2.5 轴系
2.5.1 轴系的性能要求与分类
轴系由轴、轴承及安装在轴上的传动件组成。轴系的主要作用是传递扭矩及传递精确的回转运动。轴系分为主轴轴系和中间传动轴轴系。对中间传动轴轴系性能一般要求不高，而随着机电一体化技术的发展，主轴的转速越来越高，所以对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、抗振性及热变形等性能的要求较高。
（1）回转精度。回转精度是指在装配后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向和轴向圆跳动量。回转精度的大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度。主轴的回转误差对加工或测量的精度影响很大。在工作转速下，其回转精度取决于其转速、轴承性能以及轴系的动平衡状态。
（2）刚度。轴系的刚度反映轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。载荷为弯矩、转矩时，相应的变形量为挠度、扭转角，其刚度为抗弯刚度和抗扭刚度。设计轴系时除了对强度进行验算之外，还必须进行刚度验算。
（3）抗振性。轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动原因有轴系组件质量不匀引起的不平衡、轴单向受力等。振动直接影响旋转精度和轴承寿命。对高速运动的轴系必须以提高其静刚度、动刚度、增大轴系阻尼比等措施来提高抗振性。
（4）热变形。轴系受热会使轴伸长或使轴系零件间间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、回转精度及位置精度。另外，温度的上升会使润滑油的黏度降低，使静压轴承或滚动轴承的承载能力下降。因此应采取措施将轴系部件的温升限制在一定范围之内，常用的措施有将热源与主轴组件分离、减少热源的发生量、采用冷却散热装置等。
根据主轴轴颈与轴套之间的摩擦性质不同，机电一体化系统常用的轴系可以分为滚动轴承轴系、流体静压轴承轴系和磁悬浮轴承轴系，其特点如表2-2所示。
表2-2 常用轴承及特点
2.5.2 滚动轴承
滚动轴承是指在滚动摩擦下工作的轴承。轴承的内圈与外圈之间放入滚球、滚柱等滚动体作为介质。常见的滚动轴承按受力方向不同可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。
具体的形式如图2-39所示，其中向心轴承主要承受径向载荷，如深沟球轴承；推力轴承只承受轴向载荷，如推力球轴承；向心推力轴承能同时承受径向和轴向载荷，如圆锥滚子轴承。滚动轴承已标准化、系列化，并由轴承厂成批生产。在轴系设计时，只要根据负荷、转速、精度、刚度及空间大小等即可选用所需轴承。
图2-39 滚动轴承
a）深沟球轴承 b）推力球轴承 c）圆锥滚子轴承
近二三十年来，陶瓷球轴承逐渐发展兴起，并走上了工程应用。陶瓷球轴承的结构和普通滚动轴承一样。陶瓷球轴承分为全陶瓷轴承（套圈、滚动体均为陶瓷）和复合陶瓷轴承（仅滚动体为陶瓷，套圈为金属）两种，如图2-40所示。
陶瓷轴承具有以下特点：陶瓷耐腐蚀，适宜用于有腐蚀性介质的恶劣环境；陶瓷的密度比钢小，质量轻，可减少因离心力产生的动载荷，使用寿命大大延长；陶瓷硬度高，耐磨性高，可减少因高速旋转产生的沟道表面损伤；陶瓷的弹性模量高，受力弹性小，可减少因载荷大所产生的变形，因此有利于提高工作速度，并达到较高的精度。
图2-40 陶瓷球轴承
a）全陶瓷轴承 b）复合陶瓷轴承
2.5.3 流体静压轴承
流体静压轴承的工作原理和流体静压导轨相似。流体静压轴承也分为液体静压轴承和气体静压轴承。
（1）液体静压轴承
图2-41是广泛采用的液体静压轴承轴套的结构。在轴套的内圆面上，对称地开有4个矩形油腔2和回油槽3，油腔和回油槽之间的圆弧面4称为周向封油面，轴承两端面和油腔之间的圆弧面1称为轴向封油面。主轴装进轴套后，轴承封油面和主轴之间有一个适量的间隙。
液体静压轴承系统的工作原理如图2-42所示，液体静压轴承系统包括四部分；静压轴承、节流器、供油装置和润滑油。油泵未工作时，油腔内没有油，主轴压在轴承上。油泵起动以后，从油泵输出的具有一定压力的润滑油通过各个节流器进入对应的油腔内，由于油腔是对称分布的，若不计主轴自重，主轴处于轴承的中间位置，此时，轴与轴承之间各处的间隙（h0）相同，各油腔的压力（pr）也相等。主轴表面和轴承表面被润滑油完全隔开，轴承处于全液体摩擦状态。
图2-41 液体静压轴承轴套的结构
1—轴向封油面 2—油腔 3—回油槽 4—周向封油面
当主轴受到向下的外加载荷时，主轴向油腔1的方向产生微小位移e，这时油腔1的间隙减少，变为h0-e，封油面上润滑油流动的阻力增大，从油腔1经封油面流出的流量减少。根据流量连续定律，从供油系统流经节流器1进入油腔1的流量也减少，因而流过节流器1时产生的压力降减少，油腔1的压力变大，从pr1变为p′r1。油腔3的间隙变大，变为h0+e，从油腔3经封油面流出的流量增大。根据流量连续定律，从供油系统流经节流器3进入油腔3的流量也增大，因而流过节流器3时产生的压力降增大，油腔3的压力变小，从pr3变为p′r3。设油腔的有效承载面积为Ae，则油腔1和油腔3压差形成的合力Ae×（p′r1-p′r3）即为轴承的承载力，以平衡外加载荷。使主轴稳定在偏心量e的位置上，选择合适的轴承参数和节流器参数，可以使e的值很小，例如在几微米内就可产生足够大的承载力来平衡外加载荷。
（2）气体静压轴承
气体静压轴承的工作原理和液体静压轴承相同。液体静压轴承的转速不宜过大，否则润滑油发热较严重，使轴承结构产生变形，影响精度，而气体的黏度远小于润滑油，气体静压轴承的转速可以很高。并且空气具有不需回收、不污染环境的特点。气体静压轴承主要用于超精密机床、精密测量仪器、医疗器械等场合，例如牙医使用的牙钻，其转速高达4×105r/min。
图2-42 液体静压轴承的工作原理
2.5.4 磁悬浮轴承
磁悬浮轴承是利用电磁力，将被支承件稳定悬浮在空间，使支承件与被支承件之间没有机械接触的一种高性能机电一体化轴承。图2-43所示为磁悬浮轴承的工作原理图，磁悬浮轴承由控制器、功率放大器、转子、定子和传感器组成，工作时通过传感器检测到转子的偏差信号，通过控制器进行调节并发出信号，然后采用功率放大器控制线圈的电流，从而控制线圈产生的磁场以及作用在转子上的电磁力，使其保持在正确的位置上。图2-44是其实物照片。
图2-43 磁悬浮轴承的工作原理
1—控制器 2—功率放大器 3—转子 4—定子 5—传感器
图2-44 磁悬浮轴承
1—定子（外圈） 2—磁极 3—转子（内圈）
磁悬浮轴承具有以下优点：无机械接触，无磨损，理论上寿命为无限长；高转速、高精度；功耗低，为普通轴承的1/10～1/100；无需润滑，不污染环境，可应用于真空等特殊环境。缺点是需要较大强度的电场。