CN108731604A - 一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，包括实验台、主轴支架、主轴和外壳，所述实验台上分别放置有主轴支架、加载装置、微调装置、粗调装置、报警装置、位移检测装置、力检测装置和数据处理装置；所述主轴支架上部设置有主轴，主轴两侧分别设置有加载装置和位移检测装置；所述粗调装置固定在实验台上,粗调装置上部滑动设有微调装置，微调装置上部固定设有加载装置，加载装置上部分别设置有压电陶瓷促动器和力检测装置；所述力检测装置的中心、压电陶瓷促动器的轴心、激光位移传感器的中心和主轴的轴心处于同一高度；本发明整体设备安装简单，操作难度小，整体测量精度高，对研究气体静压主轴具有重要意义。

Description

一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统

技术领域

本发明涉及主轴气膜厚度与刚度检测的技术领域，尤其涉及一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统。

背景技术

超精密加工技术是当今工业生产的重要支撑技术，是高科技产业的发展基础，也代表了制造技术的发展方向。而超精密加工机床是超精密加工技术的关键环节之一，各发达国家都致力于超精密加工机床的研发。气体静压主轴作为超精密加工机床的关键零部件之一，其关键零部件的加工精度及装配精度对气体静压主轴的性能优劣具有重要影响。目前，高速、高精度的气体静压主轴对关键零件的加工和装配提出严峻的挑战，因而，对气体静压主轴的关键零件的加工工艺和装配工艺进行研究具有重要意义。而承载能力和刚度是衡量机床主轴性能的重要指标，对零部件加工水平起决定作用。因此，研究气膜厚度和气膜刚度对分析气体静压主轴性能具有重要意义。

发明内容

针对传统竖向加载负荷检测气膜厚度误差较大的技术问题，本发明提出一种一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，包括实验台、主轴支架、主轴和外壳，所述实验台上分别放置有主轴支架、加载装置、微调装置、粗调装置、报警装置、位移检测装置、力检测装置和数据处理装置；所述主轴支架固定在实验台上，主轴支架上部设置有主轴，主轴两侧分别设置有加载装置和位移检测装置；所述粗调装置固定在实验台上，粗调装置上部滑动设有微调装置，微调装置上部固定设有加载装置，加载装置上部分别设置有压电陶瓷促动器和力检测装置；所述位移检测装置固定在实验台上，位移检测装置上部设置有激光位移传感器；所述力检测装置的中心、压电陶瓷促动器的轴心、激光位移传感器的中心和主轴的轴心处于同一高度；所述主轴和外壳上均设置有接线端子，接线端子与报警装置电连接；所述力检测装置和激光位移传感器均通过数据处理装置与上位机电连接；所述压电陶瓷促动器、报警装置、数据处理装置和上位机均与控制器电连接。

进一步地，所述加载装置包括压电陶瓷促动器、套筒、驱动支架和锁紧手柄；所述驱动支架上部开有槽孔，槽孔上部开有缝隙，槽孔内设置有套筒，锁紧手柄尾端横向穿过缝隙与驱动支架螺纹连接；所述套筒一端固定设置有力检测装置，套筒另一端固定设置有压电陶瓷促动器，压电陶瓷促动器设置在套筒和主轴之间。

进一步地，所述微调装置包括微调手柄、微调转轮、丝杠、滑块、锁紧机构和锁紧旋钮；微调手柄设置在微调转轮外部，微调转轮通过平键与丝杠一端连接，丝杠另一端通过螺纹与锁紧机构连接，锁紧机构与滑块接触；所述滑块上部固定有加载装置的驱动支架；所述锁紧机构一侧设置有锁紧旋钮，锁紧旋钮通过螺纹与锁紧机构连接。

进一步地，所述位移检测装置包括激光位移传感器、托板、托板支座、紧固螺钉和托板支架，激光位移传感器放置在托板上部，托板放置在托板支座上部，托板支座通过紧固螺钉与托板支架固定连接。

进一步地，所述粗调装置包括导轨和滑板，滑板滑动设置在导轨内，微调装置的滑块滑动设置在滑板上，导轨两侧设置有若干个螺孔，紧固螺钉穿过螺孔与滑板连接。

进一步地，所述报警装置包括电流传感器和蜂鸣器；所述数据处理装置为数据采集器；所述力检测装置为力传感器。

进一步地，所述加载装置采用水平方向加载负荷的加载装置。

进一步地，所述压电陶瓷促动器、蜂鸣器、电流传感器、数据采集器和上位机均与控制器电连接。

进一步地，一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统的使用方法，其特征在于，具体使用方法为：

1）前期准备：调节托板支座使激光位移传感器与压电陶瓷促动器以及主轴轴心在同一高度，紧固螺钉固定托板支座；

2）粗调步骤：估算主轴轴径，进行调整滑板在导轨上的的位置，随后用紧固螺钉锁紧滑板；

3）微调步骤：调节手柄使丝杠带动滑块在滑板内移动，当压电陶瓷促动器与主轴刚好接触时，调节锁紧旋钮固定丝杠；

4）加载步骤：控制器控制压电陶瓷促动器对主轴施加压力，根据力的作用是相互的，主轴对压电陶瓷促动器施加一个反作用力，力传感器固定在套筒尾端与压电陶瓷促动器接触，用以采集反作用力的大小，力传感器通过数据采集器对上位机信号反馈，将检测的数据进行采集、分析与存储；

5）参数记录：主轴和外壳在通气后是非接触的，把它当作两个电极，分别在上面安装接线端子用以连接导线，控制器控制蜂鸣器和电流传感器，在压电陶瓷促动器的作用下主轴和外壳接触的瞬间，控制器控制蜂鸣器报警，当控制器接收电流传感器检测到有电流通过时，控制器与上位机进行信号反馈，上位机接收力传感器探测主轴对压电陶瓷促动器施加的反作用力F和激光位移传感器探测主轴位移距离X；

6）计算气膜刚度：上位机根据探测的参数，自动分析计算得出气膜刚度K，即K=dF/dX，气膜刚度为气膜承载力与主轴位移距离的微分值。

本发明的有益效果是：采用压电陶瓷促动器施加载荷及用激光位移传感器记录位移，利用单片机控制的报警装置能够及时进行信号反馈，主轴与外壳接触时报警装置会响，接触瞬间力和位移的大小由数据采集器进行保存与处理。位移的变化量就是气膜的厚度，进而根据相关公式可计算气膜的刚度，传统检测气膜厚度的方法中通过在竖直方向上改变负载的重量来施加载荷，主轴会因本身的重量而造成偏心，这样会使得所测气膜厚度不够精准，该检测系统采用水平方向加载，可以消除这一因素造成的误差，采用的报警装置通过单片机对上位机及时反馈，激光位移传感器能够精确测得气膜的厚度，并且整体系统设备组装简单，容易操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体装配结构示意图。

图2为图1中加载装置装配结构示意图。

图3为图1中加载装置和位移检测装置组合装配结构示意图。

图中附图标记表示为，1为实验台，2为主轴支架底座，3为主轴支架，4为加载装置，5为锁紧手柄，6为主轴，7为接线端子，8为激光位移传感器，9为托板，10为紧固螺钉，11为托板支座，12为托板支架，13为导轨，15为微调手柄，16为微调转轮，17为丝杠，18为锁紧机构，19为滑块，20为力传感器，21为套筒，22为压电陶瓷促动器，24为驱动支架，25为滑板，26为锁紧旋钮，27为控制器，28为数据采集器，29为上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图1-3所示，一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，包括实验台1、主轴支架3、主轴6和外壳，所述实验台1上分别放置有主轴支架3、加载装置4、微调装置、粗调装置、报警装置、位移检测装置、力检测装置和数据处理装置；所述主轴支架3通过主轴支架底座2固定在实验台1上，主轴支架3上部设置有主轴6，主轴6上设置有若干个气孔，主轴6两侧分别设置有加载装置4和位移检测装置；所述粗调装置包括导轨13和滑板25，导轨13两侧设置有若干个螺孔，紧固螺钉10穿过螺孔与滑板25连接，所述粗调装置上部滑动设有微调装置，微调装置上部固定设置有加载装置4，加载装置4采用水平方向加载负荷的加载装置，加载装置上部分别设置有压电陶瓷促动器22和力检测装置；所述实验台1上固定有位移检测装置，位移检测装置上部设置有激光位移传感器8；所述力检测装置的中心、压电陶瓷促动器22的轴心、激光位移传感器8的中心和主轴6的轴心处于同一高度；所述主轴6和外壳上均设置有接线端子7，接线端子7与报警装置电连接，报警装置包括电流传感器和蜂鸣器，两个接线端子7与电流传感器串联；所述力检测装置和激光位移传感器8均通过数据处理装置与上位机29电连接，所述数据处理装置为数据采集器28，力检测装置为力传感器20；所述压电陶瓷促动器22、报警装置、数据采集器28和上位机29均与控制器27电连接。

实施例2：一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，所述加载装置4包括压电陶瓷促动器22、套筒21、驱动支架24和锁紧手柄5；所述驱动支架24上部开有槽孔，槽孔上部开有缝隙，槽孔内设置有套筒21，锁紧手柄5尾端横向穿过缝隙与驱动支架24螺纹连接，锁紧手柄5依靠螺纹紧固来缩小槽的间隙，从而能固定套筒21在驱动支架24上的位置；所述套筒21一端固定设置有力检测装置，套筒21另一端固定设置有压电陶瓷促动器22，压电陶瓷促动器22设置在套筒21和主轴6之间。其余与实施例1相同。

实施例3：一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，所述微调装置包括微调手柄15、微调转轮16、丝杠17、滑块19、锁紧机构18和锁紧旋钮26；微调手柄15设置在微调转轮16外部，微调转轮16通过平键与丝杠17一端连接，丝杠17另一端通过螺纹与锁紧机构18连接，锁紧机构18与滑块19接触；所述滑块19上部固定有驱动支架24；所述锁紧机构18一侧设置有锁紧旋钮26，锁紧旋钮26通过螺纹与锁紧机构18连接，锁紧旋钮26的作用就是当压电陶瓷促动器22与主轴6刚好接触时，锁紧旋钮26挤压一下丝杠，防止压电陶瓷促动器22与主轴6接触后，在施加力的瞬间滑块19会因螺纹连接之间会有间隙向后有微量的移动。其余与实施例1相同。

实施例4：一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，所述位移检测装置包括激光位移传感器8、托板9、托板支座11、紧固螺钉10和托板支架12，激光位移传感器8放置在托板9上部，托板9放置在托板支座11上部，托板支座11通过紧固螺钉10与托板支架12固定连接。其余与实施例1相同。

实施例5：一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统的使用方法，具体使用方法为：

1）前期准备：调节托板支座11使激光位移传感器8的中心与压电陶瓷促动器22的轴心以及主轴6轴心在同一高度，紧固螺钉10以固定托板支座11；

2）粗调步骤：估算主轴6轴径，进行调整滑板在导轨上的的位置，随后用紧固螺钉10锁紧滑板25；

3）微调步骤：调节手柄15使丝杠17带动滑块19在滑板25内移动，当压电陶瓷促动器22与主轴6刚好接触时，调节锁紧旋钮26固定丝杠17以防在加载中滑块19后移；

4）加载步骤：控制器27控制压电陶瓷促动器22对主轴6施加压力，根据力的作用是相互的，主轴6对压电陶瓷促动器22施加一个反作用力，力传感器20固定在套筒21尾端与压电陶瓷促动器22接触，用以采集反作用力的大小，力传感器20通过数据采集器28对上位机29信号反馈，将检测的数据进行采集、分析与存储；

5）参数记录：主轴6和外壳在通气后是非接触的，把它当作两个电极，分别在上面安装接线端子7用以连接导线，控制器27控制蜂鸣器和电流传感器，当线路闭合时控制器27控制蜂鸣器报警，在压电陶瓷促动器22的作用下主轴6和外壳接触的瞬间蜂鸣器会报警，当控制器27接收电流传感器检测到有电流通过时，控制器27与上位机29进行信号反馈，上位机29接收力传感器20和激光位移传感器8探测的反作用力和主轴位移参数；

6）计算气膜刚度：上位机29根据探测的参数，自动分析计算得出气膜刚度K，即K=dF/dX，气膜刚度为气膜承载力与主轴位移距离的微分值。其余与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，包括实验台（1）、主轴支架（3）、主轴（6）和外壳，其特征在于，所述实验台（1）上分别放置有主轴支架（3）、加载装置（4）、微调装置、粗调装置、报警装置、位移检测装置、力检测装置和数据处理装置；所述主轴支架（3）固定在实验台（1）上，主轴支架（3）上部设置有主轴（6），主轴（6）两侧分别设置有加载装置（4）和位移检测装置；所述粗调装置固定在实验台（1）上,粗调装置上部滑动设有微调装置，微调装置上部固定设有加载装置（4），加载装置上部分别设置有压电陶瓷促动器（22）和力检测装置；所述位移检测装置固定在实验台（1）上，位移检测装置上部设置有激光位移传感器（8）；所述力检测装置的中心、压电陶瓷促动器（22）的轴心、激光位移传感器（8）的中心和主轴（6）的轴心处于同一高度；所述主轴（6）和外壳上均设置有接线端子（7），接线端子（7）与报警装置电连接；所述力检测装置和激光位移传感器（8）均通过数据处理装置与上位机（29）电连接；所述压电陶瓷促动器（22）、报警装置、数据处理装置和上位机（29）均与控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，其特征在于，所述加载装置（4）包括压电陶瓷促动器（22）、套筒（21）、驱动支架（24）和锁紧手柄（5）；所述驱动支架（24）上部开有槽孔，槽孔上部开有缝隙，槽孔内设置有套筒（21），锁紧手柄（5）尾端横向穿过缝隙与驱动支架（24）螺纹连接；所述套筒（21）一端固定设置有力检测装置，套筒（21）另一端固定设置有压电陶瓷促动器（22），压电陶瓷促动器（22）设置在套筒（21）和主轴（6）之间。

3.根据权利要求1所述的一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，其特征在于，所述微调装置包括微调手柄（15）、微调转轮（16）、丝杠（17）、滑块（19）、锁紧机构（18）和锁紧旋钮（26）；微调手柄（15）设置在微调转轮（16）外部，微调转轮（16）通过平键与丝杠（17）一端连接，丝杠（17）另一端通过螺纹与锁紧机构（18）连接，锁紧机构（18）与滑块（19）接触；所述滑块（19）上部固定有加载装置（4）的驱动支架（24）；所述锁紧机构（18）一侧设置有锁紧旋钮（26），锁紧旋钮（26）通过螺纹与锁紧机构（18）连接。

4.根据权利要求1所述的一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，其特征在于，所述位移检测装置包括激光位移传感器（8）、托板（9）、托板支座（11）、紧固螺钉（10）和托板支架（12），激光位移传感器（8）放置在托板（9）上部，托板（9）放置在托板支座（11）上部，托板支座（11）通过紧固螺钉（10）与托板支架（12）固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，其特征在于，所述粗调装置包括导轨（13）和滑板（25），滑板（25）滑动设置在导轨（13）内，微调装置的滑块（19）滑动设置在滑板（25）上；导轨（13）两侧设置有若干个螺孔，紧固螺钉（10）穿过螺孔与滑板（25）连接。

6.根据权利要求1所述的一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，其特征在于，所述报警装置包括电流传感器和蜂鸣器；所述数据处理装置为数据采集器（28）；所述力检测装置为力传感器（20）。

7.根据权利要求1所述的一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统，其特征在于，所述加载装置（4）采用水平方向加载负荷的加载装置。

8.一种气体静压主轴径向气膜厚度与刚度检测系统的使用方法，其特征在于，具体使用方法为：

1）前期准备：调节托板支座（11）使激光位移传感器（8）的中心与压电陶瓷促动器（22）的轴心以及主轴（6）轴心在同一高度，紧固螺钉（10）固定托板支座（11）；

2）粗调步骤：估算主轴（6）轴径，进行调整滑板在导轨上的的位置，随后用紧固螺钉（10）锁紧滑板（25）；

3）微调步骤：调节手柄（15）使丝杠（17）带动滑块（19）在滑板（25）内移动，当压电陶瓷促动器（22）与主轴（6）刚好接触时，调节锁紧旋钮（26）固定丝杠（17）；

4）加载步骤：控制器（27）控制压电陶瓷促动器（22）对主轴（6）施加压力，主轴（6）对压电陶瓷促动器（22）施加一个反作用力，力传感器（20）固定在套筒（21）尾端与压电陶瓷促动器（22）接触采集反作用力的大小，力传感器（20）通过数据采集器（28）对上位机（29）信号反馈，将检测的数据进行采集、分析与存储；

5）参数记录：主轴（6）和外壳在通气后是非接触的，把它当作两个电极，分别在上面安装接线端子（7）用以连接导线，控制器（27）控制蜂鸣器和电流传感器，在压电陶瓷促动器（22）的作用下主轴（6）和外壳接触的瞬间，控制器（27）控制蜂鸣器报警，当控制器（27）接收电流传感器检测到有电流通过时，控制器（27）与上位机（29）进行信号反馈，上位机（29）接收力传感器（20）探测主轴对压电陶瓷促动器施加的反作用力F和激光位移传感器（8）探测主轴位移距离X；

6）计算气膜刚度：上位机（29）根据接收力传感器（20）和激光位移传感器（8）探测参数，自动分析计算得出气膜刚度K，即K=dF/dX，气膜刚度为气膜承载力与主轴位移距离的微分值。