CN109986367A - 一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置 - Google Patents

一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，包括底座、立柱、气浮垫、压板、S型压力传感器、螺纹转接头、压电驱动器、位移传感器、粗调螺杆、上盖、顶盖和手柄，所述底座上设有有位移传感器、立柱和气浮垫，气浮垫上设置压板，压板与S型压力传感器的底端相连，压电驱动器通过螺纹转接头与S型压力传感器的上端相连，所述压电驱动器与上盖相连，上盖设置在立柱上方，粗调螺杆设置在上盖上，手柄固定在顶盖上，手柄控制粗调螺杆移动。本发明装置能够有效测量气浮垫在不同气膜间隙下的刚度值，结构简单，易于操作，为超精密机床的设计制造提供指导。

Description

一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置
技术领域
本发明涉及精密测量领域，尤其涉及一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置。
背景技术
超精密加工技术是现代制造技术的发展方向，对促进科学技术的进步起到至关重要的作用，现代工业对产品质量、性能、可靠性等的要求越来越高，超精密加工技术也在逐渐革新。加工过程中的加工工艺、设备、工件材料、工具、工装、环境、检测等都会影响超精密加工的精度。超精密加工技术的发展方向趋向于高精度、高效率、微型化、大型化、智能化等特点。超精密切削(车削、铣削、飞切)机床是超精密加工应用最广泛的加工设备，机床中的很多部件都采用气浮垫装置，如空气轴承，气浮导轨等，采用气浮垫制成的加工设备，具有非常小且均匀的动静摩擦系数，因此可以获得更高的加工精度。气浮垫的刚度是其重要性能之一，对机床的加工精度有很大影响。因此开展气浮垫刚度测量对推进超精密加工技术的迅速发展具有重要意义。
气浮垫气膜刚度的定义为施加在气浮垫上的承载力的变化量和此时引起的气膜间隙的变化量之间的比值。气浮垫的刚度测试装置由力加载装置、力传感器和位移传感器组成。力加载装置用于改变气浮垫的承载力，力传感器用于测量承载力的变化量，位移传感器用于测量气膜间隙的变化量。气浮垫刚度测量装置能够检测气浮垫的刚度大小，为超精密机床的制造提供选择依据。
发明内容
为解决现有的技术问题，本发明提供了一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置。
本发明的具体内容如下：一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，包括底座、立柱、气浮垫、压板、S型压力传感器、螺纹转接头、压电驱动器、位移传感器、粗调螺杆、上盖、顶盖和手柄，所述底座上设有有位移传感器、立柱和气浮垫，气浮垫上设置压板，压板与S型压力传感器的底端相连，压电驱动器通过螺纹转接头与S型压力传感器的上端相连，所述压电驱动器与上盖相连，上盖设置在立柱上方，粗调螺杆设置在上盖上，手柄固定在顶盖上，手柄控制粗调螺杆移动。
S型压力传感器采用合金钢或不锈钢材质，可承受拉，压两种用途，其精度高，性能稳定，适用小空间尺寸的拉压力称重测力场所。通过压板将承载力均匀施加在气浮垫的上表面，再通过压力传感器和位移传感器分别读取气浮垫的承载力和位置，改变压电驱动器电压来改变气浮垫的位置，得出气膜间隙和对应的承载力。
进一步的，所述位移传感器测量气浮垫与底座之间的气膜间隙，所述压力传感器测量气浮垫承载力的数值。
本申请设置粗调螺杆连接压电驱动器用于调整气浮垫的承载力与气膜间隙，位移传感器测量气浮垫的位移变化，从而获得不同的气膜间隙下气浮垫对应的承载力。
进一步的，所述位移传感器的位移敏感方向为垂直方向，分辨率为0.1μm。
进一步的，所述压力传感器的力敏感方向为垂直方向，分辨率小于等于1N。
进一步的，所述上盖与立柱通过螺钉连接，上盖上设有一个有内侧螺纹的螺纹导向座，顶盖的圆柱面通过螺钉与粗调螺杆连接，手柄固定在顶盖上，粗调螺杆与上盖的螺纹导向座通过螺纹连接；粗调螺杆和螺纹导向座构成一个螺纹进给装置进行宏观调整，通过手柄使粗调螺杆沿螺纹导向座在竖直方向移动。
进一步的，所述螺纹导向座的侧面设有开口，所述压电驱动器通过开口由外界电源供电。
进一步的，所述粗调螺杆和压电驱动器的中心线同轴。
进一步的，所述位移传感器与底座互相垂直。
进一步的，所述位移传感器包括电容位移传感器或激光位移传感器。
进一步的，所述底座的底部设有隔振基板，底座为三角形，底座通过螺钉与分别位于底座三个角的三个立柱相连。
采用螺纹进给装置进行宏观调整，将力通过压板均匀施加在气浮垫上表面，使气浮垫与底座紧密接触，由位移传感器记录气浮垫的初始位置S0，记录下施加在气浮垫上的初始预紧力F0，给气浮垫供气，此时由于气浮力的作用气浮垫与底座间会形成初始间隙，也就是气膜厚度，记为h0，并由位移传感器记录气浮垫的当前位置S1，和测力计的当前数值F1；由此能够计算出气膜间隙与对应的承载力，改变压电陶瓷电压，调整气浮垫位移，获得第二组气膜间隙与对应的承载力，重复上述方法，获得不同气膜间隙下的刚度值。
本发明的有益效果：本发明装置能够有效测量气浮垫在不同气膜间隙下的刚度值，结构简单，易于操作，为超精密机床的设计制造提供指导。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
图1为发明的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置的结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的超精密机床的气浮垫的刚度测试装置包括底座1、立柱2、气浮垫3、压板4、S型压力传感器5、螺纹转接头6、压电驱动器7、位移传感器8、粗调螺杆9、上盖10、顶盖11、手柄12。
底座1放置在隔振基板上，通过螺钉连接三个立柱2，立柱2上端与上盖10连接，顶盖11圆柱面通过螺钉与粗调螺杆9连接，手柄12固定在顶盖11上，粗调螺杆9与上盖10螺纹导向座通过螺纹连接；压电驱动器7上端与粗调螺杆9连接，另一端通过螺纹转接头6与S型压力传感器4连接，在上盖10螺纹导向座侧面开口处给压电驱动器7通电，S型压力传感器5下端连接压板4。
首先通过手柄12对螺纹进给装置进行宏观调整，将力通过压板4均匀施加在气浮垫3上表面，使气浮垫3与底座1紧密接触，在施力过程中，保证力作用线与粗调螺杆9和压电驱动器7的中心线同轴，位移传感器8与底座1垂直。
由位移传感器8(电容位移传感器、激光位移传感器等)记录气浮垫3的初始位置S0，记录下施加在气浮垫上3的初始预紧力F0，给气浮垫3供气，此时由于气浮力的作用气浮垫3与底座1间会形成初始间隙，也就是气膜厚度，记为h0，并由位移传感器8记录气浮垫3的当前位置S1，和测力计的当前数值F1；
此时，气浮垫3的气膜间隙为：
h0＝S1-S0
此气膜间隙对应承载力为：
改变压电驱动器7电压，使压电驱动器7驱动气浮垫3下移1um，由测力计获得当前数值F2，此时，气膜间隙表示为：
h1＝h0-1
此气膜间隙对应承载力为：
重复调整供气量与压电驱动器7电压，获得气浮垫3在不同气膜间隙下的承载力，并由
计算获得不同气膜间隙下的刚度值。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：包括底座、立柱、气浮垫、压板、S型压力传感器、螺纹转接头、压电驱动器、位移传感器、粗调螺杆、上盖、顶盖和手柄，所述底座上设有有位移传感器、立柱和气浮垫，气浮垫上设置压板，压板与S型压力传感器的底端相连，压电驱动器通过螺纹转接头与S型压力传感器的上端相连，所述压电驱动器与上盖相连，上盖设置在立柱上方，粗调螺杆设置在上盖上，手柄固定在顶盖上，手柄控制粗调螺杆移动。
2.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述位移传感器测量气浮垫与底座之间的气膜间隙，所述压力传感器测量气浮垫承载力的数值。
3.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述位移传感器的位移敏感方向为垂直方向，分辨率为0.1μm。
4.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述压力传感器的力敏感方向为垂直方向，分辨率小于等于1N。
5.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述上盖与立柱通过螺钉连接，上盖上设有一个有内侧螺纹的螺纹导向座，顶盖的圆柱面通过螺钉与粗调螺杆连接，手柄固定在顶盖上，粗调螺杆与上盖的螺纹导向座通过螺纹连接；粗调螺杆和螺纹导向座构成一个螺纹进给装置进行宏观调整，通过手柄使粗调螺杆沿螺纹导向座在竖直方向移动。
6.根据权利要求5所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述螺纹导向座的侧面设有开口，所述压电驱动器通过开口由外界电源供电。
7.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述粗调螺杆和压电驱动器的中心线同轴。
8.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述位移传感器与底座互相垂直。
9.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述位移传感器包括电容位移传感器或激光位移传感器。
10.根据权利要求1所述的用于测量超精密机床气浮垫刚度的装置，其特征在于：所述底座的底部设有隔振基板，底座为三角形，底座通过螺钉与分别位于底座三个角的三个立柱相连。
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