[发明专利]一种柔性回转轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴承，特别是涉及一种柔性回转轴承。

背景技术

回转精度是精密设备的关键性能指标之一，精密工程的许多应用场合，如各种精密测量设备当中的精密回转工作台(如圆度仪等)、精密加工设备和微-纳米加工装置中的回转主轴、各种精密位姿调整装置(如生物医疗中的微操作机器人)中的回转手臂等，都对回转运动提出了很高的精度要求。

回转精度的关键在于其所使用的轴承。目前发展的传统精密回转轴承主要分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滑动轴承包括普通滑动轴承、空气静压轴承、液体动/静压轴承、磁力轴承等。滚动轴承包括滚珠(球)轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承等。轴承的回转精度(包含径向跳动误差、轴向窜动误差和倾角摆动误差三种基本型式)受到加工、装配、温度变化、润滑剂变化、磨损、弹性变形等因素的影响。按照重复性来区分，轴承的回转运动误差包含异步回转误差(主轴转动的每一圈内各不相同的回转误差分量)和同步回转误差两种分量。目前使用传统精密轴承支撑的主轴系统尚不能实现纳米级以上的回转运动精度要求，成为限制许多极限加工(如：超精密加工、微细加工)和精密测量等领域进一步发展的技术瓶颈。

根据工作原理，滑动轴承依靠运动副(即：轴与轴套)间的相对滑动来支撑转动零部件。因此滑动轴承所支撑主轴的回转精度(轴心偏移)主要是由轴和轴套之间的间隙所造成的。目前回转精度最高的是空气静压轴承。在空气静压轴承的主轴系统中，轴与轴套之间由空气压力膜隔开而不直接接触，由于空气的粘度小、流动性很好，在很小的轴承间隙内，因空气压力薄膜所具有的误差均化效应，主轴回转的径向跳动误差可以比轴颈和轴套孔的最后加工误差小得多(可达轴颈圆度误差的1/3～1/10，轴套圆度误差的1/100)，相对于滚动轴承可以把回转精度提高两个数量级。但是，要形成空气压力膜，间隙就不可能无限减小，同时受轴和轴颈加工精度及表面粗糙度等的限制，间隙具有一定的下限。因此，由于间隙的存在，轴承不可避免地存在一定的异步回转误差(不可重复误差NRRO，non-repetitive run-out)分量，且该异步回转误差也具有一定的下限。目前高性能空气轴承和液体轴承主轴的异步回转误差可以达到5nm左右(参见：Hii K F，Vallance R R，Grejda R D，et al.Error Motion of aKinematic Spindle.Precision Engineering，2004，28：204-217)，因此5nm的回转运动误差已经接近这种轴承回转精度的极限(即：回转运动误差的性质几乎全部为异步回转误差分量，而同步回转误差已被完全消除)。因此，利用传统的空气静压轴承等滑动轴承来实现1nm以下的回转运动精度，从原理上来讲基本上是不可能实现的。

滚动轴承主轴系统依靠主要元件间的滚动接触(如：滚动体与轴承内、外圈之间的滚动接触)来支撑转动零件，因此是无间隙转动，避免了因间隙而造成的轴心偏移，但由于轴套、主轴轴颈及滚动体有形状误差，特别是滚动体有尺寸差时，主轴回转将产生有规律的位移，同时，滚动接触时，各滚动体与轴、轴套之间由于接触位置和受力大小的不同，其所产生的变形也有所不同，(由于球轴承中球的形状并不是标准的球体，球的大小也并不是绝对相等，在预加载荷作用下球和滚道均有轻微的变形，而且在球轴承中球和内外滚道直接接触，球和内外滚道上的任何损伤均会使主轴偏离原来位置，造成随机的不可重复误差)。因此，在一定的时间内，主轴轴心位移量和位移方向会不断发生变化(“漂移”现象)。对于滚动轴承，要使主轴回转精度达到0.1μm，若各滚动体的尺寸相同，则要求其几何形状误差小于0.07～0.08μm并进行预加负荷(参见：薛实福，李庆祥.精密仪器设计.北京，清华大学出版社，1991)。因此，从加工条件来讲，要想从提高滚动体，主轴轴颈和轴套精度的角度来达到0.1μm以上的主轴回转精度是非常困难的。滚动轴承从工作原理上来讲，要实现1nm以下的回转运动精度也是不可能的。