TW201303180A - 主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組 - Google Patents

主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組 Download PDF

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Abstract

一種主動補償式液靜壓軸承設置於一第一結構與一第二結構之間,以允許第一結構與第二結構之相對運動。液靜壓軸承包含一本體及一補償元件。本體固定至第一結構,並與第二結構隔開一第一間隙,且具有一空腔及與空腔連通之一輸入通道及一輸出通道。補償元件設置於空腔中,本體與補償元件之間具有一補償通道,補償通道連通輸入通道及輸出通道。一加壓流體從輸入通道經由補償通道流至輸出通道,使輸出通道之加壓流體流至第一間隙中,維持第一結構與第二結構之相對運動之穩定度及剛性。一種使用上述液靜壓軸承之液靜壓軸承模組亦一併提供。

Description

主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組
本發明一般是有關於一種主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組,且特別是有關於一種利用補償元件來進行主動補償之液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組。
軸承是精密機械工具機中不可或缺的關鍵組件。非接觸式之液靜壓軸承能提供較符合次微米的加工技術所需的高剛性、高精度等特性,所以較常被使用於特別是大型工具機中。液靜壓軸承從起動到停止始終在液體潤滑下工作,即在零速狀態時亦可建立正常的油膜流體,軸承與主軸之間不會有直接接觸,使得軸承壽命長,起動功率小。此外,液靜壓軸承還具有旋轉精度高、油膜剛度大的優點,故已經廣泛應用在重型、精密、高效率的機器和設備上。
液靜壓軸承是經由外部供油系統提供加壓流體,並利用軸承內多油腔的結構設計,來保持油膜壓力的穩定。油腔間的壓力差是軸承提供承載力的來源,對於單一壓力提供源的定壓供油系統而言,軸承必須有壓力補償元件來調節油腔內部的壓力,此補償元件稱為節流器。不同型式的節流器會展現出不同的軸承性能,特別是軸承的剛性,主要取決於節流器,因此節流器是液靜壓軸承的主要元件。一般工業界在使用的節流器可分為固定式以及主動式兩種,固定式包括毛細管、縫隙以及小孔節流器等,固定式節流器的幾何形狀不會因操作條件不同而改變;主動式節流器如滑閥、薄膜反饋節流器等的內部幾何結構會因外部負載或油腔壓力的改變而自動調整。若設計與調整得當,主動式節流器可以得到比固定式節流器更高的承載力及剛性。然而,因為傳統液靜壓軸承系統的節流器都是外掛的,藉由油路連接至油腔,在補償反應上會因為節流器和油腔之間油路而延遲。因此,傳統液靜壓軸承系統會有作動延遲之問題。此外,習知技術之譬如毛細管節流器或小孔節流器等,其靜剛性不佳,理由為毛細管節流器所造成的節流流阻的部分並不會因為油腔壓力的改變而去調變來做補償,而為定值。
故在此提出主動式補償節流軸承,希望可達到靜態及動態都可以有高剛性及穩定的表現,為實際技術應用提供新的可能性。
因此,本發明之一個目的係提供一種在靜態下具有高剛性、適合高精度使用、適合動態負載變化,在動態下具有良好剛性(動剛性良好)之主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組。
為達上述目的,本發明提供一種主動補償式液靜壓軸承,設置於一第一結構與一第二結構之間,以允許第一結構與第二結構之相對運動。主動補償式液靜壓軸承包含一本體及一補償元件。本體固定至第一結構,並與第二結構隔開一第一間隙,且具有一空腔及與空腔連通之一輸入通道及一輸出通道。補償元件設置於空腔中,本體與補償元件之間具有一補償通道,補償通道連通輸入通道及輸出通道。一加壓流體從輸入通道經由補償通道流至輸出通道,使輸出通道之加壓流體流至第一間隙中,維持第一結構與第二結構之相對運動之穩定度及剛性。
本發明亦提供一種液靜壓軸承模組,包含一第一結構、一第二結構以及多個主動補償式液靜壓軸承,其設置於第一結構與第二結構之間,以允許第一結構與第二結構之相對運動。
本發明之主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組具有以下效果。第一,本發明可提高軸承的靜態初始剛性,也就是使第一結構與第二結構間相對運動的剛性高(位移量低),因為本發明之節流流阻會因為油腔壓力大小之不同去做調變。第二,本發明整合油腔與節流裝置,改善傳統液靜壓軸承系統連接潤滑油管路再搭配節流器之作動延遲問題。第三,本發明之軸承只有兩個主要組件,構型簡單,在維修與替換上可以較為方便。第四,本發明之軸承在受動態負載下的反應振幅小,所以動剛性好。軸承相對應不同外力激振頻下的負載反應振幅大小代表動剛性。此補償元件可以當作振動吸收器,有效吸收第一結構與第二結構之間的振動。振動量愈小,代表軸承之動態剛性越好,越是符合精密的大型工具機的需求。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂,下文特舉一較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
圖1顯示依據本發明較佳實施例之液靜壓軸承模組100之斷面圖。圖2顯示依據本發明較佳實施例之液靜壓軸承模組100之第一結構之剖面圖。如圖1與2所示,本發明之液靜壓軸承模組100包含一第一結構2、一第二結構3以及多個主動補償式液靜壓軸承1。此等液靜壓軸承1設置於第一結構2與第二結構3之間,以允許第一結構2與第二結構3之相對運動。於一例子中,第一結構2譬如是工具機的移動式床台,而第二結構3譬如是工具機的軌道,於此是T形軌道,但亦可應用於鳩尾形軌道。然而,本發明之應用並未嚴格受限於此。本發明除了應用於移動式場合以外,亦可應用於轉動式場合,以允許相對轉動。因此,於此之相對運動包含相對移動及相對轉動。
第一結構2具有多個第一容置槽2A及一第二容置槽2B。此等第一容置槽2A分別容置此等主動補償式液靜壓軸承1,第二容置槽2B用以容置第二結構3。藉此,移動式床台可以沿著軌道移動。液靜壓軸承1係固定於第一結構2,譬如是用黏接的方式或利用螺絲(未顯示)穿過第一結構2之貫通孔(未顯示)而鎖固於液靜壓軸承1之螺紋孔17,使得液靜壓軸承1被固定於第一結構2,並可輕易被拆卸。此外,為了收集譬如油的液體,第二結構3開設有一收集凹槽3A,而收集於收集凹槽3A中之液體可以沿著前後方向流出。
圖3與4顯示依據本發明第一實施例之主動補償式液靜壓軸承1之立體圖。圖5顯示依據本發明第一實施例之主動補償式液靜壓軸承1之斷面圖。圖6顯示依據本發明第一實施例之主動補償式液靜壓軸承1之剖面圖。圖7顯示圖6之圓形範圍A之放大圖。圖3至7所示,主動補償式液靜壓軸承1包含一本體10以及一補償元件20。
本體10係固定至第一結構2,並與第二結構3隔開一第一間隙G1,且具有一空腔11及與空腔11連通之一輸入通道13及一輸出通道15。於本實施例中,本體10包含一第一本體部分12以及一第二本體部分14。第一本體部分12具有空腔11之一第一空腔部分11A以及輸入通道13,並固定於第一結構2。第二本體部分14具有空腔11之一第二空腔部分11B,本體10之第一本體部分12固定於本體10之第二本體部分14上。舉例而言,第一本體部分12與第二本體部分14係藉由螺絲40而固定在一起。螺絲40穿過第一本體部分12之一沈頭孔12H,而鎖固於第二本體部分14之一螺紋孔14H。
補償元件20設置於空腔11中,舉例而言,可以利用軸孔緊箍配合或黏接等方式來將補償元件20固定於本體10中。相對於本體10而言,補償元件20是比較軟的元件,亦即,補償元件20之硬度低於本體10之硬度。舉例而言,整體的補償元件20可以是由丙烯青丁二烯苯乙烯(Acrylonitrile butadiene styrene,ABS)塑膠材料所製成。於本實施例中,補償元件20包含一第一補償結構23以及一第二補償結構24。第一補償結構23可以是由ABS塑膠材料所製成,並具有相連且同軸之一大徑部23A及一小徑部23B,也就是具有一個大圓柱體加上一個小圓柱體的結構。第二補償結構24環繞小徑部23B,第二補償結構24之外徑實質上等於大徑部23A之外徑。亦即,第二補償結構24填補第一補償結構23之周圍空缺部,以與第一補償結構23形成一個大圓柱體。值得注意的是,雖然本體10與補償元件20都是以圓柱體的方式呈現,但是本體10與補償元件20亦可以以其他形式來呈現,譬如是長方體、正方體或圓椎體等。
本體10與補償元件20之間具有一補償通道22,補償通道22的高度定義為第二間隙G2。第二補償結構24的材料譬如是鋼材,其相對於第一補償結構23是處於較硬的結構,可以讓界定補償通道22的上表面更為平坦,以方便進行主動式補償,提供更穩定且更具有剛性之運動。相對於本體10而言,補償元件20之第一補償結構23是比較軟的元件,也就是第一補償結構23的硬度低於本體10之硬度。
補償通道22連通輸入通道13及輸出通道15。從一流體供應源提供之一加壓流體CF從輸入通道13經由補償通道22流至輸出通道15,使輸出通道15之加壓流體CF流至第一間隙G1中,維持第一結構2與第二結構3之相對運動之穩定度及剛性。加壓流體CF之管路可以通過或連接至第一結構2之貫通孔2C。值得注意的是,輸出通道15亦可稱為是油腔(Pocket)。
此外,為了防止油洩漏,主動補償式液靜壓軸承1可以更包含一密封環30,設置於第一本體部分12及第二本體部分14之間,以達成第一本體部分12與第二本體部分14之密封功能。
圖8顯示依據本發明之主動補償式液靜壓軸承之簡易示意圖及受力狀態下的補償元件之自由體圖。圖9顯示依據本發明之主動補償式液靜壓軸承之等效電路圖,其中Pp為油腔壓力,Ps為供應源壓力,Po為外部環境壓力,譬如是1個大氣壓力。Rc為第二間隙G2之油膜之等效電阻,而R1為第一間隙G1之油膜之等效電阻。
補償元件20為較軟的材料,與軸承之本體10連接。在工作狀態下,補償元件20與軸承之本體10之間的第二間隙(或稱為油膜間隙)G2的數值為hc,油膜間隙hc產生的流阻提供軸承所需的節流補償,稱做節流流阻。
在工作狀態下的油腔壓力Pp隨著外部負載F改變而變動時,補償元件20受到的油腔壓力Pp也會改變,而hc就會因為補償元件20的變形而有變化,造成油膜間隙hc的流阻改變來提供油腔壓力Pp的補償,此類型屬於主動式節流補償。作動方式如圖8所示,當軸承受到外力負載F+ΔF時,本體10與第二結構3之間的第一間隙G1的數值(以下以油腔間隙表示)會變成h-Δh。於此時,油腔15之壓力會上升來承受外力負載,而補償元件20受到比原先之平衡位置還要高的油腔壓力,因而變形,油膜間隙hc會變成hc+Δhc。總體來說,受到外力負載時,油膜間隙hc及油腔間隙h的調整均使流阻改變,而且改變量皆會使油腔壓力上升,達到自動補償的效果。
此主動補償式液靜壓軸承之動態模型如圖10所示,其中M1與M2代表兩質量塊,k1與k2代表彈簧,c1與c2代表阻尼器。這種兩段阻尼之軸承的吸振效果優於傳統的單段阻尼之軸承之吸振效果。
圖11顯示依據本發明第二實施例之主動補償式液靜壓軸承1'之剖面圖。如圖11所示,本實施例之液靜壓軸承1'係類似於第一實施例,不同之處在於本體10之第一本體部分12係固定於第一結構2,並具有輸入通道13之一第一通道部分13A,而本體10之第二本體部分14具有空腔11以及輸入通道13之一第二通道部分13B。本體10之第一本體部分12固定於本體10之第二本體部分14上。此外,本體10之第二本體部分14具有一內凸緣14A,補償元件20具有一外凸緣20A,內凸緣14A與外凸緣20A具有對應的形狀,譬如是圓形、方形或其他形狀。第一本體部分12對補償元件20加壓以使外凸緣20A直接接觸內凸緣14A。因此,於組裝時,先將補償元件20裝入空腔11中,此時外凸緣20A抵靠著內凸緣14A。然後利用第一本體部分12蓋壓在補償元件20上,藉由螺絲40而將第一本體部分12與第二本體部分14鎖固在一起,可使外凸緣20A抵緊於內凸緣14A。這種軸承可以提供穩固的支撐效果。
值得注意的是,關於軸承的剛性,可分為靜剛性及動剛性。靜剛性表示在穩態下軸承受力導致油腔間隙改變量的大小,改變量越小即靜剛性越大,即靜剛性就是承載力與油腔間隙之間的關係的曲線的斜率。初始靜剛性指的是設計的初始使用狀態。另一方面,動剛性是針對在動態負載下的定義。本發明可以有效提升靜剛性及動剛性兩者,且初始靜剛性也非常優良。軸承表現出來的高剛性,就是在運動或在加工時,可受大承載力但軸承或平台不會有太大的位移量以保持加工精度。
本發明之主動補償式液靜壓軸承及使用其之液靜壓軸承模組具有以下效果。第一,本發明可提高軸承的靜態初始剛性,也就是使第一結構與第二結構間相對運動的剛性高(位移量低),因為本發明之節流流阻會因為油腔壓力大小之不同去做調變。第二,本發明整合油腔與節流裝置,改善傳統液靜壓軸承系統連接潤滑油管路再搭配節流器之作動延遲問題。第三,本發明之軸承只有兩個主要組件,構型簡單,在維修與替換上可以較為方便。第四,本發明之軸承在受動態負載下的反應振幅小,所以動剛性好。軸承相對應不同外力激振頻下的負載反應振幅大小代表動剛性。此補償元件可以當作振動吸收器,有效吸收第一結構與第二結構之間的振動。振動量愈小,代表軸承之動態剛性越好,越是符合精密的大型工具機的需求。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容,而非將本發明狹義地限制於上述實施例,在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況,所做之種種變化實施,皆屬於本發明之範圍。
A...圓形範圍
CF...加壓流體
F...外部負載
G1...第一間隙
G2...第二間隙
hc...油膜間隙
Pp...油腔壓力
Ps...供應源壓力
Po...外部環境壓力
Rc...等效電阻
R1...等效電阻
1、1'...主動補償式液靜壓軸承
2...第一結構
2A...第一容置槽
2B...第二容置槽
2C...貫通孔
3...第二結構
3A...收集凹槽
10...本體
11...空腔
11A...第一空腔部分
11B...第二空腔部分
12...第一本體部分
12H...沈頭孔
13...輸入通道
13A...第一通道部分
13B...第二通道部分
14...第二本體部分
14A...內凸緣
14H...螺紋孔
15...輸出通道/油腔
17...螺紋孔
20...補償元件
20A...外凸緣
22...補償通道
23...第一補償結構
23A...大徑部
23B...小徑部
24...第二補償結構
30...密封環
40...螺絲
100...液靜壓軸承模組
圖1顯示依據本發明較佳實施例之液靜壓軸承模組之斷面圖。
圖2顯示依據本發明較佳實施例之液靜壓軸承模組之第一結構之剖面圖。
圖3與4顯示依據本發明第一實施例之主動補償式液靜壓軸承之立體圖。
圖5顯示依據本發明第一實施例之主動補償式液靜壓軸承之斷面圖。
圖6顯示依據本發明第一實施例之主動補償式液靜壓軸承之剖面圖。
圖7顯示圖6之圓形範圍A之放大圖。
圖8顯示依據本發明之主動補償式液靜壓軸承之簡易示意圖及受力狀態下的補償元件之自由體圖。
圖9顯示依據本發明之主動補償式液靜壓軸承之等效電路圖。
圖10顯示依據本發明之主動補償式液靜壓軸承之動態模型圖。
圖11顯示依據本發明第二實施例之主動補償式液靜壓軸承之剖面圖。
A...圓形範圍
CF...加壓流體
G1...第一間隙
G2...第二間隙
1...主動補償式液靜壓軸承
2...第一結構
2C...貫通孔
3...第二結構
10...本體
11...空腔
11A...第一空腔部分
11B...第二空腔部分
12...第一本體部分
12H...沈頭孔
13...輸入通道
14...第二本體部分
14H...螺紋孔
15...輸出通道/油腔
20...補償元件
22...補償通道
23...第一補償結構
23A...大徑部
23B...小徑部
24...第二補償結構
30...密封環
40...螺絲

Claims (17)

  1. 一種主動補償式液靜壓軸承,設置於一第一結構與一第二結構之間,以允許該第一結構與該第二結構之相對運動,該主動補償式液靜壓軸承包含:一本體,固定至該第一結構,並與該第二結構隔開一第一間隙,且具有一空腔及與該空腔連通之一輸入通道及一輸出通道;以及一補償元件,設置於該空腔中,該本體與該補償元件之間具有一補償通道,該補償通道連通該輸入通道及該輸出通道,其中一加壓流體從該輸入通道經由該補償通道流至該輸出通道,使該輸出通道之該加壓流體流至該第一間隙中,維持該第一結構與該第二結構之相對運動之穩定度及剛性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該本體包含:一第一本體部分,具有該空腔之一第一空腔部分以及該輸入通道,並固定於該第一結構;以及一第二本體部分,具有該空腔之一第二空腔部分,該本體之該第一本體部分固定於該本體之該第二本體部分上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之主動補償式液靜壓軸承,更包含:一密封環,設置於該第一本體部分及該第二本體部分之間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該第一本體部分與該第二本體部分係藉由螺絲而固定在一起。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該補償元件包含:一第一補償結構,具有相連且同軸之一大徑部及一小徑部;以及一第二補償結構,環繞該小徑部,該第二補償結構之外徑實質上等於該大徑部之外徑。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該第一補償結構之硬度低於該本體之硬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該該補償元件之硬度低於該本體之硬度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該本體具有;一第一本體部分,固定於該第一結構,並具有該輸入通道之一第一通道部分;以及一第二本體部分,具有該空腔以及該輸入通道之一第二通道部分,該本體之該第一本體部分固定於該本體之該第二本體部分上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之主動補償式液靜壓軸承,其中該本體之該第二本體部分具有一內凸緣,該補償元件具有一外凸緣,該第一本體部分對該補償元件加壓以使該外凸緣直接接觸該內凸緣。
  10. 一種液靜壓軸承模組,包含:一第一結構;一第二結構;以及多個主動補償式液靜壓軸承,設置於該第一結構與該第二結構之間,以允許該第一結構與該第二結構之相對運動,各該主動補償式液靜壓軸承包含:一本體,固定至該第一結構,並與該第二結構隔開一第一間隙,且具有一空腔及與該空腔連通之一輸入通道及一輸出通道;以及一補償元件,設置於該空腔中,該本體與該補償元件之間具有一補償通道,該補償通道連通該輸入通道及該輸出通道,其中一加壓流體從該輸入通道經由該補償通道流至該輸出通道,使該輸出通道之該加壓流體流至該第一間隙中,維持該第一結構與該第二結構之相對運動之穩定度及剛性。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之液靜壓軸承模組,其中該本體包含:一第一本體部分,具有該空腔之一第一空腔部分以及該輸入通道,並固定於該第一結構;以及一第二本體部分,具有該空腔之一第二空腔部分,該本體之該第一本體部分固定於該本體之該第二本體部分上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之液靜壓軸承模組,其中該主動補償式液靜壓軸承更包含:一密封環,設置於該第一本體部分及該第二本體部分之間。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之液靜壓軸承模組,其中該第一本體部分與該第二本體部分係藉由螺絲而固定在一起。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之液靜壓軸承模組,其中該補償元件包含:一第一補償結構,具有相連且同軸之一大徑部及一小徑部;以及一第二補償結構,環繞該小徑部,該第二補償結構之外徑實質上等於該大徑部之外徑。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之液靜壓軸承模組,其中該本體具有;一第一本體部分,固定於該第一結構,並具有該輸入通道之一第一通道部分;以及一第二本體部分,具有該空腔以及該輸入通道之一第二通道部分,該本體之該第一本體部分固定於該本體之該第二本體部分上。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之液靜壓軸承模組,其中該本體之該第二本體部分具有一內凸緣,該補償元件具有一外凸緣,該第一本體部分對該補償元件加壓以使該外凸緣直接接觸該內凸緣。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之液靜壓軸承模組,其中該第一結構具有多個第一容置槽及一第二容置槽,該等第一容置槽分別容置該等主動補償式液靜壓軸承,該第二容置槽用以容置該第二結構。
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