CN106769047A - 一种空气静压主轴的径向刚度测量装置 - Google Patents

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陈
陈一
崔海龙
阳红
刘有海
吕磊
丁颖
钱林弘
夏欢
张连新
郑越青
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Abstract

本发明提供了一种空气静压主轴的径向刚度测量装置，所述装置通过力加载装置A和力加载装置B将大小相等的径向承载力均匀施加在空气静压主轴转子的上下两端；再通过力传感器A和力传感器B读取施加在空气静压主轴转子的上下两端的径向承载力；之后通过位移传感器A和位移传感器B读取空气静压主轴气膜径向间隙变化量，通过位移传感器C读取空气静压主轴的径向变形量；计算空气静压主轴刚度为施加在空气静压主轴上的承载力的变化量和承载力的变化量引起的实际的径向气膜间隙变化量之间的比值。该装置可实现测量过程中空气静压主轴径向变形误差的有效分离，从而提高了空气静压主轴径向刚度测量精度。

Description

一种空气静压主轴的径向刚度测量装置
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种空气静压主轴的径向刚度测量装置。
背景技术
超精密加工技术作为尖端技术产品中极为关键的加工手段，对军事技术和经济建设都具有极为重要的应用价值。超精密切削机床作为超精密加工中最核心的加工装备，其支承元件空气静压主轴的性能直接制约超精密切削加工精度的提升。空气静压主轴具有精度高、无磨损和寿命长等优点，被广泛应用于超精密切削机床中。随着超精密加工技术的快速发展，对空气静压主轴的刚度要求也越来越高，其中轴向刚度特性决定了超精密切削加工机床的抗振动特性，从而直接影响加工工件的面形精度。因此开展空气静压主轴轴向刚度测量对于促进超精密加工技术快速发展具有显著意义。
空气静压主轴刚度的定义为施加在空气静压主轴上的承载力的变化量和承载力的变化量引起的气膜间隙的变化量之间的比值。根据承载力施加方式和位置的不同，空气静压主轴的气膜变化方式和位置也不同。据此，空气静压主轴的刚度可进一步细化为轴向刚度和径向刚度，其中径向刚度用于表征承载力使气膜产生径向均匀间隙变化的难易程度。空气静压主轴径向刚度测试装置主要由力加载装置、力传感器和位移传感器组成。其中力加载装置用于改变空气静压主轴的径向承载力；力传感器用于测量径向承载力的变化量；位移传感器用于测量径向气膜间隙的变化量。
在空气静压主轴径向刚度的测量过程中，轴向承载力的增加将会使得空气静压主轴产生径向变形，这种径向变形将会增大位移传感器测量得到的径向气膜间隙变化量，从而造成较大的测量误差。因此在测量过程中需要对空气静压主轴的径向变形进行有效分离，从而确保测量的径向刚度值准确可靠。
中国专利文献库公开了《一种轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法》（申请号：201210354382.9）、《异型轴承刚度的测量方法及装置》（申请号：200910065393.3）、《轴承刚度测试装置》（申请号：200810137157.3）等专利，上述专利涉及的装置和方法的应用对象为接触式轴承，并不适用于空气静压主轴的刚度测量。最新的关于空气静压主轴刚度测试技术的专利有中国专利文献库公开的《一种三坐标测量机的空气轴承刚度和承载力检验装置》（申请号：201420532122.0），该专利介绍了一种空气静压主轴轴向刚度和承载力的测量装置，但是该装置不能用于径向刚度的测量，也不能实现测量误差的有效分离。
当前，亟需一种空气静压主轴的径向刚度测量装置，该装置能够采用误差分离方法去除测量过程中由于空气静压主轴的径向变形引起的径向测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空气静压主轴的径向刚度测量装置。
本发明的空气静压主轴的径向刚度测量装置，其特点是，所述的径向刚度测量装置包括支架、力加载装置B、力传感器B、空气静压主轴、力加载装置A、力传感器A、位移传感器A、位移传感器C、位移传感器B；
其连接关系是：所述的支架放置在隔振地基上；空气静压主轴竖直固定在支架上，空气静压主轴的空气静压主轴转子悬浮在空气静压主轴外壳中，空气静压主轴转子和空气静压主轴外壳之间的缝隙为压缩空气形成的空气静压主轴气膜，空气静压主轴外壳的底部固定在支架上；所述的力传感器B固定在水平放置的力加载装置B的前端，力加载装置B的后端固定在支架上，力传感器B和力加载装置B固定安装在空气静压主轴的下部，空气静压主轴的上部对应安装结构相同的力传感器A和力加载装置A；所述的支架上安装有位移传感器A、位移传感器C和位移传感器B，位移传感器A测量空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HA，位移传感器B测量空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HB，位移传感器C测量空气静压主轴的变形量△HC。
所述的位移传感器A、位移传感器C和位移传感器B的位移敏感方向为水平方向，分辨率为0.1μm。
所述的力加载装置B和力加载装置A的中心线与水平方向的偏角小于等于0.5°。
所述的力传感器B和力传感器A的力敏感方向为水平方向，分辨率小于等于1N。
本发明的空气静压主轴的径向刚度测量装置首先分别通过力加载装置A和力加载装置B将大小相等的径向承载力均匀施加在空气静压主轴转子的上下两端；接着，分别通过力传感器A和力传感器B读取施加在空气静压主轴转子的上下两端的径向承载力；然后，分别通过位移传感器A和位移传感器B读取空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HA和△HB，通过位移传感器C读取空气静压主轴的变形量△HC。由于，在相同力加载条件下位移传感器A和位移传感器B的读数应相同，因此，实际的径向气膜间隙变化量为位移传感器A或位移传感器B的读数减去位移传感器C的读数。最后，计算空气静压主轴刚度为施加在空气静压主轴上的承载力的变化量和承载力的变化量引起的实际的径向气膜间隙变化量之间的比值。
本发明的空气静压主轴的径向刚度测量装置可实现测量过程中空气静压主轴径向变形误差的有效分离，从而提高了空气静压主轴径向刚度测量精度。
附图说明
图1为本发明的空气静压主轴的径向刚度测量装置的结构示意图；
图中，1.支架 2.力加载装置B 3.力传感器B 4.空气静压主轴 5.力加载装置A 6.力传感器A 7.位移传感器A 8.位移传感器C 9.位移传感器B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的空气静压主轴的径向刚度测量装置包括支架1、力加载装置B2、力传感器B3、空气静压主轴4、力加载装置A5、力传感器A6、位移传感器A7、位移传感器C8、位移传感器B9；
其连接关系是：所述的支架1放置在隔振地基上；空气静压主轴4竖直固定在支架1上，空气静压主轴4的空气静压主轴转子悬浮在空气静压主轴外壳中，空气静压主轴转子和空气静压主轴外壳之间的缝隙为压缩空气形成的空气静压主轴气膜，空气静压主轴外壳的底部固定在支架1上；所述的力传感器B3固定在水平放置的力加载装置B2的前端，力加载装置B2的后端固定在支架1上，力传感器B3和力加载装置B2固定安装在空气静压主轴4的下部，空气静压主轴4的上部对应安装结构相同的力传感器A6和力加载装置A5；所述的支架1上安装有位移传感器A7、位移传感器C8和位移传感器B9，位移传感器A7测量空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HA，位移传感器B9测量空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HB，位移传感器C8测量空气静压主轴3的变形量△HC。
所述的位移传感器A7、位移传感器C8和位移传感器B9的位移敏感方向为水平方向，分辨率为0.1μm。
所述的力加载装置B2和力加载装置A5的中心线与水平方向的偏角小于等于0.5°。
所述的力传感器B3和力传感器A6的力敏感方向为水平方向，分辨率小于等于1N。
测量时，将待测的空气静压主轴放置在支架1上，使用力加载装置A5和力加载装置B2分别在空气静压主轴转子的上下两端均匀施加大小相等的径向承载力FA和FB，在施力过程中，保证力作用线与力加载装置A5和力加载装置B2的中心线同轴，中心线与水平方向的偏角小于等于0.5°；再分别通过力传感器A6和力传感器B3读取承载力FA和FB，通过位移传感器A7和位移传感器B9读取空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HA和△HB，通过位移传感器C8读取空气静压主轴的变形量△HC；
在相同力加载条件下位移传感器A和位移传感器B的读数应相同，即：
(1)
实际的径向气膜间隙变化量为位移传感器A或位移传感器B的读数减去位移传感器C的读数，即：
(2)
实际的空气静压主轴径向刚度为施加在空气静压主轴上的承载力的变化量和承载力的变化量引起的实际的径向气膜间隙变化量之间的比值，即：
(3)
在式（3）中，△F为力传感器A和力传感器B径向承载力变化量之和，即：
(4)。

Claims (4)

1.一种空气静压主轴的径向刚度测量装置，其特征在于，所述的径向刚度测量装置包括支架（1）、力加载装置B（2）、力传感器B（3）、空气静压主轴（4）、力加载装置A（5）、力传感器A（6）、位移传感器A（7）、位移传感器C（8）、位移传感器B（9）；
其连接关系是：所述的支架（1）放置在隔振地基上；空气静压主轴（4）竖直固定在支架（1）上，空气静压主轴（4）的空气静压主轴转子悬浮在空气静压主轴外壳中，空气静压主轴转子和空气静压主轴外壳之间的缝隙为压缩空气形成的空气静压主轴气膜，空气静压主轴外壳的底部固定在支架（1）上；所述的力传感器B（3）固定在水平放置的力加载装置B（2）的前端，力加载装置B（2）的后端固定在支架（1）上，力传感器B（3）和力加载装置B（2）固定安装在空气静压主轴（4）的下部，空气静压主轴（4）的上部对应安装结构相同的力传感器A（6）和力加载装置A（5）；所述的支架（1）上安装有位移传感器A（7）、位移传感器C（8）和位移传感器B（9），位移传感器A（7）用于测量空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HA，位移传感器B（9）用于测量空气静压主轴气膜的径向间隙变化量△HB，位移传感器C（8）用于测量空气静压主轴（3）的变形量△HC。
2.根据权利要求（1）所述的一种空气静压主轴的径向刚度测量装置，其特征在于：所述的位移传感器A（7）、位移传感器C（8）和位移传感器B（9）的位移敏感方向为水平方向，分辨率为0.1μm。
3.根据权利要求（1）所述的一种空气静压主轴的径向刚度测量装置，其特征在于：所述的力加载装置B（2）和力加载装置A（5）的中心线与水平方向的偏角小于等于0.5°。
4.根据权利要求（1）所述的一种空气静压主轴的径向刚度测量装置，其特征在于：所述的力传感器B（3）和力传感器A（6）的力敏感方向为水平方向，分辨率小于等于1N。
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