CN100595541C - 力及位移量的气浮式测量方法 - Google Patents

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Abstract

力及位移量的气浮式测量方法,其特征是设置浮动体,并设置以气流支撑浮动体的气浮系统,通过测量气浮系统中的气体压力、流量或流速信号获得作用在浮动体上的外力或在所述外力作用下的浮动体的位移量,所述气浮系统中的压力、流量及流速与所述作用于浮动体上的被测外力或在所述外力作用下的浮动体的位移量之间一一对应的关系通过实验标定的方法进行确定。本发明方法的实施能有效避免多维力作用时的维间耦合、准确实施多维力测量,能够使气体轴承同时作为力及位移量传感器。

Description

力及位移量的气浮式测量方法 技术领域

本发明涉及一种力及位移量的测量方法。

背景技术

目前,气浮技术的应用主要在气体轴承中,气体轴承作为气浮系统"承载"功能的应用 取得了极大的成功。但是,气体轴承只能用于承受载荷,而不能测量浮动体所受载荷的大小 以及浮动体的位移量。

现有的测力方式包括应变片式、压电元件式、差动变压器式、电容位移式等。但是对于 多维力的测量,此类测量方法不可避免地存在有维间耦合,解耦设置不仅结构复杂,而且无 法实现完全的解藕,各种解耦方法都只是在一定精度上减少耦合的影响。

迄今为止,利用气力浮动实现力及位移量测量的方法还没有相关报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,提供一种能有效避免多维力作用时的 维间耦合、准确实施多维力测量,能够使气体轴承同时作为力及位移量传感器的力及位移量 的气浮式测量方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案:

本发明力及位移量的气浮式测量方法的特点是设置浮动体,并设置以气流支撑浮动体的 气浮系统,通过测量气浮系统中的气体压力、流量或流速信号获得作用在浮动体上的外力或 在所述外力作用下的浮动体的位移量,所述气浮系统中的压力、流量及流速与所述作用于浮 动体上的被测外力或在所述外力作用下的浮动体的位移量之间一一对应的关系通过实验标 定的方法进行确定。

本发明气浮式测量方法的特点也在于所述气浮系统的设置包括与气源相通的气流通道、 设置在气流通道中的测压腔地、形成在浮动体支承面上的承压腔、在测压腔与承压腔之间设 置节流器件;测量气浮系统中的气体压力、流量或流速信号是测量气浮系统中承压腔或测压 腔的压力信号,以及测量流入节流器件的气体流量或流速信号。

与已有技术相比,本发明的有益效果体现在-

1、 本发明方法为非接触测量方式,能有效避免多维力作用时维间耦合带来的误差,提 高测量精度,准确实施一维力测量。

2、 本发明方法可以用于气体轴承,使气体轴承不但能承受载荷,而且可实时自主检测 负载的大小、位移和振动情况,使得气体轴承兼有力及位移量传感器的功能。3、本发明方法可以得到广泛应用,包括通过对气体轴承自身工作运转情况的实时监测, 及时发现故障和隐患;在精密切削加工生产中,可以通过气浮主轴或气浮导轨实时检测切削 力的变化,从而对刀具工况进行实时监测。

附图说明

图1为本发明方法具体实施方式原理示意图。 图2为图1所示具体实施方式立面结构示意图。 图3为图1所示具体实施方式平面结构示意图。 图4为图1所示具体实施方式中喷嘴档板原理示意图。 图5为本发明方法中气浮测量原理图。

图l、图2、图3及图4中的标号:l矩形浮板、la浮板顶面、lb浮板底面、lc浮板左 面、ld浮板右面、le浮板前侧、1f浮板后侧、2a顶面喷嘴、2b底面喷嘴、2c左侧喷嘴、2d 右侧喷嘴、2e前侧喷嘴、2f后侧喷嘴、3工作台、4喷嘴支架、5进气口、 6承压腔、7测压 口、 51浮板、52节流器件、53承压腔、54测压腔、

以下通过具体实施方式,结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图5,设置浮动体为浮板51,并设置以气流支撑浮板51的气浮系统,气浮系统是 由与气源相通的节流器件52与浮板51的表面形成承压腔53,在节流器件52的尾部设置测 压腔54;以承压腔53或测压腔54的压力信号为检测输出信号,或以节流器件52的流量或 流速信号为检测输出信号。各检测输出信号与作用于浮板51上的被测外力以及在外力作用 下的浮板51的位移量一一对应,其对应关系通过实验标定的方法进行确定。

参见图l,为实现六维力的测量,本实施例中设置六面体矩形浮板l,对应于矩形浮板l 的每一个面,分别设置喷嘴,以各喷嘴与矩形浮板1相对应的面构成喷嘴挡板式压力传感器, 并且,作为挡板的矩形浮板1在各喷嘴气压的作用下完全悬浮,以各喷嘴的气腔压力信号为 检测输出信号。

参见图2、图3和图4,具体实施中的相应设置为-

在浮板顶面la和浮板底面lb的四角位置上,各有一只喷嘴,在浮板左面lc、浮板右面 ld、浮板前侧le和浮板后侧lf的每个面上,位于两端各有一只喷嘴,即共有四只顶面喷嘴 2a、四只底面喷嘴2b、两只左侧喷嘴2c、两只右侧喷嘴2d、两只前侧喷嘴2e和两只后侧喷 嘴2f,所有各喷嘴的轴线与对应作为其挡板的矩形浮板1的板面相垂直。如图2和图3所示,设置矩形浮板1相对的两个面中对应位置上的两只喷嘴处在同一轴 线位置上,以处在同一轴线位置上的两个喷嘴的气腔压力之差作为差动测量的检测信号。 测量方式如下-

通过矩形浮板1的中心0建立坐标系如图1所示。顶面喷嘴2a和底面喷嘴2b的作用力 与Z轴平行,其它各喷嘴的作用力在XOY平面内,且分别与X轴和Y轴平行。

设:作用在矩形浮板1上的外力分解为沿各坐标轴的分力Fx、 Fy、 Fz、及绕各坐标轴 的力矩Mx、 My、 Mz;浮板每个拐角处与坐标轴平行的三个喷嘴作用于浮板上的浮力交汇 于一点,四个拐角处的交汇点分别为A、 B、 C、 D;在坐标系中,A、 B、 C、 D各点的坐标 分别为A (1/2,-1/2,0)、 B (1/2,1/2,0)、 C (-1/2,-1/2,0)、 D (-1/2,1/2,0);作用在矩形浮板上的外 力引起的各喷嘴作用在浮板上的力的变化量分别为-.

A点:Fax (X轴方向)、Fay (Y轴方向)、Faz+ (Z轴正方向)、Faz- (Z轴负方向); B点:Fbx (X轴方向)、Fby (Y轴方向)、Fbz+ (Z轴正方向)、Fte- (Z轴负方向); C点:Fcx (X轴方向)、Fey (Y轴方向)、FcZ+ (Z轴正方向)、Fez— (Z轴负方向); D点:Fdx (X轴方向)、Fdy (Y轴方向)、Fdz+ (Z轴正方向)、Fdz— (Z轴负方向);

则各组喷嘴浮力之差为- Fcax=Fcx—Fax Fdbx=Fdx—Fbx Faby=Fay — Fby Fcd产Fcy—Fdy Fa2= Faz+—Faz— Fbz= Fbz+—Fbz— Fcz= Fcz+—Fez— Fdz二 Fdz+—Fdz— 于是:

Fx= 一(Fcax + Fdbx) (1)

F产一(Faby + Fcdy) (2)

Fz= —(Faz+Fbz+Fra+Fdz) (3)

Mx=(Faz+Fcz—Fte—Fdz) 1/2 (4)

My= (Faz+Fbz—Fcz—Fdz) 1/2 (5)

Mz= (Fdbx—Fcax+Fcdy—Faby) 1/2 (6)具体实施中,在工作台3上设置喷嘴支架4,四只底面喷嘴2b固定设置在工作台3的 台面上,其它各喷嘴均设置在喷嘴支架4上。

图4所示是由喷嘴和浮板对应的板面所构成的压力传感器。工作时,恒定压力的压縮空 气通向各个喷嘴的进气口 5,浮板l被完全浮起,在喷嘴与挡板之间形成承压腔6,通过承 压腔的测压口 7可以测量出承压腔6的气体压力。如果在浮板1上作用一个外力,将会引起 各个压力传感器的承压腔压力变化,根据每个承压腔气压变化量,即可按上式计算出作用在 浮板上的沿各坐标轴的分力Fx、 Fy、 Fz、及绕各坐标轴的力矩Mx、 My、 Mz。

Claims (1)

1、一维力及位移量的气浮式测量方法,其特征是设置浮动体,并设置以气流支撑浮动体的气浮系统,通过测量气浮系统中的气体压力、流量或流速信号获得作用在浮动体上的外力或在所述外力作用下的浮动体的位移量,所述气浮系统中的压力、流量及流速与所述作用于浮动体上的被测外力或在所述外力作用下的浮动体的位移量之间一一对应的关系通过实验标定的方法进行确定;所述气浮系统的设置包括与气源相通的气流通道、设置在气流通道中的测压腔地(54)、形成在浮动体支承面上的承压腔(53)、在所述测压腔(54)与承压腔(53)之间设置节流器件(52);所述测量气浮系统中的气体压力、流量或流速信号是测量所述气浮系统中承压腔(53)或测压腔(54)的压力信号,以及测量流入节流器件(52)的气体流量或流速信号。
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