一种柔性回转轴承制造技术

本实用新型专利技术公开了一种柔性回转轴承，内扭转管（１）同轴嵌套在外扭转管（２）内并一端固接连接，内扭转管（１）和外扭转管（２）另一端分别为能与其它设备连接的安装端，外扭转管（２）和内扭转管（１）上沿轴向加工出多段相同（或不同）长度的扭转节。扭转节由多片沿圆周均布轴向设置的柔性片（薄片）组成，各段扭转节之间留有一定厚度的环形连接实体将各扭转节依次联接起来。柔性片为径向平面设置于所述的环形连接实体之间，且其数量为偶数并沿周向轴对称分布。本实用新型专利技术回转运动精度和重复回转运动精度高，运动平稳，工作时无需润滑，结构紧凑，对灰尘不敏感，抗腐蚀能力强，使用成本较低，适合在微小型精密设备（如微加工机床、微型测量设备）当中用来取代传统的回转轴承，以达到提升设备性能、降低使用和维护成本等目的。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种轴承，特别是涉及--种柔性回转轴承。
技术介绍
回转精度是精密设备的关键性能指标之--，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 照童复性来区分，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 至lj 5nm左右(参见Hii K F， Vallance R R， Grejda R D， et al. Error Motion of a Kinematic 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lnm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O.lpm，若各滚动体的尺 寸相同，则要求其几何形状误差小于0.07 0.08^m并进行预加负荷(参 见薛实福，李庆杼.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O.lpm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lnm以下的回转运动精度也是不可能的。同时，传统轴承在尺寸小型化之后，其回转性能(如回转精度、刚 度、稳定性等)也将随之急剧下降。对于滑动轴承，当其尺寸小到一定 程度之后，相对滑动的面积很小，误差均化作用(要求有一定的滑动面 积)几乎丧失，其回转精度和刚度将急剧下降，因此目前许多高性能的 滑动轴承(如空气静压轴承、液体动/静压轴承)尺寸- -般均相对较大。 在许多已经开发出来的微型设备中普遍采用微小型滚动轴承(如角接触 球轴承、深沟球轴承)，其主轴回转精度通常为lnm 5pm(参见王文瑞.微 型工具机技术探讨.机械工业(台湾)，2006(3): 17-27)，静态刚性小于10N/nm， 与常规尺寸精密设备(如超精密加工机床)的回转精度相去甚远。这是 由于滚动轴承尺寸越小，摩擦系数增加，使轴承回转困难；同时滚动轴 承的承载能力随滚动体直径的平方(d2)成正比，d越小，滚动休的刚 性越差，变形也变大。另外，当轴承的尺寸进一步微型化至更小范围时(如特征尺寸在 微纳米量级的微机械、纳米机械)，传统轴承的回转性能将进一歩受到 影响。因为当尺寸缩小到-定范围时，其物理性能将发生质的变化。力 的尺寸效应和表面效应在微观领域起着重要的作用。随着尺寸的减小，与特征尺寸L的高次幂成比例的力的作用相对减小(如惯性力、重力等)， 而与尺寸的低次幂成比例的力的作用相对增大，表面积与体积之比相对增大，因此，微型轴承在微小尺寸下的摩擦学性能与宏观条件T的性能存在明显的差异。而传统轴承就其工作原理来说，不是相对滚动就是相 对滑动，因此不可避免地存在滚动摩擦或滑动摩擦，在微小的尺度范围 之下，根据尺度效应(尺寸效应)的原理，摩擦的影响将比常规尺寸时 显著增加，导致传统轴承的回转性能随轴承尺寸的减小而急剧下降。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种回转运动精度和重复 回转运动精度高，运动平稳，工作时无需润滑，结构紧凑，对灰尘不敏 感，抗腐蚀能力强，使用成本较低的柔性回转轴承。为了解决上述技术问题，本技术提供的柔性回转轴承，内扭转 管同轴嵌套在外扭转管内并在--端固接连接，所述的内扭转管和外扭转 管另一端分别为能与其它设备连接的安装端，所述的外扭转管和内扭转 管上沿轴向加工出多段长度相同或不同的扭转节，所述的扭转节由多片 沿圆周均布轴向设置的柔性片组成，各段扭转节之间留有--定厚度的环 形连接实体将各扭转节依次联接起来。所述的柔性片为径向平面设置于所述的环形连接实体之间，且其数 量为偶数并沿周向轴对称布置。采用上述技术方案的柔性回转轴承，虽然在原理上柔性回转轴承可 以设计成完全整体式的结构，但考虑到加工的可行性，将其设计成内、 外扭转管两部分，它们相互嵌套并在一端固定连接。内、外扭转管是由 若干个相同的基本扭转节单元(尺寸大小不同的内、外扭转节)轴向串 联之后组成的整体式结构，整体式的扭转管结构可以避免装配应力和因 粘结等所可能造成的结构蠕变现象，而且使结构更为紧凑。内、外扭转管设计成一体化加工而成的整体式结构，可以省却装配， 减少了装配误差，避免了装配应力的产生。每个扭转节在其周向均布本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性回转轴承，其特征是：内扭转管（１）同轴嵌套在外扭转管（２）内并在一端固接连接，所述的内扭转管（１）和外扭转管（２）另一端分别为能与其它设备连接的安装端，所述的外扭转管（２）和内扭转管（１）上沿轴向加工出多段长度相同或不同的扭转节，所述的扭转节由多片沿圆周均布轴向设置的柔性片组成，各段扭转节之间留有一定厚度的环形连接实体（５）将各扭转节依次联接起来。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张璧，罗红平，周志雄，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：实用新型
国别省市：43[中国|湖南]