CN110026572B - 一种气体静压主轴气膜无级变阻尼装置 - Google Patents

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Abstract

气体静压主轴气膜无级变阻尼装置，轴套与主轴同轴安装，轴套与主轴之间的间隙形成气膜；气室外套装套于轴套外壁，气室外套内壁沿周向均布若干凸出的接触部，在轴套外壁围合出若干周向均布的气室；气室与气膜通过节流孔连通，气室所在的气室外套的壁面开有贯通的进气孔；进气孔通过供气管与T型三通球阀出口连接；T型三通球阀一端进口与空气气源连接，另一端进口与减压阀出口端连接；减压阀进口端与氖气罐连接；压差传感器一端与空气气路连接，另一端与氖气气路连接；位移传感器隔空安装于主轴外部，两个位移传感器以主轴轴线为中心成90°布置；压差传感器、位移传感器的数据输出端均连接控制系统，T型三通球阀、减压阀的控制端均连接控制系统。

Description

一种气体静压主轴气膜无级变阻尼装置
技术领域
本发明涉及一种气体静压主轴气膜无级变阻尼装置。
背景技术
气体静压主轴是超精密机床的核心部件，其静动态特性很大程度上决定了机床的加工性能。主轴在加工过程中会受到来自不同方向的切削力和电机周期性力矩波动的影响，使主轴产生不同方向的运动误差和高次谐波振动，易出现主轴运转“失稳”现象。气体静压主轴气膜的刚度与阻尼是决定主轴动态特性的关键因素，因而气膜阻尼与刚度的控制显得尤为重要。现有技术主要通过改变气膜刚度即通过改变不同方向上节流器的出口气压来实现对主轴非均匀受力的反馈控制，这在一定程度上改善了主轴的动态特性。但是，节流器出口气压的实时控制对于传感器与控制系统具有非常高的要求，而通过无级变阻尼的方式同样能够实现对主轴振动特性的改善，且实现方式较为简单。空气气膜阻尼较低，主轴在外部激励下近似做受迫自由振动，通过高阻尼气体与空气混合，增大气膜阻尼，从而改善主轴动态特性，但若气膜阻尼始终保持过高，将产生较大剪切力造成主轴发热严重，于是气膜阻尼的调节很有必要。一般而言，气膜阻尼与气膜粘度呈正相关性。气膜粘度越大，气膜阻尼就越大。因此，可以利用调节气膜的粘度来调节气膜阻尼。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点、实现气体静压主轴气膜阻尼的调节，本发明提供了一种有效可靠且实现方式简单的气体静压主轴气膜无级变阻尼装置。
本发明所述的一种气体静压主轴气膜无级变阻尼装置，轴套与所述主轴同轴安装，轴套与所述主轴之间的间隙形成气膜，为主轴提供支撑。气室外套装套于所述轴套外壁，气室外套内壁沿周向均布若干凸出的接触部，接触部沿轴向延伸，在轴套外壁围合出若干周向均布的气室，接触部与轴套的外壁密封连接。气室与气膜通过节流孔连通，气室所在的气室外套的壁面开有贯通的进气孔；进气孔通过供气管与T型三通球阀出口连接；T型三通球阀一端进口与所述空气气源连接，另一端进口与所述减压阀出口端连接；减压阀进口端通过氖气气路与所述氖气罐连接。压差传感器一端与空气气路连接，另一端与氖气气路连接。位移传感器垂直于主轴轴线地隔空安装于主轴外部，两个位移传感器以主轴轴线为中心成90°布置。压差传感器、位移传感器的数据输出端均连接控制系统，T型三通球阀、减压阀的控制端均与控制系统连接。
位移传感器与主轴隔空安装，是指位移传感器不与主轴1接触。
进一步，气室呈扇形，进气孔位于各扇面形气室的中心线上。
本发明的构思为：
气体静压主轴在工作时，高压空气与氖气分别从T型三通球阀的两个进口进入并混合后从T型三通球阀的出口排出，经过供气管并穿过气室外套的进气口至轴套外的气室；气室内的气体通过节流孔到达主轴和轴套的间隙区域形成高压气膜，高压气膜支撑主轴进行旋转运动；气膜对主轴的支撑可等效为与节流孔分布一致的弹簧阻尼系统对主轴的支撑；位移传感器可实时测量主轴在两个垂直方向上的位移，并将数据实时传输至控制系统，控制系统通过算法可得到主轴的周期性径向振动方向及其振幅大小，并可以通过控制指令对T型三通球阀进行控制；T型三通球阀根据控制指令，其阀芯沿轴线进行旋转运动，改变其阀芯开口的方向，从而控制空气与氖气的供气比例，进一步控制节流孔出口处的气膜粘度，即控制了节流孔出口处的气膜阻尼；每一个进气口均为独立供气，因此其每一个节流孔出口处的气膜阻尼可实现独立控制，根据主轴振动主方向确定需要调节的T型三通球阀；压差传感器用于监测供气的空气压力与氖气压力是否相同，并将其信息发送给控制系统，控制系统根据所得信息控制减压阀，调节氖气供气压力，使其始终保持与空气供气压力相同，即保证气体静压主轴的供气压力恒定。
常温下空气动力粘度为1.81×10-5Pa·s，氖气动力粘度为3.13×10-5Pa·s，因此在理想状态下，两者不同比例地混合即能够实现气膜粘度在1.81×10-5～3.13×10-5Pa·s范围内的无级调节。气体静压主轴在工作时，所有T型三通球阀均处于完全空气供气状态，当控制系统接收到位移传感器的数据，通过分析得到主轴振动主方向，并进一步得到不同供气管的最佳气体配比，由此控制T型三通球阀阀芯的开口方向，越是接近振动主方向，氖气比例越高；当主轴振动主方向改变，各个T型三通球阀阀芯的开口方向也将做出相应调整，进一步改变不同节流孔附近的气膜粘度，即改变气膜阻尼。
本发明的有益效果在于：
(1)可实现气体静压主轴气膜阻尼的无级调节。
(2)可有效改善主轴动态特性，提高系统稳定性。
(3)可有效提高主轴精度与工作适应性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的气膜支撑等效图；
图3是本发明的T型三通球阀处于混合供气状态时示意图；
图4是本发明的T型三通球阀处于完全氖气供气状态时示意图；
图5是本发明的T型三通球阀处于完全空气供气状态时示意图；
图中：主轴1、轴套2、气室外套3、气膜4、空气气源5、T型三通球阀6、供气管7、压差传感器8、减压阀9、氖气罐10、控制系统11、位移传感器12、节流孔21、进气孔31、气室32、阀芯61。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参照附图：
本发明所述的一种气体静压主轴无级变阻尼装置，轴套2与所述主轴1同轴安装，轴套2与所述主轴1之间的间隙形成气膜4，为主轴1提供支撑。气室外套3装套于所述轴套2外壁，气室外套3内壁沿周向均布若干凸出的接触部，接触部沿轴向延伸，在轴套2外壁围合出若干周向均布的气室32，接触部与轴套2的外壁密封连接。气室32与气膜4通过节流孔21连通，气室32所在的气室外套3的壁面开有贯通的进气孔31，进气孔31通过供气管7与所述T型三通球阀6出口连接。所述T型三通球阀6一端进口与所述空气气源5连接，另一端进口与所述减压阀9出口端连接。所述减压阀9进口端通过氖气气路与所述氖气罐10连接。压差传感器8一端与空气气路连接，另一端与氖气气路连接。位移传感器12垂直主轴轴线地隔空安装于主轴1外部，两个位移传感器12以主轴轴线为中心成90°布置。压差传感器8、位移传感器12的数据输出端均连接控制系统11，,T型三通球阀6、减压阀9的控制端均与控制系统11连接。
位移传感器12与主轴1隔空安装，是指位移传感器12不与主轴1接触。
进一步，气室32呈扇形，进气孔31位于各扇面形气室32的中心线上。
本发明的构思为：
气体静压主轴在工作时，高压空气与氖气分别从T型三通球阀6的两个进口进入并混合后从T型三通球阀6的出口排出，经过供气管7并穿过气室外套3的进气口31至轴套2外的气室32；气室32内的气体通过节流孔21到达主轴1和轴套2的间隙区域形成高压气膜4，高压气膜4支撑主轴1进行旋转运动；气膜4对主轴1的支撑可等效为与节流孔21分布一致的弹簧阻尼系统对主轴1的支撑；位移传感器12可实时测量主轴1在两个垂直方向上的位移，并将数据实时传输至控制系统11，控制系统11通过算法可得到主轴1的周期性径向振动方向及其振幅大小，并可以通过控制指令对T型三通球阀6进行控制；T型三通球阀6根据控制指令，其阀芯61沿轴线进行旋转运动，改变其阀芯61开口的方向，从而控制空气与氖气的供气比例，进一步控制节流孔21出口处气膜4的粘度；每一个进气口31均为独立供气，因此其每一个节流孔出口处的气膜4阻尼可实现独立控制，根据主轴1振动主方向确定需要调节的T型三通球阀6；压差传感器8用于监测供气的空气压力与氖气压力是否相同，并将其信息发送给控制系统11，控制系统11根据所得信息控制减压阀9，调节氖气供气压力，使其始终保持与空气供气压力相同，即保证气体静压主轴的供气压力恒定。
常温下空气动力粘度为1.81×10-5Pa·s，氖气动力粘度为3.13×10-5Pa·s，因此在理想状态下，两者不同比例地混合即能够实现气膜4粘度在1.81×10-5～3.13×10-5Pa·s范围内的无级调节。气体静压主轴在工作时，所有T型三通球阀6均处于完全空气供气状态，当控制系统11接收到位移传感器12的数据，通过分析得到主轴1振动主方向，并进一步得到不同供气管7最佳气体配比，由此控制T型三通球阀6阀芯61的开口方向，越是接近振动主方向，氖气比例越高；当主轴1振动主方向改变，各个T型三通球阀6阀芯61的开口方向也将做出相应调整，进一步改变不同节流孔21出口处的气膜4粘度，即改变气膜4阻尼。
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 (2)

1.一种气体静压主轴气膜无级变阻尼装置，轴套与所述主轴同轴安装，轴套与所述主轴之间的间隙形成气膜，为主轴提供支撑；其特征在于：气室外套装套于所述轴套外壁，气室外套内壁沿周向均布若干凸出的接触部，接触部沿轴向延伸，在轴套外壁围合出若干周向均布的气室，接触部与轴套的外壁密封连接；气室与气膜通过节流孔连通，气室所在的气室外套的壁面开有贯通的进气孔；进气孔通过供气管与T型三通球阀出口连接；T型三通球阀一端进口与空气气源连接，另一端进口与减压阀出口端连接；减压阀进口端通过氖气气路与氖气罐连接；压差传感器一端与空气气路连接，另一端与氖气气路连接；位移传感器垂直于主轴轴线地隔空安装于主轴外部，两个位移传感器以主轴轴线为中心成90°布置；压差传感器、位移传感器的数据输出端均连接控制系统，T型三通球阀、减压阀的控制端均与控制系统连接。
2.如权利要求1所述的气体静压主轴气膜无级变阻尼装置，其特征在于：气室呈扇形，进气孔位于各扇面形气室的中心线上。
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