一种气浮轴承及其装配系统

技术领域

本发明涉及超精密制造装备领域，具体涉及一种气浮轴承及其装配系统。

背景技术

随着国防、航空航天、医学以及光电通讯产业的迅速发展，对实现硬脆材料高效高质量加工的要求也越来越高，为了进一步提高轴承的回转精度，减少轴承的体积，减轻轴承使用中产生的油雾污染，越来越多的气驱式气浮轴承开始应用于超精密加工，与传统的气浮电轴承相比，具有高精度、易加工、易装配、无污染的优点，这也是提高超精密加工精度的关键。

由于轴承的装配精度直接影响主轴的回转精度，进而影响机床的加工精度，例如，传统主轴的装配方法并不适用于气驱式主轴，而且采用传统电主轴的装配方法时，通常会破坏主轴与轴承表面的精度，破坏气浮轴承与转子之间的气膜间隙，必然会影响到主轴的回转精度。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种气浮轴承及其装配系统。

根据本发明的一个方面，提供一种气浮轴承的装配系统，包括：清洗装置，适于对气浮轴承的各部件进行清洗，气浮轴承的部件至少包括壳体、径向轴承、主轴转子和多个节流器；加热装置，适于对径向轴承或壳体进行加热处理；冷却装置，适于对各节流器或径向轴承进行冷却处理；安装装置，包括第一安装模块，适于将冷却处理后的各节流器分别压固至径向轴承表面的节流孔中；第二安装模块，适于将冷却处理后的径向轴承嵌套至加热处理后的壳体内；第三安装模块，适于将主轴转子穿套至径向轴承内。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，第三安装模块包括：气体注入件，适于向径向轴承的进气通道注入气体，使得径向轴承内径产生气模；穿套组件，适于将主轴转子穿套至径向轴承内。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，还包括：精度测量装置，适于对主轴转子的精度进行测量。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，气浮轴承的部件还包括：第一端盖、第二端盖、间隙调配垫、止推轴承和防尘罩；安装装置还包括：第四安装模块，适于采用内螺纹圆柱定位销，将间隙调配垫、止推轴承和第一端盖固定在壳体的第一侧，利用螺栓将第二端盖固定在壳体的第二侧，第一侧和第二侧相对设置，以及采用螺栓将防尘罩固定于第一端盖的正面。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，第一安装模块，还适于利用环氧树脂将节流器和节流孔进行粘接。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，壳体采用440C材料，径向轴承采用锡青铜，节流器采用黄铜H62。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，精度测量装置包括：第一测量模块，适于利用电感传感器对主轴转子前端的径向跳动进行测量；第二测量模块，适于利用动平衡仪对主轴转子振动进行测试；第三测量模块，适于利用电容传感器对主轴转子径向和轴向跳动进行测量。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，清洗装置包括：第一清洗模块，适于采用清洗液对气浮轴承的各部件进行至少一次兆声清洗；第二清洗模块，适于采用毛刷清除气浮轴承的各部件的表面杂质；第三清洗模块，适于利用超净压缩空气对气浮轴承的各部件进行吹干。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，还包括：精度调节装置，适于在主轴转子的精度不满足预设要求时，对主轴转子的精度进行调节。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，第一安装模块基于15um至35um的过盈配合量将各节流器压固至径向轴承表面的节流孔中；第二安装模块基于15um至35um的过盈配合量将径向轴承嵌套至壳体内。

可选地，在根据本发明的气浮轴承的装配系统中，其中，加热装置为加热电阻丝；冷却装置为液氮冷却装置。

根据本发明的又一个方面，提供一种气浮轴承，通过如上述装配系统装配生成，包括：壳体、径向轴承、主轴转子和多个节流器；壳体内部中空，径向轴承的外径面与壳体的内侧壁过盈配合，各节流器固接在径向轴承表面的节流孔中，主轴转子从所述径向轴承内侧穿过。

根据本发明的方案，采用加热装置和液氮装置，解决了节流器与径向轴承，或径向轴承与壳体无法满足温差装配的要求，使节流器或径向轴承的拆装更加容易。

根据本发明的方案，能够有效保证转子与轴承表面的精度不被破坏，保证气浮轴承与转子的气膜间隙不被破坏，能够提高气驱式气浮主轴的装配精度和加工精度，为纳米级精度气驱式气浮主轴的开发和应用提供了基础。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承100的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承的装配系统200的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承的装配方法300的流程示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承的拆卸方法400的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

气浮轴承指的是用气体(通常是空气，但也有可能是其它气体)作为润滑剂的滑动轴承，空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。

气浮轴承可以提供极高的径向和轴向旋转精度，由于没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定。由于制造结构的不同，气浮轴承的主轴转子旋转时的精确性是天生具备的，特殊的制造技术提高了这一精确性，能够提供极高的旋转和轴向精度，其能够在轴向和径向同时获得小于0.1微米T I R的旋转精确性，由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触，所以没有磨损产生，从而确保精度始终保持稳定——制造商使用统计学加工控制的一个重要特性。

图1示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承100的结构示意图。如图1所示，气浮轴承100包括壳体110、径向轴承120、主轴转子130、多个节流器140、第一端盖150、第二端盖160、间隙调配垫170、止推轴承180和防尘罩190。

其中，所述壳体110、径向轴承120和主轴转子130同轴设置。壳体110采用440C材料，其为内部中空的柱状结构。径向轴承120嵌套在壳体110内，且与壳体110过盈配合，优选地，过盈配合量为15-35um，径向轴承120采用锡青铜。主轴转子130从径向轴承120内侧穿过。

径向轴承130上布置有多个节流孔，优选地，径向轴承130上均匀分布有四列32个节流孔。各节流器140分别固定在不同的节流孔中，其可采用黄铜H62，节流器140上布置有台阶面，其通过台阶面与径向轴承130过瘾配合，过瘾配合量为15-35um。

第一端盖150和第二端盖160分别固定在壳体的两个底面。第一端盖150上设置有供气体通过的过气孔，间隙调配垫170和止推轴承180设置在壳体110内，且靠近第一端盖150的过气孔一侧。

间隙调配垫170的作用主要是调整气门(即过气孔)的间隙，补偿由于温度及磨损导致的间隙变化，保证气门间隙，有利于减小冲击，提高各部件的使用寿命。

止推轴承180一般是由两个止推垫片或更多止推垫片和若干滚动体组成，止推轴承180用于承载轴向载荷。

防尘罩190固定在第一端盖150正面。优选地，可采用螺栓将二者进行固定。

如背景技术所介绍的，在气浮轴承100中，传统主轴转子130的装配方法并不适用，而且采用传统电主轴的装配方法时，通常会破坏主轴转子130与径向轴承120表面的精度，破坏径向轴承120与主轴转子130之间的气膜间隙，必然影响到气浮轴承100的回转精度。

基于此，本申请的一个实施例中，提供了一种气浮轴承100的装配系统。

图2示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承的装配系统200的结构示意图。

如图2所示，装配系统200可对上述气浮轴承100进行装配。其包括相互连接的清洗装置210、加热装置220、冷却装置230、安装装置240、精度测量装置250和精度调节装置260。

清洗装置210适于对气浮轴承100的各部件进行清洗。具体包括，第一清洗模块、第二清洗模块和第三清洗模块。其中，第一清洗模块适于采用清洗液对气浮轴承的各部件进行至少一次的兆声清洗。第二清洗模块适于采用毛刷清除气浮轴承的各部件的表面杂质。第三清洗模块适于利用超净压缩空气对气浮轴承的各部件进行吹干。值得注意的是，各部件在清洗时，需依次经过第一清洗模块、第二清洗模块和第三清洗模块。

加热装置220适于径向轴承120或壳体110进行加热处理。冷却装置230适于对各节流器140或径向轴承120进行冷却处理。

具体地，在将节流器140安装至径向轴承120表面的节流孔时，通过加热装置220对径向轴承120进行加热处理，同时利用冷却装置230对各节流器140进行冷却处理。以便将低温状态下的各节流器140快速压入径向轴承120表面的节流孔中。待径向轴承120和各节流器140恢复至室温时，二者之间形成过盈配合。值得注意的是，为保证安装过程中节流器140不发生膨胀，需要对节流器140进行持续冷却。

在将径向轴承120嵌套至壳体110内时，通过加热装置220对壳体110进行加热处理，同时利用冷却装置230对径向轴承120进行冷却处理。由于壳体110受热膨胀，同时径向轴承120预冷收缩，使得壳体110内径和径向轴承120外径之间形成安装间隙，此时，将径向轴承120嵌套至壳体110内。待径向轴承120和壳体110均恢复至室温时，二者之间形成过盈配合。值得注意的是，为保证安装过程中径向轴承120不发生膨胀，需要对径向轴承120进行持续冷却。

在一些实施例中，加热装置220为加热电阻丝。冷却装置230为液氮冷却装置。

安装装置240适于将各部件进行安装。其包括第一安装模块、第二安装模块、第三安装模块和第四安装模块。其中，第一安装模块适于将冷却处理后的各节流器140分别压固至径向轴承120表面的节流孔中，以及在将节流器140压固至径向轴承120后，利用环氧树脂将节流器140和节流孔进行粘接。第二安装模块适于将冷却处理后的径向轴承120嵌套至加热处理后的壳体110内。第三安装模块适于将主轴转子130穿套至径向轴承120内。第四安装模块适于采用内螺纹圆柱定位销，将间隙调配垫170、止推轴承180和第一端盖150固定在壳体110的第一侧，利用螺栓将第二端盖160固定在壳体110的第二侧，第一侧和第二侧相对设置，分别为壳体110的两个底面，以及采用螺栓将防尘罩190固定于第一端盖150的正面。

在一些实施例中，第三安装模块包括气体注入件和穿套组件。其中，在将主轴转子130穿套至径向轴承120内时，气体注入件向径向轴承120的进气通道注入气体，使得径向轴承120内径产生气模。随后，穿套组件再将主轴转子130穿套至径向轴承120内。

精度测量装置250适于对安装成功后的主轴转子130的精度进行测量。其具体包括第一测量模块、第二测量模块和第三测量模块。其中，第一测量模块适于利用电感传感器对主轴转子130前端的径向跳动进行测量。第二测量模块适于利用动平衡仪对主轴转子130振动进行测试。第三测量模块适于利用电容传感器对主轴转子130径向和轴向跳动进行测量。

优选地，在对主轴转子130振动进行测试时，可通过径向轴承120的进气通道注入气体，通过调节注入气体的气压大小调节主轴转子130的转速，同时利用动平衡仪对主轴转子130振动进行测试，确保主轴转子130振动在设计要求的范围内。

在对主轴转子130径向和轴向跳动进行测量时，需将气浮轴承100竖直放置，在主轴转子130的前端加持标准器，再利用电容传感器对主轴转子130径向和轴向跳动进行测量。

精度测量装置260适于在主轴转子130的精度不满足预设要求时，对主轴转子130的精度进行调节。具体可通过对主轴转子130和径向轴承120的配合面进行研磨，以实现对主轴转子130的精度的调节。

在一个具体示例中，图3示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承的装配方法300的流程示意图。

如图3所示，该方法300包括以下步骤：

S301、对气浮轴承100的各部件进行清洗。

具体地，第一清洗装置采用清洗液对壳体110、径向轴承120、主轴转子130、多个节流器140、第一端盖150、第二端盖160、间隙调配垫170、止推轴承180和防尘罩190进行兆声清洗，每个部件至少清洗两次，每次清洗后应更换清洗液。

第二清洗装置采用毛刷清除各部件表面杂质，并采用测量显微镜观察清洗结果，保证各部件的表面无杂质。

清洗完成后，第三清洗装置利用超净压缩空气对各部件进行吹干。

S302、将节流器140安装至径向轴承120。

具体地，利用加热装置220对径向轴承120进行加热处理，同时利用冷却装置230对各节流器140进行冷却处理。

第一安装模块将冷却处理后的各节流器140分别压固至径向轴承120表面的节流孔中。

S303、将径向轴承120嵌套至壳体110内。

具体地，利用加热装置220对壳体110进行加热处理，同时利用冷却装置230对径向轴承120进行冷却处理。

第二安装模块将冷却处理后的径向轴承嵌套至加热处理后的壳体内。

S304、安装主轴转子130。

具体地，先将装有径向轴承120的壳体110竖直立起，气体注入将件对壳体110上预留的径向轴承120进气通道进行通气，保证径向轴承120内径产生气膜，以便对主轴转子130进行支撑，再利用穿套组件将主轴转子130由壳体110后端穿入径向轴承120中，主轴转子130下端由垫块垫起，以使壳体110后端与涡轮端面尽量接近。

S305、安装第一端盖150、间隙调配垫170和止推轴承180。

具体地，第四安装模块将间隙调配垫170、止推轴承180和第一端盖150依次安装于壳体100的第一侧，安装过程中注意对齐进气孔，之后采用内螺纹圆柱定位销，将壳体110、间隙调配垫170、止推轴承180和第一端盖150固定，保证安装定位精度，然后采用螺栓将壳体110与第一端盖150进行固定连接。

S306、安装第二端盖160。

具体地，将气动转接头安装于第一端盖150的两个进气口处，之后，对气浮轴承100的进气孔进行通气，并对壳体110第二侧的气浮轴承100的进气孔进行断气和密封，采用紧定螺钉和环氧树脂进行粘接密封。然后，第四安装模块用螺栓将第二端盖160固定于壳体110的第二侧。

S307、安装防尘罩190。

第四安装模块采用螺栓将防尘罩190固定于第一端盖150的正面。

S308、主轴转子130精度测试和调节。

具体地，首先，第一测量模块利用电感传感器对主轴转子130前端径向跳动进行测量，确保主轴径向跳动在设计要求的范围内。

随后，通过径向轴承120的进气通道注入气体，通过调节注入气体的气压大小调节主轴转子130的转速，同时第二测量模块利用动平衡仪对主轴转子130振动进行测试，确保主轴转子130振动在设计要求的范围内。

之后，将气浮轴承100竖直放置，在主轴转子130的前端加持标准器，再通过第三测量模块利用电容传感器对主轴转子130径向和轴向跳动进行测量。

最后，对精度不标准的地方，采用精度调节装置260进行调节。

需要注意的是，在某些应用场景下，需要对装配好的气浮轴承100进行拆卸，例如，发现主轴转子130的精度不标准时，需要重新拆卸气浮轴承100后，进行精度调节。

考虑到不规范的拆卸过程同样会导致气浮轴承100的各部件损坏，导致气浮轴承100精度丢失问题。在另一个具体示例中，提供一种气浮轴承100的拆卸方法，图4示出了根据本发明一个实施例的气浮轴承的拆卸方法400的流程示意图。

如图4所示，该方法400包括以下步骤：

S401、对防尘罩190进行拆卸。

将气浮轴承100平放到拆装工作台上，再卸去防尘罩190与第一端盖150之间连接的螺钉，最后将防尘罩190从壳体110上取下。

S402、对第二端盖160进行拆卸。

将气浮轴承100竖直放在拆装工作台上，卸去第二端盖160与壳体110之间连接的螺钉，将第二端盖160从壳体上取下。

S403、对第一端盖150、止推轴承180、间隙调配垫170和主轴转子130进行拆卸。

对靠近壳体110的第二侧的径向轴承120进气孔进行供气，靠近第一端盖150侧的进气孔断气，卸去第一端盖150上的两个销钉，再卸去第一端盖150上与壳体110之间连接的螺钉，之后，依次将第一端盖150、止推轴承180、间隙调配垫170取下，最后，缓慢将主轴转子130取出。

S404：对径向轴承120进行拆卸

利用加热装置220对壳体110进行加热处理，同时利用冷却装置230对径向轴承120进行冷却处理，利用两种材料间的收缩率差异，使壳体110和径向轴承120之间产生间隙，将径向轴承120压出壳体110。

S405：对各节流器140进行拆卸。

利用加热装置220对径向轴承120进行加热处理，同时利用冷却装置230对各节流器140进行冷却处理，利用两种材料间的收缩率差异，使径向轴承120和节流器140之间产生间隙，将节流器140拉出径向轴承120。

本发明的提供的装配系统200，能够有效保证主轴转子130与径向轴承120表面的精度不被破坏，保证径向轴承120与主轴转子130的气膜间隙不被破坏，能够提高气浮轴承100的装配精度和加工精度，为纳米级精度气浮轴承100的开发和应用提供了基础。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

A10、如A1所述的系统，其中，所述第一安装模块基于15um至35um的过盈配合量将各所述节流器压固至所述径向轴承表面的节流孔中；第二安装模块基于15um至35um的过盈配合量将所述径向轴承嵌套至所述壳体内。A11、如A1所述的系统，其中，所述加热装置为加热电阻丝；所述冷却装置为液氮冷却装置。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。