CN106768828B - 一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统 - Google Patents

Abstract

一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统，气体静压主轴位于环形调节器上方且与环形调节器同轴安装；水平调节器与竖直调节器互相垂直固定，且安装于环形调节器上方，绕环形调节器做圆周运动；激光发射头固定于水平调节器上，做水平方向移动；高速摄像机固定于竖直调节器上，做竖直方向移动；像差矫正器安装于高速摄像机前部；激光发射头通过光缆连接于激光发生器，激光头发射平面激光，激光发生器通过电缆连接于激光控制器；激光控制器通过电缆连接于工控机；高速摄像机通过电缆连接于工控机；气源通过气管依次连接气源处理器、示踪粒子混合器、气体静压主轴；示踪粒子回收装置安装于气体静压主轴外侧。

Description

一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统

技术领域

本发明涉及一种气体流场的测试系统，尤其涉及种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统。

背景技术

气体静压主轴具有高速度、高精密、低摩擦、耐高低温、少污染等优点，在高端机床装备、精密测量仪器、空间惯性技术等诸多高科技领域有着广泛应用，尤其是作为超精密切削机床的一类典型关键部件，对于保证机床加工精度具有不可替代的作用。相比于其他类型主轴，气体静压主轴的一个重要结构特征是采用压力气膜作为工作介质(即气体轴承)，气体轴承的静动态特性对于主轴综合性能具有重要影响，一定程度上直接决定了主轴回转精度，而气膜流场特性(包括气体流动状态、速度场和压力场分布等)直接影响了气体轴承的静动态特性。关于气膜流场特性，目前国内外学者主要采用数值分析、有限元仿真等手段对其进行研究分析，而实验研究非常缺乏，主要原因是气膜流场的测试难度较大且缺乏有效的测试系统。关于气体静压主轴气膜流场的测量，若采用接触式测试装置或系统，其设备维护相对不便，且无法实现真正的无扰测试，而非接触式测试可以避免上述问题。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺陷，提供一种高效、便捷且测试范围广的非接触式超精密气体静压主轴气膜流场测试系统，以实现气体静压主轴气膜流场的无扰测试及相应的实验研究。

本发明所述的一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统，其特征在于：包括气体静压主轴、环形调节器、水平调节器、竖直调节器、激光发射头、高速摄像机、像差矫正器、气源、气源处理器、示踪粒子混合器、激光发生器、激光控制器、工控机以及示踪粒子回收装置，所述的气体静压主轴位于环形调节器上方且与环形调节器同轴安装；所述的水平调节器与竖直调节器互相垂直固定，且安装于环形调节器上方，绕环形调节器做圆周运动；所述的激光发射头固定于水平调节器上，做水平方向移动；所述的高速摄像机固定于竖直调节器上，做竖直方向移动；所述的像差矫正器安装于高速摄像机前部；所述的激光发射头通过光缆连接于激光发生器，激光头发射平面激光，照射气体静压主轴气膜流场的某一平面，形成一个测试平面，高速摄像机对测试平面进行拍摄；所述的激光发生器通过电缆连接于激光控制器；所述的激光控制器通过电缆连接于工控机；所述的高速摄像机通过电缆连接于工控机；所述的气源通过气管依次连接气源处理器、示踪粒子混合器、气体静压主轴；

所述的环形调节器包括环形导轨和安装在环形导轨上可沿环形导轨滑动的第一滑块；所述的水平调节器固定于第一滑块上；所述的水平调节器包括水平固定板，水平滑块，水平粗调旋钮和水平细调旋钮；所述的水平粗调旋钮控制水平滑块在水平固定板上快速水平滑动，所述的水平细调旋钮控制水平滑块在水平固定板上慢速水平滑动；所述的竖直调节器固定于水平固定板上；所述的竖直调节器包括竖直固定板、竖直滑块、竖直粗调旋钮，竖直细调旋钮，所述的竖直粗调旋钮控制竖直滑块在竖直固定板上快速竖直滑动，所述的竖直细调旋钮控制竖直滑块在竖直固定板上慢速竖直滑动。

所述的气体静压主轴包括上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、气室外套，所述上止推盘、下止推盘分别与所述主轴的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套的凹腔；所述轴套套在所述主轴外部，所述轴套与凹腔之间的间隙作为气膜的容纳腔；所述轴套的外壁设有用于容纳气室外套的凹槽，所述轴套外部套装所述气室外套，并且所述凹槽的上下槽壁分别与所述气室外套上下两端面密封固接；所述轴套设有轴向节流孔、径向节流孔，所述轴向节流孔和径向节流孔贯穿凹槽的槽壁，轴向节流孔和径向节流孔与凹槽内腔连通；所述的气室外套设有连接示踪粒子混合器的进气口；所述的上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、气室外套均采用透明材质；

进一步，示踪粒子回收装置安装于气体静压主轴气膜的出气口外侧；所述的示踪粒子回收装置为一环形套，上部有出气孔，环内侧与气体静压主轴气膜出气口相通；示踪粒子回收装置采用透明材料。

本发明采用的技术方案是：气体静压主轴工作时，轴套、气室外套处于静止状态，上止推盘、主轴、下止推盘处于旋转状态。气源产生的高压气体经过气源处理器的过滤和干燥之后，通过示踪粒子混合器，将示踪粒子与高压气体均匀混合，通过气室外套的进气口穿过节流孔在上止推盘、主轴、下止推盘与轴套之间形成气膜，从而使气体静压主轴保持稳定。

高压气体经过干燥和过滤后，通过示踪粒子混合器将其均匀混入示踪粒子；示踪粒子随高压气体通过气室外套的进气口和轴套的节流孔进入气膜流场；通过安装在水平调节器上的激光发射头发射平面激光照射气体静压主轴气膜流场的某一平面，形成一个测试平面，通过安装在竖直调节器上的高速摄像机对测试平面进行拍摄；通过位于高速摄像机前方的像差矫正器对光路进行矫正，消除轴套和气室外套对光路产生的影响；通过工控机将高速摄像机多次拍摄得到的图片进行分析处理，得到示踪粒子的运动速度和运动轨迹，通过分析最终获得气体静压主轴的气膜流场分布情况；

通过位于气体静压主轴下方的环形调节器调节激光发射头和高速摄像机相对于气体静压主轴的相对位置，通过水平调节器调节激光发射器相对气体静压主轴的相对截面，通过竖直调节器调节高速摄像机相对气体静压主轴的相对高度，从而实现对气体静压主轴不同径向位置、不同截面、不同轴向位置的气膜流场的测量；

通过安装在气体静压主轴气膜外侧的示踪粒子回收装置，将气膜内随高压气体喷出的示踪粒子进行回收，示踪粒子回收装置通过出气孔与外部大气连通；由于高压气体进入示踪粒子回收装置后气压迅速下降，示踪粒子通过自身重力掉落到示踪粒子回收装置内，气体通过出气孔进入大气，示踪粒子不随气体一同进入大气。

本发明的有益效果在于：

(1)可实现气体静压主轴气膜流场的高效测试。

(2)测试范围广，使用便捷；

(3)测试过程无干扰，可靠性高，系统维护方便。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图示意图。

图2是本发明结构俯视图。

图3是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统，包括气体静压主轴01、环形调节器02、水平调节器03、竖直调节器04、激光发射头05、高速摄像机06、像差矫正器07、气源08、气源处理器09、示踪粒子混合器10、激光发生器11、激光控制器12、工控机13以及示踪粒子回收装置14，所述的气体静压主轴01位于环形调节器02上方且与环形调节器02同轴安装；所述的水平调节器03与竖直调节器04互相垂直固定，且安装于环形调节器02上方，可绕环形调节器02做圆周运动；所述的激光发射头05固定于水平调节器03上，可做水平方向移动；所述的高速摄像机06固定于竖直调节器04上，可做竖直方向移动；所述的像差矫正器07安装于高速摄像机06前部；所述的激光发射头05通过光缆连接于激光发生器11，激光发射头05发射平面激光，照射气体静压主轴气膜流场的某一平面，形成一个测试平面，高速摄像机06对测试平面进行拍摄；所述的激光发生器11通过电缆连接于激光控制器12；所述的激光控制器12通过电缆连接于工控机13；所述的高速摄像机06通过电缆连接于工控机13；所述的气源08通过气管依次连接气源处理器09、示踪粒子混合器10、气体静压主轴01；所述的示踪粒子回收装置14安装于气体静压主轴01外侧。

所述的环形调节器02包括环形导轨021和安装在环形导轨021上可沿环形导轨021滑动的第一滑块022；所述的水平调节器03固定于第一滑块022上；所述的水平调节器03包括水平固定板031，水平滑块032，水平粗调旋钮033和水平细调旋钮034；所述的水平粗调旋钮034控制水平滑块032在水平固定板031上快速水平滑动，所述的水平细调旋钮034控制水平滑块032在水平固定板031上慢速水平滑动；所述的竖直调节器04固定于水平固定板上031；所述的竖直调节器04包括竖直固定板041、竖直滑块042、竖直粗调旋钮043，竖直细调旋钮044，所述的竖直粗调旋钮043控制竖直滑块042在竖直固定板041上快速竖直滑动，所述的竖直细调旋钮044控制竖直滑块042在竖直固定板041上慢速竖直滑动。

所述的气体静压主轴01包括上止推盘011、主轴012、下止推盘013、轴套014、气室外套015，所述上止推盘011、下止推盘013分别与所述主轴012的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套的凹腔；所述轴套014套在所述主轴012外部，所述轴套014与主轴012之间的间隙作为气膜的容纳腔；所述轴套014的外壁设有用于容纳气室外套015的凹槽，所述轴套014外部套装所述气室外套015，并且所述凹槽的上下槽壁分别与所述气室外套015上下两端面密封固接；所述轴套014设有节流孔0141，所述的气室外套015设有进气口0151；所述的上止推盘011、主轴012、下止推盘013、轴套014、气室外套015均采用透明材质；

所述的示踪粒子回收装置14为一环形套，上部有若干出气孔141，环内侧与气体静压主轴气膜的出气口相通；示踪粒子回收装置14为透明材料。

本发明的构思为：气体静压主轴01工作时，轴套014、气室外套015处于静止状态，上止推盘011、主轴012、下止推盘013处于旋转状态。气源08产生的高压气体经过气源处理器09的过滤和干燥之后，通过示踪粒子混合器10，将示踪粒子与高压气体均匀混合，通过气室外套015的进气口0151穿过轴向节流孔0141、径向节流孔在上止推盘011、主轴012、下止推盘013与轴套014之间形成气膜，从而使气体静压主轴01保持稳定。

高压气体经过干燥和过滤后，通过示踪粒子混合器10将其均匀混入示踪粒子；示踪粒子随高压气体通过气室外套015的进气口0151和轴套014的轴向节流孔0141和径向节流孔进入轴套014与主轴012之间的间隙，形成气膜；通过安装在水平调节器03上的激光发射头05发射平面激光，照射透明的气体静压主轴01气膜流场的某一平面，形成一个测试平面，通过安装在竖直调节器04上的高速摄像机06对测试平面进行拍摄；通过位于高速摄像机06前方的像差矫正器07对光路进行矫正，消除轴套014和气室外套015对光路产生的影响；通过工控机13将高速摄像机06多次拍摄得到的图片进行分析处理，得到示踪粒子的运动速度和运动轨迹，通过分析最终获得气体静压主轴01的气膜流场分布情况；

通过位于气体静压主轴01下方的环形调节器02调节激光发射头05和高速摄像机06相对于气体静压主轴01的位置，通过水平调节器03调节激光发射器05相对气体静压主轴01的截面，通过竖直调节器04调节高速摄像机06相对气体静压主轴01的高度，从而实现对气体静压主轴01不同径向位置、不同截面、不同轴向位置的气膜流场的测量；

通过安装在气体静压主轴01气膜外侧的示踪粒子回收装置14，将气膜出气口随气体一起流出的示踪粒子进行回收，示踪粒子回收装置14通过出气孔141与外部大气连通；由于高压气体进入示踪粒子回收装置14后气压迅速下降，示踪粒子通过自身重力掉落到示踪粒子回收装置14内，气体通过出气孔141进入大气，示踪粒子不随气体一同进入大气。

实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于：由图3所示，将所述的激光发射头05安装在竖直调节器04上，将高速摄像机06和像差矫正器07安装在水平调节器03上，从而对气体静压主轴01进行轴向的拍摄，通过工控机13将高速摄像机06多次拍摄得到的图片进行分析处理，最终获得气膜轴向流场分布情况。

本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思所实现形式的部分列举，本发明的保护范围不应当仅局限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围及于本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统，其特征在于：包括气体静压主轴、环形调节器、水平调节器、竖直调节器、激光发射头、高速摄像机、像差矫正器、气源、气源处理器、示踪粒子混合器、激光发生器、激光控制器、工控机以及示踪粒子回收装置，所述的气体静压主轴位于环形调节器上方且与环形调节器同轴安装；所述的水平调节器与竖直调节器互相垂直固定，且安装于环形调节器上方，绕环形调节器做圆周运动；所述的激光发射头固定于竖直调节器上，做竖直方向移动；所述的高速摄像机固定于水平调节器上，做水平方向移动；所述的像差矫正器安装于高速摄像机前部；所述的激光发射头通过光缆连接于激光发生器，激光头发射平面激光，照射气体静压主轴气膜流场的某一平面，形成一个测试平面，高速摄像机对测试平面进行拍摄；所述的激光发生器通过电缆连接于激光控制器；所述的激光控制器通过电缆连接于工控机；所述的高速摄像机通过电缆连接于工控机；所述的气源通过气管依次连接气源处理器、示踪粒子混合器、气体静压主轴；所述的环形调节器包括环形导轨和安装在环形导轨上可沿环形导轨滑动的第一滑块；所述的水平调节器固定于第一滑块上；所述的水平调节器包括水平固定板，水平滑块，水平粗调旋钮和水平细调旋钮；所述的水平粗调旋钮控制水平滑块在水平固定板上快速水平滑动，所述的水平细调旋钮控制水平滑块在水平固定板上慢速水平滑动；所述的竖直调节器固定于水平固定板上；所述的竖直调节器包括竖直固定板、竖直滑块、竖直粗调旋钮，竖直细调旋钮，所述的竖直粗调旋钮控制竖直滑块在竖直固定板上快速竖直滑动，所述的竖直细调旋钮控制竖直滑块在竖直固定板上慢速竖直滑动；

所述的气体静压主轴包括上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、气室外套，所述上止推盘、下止推盘分别与所述主轴的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套的凹腔；所述轴套套在所述主轴外部，所述轴套与凹腔之间的间隙作为气膜的容纳腔；所述轴套的外壁设有用于容纳气室外套的凹槽，所述轴套外部套装所述气室外套，并且所述凹槽的上下槽壁分别与所述气室外套上下两端面密封固接；所述轴套设有轴向节流孔、径向节流孔，所述轴向节流孔和径向节流孔贯穿凹槽的槽壁，轴向节流孔和径向节流孔与凹槽内腔连通；所述的气室外套设有连接示踪粒子混合器的进气口；所述的上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、气室外套均采用透明材质。

2.如权利要求1所述的一种非接触式气体静压主轴气膜流场测试系统，其特征在于：示踪粒子回收装置安装于气体静压主轴气膜的出气口外侧；所述的示踪粒子回收装置为一环形套，上部有出气孔，环内侧与气体静压主轴上的气膜出气口相通；示踪粒子回收装置采用透明材料。

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