CN108302120A - 气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置 - Google Patents

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Abstract

气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，包括套设在主轴外部、与主轴形成压力气膜的轴套，轴套外部气密地连接一个气室外套；轴套上的节流孔连通外气腔和压力气膜；环形套的壁面上设有通气状态调节器，通气状态调节器包括设置在围绕节流孔的环形套上的刚性正电极和负电极，正电极和负电极之间夹有介电高弹性材料体，介电高弹性材料体暴露在节流孔上；轴套上设有用于检测气膜气压的气压传感器；气室外套外面装有气膜压力场测试装置和控制装置；控制装置根据气膜压力场测试装置所得到的气膜压力场信息和预设的模型得到最佳的主轴节流孔通气分布状态方案，控制节流孔的通气分布状态。

Description

气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置
技术领域
本发明涉及一种气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置。
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，在高端制造装备、精密仪器、空间惯性技术等许多领域有着广泛应用。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实现气体轴承功能。小孔节流式气体静压主轴是较为常用的一类气体静压主轴，结构相对简单。
一般而言，对于小孔节流式气体静压主轴，其制造装配完毕后，正常工作时所有节流孔均为通气状态，由于节流孔的位置和数量都无法改变，即节流孔的通气分布状态是难以调节的。尽管在主轴设计阶段可以得到较优的节流孔通气分布状态，但是面对不同的使用情况，考虑到耗气量、稳定性等因素，原有的节流孔通气分布状态不一定是综合最优的。此外，面对个别节流孔堵塞造成气膜压力场的周向不平衡等故障情况时，节流孔通气分布状态的改变可有效防止主轴进一步损坏并保持相对合理的工作状态。总之，节流孔通气分布状态的控制具有重要价值，它可在主轴使用阶段为小孔节流式气体静压主轴的耗气量、刚度、承载能力和稳定性的优化调节提供一种新途径。
发明内容
为了克服当前技术的不足，本发明提供了一种气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，可方便、快速、有效地实现主轴节流孔通气分布状态的控制。
本发明所述的一种气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，包括套设在主轴外部、与主轴形成压力气膜的轴套，其特征在于：
所述的轴套外部气密地连接一个气室外套，气室外套与轴套之间有外气腔，外气腔通过气室外套上的进气孔连通外部的气压源；轴套上设有环形套，环形套的内孔形成节流孔，节流孔连通外气腔和设置在轴套的内壁面上的内气腔，内气腔连通所述的压力气膜；环形套的壁面上设有通气状态调节器，通气状态调节器包括沿环形套的横截面的径向设置的正电极和负电极，正电极和负电极是刚性的，正电极和负电极之间夹有介电高弹性材料体，介电高弹性材料体暴露在节流孔上；
轴套上设有用于检测气膜气压的气压传感器；气室外套外面装有气膜压力场测试装置和控制装置；
气压传感器的输出端连接气膜压力场测试装置，向气膜压力场测试装置发送气膜压力场信息；气膜压力场测试装置与控制装置之间有通讯线，控制装置连接正电极和负电极；控制装置根据气膜压力场信息和预设的模型得到最佳的主轴节流孔通气分布状态方案，控制节流孔的通气分布状态。
优选地，所述的节流孔在轴套横截面上呈周向均匀布置，其数目为偶数，每一个节流孔周围有2-6个通气状态调节器，通气状态调节器呈周向均匀布置。
优选地，每个节流孔两侧各有一个气压传感器。
所述气体压力传感器的测试头与所述轴套内壁面的间隔距离为0.1-0.5mm。所述气体压力传感器分别通过穿过气室外套上的引线孔的信号线与所述的测试装置相连，通过引线密封圈将信号线与气室外套密封。正电极和负电极分别通过穿过气室外套上的引线孔的电路引线与控制系统相连，通过引线密封圈将电路引线与气室外套密封。
本发明的工作原理为：高压气体通过气室外套的进气孔进入可通气的节流孔，最终在主轴与轴套之间形成压力气膜，实现主轴的气体静压支撑。
通过控制装置可以分别控制每个节流孔周围的通气状态调节器的正电极和负电极之间的电场强度，从而控制所述通气状态调节器的介电高弹性材料体的形变，使其发生膨胀。由于存在物理约束，部分膨胀后的介电高弹性材料体进入其附近的节流孔。通过布置在节流孔周围的多个通气状态调节器的共同作用，进入节流孔的介电高弹体材料相互挤压，最终可完全堵塞节流孔，促使该节流孔变成不可通气状态。按照上述方法，通过控制装置可以任意控制每个节流孔的通气状态(可通气状态和不可通气状态)，因此，可实现整个气体静压主轴节流孔通气分布状态的控制。
通过气压传感器测试得到主轴的气膜压力场信号，随后通过信号线传输至气膜压力场测试装置，得到主轴的气膜压力场。将主轴的气膜压力场信号通过通讯线传输至控制装置。控制装置根据气膜压力场信息和预设的模型得到最佳的主轴节流孔通气分布状态方案，根据该方案实现主轴节流孔通气分布状态的最优控制。
本发明的有益效果在于：
(1)可有效地实现小孔节流式气体静压主轴节流孔通气分布状态的任意控制，它可在主轴使用阶段为小孔节流式气体静压主轴的耗气量、刚度、承载能力和稳定性的优化调节提供一种新途径；
(2)结构简单，使用方便，可靠性好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A向局部剖视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
图1和图2中，1-主轴，2-轴套，3-气体密封圈，4-环形套，5-节流孔，6-内气腔，7-通气状态调节器，701-正电极，702-介电高弹性材料体，703-负电极，8-气压测试孔，9-气压传感器，10-气室外套，1001-进气孔，1002-引线孔，11-气膜压力场测试装置，1101-信号线，12-控制装置，1201-电路引线，1202-通讯线，1203-引线密封圈，13-外气腔。
本发明所述的一种气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，包括套设在主轴1外部、与主轴1形成压力气膜的轴套2，其特征在于：
所述的轴套2外部气密地连接一个气室外套10，气室外套10与轴套2之间有外气腔13，外气腔13通过气室外套10上的进气孔1001连通外部的气压源；轴套2上设有环形套4，环形套4的内孔形成节流孔5，节流孔5连通外气腔13和设置在轴套2的内壁面上的内气腔6，内气腔6连通所述的压力气膜；环形套4的壁面上设有通气状态调节器7，通气状态调节器7包括沿环形套4的横截面的径向设置的正电极701和负电极703，正电极701和负电极703是刚性的，正电极701和负电极703之间夹有介电高弹性材料体702，介电高弹性材料体702暴露在节流孔5上；
轴套2上设有用于检测气膜气压的气压传感器9；气室外套10外面装有气膜压力场测试装置11和控制装置12；
气压传感器9的输出端连接气膜压力场测试装置11，向气膜压力场测试装置11发送气膜压力场信息；气膜压力场测试装置11与控制装置12之间有通讯线1202，控制装置12连接正电极701和负电极703；控制装置12根据气膜压力场信息和预设的模型得到最佳的主轴节流孔5通气分布状态方案，控制节流孔5的通气分布状态。
所述的节流孔5在轴套2横截面上呈周向均匀布置，其数目为偶数，每一个节流孔5周围有2-6个通气状态调节器7，通气状态调节器7呈周向均匀布置。
每个节流孔5两侧各有一个气压传感器9。
所述气体压力传感器9的测试头与所述轴套2内壁面的间隔距离为0.1-0.5mm。所述气体压力传感器9分别通过穿过气室外套10上的引线孔1002的信号线1101与所述的气膜压力场测试装置11相连，通过引线密封圈1203将信号线1101与气室外套10密封。正电极701和负电极703分别通过穿过气室外套10上的引线孔1002的电路引线1201与控制装置12相连，通过引线密封圈1203将电路引线1201与气室外套10密封。
本发明的工作原理为：高压气体通过气室外套10的进气孔1001进入可通气的节流孔5，最终在主轴1与轴套2之间形成压力气膜，实现主轴1的气体静压支撑。
通过控制装置12可以分别控制每个节流孔5周围的通气状态调节器7的正电极701和负电极702之间的电场强度，从而控制所述通气状态调节器7的介电高弹性材料体702的形变，使其发生膨胀。由于存在物理约束，部分膨胀后的介电高弹性材料体702进入其附近的节流孔5。通过布置在节流孔5周围的多个通气状态调节器7的共同作用，进入节流孔5的介电高弹体材料相互挤压，最终可完全堵塞节流孔5，促使该节流孔5变成不可通气状态。按照上述方法，通过控制装置12可以任意控制每个节流孔5的通气状态(可通气状态和不可通气状态)，因此，可实现整个气体静压主轴节流孔5通气分布状态的控制。
通过气压传感器9测试得到主轴1的气膜压力场信号，随后通过信号线1101传输至气膜压力场测试装置11，得到主轴1的气膜压力场。将主轴1的气膜压力场信号通过通讯线1202传输至控制装置12。控制装置12根据气膜压力场信息和预设的模型得到最佳的主轴节流孔5通气分布状态方案，根据该方案实现主轴节流孔5通气分布状态的最优控制。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，包括套设在主轴外部、与主轴形成压力气膜的轴套，其特征在于：
所述的轴套外部气密地连接一个气室外套，气室外套与轴套之间有外气腔，外气腔通过气室外套上的进气孔连通外部的气压源；轴套上设有环形套，环形套的内孔形成节流孔，节流孔连通外气腔和设置在轴套的内壁面上的内气腔，内气腔连通所述的压力气膜；环形套的壁面上设有通气状态调节器，通气状态调节器包括沿环形套的横截面的径向设置的正电极和负电极，正电极和负电极是刚性的，正电极和负电极之间夹有介电高弹性材料体，介电高弹性材料体暴露在节流孔上；
轴套上设有用于检测气膜气压的气压传感器；气室外套外面装有气膜压力场测试装置和控制装置；
气压传感器的输出端连接气膜压力场测试装置，向气膜压力场测试装置发送气膜压力场信息；气膜压力场测试装置与控制装置之间有通讯线，控制装置连接正电极和负电极；控制装置根据气膜压力场信息和预设的模型得到最佳的主轴节流孔通气分布状态方案，控制节流孔的通气分布状态。
2.如权利要求1所述的气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，其特征在于：所述的节流孔在轴套横截面上呈周向均匀布置，其数目为偶数，每一个节流孔周围有2-6个通气状态调节器，通气状态调节器呈周向均匀布置。
3.如权利要求1所述的气体静压主轴节流孔通气分布状态控制装置，其特征在于：每个节流孔两侧各有一个气压传感器。
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