CN107076199B - 气体轴承心轴 - Google Patents

Abstract

一种负载感测气体轴承心轴装置(2)，包括一个气体轴承组件(5)和一个轴颈支撑在该气体轴承组件内的轴(3)。该轴承组件包括一个壳体部分(51)和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分(52)，该内部径向轴承部分包括一个具有面向该轴(3)的轴承面的部分。该轴承组件(2)被安排成使得，由于该弹性安装，该内部径向轴承部分(52)响应于该轴(3)上的径向负载而经历相对于该壳体部分(51)的径向位移，并且该心轴装置(2)包括用于感测所述径向位移从而感测该轴承上的负载的感测装置(7)。

Description

气体轴承心轴

技术领域

本发明涉及气体轴承心轴装置和套件，以及包括这样的装置的机器。

背景技术

空气(或气体)轴承心轴的长期可靠性依赖于在操作期间施加到轴的负载低于会造成轴承表面之间的机械接触的负载。这意味着，在服务时施加的负载需要被管控在极限内。这些极限通常由使用空气轴承的过程限定。

有时空气轴承心轴将被用于如下情形中，其中在正常使用时，它们所经历的负载接近于最大可允许负载。在其它情况下，空气轴承所承受的负载会随时间变化，这是由于未预期的事件或者一个或另一个部件的磨损。

发明内容

因此，期望提供一种系统，其中空气轴承上的负载，特别是空气轴承中的轴上的径向负载，能够以某种方式被监控，以使得过度的负载可以被检测和/或被避免。

当径向负载被施加到在空气轴承内运行的轴上时，将倾向于使该轴相对于该轴承径向位移。然而，由于该轴被限定为相对于该轴承旋转，因此试图直接测量该轴相对于该轴承的这样的径向位移可能存在困难。

根据本发明的第一方面，提供一种负载感测气体轴承心轴装置，其包括一个气体轴承组件和一个轴颈支撑在该气体轴承组件内的轴，该轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有面向该轴的轴承面的部分，

其中该轴承组件被安排成使得，由于弹性安装，该内部径向轴承部分响应于该轴上的径向负载而经历相对于该壳体部分的径向位移，并且该心轴装置包括感测装置，用于感测所述径向位移，从而感测该轴承上的负载。

此装置允许感测该气体轴承上的负载，同时避免直接检测相对旋转的零件——即，该内部径向轴承部分和该轴——之间的径向位移的需要。

接触式或非接触式换能器可以被方便地用来感测径向位移，并且因此允许感测负载。例如，应变仪、光学标尺(optical scale)、LVDT(线性可变差动变压器)、涡电流传感器可以被使用。

该感测装置可以被用来测量位移或仅被用来感测位移。

该感测装置可以被安排成，确定径向位移是否已经达到一个或多个预定水平。

因此，应理解，一般来说，给予该轴承心轴装置有关该心轴上的负载的反馈可以是数字的或模拟的、渐进改变的或阶跃改变的。

该壳体部分和该内部径向轴承部分可以具有相应的接触表面，所述接触表面被安排成，当该轴上的径向负载达到预定值时彼此机械接触，并且当该径向负载在所述预定值以下时彼此间隔，并且该感测装置可以被安排成用于感测这样的接触何时发生。

这可以促进一种特别简单且有效的感测该心轴上的负载的方式。

根据本发明的第二方面，提供一种负载感测气体轴承心轴装置，其包括一个气体轴承组件和一个轴颈支撑在该气体轴承组件内的轴，该轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有面向该轴的轴承面的部分，

其中该壳体部分和该内部径向轴承部分具有相应的接触表面，所述接触表面被安排成，当该轴上的径向负载达到预定值时彼此机械接触，并且当该径向负载在所述预定值以下时彼此间隔，并且该心轴装置包括感测装置，用于感测这样的接触何时发生。

当没有所述接触时，该壳体部分和该内部径向轴承部分可以彼此电隔离，并且当所述接触发生时，该壳体部分和该内部径向轴承部分可以彼此电接触。

该感测装置可以包括被安排成用于在接触发生时感测电参数的变化的电感测装置。

该感测装置可以包括被安排成用于声学感测接触发生的声学感测装置。

在该感测装置包括一个电感测装置的情况下，一个电信号可以被施加到该壳体部分和该内部径向轴承部分中的一个，并且当接触发生时，此信号被检测到存在于该壳体部分和该内部径向轴承部分中的另外一个中。在一些情况下，该电信号可以主要出于其它目的而被施加并且出于此目的而被附带地使用。

该负载感测气体轴承心轴装置可以包括电信号装置，用于将电信号施加到该壳体部分和该内部径向轴承部分中的一个。

该负载感测气体轴承心轴装置可以包括电信号检测装置，用于检测该壳体部分和该内部径向轴承部分中的一个中的电信号，作为所述接触的指示符。

该内部径向轴承部分可以具有一个连接到其的电引线，用于施加信号和/或检测施加的信号时使用。

该声学感测装置可以包括一个加速计，该加速剂被安排成用于检测该心轴中的振动作为所述接触发生的结果。该声学感测装置可以包括处理装置，该处理装置被安排成分析检测的振动，并且基于检测的振动中的预定特性的存在来确定接触的发生。

至少一个O形环可以被布置在该壳体部分和该内部径向轴承部分之间，以便提供其间的弹性安装。

该负载感测气体轴承心轴装置可以包括一个控制系统，该控制系统被安排成根据该感测装置的输出来该控制心轴装置的操作。

根据本发明的第三方面，提供一种气体轴承组件，其包括一个壳体部分和一个内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分被布置在该壳体部分内并且通过布置在该壳体部分和该内部径向轴承部分之间的至少两个O形环相对于该壳体部分弹性安装，该内部径向轴承部分包括一个具有用于面向轴的轴承面的部分，并且包括一个用于附接电引线的引线附接点。

根据本发明的第四方面，提供一种用于与具有轴颈支撑在气体轴承组件内的轴的气体轴承心轴一起使用的负载感测气体轴承心轴套件，该套件包括，感测装置和改进的气体轴承组件，其中，该改进的轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有用于面向该轴的轴承面的部分，其中

该轴承组件被安排成使得，由于该弹性安装，该内部径向轴承部分将响应于该轴上的径向负载而经历相对于该壳体部分的径向位移，以及

该感测装置被安排成用于感测所述径向位移。

根据本发明的第五方面，提供一种用于与具有轴颈支撑在气体轴承组件内的轴的气体轴承心轴一起使用的负载感测气体轴承心轴套件，该套件包括，

感测装置和改进的气体轴承组件，其中，

该改进的轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有用于面向该轴的轴承面的部分，以及

该壳体部分和该内部径向轴承部分具有相应的接触表面，用于当该轴上的径向负载达到阈值时彼此机械接触，并且当该径向负载在所述阈值以下时彼此间隔，以及

该感测装置被安排成用于感测这样的接触何时发生。

根据本发明的第六方面，提供包括控制系统和如上文所限定的负载感测气体轴承心轴装置的机械加工设备，其中该轴被安排成承载一个机械加工工具，并且该控制系统被安排成控制该设备的机械加工操作，根据感测装置的输出，使用一个承载的工具执行所述机械加工操作。

该机械加工设备可以是研磨机器。

根据本发明的第七方面，提供一种感测气体轴承心轴中的负载的方法，该心轴包括一个气体轴承组件和一个轴颈支撑在该气体轴承组件内的轴，该轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有面向该轴的轴承面的部分，

其中该轴承组件被安排成使得，由于该弹性安装，该内部径向轴承部分响应于该轴上的径向负载而经历相对于该壳体部分的径向位移，并且该方法包括感测所述径向位移从而感测该轴承上的负载的步骤。

按照本发明的第一和第二方面所描述的可选特征，能够同样地可应用作为用于彼此的可选特征和用于本发明的任何或所有其他方面的可选特征，必要时通过措辞的改变。仅为了简明起见，这些特征在本发明的每个方面之后未被重复。

附图说明

现将参考附图仅通过实施例的方式描述本发明的实施方案，其中：

图1以高度示意的形式示意性地示出了包括负载感测气体轴承心轴装置的研磨机器；

图2示出了穿过图1中示出的研磨机器的负载感测气体轴承心轴装置的截面；

图3A示意性地示出了未在过度负载下时在图2中示出的心轴中包括的一个径向气体轴承的部分；

图3B示出了未在过度负载下时在图3A中示出的径向气体轴承的部分的放大细节；

图3C示出了当在超过预定值的负载下时在图3A中示出的相同的气体轴承部分；

图3D示出了当在超过预定值的负载下时在图3C中示出的径向轴承的部分的放大细节；以及

图4示出了是图3A到图3D的主题的径向气体轴承的内部径向轴承部分(其中省略了O形环)。

具体实施方式

图1以高度示意的形式示出了研磨机器1，其包括负载感测气体轴承心轴装置2(在此实施方案中，空气轴承心轴装置)和控制系统8，用于控制该负载感测气体轴承心轴装置2的操作。此外，研磨机器1包括典型的部件，诸如，用于驱动相对于机器1的其余部分驱动负载感测气体轴承心轴装置2的马达和驱动系统、一个用于接受工件的平台等。然而，该研磨机器的这些常规部件不与本发明特别相关，因此省略对这些部件的详细叙述和描述。

负载感测气体轴承心轴装置2包括轴3，用于承载加工工具，在此实例中为磨盘4。轴3被轴颈支撑用以在心轴的剩余部分内旋转。在图2中更详细地示出了该气体轴承心轴装置本身。心轴装置2包括一对轴向间隔的径向空气静压空气轴承组件5、5’(在图1中仅以高度示意的形式示出了其中一个，但在图2中可以更详细地看到两个)。马达6被设置在径向空气轴承5、5’之间，用于相对于该心轴的剩余部分旋转地驱动轴3。马达6的构造和操作是常规的并且在本发明中不具有特别相关性，因此省略对其进一步的描述。

在本实施方案中，每个径向空气轴承组件5、5’彼此略微不同，并且因此它们中的朝向该心轴的鼻状物(nose)设置的第一个用参考数字5指定，而它们中的朝向该心轴的后部的第二个用参考数字5’指定。此外，使用相同的参考数字指示这些轴承组件中的每个上的对应的部分，除了撇号(’)被来指示属于设置在该心轴的后部处的空气轴承组件5’的那些部件。

每个径向空气轴承5、5’具有壳体部分51、51’，在所述壳体部分内弹性安装内部径向轴承部分52、52’。内部径向轴承部分52、52’具有面向轴3的轴承面52a、52a’。在使用时，在轴承面52a、52a’和轴3之间形成空气(或气体)膜以在轴3旋转时支撑该轴3。

在内部径向轴承部分52、52’和壳体部分51、51’之间的弹性安装由多个O形环53、53’提供。在空气轴承组件5朝向心轴的鼻状物设置的情况下，设置四个O形环53以给予壳体部分51和内部径向轴承部分52之间的弹性安装。

另一方面，在轴承组件5’朝向心轴的后部设置的情况下，提供两个O形环53’用于给予该弹性安装。

心轴的后部处的空气轴承组件5’与心轴的鼻状物处的空气轴承组件5的不同之处在于，它包括中间套筒部分54。因此，在心轴的后部处的空气轴承组件5’中，内部径向轴承部分52’包括此中间套筒部分54和内壳轴承部分55。冷却剂通道56被设置在中间套筒部分54和内壳轴承部分55之间。这些特征与本申请的主要主题不直接相关，而是用于例示可以在本发明技术中使用的空气轴承装置的一些不同形式。

在图3A到图3D中示意性地并且以放大的形式示出了朝向心轴的鼻状物设置的空气轴承组件5的部分，以使得可以更好地理解负载感测气体轴承心轴装置的操作。图3A示出了壳体部分51的部分和内部径向轴承部分52的部分，并且图3B示出了进一步放大的那些部分的一个更小的部分。图3A和图3B示出了空气轴承上没有负载或空气轴承上仅有正常负载的情形。在这些情况下，借助于O形环53，内部径向轴承部分52与壳体部分51间隔并且机械地和电气地隔离。在内部径向轴承部分52和壳体部分51之间的对应的空隙仅可以在图3B中被清楚地看到。O形环53是弹性体材料的，诸如以提供电绝缘以及弹性安装。应注意，内部径向轴承部分52的一些部分比其它部分更为朝向壳体部分51突出。在本实施方案中，这些部分表现为设置在O形环53的区域中的环状突出部52b的形式。这些环状突出部充当接触表面，如果且当O形环53内的弹力被克服时，所述接触表面将与壳体部分51上的相对的接触表面51b接触。换句话说，当足够的负载被传递到内部径向轴承部分52以将O形环53压缩到预定程度时，设置在内部径向轴承部分52上的接触部分52b将与壳体部分上的对应的接触部分51b接触。实际上，这在轴3经受足够的负载时发生，并且这通过轴3和轴承面52a之间的空气膜传输到内部径向轴承部分52。此情形被例示在图3C和3D中。

应理解，导致这样的接触发生所需的负载将由O形环53的性质确定，包括它们的尺寸和制造它们的材料以及在静止时设置在接触表面51b、52b之间的空隙。此外，内部径向轴承部分52和壳体部分51之间的这样的接触是否发生在轴3和内部径向轴承部分52之间存在接触之前由空气轴承的相对刚度和弹性安装的刚度连同相应的空隙确定。

实际上，这意味着，空气轴承心轴可以被设计成使得，当轴3上的径向负载在不足以导致轴3和轴承面52a之间的机械接触的水平时，在内部径向轴承部分52和壳体部分51之间发生接触。

在本实施方案中，负载感测气体轴承心轴装置2包括感测装置7，用于感测内部径向轴承部分52和壳体部分51之间何时发生这样的接触。该感测装置具有一个连接到研磨机器的控制系统8的输出。这意味着，当感测装置7感测到接触时，控制系统8可以向操作者给予已经发生接触的指示符，或者在其他实施方案中可以导致该机器停止操作。

在另一些替代方案中，控制系统8可以被安排成记录接触事件，并且在已经发生预定数目的接触之后或者在已经发生超过特定持续时间的接触之后等，导致该机器的操作停止。

在本实施方案中，感测装置7是电感测装置。如仅在图1和图2中以示意的形式例示的，感测装置7被安排成用于向心轴的主体施加电信号(实际连接可以是许多不同位置中的任何一个)，并且用于检测电信号在内部径向轴承部分52中的存在。如上文提及的，在如图3A和3B中示出的正常状态下，内部径向轴承部分52与壳体部分51电气隔离，并且因此与心轴的剩余部分电气隔离。因此，当已经发生接触事件时，将仅在内部径向轴承部分52中感测到施加到心轴的主体的电信号。

因此，感测装置7可以被安排成检测任何这样的信号，并且当在内部径向轴承部分52中检测到任何信号时，输出接触事件已经发生的指示符信号。

在本实施方案中，来自感测装置7的电感测引线71被馈送通过空气轴承的排气口，并且经由设置在内部轴承部分的端部中的螺纹孔中的螺钉72连接，如图4中例示的。

应理解，可以使用其他类似的检测设置来实现相同的目的。此外，类似的检测技术可以被用于检测朝向心轴的后部设置的空气轴承组件5’中的接触事件。

空气轴承组件的设计和安排，且特别是空气轴承本身的相对刚度和空隙以及内部径向轴承部分52和壳体部分51之间的弹性安装可以被选择和被校准，以使得接触事件是需要立即注意的重大负载的确认或者仅作为如果负载进一步增加会对该空气轴承造成损害的早期警告信号。

在申请人考虑的一个具体实施例中，使用具有以下特性的空气轴承心轴。轴3具有25mm的直径，并且被支撑在一个具有100N的工作负载能力以及8N/μm的中心线刚度的空气轴承内。内部径向轴承部分52通过一个弹性体安装件(一组O形环)安装，该弹性体安装件具有2N/μm的径向刚度，并且与壳体部分51的径向空隙为40μm。使该轴以50,000rpm的速度旋转来执行研磨操作，其中侧向负载是材料移除速率和研磨轮的锋利度的乘积。在恒定的材料移除速率的情况下，随着该轮因使用而退化，施加到旋转轴3的径向力增加。

径向负载在新制成的轮和最佳馈送的情况下会有20N的径向负载。这很好地在支撑轴3的空气轴承的操作极限内，并且导致内部径向轴承部分52相对于壳体部分51的径向位移为10μm(20/2)，表示内部径向轴承部分52和壳体部分51之间的局部空隙的减小。

当研磨轮磨损时，由恒定的材料馈送速率造成的径向力增加，以使得最终警告轮需要达到80N的负载。在这些条件下，内部轴承部分52在弹性体安装件中的径向位移达到40μm(80/2)，并且径向空隙下降到0，导致内部径向轴承部分52和壳体部分51之间的实际机械接触。在这样的情况下，当检测到此接触时，控制系统8可以被安排成插入以在电流切断完成之后暂停操作，并且可以生成用于更换新制成的研磨轮的指令。

在此实施例中，空气轴承从未负载超过其径向容量的80％，并且因此被保护避免将在操作中由过载导致的损害。该研磨轮被消耗到由实际磨损而非预测确定的水平，从而使轮使用最大化而不损害生产率。

应理解，上文仅是一个实施例，并且在其它实施例中可以使用不同的尺寸、速度等，并且可以用在本发明中体现的心轴装置来执行除了研磨之外的操作。

在另一些替代方案中，不是提供感测内部径向轴承部分52和壳体部分51之间的接触的简单感测机构，而是可以提供替代形式的感测装置，该感测装置被安排成测量内部径向轴承部分52相对于静止位置的径向位移，并且被安排成使用这些测量值来给出轴承正经受的负载的指示。用这样的装置，控制系统8可以被安排成响应于得到的测量值发出不同水平的警告信号或操作改变。

在另一个替代方案中，不是使用电感测系统，而是可以使用替代的感测系统来检测接触事件并且，例如，可以使用声学感测技术。在此，放置在心轴上的加速计可以被校准，以基于使用该加速计检测到的振动来检测和识别在内部径向轴承部分52和壳体部分51之间发生的接触事件。此外，控制系统8在这样的情况下可以包括分析模块，用于分析所接收的振动并且使它们与接触事件的已知特性匹配。

Claims (13)

1.一种负载感测气体轴承心轴装置，包括一个气体轴承组件和一个轴颈支撑在该气体轴承组件内的轴，该轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有面向该轴的轴承面的部分，

其中该轴承组件被安排成使得，由于该弹性安装，该内部径向轴承部分响应于该轴上的径向负载经历相对于该壳体部分的径向位移，并且该心轴装置包括用于感测所述径向位移从而感测轴承上的负载的感测装置，用于监控轴上的径向负载，

其中至少一个O形环被布置在该壳体部分和该内部径向轴承部分之间，以便提供其间的弹性安装，且

其中该壳体部分和该内部径向轴承部分具有相应的接触表面，所述接触表面被安排成当该轴上的径向负载达到预定值时彼此机械接触，并且当该径向负载在所述预定值以下时彼此间隔，并且该感测装置被安排成用于感测这样的接触何时发生，当没有所述接触时，该壳体部分和该内部径向轴承部分彼此电隔离，并且当所述接触发生时，该壳体部分和该内部径向轴承部分彼此电接触。

2.根据权利要求1所述的负载感测气体轴承心轴装置，其中该感测装置被安排成确定径向位移是否已经达到一个或多个预定水平。

3.根据权利要求1所述的负载感测气体轴承心轴装置，其中该感测装置包括被安排成用于在接触发生时感测电参数变化的电感测装置。

4.根据权利要求3所述的负载感测气体轴承心轴装置，其中该负载感测气体轴承心轴装置被安排成使得一个电信号被施加到该壳体部分和该内部径向轴承部分中的一个，并且在接触发生时在该壳体部分和该内部径向轴承部分中的另一个中检测到此信号的存在。

5.根据权利要求3所述的负载感测气体轴承心轴装置，包括电信号装置，用于向该壳体部分和该内部径向轴承部分中的一个施加电信号。

6.根据权利要求3所述的负载感测气体轴承心轴装置，包括电信号检测装置，用于检测该壳体部分和该内部径向轴承部分中的一个中的电信号作为所述接触的指示符。

7.根据权利要求3所述的负载感测气体轴承心轴装置，其中该内部径向轴承部分具有一个连接至其的电引线，用于在施加信号和/或检测施加的信号时使用。

8.根据权利要求1所述的负载感测气体轴承心轴装置，其中该感测装置包括被安排成用于声学感测接触发生的声学感测装置。

9.根据权利要求8所述的负载感测气体轴承心轴装置，其中该声学感测装置包括：一个加速计，该加速计被安排成用于检测该心轴中的振动作为所述接触发生的结果；以及处理装置，该处理装置被安排成分析检测到的振动，并且基于检测到的振动中的预定特性的存在来确定接触的发生。

10.根据权利要求1或2所述的负载感测气体轴承心轴装置，包括一个控制系统，该控制系统被安排成根据该感测装置的输出来控制该心轴装置的操作。

11.一种用于与具有轴颈支撑在气体轴承组件内的轴的气体轴承心轴一起使用的负载感测气体轴承心轴套件，该套件包括，

感测装置和一个改进的气体轴承组件，

其中该改进的轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有用于面向该轴的轴承面的部分，

其中该轴承组件被安排成使得，由于该弹性安装，该内部径向轴承部分将响应于该轴上的径向负载而经历相对于该壳体部分的径向位移，以及

该感测装置被安排成用于感测所述径向位移，从而感测轴承上的负载，用于监控轴上的径向负载，

其中至少一个O形环被布置在该壳体部分和该内部径向轴承部分之间，以便提供其间的弹性安装，且

其中该壳体部分和该内部径向轴承部分具有相应的接触表面，所述接触表面被安排成当该轴上的径向负载达到预定值时彼此机械接触，并且当该径向负载在所述预定值以下时彼此间隔，并且该感测装置被安排成用于感测这样的接触何时发生，当没有所述接触时，该壳体部分和该内部径向轴承部分彼此电隔离，并且当所述接触发生时，该壳体部分和该内部径向轴承部分彼此电接触。

12.机械加工设备，包括一个控制系统和根据权利要求1-10任一项限定的负载感测气体轴承心轴装置，其中该轴被安排成承载一个机械加工工具，并且该控制系统被安排成控制该设备的机械加工操作，根据感测装置的输出，使用一个承载的工具执行所述机械加工操作。

13.一种感测气体轴承心轴中的轴上的径向负载的方法，该心轴包括一个气体轴承组件和一个轴颈支撑在该气体轴承组件内的轴，该轴承组件包括一个壳体部分和一个布置在该壳体部分内并且相对于该壳体部分弹性安装的内部径向轴承部分，该内部径向轴承部分包括一个具有面向该轴的轴承面的部分，

其中至少一个O形环被布置在该壳体部分和该内部径向轴承部分之间，以便提供其间的弹性安装，其中该轴承组件被安排成使得，由于该弹性安装，该内部径向轴承部分响应于该轴上的径向负载而经历相对于该壳体部分的径向位移，并且该方法包括感测所述径向位移从而感测该轴承上的负载的步骤，且

其中该壳体部分和该内部径向轴承部分具有相应的接触表面，所述接触表面被安排成当该轴上的径向负载达到预定值时彼此机械接触，并且当该径向负载在所述预定值以下时彼此间隔，并且该感测装置被安排成用于感测这样的接触何时发生，当没有所述接触时，该壳体部分和该内部径向轴承部分彼此电隔离，并且当所述接触发生时，该壳体部分和该内部径向轴承部分彼此电接触。

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