受を、流体グルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）を使用して連通させ、液圧流体が対向する軸受内に流動可能で、外力が負荷を印加する時、二つの対向する軸受の油膜ギャップの大きさ変化により形成される流体圧力差により、連通する流体グルーブにより圧力の自動補償が得られる。しかし、補償の圧力変化範囲は小さい。

また、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２は、案内レールの二つの対向する静圧軸受を、流体グルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）を使用して連通させ、並びに一つの総合バルブに接続する。液圧流体は総合バルブを通り対向する静圧軸受内に流動する。外力が負荷を印加する時、二つの対向する軸受の油膜ギャップの大きさの変化により形成される流体圧力差により、連通する流体グルーブにより圧力の自動補償が得られる。ただし、そのシステムの油路設計は複雑で製造コストが高い。

台湾特許公告第４３５６２８号明細書台湾特許公告第２２５５７６号明細書米国特許第５，１０４，２３７号明細書米国特許第５，５３３，８１４号明細書米国特許第５，７００，０９２号明細書米国特許第３，９３４，９４８号明細書米国特許第５，２８１，０３２号明細書米国特許第５，４８４，２０８号明細書台湾特許公告第３０４２２１号明細書米国特許第５，９８０，１１０号明細書米国特許第６，０１２，８４５号明細書ＰＣＴ特許ＷＯ９９／５３２０７号

周知の技術の欠点を鑑み、本発明は一種の剛性自動補償静圧平面軸受装置とその方法を提供し、その剛性は自己補償可能で、反応時間遅延の問題を克服できるものとする。

上述の目的を達成するため、本発明は一種の剛性自動補償静圧平面軸受装置とその方法を提供する。該静圧平面軸受装置は、スロットル、第１チャンバ及び第２チャンバを包含し、スロットルは載置台に設置され、且つスロットルの一端よりフレキシブルで変形可能な支持手段が延伸され、第１チャンバは該支持手段のスロットルと反対の一端に形成され、且つスロットルを貫通する給液管路と連通し、第２チャンバは支持手段と載置台の間に形成され、並びに第２チャンバは支持手段上の連通孔を介して第１チャンバと連通する。負荷が変化する時、第１チャンバの圧力がそれにより変化し、並びに連通孔を介して第２チャンバに伝導され、第２チャンバの圧力変化により支持手段が微量変形し、これにより第１チャンバの容積が変化してその平均圧力が変化することで軸受の剛性自動補償が行われる。

本発明は一種の剛性自動補償静圧平面軸受装置とその方法を提供し、その剛性は自己補償可能で、反応時間遅延の問題を克服できる。

本発明の正常な態様である。本発明の負荷の増加により剛性自動補償を実行する状態の表示図である。本発明の静圧平面軸受装置の油圧分布曲線と支持手段テーパー度の相対関係図である。本発明の静圧平面軸受装置の負荷曲線図である。本発明の第２実施例の断面構造表示図である。本発明の第２実施例の負荷増加による剛性自動補償実行の状態表示図である。

以下に添付の図面を参照して本発明の達成しようとする目的に使用する技術手段と作用効果について記載する。以下の図面に列挙される実施例は説明を補助するためのものであり、本発明の技術手段は図面に列挙されたものに限定されるわけではない。

図１を参照されたい。本発明の静圧平面軸受装置１は載置台２と案内レール３の間に設置される。実務上、載置台２と案内レール３の間には、通常、面積に応じて異なる数の静圧平面軸受装置１が設置され、これにより該載置台２が該案内レール３に沿ってスライド可能とされる。

該静圧平面軸受装置１は、スロットル１１を具え、該スロットル１１は該載置台２の具備する凹溝２１中に置かれ、固定部品２２（例えばボルト）で該スロットル１１が固定され、該凹溝２１は該載置台２の案内レール３に隣接する一面に設置され、これにより、静圧平面軸受装置１が該案内レール３に隣接し、並びに該スロットル１１の一端より一体に支持手段１２が延伸されて載置台２より突出し、該支持手段１２はフレキシブルで変形可能な特性を有する。本実施例中、該支持手段１２は薄膜で構成されて円錐状形態を呈し、且つ該支持手段１２は該スロットル１１と一体式構造とされるが、これに限定されるわけではない。該支持手段１２の該案内レール３に隣接する一面に、第１チャンバ１４が凹設され、且つ該支持手段１２と該載置台２の間には第２チャンバ１６が形成され、並びに該スロットル１１の中央を貫通する給液管路１３が設けられ、該給液管路１３は第１チャンバ１４に連通し、該給液管路１３の該第１チャンバ１４と反対の一端は該載置台２の具備するチャネル２３により外部給液システム（図示せず）に連通する。
該支持手段１２を貫通するように一つ以上の連通孔１２１が設けられ、これにより該第２チャンバ１６と該第１チャンバ１４が連通する。本実施例では、該支持手段１２は円錐状形態を呈し、これにより本発明は該第２チャンバ１６の外周に第１シール部材１７を嵌合し、並びに該スロットル１１の外周と該載置台２の間に第２シール部材１８が設置され、これにより該第２チャンバ１６に閉じた領域が形成されている。

本実施例中、該スロットル１１は円柱状を呈し、該支持手段１２は円錐状を呈し、該第２チャンバ１６は環状を呈する。しかし、実際の必要により、該スロットル１１はその他の形状に設計可能で、例えば、矩形柱体、規則或いは不規則多角形柱体に、該支持手段１２は円盤形、矩形、規則或いは不規則多角形柱体に形成可能で、それにより形成される該第２チャンバ１６も異なる形状とされ得て、図示される態様に限定されるわけではない。

図１と図２を共に参照されたい。図１は本発明の正常な態様であり、図２は本発明の負荷の増加により剛性自動補償を実行する状態の表示図である。本発明の静圧平面軸受装置の剛性自動補償方法は以下のとおりである。載置台２の外から加えられる負荷が増大する時（すなわち静圧平面軸受装置１の負荷が増大する時）、該静圧平面軸受装置１が押下られて該支持手段１２と該案内レール３の間の油膜ギャップが小さくなり、これにより該給液管路１３の下流圧力が増大し、該第１チャンバ１４中の流体圧力もこれにより増大し、並びに連通孔１２１により圧力が第２チャンバ１６中に伝導され、該第２チャンバ１６中の流体の圧力が増大した後に、強制的に円錐状形態の支持手段１２が下向きに湾曲変形させられ、これにより、油膜収斂度（相対テーパー度）が増大し、これにより該第１チャンバ１４が容積縮小によりさらに高い平均圧力を形成し、この増大した圧力により静圧平面軸受装置１が負荷増大の反対方向に押動される。すなわち、外から加えられる負荷が増大する時、自動補償作用により該静圧平面軸受装置１の剛性も増大する。反対に、負荷が減少する時、本発明の静圧平面軸受装置１の剛性は減衰し、これにより、本発明は軸受の剛性自動補償作用を達成する。

以下に実測データにより本発明の剛性自動補償方法について説明する。
図３は本発明の静圧平面軸受装置の油圧分布曲線と支持手段テーパー度の相対関係図である。そのうち、
ｈ_v＝支持手段高さ（図１に示されるとおり）（単位：ｍｍ）
ｈ₀＝初期安定状態油膜ギャップ（図１に示されるとおり）（単位：ｍｍ）
そのうち、ｈ₀₁＜ｈ₀₂＜ｈ₀₃＜ｈ₀₄
Ｐ₀＝油膜ギャップにおけるｈ₀の油圧（単位：ｂａｒ）
Ｐ＝油膜ギャップにおけるｈ_vの油圧（単位：ｂａｒ）
ｒ₀＝支持手段の半径（図１に示されるとおり）（単位：ｍｍ）
ｒ₁＝支持手段の給液管路の半径（図１に示されるとおり）（単位：ｍｍ）
ｉ＝Ｐ／Ｐ₀の無次元比
ｊ＝ｒ₀／ｒ₁の無次元比

さらに、図４の本発明の静圧平面軸受装置の負荷曲線図を参照されたい。そのうち、
Ｆ₁＝静圧平面軸受装置負荷（単位：１００Ｎｔ）
そのうち、Ｆ₁＜Ｆ₂＜Ｆ₃＜Ｆ₄＜Ｆ_i，ｉ＝１，２，３，４・・・
Ｐ_s＝静圧平面軸受装置の給油圧力負荷（単位：ｂａｒ）
そのうち、Ｐ_s1＜Ｐ_s2＜Ｐ_s3
ｈ_1i＝静圧平面軸受装置の油膜ギャップ（単位：μｍ）
そのうち、ｈ₁₁＜ｈ₁₂＜ｈ₁₃＜ｈ₁₄，ｉ＝１，２，３，４・・・

静圧平面軸受装置１の負荷が増大する時、該給液管路１３の下流圧力も増大し、該第１チャンバ１４内の圧力を増大させ、これにより、該支持手段１２が下向きに湾曲し、これにより油膜収斂度（相対テーパー度）が増大し、これは図３に示されるとおりである。収斂度が増大すると、さらに大きな圧力分布曲線を形成し、すなわち、さらに高い平均圧力を形成し、この増大した圧力により静圧平面軸受装置が負荷増大の反対方向に向かって押動される。すなわち、外から加えられる負荷が増大する時、自動補償作用により該静圧平面軸受装置１の剛性も増大する。図４に示されるように、外から加えられる負荷と油膜ギャップの厚さ変化の結果、正確な調整により、剛性自動補償静圧平面軸受装置１は、非常に大きな負荷範囲内で剛性無限大の作業領域を探し出す（図４の中央の垂直に近い線部分Ｐ_s（ｂａｒ）＝Ｐ_s2）。同様に、該静圧平面軸受装置１の負荷が減少する時、該給液管路１３の下流圧力も下がり、該第１チャンバ１４内の圧力を下げ、これにより、支持手段１２を上向きに湾曲させ（或いは原テーパー度を回復させ）、油膜収斂度（相対テーパー度）はこれに伴い減少する。言い換えると、本発明は該支持手段１２の微量な変形を利用し、軸受の剛性に対応する自動調整を行なわせ、剛性自動補償の目的を達成する。再度説明しておかねばならないことは、本発明の提供する剛性自動補償機能を有する静圧平面軸受装置は油静圧と気静圧の二大種類を包含するが、図３及び図４は油静圧の形式のものを、例として説明している。

このほか、本発明の剛性自動補償方法は、負荷変化時に、該第１チャンバの圧力を連通孔により直接第２チャンバに伝導し、該支持手段を微量変形させて剛性自動補償を実行し、これにより周知の技術中の反応時間遅延の問題を克服する。

さらに、図５及び図６を参照されたい。図５は本発明の第２実施例の断面構造表示図である。図６は本発明の第２実施例の負荷増加による剛性自動補償実行の状態表示図である。本実施例中、該支持手段４２は円盤状の形態を呈し、該支持手段４２の該案内レール６に隣接する一面に第１チャンバ４４があり、該支持手段４２の該載置台５に隣接する一面に環状の凹部４２２が設けられ、該凹部４２２と該載置台５の間に第２チャンバ４６が形成され、並びに該第２チャンバ４６の外側端と内側端に第１シール部材４７と第２シール部材４８が設置され、これにより該第２チャンバ４６が閉じた領域を形成している。

本発明の第２実施例の構造によると、載置台５の負荷が増加する時、同様に該静圧平面軸受装置４を押下げて、支持手段４２と案内レール６の間のギャップを小さくし、これにより第１チャンバ４４と第２チャンバ４６中の流体圧力を増大させ、第２チャンバ４６中の流体の圧力が増大した後に、該凹部４２２が強制的に下向きに湾曲変形し、図４に示されるようであり、これにより第１チャンバ４４が容積縮小によりさらに高い平均圧力を形成し、該静圧平面軸受装置４の剛性を増加させる。反対に、負荷が減少する時、本実施例の静圧平面軸受装置４の剛性は減衰し、これにより本実施例は前述の第１実施例と同じ剛性自動補償の効果を達成する。

以上述べたことは本発明の実施例にすぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではない。すなわち本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明のカバーする範囲内に属する。

１静圧平面軸受装置１１スロットル
１３給液管路１２支持手段
１２１連通孔１４第１チャンバ
１６第２チャンバ１７第１シール部材
１８第２シール部材２載置台
２１凹溝２２固定部品
２３チャネル３案内レール
４静圧平面軸受装置４２支持手段
４２２凹部４４第１チャンバ
４６第２チャンバ４７第１シール部材
４８第２シール部材５載置台
６案内レール

Claims

剛性自動補償静圧平面軸受装置において、
スロットルであって、載置台に設置され、該スロットルに該載置台より突出するフレキシブルで変形可能な支持手段が設けられ、該支持手段を貫通する一つ以上の連通孔が設けられ、該スロットルを貫通するように給液管路が設けられ、該給液管路は外部給液システムに接続される、上記スロットルと、
第１チャンバであって、該支持手段の該スロットルと反対の一端に形成され、該第１チャンバは該給液管路に連通する、上記第１チャンバと、
第２チャンバであって、該連通孔を介して該第１チャンバと相互に連通する、上記第２チャンバと、
を包含したことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項１記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該支持手段は薄膜で形成されて円錐状形態を呈することを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項２記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該第２チャンバの外周に第１シール部材が嵌合され、該スロットルの外周と該載置台の間に第２シール部材が設置され、これにより該第２チャンバが閉じた領域を形成したことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項１記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該スロットルが該支持手段と一体の構造とされたことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項１記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該支持手段が円盤状の形態を呈することを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項５記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該支持手段の該載置台に隣接する一面に環状の凹部が設けられ、これにより該凹部と該載置台の間に、前述の第２チャンバが形成されたことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項５又は６記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該第２チャンバの外側端と内側端にそれぞれ第１シール部材と第２シール部材が設置され、これにより該第２チャンバが閉じた領域を形成したことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項１記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該スロットルが円柱状の構造形態とされたことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項１記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該載置台に該スロットルに対応する凹溝が設けられ、該凹溝に該スロットルが収容され、並びに固定部品により該スロットルが固定されたことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項９記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置において、該固定部品がボルトとされたことを特徴とする剛性自動補償静圧平面軸受装置。
請求項１記載の剛性自動補償静圧平面軸受装置の剛性自動補償方法において、該静圧平面軸受装置の負荷が変化する時、該第１チャンバの圧力が該連通孔を介して該第２チャンバに伝導され、該第２チャンバの圧力変化により、該支持手段が微量変形し、これにより該第１チャンバの容積が変化してその平均圧力が変化することで軸受の剛性自動補償が行われることを特徴とする剛性自動補償方法。
請求項１１記載の剛性自動補償方法において、該静圧平面軸受装置の負荷が増大する時、該第１チャンバの平均圧力がそれに伴い増大し、それにより該静圧平面軸受装置の剛性が増大させられることを特徴とする剛性自動補償方法。
請求項１１記載の剛性自動補償方法において、該静圧平面軸受装置の負荷が減少する時、該第１チャンバの平均圧力がそれに伴い減少し、それにより該静圧平面軸受装置の剛性が減少させられることを特徴とする剛性自動補償方法。