[0001] 本发明涉及空气静压止推主轴技术领域，尤其涉及一种空气静压止推轴承及空气静压止推主轴结构。

[0002] 超精密气体静压主轴，利用空气轴承技术，以空气为气源介质，无机械接触，寿命及精度保持时间长。

[0003] 现有技术中，超精密气体静压主轴的回转运动精度的误差范围在0.05至0.01μm，只能采用空气静压结构才能够达到此级别的回转运动精度。常用的气体静压轴承分为球面
气体轴承、止推气体轴承和径向气体轴承。球面气体轴承在结构上同时具备径向气体轴承
和止推气体轴承的功能，可实现旋转运动。单独使用的止推气体轴承一般称为平面气体轴
承或者气浮垫，主要用于实现线性运动；单独使用的径向气体轴承一般称为气浮轴套，除了
转动外还可以实现沿轴向的滑动；径向气体轴承和止推气体轴承组合实现旋转运动，比如
各类超精密气浮主轴、高速气浮电主轴、精密气浮转台等。

[0004] 然而，现有的球面气体轴承、止推气体轴承和径向气体轴承存在着加工精度要求高且不易安装调整的缺陷。

[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳
动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0024] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领
域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

[0025] 在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第
一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或
仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”
可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特
征。

[0026] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性
表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可
以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领
域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征
进行结合和组合。

[0027] 现有技术概况

[0028] 气浮轴承又称空气轴承，其原理是利用节流高压空气产生的气膜对主轴轴杆进行支撑。由于其有非接触的特性，因此，气浮轴承（空气轴承）较传统轴承的精度提高数个量
级，且寿命长，污染小，速度快，但由于气体黏性较小，因此，气浮轴承刚性也相对较小。

[0029] 空气静压轴承常用的节流形式有小孔、狭缝和多孔质三种方式，高承载时也采用可变节流形式。通过对空气轴承的参数调整，将静压结构形式、节流方式参数和轴承压力、
间隙三者匹配得当，可获得精度高、流量小和工作稳定的空气静压轴承。而目前的小孔节流
方式、球面气体轴承结构及加工制造精度要求，主要存在以下3个问题。

[0030] 第一个问题，小孔节流方式的气膜均匀性不一致，且压缩空气的流量要求大。

[0031] 小孔节流，是通过小孔孔径的减小到达节制流量的目的。当前小孔φd直径在0.1mm至0.2mm之间时，这类小孔一般采用机械加工完成。然而，在机械加工过程中，小孔存
在孔径及孔长度的尺寸误差和小孔的形状误差。这些误差会导致作用在主轴轴杆的气膜均
匀性不一致。

[0032] 而依据伯努利方程，流体在稳定状态下遵循能量守恒关系，其数学形式可以表示为：
p+1/2ρv²+ρgh=C（constant）；
其中，P为流体压力，ρ为流体密度，v为流体流速，g为重力加速度，h为流体位置高
度。

[0033] 依据质量守恒定律，流体的流量必须保持不变。当流速增加时，流体通过小孔时，其压力必然会降低。为了维持主轴内流体的流速和压力，需增加小孔的数量，这就导致小孔
节流形式的主轴，对压缩空气的流量要求较大，即小孔节流主轴对应用环境的要求更高。

[0034] 第二个问题，球面气体轴承结构导致轴向、径向的精度无法精确分析，安装调整复杂。

[0035] 一般来说，轴承在完成旋转功能的同时，也要承受径向载荷和轴向载荷，也具备相应的径向精度和轴向精度。轴承结构、种类的不同，会决定轴承的设计制造及后期的安装调
整检测的最终效果。球面气体轴承，顾名思义为球面结构的轴承，轴承球面为其受力面，轴
承受合力的方向指向球心。依据机械受力的理论，合力可分解为径向力和轴向力，对应相应
的径向精度和轴向精度。正因为是合力分解的结果，导致无法准确的检测出轴向、径向力与
精度的具体数值；而且，在装配调整轴向、径向的预紧力与精度时，两个调整项会相互影响，
给安装调整带来很大的不确定性，需反复调整，增加时间成本。

[0036] 第三个问题，球面气体轴承零件的加工精度要求高，导致制造及时间成本过高。

[0037] 球面气体轴承零件的精度主要为半球轴承的端面和球面，端面作为简单的平面有多种方法使其达到较高的平面度和粗糙度，例如平磨，研磨等加工工艺方法，平面度和粗糙
度的检测仪器为通用的精度仪器。但是，半球轴承的球面则相对形状复杂，只能通过特制的
球面研具反复研磨成型，球面的轮廓精度和截面圆度等也需要相应的专用仪器检测。所以，
相对于止推轴承的平面和圆柱面的结构形式，球面气体轴承零件的加工检测难度更大，导
致制造及时间成本过高。

[0038] 针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种空气静压止推轴承及空气静压止推主轴结构。

[0039] 下面结合图1和图2描述本发明提供的空气静压止推轴承及空气静压止推主轴结构。

[0040] 参见图1所示，本发明实施例提供的空气静压止推轴承，包括：第一止推板1、第二止推板2、轴承芯轴3和节流组件。

[0041] 其中，轴承芯轴3的等一端与第一止推板1连接，轴承芯轴3的第二端与第二止推板2连接；节流组件包括进气件4，进气件4内设有进气通道（图中未示出），进气件4套设于轴承
芯轴3并位于第一止推板1和第二止推板2之间，进气件4与第一止推板1之间形成有第一气
隙5，进气件4与第二止推板2之间形成有第二气隙6，进气件4与轴承芯轴3之间形成有第三
气隙7；进气通道与第一气隙5、第二气隙6和第三气隙7均连通，以分别在第一气隙5、第二气
隙6和第三气隙7内充填气体形成静压压缩气膜。

[0042] 本发明提供的空气静压止推轴承，能够经进气件4的进气通道分别对第一气隙5、第二气隙6和第三气隙7内充填气体，形成静压压缩气膜，使得第一止推板1、第二止推板2和
轴承芯轴3形成的旋转体承受的轴向约束力和径向约束力能够抵消平衡。本发明提供的空
气静压止推轴承中，简单的平面、圆柱面支撑结构及简易的研磨工艺保证轴承零件容易达
到设计精度，精度要求为球面气体轴承零件精度要求的50%，相比这类空气轴承制造成本更
低。本发明提供的空气静压止推轴承，零部件数量少，简单平面、圆柱面的研磨工艺保证轴
承零件的精度合格，并且由于轴承芯轴3运动状态下的受力的结构特点，对超精密多孔质材
料毛细节流的空气静压止推主轴安装的位置精度要求也相应降低，第一止推板1、第二止推
板2的平行位置精度达到3μm即可，安装位置精度要求为球面气体轴承零件安装精度要求的
50%，相比这两类空气轴承对安装操作者的要求更低，同水平操作者的时间成本更低。

[0043] 具体而言，参见图1所示，本实施例中，轴承芯轴3沿竖向设置，对应地，第一止推板1和第二止推板2沿竖向间隔设置且相互平行。对进气件4的进气通道内通入气体时，气体能
够进入第一气隙5、第二气隙6和第三气隙7中形成静压压缩气膜，使第一止推板1承受向上
的推力F上，第二止推板2承受向下的推力F下，构成了轴承旋转体的轴向止推受力平衡，并
使轴承芯轴3承受沿各方向径向向内的推力F径，构成了轴承旋转体的径向圆周的力平衡。

[0044] 可以理解的是，在一些实施例中，轴承芯轴3也可以沿横向或者倾斜设置，根据实际工况进行具体布设，本发明对此不做具体限定。

[0045] 参见图1所示，根据本发明的一些实施例，节流组件还包括多孔质材料制成的第一布气件8、第二布气件9和第三布气件10，第一布气件8、第二布气件9和第三布气件10的进气
端面均与进气通道连通；第一布气件8的出气端面位于第一气隙5的一侧，第二布气件9的出
气端面位于第二气隙6的一侧，第三布气件10的出气端面位于第三气隙7的一侧。通过采用
多孔质材料制成的第一布气件8、第二布气件9和第三布气件10分别对第一气隙5、第二气隙
6和第三气隙7进行布气，能够保证布气均匀性，同时，采用多孔质材料制成的布气件对压缩
空气的流量要求低。

[0046] 具体而言，多孔质材料具有许多微小孔隙或孔道，压缩气体在流经多孔质材料后，能够自其出气端面均匀流出，从而使各气隙内气膜均匀性保持一致。

[0047] 参见图1所示，根据本发明的一些实施例，第一布气件8的进气端面沿径向间隔设有多个第一进气槽11，第一进气槽11与进气通道连通；第二布气件9的进气端面沿径向间隔
设有多个第二进气槽12，第二进气槽12与进气通道连通；第三布气件10的进气端面沿轴向
间隔设有多个第三进气槽13，第三进气槽13与进气通道连通。通过在第一布气件8的进气端
面沿径向间隔设置多个第一进气槽11，能够通过第一进气槽11对进气通道通入的压缩气体
汇聚于第一布气件8的不同位置，使压缩气体能够均匀地到达气隙的不同位置，从而进一步
提升气隙内气膜的均匀性。同样地，第二进气槽12和第三进气槽13的优点同上，不再赘述。

[0048] 具体而言，本实施例中，第一布气件8的进气端面沿径向间隔设有三个第一进气槽11，第二布气件9的进气端面沿径向间隔设有三个第二进气槽12，第三布气件10的进气端面
沿轴向间隔设有三个第三进气槽13。

[0049] 根据本发明的一些实施例，相邻第一进气槽11之间的间距相等，相邻第二进气槽12之间的间距相等，相邻第三进气槽13之间的间距相等。通过将各对应相邻进气槽等距设
置，能够确保从进气通道引入的压缩气体能够均匀地分布到布气件的各个部分和气隙内，
提高气膜的均匀性。

[0050] 参见图1所示，根据本发明的一些实施例，进气件4面向第一止推板1的一侧设有第一环形凹槽，第一布气件8嵌设于第一环形凹槽内；进气件4面向第二止推板2的一侧设有第
二环形凹槽，第二布气件9嵌设于第二环形凹槽内；第三布气件10套设于轴承芯轴3，进气件
4套设于第三布气件10，第三气隙7位于第三布气件10的出气端面与轴承芯轴3之间。通过在
进气件4的对应位置分别设置第一环形凹槽和第二环形凹槽，能够对第一布气件8和第二布
气件9提供对应的安装空间，防止布气件与止推板之间发生干涉，并且能够降低空气静压止
推轴承的占用空间。另外，通过将第三布气件10套设于轴承芯轴3，进气件4套设于第三布气
件10，能够对第三布气件10进行有效固定，使第三布气件10的出气端面能够正对第三气隙
7，布气效果好，且结构简单、紧凑。

[0051] 参见图1所示，根据本发明的一些实施例，第一止推板1与进气件4之间设有用于密封第一气隙5的第一密封环14。通过设置第一密封环14和第二密封环，能够对第一气隙5进
行密封，保证静压压缩气膜能够顺利形成。

[0052] 根据本发明的一些实施例，也可以在第二止推板2与进气件4之间设置用于密封第二气隙6的第二密封件，能够对第二气隙6进行密封，保证静压压缩气膜能够顺利形成。

[0053] 参见图1所示，根据本发明的一些实施例，第一止推板1与轴承芯轴3可拆卸连接，第二止推板2与轴承芯轴3可拆卸连接。通过将第一止推板1与轴承芯轴3、第二止推板2与轴
承芯轴3配置为可拆卸连接，能够使空气静压止推轴承更加灵活，能够根据需要对特定部件
进行维护、替换或调整，而无需更换或拆下整个装置。

[0054] 具体而言，本实施例中，第一止推板1与轴承芯轴3、第二止推板2与轴承芯轴3之间均采用螺钉连接，便于拆装。

[0055] 参见图2所示，本发明实施例提供的空气静压止推主轴结构，包括：壳体15、电机芯轴16、电机定子17、电机转子18和如上任一项的空气静压止推轴承；进气件4与壳体15连接，
电机定子17设于壳体15，电机芯轴16穿设于壳体15，电机转子18设于电机芯轴16并位于电
机定子17的内侧，电机芯轴16与第二止推板2连接。

[0056] 本发明提供的空气静压止推主轴结构工作时，壳体15、电机定子17和节流组件（包括进气件4、第一布气件8、第二布气件9和第三布气件10）保持固定，电机转子18带动电机芯
轴16转动，并带动由第一止推板1、第二止推板2和第三止推板形成的旋转体转动。通过进气
件4的进气通道分别对第一气隙5、第二气隙6和第三气隙7通入压缩气体，在第一气隙5、第
二气隙6和第三气隙7内形成静压压缩气膜，对旋转体进行浮空支撑，能够保证旋转体承受
的轴向约束力和径向约束力抵消平衡。

[0057] 参见图2所示，根据本发明的一些实施例，空气静压止推主轴结构还包括圆编码器19，圆编码器19包括本体和读数头，本体与读数头相对设置，本体设于电机芯轴16，读数头
设于壳体15。通过设置圆编码器19，能够测量电机芯轴16的旋转位置，将旋转角度或位置信
息转换成电子信号，从而实现精确的位置控制。

[0058] 参见图2所示，根据本发明的一些实施例，进气件4与壳体15可拆卸连接，电机芯轴16与第二止推板2可拆卸连接。通过将进气件4与壳体15配置为可拆卸连接，能够将壳体15
拆下，将其内部空间暴露，便于对其内部的零部件进行拆装、维护或更换。同时，通过将电机
芯轴16与第二止推板2配置为可拆卸连接，便于将电机芯轴16与转动体进行拆装。

[0059] 具体而言，本实施例中，进气件4与壳体15通过螺钉配置为螺纹连接，电机芯轴16与第二止推板2通过螺钉配置为螺纹连接，便于拆装，且连接稳定性好，连接精度高。

[0060] 另外，为避免运动系统应力变形，实现纳米级回转精度的旋转运动进给，本实施例中的各运动安装件均采用低热膨胀系数的钢材料。

[0061] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。