CN109946478A - 一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对空气静压主轴内部气体流速变化的检测系统，该系统包括1个空气静压主轴系统、1个荧光显微镜、2个CCD相机、1个激光发射器、1个信号控制器和1台PC机；所述的荧光显微镜固定在空气静压主轴的轴套上，荧光粒子充满着主轴的整个气腔，激光发生器的光束透过荧光显微镜，荧光显微镜一端观测着气膜间隙内区域，另一端与CCD相机固定在一起，CCD相机的输出端与PC机相连，PC机再将信号输出给同步控制器，同步控制器再反馈给CCD相机和激光发生器，实现对CCD相机与激光发生器的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气静压主轴内部气体流速的检测系统，要求对主轴气膜间隙内与转子相距不同距离的平面上实现气体流速检测，以及比较气体流速受主轴转速的影响。
背景技术
空气静压主轴系统广泛应用于超精密加工设备中，是超精密机床进行加工的核心部分,它的回转精度、刚度直接影响到机床的加工精度。在空气静压主轴系统中，主轴内部的气体流动对转子的回转精度以及气体刚度起着决定性的作用。由于气膜的间隙达到了微米级别，因而气体的流动不再适用传统意义上的宏观流动去解释，气体在流动时会产生速度滑移现象，同时气体的流速会影响气膜间隙内的气体压强分布，因而研究气膜间隙内的气体压强时，对距离转子表面不同的距离处气体流速进行检测具有重要意义。CN201720767378.3一种CO2射频激光器的介质气体加速回流装置，CO2射频激光器包括激光放电腔及控制电路，激光放电腔由上框板、下框板、左框板、右框板及两侧端板围构而成，两个相对设置的射频电极板通过两侧端板固定于激光放电腔内部，两个射频电极板的相对侧设置放电电极，两放电电极之间形成介质气体放电区，激光放电腔内设置变频风扇，控制电路的控制输出端与变频风扇的控制端相连接，激光器在激发状态下，通过控制电路控制变频风扇实现变频控制调节介质气体的流速。本实用新型能够加速激光器在工作时的介质气体回流速度，提高流速均匀性，从而提高激光器输出功率的稳定性。但是针对空气静压主轴内部气体流速进行检测的装置或者结构并未见到。设计一种能够对空气静压主轴系统内的气体流速进行检测的系统非常重要。
发明内容
本发明的目的是针对空气静压主轴系统内的气体流速进行检测，提出了一种对主轴气膜间隙内不同位置处气体流速的监测系统，实现主轴在运动过程中或静止状态下气体流动速度的精确记录及检测，进而能充分分析微尺度效应和主轴转速对气体流动的影响。
本发明采用的技术方案为一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，该系统包括1个空气静压主轴系统、1个荧光显微镜、2个CCD相机、1个激光发射器、1个信号控制器和1台PC机；所述的荧光显微镜固定在空气静压主轴的轴套上，荧光粒子充满着空气静压主轴的整个空气静压主轴系统的气腔，激光发生器的光束透过荧光显微镜，荧光显微镜一端观测着气膜间隙内区域，另一端与一个CCD相机固定在一起，另一个CCD相机的输出端与PC机相连，PC机再将信号输出给同步控制器，同步控制器再反馈给CCD相机和激光发生器，实现对CCD相机与激光发生器的控制。
本发明所述荧光显微镜是一种结构简单、易操作、稳定性好的显微镜，能够通过调节旋钮得到不同的聚焦平面，从而实现观测区域的调整，达到对不同位置的气流进行观察的目的。
本发明所述利用双眼成像原理，两个CCD相机并联设置在荧光显微镜的一侧，通过两个CCD相机对荧光显微镜聚焦平面内的荧光粒子进行连续高频拍摄，从而能够得出清晰准确的粒子运动轨迹。CCD相机能够连续多次拍摄到主轴气膜间隙内的荧光粒子。
所述PC机能够实现对成像图片中的荧光粒子进行追踪处理，找出相邻时间段内两幅图片中荧光粒子的相关性，从而得到粒子的运动速度。
所述同步控制器能够根据PC机发出的信号对激光发生器以及CCD相机做出反馈调节，使得拍摄出的成像效果达到最佳。
本发明所述激光发生器能够根据同步控制器给出的信号指令进行调整，并且发出的激光光束通过二向色分光镜的作用进入荧光显微镜使荧光粒子感光。
本发明具有以下突出优点：
1)结构简单。通过将荧光显微镜固定在空气静压主轴的轴套上，对空气静压主轴系统内的荧光粒子轨迹进行观察，从而体现气膜间隙内的气体流动情况。
2)实时精确检测，可靠性高。当主轴处于运转或静止状态时，利用双眼成像原理，使用两台CCD相机对聚焦平面上的粒子运动进行高频拍摄，使得每一次拍摄得到的粒子在图像中成像清晰，在气膜间隙内的位置更加准确，再利用PC机对连续两次拍摄得到的图像进行荧光粒子相关性比较，通过对比得到气体的精确流速。
3)控制灵敏，稳定性好。从PC端处理后得到的反馈数据经过同步控制传到CCD相机和激光发生器，从而保证下一次的拍摄继续进行；通过对荧光显微镜聚焦平面的调节，能够实现对整个气体流动区域的观测，并得到稳定的观测结果。
附图说明
图1为本发明实施例中空气静压主轴整体结构示意图。
图2为本发明实施例中进行观测、拍摄、信号处理以及反馈调节的示意图。
图中：
1主轴轴套，2进气孔，3荧光粒子，4主轴转子，5上止推板，6径向节流孔，7观测区域，8聚焦平面，9轴向节流孔，10下止推板，11荧光显微镜，12 CCD相机，13二向色分光镜，14PC机，15同步控制器，16激光发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做作一步阐述。
参见图1，本发明实施例设有空气静压主轴系统。主轴轴套1，进气孔2，荧光粒子3，主轴转子4，上止推板5，径向节流孔6，观测区域7，聚焦平面8轴向节流孔9，下止推板10。
经过过滤的空气与荧光粒子在充分混合后通过空气静压主轴的进气孔进入主轴气腔，再经过径向和轴向的节流孔，到达主轴转子表面，形成一层厚度均匀的气膜，使转子在转动过程中几乎不产生摩擦。由于气膜对转子有一定的支撑作用，使转子在径向方向上不发生相对移动，同时在轴向方向上由于上、下止推板的作用，转子的轴向方向上的相对位置固定。当主轴处于静止状态下或运转时，可以对气体的流速进行精确检测。
参见图2，本发明实施例设有气体流速的观察、处理与检测系统。荧光显微镜11，CCD相机12，二向色分光镜13，PC机14，同步控制器15，激光发生器16。通过调节荧光显微镜的聚焦平面可以实现对气膜间隙内某一平面上的气流进行观察，利用双眼成像原理，采用CCD相机对观测到的荧光粒子进行高频拍摄。再将拍摄得到的图像传输给PC机进行处理，处理结果传递给同步控制器，再由控制器对CCD相机和激光发生器发出指令进行维调整以达到最佳拍摄效果。PC机利用同一聚焦平面上连续拍摄得到的图像进行粒子追踪从而得到该平面上的气体流速。通过调节不同的聚焦平面得到不同的荧光粒子流速，从而实现整个流场区域的观察，体现气体的速度滑移现象。
Claims (8)
1.一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：该系统包括1个空气静压主轴系统、1个荧光显微镜、2个CCD相机、1个激光发射器、1个信号控制器和1台PC机；所述的荧光显微镜固定在空气静压主轴的轴套上，荧光粒子充满着空气静压主轴的整个空气静压主轴系统的气腔，激光发生器的光束透过荧光显微镜，荧光显微镜一端观测着气膜间隙内区域，另一端与一个CCD相机固定在一起，另一个CCD相机的输出端与PC机相连，PC机再将信号输出给同步控制器，同步控制器再反馈给CCD相机和激光发生器，实现对CCD相机与激光发生器的控制。
2.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：所述荧光显微镜能够通过调节旋钮得到不同的聚焦平面，从而实现观测区域的调整，达到对不同位置的气流进行观察的目的。
3.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：利用双眼成像原理，两个CCD相机并联设置在荧光显微镜的一侧，通过两个CCD相机对荧光显微镜聚焦平面内的荧光粒子进行连续高频拍摄，从而能够得出清晰准确的粒子运动轨迹；CCD相机能够连续多次拍摄到主轴气膜间隙内的荧光粒子。
4.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：所述PC机能够实现对成像图片中的荧光粒子进行追踪处理，找出相邻时间段内两幅图片中荧光粒子的相关性，从而得到粒子的运动速度。
5.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：所述同步控制器能够根据PC机发出的信号对激光发生器以及CCD相机做出反馈调节，使得拍摄出的成像效果达到最佳。
6.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：所述激光发生器能够根据同步控制器给出的信号指令进行调整，并且发出的激光光束通过二向色分光镜的作用进入荧光显微镜使荧光粒子感光。
7.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：经过过滤的空气与荧光粒子在充分混合后通过空气静压主轴的进气孔进入主轴气腔，再经过径向和轴向的节流孔，到达主轴转子表面，形成一层厚度均匀的气膜，使转子在转动过程中几乎不产生摩擦；由于气膜对转子有一定的支撑作用，使转子在径向方向上不发生相对移动，同时在轴向方向上由于上、下止推板的作用，转子的轴向方向上的相对位置固定；当主轴处于静止状态下或运转时，对气体的流速进行精确检测。
8.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴内部气体流速的检测系统，其特征在于：通过调节荧光显微镜的聚焦平面可以实现对气膜间隙内某一平面上的气流进行观察，利用双眼成像原理，采用CCD相机对观测到的荧光粒子进行高频拍摄；再将拍摄得到的图像传输给PC机进行处理，处理结果传递给同步控制器，再由控制器对CCD相机和激光发生器发出指令进行维调整以达到最佳拍摄效果；PC机利用同一聚焦平面上连续拍摄得到的图像进行粒子追踪从而得到该平面上的气体流速；通过调节不同的聚焦平面得到不同的荧光粒子流速，从而实现整个流场区域的观察，体现气体的速度滑移现象。
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