CN108709747A - 精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法 - Google Patents

精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法，属于轴承测试领域。本发明中弹簧加载模块与载荷传感器相连，载荷传感器与气浮滑块的一端相连，气浮滑块放置在气浮导轨内，气浮滑块的另一端与扭矩传感器相连，扭矩传感器与轴承夹具相连，轴承夹具中夹持有螺旋槽止推板；微纳米级精密旋转驱动模块带动转动推力板进行高精度旋转，螺旋槽止推板与转动推力板之间产生动压气浮力，动压气浮力推动螺旋槽止推板发生轴向运动。本发明能够实现精密螺旋槽气体轴承的启停性能测试，检测气体轴承在启停过程中的摩擦磨损性能；相比整机测试，本发明提出的测试装置与方法，有效地减少了试验成本，缩短了试验周期。

Description

精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种亚微米级间隙的微型螺旋槽止推气体轴承启停性能的测试装置及方法，属于轴承测试领域。
背景技术
超精密微型螺旋槽气体轴承具有精度高、转速高、摩擦小、稳定性好等优点，广泛应用于惯性导航制导系统陀螺仪的核心旋转支撑结构。而在气体轴承启停过程中，螺旋槽气浮面会发生干摩擦磨损，影响气体轴承的运行稳定性与精度，甚至导致气体轴承无法启动，造成导航制导系统失效。因此，该气体轴承的启停性能测试技术是陀螺仪服役稳定性所要求的关键技术。
目前，陀螺仪用超精密螺旋槽止推气体轴承的启停性能测试，多采用惯性马达整机启停测试方法，试验周期较长，成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置包括微纳米级精密旋转驱动模块、微角度调整模块、低摩擦高精度运动模块、精密测量模块、弹簧加载模块和被测装置；微纳米级精密旋转驱动模块包括超精密电主轴；微角度调整模块包括平面角度调整支座和竖直角度调整支座；低摩擦高精度运动模块包括气浮滑块和气浮导轨；精密测量模块包括扭矩传感器、载荷传感器和转速传感器；弹簧加载模块包括导向杆、弹簧和调整螺母；被测装置包括转动推力板、螺旋槽止推板和轴承夹具；平面角度调整支座和竖直角度调整支座通过螺母连接，平面角度调整支座上固定有超精密电主轴，超精密电主轴的一端上连接有转速传感器，且超精密电主轴的端口处与转动推力板连接；弹簧加载模块与载荷传感器相连，载荷传感器与气浮滑块的一端相连，气浮滑块放置在气浮导轨内，气浮滑块的另一端与扭矩传感器相连，扭矩传感器与轴承夹具相连，轴承夹具中夹持有螺旋槽止推板；微纳米级精密旋转驱动模块带动转动推力板进行高精度旋转，螺旋槽止推板与转动推力板之间产生动压气浮力，动压气浮力推动螺旋槽止推板发生轴向运动，使螺旋槽止推板逐渐与转动推力板脱离或发生接触。
本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述弹簧加载模块、低摩擦高精度运动模块、被测装置和微纳米级精密旋转驱动模块的中心轴位于同一水平面。
本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述超精密电主轴的一端设有通气、通电和冷却端口，气浮导轨上设有通气口。
本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述平面角度调整支座和竖直角度调整支座通过螺母连接处垫有蝶形弹簧。
本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述螺旋槽止推板和轴承夹具组成止推气体轴承。
本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法，所述精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法具体步骤为：
步骤一，启动气浮导轨，使气浮导轨稳定工作；
步骤二，启动扭矩传感器、载荷传感器和转速传感器，并同时启动上位机中的数据采集系统，准备进行测量；
步骤三，调节微角度调整模块的水平角度调整支座和竖直角度调整支座上的螺母，将超精密电主轴及转动推力板调整至所需角度；
步骤四，旋转弹簧加载模块的调整螺母并观察载荷传感器的读数，调节载荷至所需大小；
步骤五，启动并加速超精密电主轴转动，带动推力板加速转动，与螺旋槽止推板之间形成动压气浮力，推动气浮滑块运动，推力板与螺旋槽止推板由初始接触状态逐渐脱离接触，测量并记录摩擦力矩和位移数据。
本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法，能够实现精密螺旋槽气体轴承的启停性能测试，检测气体轴承在启停过程中的摩擦磨损性能；相比整机测试，本发明提出的测试装置与方法，有效地减少了试验成本，缩短了试验周期。
附图说明
图1为本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法的结构示意图。
图2为止推气体轴承模拟测试结构。
图3为本发明精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法的原理图。
附图说明有：1为平面角度调整支座；2为竖直角度调整支座；3为超精密电主轴；4为转速传感器；5为转动推力板；6为螺旋槽止推板；7为轴承夹具；8为扭矩传感器；9为气浮滑块；10为气浮导轨；11为载荷传感器；12为导向杆；13为弹簧；14为调整螺母。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1-3所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，包括微纳米级精密旋转驱动模块、微角度调整模块、低摩擦高精度运动模块、精密测量模块、弹簧加载模块和被测装置；微纳米级精密旋转驱动模块包括超精密电主轴；微角度调整模块包括平面角度调整支座和竖直角度调整支座；低摩擦高精度运动模块包括气浮滑块和气浮导轨；精密测量模块包括扭矩传感器、载荷传感器和转速传感器；弹簧加载模块包括导向杆、弹簧和调整螺母；被测装置包括转动推力板、螺旋槽止推板和轴承夹具；平面角度调整支座和竖直角度调整支座通过螺母连接，平面角度调整支座上固定有超精密电主轴，超精密电主轴的一端上连接有转速传感器，且超精密电主轴的端口处与转动推力板连接；弹簧加载模块与载荷传感器相连，载荷传感器与气浮滑块的一端相连，气浮滑块放置在气浮导轨内，气浮滑块的另一端与扭矩传感器相连，扭矩传感器与轴承夹具相连，轴承夹具中夹持有螺旋槽止推板；微纳米级精密旋转驱动模块带动转动推力板进行高精度旋转，螺旋槽止推板与转动推力板之间产生动压气浮力，动压气浮力推动螺旋槽止推板发生轴向运动，使螺旋槽止推板逐渐与转动推力板脱离或发生接触。
微纳米级精密旋转驱动模块带动转动推力盘，实现高精度旋转，通过变速，实现螺旋槽气体轴承的启停。微角度调整模块(平面角度调整支座和竖直角度调整支座)对微纳米级精密旋转驱动模块和转动推力盘的角度进行微调，保证驱动模块工作位置的准确。低摩擦高精度运动模块(气浮滑块和气浮导轨)可以保证在启停状态监测过程中止推气体轴承(转动推力盘和螺旋槽推力盘)始终沿轴向运动，不发生偏转。弹簧加载装置与载荷传感器及气浮滑块相连，弹簧提供加载力，并通过气浮滑块将载荷传递到螺旋槽止推板处，实现加载功能。通过旋转调整螺母，可以实现载荷的连续调节。导向杆可以保证弹簧沿轴向，防止偏载。载荷传感器与气浮滑块相连，可以测量轴向力；扭矩传感器与轴承夹具和气浮滑块相连，可以测量摩擦力矩；转速传感器与超精密电主轴相连，可以测量和控制超精密电主轴转速。
实施例二：如图1所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述弹簧加载模块、低摩擦高精度运动模块、被测装置和微纳米级精密旋转驱动模块的中心轴位于同一水平面。
实施例三：如图1所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述超精密电主轴的一端设有通气、通电和冷却端口，气浮导轨上设有通气口。
实施例四：如图1所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述平面角度调整支座和竖直角度调整支座通过螺母连接处垫有蝶形弹簧。
实施例五：如图1和2所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，所述螺旋槽止推板和轴承夹具组成止推气体轴承。
实施例六：如图3所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法，所述精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法具体步骤为：
步骤一，启动气浮导轨，使气浮导轨稳定工作；
步骤二，启动扭矩传感器、载荷传感器和转速传感器，并同时启动上位机中的数据采集系统，准备进行测量；
步骤三，调节微角度调整模块的水平角度调整支座和竖直角度调整支座上的螺母，将超精密电主轴及转动推力板调整至所需角度；
步骤四，旋转弹簧加载模块的调整螺母并观察载荷传感器的读数，调节载荷至所需大小；
步骤五，启动并加速超精密电主轴转动，带动推力板加速转动，与螺旋槽止推板之间形成动压气浮力，推动气浮滑块运动，推力板与螺旋槽止推板由初始接触状态逐渐脱离接触，测量并记录摩擦力矩和位移数据。
载荷传感器测量距离气浮滑块的距离；扭矩传感器测量气浮滑块带动螺旋槽止推板的旋转扭矩；转速传感器测量微纳米级精密旋转驱动模块带动转动推力盘转动的速度。
实施例七：如图2所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法，本发明采用可更换气体轴承与转动推力盘的方式适配不同型号及不同工艺参数的螺旋槽气体轴承，提高测试装置的兼容性。
实施例八：如图1-3所示，本实施例所涉及的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置及方法，本发明的实验数据如下：
1.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；载荷1N，启动约5000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
2.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；载荷5N，启动约2000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
3.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；载荷10N，启动约500次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
4.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；螺旋槽止推板表面带2μm厚的DLC涂层；载荷1N，启动约12000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
5.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；螺旋槽止推板表面带2μm厚的DLC涂层；载荷5N，启动约5000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
6.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；螺旋槽止推板表面带2μm厚的DLC涂层；载荷10N，启动约2000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
7.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；螺旋槽止推板表面带2μm厚的Cr2O3-MoS2涂层；载荷1N，启动约10000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
8.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；螺旋槽止推板表面带2μm厚的Cr2O3-MoS2涂层；载荷5N，启动约4000次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
9.螺旋槽止推板尺寸：外径18mm，内径4mm，螺旋槽深度1μm，槽数15个；螺旋槽止推板表面带2μm厚的Cr2O3-MoS2涂层；载荷10N，启动约1500次后表面磨损严重，产生的气浮力较小，轴承无法启动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，其特征在于，所述精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置包括微纳米级精密旋转驱动模块、微角度调整模块、低摩擦高精度运动模块、精密测量模块、弹簧加载模块和被测装置；微纳米级精密旋转驱动模块包括超精密电主轴(3)；微角度调整模块包括平面角度调整支座(1)和竖直角度调整支座(2)；低摩擦高精度运动模块包括气浮滑块(9)和气浮导轨(10)；精密测量模块包括扭矩传感器(8)、载荷传感器(11)和转速传感器(4)；弹簧加载模块包括导向杆(12)、弹簧(13)和调整螺母(14)；被测装置包括转动推力板(5)、螺旋槽止推板(6)和轴承夹具(7)；平面角度调整支座(1)和竖直角度调整支座(2)通过螺母连接，平面角度调整支座(1)上固定有超精密电主轴(3)，超精密电主轴(3)的一端上连接有转速传感器(4)，且超精密电主轴(3)的端口处与转动推力板(5)连接；弹簧加载模块与载荷传感器(11)相连，载荷传感器(11)与气浮滑块(9)的一端相连，气浮滑块(9)放置在气浮导轨(10)内，气浮滑块(9)的另一端与扭矩传感器(8)相连，扭矩传感器(8)与轴承夹具(7)相连，轴承夹具(7)中夹持有螺旋槽止推板(6)；微纳米级精密旋转驱动模块带动转动推力板(5)进行高精度旋转，螺旋槽止推板(6)与转动推力板(5)之间产生动压气浮力，动压气浮力推动螺旋槽止推板(6)发生轴向运动，使螺旋槽止推板(6)逐渐与转动推力板(5)脱离或发生接触。
2.根据权利要求1所述的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，其特征在于，所述弹簧加载模块、低摩擦高精度运动模块、被测装置和微纳米级精密旋转驱动模块的中心轴位于同一水平面。
3.根据权利要求1所述的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，其特征在于，所述超精密电主轴(3)的一端设有通气、通电和冷却端口，气浮导轨(10)上设有通气口。
4.根据权利要求1所述的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，其特征在于，所述平面角度调整支座(1)和竖直角度调整支座(2)通过螺母连接处垫有蝶形弹簧。
5.根据权利要求1所述的精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试装置，其特征在于，所述螺旋槽止推板(6)和轴承夹具(7)组成止推气体轴承。
6.精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法，其特征在于，所述精密微型螺旋槽止推气体轴承启停性能测试方法具体步骤为：
步骤一，启动气浮导轨(10)，使气浮导轨(10)稳定工作；
步骤二，启动扭矩传感器(8)、载荷传感器(11)和转速传感器(4)，并同时启动上位机中的数据采集系统，准备进行测量；
步骤三，调节微角度调整模块的水平角度调整支座(1)和竖直角度调整支座(2)上的螺母，将超精密电主轴(3)及转动推力板(5)调整至所需角度；
步骤四，旋转弹簧加载模块的调整螺母(14)并观察载荷传感器(11)的读数，调节载荷至所需大小；
步骤五，启动并加速超精密电主轴(3)转动，带动推力板(5)加速转动，与螺旋槽止推板(6)之间形成动压气浮力，推动气浮滑块(9)运动，推力板(5)与螺旋槽止推板(6)由初始接触状态逐渐脱离接触，测量并记录摩擦力矩和位移数据。
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